Nghiên cứu đánh giá ổn định và đề xuất các giải pháp xử lý ổn định nền của đê tả sông mã tỉnh thanh hóa

12 1.4 Khái quát về điều kiện địa hình – địa mạo, điều kiện cấu trúc địa chất, chế độ thủy văn; điều kiện địa chất thủy văn và các sự cố về đê điều khu vực nghiên cứu .... Để đánh giá đú

Trang 1

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Hà Nội, ngày 10 tháng 6 năm 2020

Tác giả luận văn

Kim Duy Anh

Trang 2

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Văn Dũng người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện

tốt nhất giúp tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô bộ môn Kỹ thuật Công trình, các thầy cô ở khoa Kỹ thuật Công nghệ, Phòng Sau Đại học, Trường Đại Hồng Đức đã trang bị tri thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian qua

Sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn cơ quan, gia đình và bạn bè đã luôn động viên, tạo điều kiện về thời gian cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Thanh Hóa, tháng 6 năm 2020

Tác giả

Kim Duy Anh

Trang 3

iii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

4 Nội dung nghiên cứu 3

Kết luận và kiến nghị 5

CHƯƠNG 1 HIỆN TRẠNG ĐÊ BẮC BỘ VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 6 1.1 Lịch sử, hiện trạng đê điều khu vực nghiên cứu 6

1.1.1 Lịch sử đê điều nước ta 6

1.1.2 Hiện trạng tuyến đê khu vực nghiên cứu 6

1.2 Các nguyên nhân gây mất ổn định đến điều kiện làm việc bình thường của đê 9

1.3 Khái quát về các vấn đề sự cố gây hư hỏng công trình thủy lợi nói chung và đê nói riêng 11

1.3.1 Khái quát về sự cố gây gây hư hỏng công trình thủy lợi 11

1.3.2 Sự cố đối với đê 12

1.4 Khái quát về điều kiện địa hình – địa mạo, điều kiện cấu trúc địa chất, chế độ thủy văn; điều kiện địa chất thủy văn và các sự cố về đê điều khu vực nghiên cứu 12

1.4.1 Điều kiện địa hình, địa mạo 12

1.4.2 Điều kiện cấu trúc địa chất, địa chất thủy văn 14

1.4.3 Đặc điểm khí tượng thủy văn 15

1.4.4 Các sự cố về đê điều khu vực nghiên cứu 16

1.5 Phân chia nền đê khu vực nghiên cứu theo các dạng mô hình nền khác nhau 18

1.5.1 Đặc điểm môi trường địa chất 18

1.5.2 Phân chia nền đê theo các dạng mô hình nền khác nhau 20

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THẤM 23

2.1 Lịch sử phát triển của nghiên cứu về thấm 23

2.2 Môi trường thấm và nguyên nhân gây ra thấm 24

2.2.1 Môi trường thấm 24

2.2.2 Nguyên nhân gây thấm 25

2.3 Phân loại dòng thấm và các định luật thấm cơ bản 25

2.3.1 Phân loại dòng thấm 25

2.3.2 Các định luật thấm cơ bản 26

2.4 Các phương pháp giải bài toán thấm bằng lý thuyết cổ điển 28

2.4.1 Phương pháp cơ học chất lỏng 28

2.4.2 Phương pháp thủy lực 29

2.4.3 Phương pháp thực nghiệm 29

2.4.4 Phương pháp số 29

2.5 Giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 30

2.5.1 Trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH [1] 30

2.5.2 Giải bài toán thấm bằng phương pháp PTHH [1] 32

Trang 4

iv

2.6 Tổng quan về các phương pháp tính ổn định mái dốc 39

2.6.1 Cơ sở các phương pháp tính ổn định trượt mái [1] 39

2.6.2 Một số phương pháp tính ổn định mái theo phương pháp mặt trượt39 2.7 Lựa chọn phần mềm tính toán ổn định mái dốc 44

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ĐÊ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 45

3.1 Phân tích ổn định đê mô hình nền dạng I 45

3.1.1 Mặt cắt ngang địa chất đại diện tính toán 45

3.1.2 Xác định các hệ số an toàn 45

3.1.3 Các trường hợp tính toán 45

3.1.4 Điều kiện biên của bài toán 46

3.1.5 Các chỉ tiêu cơ lý địa chất 47

3.1.6 Kết quả tính toán 47

3.2 Phân tích ổn định đê mô hình nền dạng II 52

3.2.5 Các chỉ tiêu cơ lý địa chất 54

3.3 Phân tích ổn định đê mô hình nền dạng III 59

3.4 Phân tích ổn định đê mô hình nền dạng IV 66

3.5 Đề xuất các giải pháp xử lý ổn định nền đê 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

Trang 5

Jđ: Gradien thủy lực thấm của thân đê

[J]: Gradien thủy lực thấm cho phép của thân đê Q: Lưu lượng thấm

K: Hệ số ổn định

[K]: Hệ số ổn định cho phép

f: Cường độ chống cắt

c: Lực dính đơn vị tại đáy thỏi thứ i

: Góc ma sát trong của đất tại đáy thỏi thứ i

2 Danh mục các chữ viết tắt

CBGH: Cân bằng giới hạn

Trang 6

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các tổ hợp tải trọng tính toán 46

Bảng 3.2 Bảng tổng chỉ tiêu cơ lý phục vụ tính toán 47

Bảng 3.3 Hệ số ổn định Kminmin ứng với các trường hợp tính toán… 51

Bảng 3.4 Trị số Gradient thấm J ứng với trường hợp tính toán 52

Bảng 3.7 Hệ số ổn định Kminmin ứng với các trường hợp tính toán 59

Bảng 3.11 Hệ số ổn định Kminmin ứng với các trường hợp tính toán 66

Bảng 3.15 Sơ đồ tính toán thấm qua đê MH IV (trường hợp 1) 73

Bảng 3.16 Kết quả tính toán thấm qua đê MH IV (trường hợp 1) 73

Trang 7

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sạt trượt mái kè đê tả sông Mã đoạn từ cầu Hàm Rồng đến K27+500 17

Hình 1.2 Sạt trượt mái đê tả sông Mã đoạn từ K23+750 đến K24+130 17

Hình 1.3 Hiện tượng sụt lún, nứt mái đê tả sông Mã , huyện Vĩnh Lộc 18

Hình 1.4 Mô hình nền dạng I (MH I) 18

Hình 1.9 Mô hình nền dạng II (MH II) 21

Hình 1.10 Mô hình nền dạng III (MH III) 22

Hình 1.11 Mô hình nền dạng IV (MH IV) 22

Hình 2.1 Minh họa mặt hàm xấp xỉ H của phần tử 31

Hình 2.2 Sơ đồ thấm qua đập 33

Hình 2.3 Sơ đồ tính toán ổn định mái dốc theo phương pháp mặt trượt 40

Hình 3.1 Mặt cắt ngang địa chất đê tính toán mô hình nền dạng I 45

Hình 3.2 Sơ đồ tính toán thấm qua đê MH I (trường hợp 1) 47

Hình 3.3 Kết quả tính toán thấm qua đê MH I (trường hợp 1) 48

Hình 3.4 Kết quả tính toán ổn định mái đê MH I (trường hợp 1) 48

Hình 3.14 Mặt cắt ngang địa chất đê tính toán mô hình nền dạng II 52

Hình 3.15 Sơ đồ tính toán thấm qua đê MH II (trường hợp 1) 55

Hình 3.16 Kết quả tính toán thấm qua đê MH II (trường hợp 1) 55

Trang 8

viii

Hình 3.17 Kết quả tính toán ổn định mái đê MH II (trường hợp 1) 55

Hình 3.27 Mặt cắt ngang địa chất đê mô hình nền dạng III 59

Hình 3.28 Sơ đồ tính toán thấm qua đê MH III (trường hợp 1) 62

Hình 3.29 Kết quả tính toán thấm qua đê MH III (trường hợp 1) 62

Hình 3.30 Kết quả tính toán ổn định mái đê MH III (trường hợp 1) 62

Hình 3.40 Mặt cắt ngang địa chất đê mô hình nền dạng IV 66

Hình 3.41 Sơ đồ tính toán thấm qua đê MH IV (trường hợp 1) 69

Hình 3.42 Kết quả tính toán thấm qua đê MH IV (trường hợp 1) 69

Hình 3.43 Kết quả tính toán ổn định mái đê MH IV (trường hợp 1) 6969

Trang 9

ix

Trang 10

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đến nay Việt Nam có gần 8.000 km đê, trong đó gần 6.000 km đê sông

và 2.000 km đê biển Riêng đê sông chính có 3.000 km, đê biển quan trọng có 1.000 km, có gần 600 kè các loại và 3.000 cống dưới đê Ngoài ra còn có

