Ảnh hưởng của cấu trúc địa chất và điều kiện địa chất công trình tới ổn định của kè sông Quách Hoàng Hải - Viện khoa học thủy lợi, Bộ NN&PTNT Sự ổn định lâu dài của kè sông có liên quan mật thiết với đặc điểm cấu trúc địa chất và các yếu tố địa chất động lực và thủy văn tương ứng. Tính toán ổn định cho kè sông phải được xét đầy đủ trong một môi trường thủy địa cơ biến đổi. Thông qua một số kết quả nghiên cứu đã áp dụng cho xử lý sự cố kè trên tuyến đê sông Hà Nội, tác giả muốn góp phần làm sáng tỏ vấn đề nêu trên và rút ra một số ý kiến trong việc khảo sát, đánh giá sự cố sạt trượt bờ sông. Công tác bảo vệ chống hiện tượng xói lở, sạt trượt bờ, thềm sông cho nhiều đoạn đê xung yếu của hệ thống sông vùng Đồng bằng Bắc Bộ là một trong những mối quan tâm lớn hiện nay. Trong công tác này, ngoài các biện pháp chủ động nhằm hạn chế, khắc phục ảnh hưởng trực tiếp của dòng chảy đối với bờ là chỉnh trị dòng, cần chú ý tới thì biện pháp xây kè bảo vệ (là biện pháp đem lại hiệu quả thiết thực khi điều kiện tự nhiên không cho phép áp dụng biện pháp chỉnh trị). Qua thực tế cho thấy có rất nhiều tuyến, đoạn kè sau khi đã được xử lý mới chỉ trong một thời gian ngắn, hoặc chỉ qua thử thách của một mùa lũ vẫn tiếp tục bị sạt trượt ngay tại vị trí đã được xử lý. Sự sạt trượt mái kè dẫn tới làm giảm tác dụng bảo vệ và kéo theo việc sửa chữa rất phức tạp và tốn kém. Như vậy công tác thiết kế xây dựng kè bảo vệ bờ cho các tuyến đê cần phải được xem xét một cách thỏa đáng hơn từ nhiều góc độ nhằm đảm bảo tính ổn định lâu dài cho công trình cũng như chính con đê. Thực tế nghiên cứu xử lý đối với một số tuyến kè của đê Hà Nội, chúng tôi thấy rằng, cấu trúc địa chất, điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn là các yếu tố có ảnh hưởng quyết định tới sự ổn định lâu dài của kè sông, mà khi thiết kế cần phải được xem xét một cách nghiêm túc. Việc tính toán sự ổn định của bờ, thềm sông hay kè bảo vệ bờ đều được dựa trên nguyên tắc cơ bản, đó là tính toán hoặc thiết kế cho một mái dốc sao cho hệ số ổn định mái kè Kk ³ Kat. Trong đó các yếu tố được đưa vào công thức tính toán bao gồm tổ hợp các lực gây trượt, sức chống trượt của các lớp đất thuộc thềm sông hoặc bờ sông; đồng thời xét thêm ảnh hưởng của lực thấm tác dụng (nếu có). Hiện nay việc tính toán có thể thực hiện bằng các biện pháp tính toán thông thường hoặc trên các chương trình tính ổn định của các phiên bản phần mềm có sẵn. Tuy nhiên tất cả các phương pháp tính toán hệ số Kk cho mái kè đều thống nhất trên quan điểm coi mái dốc bị trượt theo một mặt trượt cung tròn. Mái dốc kè được coi là an toàn nếu 1,1 Ê Kk Ê 1,5, tùy theo phân cấp công trình. Như vậy để cho một mái kè đảm bảo điều kiện ổn định trong cả hai trường hợp có dòng thấm và không có dòng thấm thì phải hạn chế các tổ hợp lực gây trượt bằng cách thông qua tính toán lựa chọn mái dốc cho phù hợp. Tuy nhiên đối với kè sông không phải lúc nào biện pháp này cũng có thể thực hiện được, vì vị trí tương đối của tuyến đê với mép sông sẽ là điều kiện khống chế. Khi có điều kiện ràng buộc về độ dốc của mái thì giá trị của hệ số Kk sẽ hoàn toàn phụ thuộc vào thông số của các lớp đất hoặc áp lực thấm (nếu có). Ta có thể thấy