Kết quả nghiên cứu phân loại địa chất nền đê tỉnh Hà Nam theo quan điểm an toàn ổn định về thấm

Hệ thống đê vùng đồng bằng Bắc Bộ được xây dựng trên nền trầm tích Haloxen thấm nước mạnh. Về mùa lũ khi nước sông lên cao thường xuất hiện mạch đùn, mạch sủi đê dọa an toàn của đê. Khả năng xảy ra biến dạng thấm khi nước sông lên cao phụ thuộc cấu trúc địa chất nền đê (chiều dày tầng thấm mạnh, chiều dày lớp phủ phía trên mặt và khoảng cách từ sông đến đê). Dựa vào tài liệu thu thập được và cách tiếp cận mới trong đánh giá an toàn về biến dạng thấm của nền đê, bài viết đã phân tích và đánh giá an toàn về thấm cho các tuyến đê của tỉnh Hà Nam, phục vụ cho công tác quản lý đê điều trên địa bàn tỉnh.

1. Tổng quan hệ thống 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 319 km, trong đó đê cấp I đến cấp III (hữu Hồng và tả Đáy) dài gần 90 km, đê cấp IV (sông Nhuệ, Châu Giang, Hoành Uyển, chắn nước Hà Tây + tả Duy Tiên) dài hơn 98 km.

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 134+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.

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). Đây là điều rất nguy hiểm đối với công trình khi nước lũ dâng cao bất ngờ, ví dụ như đoạn đoạn đê bối ở xã Mộc Nam (huyện Duy Tiên) bị vỡ tháng 10/2006.

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 dân sinh kinh tế 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 10 m, còn thông thường từ 20 - 25m, cá biệt có chỗ phải lùi vào sâu trên 30m.

2. Hiện tượng thấm qua 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 gây rất ít nguy hiểm cho nền đê nhưng có ảnh hưởng đáng kể cho sự ổn định của nền đê như gây sạt lở mái đê, cơ đê, là tiền đề cho mạch phun, mạch sủi phát triển.

Mạch phun nước 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. Dưới áp lực 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.

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 centimet tới hàng chục centimet, trung bình từ 10-20cm. Nước 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 xung yếu thành tập đoàn mạch sủi hay bãi sủi.

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 thấm 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, nghiên cứu phân loại nền đê theo quan điểm về biến dạng thấm là vấn đề có tính khoa học và thực tiễn trong công tác phòng chống lũ và đảm bảo an toàn đê điều.

3. Phương pháp phân loại nền đê theo quan điểm về thấm

Các phương pháp phân loại đất của một nước như Nga, Mỹ, Anh, Hà Lan, Việt Nam trên chủ yếu dựa vào thành phần cấu tạo và nguồn gốc hình thành của các trầm tích để đưa ra các tên gọi cho mỗi loại đất khác nhau. Chưa có tiêu chuẩn riêng để phân loại đất phù hợp với mục đích đánh giá ổn định thấm nền đê. Năm 2002, tác giả Tô Xuân Vu Luận án trong tiến sĩ nghiên cứu "đánh giá ảnh hưởng đặc tính biến dạng thấm của một số trầm tích đến ổn định nền đê sông Hồng" đã đưa ra cách tiếp cận theo hướng phân loại “cấu trúc nền”.

Theo Tô Xuân Vu, để đánh giá biến dạng thấm nền đê các yếu tố phải xét tới là: sự xắp xếp phân bố không gian của các lớp trầm tích nền đê, giữa các lớp cát chứa nước với các lớp phủ ở trên, ảnh hưởng của chiều dài đường thấm, tính chất cơ lý, thành phần hạt của nền đê. Trong đó, quan trọng nhất là các trầm tích cát hạt nhỏ, cát bụi hệ tầng Thái Bình có mức độ nguy hiểm biến dạng thấm rất cao.

Do vậy, để đánh giá an toàn về thấm của nền đê Hà Nam, chúng tôi tiến hành điều tra thu thập các số liệu sau: việc có mặt hay vắng mặt lớp cát của hệ tầng Thái Bình; độ bền vững (chiều dày, tính chất cơ lý) của lớp phủ thấm nước yếu phía trên và chiều dài đường thấm từ sông vào nền đê. Căn cứ số liệu điều tra thu thập được, chúng tôi tiến hành phân loại cấu trúc nền đê của các tuyến đê chính trên địa bàn tỉnh Hà Nam (bao gồm: đê Hữu sông Nhuệ, đê Hữu Hồng, đê Tả Đáy) nhằm chỉ ra những vị trí xung yếu phục vụ công tác chỉ đạo quản lý đê.