5000 km bờ bao chống lũ sớm, ngăn mặn ở đồng bằng sông Cửu Long Riêng

hệ thống sông Hồng trong đồng bằng Bắc Bộ có 3.000 km đê sông và 1.500

km đê biển [12]

Đặc điểm của quá trình hình thành các tuyến đê ở đồng bằng và trung du Bắc bộ trong buổi đầu sơ khai là quá trình tự phát do nhân dân làm với trình

độ nhận thức và công cụ lao động lúc đó rất thô sơ Vấn đề chọn tuyến và xử

lý nền chỉ được giải quyết hết sức đơn giản Sau này một số tuyến đê bị vỡ khi có lũ lớn hoặc một số nơi có sự đổi dòng hoặc phát triển thêm, việc lực chọn tuyến mới được chú ý đầy đủ đến các điệu kiện kỹ thuật Qua các thời

kỳ phát triển khác nhau, việc xây dựng và tu bổ đê điều cũng được nhìn nhận một cách khác nhau phù hợp với trình độ phát triển của xã hội Xã hội càng phát triển thì hệ thống đê cũng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự phát triển biền vững của xã hội

Với thực trạng hệ thống đê điều hiện có, việc đánh giá đúng thực tế làm việc là một việc làm cấp thiết, từ đó mới có được đánh giá đúng mức và phù hợp cho công tác thiết kế, tu bổ, quản lý đê điều cũng như tham mưu chỉ đạo trong công tác hộ đê phòng lụt

Để đánh giá đúng thực tế điều kiện làm việc của các tuyến đê hiện có, phải đánh giá được sự ổn định tuyến đê; từ đó đề xuất các giải pháp xử lý biến dạng thấm của các tuyến đê nhằm làm cho đê an toàn và kinh tế trong mùa mưa lũ

Vì vậy để đảm bảo hệ thống đê làm việc ổn định, bền vững lâu dài, cũng như việc nâng cao hiệu quả của công tác tu bổ đê điều thì việc lựa chọn biện pháp xử lý hiệu quả là vấn đề quan trọng đã và đang được nghiên cứu Một

Trang 11

Thanh Hóa là một tỉnh có hệ thống sông ngòi tương đối lớn và dày, do

đó hệ thống đê bảo vệ cũng rất lớn Với tổng số 1.008 km đê, trong đó đê từ cấp I đến cấp III là 292 km (đê cấp I: 64,5 km; đê cấp II: 151,1 km; đê cấp III: 76,4 km); Có 96 công trình kè bảo vệ 53.724m đê (trong đó có 192 mỏ hàn)

và 232 cống dưới đê [9]

Do quá trình hình thành hệ thống đê ở miền Bắc nói chung, các tuyến đê

ở Thanh Hóa được đắp qua nhiều thời kỳ, bằng các loại đất khác nhau, kỹ thuật thi công cũng khác nhau, do đó đặc điểm cơ bản về chất lượng là đê không đồng nhất và không đồng chất, chất lượng đê xấu Nhiều ao hồ sát chân

đê nhưng chưa được lấp, thường xảy ra sủi khi có lũ lớn

Sông Mã là một con sông của Việt Nam và Lào có chiều dài 512km, trong đó phần trên lãnh thổ Việt Nam dài 410km và phần trên lãnh thổ Lào dài 102 km Tuyến đê tả sông Mã dài 65km, từ chân núi Eo Lê xã Vĩnh Quang huyện Vĩnh Lộc đi qua các huyện Thiệu Hóa, thành phố Thanh Hóa đến giáp đê biển xã Hoằng Phụ huyện Hoằng Hóa Tuyến đê tả sông Mã là đoạn đê phức tạp, trải qua nhiều năm xuất hiện nhiều hiện tượng rò rỉ, thẩm lậu,sạt lở, lún sụt, thấm khác nhau Một số vị trí nước chảy xiết, mặt thoáng rộng thường xuyên chịu ảnh hưởng của sóng vỗ và do địa chất nền và thân đê rất xấu nên hàng năm vào mùa mưa lũ tuyến đê thường xảy ra nứt, sạt mái đê,

kè, xuất hiện nhiều hố sụt, rãnh xói [4]

Trong lịch sử, tuyến đê tả sông Mã đã xảy ra nhiều sự cố về công trình dẫn đến thảm họa vỡ đê gây thiệt hại rất nghiêm trọng về người và của, để lại những hậu quả lâu dài về môi trường sinh thái Nghiên cứu, đánh giá ổn định

đê là một trong những nội dung rất quan trọng bởi nó liên quan đến sự an toàn

Trang 12

3

của công trình và là nguyên nhân trực tiếp hoặc là tiền đề dẫn đến sự cố các công trình đê điều Nhà nước cũng đã quan tâm đầu tư xử lý, song đến nay, vấn đề ổn định thấm nền đê tả sông Mã vẫn chưa được nghiên cứu, giải quyết triệt để Vì vậy, việc nghiên cứu và đánh giá ổn định đê tả sông Mã để đề ra các giải pháp bảo vệ đê là một trong những vấn đề cấp thiết có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu đánh giá ổn định của nền đê tả sông Mã tỉnh Thanh Hóa Trên cơ sở đó đề xuất các giải pháp xử lý biến dạng thấm phù hợp đảm bảo về

kinh tế, kỹ thuật

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Đê tả sông Mã ThanhHóa

- Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá ổn định và biến dạng thấm của đê

4 Nội dung nghiên cứu

- Thu thập và tổng hợp các tài liệu đã có trong khu vực nghiên cứu: như điều kiện về địa hình, địa mạo, địa tầng, tính chất vật lý cơ học của các tầng đất đá dưới nền và thân đê Các điều kiện địa chất thuỷ văn, dân sinh kinh tế, cũng như các kết quả ghi nhận về các sự cố đã xảy ra đối với đoạn đê cần nghiên cứu Trên cơ sở đó đánh giá sơ bộ về điều kiện làm việc của đê cũng như dự đoán các sự cố có thể xảy ra về mùa mưa lũ

- Sử dụng các phần mềm tính toán hiện đại để mô phỏng bài toán nghiên cứu

- Mô hình hoá sự chuyển động của nước dưới đất, áp lực thấm, vận tốc thấm, gradient thấm theo phương pháp phần tử hữu hạn

- Tổng hợp đánh giá các kết quả nghiên cứu, trên cơ sở đó đề ra các giải pháp xử lý biến dạng thấm của đê

5 Phương pháp nghiên cứu

Trang 13

4

- Phương pháp thu thập thông tin: Thu thập từ các đề tài, dự án liên

quan đến xử lý thấm cũng như từ mạng Internet và các nguồn khác

- Phương pháp nghiên cứu trên mô hình toán: Sử dụng phần mềm

GEO-SLOPE trong phân tích ổn định đê

6 Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn được chia thành các chương mục như sau:

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Nội dung nghiên cứu

5 Phương pháp nghiên cứu

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Chương 1: Hiện trạng đê Bắc bộ và khu vực nghiên cứu

1.1 Lịch sử, hiện trạng đê điều khu vực nghiên cứu

1.2 Các nguyên nhân gây mất ổn định đến điều kiện làm việc bình

thường của đê

1.3 Một số nguyên nhân gây hư hỏng công trình thủy lợi nói chung và

đê, đập nói riêng

1.4 Điều kiện địa hình – địa mạo, điều kiện cấu trúc địa chất, địa chất thủy văn và chế độ thủy văn

