Chương 6 – Thấm và Thoát nước

\begin{aligned} \end{aligned}

6-1 GIỚI THIỆU

6-1.1 Phạm vi

Chương này trình bày các phương pháp phân tích thấm trong đất và đá, đồng thời cung cấp hướng dẫn thiết kế các bộ phận thoát nước trong kết cấu và móng. Chương này cũng tóm tắt các phương pháp hiện có để phân tích chế độ thấm, mô tả các phương pháp phân tích và cơ chế xói ngầm, cũng như thảo luận các biện pháp giảm thiểu thấm và xói ngầm.

6-1.2 Bối cảnh

Thấm là dòng chảy của nước qua các lỗ rỗng liên thông trong đất hoặc đá. Thấm được chi phối bởi thế năng phân của nước, tức là cột nước thủy lực (hydraulic head), tác dụng qua khối đất hoặc khối đá, dẫn đến dòng chảy của nước từ nơi có thế năng cao hơn đến nơi có thế năng thấp hơn.

Thấm là hiện tượng phổ biến trong các ứng dụng địa kỹ thuật và có thể xảy ra dưới dạng dòng nước ngầm tự nhiên, thấm qua đập và đê hoặc qua móng của chúng, hoặc dòng chảy vào hố đào kéo dài xuống dưới mực nước ngầm. Mặc dù sự chuyển động của nước xảy ra trong đất không bão hòa phía trên mực nước ngầm, chương này chỉ đề cập đến thấm xảy ra trong điều kiện bão hòa.

(tại sao chương này chỉ đề cập đến thấm xảy ra trong điều kiện bão hòa?)

Đây là một câu hỏi rất hay. Lý do chính là đa số các bài toán thấm trong địa kỹ thuật liên quan đến thiết kế đều xảy ra trong vùng đất bão hòa, và lý thuyết của chúng đơn giản, ổn định hơn nhiều so với đất không bão hòa.

Cụ thể:

1. Trong đất bão hòa, toàn bộ lỗ rỗng chứa nước

Điều này có nghĩa là:

• Nước tạo thành một môi trường liên tục.
• Dòng thấm tuân theo định luật Darcy:

\[
q = kiA
\]

trong đó:

• \(q\) = lưu lượng thấm,
• \(k\) = hệ số thấm,
• \(i\) = gradient thủy lực.

Trong đất bão hòa:

• \(k\) gần như là một hằng số của đất.
• Có thể giải bằng các phương trình Laplace, mạng dòng (flow net), phần tử hữu hạn,…

Đây là cơ sở của hầu hết các bài toán:

• đập đất,
• tường chắn,
• hố đào,
• nền móng,
• kiểm tra piping,
• uplift,
• gradient tới hạn,…

2. Đất không bão hòa phức tạp hơn rất nhiều

Phía trên mực nước ngầm luôn tồn tại:

• nước,
• không khí.

Hai pha này cùng tồn tại trong lỗ rỗng.

Khi đó xuất hiện:

Áp lực hút mao dẫn (matric suction)

\[
u_a-u_w
\]

trong đó

• \(u_a\): áp lực không khí
• \(u_w\): áp lực nước

Áp lực hút này làm tăng cường độ đất.

Ngoài ra:

Hệ số thấm không còn là hằng số

Trong đất bão hòa:

\[
k=\text{constant}
\]

Nhưng trong đất không bão hòa:

\[
k=k(\theta)
\]

hoặc

[
k=k(S_r)
]

nghĩa là phụ thuộc vào:

• độ ẩm,
• độ bão hòa.

Đất càng khô

→ nước càng khó chảy

→ hệ số thấm có thể giảm 100 đến hàng triệu lần.

3. Phải xét thêm đường cong đặc trưng nước–đất

Trong đất không bão hòa phải biết:

• Soil Water Characteristic Curve (SWCC)
• Soil Water Retention Curve (SWRC)

Quan hệ giữa:

• suction
• độ ẩm
• độ bão hòa

là phi tuyến rất mạnh.

Đây là lĩnh vực riêng của Unsaturated Soil Mechanics.

4. Trong thực tế công trình, các bài toán nguy hiểm nhất đều ở vùng bão hòa

Ví dụ

• thấm dưới đập
• thấm dưới cống
• piping
• boiling
• uplift
• lún cố kết
• bấc thấm PVD
• giếng hạ nước ngầm

đều xảy ra khi đất gần như bão hòa hoàn toàn.

Do đó các tiêu chuẩn như:

• UFC
• FHWA
• USACE
• AASHTO

đều dành hẳn chương thấm để nói về saturated seepage.

5. Khi nào phải học thấm trong đất không bão hòa?

Chỉ khi nghiên cứu các vấn đề như:

• mái dốc chịu mưa,
• bốc hơi mặt đất,
• dòng thấm do tưới tiêu,
• lớp phủ bãi chôn lấp,
• biến đổi khí hậu ảnh hưởng đến độ ẩm đất,
• nông nghiệp,
• đất trương nở.

Khi đó phải dùng lý thuyết của Fredlund & Rahardjo, phương trình Richards, và các mô hình dòng thấm không bão hòa.

Tóm tắt

Đất bão hòa	Đất không bão hòa
Chỉ có nước trong lỗ rỗng	Có cả nước và không khí trong lỗ rỗng
Darcy áp dụng trực tiếp	Darcy phải mở rộng
(k) gần như hằng số	(k) thay đổi theo độ ẩm
Dễ mô hình hóa	Phi tuyến, rất phức tạp
Áp lực nước lỗ rỗng thông thường	Có thêm áp lực hút mao dẫn (matric suction)
Là cơ sở của hầu hết bài toán thiết kế địa kỹ thuật	Chủ yếu dùng trong địa kỹ thuật không bão hòa và các bài toán môi trường

Nghĩa là:

Mặc dù nước cũng di chuyển trong vùng đất không bão hòa phía trên mực nước ngầm, chương này chỉ xem xét hiện tượng thấm trong điều kiện đất bão hòa, vì đây là trường hợp được sử dụng phổ biến nhất trong phân tích và thiết kế công trình địa kỹ thuật.

Các hậu quả không mong muốn của thấm có thể bao gồm xói ngầm, thất thoát hoặc tích tụ nước quá mức, và áp lực nước lỗ rỗng quá lớn. Trong các điều kiện thích hợp, thấm có thể gây xói đất hoặc đá, tức là xói ngầm. Một số cơ chế xói ngầm khác nhau đã được nhận diện là có thể xảy ra theo một trong vài cơ chế. Trong các trường hợp lưu lượng thấm lớn, các vấn đề có thể xảy ra, bao gồm thất thoát nước quá mức từ hồ chứa, ngập hố đào, và nền đất không ổn định do độ ẩm dư thừa. Thấm cũng có thể tạo ra áp lực nước quá lớn bên dưới kết cấu, dẫn đến mất ổn định và lực nâng.

Chương này cũng thảo luận một số chiến lược và phương pháp nhằm giảm thiểu các tác động không mong muốn của thấm đã trình bày trong đoạn trước. Mỗi phương pháp sử dụng một hoặc kết hợp ba chiến lược cơ bản:
\(\qquad \qquad \)1) chặn hoặc kéo dài đường thấm,
\(\qquad \qquad \)2) thoát nước dư thừa theo cách được kiểm soát, và
\(\qquad \qquad \)3) lọc dòng thấm để ngăn sự vận chuyển các hạt đất.

6-2 PHÂN TÍCH THẤM

6-2.1 Cột nước thủy lực

Cột nước thủy lực là thước đo năng lượng của nước tác dụng lên hoặc tồn tại bên trong môi trường địa chất, được biểu thị theo đơn vị chiều dài và được quy chiếu về một mốc chuẩn thống nhất. Tổng cột nước thủy lực \((h_t)\) tại một điểm bất kỳ gồm ba thành phần: cột nước áp lực \((h_p)\), cột nước cao độ \((h_z)\), và cột nước vận tốc \((h_v)\). Trong môi trường địa chất, cột nước vận tốc thường không đáng kể và tổng cột nước được biểu thị như sau:

\[
h_t = h_p + h_z = \frac{u}{\gamma_w} + z\tag{6-1}
\]

trong đó:
\(\qquad \qquad u = \)áp lực nước tại điểm xét
\(\qquad \qquad \gamma_w = \)dung trọng của nước
\(\qquad \qquad z = \)cao độ của điểm xét so với mốc cao độ chuẩn

Tổng cột nước thủy lực \((h_t)\) tại một điểm là chiều cao phía trên mốc cao độ chuẩn mà nước sẽ dâng lên trong ống đo áp nếu đầu ống đo áp được đặt tại điểm xét, như minh họa trong Hình 6-1a. Tổng cột nước thủy lực sẽ thay đổi trong chế độ dòng chảy, trừ khi điều kiện hoàn toàn tĩnh, tức là không có dòng chảy xảy ra.

Ví dụ, xét bể chịu áp trong Hình 6-1b. Các ống đo áp đã được bố trí tại hai điểm ở thành bên của bể, và nước dâng lên trong ống đo áp cao hơn cao độ của bể do áp lực trong bể. Cột nước áp lực \((h_p)\) là chiều cao mà nước dâng lên phía trên điểm xét, và cột nước cao độ \((h_z)\) là chiều cao của điểm xét so với mốc cao độ chuẩn đã được đặt dưới bể. Tổng cột nước \((h_t)\) là tổng chiều cao của \(h_p\) và \(h_z\), và là tổng chiều cao mà nước dâng lên phía trên mốc chuẩn đã chọn. Vì không có dòng chảy trong bể, \(h_t\) không đổi trong toàn bộ bể, mặc dù \(h_p\) và \(h_z\) thay đổi theo cao độ.

