Chương 6 — Thấm & Lưới thấm¶
6.1 Thấm và hệ quả¶
Thấm là dòng nước qua đất dưới gradient thủy lực. Nó quan trọng vì:
- tạo lực thấm lên khung hạt rắn, làm giảm ổn định;
- gây áp lực đẩy nổi lên công trình;
- có thể gây xói ngầm (piping) và xói nội bộ, cơ chế của nhiều sự cố đập và đê; và
- chi phối cố kết và tốc độ lún.
6.2 Lưới thấm¶
Lưới thấm là lời giải đồ thị của phương trình Laplace cho thấm ổn định. Nó gồm hai họ đường trực giao:
- Đường dòng — đường nước đi theo; và
- Đường đẳng thế — đường có cùng cột nước tổng.
Lưới được vẽ sao cho các phần tử "vuông". Từ đó kỹ sư đọc được:
- lưu lượng thấm \(q = k H (N_f / N_d)\);
- áp lực nước lỗ rỗng (do đó đẩy nổi) tại mọi điểm;
- gradient thoát ở mặt hạ lưu, yếu tố quyết định xói ngầm.
Hình. Lưới thấm dưới tường cừ: đường dòng và đường đẳng thế cho lưu lượng thấm, đẩy nổi và gradient thoát (theo hướng dẫn thấm của USACE).
6.3 Đẩy nổi và lực đẩy¶
Áp lực nước tác dụng hướng lên lên công trình hoặc khối đất, làm giảm ứng suất hữu hiệu. Dưới đập hoặc bản sàn, áp lực đẩy nổi được đọc từ lưới thấm và phải được kháng bởi trọng lượng công trình. Nơi đẩy nổi làm ứng suất hữu hiệu bằng không, đất nổi lên và mất toàn bộ cường độ.
6.4 Xói ngầm và xói nội bộ¶
Xói ngầm xảy ra khi gradient thoát ở mặt hạ lưu vượt giá trị tới hạn, khiến nước nâng và cuốn hạt đất đi, tạo một "ống" tiến dần về thượng lưu và có thể gây sụp. Hệ số an toàn chống xói ngầm so gradient tới hạn (thường ~1,0, hoặc thấp hơn cho an toàn) với gradient thoát thực.
Giảm thiểu gồm:
- kéo dài đường thấm (tường cắt, thảm chống thấm);
- tầng lọc và rãnh thoát chặn và xả thấm an toàn; và
- giếng giảm áp để kiểm soát đẩy nổi.
6.5 Tầng lọc và thoát nước¶
Tầng lọc bảo vệ chống xói nội bộ bằng cách cho nước qua nhưng giữ hạt đất. Thiết kế theo tiêu chí lọc (tầng lọc phải đủ thô để thấm và đủ mịn để giữ đất được bảo vệ). Lớp thoát nước và vải địa kỹ thuật thực hiện cùng chức năng.
6.6 Các điểm then chốt cần ghi nhớ¶
- Lực thấm làm giảm ổn định và gây đẩy nổi.
- Lưới thấm cho lưu lượng thấm, áp lực nước lỗ rỗng và gradient thoát.
- Xói ngầm xảy ra khi gradient thoát quá cao — kiểm tra hệ số an toàn.
- Tầng lọc và rãnh thoát là biện pháp bảo vệ chuẩn chống xói nội bộ.
- Thấm chi phối cố kết và phải được quản lý trong thiết kế.