1.5 Phân chia nền đê khu vực nghiên cứu theo các dạng mô hình nền khác nhau

Chương 2 Cơ sở lý thuyết thấm

2.1 Lịch sử phát triển của nghiên cứu về thấm

2.2 Môi trường thấm và nguyên nhân gây ra thấm

2.3 Phân loại dòng thấm và các định luật thấm cơ bản

2.4 Các phương pháp giải bài toán thấm bằng lý thuyết cổ điển

2.5 Giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Trang 14

5

2.6 Tổng quan về các phương pháp tính ổn định mái dốc

2.7 Lựa chọn phần mềm tính toán ổn định mái dốc

Chương 3 Tính toán ổn định đê và đề xuất các giải pháp xử lý ổn định nền đê khu vực nghiên cứu

3.1 Phân tích ổn định đê mô hình nền dạng I

3.2 Phân tích ổn định đê mô hình nền dạng II

3.3 Phân tích ổn định đê mô hình nền dạng III

3.4 Phân tích ổn định đê mô hình nền dạng IV

3.5 Đề xuất các giải pháp xử lý ổn định nền đê

Kết luận và kiến nghị

Trang 15

6

CHƯƠNG 1 HIỆN TRẠNG ĐÊ BẮC BỘ VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Lịch sử, hiện trạng đê điều khu vực nghiên cứu

1.1.1 Lịch sử đê điều nước ta

Hệ thống đê ở Việt Nam được hình thành từ những năm đầu Công nguyên Thời kỳ mới hình thành chỉ là những bờ nhỏ, thấp có tác dụng bảo vệ từng khu vực canh tác ven sông, càng về sau càng được củng cố vững chắc hơn để chống với mức nước lũ cao hơn Mãi đến năm 1204 công cuộc đắp đê mới được triển khai trên qui mô lớn, nối các tuyến đê nhỏ thành từng hệ thống khép kín từ thượng lưu nguồn ra tới cửa biển Các tuyến đê sông được hình thành từ rất sớm, mang tính tự phát, ở thời kỳ khoa học kỹ thuật thuỷ lợi chưa phát triển nên nhiều đoạn đê hiện nay thấy không hợp lý như: đê đi qua các vùng có địa hình phức tạp, khoảng cách giữa hai tuyến đê qúa rộng hoặc là hẹp quá Trải qua các trận lũ lớn, đê đã nhiều lần được tôn cao, mở rộng Do

đê được bồi trúc qua nhiều giai đoạn, bằng nhiều loại đất khác nhau, trình độ

và chất lượng thi công khác nhau nên chất lượng giữa các đoạn đê trong một tuyến không đồng đều [12]

Phần lớn địa chất nền các tuyến đê chưa được khảo sát, thăm dò nên chưa có đủ các dữ liệu để phân tích, đánh giá đầy đủ về độ bền thấm và sức chịu tải Căn cứ vào quá trình diễn biến qua nhiều năm thấy có trên 200km đê sông thuộc loại nền xấu [8] Mức chênh lệch đầu nước càng cao, thời gian duy trì lũ càng dài thì sự cố xẩy ra càng nhiều, càng nghiêm trọng Việc đắp đê trước đây chủ yếu sử dụng sức người, bằng công cụ thô sơ nên thường đào đất

ở ngay gần hai chân đê tạo ra địa hình rất bất lợi cho sự ổn định của đê Ước tính có khoảng 1500 ha diện tích ao, đầm sát chân đê, nếu muốn lấp đi thì cần hàng chục triệu mét khối đất với kinh phí đầu tư rất lớn [10]

1.1.2 Hiện trạng tuyến đê khu vực nghiên cứu

Tuyến đê tả sông Mã dài 65km, từ chân núi Eo Lê xã Vĩnh Quang huyện Vĩnh Lộc đến giáp đê biển xã Hoằng Phụ huyện Hoằng Hóa [9] Trong đó:

Trang 16

b) Về cơ đê: Có 9 đoạn dài 5.919m đê đã có cơ: (K3+500 – K3+800;

K8+448 – K8+618; K23 – K23+700; K26+061 – K27+760; K31+600 – K31+750; K32+600 – K33; K34+500 – K36+000; K36+600 – K37+200 và K38+600 – K39+000) Còn lại 4 đoạn đê cao trên 5m nhưng chưa có cơ: K26+00 – K27+000; K41+00 – K42+00; K43+00 – K44+00; K47+00 – K48+00 dài 4000m

c) Về cứng hóa mặt đê: Có 53.023m mặt đê đã được cứng hóa, trong đó:

06 đoạn dài 11.668m mặt đê được cứng hóa bằng bê tông, 4 đoạn dài 12.693m mặt đê được trải nhựa bán thâm nhập Còn lại 7 đoạn dài 11.977m, mặt đê chưa được cứng hóa, đây là các đoạn đê có chiều rộng mặt nhỏ chưa

có điều kiện tu bổ nâng cấp và không phải là tuyến giao thông chính

1.1.2.2 Về chất lượng thân đê, nền đê

Qua các năm lũ lớn trước đây, trên toàn tuyến đã xảy ra 6 điểm rò rỉ, thẩm lậu và 11 vị trí mạch đùn, mạch sủi đã được đắp mở rộng mặt cắt, khoan phụt vữa, đắp cơ hoặc đắp lấp ao hồ phía đồng Đợt lũ tháng 10/2007, không xảy ra thẩm lậu, rò rỉ ở mái đê, nhưng xuất hiện sủi ở 7 vị trí, trong đó có 4 vị trí sủi nước đục đã được xử lý làm lọc; năm 2008 đang tiến hành khoan phụt vữa gia cố đê, đắp cơ và lấp ao hồ sát chân đê đoạn K33+300 – K36+400

1.1.2.3 Về sạt trượt, đê sát sông và kè

Trang 17

8

Trên toàn tuyến có 16 đoạn đê sát sông với chiều dài 11.965m, trong đó

đã có kè bảo vệ 16 đoạn với chiều dài 11.197m Ngoài ra còn có 2 kè bảo vệ bãi sông bị sạt lở dài 2.753m và 6 đoạn kè vùng cửa sông dài 6.211m thuộc huyện Hoằng Hóa

Những đoạn đê sau đây có nguy cơ sạt lở cao:

- Kè Vĩnh Yên từ K2+950 – K3+998 gồm 8 mỏ hàn và 390m lát mái có lăng thể tựa Hiện tại, đoạn kè lát mái từ K3+600 – K3 +625 (khoảng giữa mỏ

số 4 – số 5) bị xói hẫng chân với kích thước (dài 25m, rộng 2m, sâu 1,2m), lăng thể tựa tại đoạn này đã bị sạt, sập

- Tuyến đê ừ K23-K28 thuộc xã Vĩnh An, huyện Vĩnh Lộc dài 5000m, trong đó có 2 đoạn đê sát sông gồm đoạn (K23+375 – K23+897, L = 522m)

và đoạn (K25+957 – K27+587, L=1630m) Do vị trí ở ngã ba sông (sông Mã

và sông Lèn), nước chảy xiết, mặt thoáng rộng thường xuyên chịu ảnh hưởng của sóng vỗ và do địa chất nền và thân đê rất xâu nên hàng năm tuyến đê đã

bị sạt lở nghiêm trọng và đã được nhà nước quan tâm đầu tư xử lý, xây dựng được 11 kè mỏ hàn, 1362m kè lát mái bảo vệ cho 1769m đê và đắp hoàn chỉnh mặt cắt đê từ K23 – K28 Do đặc điểm của tuyến đê như nêu trên, hiện trên tuyến còn 1 đoạn đê sát sông chưa được kè bảo vệ (K23+494 – K26+467,

L = 403m) và đoạn giữa 2 mỏ hàn (K26+420 – K26+467, L=47m) vẫn đang

bị sạt lở Huyện Vĩnh Lộc tiếp tục xây dựng phương án trọng điểm bảo vệ tuyến đê này