6-2.2 Định luật Darcy và dòng chảy một chiều

Các nguyên lý của cơ học thấm và phân tích chế độ thấm được minh họa tốt nhất bằng cách xét ví dụ dòng chảy một chiều được trình bày dạng sơ đồ trong Hình 6-2. Một ống dẫn chứa đất, có diện tích mặt cắt ngang \((A)\) và chiều dài \((L)\), được nối với các hồ chứa nước có tổng cột nước khác nhau. Sự khác biệt về chiều cao mực nước trong các ống đo áp ở mỗi đầu ống dẫn cho biết chênh lệch tổng cột nước \((h_L)\), hay tổn thất cột nước qua đất. Cột nước này cũng biểu thị lượng năng lượng phải bị tiêu tán khi nước chảy qua đất. Chênh lệch cột nước tạo ra gradient thủy lực (hydraulic gradient) \((i)\), được định nghĩa như sau:

\[
i = \frac{h_L}{L}\tag{6-2}
\]

trong đó:
\(\qquad \qquad i = \)gradient thủy lực
\(\qquad \qquad h_L = \)chênh lệch tổng cột nước, hoặc tổn thất cột nước
\(\qquad \qquad L = \)chiều dài mà \(h_L\) xảy ra

Gradient thủy lực buộc nước chảy qua đất với lưu lượng thể tích (volumetric flow rate) \((q)\) đủ để tạo ra tổn thất cột nước tương ứng với \(h_L\). Lưu lượng thể tích được định nghĩa là thể tích dòng chảy đi qua đất trong một đơn vị thời gian.

Dòng chảy một chiều được chi phối bởi Định luật Darcy:

\[
q = k \ i \ A\tag{6-3}
\]

trong đó:
\(\qquad \qquad q =\) lưu lượng thể tích qua đất
\(\qquad \qquad k =\) hệ số thấm của đất
\(\qquad \qquad i =\) gradient thủy lực qua vùng dòng chảy
\(\qquad \qquad A =\) diện tích mặt cắt ngang của vùng dòng chảy vuông góc với hướng dòng chảy

Nếu vùng dòng chảy có chiều cao không đổi và có bề rộng kéo dài, tức là vuông góc với trang giấy, thì diện tích dòng chảy \((A)\) có thể được định nghĩa bằng chiều cao của vùng dòng chảy nhân với một đơn vị bề rộng. Trong trường hợp này, lưu lượng trên một đơn vị chiều dài của mô hình là:

\[
q = k \ i \ y\tag{6-4}
\]

trong đó:
\(\qquad \qquad q =\) lưu lượng trên một đơn vị chiều dài của mô hình
\(\qquad \qquad k =\) hệ số thấm của đất
\(\qquad \qquad i =\) gradient thủy lực qua vùng dòng chảy
\(\qquad \qquad y =\) chiều cao của vùng dòng chảy

Vận tốc xả (discharge velocity) \((v_d)\) có thể được tính bằng cách chia lưu lượng thể tích cho diện tích mặt cắt ngang:

\[
v_d = \frac{q}{A} = k \ i\tag{6-5}
\]

Cần lưu ý rằng \(v_d\) không phải là vận tốc thực của hạt nước, mà là vận tốc dựa trên tổng diện tích của vùng dòng chảy. Vì nước chỉ chảy qua không gian lỗ rỗng của đất hoặc đá, một hạt nước thực tế chảy nhanh hơn \(v_d\). Vận tốc thấm (seepage velocity) \((v_s)\), là đại lượng đo tốc độ di chuyển của một hạt nước do gradient thủy lực, được tính như sau:

\[
v_s = \frac{v_d}{n} = v_d \frac{1+e}{e}\tag{6-6}
\]

trong đó:
\(\qquad \qquad n =\)độ rỗng của đất
\(\qquad \qquad e =\)hệ số rỗng

Định luật Darcy có giá trị đối với các điều kiện mà dòng thấm là dòng chảy tầng, bao gồm hầu hết các trường hợp thấm qua đất. Dòng chảy vận tốc cao qua sỏi hạt thô, cấp phối hở có thể rơi vào vùng chuyển tiếp giữa dòng chảy tầng và dòng chảy rối. Dòng chảy rối tạo ra sức cản lớn hơn đối với thấm, do đó lưu lượng thể tích thấp hơn so với giá trị được dự đoán bằng định luật Darcy.

6-2.3 Thấm hai chiều

Phân tích thấm trong chế độ hai chiều yêu cầu mở rộng định luật Darcy. Phương trình chi phối cho dòng chảy hai chiều ở trạng thái ổn định là phương trình LaPlace:

\[
\frac{\partial^2 h}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 h}{\partial y^2}=0\tag{6-7}
\]

trong đó:
\(\qquad \qquad h =\) tổng cột nước thủy lực
\(\qquad \qquad x \text{ và } y =\) các phương tọa độ

Phương trình LaPlace được suy ra bằng cách áp dụng nguyên lý bảo toàn khối lượng cho một phần tử đất, từ đó dùng điều kiện cân bằng để liên hệ các thay đổi không gian của tổng cột nước trong vùng dòng chảy. Số hạng thứ nhất trong Phương trình (6-7) biểu thị sự thay đổi gradient thủy lực theo phương \(x\) qua một phần tử đất, trong khi số hạng thứ hai biểu thị sự thay đổi gradient theo phương \(y\) trong cùng phần tử đó. Có thể tìm thêm phần thảo luận và suy dẫn phương trình LaPlace trong các sách về nước ngầm, như Bear (1979) hoặc Freeze và Cherry (1979).

Nghiệm của phương trình LaPlace có thể được xác định bằng:
\(\qquad \)(1) nghiệm đồ họa như lưới thấm,
\(\qquad \)(2) nghiệm dạng đóng như phương pháp các mảnh hoặc các phương trình lý thuyết đệm lọc của U.S. Army Corps of Engineers (USACE 2000), hoặc
\(\qquad \)(3) nghiệm số như phân tích phần tử hữu hạn.

6-2.4 Lưới thấm

Lưới thấm là một công cụ nghiệm đồ họa tương đối nhanh để phân tích các chế độ dòng chảy hai chiều, sử dụng ít tài nguyên, cụ thể là bút chì, giấy và một cục tẩy tốt. Việc vẽ lưới thấm cũng giúp kỹ sư hình dung và hiểu được ứng xử của các dòng thấm. Sự hiểu biết thu được từ việc vẽ lưới thấm thường sâu hơn so với sự hiểu biết thu được từ các phân tích số.

Một lưới thấm cho thấm trong lớp đất đẳng hướng bên dưới một đập không thấm được trình bày trong Hình 6-3. Vùng dòng chảy được chia thành các phần tử dòng chảy (flow elements), phần lớn có hình gần giống hình vuông hoặc càng gần hình vuông càng tốt. Các đường gạch dài–ngắn biểu thị đường đẳng thế (equipotential lines), tức là các đường có tổng cột nước không đổi trong đất. Lưu ý rằng mặt đất thượng lưu nằm ngang là một đường đẳng thế vì nước trong hồ chứa tạo ra tổng cột nước không đổi dọc theo biên này. Mặt đất hạ lưu nằm ngang cũng là một đường đẳng thế vì áp lực trên bề mặt là không đổi, bằng cột nước áp lực bằng không, và cao độ là không đổi, tức là cột nước cao độ không đổi. Nếu mặt thoát hạ lưu có mái dốc và không bị ngập, tổng cột nước sẽ không không đổi và nó sẽ không phải là một đường đẳng thế. Các đường gạch ngắn là đường dòng (flow lines), biểu thị các đường đi trung bình mà các hạt nước sẽ theo khi chảy qua đất. Biên không thấm phía dưới và đáy của kết cấu không thấm cũng là các đường dòng.

6-2.4.1 Vẽ Lưới Thấm (Drawing Flow Nets)

Lưới thấm cho dòng thấm qua đất có hệ số thấm đẳng hướng phải tuân theo các quy tắc sau đây để đảm bảo tính đúng đắn:

a. Đường dòng và đường đẳng thế phải cắt nhau theo góc vuông.

b. Các phần tử dòng (flow elements) được tạo thành giữa các đường dòng và đường đẳng thế phải có dạng hình vuông cong (curvilinear squares). Một đường tròn có thể nội tiếp trong hình vuông cong đó và tiếp xúc với cả bốn cạnh của phần tử dòng. Hướng dẫn chi tiết hơn về hình dạng các phần tử dòng hợp lệ có thể tham khảo tại USACE (1986).

c. Một biên không thấm sẽ đóng vai trò như một đường dòng. Các ví dụ thường gặp là mặt trên của lớp đất bên dưới và đáy của một đập hoặc đê không thấm.

d. Các biên vào hoặc ra của dòng thấm bị ngập nước là các đường đẳng thế có cột nước bằng cao độ mực nước.

e. Khi dòng thấm không có áp (unconfined flow) (chẳng hạn như thấm qua thân đập đất), đường dòng trên cùng sẽ là mặt bão hòa (phreatic surface). Các điểm trên đường này có áp suất bằng không, và do đó, tổng cột nước tại các điểm đó bằng cao độ của đường (xem Phương trình 6-1).

f. Dọc theo mặt bão hòa của dòng thấm không có áp, các đường đẳng thế sẽ cắt mặt bão hòa tại các khoảng cách thẳng đứng bằng nhau.