4. Cấu trúc nền đê Hữu sông Nhuệ

Dựa vào tài liệu thu thập được, theo kết quả đánh giá phân chia đơn nguyên địa tầng và các nguyên tắc đã nêu ở trên chúng tôi phân loại cấu trúc nền đê Hữu sông Nhuệ ra 2 kiểu và 3 phụ kiểu.

4.1. Kiểu I

Có mặt lớp cát hạt nhỏ của hệ tầng Thái Bình, các lớp này bị ngăn cách với lớp cát sạn sỏi của hệ tầng Vĩnh Phúc bởi các lớp trầm tích yếu hệ tầng Hải Hưng và hệ tầng Vĩnh Phúc. Lớp phủ phía trên có chiều dày và độ bền khác nhau. Kiểu I được chia thành 3 phụ kiểu.

4.1.1. Phụ kiểu I1.

Phụ kiểu này vắng mặt lớp phủ thấm nước yếu phía trên (hoặc nếu có thì chiều dày phân bố nhỏ <1.5m), xuất hiện ở những vùng bãi thấp hoặc ở đáy các ao hồ chỉ có các lớp bùn hiện đại. Phụ kiểu này phân bố cục bộ, diện hẹp, nằm cách chân đê từ 25m trở ra. Tập trung chủ yếu ở đoạn K3+280 đến K4+250 (Trạm bơm Hoành Tây) và  K9+100 đến K9+600.

Phụ kiểu này là phụ kiểu có cấu trúc rất nguy hiểm. Tại những vùng như vậy, khi mực nước sông dâng cao, dòng thấm từ phía ngoài sông dễ dàng thoát ra ở phía trong đê gây ra biến dạng thấm. Tuy kiểu này phân bố cục bộ tại một số đoạn nhưng vị trí của nó rất khó kiểm soát, khi các tác động vô ý của con người vô tình làm mỏng hoặc biến mất lớp trầm tích thấm nước yếu này.

4.1.2. Phụ kiểu I2.

Các lớp phủ phía trên có chiều dày biến đổi từ 2-4m, nền phía dưới là loại trầm tích thấm nước mạnh chiều dày >10m. Đê nằm gần sông (<50m). Phụ kiểu này phân bố thành đoạn từ K1+500 đến K3+280; K4+250 đến K6+250 và K9+200 đến K10+270.

Phụ kiểu cẩu trúc I2 do lớp phủ vẫn còn mỏng trong khi nền thấm có chiều dày khá lớn, do đó áp lực dòng thấm có thể bị phá vỡ ở những vị trí xung yếu. Vì vậy ở kiểu cấu trúc này cũng rất dễ xảy ra biến dạng thấm khi mực nước sông dâng cao.

4.1.3. Phụ kiểu I3

Các lớp phủ phía trên có chiều dày biến đổi từ 4-8m. Trầm tích thấm nước mạnh chiều dày >10m. Đê nằm gần sông (<50m). Phụ kiểu này phân bố ở đầu tuyến, đoạn từ K0+00 đến K1+500.

Phụ kiểu cấu trúc I3 có mặt các lớp phủ chiều dày tương đối lớn, áp lực thấm khó phá vỡ. Vì vậy ở kiểu cấu trúc này khó xảy ra biến dạng thấm khi mực nước sông dâng cao, trừ khi các lớp trầm tích thấm nước yếu phía trên bị bóc mỏng do hoạt động của con người (đào ao, lấy đất làm gạch,...).

4.2. Kiểu II

Không có lớp trầm tích chứa nước cát hạt nhỏ hệ tầng Thái Bình. Chủ yếu là lớp trầm tích thấm nước yếu hệ tầng Vĩnh Phúc có chiều dày >8m, lớp phủ phía trên thấm nước yếu có chiều dày biến đổi từ 2-4m, mặc dù bên dưới lớp trầm tích cách nước hệ tầng Vĩnh Phúc là lớp chứa nước tầng Pleistoxen tuy nhiên lớp cách nước phía trên có độ bền cao và chiều dày tương đối lớn nên khó có khả năng xảy ra biến dạng thấm. Dạng cấu trúc này phân bố từ vị trí K6+250 đến K9+200.

Từ kết quả phân tích đánh giá trên chúng ta  phân loại  mức độ nhậy cảm đối với thấm của đê Hữu sông Nhuệ như sau:

+ Đoạn rất nhạy cảm với biến dạng thấm I1: K3+280 đến K4+250 (Trạm bơm Hoành Tây) và  K9+100 đến K9+600.

