Nghiên cứu xói ngầm, cát chảy nền đê sông Hồng bằng phương pháp thí nghiệm hiện trường

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 15 
NGHI N C U X I NGẦ CÁT CH Y NỀN Đ SÔNG H NG 
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆ HIỆN TRƯỜNG 
BÙI VĂN TRƢỜNG* 
Study on the suffusion and quicksand in red river dyke foundation by in-situ 
testing method 
Abstract: The suffusion and quicksand are the typical permeable 
deformation forms occured on “discharge oppening” areas where 
underground seepage flows infiltrate through with the permeable pressure 
gradient overs limited permeable pressure gradient of soil. In order to 
forcasting the danger of permeable deformation for soils under dyke 
foundation, it needs to exactly determine the limited permeable pressure 
gradient caused suffusion (I
x
gh) and caused quicksand (I
c
gh). 
The paper presents results for determining the permeable deformation 
characteristics (I
x
gh & I
c
gh) of the fine - silt sand layers belonging to Thai Binh 
and Hai Hung fomations under Red river dyke foundation by in-situ test. 
Keywords: Dyke ground foundation, suffusion, quicksand or running 
sand, in-situ test. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ * 
Trong xây dựng các công trình thu lợi, thu 
điện và các công trình ngầm,..., xói ngầm, cát 
chảy là những quá trình địa chất động lực hết 
sức nguy hiểm, xảy ra rất phổ biến. Nó có thể là 
nguyên nhân trực tiếp hoặc là tiền đề dẫn đến sự 
cố các công trình đê. Khả năng phát sinh, phát 
triển những quá trình này phụ thuộc chủ yếu vào 
điều kiện thu động lực của dòng thấm và tính 
chất của đất, đặc biệt là thành phần hạt và cấu 
trúc của đất. 
Quan sát thực tế biến dạng thấm (BDT) xảy 
ra ở nền đê cho thấy, dƣới áp lực của cột nƣớc 
trong tầng cát (tầng chứa nƣớc -TCN) nằm dƣới 
do mực nƣớc sông dâng cao trong mùa lũ, tầng 
phủ bị phá vỡ tại những điểm yếu (khuyết tật) 
tạo ―cửa thoát‖, từ đó nƣớc trào lên dƣới dạng 
mạch đùn (grifon), bãi đùn. Sau khi đã hình 
thành mạch đùn, dòng thấm đi lên, nếu gradien 
* Trường Đại học Thủy lợi 
 175 Tây Sơn - Đ ng Đa - Hà Nội 
 DĐ: 0912135769 
 Email: buitruongtb@gmail.com 
dòng thấm vƣợt quá gradien giới hạn của cát 
trong TCN thì tầng cát bị BDT, theo dòng thấm 
trào lên mặt đất làm rỗng nền, dẫn đến sập đổ 
tầng phủ, nếu không phát hiện xử lý kịp thời sẽ 
dẫn đến vỡ đê. Để làm sáng tỏ quá trình BDT và 
dự báo nguy cơ phát sinh BDT ở nền đê, cần 
nghiên cứu quá trình phát triển xói ngầm, cát 
chảy, xác định gradien áp lực thấm (ALT) giới 
hạn gây BDT ở tầng cát. 
Hiện nay có nhiều phƣơng pháp (PP) xác 
định gradien ALT giới hạn gây xói ngầm, cát 
chảy nhƣ tính toán lý thuyết, thí nghiệm trong 
phòng,... Tuy nhiên, PP tính toán lý thuyết còn 
có những hạn chế vì chƣa xét tới một loạt yếu tố 
thuộc về bản chất của đất nhƣ thành phần, tính 
chất, trạng thái của đất,... PP thí nghiệm trong 
phòng có ƣu điểm là khá đơn giản, dễ thực hiện 
và ít tốn kém nhƣng có những hạn chế về kích 
thƣớc và tính nguyên trạng của mẫu thí nghiệm. 