(giải thích mục b.)

Giải thích rõ hơn khái niệm “hình vuông cong” (curvilinear square) này bằng hình dung cụ thể.

Vấn đề: Trong lưới thấm, các đường dòng và đường đẳng thế không phải là đường thẳng — chúng là đường cong. Vậy làm sao biết một “ô” tạo bởi 4 đường cong đó có “vuông” hay không, khi nó không có góc vuông thật sự như hình vuông thông thường?

Cách kiểm tra: Người ta dùng một phép thử hình học đơn giản — thử vẽ một đường tròn nội tiếp bên trong ô đó (giống như vẽ đường tròn nội tiếp trong hình vuông bình thường). Nếu ô đó thực sự “gần vuông”, thì:

• Đường tròn đó phải chạm được vào cả 4 cạnh của ô (2 cạnh là đoạn đường dòng, 2 cạnh là đoạn đường đẳng thế).
• Nếu ô bị “méo” — ví dụ một chiều dài hơn chiều kia rất nhiều, hoặc các cạnh cong bất đối xứng — thì đường tròn sẽ chỉ chạm được 2-3 cạnh, còn lại thì hụt hoặc bị hình dạng ô cắt mất.

Hình dung bằng ví dụ:

Tưởng tượng bạn cắt một ô lưới ra khỏi Hình 6-3 — nó là một hình 4 cạnh cong, hơi giống hình thang cong hoặc hình vuông bị bo tròn các cạnh. Nếu bạn đặt một đồng xu tròn vào giữa ô đó và đồng xu vừa khít, chạm đều cả 4 cạnh — thì ô đó đạt yêu cầu “hình vuông cong”. Nếu đồng xu bị kênh, chỉ chạm 2 cạnh đối diện mà không chạm 2 cạnh còn lại — nghĩa là ô đó bị dài/hẹp không đều, bạn cần vẽ lại (dịch chuyển đường dòng hoặc đường đẳng thế) cho tới khi đạt được tỷ lệ cân đối hơn.

Vì sao quy tắc này quan trọng: Đây chính là tiêu chí để bạn tự kiểm tra xem mình vẽ lưới thấm bằng tay (trial-and-error, phương pháp truyền thống trước khi có phần mềm) có đúng hay chưa. Nếu tất cả các ô đều gần đạt “hình vuông cong” thì Nf và Nd bạn đếm được mới đáng tin cậy để tính lưu lượng thấm q.

(giải thích mục e.)

Được, mục e nói về trường hợp dòng thấm không có áp (unconfined flow) — ví dụ điển hình là nước thấm qua thân một con đập đất (earthen dam/embankment), khác với trường hợp Hình 6-3 (dòng thấm dưới đáy đập bê tông, bị “kẹp” giữa hai lớp không thấm).

Phân biệt hai loại dòng thấm:

• Dòng thấm có áp (confined flow) — như trong Hình 6-3: nước thấm bị giới hạn phía trên và phía dưới bởi các biên không thấm (đáy đập, lớp đất không thấm bên dưới). Vùng thấm có ranh giới rõ ràng, cố định.
• Dòng thấm không có áp (unconfined flow) — như khi nước thấm qua thân đập đất: không có biên trên cố định. Nước sẽ thấm từ phía thượng lưu, đi xuyên qua thân đập, và bề mặt trên cùng của “vùng đất bão hòa nước” đó tự nó dốc xuống dần về phía hạ lưu — đây chính là cái gọi là mặt bão hòa (phreatic surface).

Vậy phreatic surface là gì, cụ thể?

Hãy tưởng tượng cắt ngang thân đập đất: phần đất phía dưới đường này thì bão hòa nước hoàn toàn (nước chảy qua), phần phía trên đường này thì đất ẩm nhưng không bão hòa (không có dòng thấm chảy qua theo lưới thấm). Đường ranh giới giữa hai vùng đó chính là mặt bão hòa — nó đóng vai trò như đường dòng trên cùng trong lưới thấm.

Vì sao mục e nói áp suất tại đó bằng 0?

Vì mặt bão hòa là bề mặt tự do của nước ngầm trong thân đập — giống như mặt nước trong một cái ly, tại đúng bề mặt đó áp suất nước bằng áp suất khí quyển (quy ước = 0), không có nước ở phía trên nó đè xuống.

Vì sao tổng cột nước = cao độ tại đó?

Công thức cột nước tổng luôn là:

Tổng cột nước = cột nước áp suất + cột nước cao độ

Vì cột nước áp suất = 0 (như giải thích trên), nên:

Tổng cột nước = 0 + cột nước cao độ = cao độ của điểm đó

Nghĩa là: nếu bạn biết cao độ của một điểm bất kỳ nằm trên đường mặt bão hòa, bạn biết ngay tổng cột nước tại điểm đó — không cần đo hay tính gì thêm.

Lưới thấm được vẽ theo đúng các quy tắc trên sẽ có các đặc điểm sau:

a. Mỗi kênh dòng (flow channel), được giới hạn bởi hai đường dòng liền kề, sẽ truyền tải cùng một lượng lưu lượng thấm như các kênh dòng khác trong lưới thấm.

b. Mỗi bậc sụt tổng cột nước (total head drop), được giới hạn bởi hai đường đẳng thế liền kề, thể hiện cùng một mức giảm tổng cột nước như các bậc sụt cột nước khác trong lưới thấm.

c. Các phần tử dòng có thể được chia nhỏ thành các vùng thể hiện các bậc sụt cột nước một phần và các kênh dòng một phần.

Lưới thấm có thể được vẽ cho dòng thấm qua các mặt cắt đất không đồng nhất và đất có hệ số thấm dị hướng (anisotropic hydraulic conductivity). Trong các mặt cắt đất phân lớp, dòng thấm sẽ chủ yếu đi qua các lớp đất thấm nước tốt. Nếu tỷ số giữa hệ số thấm của một lớp so với hệ số thấm của lớp thấm nước tốt nhất vượt quá 10 đến 100 lần, lớp đó có thể được xem là không thấm. Nếu tỷ số này nhỏ hơn 10, dòng thấm sẽ đi qua cả hai lớp. Tuy nhiên, đường dòng và đường đẳng thế sẽ bị lệch hướng tại mặt phân lớp như minh họa trong Hình 6-4.

Dòng thấm qua đất có hệ số thấm dị hướng (anisotropic permeability) có thể được chuyển đổi thành một vùng đẳng hướng (isotropic) tương đương bằng cách sử dụng hệ số chuyển đổi (a):

\[
a=\sqrt{\frac{k_{max}}{k_{min}}}\tag{6-8}
\]

trong đó:
\(\qquad a =\) hệ số biến đổi đẳng hướng
\(\qquad k_{max} =\) hệ số thấm lớn nhất trong đất dị hướng
\(\qquad k_{min} =\) hệ số thấm nhỏ nhất trong đất dị hướng

Các kích thước của vùng thấm được chuyển đổi bằng cách chia tất cả các kích thước song song với phương của \(k_{max}\) cho a. Lưới thấm được vẽ cho hệ đã chuyển đổi theo các quy tắc áp dụng cho hệ số thấm đẳng hướng. Ví dụ, nếu \(k\) lớn nhất theo phương ngang, thì tất cả các tọa độ x trong hệ chuyển đổi sẽ được chia cho a. Nếu cần, vùng thấm và lưới thấm có thể được chuyển đổi ngược lại về “không gian thực” (real space) bằng cách nhân các kích thước song song với phương của \(k_{max}\) với a.

6-2.4.2 Diễn giải lưới thấm

Sau khi được vẽ, lưới thấm có thể được dùng để tính toán một số đại lượng, bao gồm: lưu lượng thấm, áp lực nước lỗ rỗng, lực đẩy nổi (uplift forces), và građien thủy lực. Lưu lượng thấm thể tích qua một mặt cắt của lưới thấm có thể được tính như sau:

\[
q = k \cdot h_L \cdot \left(\frac{N_f}{N_d}\right) \cdot W\tag{6-9}
\]

trong đó:
\(\qquad h_L =\) tổng chênh lệch cột nước hay tổn thất cột nước qua lưới thấm,
\(\qquad k =\) hệ số thấm đẳng hướng (dùng \(\sqrt{(k_{max}·k_{min}}\) đối với các lưới thấm đã được chuyển đổi),
\(\qquad N_f =\) số kênh dòng trong lưới thấm,
\(\qquad N_d =\) tổng số bậc sụt đẳng thế (cột nước) trong lưới thấm, và
\(\qquad W =\) bề rộng của hệ theo phương vuông góc với mặt phẳng trang giấy, thường lấy bằng một đơn vị bề rộng.

Tỷ số \(N_f/N_d\) từ lưới thấm đôi khi được gọi là hệ số hình dạng (shape factor, SF). Hệ số hình dạng phản ánh ảnh hưởng của hình học đến kết quả tính lưu lượng. Hai lưới thấm có số đường dòng khác nhau nhưng cùng giá trị SF sẽ cho ra cùng lưu lượng thấm, cùng tổng cột nước, và cùng áp lực nước lỗ rỗng.

