CHƯƠNG 2. NGUYÊN NHÂN CÁC SỰ CỐ ĐÊ SÔNG HỒNG VÀ ĐỊNH HƯỚNG MỘT SỐ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CHỐNG THẤM GIA CỐ
2.3 NGHIÊN CỨU ĐỊNH HƯỚNG MỘT SỐ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CHỐNG THẤM GIA CỐ ĐÊ SÔNG HỒNG
2.3.2 Một số biện pháp nâng cao ổn định thấm của thân và nền đê
Đê là công trình làm việc theo mùa, mùa khô và mùa mưa, dù là vào thời điểm nào điều kiện làm việc của đê chịu tác động rất nhiều của dòng thấm trong thân và nền đê. Đặc biệt là vào mùa lũ, mực nước sông dâng cao, tạo cột nước áp lực lên thân đê, thân đê và nền đê hình thành các dòng thấm đi qua thân đê và dưới lớp nền đê dẫn tới một loạt các sự cố về thấm và biến dạng thấm gây ra các phá hoại ảnh hưởng đến sự an toàn làm việc của đê.
Điển hình là các dạng mạch đùn, mạch sủi, bãi sủi, xói ngầm, bục đất do tác dụng của dòng thấm trong lớp thấm nước trong nền đê gây áp lực thấm lên đáy lớp phủ ít thấm phía đồng, các dạng trượt, lở mái dốc thượng, hạ lưu thân đê và các dạng biến hình thấm đặc biệt hình thành các dòng thấm, hang thấm tập trung do tác nhân của việc đất đắp đê không đồng nhất, động vật đào hang hay do tiếp giáp giữa các công trình bê tông trên đê với đê đất.
Các cửa sổ nơi đã xuất hiện mạch đùn, mạch sủi thường bị lấp đầy cát hạt mịn sau khi nước rút. Nếu không được xử lý thì đợt lũ tiếp theo trong năm hay trong mùa lũ tới vẫn có khả năng tái xuất hiện, thậm chí với mức nước thấp hơn. Hiện tượng đùn đất kéo dài nhiều năm là tiền đề cho sự hình thành phát triển các dòng ngầm dưới nền đê. Khi dòng ngầm đủ lớn xuất hiện một số khả năng sau:
- Lớp thông nước vẫn giữ được các điều kiện của môi trường Darcy, nhưng hệ số thấm tăng lên đáng kể ở gần khu vực có mạch sủi. Nhờ đó áp lực nước dưới đất tăng lên đáng kể, làm xuất hiện các mạch đùn mới, nền đê xấu hơn. Lâu dài có khả năng là nguyên nhân gây vỡ đê.
- Trong lớp đất thông nước hình thành các vùng thấm mạnh, tạo nên môi trường phi Darcy, xuất hiện các vùng chảy rối, dòng xoáy, lôi cuốn đất, cát gây sập nền đê. Trường hợp xấu dẫn đến sập thân đê, gây vỡ đê.
Đối với hiện tượng sạt lở mái dốc thì nguyên nhân chủ yếu như sau:
- Thân đê thường xuyên phơi khô, nhưng về mùa mưa lũ, nước mưa làm đất ướt, chỉ tiêu cơ lý của đất giảm, hơn nữa dòng thấm qua thân đê phát triển, lực thấm có tác dụng làm giảm tính ổn định của mái dốc hạ lưu, trong điều kiện ấy nếu mái quá dốc sẽ bị sạt trượt.
- Trong một số đoạn đê do tính không đồng nhất, có các lỗ hổng, khuyết tật do nứt nẻ, do động vật đào hang thì thấm sẽ không tuân theo quy luật thấm thông thường. Tùy theo mức độ lỗ rỗng, hổng trong thân đê, mà nước có thể thấm, hay chảy thành mạch với mức độ khác nhau. Nếu thấm chảy nhiều hơn mức thông thường thì đó là hiện tượng thẩm lậu. Nếu nước chảy theo kiểu mạch lươn, tức là chảy qua các kẽ hổng liên thông, tạo thành các mạch nước thoát tập trung, thậm chí tạo thành vòi nước thì đó là hiện tượng rò rỉ. Do thẩm lậu rò rỉ, đất trong thân đê có thể bị xói ngầm làm cho nước thấm thoát ra đục, moi rỗng thân đê.
