Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của mực nước lũ lên công trình đường kết hợp đê bao. Nghiên cứu sự thay đổi độ ẩm cũng như thay đổi áp lực nước lổ rỗng theo thời gian trong thân đường với quá trình lũ ngập và lũ rút. Từ đó đề xuất các giải pháp công trình hợp lý
Trang 1nghiên cứu ổn định thấm trong quá trình lũ lên đê bao
kết hợp đờng giao thông ở đồng tháp
Ths Phạm Cao Huyên
Đại học Thủy Lợi
Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu ảnh hởng của mực nớc lũ lên công trình đờng kết hợp đê bao Nghiên
cứu sự thay đổi độ ẩm cũng nh thay đổi áp lực nớc lổ rỗng theo thời gian trong thân đờng với quá trình lũ ngập và lũ rút Từ đó đề xuất các giải pháp công trình hợp lý.
I Đặt vấn đề
Đồng Tháp là tỉnh thuộc ĐBSCL có hệ thống
giao thông phát triển nhng thờng chịu ngập lũ
sâu ở các huyện thợng nguồn Sông Mê Kông
nh: Hồng Ngự, Tân Hồng Không những dòng
lũ ngập từ sông vào mà còn tràn từ biên giới
CamPuChia, gây ảnh hởng đến các công trình
đắp nh đờng, đê… Do đó việc xây dựng đê bao
chống lũ, đồng thời kết hợp làm đờng giao
thông là rất cần thiết và phổ biến
Các công trình đờng kết hợp làm đê bao
chống lũ không những đáp ứng khả năng chịu
tải của đờng mà còn phải chịu áp lực nớc do lũ
Trong nội dung đề tài này, tác giả nghiên cứu
ảnh hởng của mực nớc lũ, sự dao động theo mùa
lên công trình đắp
ảnh hởng của lũ đến độ ẩm của đất thân
đ-ờng, về nguyên tắc, không chỉ phụ thuộc vào
mực nớc cao nhất, mà còn phụ thuộc cả thời
gian ngập lũ Do tác động của lũ với thời gian
không dài lắm nên việc sử dụng mực nớc lũ cao
làm mực nớc tính toán là quá an toàn, làm tăng
quá mức cần thiết khối lợng nền đờng và giá
thành xây dựng Vì vậy việc nghiên cứu khả
năng giảm bớt chiều cao đắp thân đờng có ý
nghĩa thực tế quan trọng
Quá trình thấm là quá trình truyền ẩm vào
đ-ờng Sự biến thiên độ ẩm thể tích (tỷ số của thể
tích nớc và thể tích đất) khi độ bão hòa của đất
thay đổi nghĩa là trạng thái của đất thay đổi từ
-ớt sang khô và ngợc lại, đợc biểu thị w =
e
e S
1
Với S: độ bão hòa, e : hệ số rỗng của đất Dòng
thấm qua đê là dòng thấm không ổn định, đợc
thiết lập dựa vào phơng trình thấm của Đarcy :
t
S e
e z
h k y
h k
x
h
1
2 2 2
2 2
2
Hệ số thấm và độ bão hòa có mối tơng quan
với nhau và tỉ lệ thuận, độ bão hòa càng tiến về
0 thì hệ số thấm càng bé và ngợc lại
Khi độ ẩm thể tích thay đổi làm thay đổi áp
lực nớc lỗ rỗng trong quá trình thấm, đặc biệt là
áp lực nớc lỗ rỗng âm Tính chất của đất thay
đổi trong mối quan hệ chặt chẽ với hiện tợng
mao dẫn và là hàm số của độ hút dính: = (ua
– uw) Với ua và uw lần lợt là áp suất khí lỗ
rỗng trong đất và áp suất nớc lổ rỗng Quan hệ
giữa độ ẩm w và độ hút dính đợc đa về một hàm số mà đờng cong đặc trng gọi là đờng cong
đất nớc (hình 1): Đối với đê kết hợp đờng ở Đồng Tháp, đất nền hầu nh ở trạng thái no nớc, mực nớc ngầm gần mặt đất cho nên độ ẩm thể tích không thay đổi nhiều trong quá trình ngập lũ Chỉ có trong đất đắp nền đờng, độ ẩm thay đổi từ trạng thái ẩm w
sang bão hòa nớc s Trạng thái ban đầu phụ thuộc độ ẩm tối u và dung trọng khô yêu cầu
Đất đợc đầm càng chặt, dung trọng khô càng lớn, khả năng thấm sẽ bé hơn
Quan hệ giữa độ ẩm thể tích và các thông số cột nớc và hệ số rỗng đợc thể hiện qua phơng
s w
a
e
Trong đó:
w = giá trị độ ẩm thể tích; s = giá trị độ ẩm thể tích ở trạng thái bão hòa
e = 2.71828; = giá trị áp lực nớc lỗ rỗng
âm
a, n, m = các thông số đờng cong
a = i : áp lực nớc lỗ rỗng âm tại vị trí điểm uốn (i)
áp lực nớc lỗ rỗng (Kpa)
Hình 1 Quan hệ giữa áp lực nớc lỡ rỗng
và độ ẩm [5]
Trang 2m = 3.67ln
i
s
s
m
s
.
