Báo cáo khoa học đặc điểm PHÁ HUỶ hệ THỐNG đê SÔNG ĐỒNG BẰNG bắc bộ TRONG THỜI GIAN mưa lũ

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 quá trình phá huỷ nền và thân đê của hệ thống đê sông Đồng bằng Bắc bộ trong thời gian mưa lũ
diễn ra theo các kịch bản rất khác nhau phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên của từng khu vực (cấu trúc địa
chất, địa chất thuỷ văn, địa hình, địa mạo v.v…), đặc điểm hoạt động kinh tế- xây dựng của con người trong
phạm vi của hệ thống Địa-Kỹ thuật đê sông (HĐKTĐS) và đặc điểm vật liệu cũng như công nghệ đắp đê
qua các thời kỳ. Về bản chất, các quá trình phá huỷ nền và thân đê là tổ hợp của các quá trình địa cơ, thuỷ
địa cơ học cơ sở phát triển theo thời gian trong phạm vi HĐKTĐS. Sự phá huỷ hệ thống đê sông đồng bằng
Bắc Bộ trong thời gian mưa lũ có hai kịch bản chủ yếu: Phá huỷ thân đê dẫn đến phá huỷ thấm hệ thống đê
và vỡ đê; Phá huỷ thấm nền đê dẫn đến phá huỷ hệ thống đê và vỡ đê.
Việc luận chứng bản chất các quá trình phá huỷ đê, các giai đoạn phát triển của chúng cũng như các
quá trình địa cơ, thuỷ địa cơ học thành phần tương ứng là cơ sở cho việc đánh giá, dự báo ổn định cũng
như lựa chọn các giải pháp bảo vệ hệ thống đê.
2. Phá huỷ thân đê trong thời gian mưa lũ
Trong thân đê tồn tại hai hệ thống khe nứt theo đặc điểm nguồn gốc phát sinh. Dưới đây sẽ trình bày về
hai hệ thống này.
2.1 Hệ thống các khe nứt lún
Do cấu trúc địa chất nền đê không đồng nhất, trong phạm vi HĐKTĐS tồn tại các lớp đất có thành phần
và tính chất đặc biệt (đất yếu- bùn, các loại cát mịn – cát bụi dễ hoá lỏng…) phân bố không gian không ổn
định, chiều dày thay đổi mạnh, thậm chí rất đột ngột trong phạm vi nền đê tạo thành các túi bùn có chiều
dày lớn, hoặc các lớp cát mịn- cát bụi dễ hoá lỏng nổi ngay gần mặt đất. Các lớp đất này rất nhạy cảm với
các tác động nhân sinh như tải trọng tác động từ hệ thống đê (tải trọng thân đê, tải trọng từ hệ thống giao
thông trên mặt đê..) làm cố kết các lớp đất, gây lún không đều nền đê và xuất hiện các vết nứt trong thân
đê. Do có nguyên nhân nền móng nên các khe nứt loại này có chiều sâu phát triển lớn. Do đặc tính co ngót
vật liệu mà các khe nứt loại này được mở rộng dần lên phía mặt đê. Độ mở lớn nhất của khe nứt có thể lên
tới 3-4cm (đê Gia Lương-Hà Bắc, 1983-1984). Sử dụng phương pháp đo điện trở suất dễ dàng bắt được
các khe nứt loại này (hình 1a,b).
1.

a)

b)

Hình 1. Các vết nứt có nguyên nhân nền móng phát triển trong thân đê
a) Đê Gia Lương - Hà Bắc (1984)
b) Đê Nhật Tân – Hà Nội (1995)
Độ mở của các khe nứt về mùa khô có thể phát triển tới chiều sâu 3-4m tính từ mặt đê. Phân bố
của chúng trong thân đê phụ thuộc nhiều vào cấu trúc nền đê, thường thì chúng tạo thành hệ thống
các khe nứt lớn cắt ngang đê, từ thượng lưu xuống hạ lưu (đê Gia Lương-Hà Bắc, đê Thanh Trì-Hà Nội)
hoặc hệ thống các khe nứt dọc đê (đê Yên Phụ-Hà Nội). Đây là hệ thống các khe nứt lớn và sâu trong thân


đê, trong đó đặc biệt nguy hiểm là các khe nứt cắt ngang đê từ thượng lưu xuống hạ lưu. Đó là những đường
thông nước chủ yếu qua thân đê trong thời gian mưa lũ.
2.2. Hệ thống các khe nứt co ngót trong thân đê
Hệ thống các khe nứt co ngót phát triển chủ yếu ở hai mái đê (phía thượng lưu và phía hạ lưu) phụ thuộc
vào thành phần khoáng vật, độ dốc của sườn cũng như chế độ dao động của nhiệt độ, độ ẩm trong thân đê.
Trong đất thân đê ở phần mái đê đã tồn tại sẵn ứng suất căng nên khe nứt
co ngót xuất hiện khi gradien biến đổi độ ẩm còn rất nhỏ (so với gradien biến đổi độ ẩm trong thân đê). Ứng
suất co ngót xuất hiện khi độ ẩm của đất không đáp ứng phương trình Laplas:
2 (W – Wp) = 0
Trong đó:
W- độ ẩm của 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 các số
liệu quan trắc thực tế và công thức tính toán trong {4}) thì đổi hướng song song với mái đê (hình 2). Đây là các khe
nứt thấm nước và cũng là những mặt trượt tương lai trong thời gian mưa lũ.