Do đó gradien ALT giới hạn xác định đƣợc là 
không hoàn toàn tin cậy. Để khắc phục những 
nhƣợc điểm nêu trên, tác giả sử dụng PP thí 
nghiệm hiện trƣờng để xác định các đặc trƣng 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 16 
BDT của cát ở vùng cửa thoát của đất nền đê. 
Mục đích của thí nghiệm là xác định cơ chế , 
hình thức BDT và I
x
gh và I
c
gh của cát ở nền đê 
và trong điều kiện tự nhiên. 
2. THÍ NGHIỆM XÓI NGẦM, CÁT 
CHẢY TẠI HIỆN TRƢỜNG 
2.1. Mô hình thí nghiệm 
Thí nghiệm xói ngầm, cát chảy (BDT của cát 
ở vùng cửa thoát) tại hiện trƣờng đƣợc tiến hành 
bằng phƣơng pháp ép nƣớc vào giếng khoan qua 
ống lọc, sơ đồ thí nghiệm đƣợc trình bày cụ thể 
ở hình 1, việc bố trí, lắp đặt hệ thống thiết bị 
đƣợc minh họa ở ảnh 01. 
Hình 01. Sơ đồ mô hình thí nghiệm xói ngầm, cát chảy ở nền đê 
Ảnh 01. Thí nghiệm xói ngầm, cát chảy bằng phương pháp ép nước vào giếng khoan 
Trong đó, Máy bơm 1 có nhiệm vụ ép nƣớc 
vào giếng khoan để gia tăng áp lực thấm trong 
tầng cát; Hố đào HĐ có kích thƣớc 0.5x0.7m 
đƣợc đào sâu bóc bỏ hoàn toàn tầng phủ; Các 
ống đo áp H1, H2 & H3 lắp đặt ở độ sâu 0.5m, 
1.0m và 1.50m ngay dƣới đáy hố đào để quan 
trắc biến đổi cột nƣớc áp lực ở vùng cửa thoát; 
Thùng, phao (9) và máy bơm (10) có nhiệm vụ 
định hƣớng, chứa nƣớc và bơm nƣớc thoát ra từ 
cửa thoát khi thí nghiệm. 
H2 
H3 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 17 
1.2. Quy trình thí nghiệm 
Cột nƣớc áp lực Ho trong giếng đƣợc tăng 
theo từng cấp 0.2, 0.4, 0,6m ..., cho đến khi 
BDT trong cát phát triển mạnh, môi trƣờng 
thấm bị phá hoại hoàn toàn. Mỗi cấp áp lực tiến 
hành quan trắc biến đổi cột nƣớc áp lực trong 
các ống đo áp H1, H2 & H3; quan trắc quá trình 
phát triển BDT và đo lƣu lƣợng (Q) thoát ra ở 
vùng cửa thoát. 
3. VỊ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ CÁC LOẠI 
ĐẤT THÍ NGHIỆM 
Thí nghiệm xói ngầm, cát chảy đƣợc lựa chọn 
tại 4 vị trí thuộc hệ thống đê sông Hồng (bảng 1). 
Đây là những nơi có tính đại diện về thành phần, 
tính chất của tầng đất cát ở nền đê và thuận lợi 
cho việc thực hiện thí nghiệm. Tại mỗi vị trí có 
mặt một loại cát thí nghiệm (bảng 2). 
Đất nền đê tại các khu vực thí nghiệm gồm 
cát hạt bụi, cát hạt nhỏ của hệ tầng Thái Bình 
(lớp 12&14) và hệ tầng Hải Hƣng (lớp 23&24). 
Đặc trƣng cơ lý của các lớp đất nền đê đƣợc 
trình bày ở bảng 2. 