- Đoạn K37+600 – K38+100: là đoạn đê sát sông thuộc xã Hoằng Hợp

đã có hệ thống kè mỏ hàn bảo vệ Mùa lũ năm 2007, khi mực nước lũ trên báo động 2, tại K37+750 mái đê phía sông bị sạt dài 15m; tại K38+060 mái đê phía đồng bị sạt dài 50m

- Đoạn K44+706 – K45+451 là đoạn đê thuộc xã Hoằng Long, huyện Hoằng Hóa đê đi qua khu vực dân cư, nhà dân ở trên mái đê phía sông Trong các năm có lũ lớn (năm 1996 và 2005) mái đê phía sông bị sạt nhiều đoạn chưa được xử lý

Trang 18

9

- Kè Đồng Lộng (K52+860 – K53+150): đê sát sông thuộc xã Hoằng Tân Đây là khu vực gần cửa sông, mặt thoáng rộng, thường xuyên chịu ảnh hưởng của thủy triều và sóng gió lớn Do xây dựng từ thời bao cấp, chất lượng kè xấu nên đá mái và chân kè bị tụt, sạt , lốc lở hư hỏng nặng Mặt khác mặt cắt đê tại kè nhỏ, vị trí đê lại xa làng xóm, giao thông đi lại khó khăn, chủ yếu đi trên đê nên rất bất lợi trong mùa lũ lụt, bão nếu sự cố xảy ra

1.2 Các nguyên nhân gây mất ổn định đến điều kiện làm việc bình thường của đê

Do các đặc điểm về quá trình hình thành, về địa hình, địa chất, về vật liệu dùng để đắp đê, về kỹ thuật thi công, sự phá hoại của sinh vật và sự hoạt động kinh tế của con người, tác động của mưa, nắng, lũ, bão chi phối nên đê thường xuyên có những diễn biến, hư hỏng Mức nước sông càng cao, thời gian duy trì đỉnh lũ càng dài, số sự cố càng nhiều, mức độ hư hỏng càng nặng Những hư hỏng thường xảy ra là [7]:

- Thấm mạnh qua thân đê với điểm ra của đường bão hoà ở khá cao, cá biệt có nơi đường bão hoà gần như không có độ hạ thấp từ thượng lưu về hạ lưu

- Đê không chỉ sạt thành các cung nhỏ mà có khi đê sạt dài hàng trăm mét

- Khi xảy ra chênh lệch đầu nước giữa sông và đồng từ 2 đến 3 mét thì hiện tượng xói ngầm nền đê xảy ra nhiều nơi biểu hiện thành mạch sủi, bãi sủi nước đục Hiện tượng sủi thường xảy ra trong các ao, giếng ven đê và ở các khu vực mà tầng phủ không đủ độ dày để thắng áp lực thấm

- Ở những nơi nền đê là cát chảy, cát bụi thì hiện tượng xói ngầm nền đê diễn ra rất nhanh, rất nguy hiểm, thậm chí gây vỡ đê

- Những đoạn nền đê mềm yếu thường gây ra các hậu quả lún, nứt tạo thành những cung trượt sâu

- Trong các đợt lũ có mực nước sông cao từ báo động số III trở lên thường xảy ra hiện tượng sập tổ mối đột ngột Nếu không phát hiện và xử lý

Trang 19

10

kịp thời cũng dễ xảy ra vỡ đê

- Những năm gần đây đã xảy ra nhiều hiện tượng nứt đê trên tuyến Hiện tượng sạt lở ven đe sông Mã xuất hiện từ năm 2003, chủ yếu vào mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 9, nhưng tình trạng sạt lở nhẹ, đa phần thuộc diện tích sản xuất nông nghiệp nên không gây nguy hiểm cho đê Tuy nhiên sau cơn bão số

5 với lượng mưa kéo dài vào cuối tháng 9, đầu tháng 10 tại K3+318 – K3+353 đê tả sông Mã xảy ra tình trạng nứt dọc mái đê, xuất hiện các vết nứt dài, rộng và ăn sâu vào lòng đê gây sạt lở nghiêm trọng Khi nước sông dâng cao, đập mạnh vào thân đê, mái đê khiến hàng trăm mét khối đất đá ở mái đê theo nước rơi xuống sông

Không phải hiện tượng này chỉ xảy ra đối với đê đắp bằng phương pháp thi công cơ giới mà ngay cả đối với đê thi công bằng thủ công; không phải chỉ xảy ra đối với đê mới đắp mà ngay cả đê đã đắp từ hàng mấy chục năm nay

- Hiện tượng thấm tập trung hai bên mang cống đã dẫn đến hậu quả vỡ

đê ngay khi mực nước sông ở mức báo động số I Cống bị lún không đều, bị nứt ngay thân và cả móng cống xảy ra ở nhiều nơi, cánh cống bị bục khi lũ đang lên cao và rất nhiều cống bị hư hỏng khớp nối gây ra hiện tượng sủi ngay trong lòng cống cũng là hiện tượng khá phổ biến

- Dòng chảy biến đổi đột ngột gây ra hiện tượng sạt mái kè, lở bờ sông, sạt gần hết các vùng kè trọng điểm Điển hình là đoạn kè từ K39+350 – K39+425 dài 75m tại vị trí chân cầu Hàm Rồng cũ, thành phố Thanh Hóa đã được tỉnh đầu tư xây dựng và đưa vào sử dụng tháng 4/2011 Tuy nhiên, cho đến nay vẫn xảy ra hiện tượng sụt lún Đây là đoạn lòng sông bị thu hẹp nhiều

do 2 bờ đều có núi đá, đáy sông bị xói rất sâu có chỗ gần đến (-32.00), độ chênh cao từ mặt bãi bờ sông đến đáy sông hơn 35m, lưu vực sông Mã chảy

về đây gần 29.000km2 lại chịu ảnh hưởng lớn của thủy triều nên diễn biến dòng chảy rất phức tạp nhất là về mùa mưa lũ

- Nước ta thuộc vùng nhiệt đới, đê sông ở Việt Nam thường bị chuột và mối phá hoại

Trang 20

11

1.3 Khái quát về các vấn đề sự cố gây hư hỏng công trình thủy lợi nói chung và đê nói riêng

1.3.1 Khái quát về sự cố gây gây hư hỏng công trình thủy lợi

Trước khi tìm hiểu các vấn đề về sự cố hư hỏng đê ta cần quan tâm tới đặc điểm của các công trình thủy lợi Các công trình thủy lợi có những đặc điểm quan trọng sau [7]:

- Cải tạo thiên nhiên, khai thác các mặt lợi và khắc phục các mặt có hại

để phục vụ cho nhu cầu của con người

- Phải thường xuyên đối mặt trực tiếp với sự tàn phá của thiên nhiên, trong đó có sự phá hoại thường xuyên và sự phá hoại bất thường

- Là kết quả tổng hợp và có quan hệ mật thiết về lao động của rất nhiều người trong nhiều lĩnh vực, bao gồm từ công tác quy hoạch, nghiên cứu khoa học, khảo sát, thiết kế, chế tạo, thi công, đến quản lý khai thác, v.v…

- Chưa đựng rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật xây dựng khác nhau

- Vốn đầu tư thường là rất lớn

- Thời gian để ra đời một công trình thủy lợi phải mất nhiều năm, và hàng chục năm đối với công trình lớn Tuổi thọ công trình là hàng chục đến hàng trăm năm tùy theo cấp công trình

Những đặc điểm trên có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của công trình thủy lợi, vì thế nếu để xảy ra kém chất lượng ở bất kỳ khâu nào, trong thời gian nào cũng có thể dẫn tới sự cố lớn hoặc nhỏ Điều đó cũng có nghĩa

là sự cố các công trình thủy lợi thủy lợi có quan hệ mật thiết với những đặc điểm đã nêu trên

Sự cố các công trình thủy lợi có những đặc điểm [7]:

- Do một hoặc nhiều nguyên nhân gây ra, trong đó có khảo sát (địa hình, địa chất công trình, địa chất thủy văn, thủy văn công trình), thiết kế (thủy công, cơ khí, điện), chế tạo lắp đặt, thi công và quản lý khai thác Tuy nhiên thực tế nguyên nhân phổ biến là: Khảo sát, thiết kế, thi công

