Nghiên cứu xói ngầm, cát chảy nền đê sông Hồng bằng phương pháp thí nghiệm hiện trường

NGHI N C U X I NGẦ CÁT CH Y NỀN Đ SÔNG H NG

BẰNG PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆ HIỆN TRƯỜNG

BÙI VĂN TRƢỜNG^*

Study on the suffusion and quicksand in red river dyke foundation by in-situ

testing method

Abstract: The suffusion and quicksand are the typical permeable

deformation forms occured on “discharge oppening” areas where

underground seepage flows infiltrate through with the permeable pressure

gradient overs limited permeable pressure gradient of soil. In order to

forcasting the danger of permeable deformation for soils under dyke

foundation, it needs to exactly determine the limited permeable pressure

gradient caused suffusion (I^x) and caused quicksand (I^c).

gh

The paper presents results for determining the permeable deformation

characteristics (I^x_gh& I^c_gh) of the fine - silt sand layers belonging to Thai Binh

and Hai Hung fomations under Red river dyke foundation by in-situ test.

Keywords: Dyke ground foundation, suffusion, quicksand or running

sand, in-situ test.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ ^*

dòng thấm vƣợt quá gradien giới hạn của cát

Trong xây dựng các công trình thu lợi, thu trong TCN thì tầng cát bị BDT, theo dòng thấm

điện và các công trình ngầm,..., xói ngầm, cát trào lên mặt đất làm rỗng nền, dẫn đến sập đổ

chảy là những quá trình địa chất động lực hết tầng phủ, nếu không phát hiện xử lý kịp thời sẽ

sức nguy hiểm, xảy ra rất phổ biến. Nó có thể là dẫn đến vỡ đê. Để làm sáng tỏ quá trình BDT và

nguyên nhân trực tiếp hoặc là tiền đề dẫn đến sự dự báo nguy cơ phát sinh BDT ở nền đê, cần

cố các công trình đê. Khả năng phát sinh, phát nghiên cứu quá trình phát triển xói ngầm, cát

triển những quá trình này phụ thuộc chủ yếu vào chảy, xác định gradien áp lực thấm (ALT) giới

điều kiện thu động lực của dòng thấm và tính hạn gây BDT ở tầng cát.

chất của đất, đặc biệt là thành phần hạt và cấu

trúc của đất.

Hiện nay có nhiều phƣơng pháp (PP) xác

định gradien ALT giới hạn gây xói ngầm, cát

Quan sát thực tế biến dạng thấm (BDT) xảy chảy nhƣ tính toán lý thuyết, thí nghiệm trong

ra ở nền đê cho thấy, dƣới áp lực của cột nƣớc phòng,... Tuy nhiên, PP tính toán lý thuyết còn

trong tầng cát (tầng chứa nƣớc -TCN) nằm dƣới có những hạn chế vì chƣa xét tới một loạt yếu tố

do mực nƣớc sông dâng cao trong mùa lũ, tầng thuộc về bản chất của đất nhƣ thành phần, tính

phủ bị phá vỡ tại những điểm yếu (khuyết tật) chất, trạng thái của đất,... PP thí nghiệm trong

tạo ―cửa thoát‖, từ đó nƣớc trào lên dƣới dạng phòng có ƣu điểm là khá đơn giản, dễ thực hiện

mạch đùn (grifon), bãi đùn. Sau khi đã hình và ít tốn kém nhƣng có những hạn chế về kích

thành mạch đùn, dòng thấm đi lên, nếu gradien thƣớc và tính nguyên trạng của mẫu thí nghiệm.

Do đó gradien ALT giới hạn xác định đƣợc là

* Trường Đại học Thủy lợi

175 Tây Sơn - Đ ng Đa - Hà Nội

DĐ: 0912135769

không hoàn toàn tin cậy. Để khắc phục những

nhƣợc điểm nêu trên, tác giả sử dụng PP thí

nghiệm hiện trƣờng để xác định các đặc trƣng

Email: buitruongtb@gmail.com

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016

15

BDT của cát ở vùng cửa thoát của đất nền đê.

Thí nghiệm xói ngầm, cát chảy (BDT của cát

Mục đích của thí nghiệm là xác định cơ chế , ở vùng cửa thoát) tại hiện trƣờng đƣợc tiến hành

hình thức BDT và I^xvà I^c_ghcủa cát ở nền đê

bằng phƣơng pháp ép nƣớc vào giếng khoan qua

gh

và trong điều kiện tự nhiên.

ống lọc, sơ đồ thí nghiệm đƣợc trình bày cụ thể

ở hình 1, việc bố trí, lắp đặt hệ thống thiết bị

đƣợc minh họa ở ảnh 01.