Bảng 1. Các khu thí nghiệm 
Số 
TT 
Tuyến đê Vị trí 
Lớp đất 
thí nghiệm 
1 Tả Trà Lý K6.7 12 
2 Hữu Trà Lý K30.5 14 
3 Hữu Luộc K8.9 23 
4 Hữu Luộc K20.5 24 
Bảng 2. Đặc trƣng cơ lý các lớp cát nền đê tại vị trí thí nghiệm 
4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 
Kết quả thí nghiệm đƣợc trình bày cụ thể 
trong bảng 3 & bảng 4. 
Gradien áp lực thấm của cát ở vùng cửa thoát 
(I
r) xác định theo công thức: 
L
HH
Ir 31
Trong đó: 
H1 - Mực nƣớc đo áp tại ống đo áp H1; 
H3 - Mực nƣớc đo áp tại ống đo áp H3; 
L- Chiều dài đƣờng thấm, khoảng cách từ 
đáy ống đo áp H1 đến đáy ống đo áp H3. 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 18 
Bảng 3. Kết quả thí nghiệm các lớp cát của hệ tầng Thái Bình(Q2
3
tb) 
Bảng 4. Kết quả thí nghiệm các lớp cát của hệ tầng Hải Hƣng (Q2
1-2
hh) 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 19 
5. PH N TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 
Từ kết quả thí nghiệm cho thấy, ở giai đoạn 
đầu khi áp lực thấm (ALT) trong tầng cát còn 
nhỏ, nƣớc từ tầng cát thoát ra trong, không 
mang theo các hạt bụi, sét. Ở giai đoạn tiếp 
theo, khi ALT trong tầng cát tăng lên đến một 
giá trị nhất định, nƣớc thoát ra mang theo các 
hạt sét, có màu nâu nhạt. Tiếp tục tăng ALT, 
nƣớc thoát ra đục hơn và chuyển dần từ màu 
nâu nhạt sang màu nâu sẫm, mang theo các hạt 
sét, hạt bụi và vẩn hữu cơ nhƣng với hàm lƣợng 
không nhiều (bảng 3 & 4). Điều đó chứng tỏ 
trong cát có phát triển xói ngầm nhƣng mức độ 
yếu. Khi gradien ALT tăng lên tới 0,81,0 thì kể 
cả cát hạt nhỏ và cát hạt bụi trong tầng cát thuộc 
hệ tầng Hải Hƣng (qh1) và Thái Bình (qh2) đều 
xuất hiện đùn cát. Ban đầu các hạt cát ở bề mặt 
bị nơi lỏng, bị đẩy lên, chìm xuống lơ lửng ở 
trong nƣớc. Khi ALT tăng, các hạt cát càng bị 
tung cao lên dần. Đến một giới hạn nhất định, 
lƣợng nƣớc thoát ra nhiều, các hạt cát, bụi, sét, 
mùn hữu cơ và vảy mica đều bị dòng thấm đẩy 
ra khỏi bề mặt. Khi mới xuất hiện mạch đùn, 
lƣợng cát đùn lên chƣa nhiều, tốc độ và phạm vi 
còn nhỏ. Nhƣng chỉ sau một khoảng thời gian 
nhất định, số lƣợng mạch đùn xuất hiện nhiều, 
kích thƣớc mạch đùn đƣợc mở rộng nhanh 
chóng, cát trong tâng cát bị đẩy ục lên bề mặt 
với khối lƣợng ngày càng lớn mang theo cả tạp 
chất hữu cơ, vảy mica, thậm chí cả vỏ sò hến 
chứa trong cát, môi trƣờng thấm bị phá vỡ hoàn 
toàn (ảnh 02). Tại một số vị trí thí nghiệm, trong 
tầng cát có kẹp các lớp mỏng sét pha, khi mạch 
đùn cát phát triển mạnh mang theo cả những 
mảng nhỏ bùn sét. Độ rỗng và hệ số thấm của 
cát ở vùng cửa thoát tăng nhanh. Cát ở trong 
phạm vi hố thí nghiệm đùn lên mạnh, còn cát ở 
xung quanh bị sập lở vào, đáy tầng phủ hình 
thành các khoảng rỗng phát triển dần. Hệ thống 
khe nứt ở tầng phủ phát triển mạnh và ăn sâu 
vào tầng phủ (ảnh 03), làm sập đổ tầng phủ 
xung quanh hố đào thí nghiệm, cấu trúc nền bị 
phá vỡ. 
