Nghiên cứu ảnh hưởng chiều rộng của sân chống thấm bằng mô hình bài toán thấm 3 chiều

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 15 
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CHIỀU RỘNG CỦA SÂN 
CHỐNG THẤM BẰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN THẤM 3 CHIỀU 
BÙI VĂN TRƢỜNG* 
Effect of width of waterproofing courtyard in 3 dimensional model 
Abstract: For the waterproofing courtyard of dams, 2D problem often does 
not take into account of the its width and can lead to incorrect results. This 
paper presents the analysis and evaluation of technical efficiency of 
waterproof courtyard in 3D seepage problem for a concret project and find 
out that the effectiveness of waterproofing courtyard depends not only on the 
length all so on the its width. That contributed to the orientation for the 
calculation and design work to ensure more effective. 
Keywords: Waterproofing courtyard, influence width, seepage 3 
dimensional. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ* 
Sân phủ chống thấm - sân trước (SCT) là giải 
pháp được sử dụng phổ biến trong xây dựng các 
công trình thuỷ lợi, thuỷ điện. SCT được xây dựng 
ở phía thượng lưu (hình 1) bằng vật liệu có tính 
thấm nhỏ. SCT có thể làm bằng đất sét, pha sét 
(Ks <10-6cm/s), màng địa kỹ thuật chống thấm 
GCL, HDPE (hình 2) có K=10
-11
-10
-13 
cm/s 
(Nguyễn Đình Hùng, 2008), bê tông asphan, bê 
tông thường hoặc BTCT (TCVN9143:2012). SCT 
có tác dụng kéo dài đường thấm, tăng sức cản 
thấm xuyên của lớp đất phía thượng lưu, do đó 
giảm lưu lượng và áp lực của dòng thấm ở nền 
công trình, nhờ đó ngăn chặn được tác động bất 
lợi của dòng thấm. 
Hình 01. Sân phủ chống thấm (I) 
*
 Khoa Công trình - Đại học Thủy lợi 
 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội 
 DĐ: 0912135769; Email: buitruongtb@gmail.com 
Hình 02. Màng địa kỹ thuật chống thấm GCL & HDPE 
Hiệu quả chống thấm của SCT không chỉ phụ 
thuộc vào chiều dài (Ls), chiều dầy (ts) của sân mà 
còn phụ thuộc quan trọng vào chiều rộng (Bs) 
của SCT. Nếu SCT có chiều rộng nhỏ hẹp, 
dòng thấm vòng hai bên SCT có thể vô hiệu 
hóa tác dụng chống thấm của SCT. 
Tuy nhiên, trong thiết kế SCT, tác dụng 
chống thấm của SCT thường được tính toán 
theo bài toán phẳng (2D). Chiều dài (Ls), chiều 
dày (ts) của sân được xác định theo công thức 
Ughintrut (TCVN 9143:2012), nhưng chiều 
rộng (Bs) của SCT chưa được xét đến trong bài 
toán này. Do vậy, kết quả tính toán thường 
không phản ánh được sự phát triển phức tạp và 
bất lợi của dòng thấm. Hậu quả là đã có những 
công trình bị sự cố gây thiết hại nghiêm trọng 
(Phan Sỹ Kỳ, 2000). 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 16 
Để có những nhìn nhận đầy đủ, rõ ràng và 
trực quan hơn về vấn đề này, cần phân tích, 
đánh giá và so sánh hiệu quả của SCT có chiều 
rộng (Bs) và chiều dài (Ls) khác nhau trong bài 
toán thấm 3D. 
Với mục đích đó, công trình đê Tả sông Hồng, 
đoạn từ K142145 được lựa chọn trong nghiên 
cứu này. Nền công trình có tầng thấm nước mạnh 
thông nước với sông. Trong lịch sử đã xảy ra 
nhiều sự cố, điển hình là thảm hoạ vỡ đê tại 
K143.2 vào tháng 8 năm 1945. 
2. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT NỀN CÔNG TRÌNH 
Nền công trình bao gồm 4 lớp (Bùi Văn 
Trường, 1993, 2009): 
- Lớp 1: Sét pha, dẻo mềm; 
- Lớp 2: Sét pha, kẹp cát, chảy; 
- Lớp 3: Cát hạt nhỏ, chặt vừa-xốp; 
- Lớp 4: Bùn sét pha. 
Đặc trưng cơ lý của các lớp đất nền được 
trình bày trong bảng 01. 
Như vậy, trong cấu trúc nền đê, lớp 1 & 2 là các 
lớp đất thuộc tầng phủ thấm nước yếu. 
Nằm dưới tầng phủ là lớp cát hạt nhỏ, chặt 
vừa÷xốp có tính thấm mạnh . Lớp này bị sông 
đào cắt, nên có quan hệ thủy lực trực tiếp với 
nước sông. Khi có nước lũ về, mực nước sông 
dâng cao, gia tăng áp lực thấm lên tầng phủ làm 
phát sinh biến dạng thấm (BDT) gây mất ổn 
định nền đê. 
Trong điều kiện đó, SCT là một trong những 
giải pháp xử lý (GPXL) được nghiên cứu lựa 
chọn. 
Bảng 01. Đặc trung cơ lý các lớp đất nền 
3. MÔ HÌNH BÀI TOÁN THẤM 3 D 
3.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình và 
phƣơng pháp giải 
Để xây dựng MH bài toán thấm 3D cho khu 
vực công trình, sử dụng phần mềm Visual 
Modflow phiên bản 4.2.0.151 của Mỹ. Phần mềm 
này có những tính năng hiện đại, linh hoạt, cho 
phép mô phỏng khá đầy đủ các tính chất, hình thái 
của môi trường và các hợp phần của hệ thống. 
Sử dụng phần mềm này cùng với sự hỗ trợ 
của hệ phần mềm Surfer, Mapinfor cho phép 
mô hình hóa hệ thống tự nhiên - kỹ thuật 
(TNKT), bao gồm hệ thông công trình, SCT và 
các GPXL theo bài toán 3D. Mô hình này cho 
phép xác định được các thông số của trường 
thấm ở bất kỳ thời điểm và vị trí nào trong khu 
vực, từ đó có thể tính toán, dự báo; phân tích, 
đánh giá hiệu quả kỹ thuật của SCT và các 
GPXL được thuận tiện và chính xác. 
a. Mô hình toán học 
Sự biến đổi độ cao mực nước (MN) dưới đất 
h(x, y, z) được mô tả bằng một phương trình 
đạo hàm riêng như sau: 
t
h
SW
z
h
K
zy
h
K
yx
h
K
x
szzyyxx













 (1) 
trong đó: 
Kxx, Kyy, Kzz - hệ số thấm theo các hướng x, 
y và z; 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 17 
h - cốt cao MN tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t; 
W - module dòng ngầm, phụ thuộc thời 
gian và vị trí không gian (x,y,z); 
Ss - hệ số nhả nước đơn vị (1/m). 
Phương trình (1) mô tả động thái của nước 
dưới đất (NDĐ) trong môi trường không 
đồng nhất và dị hướng (Todd D.K, 1980). 
Phương trình (1) cùng với các điều kiện biên, 
điều kiện ban đầu tạo thành MH toán học của 
dòng thấm. 
b. Phương pháp giải 
Trong thực tế, miền thấm có điều kiện rất 
phức tạp, do vậy (1) được giải bằng sai phân 
hữu hạn. Với phương pháp này, môi trường 
thấm được chia thành các lớp. Mỗi lớp lại được 
chia thành các ô nhỏ. Từ đó thiết lập được hệ 
phương trình có số phương trình tương ứng với 
số ô lưới. Giải lặp hệ phương trình này sẽ xác 
định được h(x, y, z) ở bất kỳ thời điểm (t) nào 
đó trong môi trường thấm. 
