Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu Chương 2. Phân loại nền đê tỉnh Hà Nam trên quan điểm ổn định thấm Chương 3. Giải pháp ổn định thấm nền đê cho một đoạn trọng điểm trên đê Tả Đáy Chương 4.
Nghiên cứu thực nghiệm khoan phụt hóa chất để xử lý khẩn cấp sự cố thấm nền đê. Phần tài liệu tham khảo: liệt kê 15 tài liệu tiếng Việt, 09 tài liệu tiếng Anh đã được sử dụng để hoàn thành Luận án. Phần phụ lục: gồm 11 phụ lục, trình bày các bảng biểu thí nghiệm tiến hành trong khuôn khổ Luận án và bản đồ phân loại cấu trúc nền đê tỉnh Hà Nam. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 1- Luận án đã điều tra thu thập tài liệu, khảo sát bổ sung để lập bản đồ phân vùng địa chất các tuyến đê dựa trên phương pháp luận về an toàn ổn định thấm.
Bản đồ này có thể sử dụng cho công tác phòng chống bão lụt, quản lý bảo vệ đê điều của tỉnh Hà nam. Luận án kết luận: có thể có thể mô phỏng đơn giản hóa mặt cắt địa chất đê tỉnh Hà Nam như hình 2.1 (ứng với trường hợp 7 theo Tiêu chuẩn Mỹ [24]- 5 Phụ lục 1) và sử dụng công thức giải tích để tính toán kiểm tra ổn định thấm trong bước lập dự án đầu tư. 2- Luận án đã đề xuất được giải pháp ổn định thấm nền đê bằng giếng cọc vây gồm các cọc xi măng đất chồng lấn tạo thành tường liên tục. Giải pháp mới phù hợp với các đoạn đê có nhiều ao hồ nằm sát chân đê, không phải duy tu (thau rửa định kỳ) như làm giếng giảm áp, không phải lấp ao làm ảnh hưởng đến sản xuất (nuôi trồng thủy sản) của nhân dân.
3- Luận án bước đầu có những nghiên cứu ứng dụng công nghệ khoan phụt hóa chất kết hợp với xi măng để xử lý khẩn cấp các sự cố thấm nền đê. 4- Kết quả nghiên cứu của Luận án phục vụ thiết thực và hiệu quả cho công tác phòng chống bão lụt, quản lý đê điều trên địa bàn tỉnh Hà Nam. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 ĐÊ ĐIỀU TỈNH HÀ NAM VÀ MỘT SỐ SỰ CỐ DO NGUYÊN NHÂN THẤM 1.1 Tình hình đê điều tỉnh Hà Nam Hà Nam là vùng trũng và chịu nhiều ảnh hưởng của nước lũ từ đầu nguồn tràn về. Hệ thống đê điều của tỉnh dài hơn 319Km, trong đó đê cấp I đến cấp III (hữu Hồng và tả Đáy) dài gần 90Km, đê cấp IV (sông Nhuệ, Châu Giang, Hoành Uyển, chắn nước Hà Tây + tả Duy Tiên) dài hơn 98Km.
Ngay từ thời Pháp thuộc, công tác hộ đê phòng lụt đã được chính quyền quan tâm và tổ chức chặt chẽ (hình 1. Công trình kè cống trên các tuyến đê đa phần là xây dựng từ cách đây 50÷60 năm. Điển hình như cống Vũ Xá, vị trí K134+108 trên đê hữu Hồng thuộc xã Đạo Lý (Lý Nhân) xây dựng từ năm 1930, hiện trạng cống yếu, có nơi bị bung và nứt; đê tả Đáy đoạn K101,7 đến K102,7 (thuộc Kim Bảng) có kè nhưng khá yếu, nhiều phương tiện vận tải nặng đi qua, dòng chủ lưu chảy thẳng góc với mái đê có nguy cơ sạt lở cao.1 Phòng thủy lợi Cao Dương – Hà Nam và công tác đê điều dưới thời Pháp Tình trạng khai thác đất làm gạch đã tạo nên hàng ngàn ao, hồ, thùng đấu phía trong và ngoài đê, có nơi rất gần chân đê. Có những ao rộng hàng ngàn m2 và chỉ cách đê sông Hồng 100m (như ở xã Chuyên Ngoại huyện Duy Tiên), rất nguy hiểm đối với đê khi nước lũ dâng cao.