2. THÍ NGHIỆM XÓI NGẦM, CÁT

CHẢY TẠI HIỆN TRƢỜNG

2.1. Mô hình thí nghiệm

H2

H3

Hình 01. Sơ đồ mô hình thí nghiệm xói ngầm, cát chảy ở nền đê

Ảnh 01. Thí nghiệm xói ngầm, cát chảy bằng phương pháp ép nước vào giếng khoan

Trong đó, Máy bơm 1 có nhiệm vụ ép nƣớc 1.0m và 1.50m ngay dƣới đáy hố đào để quan

vào giếng khoan để gia tăng áp lực thấm trong trắc biến đổi cột nƣớc áp lực ở vùng cửa thoát;

tầng cát; Hố đào HĐ có kích thƣớc 0.5x0.7m Thùng, phao (9) và máy bơm (10) có nhiệm vụ

đƣợc đào sâu bóc bỏ hoàn toàn tầng phủ; Các định hƣớng, chứa nƣớc và bơm nƣớc thoát ra từ

ống đo áp H1, H2 & H3 lắp đặt ở độ sâu 0.5m, cửa thoát khi thí nghiệm.

16

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016

Đất nền đê tại các khu vực thí nghiệm gồm

1.2. Quy trình thí nghiệm

Cột nƣớc áp lực H_otrong giếng đƣợc tăng cát hạt bụi, cát hạt nhỏ của hệ tầng Thái Bình

theo từng cấp 0.2, 0.4, 0,6m ..., cho đến khi (lớp 12&14) và hệ tầng Hải Hƣng (lớp 23&24).

BDT trong cát phát triển mạnh, môi trƣờng Đặc trƣng cơ lý của các lớp đất nền đê đƣợc

thấm bị phá hoại hoàn toàn. Mỗi cấp áp lực tiến trình bày ở bảng 2.

hành quan trắc biến đổi cột nƣớc áp lực trong

các ống đo áp H1, H2 & H3; quan trắc quá trình

phát triển BDT và đo lƣu lƣợng (Q) thoát ra ở

vùng cửa thoát.

3. VỊ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ CÁC LOẠI

ĐẤT THÍ NGHIỆM

Thí nghiệm xói ngầm, cát chảy đƣợc lựa chọn

tại 4 vị trí thuộc hệ thống đê sông Hồng (bảng 1).

Đây là những nơi có tính đại diện về thành phần,

tính chất của tầng đất cát ở nền đê và thuận lợi

cho việc thực hiện thí nghiệm. Tại mỗi vị trí có

mặt một loại cát thí nghiệm (bảng 2).

Bảng 1. Các khu thí nghiệm

Lớp đất

Số

TT

Tuyến đê

Vị trí

thí nghiệm

1

2

3

4

Tả Trà Lý

Hữu Trà Lý

Hữu Luộc

K6.7

K30.5

K8.9

12

14

23

24

K20.5

Bảng 2. Đặc trƣng cơ lý các lớp cát nền đê tại vị trí thí nghiệm

Trong đó:

4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Kết quả thí nghiệm đƣợc trình bày cụ thể

trong bảng 3 & bảng 4.

H₁- Mực nƣớc đo áp tại ống đo áp H₁;

H₃- Mực nƣớc đo áp tại ống đo áp H₃;

L- Chiều dài đƣờng thấm, khoảng cách từ

đáy ống đo áp H1 đến đáy ống đo áp H3.

Gradien áp lực thấm của cát ở vùng cửa thoát

(I _r) xác định theo công thức:

H₁ H₃

Ir 

L

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016

17

3

Bảng 3. Kết quả thí nghiệm các lớp cát của hệ tầng Thái Bình(Q₂tb)

Bảng 4. Kết quả thí nghiệm các lớp cát của hệ tầng Hải Hƣng (Q₂^1-2hh)