- Sự cố lớn thường xảy ra đối với các công trình thủy công (đê, đập đất,

Trang 21

12

cống lấy nước, tràn xả lũ )

- Sự cố xảy ra không phải chỉ có ngay sau khi hoàn thành công trình mà thường là sau nhiều năm Tuy nhiên sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra khi gặp lũ cực lớn và trong quá trình thi công

- Những sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra rất đột ngột, trong một thời gian rất ngắn, không kịp ứng phó

- Hậu quả do sự cố gây ra thường là nghiêm trọng, việc xử lý rất tốn kém gây ra tổn thất lớn về tính mạng, tài sản của nhân dân và tài sản quốc gia có ảnh hưởng xấu về kinh tế và tình hình xã hội

1.3.2 Sự cố đối với đê

Sự cố về đê rất nghiêm trọng và không lường hết được hậu quả Đối với

đê, những sự cố và nguyên nhân xảy ra sự cố có nhiều loại như lũ tràn qua đỉnh đê, trượt mái thượng lưu, trượt mái hạ lưu, thấm mạnh hoặc sủi nước mang công trình dưới đê, thấm mạnh hoặc sủi nước trong phạm vi thân đê, nứt ngang đê, nứt dọc đê, [7] Ở đây, nguyên nhân chính tuyến đê tả sông

Mã mất ổn định là do thấm và trượt mái đê

1.4 Khái quát về điều kiện địa hình – địa mạo, điều kiện cấu trúc địa chất, chế độ thủy văn; điều kiện địa chất thủy văn và các sự cố về đê điều khu vực nghiên cứu

1.4.1 Điều kiện địa hình, địa mạo

Địa hình sông Mã rất đa dạng do lưu vực trải rộng từ vùng núi Tây Bắc qua Lào, vùng núi cao của đỉnh Trường Sơn tới vờ vịnh Bắc Bộ Thế dốc chung của lưu vực từ Tây Bắc xuống Đông Nam Địa hình sông Mã nằm ở địa phận tỉnh Thanh Hóa bao gồm[1]:

- Lưu vực sông Bưởi, sông Âm gồm các huyện Tân Lạc, Lạc Sơn, Thạch Thành, Cẩm Thủy, Bá Thước, Lang Chánh, Ngọc Lặc Diện tích dạng địa hình này là 3.305km2 chiếm 11,75% diện tích toàn khu vực.Vùng này chủ yếu

là những đồi núi thấp

Trang 22

13

- Vùng Cẩm Thủy, Bá Thước: Độ dốc địa hình theo hướng Tây Đông

Từ Bá Thước, Cẩm Thủy độ cao biến đổi dần từ 25 – 700m Xen kẽ những dãy đồi núi thấp là những thung lũng dọc sông như thung lũng dọc đường

217 Ngoài hướng nghiêng theo địa hình dốc dần vào lòng chính của sông Mã hoặc các sông nhánh như sông Luồng, sông Lò Xu thế địa hình dốc dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam và hạ thấp dần độ cao xuống Đông Nam

- Vùng đồng bằng ven biển: Hạ du sông Mã từ Cẩm Ngọc, Kim Tân, Bái

Thượng trở ra cửa sông đồng bằng tương đối bằng phẳng độ cao biến đổi từ

20 – 0,5m ở ven biển Hạ du đồng bằng được chia cắt bởi các phân lưu như sông Lèn, sông Tào nên địa hình bị chia cắt thành những tiểu vùng riêng biệt tương đối độc lập với nhau

- Vùng Bắc sông Mã: Vùng này gồm diện tích của các huyện Hà Trung, Nga Sơn, Hoằng Hóa, Hậu Lộc và thị xã Bỉm Sơn Đồng bằng ở đây dốc theo hướng Đông Bắc – Tây Nam.Trong vùng còn xuất hiện các dãy đồi núi thấp ở vùng ven biển Vùng này được chia cắt bởi các phân lưu sông Mã như sông Lèn, sông Tào tạo nên những tiểu vùng riêng biệt

Do sự bồi lắng phù sa của sông Đáy, sông Lạch Trường và sự hoat động của dòng biển đã tạo nên những bãi phù sa ven biển có cao độ từ 0,0 – 0,5m tạo nên vùng đất mới có khả năng phát triển kinh tế cao từ việc trồng cói, nuôi trồng thủy sản, tôm cua

- Tiểu vùng Nam sông Mã – Bắc sông Chu: Đây là vùng chuyển tiếp từ vùng đồi núi thấp sang vùng đồng bằng, có độ dốc nghiêng từ Tây sang Đông

và dốc theo hướng chảy của sông Âm, sông Cầu Chày Cao độ phía cực Tây Bắc của vùng từ 20 – 25m trũng nhất là ven hạ du đê sông Cầu Chày Dạng địa hình này xen kẽ có những đồi bát úp và thung lũng rộng, trũng và sâu

- Tiểu vùng hạ sông Bưởi: Đây là vùng đồi núi thấp của hạ du sông Bưởi

từ Kim Tân tới tả ngạn sông Mã Hướng dốc chính theo chiều Bắc Nam Đồng bằng nơi cao nhất đạt 15-20m, nơi trũng nhất đạt +2,5m Những vùng trũng như Hón Nga, Vĩnh Hùng, Cầu Mủ thường bị ngập úng khi có lũ Dạng

Trang 23

Độ cao trung bình toàn vùng 4 -5m., dải đất cao nhất là dọc theo kênh chính

và kênh tưới cấp I của hệ thống tưới Bái Thượng Ven biển từ Quảng Châu tới Ngọc Trà là dải đất có độ cao 4- 5m Do sự chia cắt của các nhánh sông Yên nên địa hình ở đây tạo nên những mảng trũng như sông Lý, sông Hoàng, sông Nhơm rất dễ bị úng khi có mưa lớn và chịu tác động của lũ sông Chu, sông

Mã và lũ bản thân các sông nội địa

1.4.2 Điều kiện cấu trúc địa chất, địa chất thủy văn

1.4.2.1 Địa chất công trình

Từ thượng nguồn tới Bá Thước, thượng sông Chu tới Cửa Đạt, thượng sông Bưởi tới Vụ Bản Phân bố nham thạch trong các giai đoạn này chủ yếu

là trầm tích lục nguyên Macma xen kẽ đá vôi Đoạn từ Bá Thước tới cửa sông

Mã, từ Vụ Bản tới Vĩnh Khang (sông Bưởi), từ Cửa Đạt tới Bái Thượng (sông Chu) sông có nhiều bãi bồi, tầng đá gốc nằm sâu Đoạn này có thể xem là sự kéo dài của các đoạn trên nhưng đã chìm xuống dưới nếp phủ Tầng phủ ở đây dày 15 – 20m [6]

1.4.2.2 Địa chất thủy văn

- Nước chứa trong khe nứt vỉa và trầm tích lục nguyên Nguồn cấp chủ yếu là nước mưa, lưu lượng từ 0,1 – 1,3 l/s,km2 Độ sâu nước ngầm phụ thuộc vào tầng phong hóa, trầm tích bề mặt Thành phần hóa học chủ yếu là HydroCacbonNatri hay có Sulfas, Natri

- Nước chứa trong khe nứt của đá biến chất chủ yếu là đới chứa nước phong hóa và khe nứt kiến tạo, lưu lượng từ 0,1 – 0,5 l/s,km2 Thành phần hóa

Trang 24

15

học nước thuộc loại HydroCacbonat – Natri – Kali Nguồn cung cấp chủ yếu

là nước mưa [6]

1.4.3 Đặc điểm khí tượng thủy văn

Sông Mã là con sông lớn, bắt nguồn từ tỉnh Sơn La, chảy sang Lào rồi lại trở lại lãnh thổ Việt Nam tại phía Tây Bắc tỉnh Thanh Hoá Sông Mã chảy qua Thanh Hóa qua địa phận Thanh Hoá và đổ ra biển tại Cửa Hới Diện tích lưu vực sông là 28.400 km2 Tổng lượng nước trung bình cả năm khoảng 18

tỷ m3

[1]