Ví dụ: đoạn đê bối ở xã Chuyên Ngoại (huyện Duy Tiên) 7 bị vỡ tháng 10/2006, cống Tắc Giang đoạn Km129+530 đê Hữu Hồng thuộc địa phận xã Chuyên Ngoại bị sự cố tháng 8/2012, v. Việc khai thác cát trái phép đã gây ra hàng loạt vụ sạt lở đất, gây vỡ đê bối làm cho diện tích đất canh tác ngày càng thu hẹp gây mất ổn định tình hình kinh tế xã hội cũng như sự an toàn của công trình đê điều. Điển hình như ở xã Thanh Tuyền (Thanh Liêm) do khai thác cát ở gần khu vực đê bối Lại Xá đã làm mất đi hàng chục héc ta đất canh tác do đê bối bị lở, phải di chuyển vào phía trong. Từ năm 2000 đến nay, người dân ở đây đã 4 lần phải di chuyển đê vào phía trong diện tích đất canh tác, mỗi lần di chuyển chỗ ít cũng phải 10m, còn thông thường từ 20÷25 m, cá biệt có chỗ phải lùi vào sâu trên 30m.
Mặc dù hàng năm ngân sách của Trung ương và địa phương đều phải bỏ ra nhiều tỷ đồng để duy tu bảo dưỡng hệ thống đê điều. Nhưng do điều kiện địa chất nền đê phức tạp nên mùa lũ vẫn xuất hiện mạch đùn mạch sủi ở những vị trí trọng điểm và một số cống dưới đê. Một số nơi thậm chí đã xảy ra những sự cố nghiêm trọng. Vì vậy, vấn đề xử lý những hiện tượng này đã được đặt ra một cách nghiêm túc.2 Hiện tượng mạch đùn, mạch sủi nền đê vào mùa lũ Mạch thấm rỉ xuất hiện rải rác ở thân đê hay nền đê, nước thấm ra với tốc độ và lưu lượng nhỏ và hầu như không mang theo các hạt khoáng.
Sự xuất hiện của mạch thấm rỉ ít gây nguy hiểm cho đê nhưng có thể gây sạt lở mái đê, cơ đê, là tiền đề cho mạch đùn, mạch sủi phát triển. Mạch đùn thường xuất hiện ở nơi mà tầng chứa nước (cát) có chiều dày lớn, nhưng tầng phủ phía trên (đất thịt) có độ bền (cơ học, thấm) tương đối cao. Khi nước sông cao, những nơi có chiều dày lớp phủ nhỏ (thùng trũng, ao hồ, .) dễ bị bục tầng phủ, nước thoát ra với tốc độ lớn qua các khe nứt, hang hốc… rất nguy hiểm đối với ổn định của đê (hình 1. Mạch sủi thường xuất hiện ở những nơi mà tầng chứa nước nằm nông, phân bố ở gần chân đê hạ lưu, cách chân đê từ 0÷20m cá biệt có nơi từ 100÷200m.
Kích thước mạch sủi quan sát được từ vài cm tới hàng chục cm, trung bình từ 10÷20cm. Nước 8 thoát ra từ mạch sủi có tốc độ và lưu lượng tuỳ thuộc vào kích thước miệng thoát và gradien áp lực thấm. Vật liệu mang theo thường là các cát hạt nhỏ, mịn lẫn nhiều bụi. Mực nước sông dâng càng cao thì các mạch sủi xuất hiện càng nhiều và thường tập trung ở các vị trí trọng điểm thành tập đoàn mạch sủi hay bãi sủi.2 Mạch đùn ở hạ lưu đê Hình 1.3 Cát dưới nền bị đẩy nổi quanh hố Khi biến dạng thấm phát triển mạnh, nước từ dưới đùn lên với tốc độ và lưu lượng lớn mang theo nhiều hạt cát làm rỗng nền đê, dẫn đến mặt đất bị sụt xuống và nền đê có thể bị phá vỡ một cách nhanh chóng gây nên vỡ đê.