Ảnh 02 Đùn cát ở vùng cửa thoát 
Ảnh 03 Khe nứt phát triển vào tầng phủ 
Nếu lấy gradien áp lực thấm (ALT) tƣơng 
ứng với cấp áp lực trƣớc khi phát sinh xói ngầm 
là gradien giới hạn gây xói ngầm (Ixgh) và 
gradien ALT tƣơng ứng với cấp ấp lực trƣớc khi 
phát sinh cát chảy là gradien giới hạn gây cát chảy 
(I
c
gh) thì có thể xác định đƣợc gradien giới hạn 
gây BDT của các lớp cát ở nền đê nhƣ sau : 
- Cát hệ tầng Thái Bình (Q2
3
tb): 
+ Cát hạt bụi: Ixgh= 0,476; I
c
gh = 0,735 
+ Cát hạt nhỏ: Ixgh= 0,510; I
c
gh = 0,720 
- Cát hệ tầng Hải Hƣng (Q2
1-2
hh): 
+ Cát hạt bụi: Ixgh= 0,433 ; I
c
gh = 0,742 
+ Cát hạt nhỏ: Ixgh= 0,453 ; I
c
gh= 0,709 
Phân tích biến đổi ALT theo chiều dài dòng 
thấm và biến đổi lƣu lƣợng nƣớc thoát ra theo 
gradien ALT (hình 2 & 3) cho thấy, ở giai đoạn 
đầu, khi nƣớc thoát ra còn trong, xói ngầm chƣa 
xuất hiện, các quan hệ này gần nhƣ tuyến tính, 
tổn thất áp lực theo chiều dài dòng thấm tƣơng 
đối đều, dòng thấm vận động ở chế độ ổn định, 
thể hiện quy luật thấm chảy tầng theo định luật 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 20 
thấm Darcy. Khi gradien ALT lớn hơn Ixgh, xói 
ngầm xuất hiện trong cát, các đƣờng quan hệ 
chuyển dần thành đƣờng cong, môi trƣờng thấm 
trong cát biến đổi, độ rỗng và độ thấm của cát 
tăng dần ở vùng của thoát, vận động của dòng 
thấm chuyển sang chế độ không ổn định. Khi 
gradien ALT lớn hơn Icgh, độ dốc của các đƣờng 
quan hệ tăng đột biến, khi đó không chỉ cát mà 
cả các tạp chất trong cát đều bị dòng thấm cuốn 
theo, môi trƣờng thấm bị phá hu hoàn toàn. 
Hình 02. Biến đổi cột nư c áp lực theo chiều dài dòng thấm 
Hình 03 Quan hệ giữa lưu lượng thoát v i gradien áp lực thấm 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 21 
Kết quả thí nghiệm chứng tỏ, cát chảy là 
hình thức biến dạng thấm chủ yếu, còn xói 
ngầm chỉ là thứ yếu, chỉ phát triển ở giai 
đoạn đầu, các hạt bị xói ngầm chủ yếu là hạt 
sét, hạt bụi lẫn trong cát. Kết quả đó phù hợp 
với kết quả nghiên cứu của Ixtômina, phù hợp 
với đặc tính tƣơng đối đồng nhất về thành phần 
hạt của các loại cát thí nghiệm (hệ số không đều 
hạt <10). Gradien giới hạn xác định đƣợc ở 
hiện trƣờng (Icgh = 0,710,74) có giá trị nhỏ hơn 
so với tính toán theo lý thuyết (Icgh
LT
 = 
0,830,90). Đó là do sự có mặt của các tạp chất 
hữu cơ trong cát. Chúng tồn tại ở dạng mùn, 
vẩn và các mảnh vụn, do có khối lƣợng thể 
tích khô nhỏ hơn nhiều so với cát nên dƣới tác 
dụng của dòng thấm, chúng bị đẩy nổi ở áp 
lực thấm thấp hơn. Sau khi các mảnh vụn, 
mùn hữu cơ bị đẩy lên, cát xung quanh bị sắp 
xếp lại, độ rỗng của cát tăng và bị biến dạng 
thấm ở gradien áp lực thấm (Igh) thấp hơn. 
