Dòng thấm và các khả năng phá hoại sự an toàn làm việc của đê Đất nền đê được tổng hợp gồm 2 lớp: Lớp phủ ít thấm và lớp thấm

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

2.3.1 Dòng thấm và các khả năng phá hoại sự an toàn làm việc của đê Đất nền đê được tổng hợp gồm 2 lớp: Lớp phủ ít thấm và lớp thấm

nước, khi công trình làm việc, sẽ tạo ra sự chênh lệch mực nước phía sông và phía đồng, nước sẽ đi dộng qua các khe rỗng trong đất nền và hình thành dòng thấm. Đối với công trình ở khu vực dòng thấm thoát ra có thể gây ra các hiện tượng sụt lún nền, thẩm lậu rò rỉ nước, đùn sủi, đẩy trồi đất làm sạt trượt mái đê, và có thể gây ra vỡ đê ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn tính mạng và tài sản của khu vực dân cư được bảo vệ.

Dòng thấm dưới nền công trình, trong những điều kiện nhất định có thể gây ra những biến hình thấm bất lợi cho công trình. Biến hình thấm bao gồm hai dạng cơ bản: Biến hình thấm thông thường là loại biến hình thấm thường

xảy ra và có thể kiểm tra tính toán được trên cơ sở các quy luật thông thường của vật lý, cơ học; và biến hình thấm đặc biệt.

Hiện tượng thấm không phải là một tai biến địa chất, song thấm lớn qua công trình ngăn nước lại là một hiện tượng có hại với mục đích sử dụng của công trình. Thấm lớn làm tăng áp lực thấm ở hạ lưu công trình, gây nên các tác động có hại lên công trình. Với đê, thấm lớn khi có lũ làm ảnh hưởng đến sinh hoạt bình thường của dân cư ven đê và gây ra áp lực lớn lên tầng đất bảo vệ gần mặt đất và có thể gây hiện tượng bục đất. Thường lũ với báo động 3 trở lên, mực nước lũ so với bãi thượng lưu 4-4,5m, so với trong đồng khoảng 6,0-6,5m. Với lời giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên chương trình SEEP/W, [21] cho một loạt mặt cắt đê từ Ba Vì, Phúc Thọ, Đan Phượng đến các vị trí sự cố của khu vực Thanh Trì K79-K85 cho thấy:

- Áp lực thấm vào tầng chắn nước trên mặt trong trường hợp không có vùng thoát ở hạ lưu có thể lên đến 5-6m, phổ biến ở 4-5m. Tuy nhiên, trong trường hợp có vùng thoát như các giếng khơi, ao hồ thì áp lực thấm chỉ còn 1,5-2,5m.

- Gradient thủy lực trong bài toán không có vùng thoát rất nhỏ thường nhỏ hơn 0,1.Tuy nhiên, trong trường hợp có ao hồ cách chân đê 50m,gradient thủy lực lớn nhất lên tới 3,38, thường từ 0,7 đến 1,0. Đất bị phá hủy kết cấu dưới tác động của thấm được gọi là biến dạng thấm. Biến dạng thấm của đất phát triển lan tỏa có thể gây phá hủy công trình dẫn đến tai biến. Có ba hiện tượng cần lưu ý đó là xói ngầm, cát chảy và bục đất. Xói ngầm xẩy ra từ từ với loại đất bất đồng nhất chủ yếu là cát pha, cát bụi (hệ số bất đồng nhất η> 20), gradient dòng thấm J>0,25 (theo Ixtomina, [21]). Gradient dòng thấm lớn chỉ khi có dị thường ở hạ lưu đê như ao hồ, các hố làm gạch hoặc đào bới của dân chúng, các giếng đào lấy nước ăn. Trị số này còn lớn hơn nữa khi dị thường gần chân đê hơn. Hiện tượng cát chảy cũng xảy ra do tác động của