3.2. Cơ sở tài liệu của mô hình 
Mô hình được xây dựng trên cơ sở tổng hợp 
các tài liệu và số liệu địa hình, địa hình đáy sông; 
tài liệu khảo sát ĐCCT-ĐCTV nền đê theo các đề 
án; số liệu quan trắc MNDĐ năm 2003, 2004; số 
liệu thuỷ văn trạm Nhật Tảo; số liệu khí tượng 
trạm Thái Bình, Nam Định; tài liệu các đề tài, dự 
án liên quan (Bùi Văn Trường, 2009). 
3.3.Xây dựng mô hình bài toán thấm 
- Mô hình hóa bề mặt địa hình 
 Từ các tài liệu đo vẽ địa hình khu vực, địa 
hình đáy sông, sử dụng phần mềm Surfer của 
Mỹ số hoá bản đồ địa hình nền, xây dựng bản 
đồ bề mặt địa hình 3D để đưa vào MH. 
 - Mô hình hóa các lớp đất nền 
Trên cơ sở tài liệu địa chất nền đê, các công 
trình trên đê,..., tiến hành lập các bản đồ đẳng 
đáy, bản đồ đẳng bề dày các lớp đất để mô phỏng 
các lớp đất nền trong MH. 
- Tính thấm, giá trị bổ cập và bốc hơi 
Từ số liệu ĐCTV tiến hành phân vùng và MH 
hoá độ nhả nước, xây dựng sơ đồ phân vùng hệ số 
thấm của TCN để đưa vào MH. Lượng mưa, bốc 
hơi tính toán trong MH được xác định theo số liệu 
quan trắc của trạm Thái Bình, Nam Định. 
- Điều kiện biên của mô hình 
Sông đào cắt vào TCN, có quan hệ thuỷ lực 
trực tiếp với NDĐ nên được đặt là biên loại III 
(biên sông “River”). Diễn biến MN trên biên sông 
được xác định theo tài liệu quan trắc tại trạm thuỷ 
văn Nhật Tảo và Nam Định (Trung tâm khí tượng 
thủy văn Quốc gia, 2008). 
Mô hình bài toán thấm 3D khu vực đê Tả 
sông Hồng K142145 thể hiện ở hình 03 & 
hình 04. 
Hình 03. Mô hình bài toán thấm 3D khu vực 
đê Tả sông Hồng K142145 
3.4. Chỉnh lý mô hình 
 a. Kết quả bài toán chỉnh lý ổn định 
Độ tin cậy của MH được đánh giá bởi sai số 
trung bình (ME), sai số trung bình tuyệt đối 
(MAE), sai số trung bình quân phương (RMS) và 
sai số trung bình quân phương tiêu chuẩn 
(NRMS). Kết quả bài toán chỉnh lý trình bày ở 
bảng 02 & hình 05. 
Kết quả này cho thấy sự phù hợp với điều kiện 
tự nhiên và kết quả quan trắc MNAL ở nền đê. 
Bảng 02. Kết quả tính toán sai số mực nƣớc 
theo bài toán chỉnh lý ổn định 
ME 
(m) 
MAE 
(m) 
RMS 
(m) 
NRMS 
(%) 
0.008 0.023 0.031 3.33 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 18 
Hình 04. Sơ đồ điều kiện biên và lưới sai phân 
trong mô hình 
Hình 05. Tương quan MN tính toán 
với quan trắc theo bài toán chỉnh lý ổn định 
b. Kết quả chỉnh lý không ổn định 
Bảng 03. Sai số mực nƣớc theo kết quả bài 
toán chỉnh lý không ổn định 
Thời 
điểm 
ME 
(m) 
MAE 
(m) 
RMS 
(m) 
NRMS 
(%) 
ĐL1 0.002 0.009 0.010 0.36 
CL1 0.002 0.009 0.009 0.89 
ĐL2 0.002 0.009 0.010 0.62 
CL1 0.005 0.016 0.018 1.77 
Điều kiện biên và các thông số của MH được chỉnh 
lý qua từng bước thời gian. Độ tin cậy của MH 
phản ánh qua sai số và tương quan giữa cốt cao 
MN trên MH với mực nước quan trắc thực tế tại 
các lỗ khoan ở các thời điểm đỉnh lũ 1 (ĐL1), chân 
lũ 1 (CL1), đỉnh lũ 2 (ĐL2), chân lũ 2 (CL2) được 
thể hiện ở bảng 03, hình 06 & hình 07. 
