ĐẶC ĐIỂM PHÁ HUỶ HỆ THỐNG ĐÊ SÔNG ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ TRONG THỜI GIAN MƯA LŨ TSKH TRẦN MẠNH LIỂU Viện KHCN Xây dựng Đặt vấn đề Các trình phá huỷ thân đê hệ thống đê sông Đồng Bắc thời gian mưa lũ diễn theo kịch khác phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên khu vực (cấu trúc địa chất, địa chất thuỷ văn, địa hình, địa mạo v.v…), đặc điểm hoạt động kinh tế- xây dựng người phạm vi hệ thống Địa-Kỹ thuật đê sông (HĐKTĐS) đặc điểm vật liệu công nghệ đắp đê qua thời kỳ Về chất, trình phá huỷ thân đê tổ hợp trình địa cơ, thuỷ địa học sở phát triển theo thời gian phạm vi HĐKTĐS Sự phá huỷ hệ thống đê sông đồng Bắc Bộ thời gian mưa lũ có hai kịch chủ yếu: Phá huỷ thân đê dẫn đến phá huỷ thấm hệ thống đê vỡ đê; Phá huỷ thấm đê dẫn đến phá huỷ hệ thống đê vỡ đê Việc luận chứng chất trình phá huỷ đê, giai đoạn phát triển chúng trình địa cơ, thuỷ địa học thành phần tương ứng sở cho việc đánh giá, dự báo ổn định lựa chọn giải pháp bảo vệ hệ thống đê Phá huỷ thân đê thời gian mưa lũ Trong thân đê tồn hai hệ thống khe nứt theo đặc điểm nguồn gốc phát sinh Dưới trình bày hai hệ thống 2.1 Hệ thống khe nứt lún Do cấu trúc địa chất đê không đồng nhất, phạm vi HĐKTĐS tồn lớp đất có thành phần tính chất đặc biệt (đất yếu- bùn, loại cát mịn – cát bụi dễ hoá lỏng…) phân bố không gian không ổn định, chiều dày thay đổi mạnh, chí đột ngột phạm vi đê tạo thành túi bùn có chiều dày lớn, lớp cát mịn- cát bụi dễ hoá lỏng gần mặt đất Các lớp đất nhạy cảm với tác động nhân sinh tải trọng tác động từ hệ thống đê (tải trọng thân đê, tải trọng từ hệ thống giao thông mặt đê ) làm cố kết lớp đất, gây lún không đê xuất vết nứt thân đê Do có nguyên nhân móng nên khe nứt loại có chiều sâu phát triển lớn Do đặc tính co ngót vật liệu mà khe nứt loại mở rộng dần lên phía mặt đê Độ mở lớn khe nứt lên tới 3-4cm (đê Gia Lương-Hà Bắc, 1983-1984) Sử dụng phương pháp đo điện trở suất dễ dàng bắt khe nứt loại (hình 1a,b) a) b) Hình Các vết nứt có nguyên nhân móng phát triển thân đê a) Đê Gia Lương - Hà Bắc (1984) b) Đê Nhật Tân – Hà Nội (1995) Độ mở khe nứt mùa khô phát triển tới chiều sâu 3-4m tính từ mặt đê Phân bố chúng thân đê phụ thuộc nhiều vào cấu trúc đê, thường chúng tạo thành hệ thống khe nứt lớn cắt ngang đê, từ thượng lưu xuống hạ lưu (đê Gia Lương-Hà Bắc, đê Thanh Trì-Hà Nội) hệ thống khe nứt dọc đê (đê Yên Phụ-Hà Nội) Đây hệ thống khe nứt lớn sâu thân đê, đặc biệt nguy hiểm khe nứt cắt ngang đê từ thượng lưu xuống hạ lưu Đó đường thông nước chủ yếu qua thân đê thời gian mưa lũ 2.2 Hệ thống khe nứt co ngót thân đê Hệ thống khe nứt co ngót phát triển chủ yếu hai mái đê (phía thượng lưu phía hạ lưu) phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, độ dốc sườn chế độ dao động nhiệt độ, độ ẩm thân đê Trong đất thân đê phần mái đê tồn sẵn ứng suất căng nên khe nứt co ngót xuất gradien biến đổi độ ẩm nhỏ (so với gradien biến đổi độ ẩm thân đê) Ứng suất co ngót xuất độ ẩm đất không đáp ứng phương trình Laplas: 2 (W – Wp) = Trong đó: W- độ ẩm đất; WP- độ ẩm giới hạn co ngót Các khe nứt co ngót thường phát triển vuông góc với mái đê đến độ sâu trung bình từ 0,5-1,5m (theo số liệu quan trắc thực tế công thức tính toán {4}) đổi hướng song song với mái đê (hình 2) Đây khe nứt thấm nước mặt trượt tương lai thời gian mưa lũ Hình Đặc điểm phát triển khe nứt co ngót mái đê (kết thí nghiệm mô hình) Khi