s: độ dốc của đờng tiếp tuyến thông qua điểm
cong s =
i p
i
p: điểm bị chắn của đờng tiếp tuyến và trục
áp lực nớc lỗ rỗng âm
Hệ số thấm của pha nớc cũng có quan hệ với
độ hút dính của đất Quan hệ giữa hệ số thấm và
độ hút dính đợc biểu thị bằng hàm của độ hút
dính: Kw = a w n
s
u u a K
a, n : là hằng số lần lợt xác định độ dốc của
hàm và điểm gãy của hàm Do đó hệ số thấm
của pha nớc cũng có quan hệ với độ ẩm thể tích
Một hệ số của hàm thấm Kw(w) đã đợc đề nghị
khi dùng dạng của khoảng rỗng chứa đầy nớc
Giả thiết đất có các kích cỡ lỗ rỗng khác nhau,
phân bố ngẫu nhiên, có cấu trúc không chịu nén
ép Hàm thấm Kw(w) đợc viết nh tổng của một
chuỗi các số hạng nhận đợc từ xác suất thống kê
sự liên thông giữa các lỗ rỗng có kích cỡ khác
nhau chứa đầy nớc
Độ ẩm thể tích có thể vẽ nh hàm của độ hút
dính, đồ thị này đợc gọi là đờng cong đặc đất
n-ớc và đợc hình dung nh biểu thị về hình dạng
các lỗ rỗng chứa đầy nớc Để xác định quan hệ
với hệ số thấm, chia đờng cong này làm nhiều
phần nhỏ có khoảng cách bằng nhau dọc theo
trục độ ẩm thể tích, độ hút dính ứng với điểm
giữa của mỗi khoảng tính toán hệ số thấm Hàm
thấm Kw(w) có dạng:
1 2
2
2 1 2
m J
w
p
s
w
s
sc
N
T
k
k
;
j = 1,2,…, m
Kw(w)i: Hệ số thấm nớc đợc tính toán theo
độ ẩm thể tích riêng ứng với khoảng thứ i (m/s)
i: số khoảng, tăng với sự giảm của độ ẩm thể
tích
j = (i m)
Ks: hệ số thấm bão hòa đo đợc (m/s)
Ksc: hệ số thấm bão hòa tính toán (m/s)
Ts : lực căng bề ngòai của nớc (KN/m)
w: độ nhớt tuyệt đối của nớc (N.s/m²)
p : hằng số xét bởi tơng tác của các lỗ rỗng
có kích cỡ khác nhau
m : tổng khoảng cách giữa độ ẩm thể tích bão hòa(s) và độ ẩm thể tích thấp nhất(L) trên
đờng cong đất - nớc thực nghiệm;
N : tổng khoảng cách tính toán giữa độ ẩm thể tích bão hòa (s) và độ ẩm thể tích bằng 0 (w= 0) với N = m[s/(s - L)]
(ua - uw): độ hút dính ứng với khoảng giữa của độ hút dính j
Nh vậy nếu đo đợc hệ số thấm bão hòa thì có thể xác định hàm thấm trực tiếp từ đờng cong
đất – nớc Trong chơng trình tính Seep-W cho
ta chuyển đổi từ đờng cong đất – nớc sang đ-ờng cong thấm thông qua hệ số thấm bão hòa
II Quá trình thấm ớt vào đờng ở vùng chênh lệch mực nớc thựơng hạ lu lớn (trong quá trình ngập lũ) và quá trình thoát nớc do mực nớc thợng lu hạ thấp (khi lũ rút)
Đờng, đê sau khi đắp xong đa vào sử dụng Trong quá trình vận hành, các khu vực nh Hồng Ngự, Tam Nông…, lũ ngập rất sâu và lâu ngày từ 46 tháng Để khảo sát quá trình di chuyển của vùng ớt tiến dần về phía hạ lu theo thời gian dựa vào đờng cong của hàm đất - nớc (quan hệ độ
ẩm thể tích w áp lực nớc lỗ rỗng uw)[5] Việc nghiên cứu phân tích đợc tiến hành trên các lọai đất đắp có hệ số thấm bão hòa Ks = 10
-5m/s (đặc trng đất cát), Ks = 10-7m/s(đặc trng đất
á cát, á sét), Ks = 10-9m/s(đặc trng đất sét) Hệ
