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 
 x c
 gradient caused suffusion (I gh) and caused quicksand (I gh). 
 The paper presents results for determining the permeable deformation 
 x c
 characteristics (I gh & I 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 Hiện nay có nhiều phƣơng pháp (PP) xác 
trúc của đất. 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 không hoàn toàn tin cậy. Để khắc phục những 
 175 Tây Sơn - Đ ng Đa - Hà Nội nhƣợc điểm nêu trên, tác giả sử dụng PP thí 
 DĐ: 0912135769 
 Email: buitruongtb@gmail.com nghiệm hiện trƣờng để xác định các đặc trƣng 
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 
 x c
hình thức BDT và I gh và I gh của cát ở nền đê bằng phƣơng pháp ép nƣớc vào giếng khoan qua 
và trong điều kiện tự nhiên. ống lọc, sơ đồ thí nghiệm đƣợc trình bày cụ thể 
 2. THÍ NGHIỆM XÓI NGẦM, CÁT ở hình 1, việc bố trí, lắp đặt hệ thống thiết bị 
CHẢY TẠI HIỆN TRƢỜNG đƣợc minh họa ở ảnh 01. 
 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 
 1.2. Quy trình thí nghiệm Đất nền đê tại các khu vực thí nghiệm gồm 
 Cột nƣớc áp lực Ho trong 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 
 Bảng 1. Các khu thí nghiệm 
các ống đo áp H1, H2 & H3; quan trắc quá trình 
phát triển BDT và đo lƣu lƣợng (Q) thoát ra ở Số Lớp đất 
vùng cửa thoát. Tuyến đê Vị trí 
 TT thí nghiệm 
 3. VỊ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ CÁC LOẠI 
ĐẤT THÍ NGHIỆM 1 Tả Trà Lý K6.7 12 
 Thí nghiệm xói ngầm, cát chảy đƣợc lựa chọn 
tại 4 vị trí thuộc hệ thống đê sông Hồng (bảng 1). 2 Hữu Trà Lý K30.5 14 
Đây là những nơi có tính đại diện về thành phần, 
 3 Hữu Luộc K8.9 23 
tính chất của tầng đất cát ở nền đê và thuận lợi 
cho việc thực hiện thí nghiệm. Tại mỗi vị trí có 4 Hữu Luộc K20.5 24 
mặt một loại cát thí nghiệm (bảng 2). 
 Bảng 2. Đặc trƣng cơ lý các lớp cát nền đê tại vị trí thí nghiệm 
 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Trong đó: 
 Kết quả thí nghiệm đƣợc trình bày cụ thể H1 - Mực nƣớc đo áp tại ống đo áp H1; 
trong bảng 3 & bảng 4. H3 - Mực nƣớc đo áp tại ống đo áp H3; 
 Gradien áp lực thấm của cát ở vùng cửa thoát L- Chiều dài đƣờng thấm, khoảng cách từ 
(I r) xác định theo công thức: đáy ống đo áp H1 đến đáy ống đo áp H3. 