rằng, trong một mái dốc có nhiều lớp đất phân bố thì tổng giá trị các lực chống trượt do các lớp đất tạo nên không chỉ phụ thuộc vào chính các chỉ tiêu của nó mà còn phụ thuộc rất nhiều vào sự tương quan phân bố của các lớp trong một mái dốc. Hay nói cách khác là phụ thuộc vào cấu trúc cột địa tầng và các điều kiện địa chất động lực, địa chất thủy văn liên quan với từng lớp đất thuộc mái dốc. Sơ lược về cấu trúc địa chất vùng châu thổ sông Hồng: Trong lịch sử kiến tạo địa chất, châu thổ sông Hồng chủ yếu được phát triển trong kỷ đệ tứ (Q), bao gồm các hệ tầng như Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hải Hưng, Thái Bình và thềm bồi sông hiện đại với các pha trầm tích biển, pha sông biển và bồi tích sông, chiều dày lên tới hàng chục mét. Trong đó các thành tạo chủ yếu là mềm rời như cát, cát cuội, cát pha nguồn gốc bồi tích sông, đến dẻo dính như sét, sét pha có nguồn gốc trầm tích biển và sông biển. Các lớp đất với độ bền rất khác nhau, từ trung bình hoặc khá cho đến yếu và rất yếu. Việc có mặt hay thiếu vắng của một hoặc vài đơn nguyên địa chất nào đó tại một vị trí cụ thể là tùy thuộc vào điều kiện biến đổi của dòng sông trước khi có sự xuất hiện của đê. Do đặc điểm địa hình và lịch sử thành tạo dẫn tới trình tự và phạm vi phân bố của các hệ tầng cũng dần theo một quy luật, trong đó càng về hạ lưu thì các thành tạo cổ càng mất đi, các thành tạo trẻ càng dày và đầy đủ hơn trên mặt cắt. Song có điều là quá trình xâm thực và tái tạo bờ của các nhánh sông lại chủ yếu chỉ xảy ra trong phạm vi trên dưới 10,0 m trở lại và tại các tầng đất như tầng bồi tích (cát, cát pha) kém bền trong nước thuộc thềm sông hiện đại (aQIV), tầng Thái Bình (aQIV3) và các lớp đất yếu trầm tích biển (sét, bùn sét hữu cơ) thuộc tầng Hải Hưng (lb, bQIV1-2). Một số dạng cấu trúc bờ, thềm sông dễ xảy ra sạt trượt: Qua tập hợp nhiều sự cố sạt, lở, trượt đã xảy ra trên các đoạn sông thuộc nhiều vùng có cấu trúc địa chất khác nhau, chúng tôi xin tổng kết và nêu ra ở đây một số dạng cấu trúc và hình thái sạt trượt dễ xảy ra tương ứng. 1. Dạng 1: Mái dốc thuộc thềm bãi sông hiện đại, gồm các lớp đất bồi tích thềm bậc I hoặc bậc I &II. Khi đó mặt cắt thường có 1 hoặc 2 lớp chủ yếu là sét pha cho đến cát pha. Tính chất các lớp đất thường khá đồng đều, độ bền của đất từ trung bình đến khá. Với dạng cấu trúc này, quá trình sạt trượt bờ chủ yếu xảy ra là do tác động trực tiếp của dòng chảy đối với các lớp đất có tính liên kết kém, hoặc kém bền trong nước. 2. Dạng 2: Bờ sông có cấu trúc gồm nhiều lớp thuộc các thành tạo cổ hơn. Có thể có các dạng sau: Mặt cắt bờ với cột địa tầng bao gồm khá đầy đủ các lớp đất của hệ tầng Thái Bình hoặc Hải Hưng, từ cát, cát pha cho đến sét, bùn sét (hình 2a). Khi đó mặt cắt bao gồm các lớp đất với độ bền từ trung bình đến cao xen kẹp các lớp đất yếu hoặc thấm nước mạnh; nằm phía dưới là các lớp sét, sét pha thuộc tầng Vĩnh Phúc có độ bền cao và ít thấm nước. Đối với dạng cấu trúc này, hiện tượng sạt trượt thường xảy ra tại vùng có các lớp xen kẹp phân bố. Phần lớn quá trình sạt trượt có liên quan tới yếu tố áp lực thấm của tầng nước ngầm thứ nhất. ở dạng cấu trúc này trượt thường xảy ra với các cung trượt nhỏ và nông. Mặt