dòng thấm. Theo đúng nghĩa của nó, hiện tượng chỉ xảy ra với đất loại cát và gradient dòng thấm vượt qua trị số giới hạn. Theo tính toán, [21] lớp cát bụi và mịn khu vực Phúc Thọ khi chảy có mái dốc khoảng 3-5°, phù hợp với độ dốc của đáy sông từ ven bờ ra giữa dòng. Như vậy các loại cát pha đến cát bụi, thuộc nền đê Hà Nội có thể xảy ra xói ngầm và cát chảy. Hiện tượng cát chảy và xói ngầm chỉ xảy ra khi hội đủ ba điều kiện sau: (i) Đất có tính chất phù hợp, (ii) Có gradient dòng thấm vượt quá trị số giới hạn và (iii) Phải có vùng thoát, nghĩa là hiện tượng xảy ra phải có cơ hội kéo dài không tự triệt tiêu. Điều kiện thứ ba rất quan trọng, khi không có miền thoát, hiện tượng xảy ra sẽ tự triệt tiêu, cho nên hiện tượng bục đất sau đây giúp hiện tượng xói ngầm và cát chảy phát triển không ngừng. Bục đất là hiện tượng phá hủy lớp đất không thấm bề mặt đất dưới tác động của áp lực thấm nền đê Hà Nội phổ biến có lớp đất trầm tích sông hệ tầng Thái Bình là sét và sét pha phủ trên bề mặt. Chiều dày của nó phụ thuộc vào điều kiện trầm tích và hoạt động nhân sinh kinh tế. Công thức sau đây được xác định là chiều dày giới hạn không bị bục đất, [21]:

[�]

=�

−�4 �

+1�+�đ

�

� 2

�4�đ�+1

�

��

��

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

+2��

2�

2�

2�

2�

2�

2�

2�

2�

2�

2�

2�

2�

2�2 � ��

�

�đ�

(2-4)

Trong đó, t là chiều dày cho phép, m; C là lực dính kết của đất, H là áp lực nước thấm, m; φ là góc ma sát trong của đất; λ là hệ số áp lực hông, k là hệ số an toàn. Như vậy, với đất sét pha có chỉ tiêu vật lý cơ học là γ đn = 0,91 g/cm3, góc ma sát trong φ=9,11°, lực dính kết C=0,244 kg/cm2 thì với áp lực nước tại đáy lớp là 1, 2, 3, 4, 5 và 6m thì t trong trường hợp lấy hệ số an toàn k=1, lần lượt là 0,43; 0,86; 1,28; 1,68; 2,08 và 2,48m. Trong trường hợp có lũ lớn vào cấp báo động 3 thì áp lực nước ngầm trong đê có thể lên đến 6m, nhiều chỗ có chiều dày tầng phủ nhỏ hơn 2,48m có thể bị bục đất. Sau đó, quá trình cát chảy và xói ngầm xảy ra mạnh mẽ gây ra vỡ đê.

�

Sau đây chúng ta xem xét về hình thức xảy ra các hiện tượng:

- Xói ngầm cơ học:

Trong nền đất không dính hoặc ít dính, khi lưu tốc thấm vượt quá một giới hạn nào đó thì xảy ra hiện tượng các hạt nhỏ bị đẩy lọt qua các kẽ hở giữa các hạt lớn. Khi đó, độ rỗng trong đất nền tăng lên, lưu tốc thấm tăng lên và có khả năng cuốn theo các hạt đất lớn hơn. Đó là hiện tượng xói ngầm cơ học. Khi hiện tượng này tiếp tục phát triển thì sẽ làm tăng nhanh lưu lượng thấm và làm tăng độ rỗng của đất nền, sinh ra lún không đều và dẫn đến làm mất ổn định của công trình.

Có trường hợp dòng thấm chỉ làm xói một lượng nhất định các hạt đất nhỏ, làm tăng lưu lượng thấm nhưng chưa phá vỡ khung kết cấu của đất và chưa gây mất ổn định công trình.

Trong quá trình xói ngầm cũng có trường hợp các khe hở giữa những hạt đất lớn bị các hạt đất không trôi qua được bịt lại, kẽ hở nhỏ đi, dần dần hiện tượng xói ngầm chấm dứt. Khi đó trong đất nền hình thành một tầng lọc tự nhiên, có các hạt đất phân bố từ nhỏ đến lớn theo chiều dòng thấm. Đây gọi là hiện tượng đọng ngầm.

Các điều kiện phát sinh hoặc chấm dứt xói ngầm cơ học rất phức tạp và phụ thuộc nhiều yếu tố (kết cấu của đất, thành phần hạt, sự sắp xếp ngẫu nhiên của các hạt...). Đã có nhiều phương pháp gần đúng xác định lưu tốc thấm giới hạn sinh xói ngầm, như các công thức của Xtốc, Tim, Đơgiattin...