Nước mặt: Về mùa khô, nước sông hạ thấp không ảnh hưởng nhiều đến

điều kiện địa chất Về mùa mưa nước sông dâng cao kết hợp với sóng gió gây sạt lở bờ sông

Nước dưới đất: Nước dưới đất trong khu vực phụ thuộc vào mức độ dao

động của nước sông Khi nước sông thấp thì đới bão hoà trong đất giảm, tính

ổn định của đất tăng lên Khi nước sông dâng cao đới bão hoà trong đất tăng lên, với thành phần và trạng thái của đất tại khu vực công trình thì tính ổn định của đất ven bờ là rất thấp

Điều kiện khí tượng: Vùng công trình nghiên cứu mang nhiều đặc điểm

của khí hậu miền Trung, nhưng do vị trí địa lý nằm sát phía Nam đồng bằng Bắc Bộ nên phần nào chịu ảnh hưởng của khí hậu miền Bắc Các nhiễu động thời tiết chuyển dịch từ Bắc vào Nam, sự thay đổi các yếu tố khí hậu theo mùa của vĩ tuyến 1921 đều ảnh hưởng đến khí hậu của vùng này Vì vậy có thể thấy đây là vùng khí hậu nhạy cảm chịu tác động của cả hai chế độ khí hậu Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ, nên thời gian lũ kéo dài hơn ở Bắc Bộ

Nhiệt độ: Nhiệt độ bình quân ngày 23,40

C, mùa hè 28÷290C, mùa đông 18÷200C Tổng lượng nhiệt năm 85900C

Mưa: Lượng mưa bình quân từ năm 1680÷1820mm Số ngày mưa trung bình 176 ngày trong năm và chia thành hai mùa rõ rệt Mùa mưa bắt đầu từ tháng 8 đến tháng 11, lượng mưa chiếm 75÷85% tổng lượng mưa năm Mùa khô bắt đầu từ tháng 1 đến tháng 7, lượng mưa chiếm 20÷25% tổng lượng

Trang 25

16

mưa năm Mưa tiểu mãn trong vùng không thành quy luật và không gây nguy hiểm cho tiêu thoát lũ Các trận mưa lớn gây lũ trong mùa mưa thường kéo dài 3÷5 ngày với lượng mưa 350÷650mm, mỗi năm có từ 3÷4 trận mưa lớn, các trận mưa lớn cách nhau 7÷9 ngày, có năm do bão đổ bộ liên tiếp thì các trận mưa lớn chỉ cách nhau 2÷3 ngày Lượng mưa lớn nhất một ngày có thể đạt tới 350mm

Gió bão: Tốc độ gió trung bình năm từ 1,5 đến 1,9 m/s hướng gió thịnh hành là hướng đông bắc vào mùa đông và hướng đông nam vào mùa hè Hàng năm thường xuất hiện gió Tây Nam từ tháng 5 đến tháng 7 Bão thường xuất hiện cuối tháng 8 đến đầu tháng 10 hàng năm, trung bình mỗi năm có từ 0,75

÷1,2 cơn bão đổ bộ trực tiếp vào vùng dự án

1.4.4 Các sự cố về đê điều khu vực nghiên cứu

Lũ trên hệ thống sông Mã năm nào cũng xảy ra Tùy theo mức độ lũ mà

có năm lũ lớn, có năm lũ nhỏ Lũ lớn trên dòng chính sông Mã là 1927, 1973,

1980, 1996, 2007,2010, 2014 Chu kỳ lũ lớn có mực nước cao là năm 1927 và năm 2007 khoảng 80 năm/lần [9]

Trong những năm gần đây tình hình lũ quét và sạt lở đất xảy ra ngày càng nhiều, diễn biến dòng sông ngày càng phức tạp gây tổn thất nghiêm trọng về người và tài sản, các công trình hạ tầng và môi trường sinh thái Hiện tượng sạt lở ven đê sông Mã xuất hiện từ năm 2003, chủ yếu vào mùa mưa từ tháng

5 đến tháng 9, nhưng tình trạng sạt lở nhẹ, đa phần thuộc diện tích đất sản xuất nông nghiệp, ít ảnh hưởng đến sự an toàn cho đê Trong vòng 10 năm từ năm 1998 tới 2007 gần đây đã xảy ra 4 trận lũ quét, sạt lở đất làm chết 11 người, cuốn trôi 47 ngôi nhà, 76 đập nhỏ làm hư hại nặng các công trình giao thông và cơ sở hạ tầng Tình hình sạt lở bờ và mái đê ngày càng nhiều và diễn biến phức tạp ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt và sự an toàn tính mạng của nhân dân [9]

Một số hình ảnh sự cố của tuyến đê tả sông mã trong những năm gần đây [4]:

Trang 26

17

Hình 1.1 Sạt trƣợt mái kè đê tả sông Mã đoạn từ cầu Hàm Rồng đến K27+500

(xã Hoàng Long, thành phố Thanh Hóa)

Hình 1.2 Sạt trƣợt mái đê tả sông Mã đoạn từ K23+750 đến K24+130 (đoạn

qua xã Vĩnh An, huyện Vĩnh Lộc)

Trang 27

18

Hình 1.3 Hiện tượng sụt lún, nứt mái đê tả sông Mã , huyện Vĩnh Lộc

1.5 Phân chia nền đê khu vực nghiên cứu theo các dạng mô hình nền khác nhau

1.5.1 Đặc điểm môi trường địa chất

Ổn định đê phụ thuộc chủ yếu vào các lớp địa tầng kể từ mặt đất xuống,

do vậy khi phân chia các dạng mô hình nền, theo chiều sâu cần nghiên cứu các lớp địa tầng và chiều dày của lớp địa tầng nằm dưới đê

Căn cứ vào tài liệu địa chất [6], mặt cắt dọc địa chất tuyến đê tả sông Mã như sau:

§ 0.18

0.25 -1.85

Trang 28

Hình 1.7 Cắt dọc địa chất tuyến đê tả sông Mã đoạn từ K28+000 đến

K43+500

Trang 29

20

1.5.2 Phân chia nền đê theo các dạng mô hình nền khác nhau

Từ những đặc điểm nêu trên của môi trường địa chất trong phạm vi nền

đê, có thể chia nền đê với các dạng mô hình nền theo tiêu chí dựa vào sự có mặt hay vắng mặt các lớp địa tầng tốt hay yếu và chiều dày của lớp địa tầng

đó

Trong khuôn khổ luận văn, dựa vào tiêu chí đã nêu, để đơn giản trong

mô hình tính toán tác giả quy địa chất nền tuyến đê tả sông Mã thành các dạng mặt cắt ngang địa chất điển hình, tương ứng với 4 dạng mô hình nền như sau:

1.5.2.1 Mô hình nền dạng I (MH I)

Thân đê là Đất á sét nhẹ – trung, màu xám nâu Trạng thái nửa cứng, kết cấu chặt vừa Ngay dưới lớp đất đắp đê là đất á sét nặng, màu xám vàng, xám nâu Trạng thái nửa cứng - dẻo cứng, kết cấu chặt vừa – chặt Bề dày lớp thay đổi trung bình từ 1m đến 2m Lớp tiếp theo là lớp đất á cát đôi chỗ gặp á sét, màu xám vàng, xám nâu Trạng thái dẻo cứng, kết cấu chặt vừa – chặt Chiều dày trung bình thay đổi từ 4m đến 5m Vị trí thân đê cách mép lòng sông khoảng từ 100m ~ 150m

Mô hình nền dạng 1 được phân bố chủ yếu dọc theo tuyến đê tả sông

Mã đoạn từ K0+000 ~ K23+000 (xã Vĩnh Quang, Vĩnh Yên, Vĩnh Tiến, Vĩnh Thành, Vĩnh Ninh, Vĩnh Khang, Vĩnh Hòa, Vĩnh Hùng, Vĩnh Minh, huyện Vĩnh Lộc);