Lưới thấm chia tổng tổn thất cột nước qua hệ thống thành \(N_d\) bậc sụt cột nước bằng nhau. Tổn thất cột nước ứng với mỗi bậc sụt là:

\[
\Delta h_L = \frac{h_L}{N_d}\tag{6-10}
\]

trong đó:
\(\qquad \Delta h_L =\)tổng chênh lệch cột nước hay tổn thất cột nước qua một bậc sụt,
\(\qquad h_L =\)tổng chênh lệch cột nước hay tổn thất cột nước qua toàn bộ lưới thấm, và
\(\qquad N_d =\)tổng số bậc sụt cột nước trong lưới thấm.

Tổng cột nước tại bất kỳ điểm nào trong lưới thấm có thể được tính bằng cách tham chiếu đến tổng cột nước đã biết tại biên thượng lưu hoặc biên hạ lưu. Sự thay đổi cột nước tính từ biên đến một điểm bất kỳ bằng số bậc sụt cột nước tính từ biên đó nhân với \(Δh_L\). Khi biết tổng cột nước và cao độ tại một điểm quan tâm, áp lực nước lỗ rỗng tại điểm đó có thể được tính từ lưới thấm như sau:

\[
u = h_p \gamma_w = (h_t – h_z)\gamma_w\tag{6-11}
\]

trong đó:
\(\qquad h_p =\)cột nước áp suất tại điểm đang xét,
\(\qquad h_t =\)tổng cột nước tại điểm đang xét,
\(\qquad h_z =\)cột nước cao độ tại điểm đang xét, và
\(\qquad \gamma_w =\)trọng lượng riêng của nước.

Građien thủy lực có thể được tính giữa hai điểm bất kỳ trong vùng thấm bằng cách lấy độ thay đổi tổng cột nước xảy ra giữa hai điểm đó chia cho khoảng cách mà tổn thất cột nước đó xảy ra. Khi tính građien, việc chia nhỏ các phần của lưới thấm có thể hữu ích để tăng độ chính xác.

Hình 6-5 trình bày một ví dụ lưới thấm cùng các tính toán mẫu cho lưu lượng thấm, áp lực đẩy nổi, và građien thủy lực

6-2.5 Các phương trình dạng đóng

Phương pháp phân mảnh (method of fragments) và lý thuyết lớp phủ (blanket theory) là hai lời giải dạng đóng dùng để tính toán dòng thấm bên dưới các công trình chắn nước. Phương pháp phân mảnh (Pavlovsky 1956, Harr 1977) chia vùng thấm thành các mảnh (fragments) có hình học tiêu chuẩn. Dựa trên hình học đó, hệ số hình dạng (SF) của từng mảnh được xác định, cùng với SF tổng thể của bài toán. Lưu lượng thấm tổng thể và áp lực nước lỗ rỗng tại các điểm cụ thể có thể được xác định từ các kết quả này. Các phương trình của lý thuyết lớp phủ được xây dựng dựa trên phương pháp phân mảnh và đặc biệt hữu ích cho các phân tích thấm của đê. Các phương trình này được xây dựng riêng cho điều kiện nền đê gồm một lớp “phủ” (blanket) có hệ số thấm thấp nằm trên một lớp “nền” (foundation) có hệ số thấm cao. Khả năng xảy ra hiện tượng đẩy trồi (heave) của đất ở phía đồng (landside) của con sông có thể được đánh giá một cách dễ dàng.

Cả hai phương pháp đều có thể được lập trình trong một bảng tính (spreadsheet). Để biết thêm thông tin về các phương trình của phương pháp phân mảnh và lý thuyết lớp phủ, xem tương ứng Holtz et al. (2011) và Phụ lục B của USACE (1986).

Các lời giải phổ biến khác đã được xây dựng cho: (1) lưu lượng thấm, khả năng đẩy trồi (heave potential), và građien thoát tại các hố đào (exit gradients into excavations), (2) thiết kế giếng giảm áp (relief well design), và (3) thiết kế giếng hạ mực nước ngầm (dewatering well design). Các lời giải cụ thể này được trình bày trong các phần sau của chương này.

6-2.6 Phân Tích Thấm Bằng Phương Pháp Số

Phân tích số, chẳng hạn như phần tử hữu hạn (finite element) hoặc sai phân hữu hạn (finite difference), là công cụ phù hợp cho phần lớn các bài toán phân tích thấm. Các phương pháp này thân thiện với người dùng và cho phép nhập dễ dàng các đặc trưng của đất cũng như các cấu hình hình học phức tạp, đồng thời cung cấp kết quả đồ họa phong phú. Các phân tích số cũng có thể được mở rộng sang không gian ba chiều và được dùng để mô phỏng đất không bão hòa cũng như các điều kiện dòng chảy không ổn định (transient flow). Tuy nhiên, các chủ đề đó nằm ngoài phạm vi của chương này. Các phương pháp đồ họa và giải tích được trình bày trong các Mục 6-2.4 và 6-2.5 cung cấp một phương tiện quan trọng để kiểm chứng (validate) các mô hình thấm bằng phương pháp số.

Phân tích phần tử hữu hạn (finite element analysis – FEA) là phương pháp số phổ biến nhất được dùng cho phân tích thấm, và mục này được viết theo góc nhìn của FEA. Các phương pháp số khác, chẳng hạn như sai phân hữu hạn, cũng sẽ cho ra kết quả phù hợp nhưng có thể sử dụng thuật ngữ hơi khác.

6-2.6.1 Khái Niệm Chung Về Phân Tích Thấm Bằng Phần Tử Hữu Hạn

Trong phân tích phần tử hữu hạn, vùng thấm được chia thành các diện tích hoặc thể tích (gọi là phần tử – elements) mà bên trong đó dòng chảy của nước có thể được xác định dễ dàng. Các phần tử được tạo thành bằng cách nối các điểm trong không gian (gọi là nút – nodes) bằng các đường thẳng. Các phần tử hai chiều thường là tam giác ba nút hoặc tứ giác bốn nút. Trong mỗi phần tử, dòng thấm được xác định bằng một hệ phương trình liên hệ tổng cột nước tại mỗi nút với građien thủy lực và lưu lượng thấm trong phần tử đó. Các phương trình này được mô tả trong một ma trận phần tử (element matrix) bằng cách liên kết các giá trị của các nút chung. Các phương trình (ma trận) của từng phần tử được ghép nối thành một ma trận tổng thể (global matrix), đại diện cho một hệ phương trình xác định dòng thấm qua toàn bộ hệ thống. Mỗi nút có một phương trình và một giá trị chưa biết tương ứng.

Trong dạng phần tử đơn giản nhất, hướng và độ lớn của građien thủy lực là không đổi trong toàn bộ phần tử. Điều này dẫn đến việc tổng cột nước biến thiên tuyến tính dọc theo các biên của phần tử cũng như bên trong phần tử. Ở các loại phần tử phức tạp hơn, cột nước biến thiên theo một phương trình đa thức. Trước khi giải bài toán, giá trị chưa biết của mỗi nút là một trong hai đại lượng: (1) tổng cột nước tại nút đó, hoặc (2) tổng lưu lượng vào và ra khỏi hệ thống tại nút đó. Nhìn chung, các nút nằm bên trong bài toán và dọc theo các biên không có dòng thấm (no-flow boundaries) có cột nước là ẩn số và tổng lưu lượng bằng không (tức là lưu lượng vào bằng lưu lượng ra). Tại các biên nơi dòng thấm đi vào hệ thống, lưu lượng là ẩn số nhưng cột nước thường được xác định trước (specified).

6-2.6.2 Điều Kiện Biên

Điều kiện biên mô tả các điều kiện về cột nước, áp suất, và lưu lượng tại các biên của mô hình. Bảng 6-1 mô tả các điều kiện biên phổ biến nhất được sử dụng trong các mô hình phần tử hữu hạn cơ bản. Bảng 6-2 minh họa việc áp dụng các điều kiện biên vào các mô hình phần tử hữu hạn.

Bảng 6-1 Các điều kiện biên phổ biến trong phân tích phần tử hữu hạn

Điều kiện biên		Mô tả chung	Mô tả cụ thể	Cách dùng phổ biến
Quy định cột nước	Cột nước không đổi	Dòng chảy được phép đi vào hoặc đi ra khỏi hệ dọc theo biên. Cột nước tại nút đã biết. Dòng chảy tại nút được tính trong quá trình phân tích.	Tổng cột nước được giữ ở giá trị không đổi dọc theo biên.	Các biên ngập nước (tổng cột nước = cao độ mặt nước) Các vị trí thoát thấm ngang (tổng cột nước = cao độ mặt đất) Các cạnh của mô hình số
	Áp lực không đổi		Cột nước áp lực được giữ ở giá trị không đổi dọc theo biên.	Các vị trí thoát thấm (cột nước áp lực = 0) Các drain bên trong (cột nước áp lực = 0)
Quy định dòng chảy	Không dòng chảy (biên không thấm)	Tổng dòng chảy tại nút được quy định. Có thể quy định bằng không đối với các biên không dòng chảy. Cột nước tại nút chưa biết. Cột nước tại nút được tính trong quá trình phân tích.	Dòng chảy không được phép đi qua biên.	Các biên có đất, đá hoặc kết cấu không thấm Các cạnh của mô hình số
	Dòng chảy tại nút		Lưu lượng dòng vào hoặc dòng ra khỏi hệ được quy định cho một nút, thường là nút bên trong.	Giếng bơm ép hoặc giếng khai thác
	Thấm nhập		Dòng vào dọc theo một biên ngoài được quy định.	Nước mưa hoặc thấm nhập khác dọc theo bề mặt
Không biết hoặc thay đổi		Biên được thiết lập là biên không dòng chảy hoặc biên áp lực không đổi, tùy thuộc vào kết quả phân tích.		Các vùng thoát thấm nơi vị trí mặt bão hòa chưa biết, chẳng hạn như mái hạ lưu của đập hoặc đê.