Khi sử dụng các biện pháp nâng cao ổn định thấm cho thân và nền đê cần quan tâm đặc biệt tới những vùng đã và đang có hiện tượng mất ổn định cục bộ. Các biện pháp đưa ra cần xử lý được ảnh hưởng của dòng thấm gây ra có tác hại đến sự làm việc an toàn của đê. Ý tưởng chính là:
- Xử lý tốt các điểm đã có hiện tượng mất ổn định thấm, không để các điểm đó lôi đất ra khỏi thân và nền đê;
- Sử dụng các biện pháp kỹ thuật không cho xuất hiện mới các điểm bục nền, mạch sủi, mạch đùn…lấp các lỗ hổng khuyết tật trong thân đê…
- Kiểm soát, điểu khiển được các yếu tố thủy lực trong trường thấm (cột nước áp lực, gradient thấm, lưu lượng thấm..) để có phương án phòng
thấm, tiêu nước thấm hợp lý.
Từ các điều kiện đã phân tích về ổn định thấm của thân và nền đê, để nâng cao ổn định cần tìm các biện pháp thỏa mãn các điều kiện về ổn định thấm bằng cách giảm giá trị của Gradient thấm tại ở các điểm ra trong giới hạn cho phép. Do đó có thể đề xuất các biện pháp chủ yếu như sau:
- Tăng bề dày lớp đất phủ;
- Giảm giá trị cột nước áp lực lên thân và nền đê;
- Giảm áp lực thấm dưới nền đê, kéo dài đường viền thấm;
- Có thể sử dụng kết hợp các biện pháp trên tùy từng trường hợp và điều kiện cụ thể.
Các biện pháp an toàn thường được sử dụng cho các đề xuất biện pháp trên như sau:
- Hạ thấp mực nước thượng lưu;
- Hạ thấp các điểm áp lực trên đường đo áp;
- Điều khiển biên hạ lưu;
- Tạo màng chống thấm trong thân đê;
- Gia tải hạ lưu, đắp sân phủ thượng lưu.
Tùy vào từng trường hợp, nhiệm vụ, từng điều kiện địa hình, địa chất, điều kiện tự nhiên và hiệu quả kinh tế, kỹ thuật khả năng thi công, vận hành và bảo vệ công trình mà áp dụng các biện pháp hợp lý.
2.3.2.1 Giải pháp xử lý chống thấm cho đê bằng hào chống thấm Xi măng – Bentonit phía thượng lưu
a. Phương pháp tạo hào
Tạo một hào chống thấm ngay phía thượng lưu để giảm lưu lượng thấm qua nền hoặc nền và thân đê. Dung dịch này được chế tạo bằng đất sét, tốt nhất là loại sét dạng Bentonit, chúng có thành phần hóa học như sau:
Hạt đường kính > 0.1mm: 0,1-0,02%;
Hạt đường kính > 0,06mm: 22-25%;
Hạt đường kính < 0,06mm: 75- 77%; SiO2: 55-58%;
F2O3: 1-1,1%;
Al2O3: 19-21%;
CaO: 0,3-0,4%;
MgO: 0,25-0,4%;
SO3: Hầu như không có.
