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<br /> BẰNG PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆ HIỆN TRƯỜNG<br /> <br /> BÙI VĂN TRƢỜNG*<br /> <br /> <br /> Study on the suffusion and quicksand in red river dyke foundation by in-situ<br /> testing method<br /> Abstract: The suffusion and quicksand are the typical permeable<br /> deformation forms occured on “discharge oppening” areas where<br /> underground seepage flows infiltrate through with the permeable pressure<br /> gradient overs limited permeable pressure gradient of soil. In order to<br /> forcasting the danger of permeable deformation for soils under dyke<br /> foundation, it needs to exactly determine the limited permeable pressure<br /> gradient caused suffusion (Ixgh) and caused quicksand (Icgh).<br /> The paper presents results for determining the permeable deformation<br /> characteristics (Ixgh & Icgh) of the fine - silt sand layers belonging to Thai Binh<br /> and Hai Hung fomations under Red river dyke foundation by in-situ test.<br /> Keywords: Dyke ground foundation, suffusion, quicksand or running<br /> sand, in-situ test.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * dòng thấm vƣợt quá gradien giới hạn của cát<br /> Trong xây dựng các công trình thu lợi, thu trong TCN thì tầng cát bị BDT, theo dòng thấm<br /> điện và các công trình ngầm,..., xói ngầm, cát trào lên mặt đất làm rỗng nền, dẫn đến sập đổ<br /> chảy là những quá trình địa chất động lực hết tầng phủ, nếu không phát hiện xử lý kịp thời sẽ<br /> sức nguy hiểm, xảy ra rất phổ biến. Nó có thể là dẫn đến vỡ đê. Để làm sáng tỏ quá trình BDT và<br /> nguyên nhân trực tiếp hoặc là tiền đề dẫn đến sự dự báo nguy cơ phát sinh BDT ở nền đê, cần<br /> cố các công trình đê. Khả năng phát sinh, phát nghiên cứu quá trình phát triển xói ngầm, cát<br /> triển những quá trình này phụ thuộc chủ yếu vào chảy, xác định gradien áp lực thấm (ALT) giới<br /> điều kiện thu động lực của dòng thấm và tính hạn gây BDT ở tầng cát.<br /> chất của đất, đặc biệt là thành phần hạt và cấu Hiện nay có nhiều phƣơng pháp (PP) xác<br /> trúc của đất. định gradien ALT giới hạn gây xói ngầm, cát<br /> Quan sát thực tế biến dạng thấm (BDT) xảy chảy nhƣ tính toán lý thuyết, thí nghiệm trong<br /> ra ở nền đê cho thấy, dƣới áp lực của cột nƣớc phòng,... Tuy nhiên, PP tính toán lý thuyết còn<br /> trong tầng cát (tầng chứa nƣớc -TCN) nằm dƣới có những hạn chế vì chƣa xét tới một loạt yếu tố<br /> do mực nƣớc sông dâng cao trong mùa lũ, tầng thuộc về bản chất của đất nhƣ thành phần, tính<br /> phủ bị phá vỡ tại những điểm yếu (khuyết tật) chất, trạng thái của đất,... PP thí nghiệm trong<br /> tạo ―cửa thoát‖, từ đó nƣớc trào lên dƣới dạng phòng có ƣu điểm là khá đơn giản, dễ thực hiện<br /> mạch đùn (grifon), bãi đùn. Sau khi đã hình và ít tốn kém nhƣng có những hạn chế về kích<br /> thành mạch đùn, dòng thấm đi lên, nếu gradien thƣớc và tính nguyên trạng của mẫu thí nghiệm.