Nghiên cứu cơ chế vỡ của đất đắp đập khi nước tràn đỉnh

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 38 
BÀI BÁO KHOA HỌC 
NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ VỠ CỦA ĐẤT ĐẮP ĐẬP 
KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH 
Phạm Thị Hương1, Nguyễn Cảnh Thái1 
Tóm tắt: Cơ chế vỡ của đập đất khi nước tràn đỉnh phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó hai 
nhân tố quan trọng chủ yếu là tính chất của đất đắp và cột nước tràn. Bài báo trình bày nội dung 
thí nghiệm xác định cơ chế vỡ của đập được đắp bằng các loại đất có lực dính thay đổi khi bị nước 
tràn đỉnh, tính toán tốc độ xói của mỗi loại đất và khẳng định sự phù hợp của kết quả thí nghiệm 
với các nghiên cứu lý luận trước đây. 
Từ khoá: Tốc độ xói, nước tràn đỉnh đập, cơ chế vỡ đập. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ1 
Theo số liệu thống kê của Tổng cục Thủy lợi 
(Tổng cục Thủy lợi. 2015), Việt Nam hiện có 
6.886 hồ chứa thủy lợi – thủy điện. Trong số đó 
thì số lượng hồ chứa thủy điện là 238 hồ (chiếm 
3,5%), số lượng hồ chứa thủy lợi là 6.648 hồ 
(chiếm 96,5%, kể cả hồ chứa thủy lợi có công 
trình thủy điện), hơn 90% số đập tạo hồ thủy lợi 
ở nước ta hiện nay là đập đất. 
Bên cạnh các lợi ích tích cực, hồ chứa luôn 
tiềm ẩn nguy cơ và sự cố gây thiệt hại về nguời 
và của. Sự cố, hư hỏng có thể diễn ra ở tổng 
thể cụm đầu mối, có thể ở một công trình hoặc 
một bộ phận công trình, hoặc do hư hỏng, sự 
cố công trình vùng lân cận. Các nguyên nhân 
chính dẫn đến sự cố mất an toàn đập đất là 
nước tràn đỉnh đập, thấm, trượt mái, chất lượng 
thi công,... Một nguyên nhân quan trọng gây 
nên mất an toàn đập đất (chiếm đến 35%) cần 
phải kể đến đó là nước tràn qua đỉnh đập do lũ 
vượt tần suất thiết kế, chọn mô hình lũ không 
đúng, tính toán sai khả năng tháo của tràn, cửa 
van bị kẹt, cửa vào tràn bị lấp. Phần lớn các 
đập ở nước ta được thiết kế, thi công trong 
khoảng 30 đến 40 năm trước đây nên yêu cầu 
1 Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi. 
về thiết kế thấp (lũ nhỏ). Ngày nay, do ảnh 
hưởng của nhiều yếu tố (biến đổi khí hậu, thay 
đổi thảm phủ...) làm cho thời tiết cực đoan, 
mưa lớn, lũ lớn dẫn đến dễ gây ra nước tràn 
đỉnh đập. Hầu hết các đập nhỏ không đáp ứng 
được tiêu chuẩn lũ hiện nay, khả năng nước 
tràn qua đỉnh đập khi có lũ là rất lớn. Trong 
những năm gần đây, các sự cố do nước tràn đỉnh 
đập xảy ra liên tục, điển hình như sự cố vỡ đập 
Phân Lân - Vĩnh Phúc ngày 03/8/2013, đập 
Đồng Đáng, Thung Cối - Thanh Hóa ngày 
01/10/2013 và gần đây nhất là sự cố vỡ đập 
Đầm Hà Động ngày 31/10/2014 gây ra những 
thiệt hại lớn về người và của đã đặt ra yêu cầu 
cấp bách là nghiên cứu các giải pháp công nghệ 
để ứng phó với các sự cố có thể xảy ra, trong đó 
có vấn đề ứng phó với sự cố tràn đỉnh đập. 
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 
Theo các nghiên cứu trước đây (J.L.Briaud, 
H.C.Chen, A.V.Govindasamy and R. Storesund. 