cắt bờ với cột địa tầng phân bố phía trên là các lớp đất chủ yếu thuộc hệ tầng Hải Hưng và phía dưới sâu là các lớp đất thuộc hệ tầng Vĩnh Phúc hoặc Hà Nội (hình 2b). Khi đó mặt cắt của bờ sông sẽ bao gồm các lớp đất sét, sét pha có độ bền khá cao phân bố phía trên, phía dưới là các lớp đất yếu bùn sét, sét pha chứa hữu cơ. Với dạng cấu trúc này, tùy theo mái dốc của bờ thường xảy ra các cung trượt lớn, sâu và như vậy mức độ nguy hại đối với đê là rất lớn. Trong các dạng cấu trúc trên, khả năng để thiết kế một mái kè bảo đảm tính ổn định lâu dài sẽ là giảm dần theo thứ tự và đồng thời yêu cầu về mức độ xử lý sẽ tăng theo chiều ngược lại. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng thông qua một số công trình ở Hà Nội: 1. Kè Sen Hồ: Có vị trí K18+800 (Phú Thụy-Gia Lâm), nằm cách chân đê 50 m thuộc thềm sông. Kè được xây dựng năm 1996, mái được thiết kế m=2, đá hộc lát khan dày 0,4 m. Tầng lọc ngược dày 10 cm. Đây là một điển hình của cấu trúc dạng 1a. Sự cố xảy ra đối với kè ngay sau một mùa lũ: Mái kè bị sạt thành hai cung liên tiếp ngang thân với chiều dài 60,0m. Mặt kè nơi bị tụt nhiều nhất tới 0,7m, mái lát gần như bị phá hủy tới cao trình + 4,0m (mép nước sông vào mùa kiệt). Sau khi kiểm tra tính ổn định của mái bằng chương trình tính SB- Slope ứng với các trường hợp nước sông vào mùa kiệt và mùa lũ thấy rằng đối với mái hiện tại có Kmin = 1,55. Kiểm tra với cung qua đỉnh sạt và mép nước có K = 3,14. Điều này cho thấy với tính toán thiết kế của mái tương ứng m = 2 là hoàn toàn đảm bảo quy định an toàn. Vậy sự cố xảy ra tại tuyến kè này chỉ có thể liên quan tới sự có mặt của lớp sét pha hạt bụi tại vị trí mái kè. Xét theo nguồn gốc thành tạo có thể đây là một thềm bồi mới của sông do chưa được cố kết nên khi gặp nước đã dẫn tới bị lún sụt. Sau khi đã làm sáng tỏ nguyên nhân, chúng tôi đã kiến nghị điều chỉnh tuyến kè tránh ra khỏi vùng có mặt của lớp sét pha hạt bụi này. Cho tới nay, sau khi sửa chữa lại, kè Sen Hồ đã và đang làm việc tốt. 2. Kè Tình Quang: K5+500 (huyện Gia Lâm) thuộc bờ hữu sông Đuống, cách cầu 300,0 m về phía hạ lưu, được xây dựng vào năm 1994, mái kè được lát bằng đá có xử lý tầng lọc ngược, hệ số mái m = 2,5 - 3,0. Các sự cố đã xảy ra là sạt cục bộ vào năm 1994, 1995, 1996, đã được sửa chữa và gia cố. Năm 1997, khi nước sông hạ thấp, tại phạm vi trên lại xảy ra cung trượt dài 20 m, đỉnh cung tại cao trình +10,0m và cách mép đỉnh đê 12,0m, cung trượt uy hiếp trực tiếp đến thân đê. Đây là điển hình cho cấu trúc dạng 2a. Sau khi tiến hành kiểm tra các cung trượt sâu tại mái (theo chương trình tính ổn định SB-Slope) nhận thấy tại mái Kmin = 1,55, tính riêng cho cung đi qua đỉnh sạt hiện tại có giá trị K = 1,20. Như vậy về nguyên tắc mái kè được thiết kế hoàn toàn đảm bảo ổn định. Khi xem xét một cách tổng quan hơn, nhận thấy yếu tố gây trượt chính là các yếu tố địa chất động lực công trình tiềm ẩn trong lớp sét pha nhẹ hạt bụi và lớp cát hạt nhỏ phân bố ở phần trên mặt cắt kè. Cụ thể là các lớp đất này có chứa hàm lượng hạt bụi và cát hạt mịn khá cao, và chúng nằm dưới đường viền mực nước ngầm. Một mặt trên tuyến đê do có chấn động rung của xe cộ qua lại đã làm giảm sức chống trượt của các