<br /> Do đó gradien ALT giới hạn xác định đƣợc là<br /> * Trường Đại học Thủy lợi không hoàn toàn tin cậy. Để khắc phục những<br /> 175 Tây Sơn - Đ ng Đa - Hà Nội nhƣợc điểm nêu trên, tác giả sử dụng PP thí<br /> DĐ: 0912135769<br /> Email: buitruongtb@gmail.com nghiệm hiện trƣờng để xác định các đặc trƣng<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 15<br /> BDT của cát ở vùng cửa thoát của đất nền đê. Thí nghiệm xói ngầm, cát chảy (BDT của cát<br /> Mục đích của thí nghiệm là xác định cơ chế , ở vùng cửa thoát) tại hiện trƣờng đƣợc tiến hành<br /> hình thức BDT và Ixgh và Icgh của cát ở nền đê bằng phƣơng pháp ép nƣớc vào giếng khoan qua<br /> và trong điều kiện tự nhiên. ống lọc, sơ đồ thí nghiệm đƣợc trình bày cụ thể<br /> 2. THÍ NGHIỆM XÓI NGẦM, CÁT ở hình 1, việc bố trí, lắp đặt hệ thống thiết bị<br /> CHẢY TẠI HIỆN TRƢỜNG đƣợc minh họa ở ảnh 01.<br /> 2.1. Mô hình thí nghiệm<br /> <br /> <br /> H2<br /> H3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 01. Sơ đồ mô hình thí nghiệm xói ngầm, cát chảy ở nền đê<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Ảnh 01. Thí nghiệm xói ngầm, cát chảy bằng phương pháp ép nước vào giếng khoan<br /> <br /> Trong đó, Máy bơm 1 có nhiệm vụ ép nƣớc 1.0m và 1.50m ngay dƣới đáy hố đào để quan<br /> vào giếng khoan để gia tăng áp lực thấm trong trắc biến đổi cột nƣớc áp lực ở vùng cửa thoát;<br /> tầng cát; Hố đào HĐ có kích thƣớc 0.5x0.7m Thùng, phao (9) và máy bơm (10) có nhiệm vụ<br /> đƣợc đào sâu bóc bỏ hoàn toàn tầng phủ; Các định hƣớng, chứa nƣớc và bơm nƣớc thoát ra từ<br /> ống đo áp H1, H2 & H3 lắp đặt ở độ sâu 0.5m, cửa thoát khi thí nghiệm.<br /> <br /> <br /> 16 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br />  1.2. Quy trình thí nghiệm Đất nền đê tại các khu vực thí nghiệm gồm<br /> Cột nƣớc áp lực Ho trong giếng đƣợc tăng cát hạt bụi, cát hạt nhỏ của hệ tầng Thái Bình<br /> theo từng cấp 0.2, 0.4, 0,6m ..., cho đến khi (lớp 12&14) và hệ tầng Hải Hƣng (lớp 23&24).<br /> BDT trong cát phát triển mạnh, môi trƣờng Đặc trƣng cơ lý của các lớp đất nền đê đƣợc<br /> thấm bị phá hoại hoàn toàn. Mỗi cấp áp lực tiến trình bày ở bảng 2.<br /> hành quan trắc biến đổi cột nƣớc áp lực trong<br /> Bảng 1. Các khu thí nghiệm<br /> các ống đo áp H1, H2 & H3; quan trắc quá trình<br /> phát triển BDT và đo lƣu lƣợng (Q) thoát ra ở Lớp đất<br /> Số<br /> vùng cửa thoát. Tuyến đê Vị trí<br /> TT thí nghiệm<br /> 3. VỊ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ CÁC LOẠI<br /> ĐẤT THÍ NGHIỆM 1 Tả Trà Lý K6.7 12<br /> Thí nghiệm xói ngầm, cát chảy đƣợc lựa chọn<br /> tại 4 vị trí thuộc hệ thống đê sông Hồng (bảng 1). 