\(\\\)

Bảng 6-2 Ví dụ về cách sử dụng điều kiện biên

6-2.6.3 Diễn giải kết quả đầu ra

Kết quả toán học chính của một phân tích phần tử hữu hạn là các giá trị tổng cột nước và lưu lượng tại nút (nodal flow) cho mỗi nút trong lưới phần tử hữu hạn (finite element mesh). Bằng cách xử lý hậu kỳ (post-processing) các kết quả tổng cột nước và lưu lượng từ FEA, có thể thu được građien thủy lực, vận tốc thấm, lưu lượng thể tích, cột nước áp suất, và lực đẩy nổi dọc theo một đoạn biên. Hầu hết các phần mềm phân tích thấm bằng phần tử hữu hạn thương mại đều có bộ xử lý hậu kỳ (post processors) để tính toán các giá trị này thông qua các thuật toán nội suy. Một số cách diễn giải kết quả này sẽ được trình bày dưới đây.

6-2.6.3.1 Áp lực nước lỗ rỗng

Áp lực nước lỗ rỗng được tính từ tổng cột nước và cao độ bằng Phương trình 6-11. Nhìn chung, phần mềm thương mại sẽ tính áp lực thủy lực cho từng nút và cung cấp bản đồ đường đồng mức áp lực trong toàn bộ vùng dòng chảy.

6-2.6.3.2 Lực nâng

Lực nâng do áp lực thủy lực tác dụng lên một kết cấu hoặc khối đất được tính bằng cách lấy tích phân áp lực thủy lực dọc theo một tập hợp các đoạn biên xác định trong mô hình. Có thể ước tính đơn giản lực nâng bằng cách vẽ các đường đồng mức áp lực nước lỗ rỗng và gán một diện tích đại diện dọc theo đoạn biên cho mỗi khoảng đồng mức. Tổng lực nâng có thể được tính bằng cách cộng các tích của chiều dài khoảng và áp lực đại diện cho từng khoảng.

6-2.6.3.3 Gradient thủy lực

Gradient thủy lực được tính cho từng phần tử dựa trên các cột nước thủy lực tại các nút của phần tử. Nói một cách chặt chẽ, đối với các phần tử đơn giản, gradient thủy lực theo một phương nhất định phải không đổi trong mỗi phần tử. Tuy nhiên, phần mềm thương mại thường nội suy các đường đồng mức gradient thủy lực dựa trên cột nước đã tính tại mỗi nút. Đối với các phần tử bậc cao hơn, gradient thủy lực theo một phương nhất định có thể thay đổi trong phần tử. Trong các trường hợp này, các gradient đã tính có thể được diễn giải bằng cách vẽ sự biến thiên của chúng trong vùng dòng chảy.

Cần lưu ý rằng gradient thủy lực đã tính sẽ thay đổi tùy thuộc vào kích thước phần tử được dùng gần các góc nhọn trong vùng dòng chảy, thường được gọi là các điểm kỳ dị. Trong trường hợp này, gradient thủy lực đã tính sẽ tăng khi kích thước phần tử giảm. Khi kích thước phần tử tiến gần đến không, gradient thủy lực đã tính có thể tiến đến vô cùng. Tại các vị trí này, gradient thủy lực nên được tính trên một khoảng cách phù hợp với các cơ chế cần quan tâm và các điều kiện nền đất đã biết. Ví dụ, gradient thủy lực tại chân đê đặt trên lớp blanket có hệ số thấm thấp nên được tính trên toàn bộ chiều dày của blanket.

6-2.6.3.4 Vận tốc xả

Vận tốc xả được tính từ gradient thủy lực và hệ số thấm được gán cho phần tử bằng Phương trình 6-5.

6-2.6.3.5 Thể tích dòng thấm

Thể tích dòng thấm được tính cho các phần tử bằng định luật Darcy, Phương trình 6-3. Đối với dòng chảy qua biên mô hình, lưu lượng qua từng phần tử được tính bằng cách sử dụng thành phần vectơ của gradient thủy lực vuông góc với biên, hệ số thấm được gán cho phần tử, và diện tích biên phần tử dọc theo biên mô hình. Lưu lượng qua một phần của mô hình FEA cũng có thể được đánh giá bằng cách tính dòng chảy qua một đường, sử dụng phương pháp tương tự áp dụng cho diện tích liên kết với các phần tử bị đường đó cắt qua.

6-3 HỆ SỐ THẤM (COEFFICIENT OF PERMEABILITY)

Một trong những đặc trưng của đất có mức độ biến thiên lớn nhất trong ngành địa kỹ thuật là hệ số thấm (hydraulic conductivity), có thể được định nghĩa là vận tốc thoát nước qua một đơn vị diện tích dưới một građien thủy lực đơn vị. Các giá trị hệ số thấm thông thường có thể dao động từ dưới 10⁻⁸ cm/giây đối với sét có tính dẻo cao đến vượt quá 1 cm/giây đối với sỏi cấp phối hở (open graded gravels) — một khoảng biến thiên hơn 8 bậc độ lớn. Những thay đổi nhỏ trong cấp phối hạt của đất, đặc biệt là thay đổi hàm lượng hạt mịn, có thể dẫn đến sự biến thiên đáng kể về hệ số thấm.

Thuật ngữ liên quan đến hệ số thấm được sử dụng khá đa dạng trong ngành. Thuật ngữ hệ số thấm (coefficient of permeability) được dùng như một từ đồng nghĩa với hydraulic conductivity trong tài liệu chuyên ngành. Cộng đồng thực hành địa kỹ thuật thường dùng thuật ngữ “độ thấm” (permeability) thay thế qua lại với hydraulic conductivity. Tuy nhiên, về mặt kỹ thuật, cách dùng này không chính xác, vì độ thấm (permeability) là một đặc trưng chỉ riêng của môi trường xốp (porous media) và không xét đến độ nhớt của chất lỏng thấm qua. Hydraulic conductivity là thuật ngữ được ưu tiên sử dụng, nhưng cả hydraulic conductivity và permeability đều được dùng trong tài liệu này.

Hệ số thấm thường được yêu cầu xác định cho các điều kiện đất tại hiện trường (in situ). Hệ số thấm có thể được đánh giá cho các điều kiện này bằng một số phương pháp: 1) thí nghiệm trong phòng, 2) thí nghiệm hiện trường, và 3) các tương quan kinh nghiệm bao gồm phương trình, biểu đồ, và bảng tra. Mỗi phương pháp này sẽ được trình bày trong các mục nhỏ sau đây.

6-3.1 Thí Nghiệm Trong Phòng

Thí nghiệm trong phòng có thể được thực hiện trên mẫu nguyên dạng (intact samples) hoặc mẫu tái tạo (reconstituted samples). Chi tiết về các quy trình thí nghiệm trong phòng được trình bày trong Mục 3-2.7. Mặc dù thí nghiệm trong phòng có thể đo hệ số thấm của nhiều loại đất khác nhau, nhưng cần thừa nhận những hạn chế của phương pháp thí nghiệm trong phòng. Thứ nhất, thí nghiệm trong phòng sử dụng một mẫu đất hoặc đá có kích thước nhỏ và thường chỉ thí nghiệm độ thấm theo phương đứng vì mẫu được lấy từ các hố khoan. Do đó, kết quả thí nghiệm trong phòng có thể không đại diện cho các đặc trưng ở quy mô lớn của một khối đất nếu không xét đến sự phân lớp và cấu trúc của khối đất đó. Đất tự nhiên thường thể hiện tính dị hướng, với hệ số thấm theo phương ngang lớn hơn theo phương đứng. Do đó, thí nghiệm trong phòng có xu hướng cho ra giá trị thấp hơn so với giá trị phù hợp cần dùng cho nhiều loại phân tích. Cuối cùng, mẫu nguyên dạng của đất hạt thô không thể lấy được bằng các quy trình lấy mẫu thông thường. Thí nghiệm trong phòng trên mẫu tái tạo của các loại vật liệu này khó có thể đáng tin cậy hơn các tương quan kinh nghiệm. Với những điều trên, thí nghiệm hệ số thấm trong phòng phù hợp nhất khi áp dụng cho mẫu tái tạo, dùng cho các ứng dụng như vật liệu đắp, vật liệu lấp lại tường vây (cutoff wall backfills), lớp lót hồ chứa (pond liners), và vật liệu lọc.

6-3.2 Thí Nghiệm Hiện Trường

Có hai loại thí nghiệm hệ số thấm hiện trường: thí nghiệm hố khoan (borehole tests) và thí nghiệm bơm hút hiện trường (field pumping tests). Chi tiết về các quy trình thí nghiệm hiện trường được trình bày trong Chương 2. Thí nghiệm hố khoan có hiệu quả trong việc đo độ thấm của đất trong phạm vi khu vực xung quanh hố khoan. Để đo các đặc trưng độ thấm trên phạm vi rộng hơn, có thể thực hiện thí nghiệm bơm hút.

