Xói ngầm là hiện tượng các hạt đất đá bị lôi cuốn khỏi vị trí ban đầu dưới tác dụng của nước thấm; trong đất đá dần dần hình thành các khe hổng. Xói ngẩm phát triển lớn có thể gây sụt lún mặt đất, hư hỏng công trình. Ớ Việt Nam, nhiều cống luồn qua đê đã bị hư hại do xói ngầm.
9.1. Điều kiện phát sinh, phát triển xói ngầm
Xói ngầm xảy ra chủ yếu do năng lượng cơ học của dòng thấm, vì vậy có thể thấy điều kiện phát sinh, phát triển bao gồm:
1. V ề đất đá: Đất đá phải có các lỗ rỗng lớn để cho các hạt vụn có thể đi qua được.
Chẳng hạn trong đất vụn rời, nếu trong đất đá chí có 2 cỡ hạt hình cầu với đường kính hạt là D và d thì giữa các hạt lớn có thể hình thành lỗ rỗng với kích thước lỗ rỗng trung
2 1
bình là d r = — D , còn lô rông bé nhất có đường kính dmin = — dr . Như vây, các hat
5 8
nhỏ chui qua lỗ rỗng giữa các hạt lớn khi quan hệ của chúng:
Trong đó: D - đường kính của hạt lớn; d - đường kính của hạt nhỏ, bị xói rửa.
Tất nhiên, khi đất đá có nhiều cỡ hạt thì thông thường là đường kính lỗ rỗng bị giảm đi. Hiện tượng xói ngầm khó xảy ra hơn.
Vậy điều kiện cần thiết để có xói ngầm trong đất rời là:
(3-19)
Trong thực tế, với hai tầng thấm nước khác nhau, dòng thấm từ tầng thấm yếu sang tầng thấm mạnh, thì xói ngầm có thể xảy ra khi sự chênh lệch hệ số thấm quá 2 lần:
Trong đó: k ,, k2 là hệ số thấm ở lớp 1 và 2.
Đối với đá cứng nứt nẻ, đặc biệt là nứt nẻ kiến tạo, thì về điều kiện lỗ rỗng thông thường là đã thoả mãn để phát sinh xói ngầm. Nhưng do các hạt có gắn kết cứng chắc, muốn xói ngầm đòi hỏi phải có năng lượng để phá vỡ mối liên kết giữa các hạt với nhau, nên khả năng xảy ra xói ngầm khó hơn, chậm hơn.
2. Về nước thấm: Năng lượng dòng thấm phải đủ lớn. Đối với đất dính và đất đá
liên kết chắc, năng lượng dòng thấm (bao gồm cả cơ năng và hoá năng) phải đủ để hoà tan hoặc tách vỡ cơ học mối liên kết giữa các hạt. Thông thường, năng lượng này phải xác định bằng thực nghiệm cho từng loại đất đá và từng loại nước khác nhau.
Đối với đất rời thì năng lượng cơ học phải đủ để đẩy nổi các hạt vụn, tức là gradien dòng thấm phải lớn hơn hoặc bằng dung trọng đẩy nổi của các hạt vụn rời theo công thức Jth > Ydn, trong đó: Jlh - gradien thấm tới hạn; Ydn - dung trọng đẩy nổi của hạt bị xói ngầm trong đất đá vụn.
Để xác định vận tốc bắt đầu có khả năng vận chuyển các hạt cát nhỏ trong cát hạt lớn, khi dòng thấm từ dưới lên, S.V.Igơbax đã đưa ra công thức xác định vận tốc tới hạn vlh (sau đó đã được L.I.Kogơlov bổ sung):
Trong đó: d - đường kính trung bình cát hạt nhỏ; d60 và D60 - đường kính hạt mà những hạt có kích thước bằng và nhỏ hơn chiếm 60% tổng khối lượng khô của lớp cát hạt nhỏ và hạt lớn.
Công thức này chỉ dùng cho cát đồng nhất có đường kính 0,088 -ỉ- 0,5mm và dăm đồng nhất có đường kính 2 -í- 3 đến 12 + 15mm.
Hiện nay, trong lĩnh vực xác định điều kiện xói ngầm đã có nhiều công trình thực nghiệm khác nhau. E.A.Zamarin dựa vào quan hệ giữa độ rỗng và dung trọng hạt đã đưa ra công thức xác định Jlh:
(3-20)
( d Ỹ
= 0,26d2 1 + 1000 -pík , cm/s
D 6 ( )
(3-21)
J th = ^ - 1 (1 -n ) + 0,5n
Un J
Trong đó: Yh - dung trọng hạt; Yn - dung trọng nước; n - độ rỗng của đất.
(3-22)
168
V.C.Istomina (1948) đã nghiên cứu và lập đồ thị xác định quan hệ giữa vận tốc thấm và gradien thấm với độ không đều
của cỡ hạt d60
V d l<) )
cho trường hợp dòng
thấm từ dưới lên (hình 3-41). Đồ thị cho thấy độ không đểu càng lớn thì Jlh càng nhỏ. Đất khó xói ngầm là đất có cỡ hạt gần nhau.