số thấm và độ ẩm thể tích đất nền xem nh không thay đổi Chiều cao đất đắp khảo sát H = 3.0m, có hoặc không có lớp đệm cát cho đất đắp
là sét hoặc á sét và gia cố đất sét bên ngòai cho
đất đắp là cát Đây cũng là chiều cao phổ biến cho hầu hết các công trình đắp của khu vực Quá trình thấm đợc chia làm 3 giai đoạn tính toán :
- Giai đoạn ban đầu: đất ở trạng thái tự nhiên không bị ngập nớc, chỉ có mực nớc ngầm ở dới mặt đất 1m
- Giai đoạn 2: Nớc bắt đầu ngập về và thấm dần vào trong thân đờng theo các thời đoạn t = 1ngày, 5ngày, 10ngày, 15ngày, 1tháng, 2tháng, 3tháng, 4tháng và 6tháng Vì lũ thờng bắt đầu từ tháng 7 và kết thúc vào khoảng tháng 11 hoặc
12 nên thời gian tính toán lũ ngập khoảng 6 tháng trở lại và lũ bắt đầu rút khỏi
- Giai đoạn 3: Nớc rút khỏi thân đê và đất bắt
đầu chuyển lại từ trạng thái ớt sang trạng thái khô, độ ẩm cũng giảm dần, lấy thời đoạn cuối của giai đoạn 2 làm thời đoạn ban đầu của giai
đoạn 3 Nớc hạ dần từ cao trình mực nớc max thợng lu trở lại MNN trong khoảng một tháng
Đờng bão hòa di chuyển từ cuối giai đoạn 2 theo hớng về trùng với MNN Trong giai đoạn này khảo sát sự biến đổi áp lực nớc lỗ rỗng, cột nớc Hra, gradien, độ ẩm thể tích của đất đắp
Trang 31 Tính toán quá trình thấm vào thân đờng:
(ngập lũ)
Trong quá trình thấm ớt vào trong thân đê, sự
di chuyển của đờng bão hòa đợc thể hiện trên
hình 3.1 3.3 tơng ứng với đất đắp có hệ số
thấm là Ks = 10 m/s, Ks = 10 m/s, Ks = 10 m/s, với thời đoạn 1, 3 , 6, 8, 9 lần lợt tơng ứng 1 ngày, 10 ngày, 60 ngày, 120 ngày và 180 ngày ứng với từng hệ số thấm thì có các nhóm đờng bão hòa khác nhau di chuyển dần về phía hạ lu
và dâng cao lên nếu hệ số thấm tăng dần
0.00
MN max: +2.00
Caựt
Bủ = 12.0m
Caựt
+3.00
Bun set
Seựt
Caựt
Caựt ủaộp Seựt ủaộp
Khoỷang caựch (m)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Hình 2 Các thời đoạn thấm nớc vào thân đờng, đất đắp cát
Buứn seựt
MN max: +2.00
Bủ = 12.0m
Seựt
Caựt
ẹaỏt ủaộp 0.00
+3.00
Khoỷang caựch (m)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Hình 3 Các thời đoạn thấm nớc vào thân đờng, đất đắp á sét
Buon seựt
MN max: +2.00
Bủ = 12.0m
Seựt
Caựt
ẹaỏt ủaộp 0.00
+3.00
Khoỷang caựch (m)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Hình 4 Các thời đoạn thấm nớc vào thân đờng, đất đắp sét
2 Tính toán quá trình hạ đờng bão hòa khi
lũ rút
Khảo sát quá trình rút nớc, tiêu tán áp lực
n-ớc lỗ rỗng, mực nn-ớc bắt đầu rút là mực nn-ớc cuối
giai đoạn 2 Thời gian rút tòan bộ lũ là trong 1
tháng, mực nớc thợng lu giảm xuống ngang mực nớc ngầm Trong giai đoạn này chỉ xét sự biến thiên của các giá trị: cột nớc tổng, áp lực nớc lỗ rỗng, gradien
Trang 4MN max: +2.00
Caựt
Caựt ủaộp Seựt ủaộp
Bủ = 12.0m
Caựt
+3.00
Bun set
Seựt
Caựt
0.00
MN max: +2.00
Caựt
Caựt ủaộp Seựt ủaộp
6
8
9