6-3.3 Các Tương Quan Kinh Nghiệm Cho Hệ Số Thấm

Nhiều tương quan kinh nghiệm và bán kinh nghiệm đã được xây dựng để liên hệ hệ số thấm với các đặc trưng khác của đất (chủ yếu là kích thước hạt và cấp phối). Tương quan đơn giản nhất là liên hệ loại đất với các giá trị hoặc khoảng giá trị điển hình của k. Hình 6-6 thể hiện tương quan giữa k với các loại phân loại đất theo nhiều hệ đơn vị khác nhau.

Cục Khai Hoang Hoa Kỳ (United States Bureau of Reclamation – USBR 2014) đã xác định các giá trị điển hình cho hệ số thấm theo phương ngang của các khối đất và đá tự nhiên dựa trên thí nghiệm hiện trường, được trình bày trong Bảng 6-3, cùng hệ số thấm theo phương đứng của vật liệu đắp thân đập dựa trên thí nghiệm trong phòng, được tổng hợp trong Bảng 6-4.

Bảng 6-3 Các khoảng giá trị điển hình của hệ số thấm theo phương ngang đối với
các trầm tích đất tự nhiên và khối đá không nứt nẻ
(theo USBR, 2014)

Loại đất	kh (cm/s)	Loại đá	kh (cm/s)
Sỏi, cấp phối hở	> 2	Cát kết, hạt trung	1×10-4 đến 2×10-1
Sỏi (GP)	2×10-1 đến 2	Cát kết, pha bụi	< 5×10-3
Sỏi (GW)	1×10-2 đến 1	Đá vôi	< 1.5×10-2
Cát, hạt thô (SP)	1×10-2 đến 5×10-1	Granit, phong hóa	2×10-4 đến 1×10-5
Cát, hạt trung (SP)	1×10-3 đến 1×10-1	Đá phiến kết tinh	< 2×10-3
Cát, hạt mịn (SP)	5×10-4 đến 5×10-2	Tuff	< 1×10-3
Cát (SW)	1×10-4 đến 5×10-2	Gabro, phong hóa	5×10-5 đến 5×10-4
Cát pha bụi (SM)	1×10-4 đến 1×10-2	Bazan	< 5×10-5
Cát pha sét (SC)	1×10-6 đến 1×10-3	Dolomit	< 5×10-6
Bụi (ML)	1×10-6 đến 1×10-3	Gneiss	< 2×10-6
Sét (CL)	< 3×10-6

Ghi chú: Các vật liệu không có giới hạn dưới được nêu có thể dao động từ gần như không thấm đến giới hạn trên được chỉ ra trong bảng.

\(\\\)

Bảng 6-4 Các khoảng giá trị điển hình của hệ số thấm theo phương đứng
đối với đất đầm nén trong nền đắp (theo USBR 2014)

Vật liệu lõi nền đắp		Vật liệu vỏ nền đắp
Phân loại đất thống nhất	kv (cm/s)	Phân loại đất thống nhất	kv (cm/s)
GM-SM	< 1×10-5	GP	2×10-3 đến 1.0
GM hoặc GC	< 1×10-5	GW	1×10-3 đến 1×10-1
SP-SM	< 1×10-5	GP-SP	1×10-3 đến 5×10-1
SM	< 1×10-5	GW-SW	5×10-4 đến 5×10-3
SM-SC	< 3×10-6	GM	1×10-5 đến 1×10-4
SC	< 3×10-6	SP (hạt trung đến hạt thô)	1×10-2 đến 2×10-2
ML	< 1×10-5	SP (hạt mịn đến hạt trung)	5×10-3 đến 1×10-2
ML-CL	< 1×10-6	SP (rất mịn đến mịn)	5×10-4 đến 5×10-3
CL	< 1×10-6	SW	3×10-4 đến 5×10-3
MH	< 1×10-7	SP-SM	1×10-5 đến 1×10-3
		SM	1×10-5 đến 5×10-4

Ghi chú: Các vật liệu không có giới hạn dưới được chỉ ra có thể dao động từ gần như không thấm đến giới hạn trên được nêu trong bảng.

\(\\\)

Kích thước của các lỗ rỗng là một trong những yếu tố quan trọng nhất chi phối hệ số thấm của đất, đặc biệt đối với vật liệu hạt thô. Đường kính hiệu dụng hoặc cỡ hạt hiệu dụng \((D_{\alpha})\) là cỡ hạt có ảnh hưởng chính đến kích thước lỗ rỗng trung bình của đất. Xét về ảnh hưởng đến hệ số thấm, \(\alpha\) biểu thị một phần trăm lọt sàng cụ thể trên đường cong phân bố cỡ hạt và thường được gán giá trị 5, 10, 15 hoặc 20. Nói cách khác, ảnh hưởng của kích thước lỗ rỗng đến hệ số thấm được nhận thấy là tương quan tốt nhất với đường kính hạt tương ứng với cỡ hạt có 5 đến 20% lọt sàng. Các tương quan liên hệ hệ số thấm với cỡ hạt hiệu dụng hoặc phân bố cỡ hạt có thể được biểu diễn như sau (Kenney và cộng sự, 1984):

\[
k = \beta_{\alpha} D_{\alpha}^{x}\tag{6-12}
\]

trong đó:
\(\qquad \qquad k =\)hệ số thấm
\(\qquad \qquad B_{\alpha} =\)hệ số thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm
\(\qquad \qquad D_{\alpha} =\)cỡ hạt hiệu dụng
\(\qquad \qquad \alpha =\)phần trăm lọt sàng tương ứng với cỡ hạt hiệu dụng
\(\qquad \qquad x =\)số mũ, theo lý thuyết bằng 2 và theo thực nghiệm hơi lớn hơn 2

Phần lớn các tương quan đã công bố cho hệ số thấm của đất hạt thô có thể được biểu diễn theo Phương trình 6-12. Các tương quan này được tóm tắt trong Bảng 6-5. Một số quan hệ cũng xét đến ảnh hưởng của hệ số rỗng đối với \(k\).

Bảng 6-5 Ước tính hệ số thấm dựa trên cỡ hạt hiệu dụng

Nguồn	Phạm vi áp dụng được báo cáo	α	βα (cm/s/cmx)	x
Kenney và cộng sự (1984)	Cát và sỏi mịn, Cu = 1 đến 12	5	1	2
Hazen (1892, 1911)	Cát rời có D10 từ 0.01 đến 0.3 cm	10	Thay đổi tùy theo nguồn từ 0.01 đến 10 Thường lấy bằng 1	2
Slichter (1905) và (McCook 2010)	Cát có D10 từ 0.01 đến 0.5 cm	10	\(\beta_{\alpha}=0.0147\exp\left(\frac{9.3071e}{1+e}\right)\)	2
Chapuis (2004)	Cát	10	\(\beta_{\alpha}=2.4622\left(\frac{e^3}{1+e}\right)^{0.7825}\)	1.565
Carrier (2003)	Cát, giả thiết các hạt có dạng cầu đồng đều	10	\(\beta_{\alpha}=5.52\left(\frac{e^3}{1+e}\right)\)	2
Sherard và cộng sự (1984)	Cát và sỏi có hàm lượng hạt mịn thấp	15	Trung bình = 0.35, khoảng = 0.2 đến 0.6	2

Ghi chú: k được ước tính theo cm/s; C_u = hệ số đồng đều = D₆₀/D₁₀; e = hệ số rỗng.

Phương trình Kozeny-Carman (Carrier 2003) có thể được sử dụng để xét đến ảnh hưởng của toàn bộ phân bố cỡ hạt và hình dạng hạt:

\[
k = 1.99 \times 10^2 \frac{cm}{s \cdot mm^2}
\left[
\frac{\text{100%}}
{\sum \dfrac{f_i}{D_{li}^{0.404} \times D_{si}^{0.596}}}
\right]^2
\left(\dfrac{1}{S^2}\right)
\left(\dfrac{e^3}{1+e}\right)\tag{6-13}
\]

trong đó:
\(\qquad k =\)hệ số thấm (cm/s)
\(\qquad f_i =\)phần hạt, theo khối lượng, nằm giữa hai cỡ sàng liền kề
\(\qquad D_{li} =\)cỡ hạt của sàng thô hơn (mm)
\(\qquad D_{si} =\)cỡ hạt của sàng mịn hơn (mm)
\(\qquad S =\) hệ số diện tích bề mặt, dao động từ 6 đối với hạt hình cầu đến 8.5 đối với hạt góc cạnh
\(\qquad e =\)hệ số rỗng

Đối với một loại đất nhất định, có thể xét tỷ số hệ số thấm dưới hai hệ số rỗng khác nhau như sau (Kozeny 1927):

\[
\frac{k_1}{k_2} =\frac{1+e_2}{1+e_1}\frac{e_1^3}{e_2^3}\tag{6-14}
\]

trong đó:
\(\qquad k_1 =\)hệ số thấm ứng với hệ số rỗng \(e_1\)
\(\qquad k_2 =\)hệ số thấm ứng với hệ số rỗng \(e_2\)

Đối với đất hạt mịn, hệ số thấm được dự kiến sẽ giảm khi giới hạn chảy, chỉ số dẻo, hoặc hàm lượng hạt mịn tăng. Hình 6-7 cho thấy hệ số thấm giảm khi hàm lượng hạt mịn, tức là phần trăm lọt sàng No. 200, tăng. Với một hàm lượng hạt mịn nhất định, khoảng giá trị của \(k_v\) là 2.5 đến 3 bậc độ lớn, trong đó đất cát và đất bụi có \(k_v\) cao hơn đất sét.