Hình 2. Đặc điểm phát triển các khe nứt co ngót ở mái đê (kết quả thí nghiệm trên mô hình)

Khi mực nước lên cao, nước lũ nhanh chóng thấm qua thân đê theo các hệ thống khe nứt trong thân đê
và thoát ra theo hệ thống các khe nứt co ngót ở mái đê phía đồng. Áp lực thuỷ động của dòng thấm theo hệ
thống khe nứt trong đê làm giảm nhanh chóng hệ số ổn định mái đê {4} gây sạt trượt mái đê và rất có thể vỡ
đê nếu thời gian ngâm lũ lâu và không xử lý kịp thời.
Như vậy, các giai đoạn phá huỷ đê từ thân đê có thể sắp xếp như sau: Hình thành các khe nứt trong thân
đê (do lún, do co ngót)  thấm qua thân đê theo hệ thống khe nứt  sũng ướt mái đê  sạt trượt mái đê 
vỡ đê.
3. Hư hỏng hệ thống đê do phá huỷ thấm nền đê trong thời gian mưa lũ
Tại các khu vực mà dưới nền đê tồn tại các lớp cát thấm
nước tốt có diện phân bố rộng thì nguy cơ xảy ra phá huỷ thấm nền đê là rất lớn, đặc biệt là các khu vực đê nằm
trên lòng sông cổ (hành lang thông nước) như khu vực hồ Tây, hồ Trúc Bạch, Thanh Trì,..
Khi mực nước lên cao, dòng thấm có xu hướng đi từ sông qua nền đê làm gia tăng áp lực dòng thấm ở phía
trên hạ lưu đê. Áp lực này sẽ gia tăng nhanh chóng theo thời gian ngâm lũ. Nếu thời gian ngâm lũ kéo dài, áp
lực dòng thấm ở phần hạ lưu đê sẽ rất lớn, khi đó sự ổn định của nền đê phía hạ lưu phụ thuộc hoàn toàn vào
độ bền của lớp phủ chắn nước nằm trên tầng cát thấm nước. Quá trình phá huỷ nền đê bắt đầu thực sự từ khi
xuất hiện hiện tượng bục đất do chiều dày và độ bền của lớp phủ bảo vệ không đủ lớn {4} và hình thành miền
thoát tích cực qua cửa sổ bục đất (hình 3).
Th©n ®ª

Th©n ®ª
1

1

TÇng phñ ch¾n
n­íc chèng thÊm

a)

a)

2

TÇng phñ ch¾n
n­íc chèng thÊm

b)
b)

2

Hình 3. Sơ hoạ quá trình phá huỷ thấm nền đê
a) Trước khi hình thành cửa sổ bục đất b) Sau khi hình thành cửa sổ bục đất


Dòng thấm nhanh chóng tập trung qua cửa sổ bục đất, động lực của dòng thấm làm phá vỡ các mối
liên kết kiến trúc giữa các hạt cát (nếu có) và đùn đẩy cát thoát qua cửa sổ tạo thành các khoảng rỗng
xung quanh cửa sổ làm sập lớp đất phủ bảo vệ phía trên. Quá trình này lan nhanh theo chiều từ cửa sổ
bục đất đến chân đê (theo chiều gia tăng của áp lực dòng thấm). Khi quá trình đã lan đến chân đê thì đê
bị sập và sự vỡ đê chỉ xảy ra trong chốc lát. Đê Vân Cốc (Sơn Tây) bị vỡ mùa lũ năm 1986 theo cơ chế
như trên (hình 4, 5).
Khu vực
cửa sổ
bục đất

Hình 4. Hình ảnh phá huỷ thấm nền đê Vân Cốc – Hà Tây (1986)

Hình 5. Hình ảnh vỡ đê Vân Cốc – Hà Tây (1986)
Nếu tầng phủ chắn nước phía hạ lưu bị chọc thủng sẵn do đào giếng, đào ao … thì quá trình
phá huỷ thấm nền đê đã có sẵn miền thoát sẽ phát triển thuận lợi hơn (hình 6).