2007), đối với đất có tính dính cao, lực tác dụng 
lên một hạt đất bao gồm trọng lượng của hạt, 
lực điện từ và lực điện tĩnh, lực tương tác giữa 
các hạt đất, và áp lực nước xung quanh hạt, 
trong trường hợp nước chảy với vận tốc nào đó 
sẽ có thêm ứng suất cắt xung quanh hạt đất 
(Hình 1). 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 39 
a. Nước tĩnh b. Nước chảy 
Hình 1. Lực và áp lực tác động lên hạt 
Lực điện tĩnh bị đẩy bởi vì các hạt sét 
mang điện tích âm, lực điện từ tương đối yếu 
thu hút các phân tử với nhau, mặc dù trung 
hòa về điện, các phân tử tạo thành lưỡng cực 
thu hút nhau như nam châm. Các lực điện từ 
là lực giữ các phân tử H20 với nhau trong 
nước. Chính vì vậy mà vận tốc gây xói của 
đất dính thường phải lớn do lực hút giữa các 
hạt đất. 
Đối với đất ít dính và đất rời, các hạt đất bị 
xói đi do bị dịch chuyển, được giải thích bởi ba 
cơ chế xói chủ yếu là trượt, quay và nhấc lên 
(J.L.Briaud, H.C.Chen, A.V.Govindasamy and 
R. Storesund. 2007). 
a. Cơ chế trượt của hạt đất 
b. Cơ chế quay của hạt đất 
c. Cơ chế nhấc hạt 
Hình 2. Cơ chế xói của đất hạt rời 
Cơ chế trượt đơn giản giả thiết rằng các hạt 
đất hình cầu, lực tác dụng bởi nước lên hạt đất 
là lực cắt song song với mặt chịu xói, và các 
hạt đất xung quanh không tác dụng lực lên hạt 
đất đang xét bởi vì chúng di chuyển cùng tốc 
độ. Bỏ qua lực điện từ và điện tĩnh giữa các 
hạt bởi vì đây là đất hạt rời. Khi tăng vận tốc, 
ứng suất sinh ra do dòng chảy τc trở nên đủ 
lớn, lực sinh ra do ứng suất vượt qua lực ma 
sát giữa hai hạt đất τcAe >Wtan, đất bị trượt 
(Hình 2a). 
Cơ chế quay đơn giản giả thiết rằng các hạt 
đất hình cầu, lực tác động của nước lên các hạt 
đất theo phương song song với mặt chịu xói, bỏ 
qua tác động của các hạt đất bên cạnh và sự 
quay diễn ra xung quanh điểm tương tác với hạt 
đất bên dưới. Bỏ qua lực điện tĩnh và điện từ 
giữa các hạt. Tại thời điểm chuyển động ban 
đầu, cân bằng moment quanh điểm O ta có: 
τcAea = Wb (với τc là ứng suất cắt do dòng chảy 
sinh ra trên bề mặt tiếp xúc với hạt đất, Ae là 
diện tích mặt tiếp xúc, a là cánh tay đòn của lực 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 40 
đến điểm O, W là trọng lượng của hạt đất và b 
là cánh tay đòn của W đến điểm O) ; khi τcAea > 
Wb tức là hạt đất bắt đầu bị xói (Hình 2b). 
Cơ chế nhấc hạt đơn giản là giả thiết hạt đất 
hình khối, áp suất nước trên đỉnh của khối là ut 
và áp suất dưới đáy là ub. Chênh lệch áp suất ub-
ut là tổng của chênh lệch áp suất thủy tĩnh (ub-
ut)0 và chênh áp suất tạo ra bởi dòng chảy Δu: ub 
– ut = (ub – ut)0 + Δu; khi vế trái lớn hơn không, 
hạt đất bắt đầu bị xói (Hình 2c). 
3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 
3.1. Mục đích nghiên cứu 
Cơ sở lý luận để thí nghiệm mô hình vật lý là 
dựa vào lý thuyết tương tự mô hình. Mô hình 
thu nhỏ được xây dựng để mô phỏng các quá 
trình vật lý và hiện tượng một cách tương tự 
như trong điều kiện thực tế. Mục đích của thí 
nghiệm này là để: 
- Quan sát hiện tượng, cơ chế vỡ của đập khi 
đắp đập bằng các loại đất khác nhau (đất dính 
và đất ít dính). 
- Đo đạc thời gian xói và diễn biến mặt cắt 
đập, tính toán tốc độ xói của đất. 