Khoỷang caựch (m)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
Hình 5 Các thời đoạn rút nớc ra khỏi thân đờng, đất đắp cát
Bun set
Seựt
Caựt
MN max: +2.00
Bủ = 12.0m
Seựt
Caựt
ẹaỏt ủaộp 0.00
+3.00
Bun set
Seựt
Caựt
3
5
6
8
9
Khoỷang caựch (m)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Hình 6 Các thời đoạn rút nớc ra khỏi thân đờng, đất đắp á sét
Bun set
Seựt
Caựt
MN max: +2.00
Bủ = 12.0m
Caựt
ẹaỏt ủaộp 0.00
+3.00
Bun set
Seựt
Caựt
Bun set
Seựt
Caựt
5
6
8
9
Khoỷang caựch (m)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Hình 7 Các thời đoạn rút nớc ra khỏi thân đờng, đất đắp sét
hòa đối với một số cấu tạo khác:
Ngòai các cấu tạo trên, khi đắp đờng ngời ta
thờng có một lớp đệm cát để quá trình thóat nớc
cố kết đợc thuận lợi Tuy nhiên vì tính chất kết hợp làm đê chống lũ nên phải có lớp chống thấm ở thợng lu đệm cát
Trang 5GIAÛI PHAÙP VAÛI ẹềA KYế THUAÄT KEÁT HễẽP VễÙI ẹEÄM CAÙT HèNH 3.9 CAÁU TAẽO ẹệễỉNG CAÁP 60 QUA VUỉNG ẹAÁT YEÁU CHềU NGAÄP LUế
2.5m
1:1.5
MNCN
Traùng thaựi deỷo meàm Buứn seựt hửừu cụ
3%
Caựt pha seựt
haùt trung
Seựt xaựm xanh, traùng thaựi deỷo cửựng
2%
2.5m
- Tửụựi nhửùa tieõu chuaồn 1,1kg/m2
- Caỏp phoỏi ủaự 0-4 daứy 20cm
- ẹaự 4x6 daứy 30cm
- BTNN haùt thoõ daứy 5cm
Vaỷi ủũa kyừ thuaọt
3%
1:1.5 1.0m
7m 3.5m
Hình 8 Cấu tạo đờng cấp IV trên đất yếu với chiều cao đắp thấp
Buứn set
Caựt
MN max: +2.00
Bủ = 12.0m
Seựt
Caựt
ẹaỏt ủaộp ẹeọm caựt 0.00
+3.00
1 3
6
Khoỷang caựch (m)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Hình 9 Các thời đoạn thấm nớc vào thân đờng, đất đắp á sét
Bun set
Seựt
Caựt
MN max: +2.00
Bủ = 12.0m
Seựt
Caựt
ẹaỏt ủaộp ẹeọm caựt 0.00
+3.00
5
6
8
9
Khoỷang caựch (m)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Hình 10 Các thời đoạn rút nớc ra khỏi thân đờng, đất đắp á sét
Trang 6Buứn seựt
Caựt
MN max: +2.00
Bủ = 12.0m
Seựt
Caựt
ẹaỏt ủaộp ẹeọm caựt 0.00
+3.00
Khoỷang caựch (m)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
Hình 11 Các thời đoạn thấm nớc vào thân đờng, đất đắp sét
Buứn seựt
Caựt
MN max: +2.00
Bủ = 12.0m
Seựt
Caựt
ẹaỏt ủaộp ẹeọm caựt 0.00
+3.00
5
6
8
9
Khoỷang caựch (m)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Hình 12 Các thời đoạn rút nớc ra khỏi thân đờng, đất đắp sét
III Các nhận xét
Quá trình thấm nớc vào nền đắp của đờng
1 Vào mùa lũ, Các đờng bão hòa nớc trong
thân công trình đắp dâng cao dần ở giai đoạn
đầu, vùng thấm ớt không đáng kể (vài cm trong
đất ở vùng mái thợng lu)
- Đối với đất đắp là á sét: đầu giai đoạn mỗi
mùa lũ, đờng mặt thoáng vẫn cha ra mái hạ lu
(Hra = 0) Trong 2 tháng đầu mùa lũ vùng ớt di
chuyển rất nhanh, nhng sau đó chậm lại
- Đối với đất đắp là cát: đờng bão hòa gần
nh ổn định suốt mùa lũ và hạ nhanh khi lũ rút
- Đối với đất đắp là sét: ảnh hởng của vùng
