Chương trình bồi dưỡng kiến thức quản lý an toàn đập- Kết cấu lọc trong đập đất- Video Clip No3

Nội dung CLIP No3- Kết cấu lọc trong đập đất

Một trong những nguyên nhân chính gây vỡ đập đất là do xói ngầm. Mặc dù cơ chế xói ngầm đã được nghiên cứu từ lâu, sự cố vỡ đập do xói ngầm cũng đã được truyền thông rộng rãi, nhưng sự cố do xói ngầm vẫn xảy ra. Nguyên nhân có thể là do đập không có kết cấu lọc và tiêu nước thấm, hoặc có nhưng kết cấu bị vô hiệu. 

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, có hai cơ chế xói ngầm xảy ra trong đập đất: (1) Xói ngầm xuất phát từ thượng lưu đi về hạ lưu, và (2) Xói ngầm xuất phát từ hạ lưu phát triển về thượng lưu. 

Giải thích hiện tượng này như sau: Do chênh lệch cột nước thấm từ thượng lưu về hạ lưu, trong thân đập luôn có dòng thấm di chuyển với vận tốc rất nhỏ. Nếu trong thân đập có khe nứt nhỏ, dòng thấm sẽ tập trung đi theo khe nứt, nếu có vận tốc đủ lớn (tức là khi mức nước hồ lớn) sẽ lôi cuốn theo các hạt đất mịn ở thành khe nứt, chui qua các khe rỗng giữa các hạt lớn trên đường đi và thoát ra hạ lưu, dần hình thành một ống xói phát triển từ thượng lưu về hạ lưu. Hiện tượng hình thành ống xói như vậy gọi là xói trong. Lâu dài, khi kích thước lớn dần, ống xói sẽ sập xuống gây nguy cơ vỡ đập. 

Ở trường hợp khác, cửa ra của dòng thấm là lớp đất có tính thoát nước kém, dòng thấm bị chặn lại, tạo ra chênh lệch áp lực cột nước thấm giữa trước và sau lớp đất. Khi áp lực thấm vượt quá sức chống đỡ sẽ gây ra hiện tượng đẩy bục lớp đất ở mặt ngoài để dòng thấm thoát ra, quá trình này xuất phát từ mặt thoáng ở mái hạ lưu, sâu dần vào trong thân đập, ngược về thượng lưu. 

Vì vậy, tại cửa ra của dòng thấm phải bố trí lớp vật liệu có khả năng giải thoát nước thấm nhưng giữ lại các hạt đất không cho thoát ra ngoài,  một mặt để triệt tiêu được áp lực thấm, một mặt giữ lại các hạt mịn trong thân đập không để hình thành ống xói. Đó là chức năng của kết cấu lọc nước áp dụng trong thiết kế đập đất. Kết cấu lọc bao gồm các lớp vật liệu hạt thô (cát, sỏi, đá) có cấp phối chuyển tiếp hợp lý, theo nguyên tắc là các hạt nhỏ của lớp này không chui vào lỗ rỗng của lớp tiếp theo.

Dòng thấm sau khi đi qua kết cấu lọc sẽ được tập trung lại và dẫn ra ngoài qua một đường dẫn, gọi là đường tiêu nước. Đường tiêu nước có thể là đường ống hoặc dưới dạng thảm vật liệu hạt thô. 

Trong các tài liệu kỹ thuật, các lớp vật liệu lọc và tiêu nước thấm được gọi chung dưới tên gọi là kết cấu lọc/thoát nước.

Nhờ có kết cấu lọc/thoát nước nên dòng thấm có xu hướng đổ vào đó và làm hạ thấp đường bão hoà trong đập đất, mái hạ lưu trở nên khô ráo hơn, tăng ổn định mái. Nhưng nếu thiết kế không tốt (tức là cấp phối giữa các lớp vật liệu không tốt), hoặc thi công không theo thiết kế, hoặc bảo trì không tốt (cây cỏ lấp bịt kết cấu lọc/thoát nước) thì có thể có 2 hiện tượng xảy ra: 

- Một là lớp lọc bị thông/thủng, tức là các hạt nhỏ chui hết ra ngoài, kết cấu lọc/thoát nước bị moi rỗng. Khi khoảng rỗng đủ lớn, mái đập bị sụp xuống theo và vỡ đập là có thể xảy ra. Có thể nhận biết việc mất mát vật liệu lọc khi xem xét bùn cát đọng lại chỗ ra của dòng thấm.

- Hai là lớp lọc bị tắc, các hạt nhỏ lấp tắc trước lớp hạt thô phía sau, nước thấm không đi qua và thoát đi được, dồn ứ lại, dẫn đến đường bão hoà dâng cao. Đất ở mái hạ lưu bị bão hoà, giảm sức kháng cắt, hệ số ổn định của mái giảm và có nguy cơ trượt mái.

Để giảm thiểu và ngăn chặn xói ngầm, trong thiết kế, thi công và bảo dưỡng đập đất cần bảo đảm các yêu cầu sau đây:

- Trong thiết kế: lựa chọn kết cấu và cấp phối hợp lý, hiệu quả lọc cao, giảm thiểu được công tác duy tu bảo dưỡng. Kết cấu lọc dạng ống khói hoặc thảm lọc đặt ở nền đập thường được ưu tiên sử dụng vì có nhiều ưu điểm.

- Trong thi công: sàng lọc và thi công các lớp lọc cẩn thận, theo đúng thiết kế;

- Trong quản lý: thường xuyên cắt dọn cây cỏ mọc ở khu vực khối lọc lộ thiên, theo dõi và kịp thời phát hiện nước có lẫn bùn đất chảy ra từ ống tiêu nước, sau kết cấu lọc.

Kết luận:

1- Thiết bị thoát nước và tầng lọc là những bộ phận quan trọng của đập vật liệu địa phương nhằm bảo vệ đập dưới tác dụng của dòng thấm tại cửa ra, chống lại hiện tượng xói ngầm trong thân đập và nền cũng như làm giảm áp lực nước lỗ rỗng , gia tăng ổn định mái đập. Nhìn chung, thiết kế tầng lọc cho đập vật liệu địa phương dựa vào TCVN 8422:2012 2- Tầng lọc ngược được bố trí tại những vị trí tiếp giáp giữa các lớp vật liệu đắp, nơi có nguy cơ các hạt vật liệu chuyển dịch từ lớp nọ sang lớp kia, hoặc tại các vị trí bố trí lớp lọc. Tầng lọc ngược có tác dụng lọc giữ đất nhưng thoát nước, đề phòng các hiện tượng biến dạng đất do dòng thấm gây ra như xói ngầm, đùn đất, xói tiếp xúc, đùn đất tiếp xúc làm phá hoại thân đập. Tầng chuyển tiếp ngoài tác dụng phòng xói còn có tác dụng phòng tránh sự biến dạng và sự thay đổi đột ngột của ứng suất giữa hai loại vật liệu có độ cứng khác biệt nhau rất lớn gây ra. 3- Tùy theo sự khác nhau về thành phần hạt của các khối liền kề, giữa bộ phận chống thấm với các bộ phận gia tải, có thể chỉ bố trí tầng lọc ngược hoặc phải bố trí đồng thời tầng lọc ngược và tầng chuyển tiếp.

Video được xây dựng trong khuôn khổ dự án WB8 do WB tài trợ.