lớp đất khi quá trình xúc biến xảy ra. Mặt khác sự bồi lắng của phù sa sông cũng đã làm hạn chế sự tiêu thoát của nước ngầm, khi mực nước sông hạ thấp đã tạo nên sự gia tăng áp lực thấm lên mái kè. Tổ hợp các yếu tố trên đã dẫn tới sự phá vỡ giới hạn cân bằng của mái kè và trượt đã xảy ra. Với nguyên nhân này, biện pháp xử lý được chọn là giải quyết tốt tầng lọc ngược đối với 2 lớp sét pha nhẹ hạt bụi và lớp cát hạt nhỏ bằng vải lọc, đồng thời bố trí một lăng trụ tiêu nước cho phạm vi đi ra của nước ngầm. Sau khi xử lý, kè hoàn toàn ổn định. 3. Kè Gia Thượng: Thuộc Hữu Đuống - Gia Lâm, được xây dựng vào năm 1991, mái lát khan với m = 3. Sau mùa lũ 1992 đã xảy ra cung trượt dài 60,0m. Đỉnh cung trượt qua vị trí có cao trình + 10,0 m. Đây là điển hình cho cấu trúc dạng 2b. Sau khi kiểm tra bằng tính toán với các cung trượt sâu qua toàn bộ các lớp đất cho thấy có hệ số Kmin = 1,2. Như vậy mái đã được thiết kế đảm bảo độ an toàn. Tuy nhiên khi kiểm tra cung trượt qua các lớp đất yếu phân bố phía dưới theo mái thì có hệ số K = 1,04. Phần mái kè này lân cận với giới hạn cân bằng, và như vậy, trong một điều kiện nào đó thì trượt xảy ra tại phạm vi này là tất yếu. Có thể nghĩ tới một điều là tính toán ổn định trong thiết kế mới chỉ tiến hành theo khả năng trượt sâu của mái mà chưa kiểm tra các trường hợp trượt khác. Từ những phân tích đó, biện pháp xử lý được chọn là làm tăng hệ số ổn định bằng cách tạo bệ phản áp tại chân mái bằng rọ và rồng đá. Sau khi xử lý cho tới nay kè hoàn toàn ổn định. Như vậy có thể thấy rằng, nguyên nhân gây ra các sự cố tại kè đều có liên quan khá mật thiết với một số dạng cấu trúc của bờ sông cũng như với các yếu tố địa chất công trình, địa chất thủy văn tại vị trí xây dựng. Vì vậy trong công tác khảo sát cũng như đánh giá nguyên nhân gây ra sạt, trượt tại các tuyến sông cần lưu ý tổng hợp các yếu tố sau: 1. Khả năng tác động trực tiếp của dòng chảy, đặc điểm cấu trúc địa tầng, điều kiện địa hình mái dốc, thời điểm, vị trí xảy ra cung trượt, tiến tới nhận dạng địa tầng dễ gây mất ổn định. 2. Các số liệu khảo sát kiểm tra ổn định của mái theo các điều kiện thủy văn sông, nước ngầm, bao gồm các dạng trượt sâu, nông và trượt trồi. 3. Tiến hành đánh giá các yếu tố địa chất động lực khác như tác động của dòng ngầm, tính xúc biến, sự xói ngầm của các lớp đất, lưu ý tính chất của các lớp đất thuộc thềm bồi mới, đánh giá tác động của nước tới độ bền của đất. 4. Tùy theo điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn mà áp dụng các biện pháp xử lý khác nhau để đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế. Biên tập: Đặng Ngọc Bảo . nh hưởng của cấu trúc địa chất và điều kiện địa chất công tr nh tới ổn đ nh của kè sông Quách Hoàng Hải - Viện khoa học thủy lợi, Bộ NN&PTNT Sự ổn đ nh lâu dài của kè sông có liên. chúng tôi thấy rằng, cấu trúc địa chất, điều kiện địa chất công tr nh, địa chất thủy văn là các yếu tố có nh hưởng quyết đ nh tới sự ổn đ nh lâu dài của kè sông, mà khi thiết kế cần phải được xem. t nh xúc biến, sự xói ngầm của các lớp đất, lưu ý t nh chất của các lớp đất thuộc thềm bồi mới, đ nh giá tác động của nước tới độ bền của đất. 4. Tùy theo điều kiện địa chất công tr nh và địa