1.5.2.2 Mô hình nền dạng II (MH II)

Trang 30

21

Thân đê là Đất á sét nhẹ – trung, màu vàng nâu, xám nâu Trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng, kết cấu chặt vừa – chặt Ngay dưới lớp đất đắp đê là lớp số 1 là đất á sét trung nặng màu Trạng thái nửa cứng - dẻo cứng, kết cấu chặt Bề dày lớp thay đổi trung bình từ 0,7m đến 1m Xuất hiện sự có mặt của lớp đất số 4 là loại đất á sét – sét nhẹ lẫn hữu cơ đôi chỗ xen kẹp cát mỏng + vỏ sò màu xám xanh, trạng thái dẻo mềm, kết cấu kém chặt - chặt vừa xen kẹp giữa lớp đất tốt số 1 và lớp đất tốt số 5.Chiều dày trung bình của lớp đất số 4 thay đổi từ 3,5m đến 4,5m

Mã đoạn từ K23+000 ~ K28+000 (Xã Vĩnh An – huyện Vĩnh Lộc; Xã Hoằng Khánh huyện Hoằng Hóa); đoạn từ K43+500 đến K62+500 (Xã Hoằng Long, Hoằng Quang, Hoằng Hoằng Đại thành phố Thanh Hóa; Hoằng Trạch, Hoằng Tân, Hoằng Châu huyện Hoằng Hóa)

1.5.2.3 Mô hình nền dạng III (MH III)

Thân đê là Đất á sét trung – sét nhẹ, màu vàng nâu, xám nâu Trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng, kết cấu chặt vừa – chặt Ngay dưới lớp đất đắp đê là lớp số 2 là đất á sét trung nặng màu Trạng thái nửa cứng - dẻo cứng, kết cấu chặt Dưới lớp số 2 là lớp số 6 là loại cát hạt mịn màu xám xanh đôi chỗ xen kẹp bùn sét và hữu cơ, kết cấu chặt vừa, chặt Chiều dày trung bình của lớp đất số 6 thay đổi từ 3,5m đến 4,3m

Trang 31

Hình 1.10 Mô hình nền dạng III (MH III)

Mã đoạn từ K62+500 đến K65+000 (xã Hoằng Châu, Hoằng Phụ huyện Hoằng Hóa)

1.5.2.4 Mô hình nền dạng IV (MH IV)

Thân đê là Đất á sét trung – sét nhẹ, màu vàng nâu, xám nâu Trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng, kết cấu chặt vừa – chặt Ngay dưới lớp đất đắp đê là lớp số 1 là đất á cát đôi chỗ gặp á sét nhẹ, màu xám vàng, xám nâu Trạng thái dẻo cứng, kết cấu chặt vừa – chặt Chiều dày trung bình lớp số 1 là 3,5m Dưới lớp số 1 là lớp số 3 là loại cát hạt mịn màu xám xanh đôi chỗ xen kẹp bùn sét và hữu cơ, kết cấu chặt vừa – chặt

Mã đoạn từ K28+000 đến K43+500 (Xã Hoằng Khánh, Hoằng Phượng, Hoằng Giang, Hoằng Hợp, Hoằng Lý huyện Hoằng Hóa)

Trang 32

23

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THẤM

2.1 Lịch sử phát triển của nghiên cứu về thấm

Những hiểu biết đầu tiên về sự vận động của nước dưới đất phát sinh vào thế kỷ 18 và liên quan đến tên tuổi của các nhà khoa học Nga như M.V.Lômônôxôp, D.Becnoulli, Euler Trong tác phẩm nổi tiếng “ Về các lớp

vỏ trái đất” - 1750 Lômônôxôp đã viết “ Nước dưới đất liên hệ chặt chẽ với đất đá vây quanh Nước dưới đất là dung dịch tự nhiên ở trạng thái tuần hoàn liên tục” Chính ông đã đặt cơ sở đầu tiên để phát triển khoa học về sự vận động của nước dưới đất Đến năm 1856, trên cơ sở thực nghiệm Darcy đã xác định quy luật thấm của nước trong môi trường lỗ hổng, đó là định luật thấm đường thẳng Lý thuyết suy rộng về sự vận động của nước dưới đất xuất hiện vào đầu năm 1898, sau khi N.E.Jucôvxky công bố tác phẩm “ Nghiên cứu lý thuyết vận động của nước ngầm” Ông đã đưa ra khái niệm lực cản, lực khối lượng khi thấm và lần đầu tiên ông đã đưa ra phương trình vi phân về sự vận động của nước dưới đất Chính Jucôvxky đã đặt cơ sở khoa học để tiếp tục phát triển lý thuyết thấm Năm 1904, Boussinesque đã lập ra hệ phương trình

vi phân không ổn định và biện pháp tuyến tính hóa phương trình Năm 1922, N.N.Pavlôpvxky đã đề nghị dùng phương pháp điện - thủy động lực tương tự

để xác định các thông số của dòng thấm mà cho đến nay nó vẫn là một trong những phương pháp hiện đại nhất áp dụng cho bão hòa đất [12]

Với công trình thủy lợi, lý thuyết thấm đóng vai trò quan trọng như cần xác định các đặc trưng của dòng thấm qua đập đất, đê quai thi công hố móng, thấm vào hố móng, thấm dưới đáy công trình bê tông, thấm vòng qua vai đập, thấm vòng quanh bờ Trong thiết kế công trình thủy lợi phải tính toán xác định các đặc trưng của dòng thấm như áp lực thấm, lưu lượng thấm, gradient cũng có nghĩa là giải quyết xong bài toán thấm, khi đó mới có đủ điều kiện để đánh giá ổn định và độ bền công trình

Trang 33

có thể truyền áp lực

Nước trọng lực (nước ngầm) là nước tự do chứa đầy ở tất cả các khe rỗng của đất từ các thể tích rất nhỏ có thể chứa không khí Nước trọng lực chịu tác dụng của trọng lực và nước ngầm, chuyển động được là do tác dụng của trọng lực Nước trọng lực có thể truyền được áp lực

Nước trong đất có trạng thái liên tục chuyển động tạo thành dòng nước ngầm, hay còn gọi là dòng thấm Cũng giống như chuyển động của nước mặt, chuyển động của nước ngầm có thể coi là chuyển động có áp hay không áp Trong chuyển động không áp ở phía trên được giới hạn bởi mặt tự do còn gọi

là mặt bão hòa, áp suất tại các điểm trên mặt đó bằng hằng số và bằng áp suất khí quyển (chưa xét hiện tượng mao dẫn)

Không khí trong lỗ rỗng của đất ngoài tương tác với nước ở dạng hơi, không khí còn hòa tan ở trong nước, khoảng 2% thể tích nước

Theo tính chất bão hòa nước, môi trường nước thấm chia ra làm hai loại: đất bão hòa nước và đất không bão hòa

Đất bão hòa, là môi trường chỉ bao gồm hai pha là cốt đất và nước chứa đầy trong các lỗ rỗng Đất không bão hòa là hỗn hợp nhiều pha Ngoài ba pha: cốt đất, nước, không khí thì mặt phân cách khí nước nơi diễn ra sức căng mặt ngoài, còn được xem là một pha độc lập thứ tư

Trang 34

25

2.2.2 Nguyên nhân gây thấm

Nguyên nhân chính gây thấm trong đất bão hòa nước là do thế chuyển động của dòng thấm hay chính là Gradien cột nước thấm Nguyên nhân gây thấm trong đất không bão hòa ngoài tác nhân chính là Gradien cột nước thủy lực (bao gồm Gradien áp lực và Gradien cao trình) còn do Gradien độ ẩm, Gradien hút dính là Ua – Uw Trong đó Ua chính là áp lực khí lỗ rỗng, Uw là áp lực nước lỗ rỗng [12]

2 3

U w

U y w

w

.