mực nước lên cao, nước lũ nhanh chóng thấm qua thân đê theo hệ thống khe nứt thân đê thoát theo hệ thống khe nứt co ngót mái đê phía đồng Áp lực thuỷ động dòng thấm theo hệ thống khe nứt đê làm giảm nhanh chóng hệ số ổn định mái đê {4} gây sạt trượt mái đê vỡ đê thời gian ngâm lũ lâu không xử lý kịp thời Như vậy, giai đoạn phá huỷ đê từ thân đê xếp sau: Hình thành khe nứt thân đê (do lún, co ngót)  thấm qua thân đê theo hệ thống khe nứt  sũng ướt mái đê  sạt trượt mái đê  vỡ đê Hư hỏng hệ thống đê phá huỷ thấm đê thời gian mưa lũ Tại khu vực mà đê tồn lớp cát thấm nước tốt có diện phân bố rộng nguy xảy phá huỷ thấm đê lớn, đặc biệt khu vực đê nằm lòng sông cổ (hành lang thông nước) khu vực hồ Tây, hồ Trúc Bạch, Thanh Trì, Khi mực nước lên cao, dòng thấm có xu hướng từ sông qua đê làm gia tăng áp lực dòng thấm phía hạ lưu đê Áp lực gia tăng nhanh chóng theo thời gian ngâm lũ Nếu thời gian ngâm lũ kéo dài, áp lực dòng thấm phần hạ lưu đê lớn, ổn định đê phía hạ lưu phụ thuộc hoàn toàn vào độ bền lớp phủ chắn nước nằm tầng cát thấm nước Quá trình phá huỷ đê bắt đầu thực từ xuất hiện tượng bục đất chiều dày độ bền lớp phủ bảo vệ không đủ lớn {4} hình thành miền thoát tích cực qua cửa sổ bục đất (hình 3) Th©n ®ª Th©n ®ª 1 TÇng phñ ch¾n n­íc chèng thÊm a) a) TÇng phñ ch¾n n­íc chèng thÊm b) b) Hình Sơ hoạ trình phá huỷ thấm đê a) Trước hình thành cửa sổ bục đất b) Sau hình thành cửa sổ bục đất Dòng thấm nhanh chóng tập trung qua cửa sổ bục đất, động lực dòng thấm làm phá vỡ mối liên kết kiến trúc hạt cát (nếu có) đùn đẩy cát thoát qua cửa sổ tạo thành khoảng rỗng xung quanh cửa sổ làm sập lớp đất phủ bảo vệ phía Quá trình lan nhanh theo chiều từ cửa sổ bục đất đến chân đê (theo chiều gia tăng áp lực dòng thấm) Khi trình lan đến chân đê đê bị sập vỡ đê xảy chốc lát Đê Vân Cốc (Sơn Tây) bị vỡ mùa lũ năm 1986 theo chế (hình 4, 5) Khu vực cửa sổ bục đất Hình Hình ảnh phá huỷ thấm đê Vân Cốc – Hà Tây (1986) Hình Hình ảnh vỡ đê Vân Cốc – Hà Tây (1986) Nếu tầng phủ chắn nước phía hạ lưu bị chọc thủng sẵn đào giếng, đào ao … trình phá huỷ thấm đê có sẵn miền thoát phát triển thuận lợi (hình 6) Đê Vị trí giếng đào Hình Phá huỷ thấm đê trình đùn đẩy cát qua giếng đào, làm sập tầng phủ chống thấm phá huỷ nhà Như vậy, trình phá huỷ hệ thống đê phá huỷ thấm từ đê xếp theo thứ tự sau: Gia tăng áp lực dòng thấm phía hạ lưu đê  thẩm lậu đê  bục đất  tập trung phát triển dòng thấm qua cửa sổ bục đất  hoá lỏng - cát chảy - đùn đất qua cửa sổ bục đất  tập trung phát triển dòng bùn cát qua cửa sổ bục đất  lún sập tầng phủ chống thấm phát triển từ cửa sổ bục đất tới chân đê  sập đê - vỡ đê Với hai kịch phá huỷ đê trên, giải pháp bảo vệ đê tập trung vào gia cố thân đê (đảm bảo đê không bị nứt) đê (không phát triển trình biến dạng thấm) Định hướng giải pháp bảo vệ đê 4.1 Các giải pháp bảo vệ thân đê  Sử dụng hợp lý hệ thống đê làm đường giao thông tải trọng lớn: cần phải có phân loại đê theo đặc điểm nhạy cảm với tải trọng tác động làm sở cho việc lựa chọn tuyến đê phép sử dụng làm đường giao thông, hạn chế sử dụng tuyến đê làm đường giao thông không sử dụng tuyến đê làm đường giao thông có tải trọng lớn  Khoan thân đê: chủ yếu khoan đất sét chèn lấp khe nứt thân đê  Trồng cỏ phủ kín mái đê: để tăng cường mức độ ổn định chế độ nhiệt ẩm đất thân đê, giảm khả phát triển khe nứt co ngót mái thân đê 4.2 Các giải pháp bảo vệ đê  Xác