Nếu nơi nào không có loại đất sét trên có thể dùng sét tại chỗ, nhưng dù dung loại đất sét nào thì trước khi sử dụng phải thí nghiệm kiểm tra các chỉ tiêu của dung dịch sét đạt các chỉtiêu sau đây thì mới áp dụng đểtạo hào chống thấm:
- Mức thoát nước β: 25-30cm trong 30 phút;
- Độ nhớt T(giây): 17-20 giây;
- Độ vỏ sét K(mm): 2,5-3mm;
- Trọng lượng riêng của dung dịch γ đ (g/cm3): 1,06-1,3 g/cm3; - Ứng suất tĩnh θ 1 và θ10 (mg/cm2): θ 1/ θ10 = 7-8/11-12 mg/cm2; - Độ ổn định C(%): 0,7-,0,8%;
- Độ lắng cạn(%): 0,25-0,35%;
- Hàm lượng cát (5): 1,5-1,7%.
Nếu các chỉ tiêu dung dịch không đạt yêu cầu phải gia công dung dịch sét cho đến khi đạt yêu cầu về tiêu chuẩn của dung dịch sét như đã quy định trên bằng cách cho vào dung dịch sét một hàm lượng hợp lý các chất hóa học như Xooda (Na2CO3), than bùn, Nitorat (NH4)… Sau khi có đượng dung dịch sét yêu cầu, tiến hành điều chế lượng dung dịch cần thiết.
Lượng đất sét Qđ và lượng nước VN để tạo ra toàn bộ dung dịch sét cần thiết:
Qđ=α.Pđ.V; (2-12)
VN= α.V.VN; (2-13)
�đ
�� = −−−−−−−−−−−−−−− �(1−�+�.... .�
= 1− �đ
�
(2-14) (2-15)
Trong đó:
γ – Khối lượng riêng của đất sét;
γ dd – Khối lượng riêng của dung dịch sét cần có ; γ n– Khối lượng riêng của nước;
w- độ ẩm của đất;
V- Thể tích dung dịch cần có;
α – Hệ số tổn thất trong quá trình tạo dung dịch sét, thường chọn α = 1,3.
- Thành phần vật liệu cho 1m3 hào xi măng – Bentonnit chống thấm của hang Bachy-Soletanche đã làm tại đập hồ Dầu Tiếng Việt Nam:
+ Xi măng Chinfon Hải Phòng PCB 30: 250kg;
+ Bentonit của Australia: 45kg;
+ Phụ gia đông cứng chậm SICA: 1,5kg;
+ Nước: 918 lít.
- Các chỉ tiêu của dung dịch:
+ Dung trọng γ: 1,1,3-1,15 g/cm3; + Độ nhớt T: 28-30 giây;
+ Độ tách nước: 4%;
+ Cường độ nén 28 ngày R28: 1,5kg/cm2; + Hệ số thấm K: 10-6 cm/s.
b. Công nghệ thi công hào Xi măng – Bentonit
- Dùng gầu đào có dung tích loại 0,65 m 3 đào bào tầng thấm theo nguyên tắc đào bao nhiêu phải cho vào bấy nhiêu dung dịch;
- Trong quá trình đào luôn giữ cố định dung dịch sét thấp hơn mặt đất khoảng 20 đến 30cm;
- Sau khi đào xong khoảng 5 giờ tiến hành kiểm tra chất lượng dung dịch xi măng – Ben tonit;
- Sau khoảng 30 ngày tiến hành lấy mẫu thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của đất Xi măng – Bentonit;
Công nghệ đào hào làm tường chống thấm do hãng Bachy – Soletanche của Pháp giới thiệu có thể đào hào sâu ở điều kiện làm việc tiêu chuẩn đào sâu 60m, sâu nhất 120m với chiều rộng hào từ 0,65-1,2m.
* Ưu điểm:
- Chống thấm đạt hiệu quả cao (hệ số thấm K = 10-5 – 10-7 cm/s);
- Dung dịch Xi măng – Bentonit được trộn theo dây chuyền công nghệ theo tiêu chuẩn thống nhất. Nên thuận lợi trong thiết kê, thi công, vận chuyển và kiểm soát chất lượng.
- Thi công trên nền cát, cuội, sỏi có hệ số thấm lớn, tầng thấm sâu;
- Khi địa hình xây dựng chật hẹp vẫn áp dụng được công nghệ này.