+ Đoạn nhạy cảm với biến dạng thấm I2: K1+500 đến K3+280; K4+250 đến K6+250 và K9+200 đến K10+270.

+ Đoạn ít nhạy cảm với biến dạng thấm I3: K0+00 đến K1+500.

+ Đoạn bền vững với biến dạng thấm: K6+250 đến K9+200.

5. Cấu trúc nền đê Hữu sông Hồng

Sử dụng phương pháp nghiên cứu như trên, qua phân tích số liệu điều tra cho thấy nền đê Hữu Hồng chỉ có 1 kiểu cấu trúc nền đê với 2 phụ kiểu, cụ thể như sau.

5.1. Kiểu I

Có mặt lớp cát hạt nhỏ của hệ tầng Thái Bình, các lớp này nằm ngăn cách với lớp cát sạn sỏi của hệ tầng Vĩnh Phúc bởi các lớp trầm tích yếu hệ tầng Hải Hưng và hệ tầng Vĩnh Phúc. Lớp phủ thấm nước yếu phía trên có chiều dày và độ bền khác nhau. Kiểu I được chia thành 2 phụ kiểu và 2 dạng

5.1.1. Phụ kiểu I1

Lớp phủ phía trên có chiều dày biến đổi từ 4-8m. Đê nằm gần sông hoặc xa sông. Vị trí phân bố đặc trưng phụ kiểu này ở các đoạn từ: Km117+900 đến Km118+600; Km119+400 đến Km119+800; Km124+600 đến Km129+400; Km133+00 đến Km135+500; Km136+600 đến Km141+800; Km142+500 đến km155+900) .

Ở phụ kiểu này các lớp trầm tích thấm nước yếu nằm phía trên các trầm tích chứa nước. Vì vậy ở kiểu cấu trúc này chỉ xảy ra biến dạng thấm khi mực nước sông dâng cao, và khi các lớp trầm tích thấm nước yếu phía trên bị bóc mỏng.

Phụ kiểu này được chia thành 2 dạng.

- Dạng I1a: Đê nằm gần sông, cách sông dưới 500m (Km117+900 đến Km118+600; Km133+00 đến Km 133+400; Km136+600 đến Km138+00; Km144+00 đến Km146+00).

- Dạng I1b: Đê nằm xa sông cách sông trên 500m (Km119+400 đến Km119+800; Km124+600 đến Km129+400; Km133+400 đến Km135+500; Km138+600 đến Km141+800; Km142+500 đến km144+00; Km146+00 đến km155+900)

5.1.2. Phụ kiểu I2

Các lớp trầm tích thấm nước yếu phía trên có chiều dày lớn hơn 8m. Phụ kiểu này phân bố chủ yếu ở các đoạn từ (Km117+00 đến Km117+900; Km118+600 đến Km119+400; Km119+800 đến Km124+600; Km129+400 đến Km133+00; Km135+500 đến Km136+600; Km141+800 đến Km142+500; km155+900 đến Km156+800).

Từ những đánh giá trên chúng ta  phân loại  mức độ nhậy cảm đối với mỗi cấu trúc nền đê tả sông Hồng như sau:

+ Đoạn cần lưu ý đến biến dạng thấm I1a: Km117+900 đến Km118+600; Km133+00 đến Km 133+400; Km136+600 đến Km138+00; Km144+00 đến Km146+00.

+ Dạng cấu trúc nhạy cảm với biến dạng thấm I1b: Km119+400 đến Km119+800; Km124+600 đến Km129+400; Km133+400 đến Km135+500; Km138+600 đến Km141+800; Km142+500 đến Km144+00; Km146+00 đến Km155+900.

+ Dạng cấu trúc ít nhạy cảm với biến dạng thấm: I2: Km117+00 đến Km117+900; Km118+600 đến Km119+400; Km119+800 đến Km124+600; Km129+400 đến Km133+00; Km135+500 đến Km136+600; Km141+800 đến Km142+500; Km155+900 đến Km156+800.

6. Cấu trúc nền đê Tả Đáy

Theo kết quả đánh giá phân chia đơn nguyên địa tầng, và nguyên tắc, hệ thống các dấu hiệu đã nêu ở trên chúng tôi chia lớp nền nghiên cứu ra 1 kiểu và 2 phụ kiểu.

6.1. Kiểu I

Có mặt lớp cát hạt nhỏ của hệ tầng Thái Bình. Lớp phủ thấm nước phía trên có chiều dày và độ bền khác nhau. Kiểu I được chia thành 2 phụ kiểu.