3

Nước sẽ thấm từ nơi có cột nước cao đến nơi có cột nước thấp hơn, bất

kể áp lực nước lỗ rỗng là dương hay âm

2.3 Phân loại dòng thấm và các định luật thấm cơ bản

2.3.1 Phân loại dòng thấm

Trang 35

26

Tùy theo các yếu tố khác nhau mà có cách phân loại dòng thấm khác nhau [1]:

- Theo trạng thái chảy: có dòng thấm chảy rối và dòng thấm chảy tầng

- Theo thời gian: có dòng thấm ổn định và dòng thấm không ổn định

- Theo tính chất của môi trường: có dòng thấm trong môi trường đồng nhất, không đồng nhất, đẳng hướng, không đẳng hướng Môi trường thấm có thể được xác định là tổ hợp của hai tính chất đồng nhất và đẳng hướng Ví dụ môi trường thấm đồng nhất đẳng hướng, đồng nhất không đẳng hướng, không đồng nhất đẳng hướng, không đồng nhất không đẳng hướng

- Theo đặc điểm, tính chất của biên trên miền thấm: có dòng thấm có áp, dòng thấm không áp

- Theo tính chất không gian của miền thấm: có một hướng, dòng thấm hai hướng và dòng thấm ba hướng

Hiện tượng thấm qua thân đê, đập đất có chiều dài lớn là ví dụ điển hình cho dòng thấm thẳng đứng Biến dạng của đường dòng chủ yếu xảy ra trong mặt phẳng đứng còn mặt bằng có tính chất song phẳng

2.3.2 Các định luật thấm cơ bản

2.3.2.1 Định luật thấm đường thẳng

Năm 1856 kỹ sư người Pháp Henry Darcy đã tìm ra định luật cơ bản về thấm [12] Định luật được phát biểu như sau: “ Lưu tốc thấm tỷ lệ bậc nhất với Gradien thủy lực” hoặc “Tổn thất cột nước trong dòng thấm tỷ lệ bậc nhất với lưu tốc thấm”

Công thức biểu diễn của định luật:

L

h L



 (2-4) Trong đó: - V: Lưu tốc thấm trung bình trên toàn mặt cắt (cm.s)

Trang 36

h x

h h

2.3.2.2 Định luật thấm phi tuyến

Nước vận động thường có tốc độ nhỏ và tuân theo định luật Darcy Còn khi nước vận động trong các lỗ rỗng và khe nứt lớn thì có đặc tính giống sự vận động của nước trong các đường ống và khe hở Tức là vận động với vận tốc lớn Dạng vận động đó gọi là chảy rối trong trường hợp này vận động của nước dưới đất không còn tuân theo định luật đường thẳng nữa mà tuân theo cá định luật khác

a) Công thức Xêzi – Kraxnôponxki [12]

Trị số hệ số thấm (k) trong công thức (2-6) không bằng trị số thấm theo công thức Darcy dù cùng một loại đất đá (trừ trường hợp j=1) Công thức trên chứng tỏ rằng khi vận động thì tốc độ thấm tỷ lệ với căn bậc hai của Gradien

Trang 37

Như vậy công thức Prôni cho phép xác định tất cả các dạng vận động của nước dưới đất trong môi trường lỗ rỗng So với các công thức khác, công thức (2-8) có nhiều ưu điểm vì các thông số a,b không phụ thuộc yếu tố thủy động lực của dòng thấm [12]

2.4 Các phương pháp giải bài toán thấm bằng lý thuyết cổ điển

2.4.1 Phương pháp cơ học chất lỏng

Phương pháp này dùng toán học làm công cụ để xác định những đặc trưng của dòng thấm như lưu lượng, lưu tốc, gradien, áp lực, đường bão hòa tại bất kỳ một vị trí nào trong môi trường thấm Do khi tính toán không đưa nhiều vào những giả thiết cho nên phương pháp cơ học chất lỏng cho kết quả chính xác

Ưu điểm: Phương pháp cơ học chất lỏng chủ yếu có tầm quan trọng về mặt lý thuyết, trên cơ sở đó người ta có thể đưa ra các giải quyết gần đúng Ứng dụng những lời giải của cơ học chất lỏng ta có thể lập được những biểu

đồ tính toán để dùng trong thực tế

Nhược điểm: Phương pháp này chỉ sử dụng được trong trường hợp bài toán có sơ đồ đơn giản Khi gặp những sơ đồ phức tạp (điều kiện ban đầu và điều kiện biên phức tạp) thì cách giải này gặp nhiều khó khăn về mặt toán học

và trong nhiều trường hợp gần như bế tắc Do vậy trong thực tế thiết kế tính toán thấm, phương pháp này ứng dụng rất hạn chế

Trang 38

Nhược điểm: Do phải dựa vào một số tiên đề, giả thiết nhất định Nên phương pháp này có kém chính xác

- Phương pháp tương tự điện – thủy động (ECDA): Dùng tính tương tự giữa dòng điện và dòng thấm để giải quyết những bài toán thấm trên mô hình dòng điện

Ưu điểm: Được ứng dụng rộng rãi vì khá tiện lợi, có thể giải quyết được những sơ đồ thấm phức tạp

Nhược điểm: Giá thành thí nghiệm cao, kết quả thí nghiệm phụ thuộc vào điều kiện thí nghiệm cũng như chủ quan của người làm thí nghiệm

2.4.4 Phương pháp số

Khi nghiên cứu thấm thường dẫn đến các phương trình vi tích phân phi tuyến Phương pháp số giúp ta giải gần đúng các phương trình này, phương pháp số thường dùng để giải là phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp

Trang 39

tử hữu hạn cho phép giải bài toán thấm có miền phức tạp về hình dạng, về tính chất cơ lý của vật liệu xây dựng, về điều kiện biên Kết quả phương pháp là đầy đủ các đặc trưng thấm cần tính toán như: Đường bão hòa, lưu tốc thấm, gradien thấm, cột nước thấm, lưu lượng thấm

2.5 Giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp PTHH là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu, cho lời giải rất chính xác đối với các bài toán kỹ thuật khác nhau Từ việc phân tích trạng thái ứng suất biến dạng trong các kết cấu công trình thủy lợi, xây dựng dân dụng giao thông đến các bài toán của lý thuyết trường như: Lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn hồi, điện từ trường

2.5.1 Trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH [12]

- Chia miền tính toán thành nhiều miền nhỏ gọi là các phần tử, các phần

tử được nối với nhau bằng một số hữu hạn các điểm nút Các nút này có thể là đỉnh của các phần tử, cũng có thể là một số điểm đuợc quy ước trên cạnh của phần tử

- Rời rạc hóa miền xác định: Trình tự tính toán của phương pháp PTHH được nghiên cứu đầy đủ trong bài toán thấm ổn định phẳng Cần phải xác định sự phân bố cột nước áp lực dưới đập, gradien thấm và tổng lưu lượng dòng thấm Ở đây cột nuớc áp lực được xem là hàm chưa biết H Mặt trơn của hàm H được xấp xỉ bằng một bộ các mảnh mặt phẳng tam giác dạng i’, j’, k’

Trang 40

Hình 2.1 Minh họa mặt hàm xấp xỉ H của phần tử

Độ sai lệch của mặt phân mảnh xấp xỉ so với mặt trơn thực tế sẽ càng lớn khi độ cong của mặt trơn càng lớn và kích thước phần tử càng lớn, từ đó rút ra quy tắc cơ bản xây dựng lưới các phần tử là làm dày đặc lưới tại những nơi có gradien hàm cần tìm cao, chẳng hạn như các cột áp

Công cụ toán học của phương pháp PTHH là đảm bảo đưa ra bài toán tích phân phương trình vi phân song điều hòa về phép giải hệ thống các phương trình đại số tuyến tính, trong đó giá trị cột áp tại các nút phần tử hiện diện như là các ẩn số

Do giới hạn lời giải của bài toán thấm dừng trên cơ sở định luật Darcy

L

H K V

Tiêu đề	Nghiên cứu đánh giá ổn định và đề xuất các giải pháp xử lý ổn định nền của đê tả sông Mã tỉnh Thanh Hóa
Tác giả	Kim Duy Anh
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Văn Dũng
Trường học	Trường Đại Hồng Đức
Chuyên ngành	Kỹ thuật Công trình
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Thanh Hóa

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	3,38 MB