Tuy nhiên, do tính phức tạp của hiện tượng này, cách tiếp cận hợp lý nhất là sử dụng các kết quả nghiên cứu thực nghiệm. V.S.Ixtômina (Nga) đã tiến hành hàng loạt sêri thí nghiệm và đi đến nhận định rằng đối với đất không dính thì gradient thấm giới hạn xói ngầm cơ học chủ yếu phụ thuộc vào hệ số không đều hạt của đất = d60/d10, trong đó d60 và d10 là đường kính các mắt sàng cho lọt 60% và 10% trọng lượng mẫu đất thí nghiệm. Trên hình 3-1,

đường cong liền nét biểu diễnquan hệ Jgh ~, còn đường nét đứt thể hiện trị số gradient xói ngầm cho phép:

���

≥ �� ℎ�

Trong đó: m- là hệ số an toàn.

Jgh

2,0

1,5 1,0 0,5

0 5 10 15 20 25 30 35 ŋ=d60/d10

40

Hình 2.10: Biểu đồ quan hệ Jgh̴ ŋ, [J] ̴ ŋ - Đẩy trồi đất (đùn đất do thấm)

Đẩy trồi đất xảy ra ở nền đất dính, tại vùng cửa ra của dòng thấm, khi áp lực đẩy ngược của dòng thấm vượt quá lực giữ khối đất (trọng lượng bản thân, lực dính và ma sát với các khối xung quanh).

Xét một khối đất trong miền thấm có kích thước theo mỗi chiều bằng đơn vị. áp lực thuỷ động lên khối đất này là W th =J, trong đó  - trọng lượng riêng của nước;

J - gradient thấm trung bình của khối tính toán.

Jgh=f(ŋ) [J]=f(ŋ)

Hình 2.11:Sơ đồ tính toán đẩy trồi đất ở hạ lưu công trình

Tại vùng cửa ra của dòng thấm (hình 2.11) lực Wth có hướng từ dưới lên trên, ngược chiều với trọng lượng bản thân đất. Trường hợp khối đất ngâm trong nước, trọng lượng của nó là: G= đnx1, trong đó  đn – trọng lượng riêng của đất ở trạng thái đẩy nổi,  đn = 2 - (1-n); ở đây  2 –trọng lượng riêng của đất khô; n- độ rỗng của đất nền.

Nếu bỏ qua lực ma sát và lực dính, khối đất sẽ ở trạng thái cân bằng giới hạn khi Wth = G, hay J = 2- (1-n);

Trị số Gradient thấm giới hạn đẩy trồi đất sẽ là:

Jgh = 2/- (1-n) (2-5)

Nếu trong thực tế, tại vùng cửa ra của dòng thấm có Jra >Jgh thì khối đất sẽ bị đẩy trồi từ dưới lên trên, làm cho công trình bị mất ổn định (nghiêng, lật, trượt…)

Ngoài ra trong môi trường thấm còn có thể xảy ra các biến hình thấm đặc biệt do tồn tại các khe hở, khuyết tật trong đó. Các khe hở, khuyết tật này được hình thành do nhiều nguyên nhân khác nhau (xói ngầm, lún không đều, vết nứt trong đất, rễ cây mục nát, động vật đào hang…). Vị trí của khuyết tật có thể ở bất kỳ chỗ nào trong miền thấm và nói chung không thể dự kiến được.

Khi trong nền có tồn tại các khe hở, khuyết tật như vậy, dưới tác dụng

của cột nước thấm (cột nước chênh lệch thượng – hạ lưu công trình) sẽ hình thành hang thấm tập trung. Dòng thấm sẽ đi theo con đường ngắn nhất nối các hang thấm tập trung, khi đó chiều dài đường thấm bị rút ngắn, gradient thấm tăng nhanh, khả năng phá hoại của dòng thấm là rất lớn.

Để kiểm tra khả năng phá hoại đặc biệt của nền và công trình chỉ có thể sử dụng các đại lượng gradient thấm trung bình cho toàn miền, gọi là độ bền thấm đặc biệt hay độ bền thấm chung:

JK<JKCP Trong đó:

- JK - Gradient thấm chung của nền hay công trình;

- JKCP - Gradient thấm chung cho phép của nền hay công trình.