 H H
 Ir 1 3 
 L
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 17 
 3
 Bảng 3. Kết quả thí nghiệm các lớp cát của hệ tầng Thái Bình(Q2 tb) 
 1-2
 Bảng 4. Kết quả thí nghiệm các lớp cát của hệ tầng Hải Hƣng (Q2 hh) 
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 Ảnh 02 Đùn cát ở vùng cửa thoát 
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, Ảnh 03 Khe nứt phát triển vào tầng phủ 
mùn hữu cơ và vảy mica đều bị dòng thấm đẩy 
ra khỏi bề mặt. Khi mới xuất hiện mạch đùn, Nếu lấy gradien áp lực thấm (ALT) tƣơng 
lƣợng cát đùn lên chƣa nhiều, tốc độ và phạm vi ứng với cấp áp lực trƣớc khi phát sinh xói ngầm 
 x
còn nhỏ. Nhƣng chỉ sau một khoảng thời gian là gradien giới hạn gây xói ngầm (I gh) và 
nhất định, số lƣợng mạch đùn xuất hiện nhiều, gradien ALT tƣơng ứng với cấp ấp lực trƣớc khi 
kích thƣớc mạch đùn đƣợc mở rộng nhanh phát sinh cát chảy là gradien giới hạn gây cát chảy 
 c
chóng, cát trong tâng cát bị đẩy ục lên bề mặt (I gh) thì có thể xác định đƣợc gradien giới hạn 
với khối lƣợng ngày càng lớn mang theo cả tạp gây BDT của các lớp cát ở nền đê nhƣ sau : 
 3
chất hữu cơ, vảy mica, thậm chí cả vỏ sò hến - Cát hệ tầng Thái Bình (Q2 tb): 
 x c
chứa trong cát, môi trƣờng thấm bị phá vỡ hoàn + Cát hạt bụi: I gh= 0,476; I gh = 0,735 
 x c
toàn (ảnh 02). Tại một số vị trí thí nghiệm, trong + Cát hạt nhỏ: I gh= 0,510; I gh = 0,720 
 1-2
tầng cát có kẹp các lớp mỏng sét pha, khi mạch - Cát hệ tầng Hải Hƣng (Q2 hh): 
 x c
đùn cát phát triển mạnh mang theo cả những + Cát hạt bụi: I gh= 0,433 ; I gh = 0,742 
 x c
mảng nhỏ bùn sét. Độ rỗng và hệ số thấm của + Cát hạt nhỏ: I gh= 0,453 ; I gh= 0,709 
cát ở vùng cửa thoát tăng nhanh. Cát ở trong Phân tích biến đổi ALT theo chiều dài dòng 
phạm vi hố thí nghiệm đùn lên mạnh, còn cát ở thấm và biến đổi lƣu lƣợng nƣớc thoát ra theo 
xung quanh bị sập lở vào, đáy tầng phủ hình gradien ALT (hình 2 & 3) cho thấy, ở giai đoạn 
thành các khoảng rỗng phát triển dần. Hệ thống đầu, khi nƣớc thoát ra còn trong, xói ngầm chƣa 
khe nứt ở tầng phủ phát triển mạnh và ăn sâu xuất hiện, các quan hệ này gần nhƣ tuyến tính, 
vào tầng phủ (ảnh 03), làm sập đổ tầng phủ tổn thất áp lực theo chiều dài dòng thấm tƣơng 
xung quanh hố đào thí nghiệm, cấu trúc nền bị đối đều, dòng thấm vận động ở chế độ ổn định, 
phá vỡ. thể hiện quy luật thấm chảy tầng theo định luật 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 19 
 x
thấm Darcy. Khi gradien ALT lớn hơn I gh, xói thấm chuyển sang chế độ không ổn định. Khi 
 c
ngầm xuất hiện trong cát, các đƣờng quan hệ gradien ALT lớn hơn I gh, độ dốc của các đƣờng 
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 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
với đặc tính tƣơng đối đồng nhất về thành phần 
hạt của các loại cát thí nghiệm (hệ số không đều [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 
 c
hiện trƣờng (I gh = 0,710,74) có giá trị nhỏ hơn nghiên cứu ĐCCT ở nền đê, Hội thảo về chất 
 c LT
so với tính toán theo lý thuyết (I gh = lƣợng nền đê, Hà Nội. 
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 (Igh) thấp hơn. Tai biến địa chất và giải pháp phòng chống, 
 6. KẾT LUẬN 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 
 c
I 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. 
 x
xảy ra khi gradien ALT vƣợt quá I 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 
 x
mạch đùn trong mùa lũ. Có thể sử dụng I gh Rural Development (1996), Hanoi Subproject, 
 c
và I gh xác định đƣợc bằng thí nghiệm hiện Dyke Safety and Relief Wells, ADB Loan No. 
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