Bài báo phân tích khả năng chống thấm và chống trƣợt sâu của các giải pháp gia cố đê nhằm đƣa ra phƣơng án tối ƣu ở ĐBSCL... Nhƣợc điểm của biện pháp này không có khả năng chống[r]
Trang 1PHÂN TÍCH SO SÁNH CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ
ĐÊ BAO CHỐNG LŨ Ở AN GIANG
MAI ANH PHƯƠNG * TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG **
LÊ KHẮC BẢO ***
Analysis and comparation of reinforcement solutions for earth levees against annual floods in An Giang
Abstract: Earth levees in the Mekong Delta have often broken and slided
causing losses of local people’s life and property Several solutions such
as slope flattening, sand bags, steel mesh, and timber piles have been applied to reinforce earth levees but still remain ineffective These solutions can not cut seepage flows off and improve slope stability The analysis indicates that the FS using timber piles and slope flattening for reinforcement at the lowest water level are 0.97 and 0.96, respectively Earth levees were proposed to reinforce by single or double row soilcrete walls created from cement contents of 250 to 300 kg/m 3 The results suggest that soilcrete walls can cut off seepage and improve slope stability effectively The FS using a single row and a double row soilcrete walls at the lowest water level are 1.38 and 1.76, respectively
1 GIỚI THIỆU*
ĐBSCL là vựa lúa lớn nhất của cả nước,
đóng góp hơn 48% sản lượng lương thực và
85% sản lượng lúa xuất khẩu của Việt Nam [4]
Hệ thống đê bao chống lũ ở ĐBSCL có vai trò
liên kết các vùng, bảo vệ diện tích hoa màu, và
thúc đẩy nền nông nghiệp trong tỉnh phát triển
toàn diện và bền vững Tuy nhiên, vỡ đê do mùa
lũ làm thiệt hại hàng ngàn hecta lúa Đê bao
thường được xây dựng trên nền đất yếu bằng đất
nạo vét từ các con kênh song song đê nên có sực
chịu tải yếu và không có khả năng chống trượt
sâu Thân đê có nhiều lỗ mọt do không được lu
đầm đúng quy định nên có dòng thấm gây xói
* Học viên cao học trường ĐH Bách Khoa TP HCM,
phuongamtut@gmail.com
** Giảng viên khoa KTXD – Trường Đại Học Bách Khoa
TP HCM, tnhhung@hcmut.edu.vn
*** Học viên cao học trường ĐH Bách Khoa TP HCM,
khacbaole@gmail.com
mòn tạo thành những dòng nước nhỏ cuốn trôi các hạt đất và gây sụp đổ đê Trong mùa năm 2011, hơn 322 m đê bị vỡ làm mất trắng 5479 ha lúa và
435 ha hoa màu, tổng thiệt hại về nông lâm thủy sản là 210,7 tỉ đồng riêng ở An Giang [9] Các biện pháp gia cố như cừ tràm, đắp bao tải cát, và làm thoải mái dốc, v.v., được sử dụng nhưng hiệu quả không cao do gia cố đê tạm thời [9] Giải pháp cọc đất ximăng có khả năng chống thấm và chống trượt sâu [13] Tuy nhiên, giải pháp đất trộn ximăng chưa được nghiên cứu ứng dụng gia cố đê
ở ĐBSCL Bài báo phân tích khả năng chống thấm và chống trượt sâu của các giải pháp gia cố
đê nhằm đưa ra phương án tối ưu ở ĐBSCL
2 CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ ĐÊ BAO CHỐNG LŨ Ở ĐBSCL
2.1 Các giải pháp gia cố đê hiện nay ở ĐBSCL
Các biện pháp chống sạt lở đê hiện nay ở ĐBSCL thường dùng: (i) Giảm áp lực gây trượt như đắp bao tải cát làm thoải và đánh cấp mái