Ý nghĩa của công thức trên là ở chỗ khi cột nước thấm của công trình đã khống chế, cần phải thiết kế công trình có đường viến thấm đủ dài để khi có hang thấm tập trung ở 1 ví trí nào đó thì phần còn lại của đường thấm vẫn đủ để chống lại các biến hình thấm nguy hiểm. [22]

Trị số JKđối với nền đất của công trình có thể xác định theo phương pháp do Viện nghiên cứu khoa học thủy lợi toàn liên bang – VNIIG (Liên xô) đề nghị:

��

=��� �∑

��

(2-6) Trong đó:

- H – Cột nước thấm, (m);

- Ttt – Chiều sâu tính toán nền, (m);

- ∑ξi – Tổng hệ số sức cản tại các bộ phận của miền thấm ( phụ thuộc vào chiều sâu tầng thấm và chiều cao hay chiều sâu của thiết bị làm cừ, bậc...) Như vậy điều kiện ổn định thấm nền đê được nói liên quan tới điều kiện không phát sinh bục đất, mạch đùn, mạch sủi. Điều kiện đảm bảo ổn định thấm của điểm thoát nước ra ở mái đê phía đồng và lớp mặt nền là

gradient dòng thấm nhỏhơn gradient cho phép. Điều kiện ổn định thấm của nền được xác định bằng công thức:

Ja< [Ji] Trong đó:

- Ja – Gradient thủy lực tại điểm a đang xét ổn định thấm;

- [Ji] – Gradient giới hạn đối với từng loại hình mất ổn định; Giá trị Ja trong công thức trên được xác định như sau:

��

=

∆��−∆����

�

(2-7) Trong đó:

-△Ha : Áp lực cột nước tại điểm a ở đáy lớp đất 1;

- △Hmda : Áp lực nước mặt tác động lên mặt đất tại điểm a, tác dụng theo chiều ngược △Ha.

- b: bề dày lớp đất 1 tại a.

Để đánh giá được điều kiện ổn định của nền đê cần xác định được giá trị Javà [Ji] cho nền nói chung và cho từng điểm a nói riêng như hình3.3.

Hình 2.12 : Sơ đồ tính toán ổn định thấm cục bộ nền đê (1) Lớp đất 1; (2) lớp đất 2; (3) Đường áp lực dưới đáy lớp 1.

Từ công thức trên thấy rằng giá trị Ja phụ thuộc váo áp lực cột nước

△Ha và bề dày lớp đất phủ và lớp nước phủ △ H mda tại vị trí đang xét. Do mối quan hệ trực tiếp với nước sông, giá trị △ Ha phụ thuộc vào mực nước sông và thời gian. Do đó tại điểm a nào đó đã so bề dày lớp phủ và lớp nước mặt, cụ thể giá trị Ja phụ thuộc vào sự thay đổi △ H a, nghĩa là phụ thuộc vào mực nước sông, khoảng cách từ điểm đang xét đến nguồn cấp nước, vào đặc điểm thủy văn của tầng thông nước và vào thời gian kể từ khi bắt đầu lũ. [6]

Đối với các trường hợp biến hình thấm đặc biệt có liên quan đến các khả năng phá hoại đặc biệt của thân, nền đê giá trị Gradient xác định theo công thức 2-6 như đã nêu ở trên.

Gradient chỗ thoát ra của dòng thấm là căn cứ rất quan trọng để kiểm tra ổn định thấm ở mái trong đồng, sự phá hoại cục bộ ở mặt dốc do tác dụng của áp lực thấm gây ra rất dễ nguy cập đến an toàn của toàn bộ mái hạ lưu.

Gradient thấm ở mặt dốc đê trên nền thấm nước được xác định như sau [11]:

- Hạ lưu không có nước:

Hình 2.13:Sơ đồ tính toán gradient thấm ở mặt dốc đê đất trường hợp hạ lưu không có nước, nền thấm nước

+ Thấm theo đoạn AB:

� =1 ℎ

0 0.25

�1+�( )2� (2-8)

+ Thấm theo đoạn nền BC

=

� 1

2��2(0ℎ

�

) (2-9)

- Hạ Lưu có nước:

Đoạn thấm ra AB:

Hình 2.14: Sơ đồ tính toán gradient thấm ở mặt dốc đê đất trường hợp hạ lưu có nước, nền thấm nước

* Thấm ra theo đoạn AB dùng công thức 2-9 ở trên.

*Thấm đoạn ngập BC:

=

� �1+(ℎ0−�2) 2��� 1 �(��1 −��1 )(��1

−��1 )

(2-10)

1 2 2

�1 = 1 1 + + + + + + + + + + + + + ++

*Theo mặt nền đoạn ngập BC:

��

=

� �1+(ℎ0−�2) 2���1 �(��1 −��1 )(��1

−��1 )

(2-11)

1 2 2

h0 – độ cao của điểm thoát nước hạ lưu (m);

H2 – độ cao cột nước hạ lưu (m).