* Nhược điểm:
- Máy móc thi công cồng kềnh;
- Không thi công được trên nền là đá lăn, đá tảng;
- Giá thành công trình cao. Do vậy chỉ áp dụng với những đoạn đê trọng yếu, những nơi các biện pháp khác được áp dụng nhưng vẫn chưa cải thiện được sự cố đê xảy ra.
2.3.2.2 Khoan phụt vữa gia cố thân đê
Khoan phụt vữa gia cố thân đê phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Bịt lấp được các lỗ rỗng, khe nứt, hang động vật, tổ mối và các loại ẩn họa khác có trong thân đê, tạo ra màng chống thấm trong phạm vi khoan phụt vữa gia cố để đạt được hệ số thấm nhỏ hơn 10 -4 cm/s, tăng sự ổn định của đê, hạn chế sự xâm nhập và hoạt động của các loại sinh vật gây mất ổn định đê.
Việc tính toán thiết kế khoan phụt vữa cần xác định được các thông số chính sau đây của mạng lưới các lỗ khoan phụt gia cố đê:
a) Chiều dày màn chống thấm tính bằng mét, T, m;
b) Số hàng khoan phụt;
c) Khoảng cách giữa các hàng lỗ khoan phụt và khoảng cách giữa các lỗ khoan phụt trong cùng một hàng, m;
d) Chiều sâu lỗ khoan phụt, hk , m;
e) Áp lực phụt tính toán lớn nhất,
TT
max và áp lực phụt thiết kế, PTK, Pa;
f) Loại và lượng vật liệu phụ gia trộn với dung dịch vữa (nếu có);
g) Nồng độ dung dịch vữa (tỷ lệ Đ/N) và thời gian phụt với từng nồng độ vữa thích hợp cho công tác thi công;
h) Mức ăn vữa và lượng bột sét cho 1 m khoan sâu;
i) Thời gian dừng thi công giữa hai hố khoan liền kề.
Có thể thiết kế hai hay nhiều hàng khoan để hình thành màn chống thấm tùy theo kích thước, chất lượng, tầm quan trọng của đoạn đê cần khoan phụt vữa gia cố và phải được xác định thông qua tính toán cụ thể
Tuyến lỗ khoan phải song song với tuyến đê và lệch về phía sông.
Khoảng cách của tuyến lỗ ngoài cùng tới mép đê phía sông nằm trong khoảng từ 0,5 m đến 1,0 m, xem hình 2.15.
Hình 2.15. Sơ đồ bố trí tuyến lỗ khoan
P
Chọn khoảng cách giữa các lỗ khoan phụt liền kề trong một hàng theo hướng dọc đê sao cho bán kính lan truyền vữa của lỗ khoan này phải trùm lên bán kính lan truyền vữa của lỗ khoan kia ít nhất bằng 1/3 bán kính ảnh hưởng dọc Rd của mỗi lỗ khoan phụt, xem sơ đồ a của hình 2.16.
Căn cứ vào bán kính lan truyền vữa theo hướng ngang đê Rn, xác định khoảng cách giữa các hàng lỗ khoan phụt theo như trên. Trong thiết kế sơ bộ, khoảng cách giữa các hàng có thể lấy trong khoảng từ 0,8 m đến 1,5 m, xem sơ đồ b của hình 2.16
hàng
a) Xác định các lỗ khoan trong một b) Xác định vị trí các hàng lỗ khoan
Hình 2.16: Sơ đồ bố trí các lỗ khoan phụt gia cố thân đê
Vị trớ cỏc lỗ khoan phụt trong cỏc hàng phải so le nhau và ghi rừ ký hiệu theo từng đợt thi công.
Các lỗ khoan phụt phải có độ sâu bằng nhau và theo phương thẳng đứng.