Trang 2dốc (ii) Giải pháp gia cố mái đất như đóng cừ
tràm và dùng lưới thép B40 [1]
2.1.1 Đắp đê bằng bao tải cát làm thoải
mái dốc
Thân đê được đắp bằng bao tải cát giảm độ dốc
mái dốc nhằm giảm lực gây trượt và tăng sức
chống cắt cho thân đê (Hình 1, Hình 3) Biện pháp
gia cố này có ưu điểm là giá thành rẻ, thi công
nhanh, và không cần thiết bị phức tạp Nhược
điểm của biện pháp này không có khả năng chống
thấm, chống trượt sâu, tiêu thụ cát - nguồn vật liệu
ngày càng khan hiếm, và thu hẹp dòng chảy gây
sạt lở ở những khu vực lân cận [2]
2.1.2 Gia cố chân đê bằng cừ tràm
Chân đê được đóng cừ tràm ổn định trượt cục
bộ chân đê và tăng sức chống cắt cho thân đê
(Hình 2) Giải pháp này có giá thành rẻ, thi công
nhanh, và không cần thiết bị phức tạp, nhưng
không có khả năng chống thấm và chống trượt
sâu Nguồn vật liệu cừ tràm ở địa phương ngày càng khan hiếm và có thể ảnh hưởng đến rừng
và môi trường
2.1.3 Gia cố chân đê bằng lưới thép B40
Mái và đê được gia cố bằng lưới thép B40 nhằm tăng sức chống cắt trong thân đê (Hình 4) Giải pháp này đạt yêu cầu kinh tế nhưng không
có khả năng chống thấm và chống trượt sâu
2.1.4 Giải pháp kết hợp nhiều giải pháp gia
cố đê khác
Đê bao có thể được gia cố kết hợp nhiều giải pháp gia cố đê khác như giải pháp gia cố chân đê bằng cừ tràm kết hợp gia cố mái dốc đê bằng tấm
bê tông cốt thép đúc sẵn hoặc trồng cỏ, giải pháp gia cố kết hợp lưới thép B40 và bao tải cát, v.v Các giải pháp này cần nguồn vật liệu khai thác từ
tự nhiên như cát và cừ tràm, không có khả năng chống thấm, chống trượt sâu, và chỉ sử dụng tạm thời ở các điểm sạt lở trước các mùa lũ
2.2 Đề xuất giải pháp gia cố đê phù hợp
với điều kiện ĐBSCL
Công nghệ đất trộn ximăng đã được nghiên cứu ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới
Trang 3Ximăng được phun và trộn với đất nền theo
chiều sâu (SCDM) để tạo nên hàng cọc đất trộn
ximăng có cường độ cao, có khả năng chống
thấm, và chống trượt sâu Giải pháp này có
nhiều ưu điểm như thời gian thi công nhanh, có
thể tận dụng vật liệu tại chỗ, phù hợp với mọi
loại đất, máy thi công nhỏ gọn và tải trọng nhẹ
(như thiết bị NSV), và giá thành vừa phải Tuy
nhiên, công nghệ này cần có hệ thống thiết bị
chuyên dụng và kiến thức chuyên sâu
Đê bao được gia cố bằng một hoặc hai hàng cọc đất ximăng đường kính 0.6 m Hàm lượng ximăng
sử dụng từ 250-300 kg/m3 cho cường độ đất ximăng của các lớp đất lớn hơn 0.35 MPa theo nghiên cứu trong phòng [1, 3] Cọc đất ximăng có chiều dài 10.5 m đảm bảo gia cố hết lớp đất yếu nên có khả năng chống trượt sâu (Hình 5a) và được
bố trí như một tường cọc (Hình 5b) nên có khả năng chống thấm qua thân đê Ưu nhược điểm của các phương án gia cố được trình bày trong Bảng 1
a) Mặt cắt ngang gia cố b) Mặt bằng gia cố 1 hoặc 2 hàng cọc
Hình 5: Gia cố đê bằng cọc đất trộn ximăng [1, 3]
Bảng 1: Bảng tóm tắt ưu nhược điểm của các phương án gia cố
Đắp bao tải cát làm
thoải mái dốc
Dễ thi công, không cần máy
móc phức tạp, giá thành rẻ
Vật liệu cát ở địa phương ngày càng khan hiếm, không có khả năng chống thấm và chống trượt sâu, làm thu hẹp dòng chảy gây sạt lở ở những khu vực lân cận