thấm ớt không đáng kể, nớc không thấm đến
phần giữa thân công trình đắp trong suốt mùa lũ
cho đến khi nớc rút hòan toàn
2 Do sự chênh lệch cột áp lớn vào đầu mùa
lũ và có sự xuất hiện của vùng đệm cát (trong
tr-ờng hợp có đệm cát), đtr-ờng bão hòa hạ thấp và
dòng thấm sớm ổn định và ổn định trong suốt
mùa lũ
Quá trình rút nớc khỏi nền đắp của đờng
3 Đờng bão hòa bị hạ thấp khi lũ rút:
- Đối với đất cát : đờng bão hòa hạ gần nh
đồng thời với mực nớc bên ngòai
- Đối với đất sét vì thấm không đáng kể vào thân công trình đắp nên lợng nớc thóat ra khá nhanh, mực nớc đờng bão hòa ở giữa mái dốc thợng lu cho đến cuối mùa khô
- Đối với đất á sét: đờng bão hòa trong thân công trình đắp ổn định trong suốt cả 2 mùa, mặc
dù mực nớc ở vùng biên thợng lu dao động với biên độ mực nớc lũ
4 Trong trờng hợp có đệm cát, vùng áp lực
lỗ rỗng âm bên trên đờng bão hòa ổn định trong suốt cả 2 mùa Giá trị áp lực nớc lỗ rỗng âm này giữ cho công trình đắp ổn định hơn
IV Kết luận
1 Đối với đất đắp là á sét, đất sét hoặc đất
đắp là cát có con chạch đất sét, ở vùng ảnh hởng triều vì dao động mực nớc thủy triều (24 giờ)
n-ớc chỉ xuất hiện ở bề mặt mái thợng lu và ngấm vào nền đắp vài cm, có tác dụng nh cột áp mà không gây ảnh hởng lên áp lực nớc lỗ rỗng trong thân công trình đắp
Trang 72 Sau mùa lũ (1 tháng sau khi lũ rút) nớc
thấm về phía chân mái chậm nên không ảnh
h-ởng đến ổn định công trình đắp
3 Với chiều cao đắp không lớn (3m), dùng
đệm cát và vải địa kỹ thuật là thích hợp, làm hạ nhanh mực nơc trong thân đê và tăng độ ổn
định mái đê
TàI LIệU THAM KHảO
[1] Châu Ngọc ẩn,2004, Cơ Học Đất, Nhà Xuất Bản đại học quốc gia TPHCM
[2] Đào Xuân Học, 2004, Nghiên cứu các vấn đề thoát lũ và kinh tế-xã hội - môi trờng phục vụ phát triển bền vững vùng Đồng Tháp Mời
[3] Phạm Cao Huyên, 2006, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
[4] Nguyễn Văn Thơ, Trần Thị Thanh, 2002, Xây Dựng Đê Đập, Đắp Nền Tuyến Dân C Trên Đất Yếu ở Đồng Bằng Sông Cửu Long- Nhà Xuất Bản Nông Nghiệp
[5] D.G Fredlund, H.Rahardjo,2000,Cơ Học Đất cho đất không bão hòaTập 1&2,Nhà Xuất Bản Giáo Dục
[6] D.G Fredlund, Fauziah Kasim, ,1999, Permeability Functions For Unsaturated Residual Soits, University Saskatchewan, Canada
[7] User’s guide, Seep / W for finite element seepage analysis, version 5
Summary
RESEARCH ON CALCULATING SEEPAGE ROAD CONSTRUCTION, TO MAKE FLOOD CONTROL DYKE IN DONG THAP PROVINCE INFLUENCED PROCESS
FLOOD
ME PHAM CAO HUYEN
Water Resources University
This paper is studied the impact of flood water level to road construction and girdle shaped dyke combined The chang of volumetric water content and pore water pressure of embankment to time when the flood soak and go down From that find out suitable solutions.
Ngời phản biện: ThS Lê Trung Thành A