Phải quy định rừ thứ tự khoan phụt vữa cho từng hàng.Nếu thiết kế khoan phụt vữa hai hàng thì phải khoan phụt vữa hàng phía sông trước, hàng phía đồng sau.Nếu thiết kế khoan nhiều hàng thì khoan phụt vữa lần lượt hàng phía sông trước, tiếp đến hàng phía đồng rồi mới đến các hàng giữa.
Các lỗ khoan phụt vữa trong một hàng được chia thành nhiều đợt để thi công, đảm bảo cho vữa phụt các lỗ đợt sau lấp nhét bổ sung vào lỗ rỗng các
đợt trước (dung dịch vữa lấp kín các lỗ rỗng, sau một khoảng thời gian thì tiết nước và đông kết lại tạo khoảng trống cho vữa bơm đợt sau lấp đầy).
Đối với mỗi lỗ khoan phụt vữa phải khoan tạo lỗ tới độ sâu thiết
kế.Trước khi tiến hành phụt vữa phải đặt cần khoan sâu trong lỗ, đầu dưới của cần khoan cách đáy lỗ khoan 30 cm.
Hình 2.17:Sơ đồ trình tự khoan phụt vữa
Khoan tạo lỗ được thực hiện bằng phương pháp thủ công.Bốn đến năm công nhân dùng cần khoan ấn xuống đất nhờ lực ấn, lực xoay và áp lực
nước.Cần khoan được làm bằng ống kẽm đường kính khoảng 20mm, dài 6- 7m.Trong qua trình tạo lỗ áp lực nước thường lấy vào khoản 1-2at.
Vữa được trộn trong thùng trộn vữa.Thùng trộn vữa được truyền động nhờ động cơ. Đất sét trộn với nước theo tỷ lệ nhất định đã được thiết kế.
Thùng chứa có dung tích khoảng 0,7-1m3. Đất sét được trộn từ 20-50
phút.Sau khi trộn vữa được ép vào hố khoan nhờ áp lực của máy nén khí.
Dung dịch được ép đến khi no vữa áp lực đạt đến áp lực thiết kế, vữa không đi xuống được nữa.
Ưu điểm:
- Dung dịch được lấp nhét vào các khe nứt và hang hốc khuyết tật trong thân và nền đê tạo ra màng chống thấm hạn chế đáng kể sự thẩm lậu, hang thấm tập trung của đê, góp phần nâng cao ổn định của đê.
- Đơn giản dễ thi công, thiết bị dễ chế tạo;
- Giá thành thấp so với hiệu quả đạt được.
Nhược điểm:
- Khoan tạo lỗ cần số lượng lớn công nhân làm thủ công, độ sâu hố khoan hạn chế từ 6-7m. Trong khi đó nhiều nơi chiều cao đê trên 6m, việc chống thấm cho nền đê không có tác dụng.
- Thời gian trộn dung dịch, phụt vữa kéo dài tới vài giờ cho một lỗ khoan - Chất lượng dung dịch, đất sét không được kiểm soát tốt.
2.3.2.3 Cọc xi măng đất thi công theo phương pháp Get – Grouting
Công nghệ Get – grouting còn được gọi là công nghệ khoan phụt vữa kiểu tia, phương pháp này dựa vào nguyên lý cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực. Khi thi công, đầu tiên dung máy khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim tới độ sâu phải gia cố (nước + xi măng), dưới áp lực > 20MPa từ vòi bơm phun phá vỡ tầng đất đá. Dưới tác dụng của lực xung kích của dòng phun, lực ly tâm, trọng lực… sẽ làm dung dịch vữa trộn dần với nhau, sắp xếp lại theo một tỷ lệ có quy luật giữa đất và theo khối lượng hạt. Sau khi vữa cố kết sẽ thành cọc xi măng - đất. Nếu thi công chồng lấn lên nhau có thể tạo thành một tường hào xi măng – đất, đường kính cọc xi măng – đất phụ thuộc vào loại đất, áp lực phun, tốc độ xoay, thời gian rút cần khoan và loại thiết bị.