6-3.4 Tính dị hướng

Thông thường, đất thể hiện tính dị hướng đối với hệ số thấm. Trong đất tự nhiên, điều này thường là hệ quả của sự phân lớp trầm tích của đất và dẫn đến hệ số thấm theo phương ngang lớn hơn theo phương đứng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, thường liên quan đến sự hình thành và lấp đầy các khe nứt thẳng đứng, hệ số thấm theo phương đứng có thể lớn hơn theo phương ngang.

Trong đất đắp kỹ thuật, tính dị hướng có thể hình thành do sự thay đổi của đất giữa các lớp đắp, sự đầm nén khác nhau giữa phần trên và phần dưới của các lớp đắp, và các mặt phẳng hình thành giữa các lớp đắp. Bảng 6-6 và Bảng 6-7 trình bày các giá trị điển hình dùng cho tính dị hướng trong các trầm tích đất tự nhiên và đất đắp đầm nén.

Tính dị hướng có thể ảnh hưởng lớn đến ứng xử thấm trong một khối đất và có thể có ảnh hưởng đáng kể đến áp lực, lưu lượng và gradient thủy lực được tính toán trong chế độ thấm.

Bảng 6-6 Giá trị điển hình của tính dị hướng trong đất tự nhiên (theo USBR 2014)

Loại hình thành đất (Formation)	kh / kv		Tỷ số phụ thuộc vào
	Cận dưới	Cận trên
Đất trầm tích phân lớp (Stratified Deposits)	10	1000	Phạm vi biến thiên hệ số thấm k giữa các lớp mỏng (laminations)
Đất hoặc đá nguyên khối (Intact Soil or Rock)	1	3	Hình dạng và phương hướng của hạt (particle shape and orientation)
Đá gốc nứt nẻ (Fractured Bedrock)	0.1	10	Sự sắp xếp và phương hướng của các khe hở và khe nứt (apertures and joints)
Đất hoàng thổ (Loess)	0.02	2	Phương hướng của các vết nứt và khe nứt hình thành trong quá trình cố kết và co ngót (consolidation and desiccation)

\(\\\)

Bảng 6-7 Giá trị điển hình của tính dị hướng trong đất đắp có kiểm soát (engineered fill) (theo USBR 2014)

Khu vực hoặc phương pháp đắp (Fill Zone or Method)	kh / kv
	Cận dưới	Cận trên
Vùng lõi, thi công theo quy trình đầm nén USBR (Core Zone, USBR Compaction Procedures)	4	9
Vùng lõi, thi công theo quy trình đầm nén tiêu chuẩn (Core Zone, Standard Compaction Procedures)	9	36
Đất đắp thủy lực (Hydraulic Fill)	64	225
Vỏ đập, thi công theo quy trình đầm nén USBR (Embankment Shell, USBR Compaction Procedures)	4	9
Lớp thoát nước đập, thi công theo quy trình đầm nén USBR (Embankment Drains, USBR Compaction Procedures)	1	4
Ghi chú: Các quy trình đầm nén USBR dựa trên phương pháp đầm nén tiêu chuẩn Proctor (Standard Proctor, ASTM D698). Yêu cầu về độ ẩm đầm nén và độ chặt tương đối và/hoặc mật độ tương đối thay đổi tùy theo thành phần cấp phối hạt và chiều cao đập.

6-4 XÓI NGẦM

Khoảng một nửa số sự cố và hư hỏng đập có thể quy cho hiện tượng xói ngầm qua nền và/hoặc qua thân đập hoặc dọc theo các đường xuyên qua thân đập (ví dụ, Foster et al. 2000). Xói ngầm (internal erosion) là thuật ngữ chung mô tả hiện tượng xói mòn các hạt đất do nước thấm qua một khối đất hoặc đá. Nước có thể thấm qua các lỗ rỗng liên thông của khối đất hoặc đá, hoặc có thể chảy dọc theo các đường thấm ưu tiên (vết nứt hoặc các khuyết tật khác).

Thuật ngữ mô tả các cơ chế khác nhau của hiện tượng xói ngầm đã có sự thay đổi trong những năm gần đây khi hiểu biết về các cơ chế xói mòn ngày càng phát triển. Cách gọi tên cho các cơ chế này đã và vẫn còn thiếu nhất quán trong thực tiễn cũng như trong tài liệu do sự phát triển nhanh chóng của hiểu biết và cách đặt thuật ngữ. Ví dụ, các thuật ngữ “piping” và “xói mòn liên quan đến thấm (seepage-related erosion)” đã được dùng như thuật ngữ chung cho xói ngầm, trong khi thuật ngữ “xói ngầm (internal erosion)” cũng đã được dùng để chỉ một cơ chế xói ngầm cụ thể.

Năm 2014, Ủy hội Đập lớn Quốc tế (International Commission on Large Dams – ICOLD) đã thông qua một hệ thống thuật ngữ mô tả các cơ chế khác nhau của hiện tượng xói ngầm. Hệ thống thuật ngữ của ICOLD được tóm tắt trong các mục tiếp theo cùng với các bổ sung vào hệ thống thuật ngữ khi cần thiết.

6-4.1 Đẩy trồi (Heave)

Đẩy trồi do ứng suất hữu hiệu (effective stress heave) (còn gọi là điều kiện cát chảy – quick condition) là hiện tượng bùng nền của một khối đất hạt thô do gradient thủy lực cao tác dụng lên các hạt đất tại vị trí thoát nước không được bảo vệ. Lực thấm sinh ra do lực kéo nhớt (viscous drag) có xu hướng nâng khối đất lên, dẫn đến hiện tượng bùng nền hoặc điều kiện cát chảy, như minh họa trong Hình 6-8a.

Đất hạt thô có gradient thoát nước theo phương đứng cao dễ bị đẩy trồi do ứng suất hữu hiệu. Các gradient này có thể xuất hiện tại đáy các hố đào sâu vào cát và tại chân của các công trình thủy lực đặt trên nền cát.

Đẩy trồi do tổng ứng suất (total stress heave) (còn gọi là nổ phá – blowout) là hiện tượng bùng nền của một khối đất có hệ số thấm thấp do áp lực thủy lực cao trong tầng chứa nước bên dưới, như thể hiện trong Hình 6-8b. Khi áp lực bên dưới một lớp có hệ số thấm thấp vượt quá tổng trọng lượng của lớp đó, hiện tượng bùng nền sẽ xảy ra và thường dẫn đến nứt lớp đất phía trên. Đẩy trồi do tổng ứng suất xảy ra ở đất hạt mịn có tầng chứa nước bên dưới, chẳng hạn như các hố đào sâu vào đất sét và các lớp phủ hạt mịn (fine-grained blankets).

6-4.2 Xói mòn và Sụt lở hang hốc (Erosion and Stoping).

Xói ngược tạo ống (backward erosion piping) (còn gọi là piping cổ điển – classical piping) là hiện tượng các hạt đất bị cuốn trôi liên tiếp tại vị trí thoát nước không được bảo vệ, dẫn đến hình thành một đường dẫn hở hay đường ống (pipe) phát triển ngược dần về phía nguồn thấm. Một “mái vòm” ổn định ngăn không cho đường ống bị sập và cho phép nó tiếp tục phát triển, như minh họa trong Hình 6-9a. Chân của đập và đê đặc biệt dễ bị xói ngược tạo ống, cùng với các vị trí thoát nước không được bảo vệ khác như bề mặt đất, các lỗ rỗng hoặc đường thấm bên trong, hoặc các khuyết tật trong cống hoặc cửa xả.

Xói ngược tổng quát (general backward erosion) (còn gọi là sạt trượt tiến triển – progressive sloughing hoặc di chuyển nội bộ – internal migration) là hiện tượng các hạt đất bị cuốn trôi liên tiếp tại vị trí thoát nước không được bảo vệ, dẫn đến hiện tượng sạt trượt tiến triển của mái dốc. Loại xói mòn này khởi phát tương tự như xói ngược tạo ống, nhưng do thiếu “mái vòm” nên không hình thành đường ống tiến triển (Hình 6-9b). Mái dốc và thân đập cấu tạo từ đất hạt thô có dòng thấm lớn dễ bị xói ngược tổng quát.

Sụt lở hang hốc (stoping) (còn gọi là hố sụt – sinkhole) là hiện tượng một khoảng rỗng phát triển gần như theo phương thẳng đứng do sự sập lở liên tiếp vào một hốc rỗng, như thể hiện trong Hình 6-9c. Hốc rỗng này thường là kết quả của một cơ chế xói ngầm khác. Các hang hốc thường biểu hiện thành hố sụt tại bề mặt đất và xảy ra ở các thân đập có độ bền dính từ trung bình đến thấp.

Xói mòn dòng thấm tập trung (concentrated leak erosion) (còn gọi là xói lở – scour) là hiện tượng xói mòn xảy ra dọc theo một đường dòng thấm tập trung, gây ra bởi lực cắt do dòng nước chảy tác dụng (Hình 6-9d). Các dòng thấm tập trung có thể là các vết nứt trong đất hoặc đá, khe hở giữa đất và cống hoặc công trình, hoặc các đường dẫn khác có sức cản dòng chảy thấp, có khả năng mang theo các hạt đất bị xói mòn. Các điều kiện dễ xảy ra xói mòn dòng thấm tập trung bao gồm thân đập có tính dính, ống cống thoát nước và các công trình trong thân đập, và đất đắp của đập, đê đặt dọc theo vai đá dốc (steep rock abutments).