Hình 06. Tương quan MN tính toán với quan trắc 
theo bài toán chỉnh lý không ổn định 
Hình 07. Biến đổi MN tính toán và quan trắc 
theo bài toán chỉnh lý không ổn định 
3.5. Kết quả mô hình 
Kết quả mô hình đã xác định được các 
thông số của trường thấm ở nền đê tại các 
thời điểm và vị trí khác nhau (hình 08), từ đó 
cho phép giải các bài toán thấm chính xác và 
hiệu quả. 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 19 
a b 
Hình 08. Bản đồ đẳng cao trình mực nước áp lực ở nền đê tại thời điểm BBĐIII 
(a), ĐL (b) khi chưa có SCT 
4. CÁC KỊCH BẢN NGHIÊN CỨU VÀ 
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 
4.1. Các kịch bản tính toán SCT 
Sau khi xây dựng MH bài toán thấm 3D 
cho công trình. Để phân tích, đánh giá cụ thể 
hiệu quả của SCT, đã MH hoá, tính toán 
SCT trong mô hình 3 D theo các kịch bản với 
chiều rộng (Bs) và chiều dài (Ls) khác nhau. 
 a. Các kịch bản SCT có chiều dài khác nhau 
Các kịch bản này, SCT có cùng chiều rộng 
Bs = 1000m, nhưng có chiều dài Ls như sau: 
- Kịch bản 1-1: Ls = 50 m; 
- Kịch bản 1-2: Ls = 100 m; 
- Kịch bản 1-3: Ls = 200 m. 
 b. Các kịch bản SCT có chiều rộng khác nhau 
Trong các kịch bản này, SCT có cùng chiều dài 
Ls = 200m, nhưng có chiều rộng Bs khác nhau: 
- Kịch bản 2-1: Bs = 100 m; 
- Kịch bản 2-2: Bs = 500 m; 
- Kịch bản 2-3: Bs = 1000m. 
4.2. Kết quả tính toán 
Kết quả tính toán của MH theo các kịch bản 
của SCT với các trường hợp mực nước báo động 
I, II, II (BĐI, BĐII, BĐIII), đỉnh lũ (ĐL), sau 
đỉnh lũ 2 ngày (SDDL2), và sau đỉnh lũ 4 ngày 
(SĐL4) với biến đổi MN trận lũ lịch sử tháng 
8/1996 được thể hiện cụ thể ở bảng 04, hình 09 
và hình 10. 