định hành lang bảo vệ đê: hành lang bảo vệ đê phải tính toán cụ thể cho đoạn đê, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên khả tạo áp lực dòng thấm phía hạ lưu đê Trong phạm vi hành lang bảo vệ đê không phép đào giếng hoạt động khai đào khác làm thủng tầng chắn nước  Gia tăng chiều dày tầng phủ: phụ thuộc vào áp lực dòng thấm phía hạ lưu đê, đặc điểm độ bền biến dạng vật liệu đất lớp phủ để tính toán chiều dày tối ưu cho tầng phủ phía hạ lưu đê {4}  Sử dụng giếng giảm áp phía hạ lưu đê: biện pháp chủ động làm giảm áp lực nước phía hạ lưu đê, nhiên kỹ thuật xây dựng giếng giảm áp phải đảm bảo không để xảy trình hoá lỏng- cát chảy- đùn đất qua giếng giảm áp  Khoan tạo tường chống thấm đê: biện pháp đẩy dòng thấm xa hơn, giảm áp lực dòng thấm vùng lân cận chân đê phía hạ lưu Kết luận  Hệ thống đê sông đồng Bắc Bộ liên tục bị đe doạ trình phá huỷ thân đê thời gian mưa lũ heo hai kịch sau: a Hình thành hệ thống khe nứt thân đê  thấm qua thân đê theo hệ thống khe nứt  xũng ướt mái đê  sạt trượt mái đê  vỡ đê b Gia tăng áp lực dòng thấm phía hạ lưu đê  thẩm lậu đê  bục đất  tập trung phát triển dòng thấm qua cửa sổ bục đất  hoá lỏng - cát chảy - đùn đất  tập trung dòng bùn cát qua cửa sổ bục đất phá sập tầng chắn nước phát triển từ cửa sổ bục đất đến chân đê  sập đê - vỡ đê  Các biện pháp bảo vệ hệ thống đê thiết kế, tính toán phù hợp với đoạn đê tương ứng với kịch phá huỷ đê bao gồm: a Sử dụng hệ thống đê làm đường giao thông cách hợp lý, trồng cỏ phủ kín mái đê, khoan thân đê b Xác định hành lang bảo vệ đê, gia tăng chiều dày tầng phủ, sử dụng giếng giảm áp, khoan tạo tường chống thấm TÀI LIỆU THAM KHẢO Báo cáo trạng nứt nẻ đê Gia Lương (Hà Bắc) Viện Địa chất- Viện Khoa học Việt Nam, 1984 Báo cáo đặc điểm điều kiện ĐCCT tượng nứt đê Thanh Trì, Hà Nội Trường Đại học Mỏ- Địa chất, 1987 TRẦN MẠNH LIỂU, ĐOÀN THẾ TƯỜNG Hệ thống Địa kỹ thuật đê sông đồng Bắc Bộ vấn đề ổn định, điều khiển hệ thống Địa- Kỹ thuật đê sông Báo cáo Hội nghị Địa chất công trình Môi trường toàn quốc, Hà Nội, tháng 4/2005 TRẦN MẠNH LIỂU, ĐOÀN THẾ TƯỜNG Một số sở nghiên cứu đánh giá trình địa thuỷ địa phát triển hệ thống Địa – Kỹ thuật đê sông đồng Bắc Bộ Tạp chí Khoa học Công nghệ xây dựng số 4/2005 TRẦN MẠNH LIỂU nnk Nguyên nhân nứt đê Nghi Tàm - Yên Phụ Báo cáo khoa học, lưu Viện Địa Chất, Viện Khoa học Công Nghệ Việt Nam, 1995 TRẦN MẠNH LIỂU nnk Nguyên nhân sủi hồ Tây, hồ Trúc Bạch mùa lũ năm 1986 Báo cáo khoa học, lưu Viện Địa Chất, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, 1987 TRẦN MẠNH LIỂU nnk Nguyên nhân cố đê Sen Chiểu- Phúc Thọ mùa lũ năm 1986 Báo cáo khoa học, lưu Viện Địa Chất, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, 1986 PHẠM HỮU SY Sự phá huỷ đê thấm công tác bảo vệ đê Tạp chí Địa Kỹ thuật, số 1/1999  ... trình địa thuỷ địa phát triển hệ thống Địa – Kỹ thuật đê sông đồng Bắc Bộ Tạp chí Khoa học Công nghệ xây dựng số 4/2005 TRẦN MẠNH LIỂU nnk Nguyên nhân nứt đê Nghi Tàm - Yên Phụ Báo cáo khoa học, lưu... đoạn phá huỷ đê từ thân đê xếp sau: Hình thành khe nứt thân đê (do lún, co ngót)  thấm qua thân đê theo hệ thống khe nứt  sũng ướt mái đê  sạt trượt mái đê  vỡ đê Hư hỏng hệ thống đê phá huỷ. . .đê, đặc biệt nguy hiểm khe nứt cắt ngang đê từ thượng lưu xuống hạ lưu Đó đường thông nước chủ yếu qua thân đê thời gian mưa lũ 2.2 Hệ thống khe nứt co ngót thân đê Hệ thống khe nứt co ngót phát