Cường độ chịu nén của cọc xi măng đất khoảng (5 50)kg/cm2, nó phụ thuộc vào loại vữa (hàm lượng xi măng và tỷ lệ nước/xi măng) và loại đất nền.
Khả năng chống thấm của cọc xi măng đất phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản:
hàm
lượng của xi măng và bentonite trộn vào đất, khả năng chống thấm của cọc xi măng – đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cả yếu tố chủ quan và khách quan như ngày tuổi của xi măng –đất sau khi khoan phụt, cột nước tác dụng…
+ Phương pháp thi công xi măng đất
Công tác khoan thực hiện bằng khoan xoay và xối nước qua cần khoan và mũi khoan đặc biệt.Sau khi đưa mũi khoan đến cao độ thiết kế, quá trình phụt vữa bắt đầu.Vữa được phụt qua vòi phun với áp suất và vận tốc cao, làm phá vỡ kết cấu của đất và tạo thành Soilcrete.Trong suốt quá trình phụt vữa, cần khoan vừa xoay vừa nhấc dần lên (hình 2.18).
+ Thiết bị thi công
Hình 2.18: Mô tả quá trình thi công công nghệ KPCA Thiết bị thi công gồm có (Hình 2.18):
+ Máy khoan;
+ Trạm trộn và bơm vữa;
+ Ống dẫn cao áp nối bơm với máy khoan;
+ Thiết bị điều khiển áp lực, lưu lượng, thể tích bơm, tốc độ xoay, tốc độ rút, chiều sâu khoan.
Đường dẫn KPCA
+ Đối với hệ đơn pha: Một đường ống chịu áp lực cao dẫn vữa đến đầu phun.
+ Đối với hệ hai pha: Hai đường ống riêng biệt dẫn hai dung dịch (khí và vữa, hoặc nước và vữa) đến đầu phun.
+ Đối với hệ ba pha, ba đường ống riêng dẫn nước áp lực cao, khí nén và vữa đến đầu phun.
Các ống nối chịu áp lực cao và đường cáp điều khiển nối máy bơm với máy khoan. Cần khoan dài từ 1,5 m đến 3 m. Lỗ khoan được nối với rãnh thu để đưa bùn chảy vào vị trí máy hút bùn. Tại đây hỗn hợp nước- đất- ximăng được bơm ra khỏi hiện trường hoặc sử dụng lại.
Hệ thống thiết bị trộn và bơm KPCA cho các hệ thống KPCA khác nhau gồm có:
+ Đối với hệ đơn pha: thùng chứa ximăng và các vật liệu khác, thiết bị trộn khô, thùng khuấy, bơm vữa cao áp;
+ Đối với hệ hai pha (khí): giống như trên và có thêm một máy nén khí.
+ Đối với hệ ba pha: giống như hệ hai pha và có thêm một máy bơm nước cao áp.
+ Phạm vi ứng dụng
Công nghệ KPCA có khả năng ứng dụng rộng rãi hơn các công nghệ xử lý kiểu khoan phụt khác đã có.Nó cho phép ứng dụng có hiệu quả để xử lý từ loại đất sỏi nhỏ - cát - bùn - bùn sét (hình 2.19).Trong khi công nghệ khoan phụt kiểu nút bịt hoặc các công nghệ khoan phụt hoá chất truyền thống chỉ có hiệu quả đến đất cát.
Cọc xi măng đất (XMĐ) được sử dụng nhiều trên thế giới. Tại Mỹ, việc xử lý và nâng cấp các đập đất nhằm đáp ứng mục tiêu an toàn trong vận hành và ngăn ngừa hiện tượng thấm rất được quan tâm. XMĐ đã được ứng dụng để nâng cấp các đập đất hiện có, tạo ra các tường chống thấm. Để kiểm soát dòng thấm, các tường bằng bê tông đất được cắm vào đá gốc xuyên qua đập