Gia cố đê bằng cừ
tràm
Dễ thi công, không cần máy
móc phức tạp, giá thành rẻ
Vật liệu cừ tràm ở địa phương ngày càng khan hiếm, không có khả năng chống thấm
và chống trượt sâu
Gia cố đê bằng lưới
thép B40
Dễ thi công, máy móc thi công đơn giản, giá thành rẻ
Không có khả năng chống thấm và chống trượt sâu
Giải pháp kết hợp Dễ thi công, máy móc thi
công đơn giản, giá thành rẻ
Vật liệu gia cố ở địa phương ngày càng khan hiếm, không có khả năng chống thấm
và chống trượt sâu Giải pháp tường cọc
đất trộn ximăng
Có khả năng chống thấm và chống trượt sâu, thiết bị thi công (NSV) nhỏ gọn, sử dụng vật liệu sẵn có ở địa phương, giá thành vừa phải
Phải có máy móc thi công chuyên dụng và kiến thức chuyên sâu
Comment [HT1]: LAM CHO HINH NAY DAM NET
VA RO HON DAM BAO RANG KHI IN RA CO THE DOC DUOC
Trang 43 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SO SÁNH
3.1 Số liệu đầu vào
Địa hình và địa chất được thu tập ở đoạn đê
dọc kênh Mười Cai, xã Vĩnh Trạch, huyện
Thoại Sơn, tỉnh An Giang (Hình 6) Đây là đoạn
đê đặc trưng cho đê bao ở ĐBSCL [1] Số liệu địa chất dọc theo hố khoan 25 m được trình bày trong Bảng 2 [10]
Hình 6: Ví trí nghiên cứu các giải pháp gia cố đê
Bảng 2: Các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất [10]
Lớp đất Hệ số thấm, k
(m/s)
Dung trọng tự nhiên, (kN/m3)
Lực dính, c
(kN/m2)
Góc ma sát
trong, φ (0)
Chiều dày, H
(m) Lớp 1 10-6 ÷ 10-4 17,95 20,10 11,87 4,1
Lớp 2 3,64 x 10-8 15,64 6,20 5,45 6,4
Lớp 3 1,66 x 10-8 19,07 19,10 14,97 4,8
Lớp 4 1,37 x 10-8 20,05 29,60 17,48 9,7
3.2 Cơ sở lý thuyết
3.2.1 Lý thuyết dòng thấm trong đất
Phương trình cơ bản trong phân tích dòng thấm
phẳng (2D) được thể hiện ở phương trình (1) [12]
Trong trường hợp dòng thấm ổn định,
0
t
, phương trình (1) được viết lại:
trong đó: H - Cột nước thấm tổng; k x - Hệ số
thấm theo phương ngang; k y - Hệ số thấm theo
phương đứng; Q - Lưu lượng phụ thêm; θ - hàm
độ ẩm về thể tích; t - thời gian
3.2.2 Hệ số ổn định
Hệ số ổn định (FS – Factor of Safety) được sử
dụng để đánh giá khả năng chống trượt sâu của đê
bao Theo Duncan & Wright (2005), hệ số ổn định
được định nghĩa là tỉ số giữa môment kháng trượt
và môment gây trượt như phương trình (3)
FS Moment chong truot
Moment gay truot (3) Phương pháp Bishop được sử dụng để phân tích
FS dựa trên phương pháp phân mảnh cổ điển với
giả thiết mặt trượt trụ tròn như phương trình (4) và được mô tả trên Hình 7 [11] Theo 22 TCN
262-2000, đê bao đạt điều kiện ổn định khi có hệ số an
toàn FS ≥ 1.4 Hệ số FS được xác định bằng phương pháp lặp, trước tiên cho FS một giá trị ban đầu (thường FS o = 1) sau đó tính lặp, thử đúng dần
FS đạt tới độ chính xác yêu cầu
cos sin tan ' /
sin
c L W u L
F FS
W
trong đó: c’, φ ’ - Lực dính và góc ma sát
trong hữu hiệu; Δl – Chiều dài của mỗi mảnh dọc theo cung trượt; α – Góc nghiêng của mỗi mảnh theo phương ngang; u – Áp lực nước lỗ rỗng; W – Trọng lượng của mỗi mảnh;
Comment [HT2]: PHAI THỐNG NHẤT SỐ THẬP
PHÂN == DAU “.” HAY “,” CHO TOAN BO BÀI BAO NAY !!!