3.2. Trường hợp thí nghiệm 
Mô hình đập đất đồng chất có chiều cao đập 
h = 0,5m; chiều dài đỉnh đập L = 0,5m; chiều 
rộng đỉnh đập B = 0,4m; mái thượng lưu m1 = 1; 
mái hạ lưu m2 = 2. 
Tỷ lệ mô hình được lựa chọn theo điều kiện 
phải thỏa mãn được số Froude, chỉ ra bởi 
Coleman và các cộng sự (Coleman, E. S., 
Andrews, D. P. & Webby, M. G. 2002). 
hay 
trong đó U là lưu tốc ; L là chiều dài và q là 
lưu lượng đơn vị. 
Thí nghiệm của Hanson và các cộng sự 
(Hanson, G. J., Cook, K. R. & Hunt, S. L. 2005) 
được thực hiện cho hai đập đất với lưu lượng đơn 
vị là q = 0,22 ÷ 0,36 m3/s/m cho con đập cao 
2,3m và q = 0,2 m3/s/m cho đập cao 1,5m. Các 
thí nghiệm này đã được kiểm chứng thỏa mãn 
điều kiện về số Froude. Ở đây, tác giả thực hiện 
thí nghiệm cho đập đất cao 0,5m, ta có tỷ lệ: 
Thí nghiệm được thực hiện theo nguyên tắc 
khống chế cột nước tràn thay đổi từ H = 7 ÷ 
23cm, tính toán lưu lượng tràn theo Chen và các 
cộng sự (Y.H. Chen, Bradley A. Anderson. 
1987) được q = 0,020 ÷ 0,040 m3/s/m. Giá trị 
này gần đúng với qm yêu cầu. 
Đất được sử dụng để đắp đập là 2 loại đất đã 
được thí nghiệm xác định hàm vận tốc xói 
(Phạm Thị Hương, 2016). 
- Loại I: Đất dính cao có hàm lượng sét lớn 
màu xám nâu, xám vàng được lấy tại quả đồi xã 
Đồng Trúc, huyện Thạch Thất, Hà Nội. 
- Loại II: Đất ít dính có hàm lượng sét trung 
bình, màu xám nâu - lấy tại mỏ đất dùng để đắp 
đập phụ số 2 – hồ chứa Đầm Hà Động, huyện 
Đầm Hà, tỉnh Quảng Ninh. 
Hình 3. Đường cong cấp phối hạt của đất loại I Hình 4. Đường cong cấp phối hạt của đất loại II 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 41 
Bảng 1. Một số chỉ tiêu chính của đất 
Chỉ tiêu thí nghiệm Đất loại I (đất dính) Đất loại II (đất ít dính) 
Độ đầm chặt K 0,9 0,9 
Dung trọng (T/m3) 1,64 1,52 
Độ ẩm tối ưu (%) 32,13 32,85 
Góc ma sát trong (độ) 15028’ 16036’ 
Lực dính đơn vị (kG/cm2) 0,259 0,201 
Hàm vận tốc xói (cm/s) )37,5(0019,0 E )0,5(0023,0 E 
3.3. Qui trình đắp đập và tiến hành thí 
nghiệm 
- Sàng đất qua sàng có đường kính mắt lưới 
5mm để loại bỏ hạt cốt liệu lớn; 
- Xác định độ ẩm hiện tại của đất, xác định 
lượng nước cần trộn thêm, sau đó tiến hành trộn 
thêm nước để đưa đất về độ ẩm tối ưu; 
- Đắp đất theo từng lớp có chiều dày 10cm, 
đầm nện với số lần đầm tương đối đều nhau cho 
mỗi lớp, dung trọng mỗi lớp xác định bằng 
phương pháp dao vòng; 
- Cắt gọt mái thượng lưu và hạ lưu bằng 
phương pháp thủ công. 
- Để đo mực nước tràn trên đỉnh đập, tiến 
hành kẻ các đường kẻ ngang từ cao trình đỉnh 
đập trở lên, khoảng cách giữa các đường là 5cm 
- Để thuận tiện cho việc theo dõi diễn biến 
xói của mái hạ lưu và đỉnh đập khi nước tràn, 
tiến hành vẽ một lưới các đường kẻ song song 
với bề mặt mái hạ lưu đập. 