6. KẾT LUẬN 
- Cát chảy là hình thức biến dạng thấm nguy 
hiểm, quyết định khả năng ổn định thấm ở nền 
đê. Cát chảy xảy ra ở cửa thoát khi gradien ALT 
vƣợt quá gradien ALT giới hạn của cát 
I
c
gh = 0,709  0,742. 
- Xói ngầm chỉ phát triển ở giai đoạn đầu, 
xảy ra khi gradien ALT vƣợt quá Ixgh = 0,433  
0,510, các hạt bị xói ngầm là hạt sét, hạt bụi 
nhỏ, mùn thực vật. 
- Thí nghiệm xói ngầm, cát chảy bằng PP 
hiện trƣờng cho kết quả phù hợp với kết quả 
giải bài toán ngƣợc theo số liệu quan trắc 
mạch đùn trong mùa lũ. Có thể sử dụng Ixgh 
và I
c
gh xác định đƣợc bằng thí nghiệm hiện 
trƣờng làm cơ sở tính toán, dự báo khả năng 
phát sinh BDT ở nền đê và có thể tham khảo 
để tính toán, xử lý cho các hố móng khi thi 
công trong vùng xói ngầm, cát chảy có nền là 
cát hạt nhỏ, cát hạt bụi tƣơng tự. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Phạm Văn Tỵ (1986), Một số ý kiến về 
nguyên nhân biến dạng và những kiến nghị về 
nghiên cứu ĐCCT ở nền đê, Hội thảo về chất 
lƣợng nền đê, Hà Nội. 
[2]. Bùi Văn Trƣờng (2004), Nghiên cứu, 
đánh giá khả năng ổn định thấm nền đê sông 
tỉnh Thái Bình, Báo cáo đề tài khoa học cấp 
tỉnh, Thái Bình. 
[3]. Bùi Văn Trƣờng, Phạm Văn Tỵ (2008), 
Biến dạng thấm nền đê sông tỉnh Thái Bình và 
một số kết quả nghiên cứu, Báo cáo tuyển tập 
công trình khoa học, Hội thảo khoa toàn quốc 
Tai biến địa chất và giải pháp phòng chống, 
Hà Nội. 
[4]. Trƣờng Đại học Thu Lợi (1966), Giáo 
trình cơ học đất nền và móng, Hà Nội. 
[5]. Tô Xuân Vu (2002), Nghiên cứu đánh 
giá ảnh hƣởng đặc tính biến dạng thấm của một 
số trầm tích đến ổn định nền đê, Luận án tiến sỹ 
địa chất, Hà Nội. 
[6]. Mironenko V.A. và Sextakov V.M.. (1982), 
Cơ sở thu địa cơ. Nxb KHKT, Hà Nội. 
[7].Technical Advisory Committee on Water 
Defences (1991), Guide for the design of river 
dikes, Netherlands. 
[8].Vietnamese Ministry of Agriculture and 
Rural Development (1996), Hanoi Subproject, 
Dyke Safety and Relief Wells, ADB Loan No. 
1259 VIE (SF). 
Người phản biện: GS.TS ĐOÀN THẾ TƢỜNG