Bảng 04. Biến đổi mực nƣớc áp lực ở đáy tầng phủ tại vị trí chân đê phía đồng 
với SCT có chiều rộng (Bs) và chiều dài (Ls) khác nhau 
Mức lũ 
Cao trình mực nước áp lực (Htt, m) 
Chưa có 
sân chống 
thấm 
Ls = 50m, 
Bs = 1000m 
Ls = 100m, 
Bs = 1000m 
Ls = 200m, 
Bs = 1000m 
Ls = 200m, 
Bs = 500m 
Ls = 200m, 
Bs = 100m 
BĐI 3.29 3.13 2.95 2.79 2.82 3.13 
BĐII 3.64 3.43 3.17 2.90 2.96 3.44 
BĐIII 4.36 4.10 3.72 3.29 3.43 4.13 
ĐL 4.52 4.24 3.84 3.37 3.52 4.28 
SĐL2 4.68 4.43 4.02 3.52 3.70 4.48 
SĐL4 4.73 4.51 4.14 3.66 3.85 4.57 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 20 
Hình 09. Biến đổi cao trình mực nước áp lực ở 
đáy tầng phủ thấm nước yếu tại vị trí chân đê 
khi SCT có chiều dài (Ls) khác nhau 
Hình 10. Biến đổi cao trình mực nước áp lực ở 
đáy tầng phủ thấm nước yếu tại vị trí chân đê 
khi SCT có chiều rộng (Bs) khác nhau 
5. PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦ TƢỜNG 
CHỐNG THẤM 
Từ kết quả tính toán ở bảng 04, hình 09 & 
hình 10 cho thấy: 
- Ở các kịch bản 1-1, 1-2, 1-3: Khi tăng 
chiều dài LS của SCT, mực nước áp lực 
(MNAL) ở đáy tầng phủ (Htt) giảm tương ứng 
với mức độ tăng chiều dài của san (bảng 04 & 
hình 09), các đường biến đổi MNAL theo thời 
gian (t) với SCT có Ls = 50m, 100m, 200m 
cách nhau khá đều (hình 09). 
- Ở các kịch bản 2-1, 2-2, 2-3: Khi giữ nguyên 
chiều dài Ls, giảm chiều rộng Bs, áp lực thấm tăng 
rất nhanh, đường biến đổi Htt theo thời gian ở SCT 
có chiều rộng Bs = 100m nằm gần đường MNAL 
khi chưa có SCT và nằm cao hơn nhiều đường biến 
đổi MNAL (Htt) khi chiều rộng của SCT Bs 
=500m, 1000m (hình 10). 
Điều đó cho thấy rõ, hiệu quả của SCT giảm 
khi chiều dài của sân giảm; khi chiều rộng sân 
giảm, hiệu quả của SCT cũng giảm, và nếu SCT 
không đủ rộng (kịch bản 2-1) thì SCT gần có hiệu 
quả rất thấp (hình 10). 
Từ kết quả MH, nếu chập bản đồ đẳng cao 
trình MNAL thực tế (Htt) của từng kịch bản 
SCT với bản đồ đẳng cao trình MNAL cho phép 
(Hcf), dễ dàng xác định được phạm vi có nguy 
cơ phát sinh BDT ứng với mỗi kịch bản. Tổng 
hợp loạt bản đồ dự báo BDT theo các kịch bản 
cho phép thành lập được bản đồ dự báo nguy cơ 
phát sinh BDT cho các kịch bản SCT. 
Đây là bức tranh rất trực quan, hiệu quả của 
SCT theo các kịch bản có chiều dài (Ls) và 
chiều rộng (Bs) khác nhau được thể hiện rất rõ 
bằng phạm vi BDT được xử lý của SCT (hình 
11 và hình 12): Với SCT có chiều rộng Bs như 
nhau, khi sân dài LS=50m chỉ xử lý được 6% 
diện tích (SXL) so với diện (S) khi không có 
SCT, với LS = 100m SXL= 11%, LS = 200m 
SXL= 33% (hình 11). Trong trường hợp SCT có 
chiều dài như nhau, nếu sân rộng BS = 100m chỉ 
giảm được SXL= 4%, còn với BS = 500m giảm 
được SXL=22% (hình 12). 
Các kết quả nêu trên chứng tỏ chiều rộng của 
SCT cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của 
SCT. Nếu SCT có chiều rộng không phù hợp thì 
ngay cả khi SCT có chiều dài lớn, do ảnh hưởng 
của dòng thấm vòng, SCT cũng có tác dụng rất 
thấp. Đây là điều cần lưu ý khi tính toán thiết kế 
xử lý BDT bằng giải pháp SCT. 