2 Hữu Trà Lý K30.5 14<br /> Đây là những nơi có tính đại diện về thành phần,<br /> 3 Hữu Luộc K8.9 23<br /> tính chất của tầng đất cát ở nền đê và thuận lợi<br /> cho việc thực hiện thí nghiệm. Tại mỗi vị trí có 4 Hữu Luộc K20.5 24<br /> mặt một loại cát thí nghiệm (bảng 2).<br /> Bảng 2. Đặc trƣng cơ lý các lớp cát nền đê tại vị trí thí nghiệm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Trong đó:<br /> Kết quả thí nghiệm đƣợc trình bày cụ thể H1 - Mực nƣớc đo áp tại ống đo áp H1;<br /> trong bảng 3 & bảng 4. H3 - Mực nƣớc đo áp tại ống đo áp H3;<br /> Gradien áp lực thấm của cát ở vùng cửa thoát L- Chiều dài đƣờng thấm, khoảng cách từ<br /> (I r) xác định theo công thức: đáy ống đo áp H1 đến đáy ống đo áp H3.<br /> H  H3<br /> Ir  1<br /> L<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 17<br />  Bảng 3. Kết quả thí nghiệm các lớp cát của hệ tầng Thái Bình(Q23tb)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Bảng 4. Kết quả thí nghiệm các lớp cát của hệ tầng Hải Hƣng (Q21-2hh)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 18 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br />  5. PH N TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM<br /> Từ kết quả thí nghiệm cho thấy, ở giai đoạn<br /> đầu khi áp lực thấm (ALT) trong tầng cát còn<br /> nhỏ, nƣớc từ tầng cát thoát ra trong, không<br /> mang theo các hạt bụi, sét. Ở giai đoạn tiếp<br /> theo, khi ALT trong tầng cát tăng lên đến một<br /> giá trị nhất định, nƣớc thoát ra mang theo các<br /> hạt sét, có màu nâu nhạt. Tiếp tục tăng ALT,<br /> nƣớc thoát ra đục hơn và chuyển dần từ màu<br /> nâu nhạt sang màu nâu sẫm, mang theo các hạt Ảnh 02 Đùn cát ở vùng cửa thoát<br /> sét, hạt bụi và vẩn hữu cơ nhƣng với hàm lƣợng<br /> không nhiều (bảng 3 & 4). Điều đó chứng tỏ<br /> trong cát có phát triển xói ngầm nhƣng mức độ<br /> yếu. Khi gradien ALT tăng lên tới 0,81,0 thì kể<br /> cả cát hạt nhỏ và cát hạt bụi trong tầng cát thuộc<br /> hệ tầng Hải Hƣng (qh1) và Thái Bình (qh2) đều<br /> xuất hiện đùn cát. Ban đầu các hạt cát ở bề mặt<br /> bị nơi lỏng, bị đẩy lên, chìm xuống lơ lửng ở<br /> trong nƣớc. Khi ALT tăng, các hạt cát càng bị<br /> tung cao lên dần. Đến một giới hạn nhất định,<br /> lƣợng nƣớc thoát ra nhiều, các hạt cát, bụi, sét, Ảnh 03 Khe nứt phát triển vào tầng phủ<br /> mùn hữu cơ và vảy mica đều bị dòng thấm đẩy<br /> ra khỏi bề mặt. Khi mới xuất hiện mạch đùn, Nếu lấy gradien áp lực thấm (ALT) tƣơng<br /> lƣợng cát đùn lên chƣa nhiều, tốc độ và phạm vi ứng với cấp áp lực trƣớc khi phát sinh xói ngầm<br /> còn nhỏ. Nhƣng chỉ sau một khoảng thời gian là gradien giới hạn gây xói ngầm (Ixgh) và<br /> nhất định, số lƣợng mạch đùn xuất hiện nhiều, gradien ALT tƣơng ứng với cấp ấp lực trƣớc khi<br /> kích thƣớc mạch đùn đƣợc mở rộng nhanh phát sinh cát chảy là gradien giới hạn gây cát chảy<br /> chóng, cát trong tâng cát bị đẩy ục lên bề mặt (Icgh) thì có thể xác định đƣợc gradien giới hạn<br /> với khối lƣợng ngày càng lớn