- Các camera quan sát được đặt tại phía vai 
phải của đập và chính diện hạ lưu để ghi lại toàn 
bộ diễn biến quá trình xói và vỡ đập kể từ khi 
nước tràn cho đến khi đập bị vỡ hoàn toàn. 
Tiến hành xả nước với các cấp lưu lượng đã 
định sẵn để đạt được cột nước tràn cần thiết. 
3.4. Kết quả thí nghiệm và nhận xét 
Hình ảnh thí nghiệm thu được từ các camera 
quan sát hai bên vai đập và chính diện hạ lưu. 
Cắt ảnh từ các video theo bước thời gian 3 phút. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 42 
Hình 5. Đất loại I – cột nước tràn 15cm (bước thời gian 3 phút) 
Hình 6. Đất loại II – cột nước tràn 7cm (bước thời gian 3 phút) 
Từ hình ảnh thu được tiến hành vẽ các đường diễn biến mặt cắt đập trong quá trình xói 
0
10
20
30
40
50
60
70
0
10
20
30
40
50
60
70
80 80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Kho¶ng c¸ch (cm)
C
ao
 ®
é 
(c
m
)
0
10
20
30
40
50
60
70
0
10
20
30
40
50
60
70
80 80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Kho¶ng c¸ch (cm)
C
a
o 
®
é 
(c
m
)
0
10
20
30
40
50
60
70
C
a
o 
®
é 
(c
m
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80 80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Kho¶ng c¸ch (cm) 
a. TH cột nước tràn H=15cm b. TH cột nước tràn H=18cm c. TH cột nước tràn H=23cm 
Hình 7. Hình ảnh diễn biến mặt cắt đập theo quá trình xói – đất loại I. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 43 
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Kho¶ng c¸ch (cm)
0
10
20
30
40
50
60
70
80 80
C
ao
 ®
é 
(c
m
)
0
10
20
30
40
50
60
70
0
10
20
30
40
50
60
70
80 80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Kho¶ng c¸ch (cm)
C
ao
 ®
é 
(c
m
)
0
10
20
30
40
50
60
70
0
10
20
30
40
50
60
70
80 80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Kho¶ng c¸ch (cm)
C
ao
 ®
é 
(c
m
)
a. TH cột nước tràn H=7cm b. TH cột nước tràn H=10cm c. TH cột nước tràn H=15cm 
Hình 8. Hình ảnh diễn biến mặt cắt đập trong quá trình xói – đất loại II 
Bảng 2. Thống kê thời gian xói của đập 
Đất loại I Đất loại II 
Cột nước tràn H 
(cm) 
Thời gian xói đến 
mép hạ lưu đỉnh 
đập t1 (phút) 
Thời gian xói đến 
mép thượng lưu 
đỉnh đập t2 (phút) 
Thời gian xói đến 
mép hạ lưu đỉnh 
đập t1 (phút) 
Thời gian xói đến 
mép thượng lưu 
đỉnh đập t2 (phút) 
7 8 17 
10 6 16 
15 18 32 4 14 
18 15 26 
23 12 17 
Tính toán khối lượng đất bị xói theo các bước thời gian (ΔW), từ đó tính được tốc độ xói của 
từng loại đất theo công thức: E = ΔW/Δt 
Hình 9. Biểu đồ đường quá trình tốc độ xói 
của đất loại I 
Hình 10. Biểu đồ đường quá trình tốc độ xói 
của đất loại II 
Từ hai biểu đồ trên cho thấy đối với đất loại 
I, tốc độ xói thay đổi và có những bước nhảy 
đột ngột (trường hợp cột nước tràn là 15cm và 
18cm - Hình 9), do sự mất ổn định và sạt trượt 
cả khối đất. Với trường hợp cột nước cao (H = 
23cm) tốc độ xói tương đối đều trong suốt thời 
gian thí nghiệm là do khi vận tốc dòng chảy lớn, 
khả năng xói của đất sẽ ít chịu ảnh hưởng bởi 
tính chất đất. Đối với đất loại II, tốc độ xói của 
đất rất đều đặn, không có sự thay đổi đột biến 
cho cả ba trường hợp thí nghiệm (Hình 10). 