Hình 11. So sánh hiệu quả của SCT 
có chiều dài (Ls) khác nhau 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 21 
Hình 12. So sánh hiệu quả của SCT có chiều 
rộng (Bs) khác nhau 
6. KẾT LUẬN 
- Hiệu quả kỹ thuật, khả năng chống thấm của 
SCT không chỉ phụ thuộc vào chiều dài (Ls) của 
sân mà còn phụ thuộc quan trọng vào chiều rộng 
(Bs) của SCT. Chiều dài và chiều rộng của SCT 
giảm thì hiệu quả chống thấm của SCT đều giảm. 
SCT đạt hiệu quả cao nhất khi có chiều rộng và 
chiều dài phù hợp. SCT quá hẹp sẽ có hiệu rất quả 
thấp, thậm chí không có tác dụng. Đây là vấn đề 
cần lưu ý khi thiết kế SCT. 
- Nghiên cứu hiệu quả, tác dụng chống thấm 
của SCT trong bài toán thấm 3D với sự hỗ trợ 
của hệ phần mềm Visual Modflow cho phép so 
sánh, lựa chọn, tối ưu hóa các thông số kỹ thuật 
của SCT được thuận tiện, chính xác. Để đảm bảo 
an toàn cho công trình và phát huy tối đa hiệu quả 
của SCT, khi thiết kế xây dựng SCT cần tính toán 
và kiểm tra các thông số thiết kế SCT theo MH 
bài toán thấm 3D. 
TÀI LIỆU TH M KHẢO 
1.NguyÔn §×nh Hïng, NguyÔn TiÕn §¹t (2008), 
“øng dông mµng §Þa kü thuËt chèng thÊm”, T¹p 
chÝ Tµi nguyªn n-íc, (1-2008), tr.26-31. 
2.Phan Sỹ Kỳ (2000), Sự cố một số công 
trình thuỷ lợi ở Việt Nam và các biện pháp 
phòng tránh, Nxb Nông Nghiệp, Hà Nội. 
3.Trung tâm khí tượng thủy văn Quốc gia 
(2008), Số liệu quan trắc thủy văn trạm Nhật Tảo, 
trạm Triều Dương, trạm Nam Định, Hà Nội. 
4.Bùi Văn Trường (1993), Báo cáo địa chất 
công trình nền đê Tả Hồng hà I, từ 
Km142,2÷Km145, Thái Bình. 
5.Bùi Văn Trường, Phạm Văn Tỵ (2008), Biến 
dạng thấm nền đê sông tỉnh Thái Bình và một số 
kết quả nghiên cứu, Báo cáo tuyển tập công trình 
khoa học, Hội thảo khoa học toàn quốc “Tai biến 
địa chất và giải pháp phòng chống”, Hà Nội. 
6.Bùi Văn Trường (2009), Nghiên cứu biến 
dạng thấm nền đê hạ du sông Hồng địa phận 
tỉnh Thái Bình và đánh giá thực nghiệm các giải 
pháp xử lý, Luận án tiến sĩ kỹ thuật , Hà Nội. 
7.Bùi Văn Trường (2013), Cơ chế phá hủy 
thấm nền đê hạ du sông Hồng, Tạp chí Địa kỹ 
thuật, số 4-2013, Hà Nội. 
8.TCVN 8253:2012, Công trình thủy lợi - 
Nền các công trình thủy công - Yêu cầu thiết kế. 
9.TCVN 9143:2012, Công trình thủy lợi - 
Tính toán đường viền thấm dưới đất của đập 
không phải là đá. 
10.Todd D.K. (1980), Groundwater 
hydrology, John Wiley & Sons, New York 
chichester Bribane Toronto. 
11.Waterloo Hydrogeologic, Visual Modflow 
4.2.0.151, Canada. 
Người phản biện: PGS, TS ĐOÀN THẾ TƯỜNG