6.1.1. Phụ kiểu I1

Lớp phủ thấm nước yếu phía trên có chiều dày từ 2m-4m, đê nằm cách sa sông từ 40m đến >200m. Phụ kiểu này chỉ xuất hiện ở khu vực  Kè Kim Bình Km101+270 đến Km102+130. Tầng chứa nước có thành phần là cát pha, trạng thái dẻo chảy và rất linh động khi có dòng thấm đi qua, bề dày tầng chứa nước lớn trung bình >10m.  Ở phụ kiểu này các lớp trầm tích thấm nước yếu nằm phía trên các trầm tích chứa nước. Vì vậy ở kiểu cấu trúc này chỉ xảy ra biến dạng thấm khi mực nước sông dâng cao, và khi các lớp trầm tích thấm nước yếu phía trên bị bóc mỏng

6.1.2. Phụ kiểu I2

Không có lớp trầm tích chứa nước cát hạt nhỏ hệ tầng Thái Bình. Chủ yếu là lớp trầm tích thấm nước yếu hệ tầng Vĩnh Phúc có chiều dày >8m. Dạng cấu trúc này phân bố từ vị trí K88+250 đến K101+270 v K102+130 đến K137+65

Phụ kiểu này được chia thành 2 dạng.

- Dạng I2a: Đê nằm gần sông, cách sông dưới 100m phân bố ở vị trí  (Km117+900 đến Km118+600; Km133+00 đến Km 133+400; Km136+600 đến Km138+00; Km144+00 đến Km146+00.

- Dạng I2b: Đê nằm xa sông cách sông trên 100m (Km119+400 đến Km119+800; Km124+600 đến Km129+400; Km133+400 đến Km135+500; Km138+600 đến Km141+800; Km142+500 đến km144+00; Km146+00 đến km155+900)

Từ những đánh giá trên chúng ta  phân loại  mức độ nhậy cảm đối với mỗi cấu trúc nền đê tả Đáy như sau:

+ Dạng cấu trúc  nhạy cảm với biến dạng thấm: I1.

+ Dạng cấu trúc ít nhạy cảm với biến dạng thấm: I2a.

+ Dạng cấu trúc bền vững với biến dạng thấm: I2b.

7. Kết luận và kiến nghị

Phương pháp phân loại nền đê theo quan điểm về thấm dựa trên các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ an toàn về thấm, xét đến các yếu tố: chiều dày tầng chứa nước, chiều dày lớp phủ thấm nước yếu trên bề mặt, khoảng cách từ sông đến đê là một cách tiếp cận mới, sát với thực tế.

Dựa vào tài liệu địa chất thu thập được, có thể lập bản đồ các vị trí có khả năng mất an toàn về thấm phục vụ quản lý đê.

Đối với các tuyến đê Hà Nam, các tuyến đê Hữu Hồng, đê sông Nhuệ do tài liệu địa chất phong phú nên kết quả là khá chuẩn xác. Tuyến đê Tả Đáy, do ít tài liệu nên mức độ chuẩn xác hạn chế, cần cập nhật bổ sung.

Tài liệu tham khảo

[1]. Bộ nông nghiệp và PTNT, Tiêu chuẩn ngành 14TCN123-2002, Phân loại đất.

[2]. Tô Xuân Vu, 2002, Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng đặc tính biến dạng thấm của một số trầm tích đến ổn định nền đê (Lấy ví dụ một đoạn đê sông Hồng).

 [3]. Công ty Tư vấn xây dựng Nông nghiệp & PTNT Hà Nam, 2006, Báo cáo địa chất công trình Dự án: “Tu bổ nâng cấp tuyến đê hữu sông Nhuệ kết hợp giao thông nông thôn tỉnh Hà Nam ”.

[4]. Công ty Tư vấn xây dựng Nông nghiệp & PTNT Hà Nam, 2009,  Báo cáo địa chất công trình Dự án: “Xử lý khẩn cấp sạt lở và tu bổ nâng cấp tuyến đê tả sông Đáy từ K88 đến K137+516 tỉnh Hà Nam”.

[5]. Công ty Cổ phần Tư vấn xây dựng và Chuyển giao công nghệ Thăng Long 12, 2010, Báo cáo địa chất công trình: Dự án: “ Kè chống sạt lở đoạn K117+900 đến K156+873 đê hữu sông Hồng Tỉnh Hà Nam”.

Tác giả: ThS. Nguyễn Quốc Đạt - Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Hà Nam

Tạp chí KH&CN Thủy lợi