18

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016

5. PH N TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Từ kết quả thí nghiệm cho thấy, ở giai đoạn

đầu khi áp lực thấm (ALT) trong tầng cát còn

nhỏ, nƣớc từ tầng cát thoát ra trong, không

mang theo các hạt bụi, sét. Ở giai đoạn tiếp

theo, khi ALT trong tầng cát tăng lên đến một

giá trị nhất định, nƣớc thoát ra mang theo các

hạt sét, có màu nâu nhạt. Tiếp tục tăng ALT,

nƣớc thoát ra đục hơn và chuyển dần từ màu

nâu nhạt sang màu nâu sẫm, mang theo các hạt

sét, hạt bụi và vẩn hữu cơ nhƣng với hàm lƣợng

không nhiều (bảng 3 & 4). Điều đó chứng tỏ

trong cát có phát triển xói ngầm nhƣng mức độ

yếu. Khi gradien ALT tăng lên tới 0,81,0 thì kể

cả cát hạt nhỏ và cát hạt bụi trong tầng cát thuộc

hệ tầng Hải Hƣng (qh₁) và Thái Bình (qh₂) đều

xuất hiện đùn cát. Ban đầu các hạt cát ở bề mặt

bị nơi lỏng, bị đẩy lên, chìm xuống lơ lửng ở

trong nƣớc. Khi ALT tăng, các hạt cát càng bị

tung cao lên dần. Đến một giới hạn nhất định,

lƣợng nƣớc thoát ra nhiều, các hạt cát, bụi, sét,

mùn hữu cơ và vảy mica đều bị dòng thấm đẩy

ra khỏi bề mặt. Khi mới xuất hiện mạch đùn,

lƣợng cát đùn lên chƣa nhiều, tốc độ và phạm vi

còn nhỏ. Nhƣng chỉ sau một khoảng thời gian

nhất định, số lƣợng mạch đùn xuất hiện nhiều,

kích thƣớc mạch đùn đƣợc mở rộng nhanh

chóng, cát trong tâng cát bị đẩy ục lên bề mặt

với khối lƣợng ngày càng lớn mang theo cả tạp

chất hữu cơ, vảy mica, thậm chí cả vỏ sò hến

chứa trong cát, môi trƣờng thấm bị phá vỡ hoàn

toàn (ảnh 02). Tại một số vị trí thí nghiệm, trong

tầng cát có kẹp các lớp mỏng sét pha, khi mạch

đùn cát phát triển mạnh mang theo cả những

mảng nhỏ bùn sét. Độ rỗng và hệ số thấm của

cát ở vùng cửa thoát tăng nhanh. Cát ở trong

phạm vi hố thí nghiệm đùn lên mạnh, còn cát ở

xung quanh bị sập lở vào, đáy tầng phủ hình

thành các khoảng rỗng phát triển dần. Hệ thống

khe nứt ở tầng phủ phát triển mạnh và ăn sâu

vào tầng phủ (ảnh 03), làm sập đổ tầng phủ

xung quanh hố đào thí nghiệm, cấu trúc nền bị

phá vỡ.

Ảnh 02 Đùn cát ở vùng cửa thoát

Ảnh 03 Khe nứt phát triển vào tầng phủ

Nếu lấy gradien áp lực thấm (ALT) tƣơng

ứng với cấp áp lực trƣớc khi phát sinh xói ngầm

là gradien giới hạn gây xói ngầm (I^x) và

gh

gradien ALT tƣơng ứng với cấp ấp lực trƣớc khi

phát sinh cát chảy là gradien giới hạn gây cát chảy

(I^c_gh) thì có thể xác định đƣợc gradien giới hạn

gây BDT của các lớp cát ở nền đê nhƣ sau :

3

- Cát hệ tầng Thái Bình (Q₂tb):

+ Cát hạt bụi: I^x= 0,476; I^c_gh= 0,735

gh

+ Cát hạt nhỏ: I^x= 0,510; I^c_gh= 0,720

gh

- Cát hệ tầng Hải Hƣng (Q₂^1-2hh):

+ Cát hạt bụi: I^x= 0,433 ; I^c_gh= 0,742

gh

+ Cát hạt nhỏ: I^x= 0,453 ; I^c_gh= 0,709

gh

Phân tích biến đổi ALT theo chiều dài dòng

thấm và biến đổi lƣu lƣợng nƣớc thoát ra theo

gradien ALT (hình 2 & 3) cho thấy, ở giai đoạn

đầu, khi nƣớc thoát ra còn trong, xói ngầm chƣa

xuất hiện, các quan hệ này gần nhƣ tuyến tính,

tổn thất áp lực theo chiều dài dòng thấm tƣơng

đối đều, dòng thấm vận động ở chế độ ổn định,

thể hiện quy luật thấm chảy tầng theo định luật

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016

19

thấm Darcy. Khi gradien ALT lớn hơn I^x, xói thấm chuyển sang chế độ không ổn định. Khi

gh

ngầm xuất hiện trong cát, các đƣờng quan hệ gradien ALT lớn hơn I^c, độ dốc của các đƣờng

gh

chuyển dần thành đƣờng cong, môi trƣờng thấm quan hệ tăng đột biến, khi đó không chỉ cát mà

trong cát biến đổi, độ rỗng và độ thấm của cát cả các tạp chất trong cát đều bị dòng thấm cuốn

tăng dần ở vùng của thoát, vận động của dòng theo, môi trƣờng thấm bị phá hu hoàn toàn.