Trang 5Hình 7: Xác định hệ số an toàn theo phương
pháp phân mảnh [11]
3.3 Phương pháp luận phân tích so sánh
Khả năng chống thấm và chống trượt sâu của các giải pháp gia cố đê hiện nay ở ĐBSCL và giải pháp gia cố đê bằng cọc đất trộn ximăng được phân tích bằng phần mềm SEEP/W và SLOPE/W Lưu lượng mưa ngày được lấy tại
trạm đo Châu Đốc i = 121 mm/ngày = 0,00504
m/giờ (QCVN 02:2009/BXD) Mực nước sông rút với tốc độ 0,2 m/ngày dựa trên kết quả khảo sát thực tế Các trường hợp phân tích được trình bày trong Bảng 3
Bảng 3 Các trường hợp phân tích thấm và ổn định
Trường hợp phân tích Mực nước
sông (m)
Mực nước ruộng (m)
Phân tích thấm
Phân tích ổn định Mực nước sông cao nhất +3,10 +1,42 x x Mực nước sông cao nhất
có mưa
+3,10 +1,42 x x
Mực nước sông rút nhanh +3,10 xuống +0,6 +1,42 x x Mực nước sông thấp nhất +0,6 +1,42 - x
x: có xét đến trong tính toán
Các giải pháp gia cố bằng cừ tràm và lưới
thép B40 có nguyên lý hoạt động là tăng sức
kháng cắt trong thân đê nên chọn phương án gia
cố cừ tràm để phân tích tính toán Các loại vật
liệu này không ngăn được dòng thấm trong đất
nên lấy hệ số thấm bằng hệ số thấm của các lớp
đất Hệ số thấm lớp 1 chọn từ 10-6
đến 10-4 m/s
do thân đê có hiện tượng nứt nẻ và có nhiều lỗ mọt Bề rộng một và hai hàng cọc đất ximăng được quy đổi lần lượt là 0.5 m và 1.0 m Hệ số thấm của hỗn hợp đất ximăng là 10-9 m/s [13] Tải trọng tính toán là hoạt tải xe 2,5 tấn theo 22 TCN 210-92 Các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp đất ximăng được trình bày trong Bảng 4
Bảng 4: Chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp đất trộn ximăng thiết kế [3]
Hệ số thấm, k
(m/s)
Dung trọng tự nhiên, γw (kN/m3)
Cường độ nén,
q u (kN/m2)
Lực dính, c
(kN/m2)
Góc ma sát trong0
4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 Phân tích thấm
a Trường hợp mực nước sông cao nhất
Dòng thấm có xu hướng chảy từ phía sông
sang phía ruộng (Hình 8) [3] Đường dòng trên
Hình 8a và 8b đi qua thân đê, kết quả này cho
thấy các giải pháp gia cố đê hiện nay không có khả năng chống thấm Đường dòng ở Hình 8c
và 8d bị giới hạn và có xu hướng chảy phía dưới cọc đất ximăng, kết quả này cho thấy phương pháp gia cố đất ximăng ngăn được dòng thấm qua đê Lưu lượng thấm qua đê tăng lên khi thân
Trang 6đê có nhiều lỗ mọt Do không thể đo trực tiếp hệ
số thấm thân đê có lỗ mọt, hệ số thấm thay đổi