^ íìiĩn
V
—
Vủng gradien phá huỷ
Vùnqqrac ien
an toàn ỉ 1 1 _____
2 5 10 15 20 25 30 d60/d 10
H ì n h 3 - 4 1 : Đ ồ t h ị q u a n h ệ g iữ a g r a d ie n th ấ m tối th iể u (a n to à n ) v à m ứ c đ ộ k h ô n g đ ổ n g n h ấ t
c ủ a đ ấ t k h i d ò n g th ấ m từ dưới d i lê n .
3. Tồn tại miền xá ra và tiêu tlioát các hạt nhỏ khỏi đất đá, tức là khi đất đá lộ ra
trên mặt, khi chúng bị bóc lộ ra bởi hố móng, đường đào, mỏ khai thác lộ thiên, công trình khai đào ngầm, hệ thống thoát nước, hoặc khi tiếp xúc với những đất đá thấm nước nhiều hơn, có độ rỗng lớn hơn, có khả năng thu hút những hạt bé bị dòng nước mang từ đất đá bị rửa xói đến.
Tổ hợp những điều kiện trên quyết định sự phá hoại cân bằng bên trong của đất đá và sự phát triển tất yếu của xói ngầm.
9.2. Biện p h áp xử lý xói ngầm
Khi nghiên cứu xói ngầm, người ta phải làm sáng tỏ thành phần khoáng vật và thành phần cỡ hạt, kiến trúc, cấu tạo, điều kiện thế nằm của đất đá, thành phần và tính chất của nước thấm, gradien thấm cũng như dộng thái của nước mặt. Từ đó xác định vùng có nguy cơ xói ngầm và lựa chọn các biện pháp phòng ngừa.
1. Điều tiết dòng thấm: Có thể thông qua điều tiết dòng nước mặt hay biện pháp kéo
dài dòng thấm nhằm giảm nhỏ gradien thấm thực tế, giảm hoặc triệt tiêu hẳn xói ngầm, như dùng sân phú, tường cừ, màn chắn, khống chế nước mặt dao động...
2. Gia c ố đất đá để tăng trị số gradien thấm tới hạn như đầm chặt đất, phun vữa gắn
kết đất đá để giảm độ rỗng và tăng cường liên kết của các hạt đất đá với nhau. Biện pháp gia cố thích hợp cho công trình đất đắp, cho nền công trình có gradien thấm cao.
3. Tạo lớp đất chống xói ngầm bằng cách đặt các thiết bị lọc ngược để tạo lớp
lọc tự nhiên, giảm gradien thấm và không cho hạt đất đá đi qua. Thiết bị lọc ngược thích hợp với công trình đắp, thường bố trí sau tường chắn, vách âu thuyền, hạ lưu đập, cống nước...
Ví dụ 3-3
Tính khả năng xói ngầm ở nền đê thời kỳ mực nước chênh lệch giữa sông và đồng vào mựa lũ là 4m, vào mựa khụ là 2m. Biết rằng cỏt dưới đờ cú d 1() = 0,1 mm, dô, = 3,0mm, chiều rộng chân đê là lOm.
Bài giải
Sử dụng đồ thị quan hệ ở hình 3-40 để đánh giá khá năng xói ngầm của nền.
Tính hệ số không đều của đất nền:
d6U _ 0’0 _ QA
d|<> 0,1 Gradien thấm thời kỳ lũ:
Căn cứ đồ thi khi — = 30 và J, = 0,4 thì dòng thấm gây xói ngầm nền đê.
d 10 Gradien thấm thời kỳ mùa khô:
J 2 AH
/
Khi d K)
= 30 và J2 = 0,2 dòng thấm không gây xói ngầm nền đê.
Ví dụ 3-4
Nền dập gồm hai lớp. Lớp cát hạt lớn nằm trên có D60 = 4,2mm, lớp cát hạt nhỏ ở dưới có đường kính trung bình d = 0,12mm, d6(l = 0 ,14mm, hệ số thấm k = 2m/ng.đ.
Biết mực nước chênh lệch thượng - hạ lưu là 50m, chiều dài thấm nền đập là lOOm.
Đánh giá khả năng xói ngầm của nền đập.
Bài giải
Độ chênh đường kính hạt giữa 2 lóp đất:
A ìl = ÌL = 30
0,14 Tính vận tốc tới hạn theo công thức của Koaolov L.V:
v th = 0 ,2 6 d 1 + 1000 ' d ô , '
D60 V uu /
= 0,26 - 0,12 Ị 0,14 32"
1 + 1000
V ’ 4 2 )
= 7,8 . 10~3cm / s
170
Vận tốc thấm thực tế:
V = kJ = 2 . = 1 m/ngđ = 1,1 . 10’3 cm/s
100 Mặc dù độ chênh đường kính hạt giữa 2 lớp đất khá lớn (> 20), nhưng vận tốc thấm nhỏ hơn vận tốc tới hạn nên không xảy ra xói ngầm.