Đê

Vị trí
giếng
đào

Hình 6. Phá huỷ thấm nền đê bắt đầu từ quá trình đùn đẩy cát qua giếng đào,
làm sập tầng phủ chống thấm và phá huỷ nhà.
Như vậy, quá trình phá huỷ hệ thống đê do phá huỷ thấm từ nền đê có thể sắp xếp theo thứ tự
như sau:


Gia tăng áp lực dòng thấm phía hạ lưu đê  thẩm lậu nền đê  bục đất  tập trung và phát
triển dòng thấm qua cửa sổ bục đất  hoá lỏng - cát chảy - đùn đất qua cửa sổ bục đất  tập trung
và 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 bản phá huỷ đê như trên, các giải pháp bảo vệ đê tập trung vào gia cố thân đê (đảm
bảo đê không bị nứt) và nền đê (không phát triển các quá trình biến dạng thấm).
4. Định hướng các 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 nền đê
theo đặc điểm nhạy cảm với tải trọng tác động làm cơ sở cho việc lựa chọn các tuyến đê được
phép sử dụng làm đường giao thông, hạn chế sử dụng các tuyến đê làm đường giao thông và
không sử dụng các tuyến đê làm đường giao thông có tải trọng lớn.
 Khoan phụt thân đê: chủ yếu là khoan phụt đất sét chèn lấp các khe nứt trong thân đê.
 Trồng cỏ phủ kín mái đê: để tăng cường mức độ ổn định chế độ nhiệt và ẩm của đất thân đê,
giảm khả năng phát triển các khe nứt co ngót trên mái và trong thân đê.
4.2. Các giải pháp bảo vệ nền đê
 Xác định hành lang bảo vệ nền đê: hành lang bảo vệ nền đê phải được tính toán cụ thể cho từng đoạn

đê, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và khả năng tạo áp lực dòng thấm phía hạ lưu đê. Trong phạm vi
hành lang bảo vệ đê không được phép đào giếng và các 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 và
biến dạng của 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: đây là biện pháp chủ động làm giảm áp lực nước phía hạ
lưu đê, tuy nhiên kỹ thuật xây dựng giếng giảm áp phải đảm bảo không để xảy ra quá trình hoá
lỏng- cát chảy- đùn đất qua giếng giảm áp.
 Khoan phụt tạo tường chống thấm dưới nền đê: đây là biện pháp đẩy dòng thấm đi xa hơn, giảm áp
lực dòng thấm vùng lân cận chân đê phía hạ lưu.
5. Kết luận
 Hệ thống đê sông đồng bằng Bắc Bộ liên tục bị đe doạ bởi các quá trình phá huỷ nền và thân đê
trong thời gian mưa lũ heo hai kịch bản sau:
a. Hình thành hệ thống khe nứt trong thân đê  thấm qua thân đê theo các 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 nền đê  bục đất  tập trung và 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 được thiết kế, tính toán phù hợp với từng đoạn đê tương ứng
với các kịch bản phá huỷ đê bao gồm:
a. Sử dụng hệ thống đê làm đường giao thông một cách hợp lý, trồng cỏ phủ kín mái đê, khoan
phụt thân đê.
b. Xác định hành lang bảo vệ đê, gia tăng chiều dày tầng phủ, sử dụng giếng giảm áp, khoan
phụt tạo tường chống thấm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Báo cáo hiện trạng nứt nẻ đê Gia Lương (Hà Bắc). Viện Địa chất- Viện Khoa học Việt Nam, 1984.
2. Báo cáo đặc điểm điều kiện ĐCCT và hiện tượng nứt đê Thanh Trì, Hà Nội. Trường Đại học Mỏ- Địa
chất, 1987.
3. TRẦN MẠNH LIỂU, ĐOÀN THẾ TƯỜNG. Hệ thống Địa kỹ thuật đê sông đồng bằng Bắc Bộ và

vấn đề ổn định, điều khiển hệ thống Địa- Kỹ thuật đê sông. Báo cáo Hội nghị Địa chất công trình
và Môi trường toàn quốc, Hà Nội, tháng 4/2005.
4. TRẦN MẠNH LIỂU, ĐOÀN THẾ TƯỜNG. Một số cơ sở nghiên cứu đánh giá các quá trình địa cơ và
thuỷ địa cơ phát triển trong hệ thống Địa – Kỹ thuật đê sông đồng bằng Bắc Bộ. Tạp chí Khoa học Công
nghệ xây dựng số 4/2005.
5. TRẦN MẠNH LIỂU và nnk. Nguyên nhân nứt đê Nghi Tàm - Yên Phụ. Báo cáo khoa học, lưu
Viện Địa Chất, Viện Khoa học và Công Nghệ Việt Nam, 1995.
6. TRẦN MẠNH LIỂU và 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.
7. TRẦN MẠNH LIỂU và nnk. Nguyên nhân sự 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.
8. PHẠM HỮU SY. Sự phá huỷ đê do thấm và công tác bảo vệ đê. Tạp chí Địa Kỹ thuật, số 1/1999.