từ 10-4 đến 10-6 m/s được dùng để xét sự tác
động thấm của lỗ mọt trong nghiên cứu này
Lưu lượng thấm của các giải pháp làm thoải mái
dốc và gia cố cừ tràm tăng lên hơn 90 lần khi hệ
số thấm của lớp 1 tăng từ 10-6 lên 10-4 m/s và thay đổi không đáng kể khi thân đê được gia cố bằng cọc đất trộn ximăng Giải pháp đất trộn ximăng một và hai hàng cọc làm giảm lưu lượng thấm so với các giải pháp khác lần lượt là 10 và
15 lần (Bảng 5)
a) Đắp bao tải cát làm thoải mái dốc b) Giải pháp gia cố cừ tràm
c) 1 hàng cọc đất trộn ximăng d) 2 hàng cọc đất trộn ximăng
Hình 8: Kết quả phân tích thấm trường hợp mực nước sông cao nhất
Bảng 5: Lưu lượng thấm qua thân đê trong trường hợp mực nước sông cao nhất
Các trường hợp
phân tích
Lưu lượng thấm qua thân đê (m3/h) Thoải mái dốc Cừ tràm Gia cố 1 hàng cọc Gia cố 2 hàng cọc
k Lop1=10-4 m/s 0.13 0.13 0.14 x 10-3 0.97 x 10-4
k Lop1=10-5 m/s 0.13 x 10-1 0.13 x 10-1 0.14 x 10-3 0.96 x 10-4
k Lop1=10-6 m/s 0.13 x 10-2 0.14 x 10-2 0.13 x 10-3 0.93 x 10-4
b Trường hợp mực nước sông cao nhất kết
hợp mưa
Đường bão hòa nước trong thân đê dâng lên
theo thời gian mưa (Hình 9) Hệ số thấm lớp 1
càng nhỏ thì đường bão hòa nước trong thân đê
dâng lên càng nhanh Với k lơp 1 = 10-6 m/s, thân
đê bão hòa hoàn toàn sau 12 giờ mưa Đường bão hòa nước trong thân đê dâng lên không
đáng kể khi k lơp 1 = 10-4 m/s sau 24 giờ mưa, nguyên nhân là do hệ số thấm lớp 1 lớn làm tăng khả năng thoát nước trong thân đê ra phía bên ngoài
Comment [HT3]: CHUYEN TOAN BO THONG TIN
THANH TIENG VIET !!!
DIEU CHINH TUONG TU CHO TOAN BO BAI BAO VA LVTN !!!
Trang 7a) Đắp bao tải cát làm thoải mái dốc b) Giải pháp gia cố cừ tràm
c) 1 hàng cọc đất trộn ximăng d) 2 hàng cọc đất trộn ximăng
Hình 9: Đường bão hòa nước trong thân đê khi có mưa
c Trường hợp mực nước phía sông
rút nhanh
Đường bão hòa nước trong thân đê khi mực
nước sông rút với vận tốc 0,2 m/ngày từ mực
nước cao nhất xuống mực nước thấp nhất thể
hiện trên Hình 10 Mực nước trong thân đê giảm
khi mực nước sông giảm đối với các giải pháp gia cố hiện nay (Hình 10a, 10b) Kết quả ở Hình 10c và 10d cho thấy đường bão hòa nước trong thân đê không thay đổi khi mực nước phía sông thay đổi, kết quả này cho thấy sự hiệu quả của việc ngăn dòng thấm khi có tường đất ximăng
a) Đắp bao tải cát làm thoải mái dốc b) Giải pháp gia cố cừ tràm