Hình 02. Biến đổi cột nư c áp lực theo chiều dài dòng thấm

Hình 03 Quan hệ giữa lưu lượng thoát v i gradien áp lực thấm

20

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016

Kết quả thí nghiệm chứng tỏ, cát chảy là phát sinh BDT ở nền đê và có thể tham khảo

hình thức biến dạng thấm chủ yếu, còn xói để tính toán, xử lý cho các hố móng khi thi

ngầm chỉ là thứ yếu, chỉ phát triển ở giai công trong vùng xói ngầm, cát chảy có nền là

đoạn đầu, các hạt bị xói ngầm chủ yếu là hạt cát hạt nhỏ, cát hạt bụi tƣơng tự.

sét, hạt bụi lẫn trong cát. Kết quả đó phù hợp

với kết quả nghiên cứu của Ixtômina, phù hợp

với đặc tính tƣơng đối đồng nhất về thành phần

hạt của các loại cát thí nghiệm (hệ số không đều

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Phạm Văn Tỵ (1986), Một số ý kiến về

hạt <10). Gradien giới hạn xác định đƣợc ở nguyên nhân biến dạng và những kiến nghị về

hiện trƣờng (I^c_gh= 0,710,74) có giá trị nhỏ hơn nghiên cứu ĐCCT ở nền đê, Hội thảo về chất

LT

so với tính toán theo lý thuyết (I^c

=

lƣợng nền đê, Hà Nội.

gh

0,830,90). Đó là do sự có mặt của các tạp chất

[2]. Bùi Văn Trƣờng (2004), Nghiên cứu,

hữu cơ trong cát. Chúng tồn tại ở dạng mùn, đánh giá khả năng ổn định thấm nền đê sông

vẩn và các mảnh vụn, do có khối lƣợng thể tỉnh Thái Bình, Báo cáo đề tài khoa học cấp

tích khô nhỏ hơn nhiều so với cát nên dƣới tác tỉnh, Thái Bình.

dụng của dòng thấm, chúng bị đẩy nổi ở áp

[3]. Bùi Văn Trƣờng, Phạm Văn Tỵ (2008),

lực thấm thấp hơn. Sau khi các mảnh vụn, Biến dạng thấm nền đê sông tỉnh Thái Bình và

mùn hữu cơ bị đẩy lên, cát xung quanh bị sắp một số kết quả nghiên cứu, Báo cáo tuyển tập

xếp lại, độ rỗng của cát tăng và bị biến dạng công trình khoa học, Hội thảo khoa toàn quốc

thấm ở gradien áp lực thấm (I_gh) thấp hơn.

6. KẾT LUẬN

Tai biến địa chất và giải pháp phòng chống,

Hà Nội.

- Cát chảy là hình thức biến dạng thấm nguy

[4]. Trƣờng Đại học Thu Lợi (1966), Giáo

hiểm, quyết định khả năng ổn định thấm ở nền trình cơ học đất nền và móng, Hà Nội.

đê. Cát chảy xảy ra ở cửa thoát khi gradien ALT [5]. Tô Xuân Vu (2002), Nghiên cứu đánh

vƣợt quá gradien ALT giới hạn của cát giá ảnh hƣởng đặc tính biến dạng thấm của một

I^c_gh= 0,709  0,742.

số trầm tích đến ổn định nền đê, Luận án tiến sỹ

- Xói ngầm chỉ phát triển ở giai đoạn đầu, địa chất, Hà Nội.

xảy ra khi gradien ALT vƣợt quá I^x_gh= 0,433 

[6]. Mironenko V.A. và Sextakov V.M.. (1982),

0,510, các hạt bị xói ngầm là hạt sét, hạt bụi Cơ sở thu địa cơ. Nxb KHKT, Hà Nội.

nhỏ, mùn thực vật.

[7].Technical Advisory Committee on Water

- Thí nghiệm xói ngầm, cát chảy bằng PP Defences (1991), Guide for the design of river

hiện trƣờng cho kết quả phù hợp với kết quả dikes, Netherlands.

giải bài toán ngƣợc theo số liệu quan trắc

[8].Vietnamese Ministry of Agriculture and

Rural Development (1996), Hanoi Subproject,

mạch đùn trong mùa lũ. Có thể sử dụng I^x

gh

và I^cxác định đƣợc bằng thí nghiệm hiện Dyke Safety and Relief Wells, ADB Loan No.

gh

trƣờng làm cơ sở tính toán, dự báo khả năng 1259 VIE (SF).

Người phản biện: GS.TS ĐOÀN THẾ TƢỜNG

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016

21