mang theo cả tạp gây BDT của các lớp cát ở nền đê nhƣ sau :<br /> chất hữu cơ, vảy mica, thậm chí cả vỏ sò hến - Cát hệ tầng Thái Bình (Q23tb):<br /> chứa trong cát, môi trƣờng thấm bị phá vỡ hoàn + Cát hạt bụi: Ixgh= 0,476; Icgh = 0,735<br /> toàn (ảnh 02). Tại một số vị trí thí nghiệm, trong + Cát hạt nhỏ: Ixgh= 0,510; Icgh = 0,720<br /> tầng cát có kẹp các lớp mỏng sét pha, khi mạch - Cát hệ tầng Hải Hƣng (Q21-2hh):<br /> đùn cát phát triển mạnh mang theo cả những + Cát hạt bụi: Ixgh= 0,433 ; Icgh = 0,742<br /> mảng nhỏ bùn sét. Độ rỗng và hệ số thấm của + Cát hạt nhỏ: Ixgh= 0,453 ; Icgh= 0,709<br /> cát ở vùng cửa thoát tăng nhanh. Cát ở trong Phân tích biến đổi ALT theo chiều dài dòng<br /> phạm vi hố thí nghiệm đùn lên mạnh, còn cát ở thấm và biến đổi lƣu lƣợng nƣớc thoát ra theo<br /> xung quanh bị sập lở vào, đáy tầng phủ hình gradien ALT (hình 2 & 3) cho thấy, ở giai đoạn<br /> thành các khoảng rỗng phát triển dần. Hệ thống đầu, khi nƣớc thoát ra còn trong, xói ngầm chƣa<br /> khe nứt ở tầng phủ phát triển mạnh và ăn sâu xuất hiện, các quan hệ này gần nhƣ tuyến tính,<br /> vào tầng phủ (ảnh 03), làm sập đổ tầng phủ tổn thất áp lực theo chiều dài dòng thấm tƣơng<br /> xung quanh hố đào thí nghiệm, cấu trúc nền bị đối đều, dòng thấm vận động ở chế độ ổn định,<br /> phá vỡ. thể hiện quy luật thấm chảy tầng theo định luật<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 19<br /> thấm Darcy. Khi gradien ALT lớn hơn Ixgh, xói thấm chuyển sang chế độ không ổn định. Khi<br /> ngầm xuất hiện trong cát, các đƣờng quan hệ gradien ALT lớn hơn Icgh, độ dốc của các đƣờng<br /> chuyển dần thành đƣờng cong, môi trƣờng thấm quan hệ tăng đột biến, khi đó không chỉ cát mà<br /> trong cát biến đổi, độ rỗng và độ thấm của cát cả các tạp chất trong cát đều bị dòng thấm cuốn<br /> tăng dần ở vùng của thoát, vận động của dòng theo, môi trƣờng thấm bị phá hu hoàn toàn.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 02. Biến đổi cột nư c áp lực theo chiều dài dòng thấm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 03 Quan hệ giữa lưu lượng thoát v i gradien áp lực thấm<br /> <br /> <br /> 20 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br />  Kết quả thí nghiệm chứng tỏ, cát chảy là phát sinh BDT ở nền đê và có thể tham khảo<br /> hình thức biến dạng thấm chủ yếu, còn xói để tính toán, xử lý cho các hố móng khi thi<br /> ngầm chỉ là thứ yếu, chỉ phát triển ở giai công trong vùng xói ngầm, cát chảy có nền là<br /> đoạn đầu, các hạt bị xói ngầm chủ yếu là hạt cát hạt nhỏ, cát hạt bụi tƣơng tự.<br /> sét, hạt bụi lẫn trong cát. Kết quả đó phù hợp<br /> với kết quả nghiên cứu của Ixtômina, phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> với đặc tính tƣơng đối đồng nhất về thành phần<br /> hạt của các loại cát thí nghiệm (hệ số không đều [1]. Phạm Văn Tỵ (1986), Một số ý kiến về<br /> hạt 