Tốc độ xói trung bình của đất loại II lớn hơn 
so với tốc độ xói trung bình của đất loại I, vì 
vậy thời gian vỡ đập đất ít dính nhanh hơn (so 
sánh trường hợp cùng một cột nước tràn là H = 
15cm: tốc độ xói trung bình của đất loại I là E = 
2,04 cm3/s và của đất loại II là E = 3,255 cm3/s; 
thời gian vỡ của đập đất loại II là 14 phút và 
thời gian vỡ của đập đất loại I là 32 phút). 
Từ kết quả thí nghiệm nhận thấy đối với 
những đập đắp bằng đất dính cao, khi nước tràn 
qua đập có xu hướng bị xói dưới chân trước, sau 
đó phát triển dần lên đến đỉnh. Trong quá trình 
xói, có trường hợp hình thành hàm ếch trên mái 
hạ lưu, sau một khoảng thời gian do mất ổn định 
hàm ếch này sập xuống (trường hợp cột nước 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 44 
tràn 18cm). Khoảng cách giữa các đường cong 
không đều nhau, có những lúc các đường cong 
rất sát nhau nhưng có lúc lại rất xa nhau. Tại 
những vị trí các đường cong nằm cách xa nhau, 
quan sát trên video là do hiện tượng mất ổn định 
và trượt cả một khối đất trên thân đập. 
Đối với các đập đắp bằng đất ít dính, diễn 
biến mặt cắt đập theo thời gian là các đường 
cong tương đối đều phát triển từ đỉnh đến chân 
đập. Khoảng cách giữa các đường cũng tương 
đối đều đặn, không có sự thay đổi đột ngột 
chứng tỏ quá trình xói là quá trình bào mòn dần 
trên bề mặt mái hạ lưu và đỉnh đập. 
4. KẾT LUẬN 
Nghiên cứu thực nghiệm là một giải pháp 
quan trọng trong tính toán thiết kế công trình 
bên cạnh các phương pháp nghiên cứu khác. Kết 
quả nghiên cứu thực nghiệm góp phần làm sáng 
tỏ cơ sở lý thuyết hoặc thiết lập được các công 
thức thực nghiệm mà phương pháp lý thuyết 
chưa tìm ra được. 
Bài báo thể hiện kết quả thí nghiệm mô hình 
vật lý xác định cơ chế xói của đập đắp bằng hai 
loại đất có tính dính khác nhau. Thí nghiệm đã 
xác định được cơ chế xói và tính toán tốc độ xói 
của mỗi loại đất, khẳng định sự phù hợp giữa lý 
thuyết về cơ chế xói của đất dính và đất ít dính 
với thực tế thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm cũng 
thể hiện rõ sự ảnh hưởng của cột nước tràn và 
tính chất của đất đến tốc độ xói bề mặt. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Tổng cục Thủy lợi, 2015. Báo cáo chương trình an toàn hồ chứa. 
Phạm Thị Hương, 2016. Thí nghiệm xác định tốc độ xói của đất đắp dưới tác dụng của dòng chảy 
trên bề mặt, Tạp chí Thủy Lợi và Môi trường số 53, 6/2016. 
J.L.Briaud, H.C.Chen, A.V.Govindasamy and R. Storesund. 2007. Erosion Tests on Samples from 
the New Orleans Levees. American Society of Civil Engineers. 
Coleman, E. S., Andrews, D. P. & Webby, M. G, 2002. Overtopping breaching of noncohesive 
homogeneous embankments. J. Hydraulic Engng128,No. 9, 829–838. 
Hanson, G. J., Cook, K. R. & Hunt, S. L, 2005. Physical modeling of overtopping erosion and 
breach formation of cohesive embankments. Trans. ASAE48, No. 5, 1783–1794. 
Y.H. Chen, Bradley A. Anderson. 1987. Development of a methodology for estimating embankment 
damage due to flood overtopping. US. Department of transportation. 
Abstract: 
RESEARCH OF BREAKING MECHANISM OF OVERTOP EARTH DAMS 
The breaking mechanism of embankment dams due to overflow depends on many factors, of which 
two major factors are the filling material properties and the water head on top of dam. This paper 
presents the content of an experiment to determine breaking mechanism of highly-cohesive soil dam 
and low-cohesive soil dam in case of overtopping, culculating the erosion rate and confirming the 
relevance of experimental results to previous theoretical researches. 
Keywords: Soil erosion rate, dam overtopping, dam-breaking mechanism. 
Ngày nhận bài: 18/9/2017 
Ngày chấp nhận đăng: 12/10/2017