Mức độ và quy mô phát triển các biến dạng thấm rất khác nhau, lưu lượng nước chảy ra có thể lôi cuốn tới hàng chục, hàng trăm mét khối cát. Như vậy sự xuất hiện và mức độ nghiêm trọng của biến dạng thấm ở nền đê không chỉ phụ thuộc vào mực nước lũ mà còn có quan hệ chặt chẽ với đặc điểm cấu trúc nền đê. Trong đó, sự có mặt của các lớp trầm tích hạt rời, chiều sâu, chiều dày và phạm vi phân bố của tầng chứa nước và tầng phủ phía trên là những yếu tố ảnh hưởng đến sự phát sinh, phát triển biến dạng thấm ở nền đê. Vì vậy, đánh giá mức độ trọng điểm của một đoạn đê phải gắn với việc phân loại nền đê theo quan điểm về biến dạng thấm.
Các hiện tượng mạch đùn, mạch sủi như miêu tả ở trên là đặc điểm chung của hệ thống đê vùng đồng bằng sông Hồng nói chung và Hà Nam nói riêng. Trong lịch sử, mạch đùn, mạch sủi đã xảy ra tại Km123+200 và Km146+150 đê Hữu Hồng vào mùa lũ 2008 (xem hình 1.3), tại Km103+100 đê Tả Đáy năm 2009.3 Hiện tượng thấm qua nền và mang cống dưới đê Cống dưới đê là một hạng mục quan trọng đặc biệt trên các tuyến đê, nhiều sự cố gây vỡ đê là do cống bị thấm. Tuy nhiên, do đặc điểm của kết cấu công trình và tính chất của dòng thấm qua cống dưới đê khác với thấm qua nền đê. Vì vậy, công nghệ chống thấm, xử lý đùn sủi qua cống dưới đê khác với công nghệ xử lý thấm qua nền đê.
Kết quả điều tra 855 cống dưới đê trong Đề tài độc lập cấp Nhà nước "Nghiên cứu giải pháp KHCN để sửa chữa nâng cấp cống dưới đê" năm 2005 cho thấy, trên hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình có 132 cống bị hư hỏng cần sửa chữa, trong đó có 20 cống bị thấm chiếm 15% 6. Thống kê các sự cố vỡ đê thì đa phần đều ở vị trí cống, ví dụ như Cống Thôn (1986), cống Nội Doi (1995) v.v… Một loạt các cống mới xây dựng gần đây bị sự cố thấm như: Cống D10 (xây xong năm 1998), Mai Trang (2001), Vĩnh Mộ (2005), Nhân Hiền (2011), Đập Phúc (2011), Tắc Giang (2012),. cho thấy vấn đề này cần phải được tiếp tục tìm hiểu và phân tích một cách sâu sắc hơn. Tuy nhiên, có thể đưa ra một số nhận định bước đầu như sau: - Các cống trên đều xây dựng trên nền cát chảy, đặc trưng của địa chất nền nhạy cảm về thấm chạy dọc từ Hà Nội xuống Hà Nam và Nam Định.
- Các cống đều xử lý đóng cọc bê tông cốt thép. Một số cống có đóng cừ chống thấm. - Quan sát hiện trạng các cống bị sự cố cho thấy dòng thấm mang theo một lượng cát nền trôi xuống hạ lưu. Ví dụ như: cống Đập Phúc đã phải bơm 360m 3 vữa (cát + ximăng), Vĩnh Mộ (150m3), Nhân Hiền (150m3), Tắc Giang (600m3).
có những cống nền rỗng trên 3m, cống hầu như đứng trên đầu cọc. Gần đây nhất đã xảy ra sự cố đùn sủi, sụt lún ở cống và âu thuyền Tắc Giang (hình 1.4) thuộc tiểu dự án Hệ thống thủy lợi Tắc Giang - Hà Nam, dự án thủy lợi khu vực sông Hồng giai đoạn 2 (ADB3). Công trình được xây dựng tại vị trí Km129+530 trên đê Hữu Hồng, giữa hai huyện Lý Nhân và Duy Tiên (Hà Nam). 10 Cụm đầu mối cống và âu thuyền là công trình cấp I, đặt trên nền địa chất là cát và gia cố bằng cọc bê tông cốt thép.
Vào lúc 5h30 ngày 01/08/2012 phát hiện đùn sủi mạnh ở tường quặt bờ trái cống. Thời điểm sự cố chênh lệch mực nước thượng và hạ lưu là 2,4m. Đến 10h cùng ngày toàn bộ gian đặt tủ điện vận hành bị sụt hoàn toàn xuống hố xói.