Xói mòn tiếp xúc (contact erosion) (còn gọi là xói lở – scour) là hiện tượng xói mòn xảy ra dọc theo mặt tiếp xúc giữa vật liệu có độ thấm cao và đất dễ bị xói mòn. Xói mòn tiếp xúc gây ra bởi lực cắt do vận tốc thấm cao trong vật liệu có độ thấm cao tác dụng, như minh họa trong Hình 6-9e. Các mặt tiếp xúc giữa đất dễ bị xói mòn với sỏi cấp phối hở (open-graded gravel) hoặc các khe nứt hở (open joints) trong đá gốc là những vị trí dễ xảy ra loại xói mòn này.

6-4.3 Mất Ổn Định Nội Tại (Internal Instability)

Đất có thể bị mất ổn định nội tại, trong đó các hạt mịn bị xói mòn từ bên trong khung hay “bộ khung” (skeleton) của các hạt thô, như minh họa trong Hình 6-10. Quá trình này được gọi là suffusion nếu các hạt thô tiếp xúc với nhau trước khi xảy ra xói mòn. Do đó, suffusion không gây ra thay đổi thể tích. Quá trình này được gọi là suffosion nếu các hạt thô không tiếp xúc với nhau trước khi xảy ra xói mòn. Suffosion dẫn đến thay đổi thể tích hoặc sập lún. Đất cấp phối tốt (well-graded), cấp phối gián đoạn (gap-graded) và đất tàn tích băng hà (glacial till) đều có thể dễ bị suffusion hoặc suffosion.

6-5 CÁC BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU THẤM VÀ XÓI NGẦM

6-5.1 Vấn đề và chiến lược tổng quát

Thấm xảy ra qua tất cả các thân đập đất và đê cùng nền của chúng, qua các hố đào dưới mực nước ngầm, và dưới các công trình khác chịu tác động của điều kiện chênh lệch áp lực nước. Trong nhiều trường hợp, lưu lượng thấm ở mức không gây hậu quả bất lợi hay rủi ro nào cho công trình. Tuy nhiên, nếu thấm quá lớn hoặc áp lực và lực do thấm gây ra quá cao, có thể cần áp dụng biện pháp giảm thiểu vấn đề thấm. Các vấn đề liên quan đến thấm có thể được phân thành ba nhóm:

a. Lưu lượng thấm vượt mức Hậu quả không mong muốn của lưu lượng thấm vượt mức bao gồm mất một lượng nước có giá trị từ hồ chứa, ngập úng hoặc làm mềm nền đất tại các hố đào, và tình trạng đất ẩm ướt phía hạ lưu đập hoặc đê làm cản trở các hoạt động hoặc việc sử dụng đất.

b. Áp lực nước lỗ rỗng cao Áp lực nước lỗ rỗng cao có thể gây ra lực đẩy nổi (uplift) không thể chấp nhận được bên dưới hoặc bên trong thân đập và đê, dẫn đến mất ổn định do trượt hoặc lật. Lực áp lực nước quá lớn cũng có thể tác dụng lên các công trình, tường chắn và các hạng mục phụ trợ khác.

c. Khả năng xảy ra xói ngầm Một số điều kiện thấm có thể tạo ra tình huống dễ xảy ra xói ngầm thông qua một trong các cơ chế đã mô tả ở Mục 6-4. Các vấn đề xói ngầm thường gắn liền với áp lực nước lỗ rỗng cao. Việc đánh giá khả năng xảy ra xói ngầm cần được kết hợp với việc đánh giá mức độ nghiêm trọng của thấm. Bảng 6-8 cung cấp một phương pháp để đánh giá mức độ nghiêm trọng của thấm và xác định có cần khảo sát thêm hay không. Cách tiếp cận này thừa nhận rằng lưu lượng thấm phải đủ lớn thì hiện tượng xói ngầm mới có khả năng gây ra vấn đề.

Bảng 6-8 Phân loại mức độ nghiêm trọng của thấm (theo Duncan et al. 2011, USACE 1956)

q / hL / W (cfs trên foot cột nước tổn thất trên foot chiều dài đê)	Mức độ nghiêm trọng của thấm	Có cần xử lý thấm hay không
> 2.2×10-4	Nặng (Heavy)	Có
1.1×10-4 đến 2.2×10-4	Trung bình (Medium)	Có thể cần
2.2×10-5 đến 1.1×10-4	Nhẹ (Light)	Ở mức ranh giới
< 2.2×10-5	Không đáng kể (Negligible)	Không cần
Ghi chú: q = lưu lượng thấm ước tính; hL = cột nước tổn thất qua công trình; W = chiều rộng 1 cfs/ft cột nước/ft chiều dài đê = 44.883 gpm/ft cột nước/100 ft chiều dài đê

Nếu một hoặc nhiều vấn đề nêu trên cần được giảm thiểu, biện pháp giảm thiểu thường áp dụng một trong ba chiến lược tổng quát sau:

a. Rào cản chống thấm (Seepage barriers) Chiến lược này bao gồm việc thi công một bộ phận nhằm chặn trực tiếp đường thấm hoặc kéo dài đường thấm. Việc chặn dòng thấm có thể làm tăng áp lực thủy lực và gradient thủy lực tại một số vị trí trong thân đập hoặc nền đập. Khi sử dụng các biện pháp chặn thấm, kỹ sư phải đánh giá xem áp lực và gradient sinh ra có gây bất lợi cho ổn định kết cấu và khả năng xảy ra xói ngầm hay không.

b. Bố trí hệ thống thoát nước có kiểm soát (Providing controlled drainage) Ở những vị trí có áp lực nước lỗ rỗng cao dẫn đến gradient thủy lực cao hoặc lực đẩy nổi lớn, có thể giảm áp lực bằng cách bố trí một hệ thống thoát nước có kiểm soát. Việc kiểm soát trong hệ thống này bao gồm đảm bảo nước có thể thoát ra mà không gây xói ngầm hoặc gây thất thoát nước quá mức. Hệ thống thoát nước có kiểm soát thường làm tăng lưu lượng thấm.

c. Bố trí tầng lọc (Providing Filtration) Ở những vị trí có khả năng xảy ra xói ngầm, sự phát triển của xói mòn có thể được ngăn chặn bằng cách bố trí tầng lọc phù hợp cho các hạt đất bị xói mòn. Các tầng lọc đáng tin cậy và bền lâu nhất được thi công bằng cát và sỏi có cấp phối hạt được thiết kế để vừa giữ được hạt đất, vừa đảm bảo khả năng thoát nước thấm đầy đủ.

Các phương pháp cụ thể cho các phương án giảm thiểu thấm và xói ngầm được trình bày trong các mục tiếp theo.

6-5.2 Rào cản chống thấm (Seepage Barriers).

Rào cản chống thấm bao gồm nhiều phương án nhằm (1) chặn dòng thấm qua một lớp đất hoặc đá có độ thấm cao, hoặc (2) kéo dài đường thấm để giảm lưu lượng thấm và gradient thủy lực.

6-5.2.1 Rào cản đứng (Vertical Barriers).

Rào cản đứng hay tường chống thấm (seepage cutoff walls) là các đới có hệ số thấm thấp được thi công (1) xuyên qua thân đập và đê có tính thấm, (2) xuyên qua nền đập và đê có các lớp thấm nước, (3) bao quanh các hố đào nằm dưới mực nước ngầm, hoặc (4) chặn các tầng chứa nước để ngăn sự lan truyền ô nhiễm nước ngầm. Rào cản đứng thường được phân loại theo phương pháp đào/thi công và loại vật liệu lấp (backfill).

Các phương pháp thi công khác nhau, phạm vi áp dụng, đặc tính và yêu cầu của chúng được tóm tắt trong Bảng 6-9. Hào vữa liên tục (continuous slurry trenches) thường được lấp bằng một trong ba loại vật liệu: vật liệu lấp Đất-Bentonite (Soil-Bentonite, SB), vật liệu lấp Xi măng-Bentonite (Cement-Bentonite, CB), và vật liệu lấp Đất-Xi măng-Bentonite (Soil-Cement-Bentonite, SCB). Tường vữa dạng phân đoạn (element slurry walls) thường được lấp bằng bê tông hoặc bê tông dẻo (plastic concrete) theo phương pháp ống dẫn Tremie (Tremie method), đổ đầy từ dưới lên trong khi đẩy vữa (slurry) ra ngoài. Đặc tính của các vật liệu lấp rào cản đứng được trình bày trong Bảng 6-10.

Bảng 6-9 Các phương pháp thi công rào cản đứng chống thấm (Cutoff Walls)

Phương pháp / Loại thi công	Mô tả và phạm vi áp dụng	Đặc tính và yêu cầu
Cừ thép ván (Steel Sheet Piles)	Các tấm cừ thép liên kết khớp (interlocking) thường được đóng xuống đất bằng búa rung, thi công nhanh trong đất hỗn hợp có lượng sỏi và cuội hạn chế. Việc liên kết khớp giữa các tấm cừ thép trở nên khó khăn khi độ sâu đóng tăng, mật độ đất tăng, và lượng sỏi, cuội tăng.	Rò rỉ chỉ xảy ra qua các khớp liên kết, do đó khả năng làm việc phụ thuộc vào việc duy trì độ kín của khớp. Khoan dẫn hướng (predrilling) trong đất có sỏi và cuội giúp tăng khả năng đảm bảo độ kín khớp. Sức cản thấm có xu hướng tăng theo thời gian do hiện tượng tắc nghẽn và oxy hóa dọc theo các khớp liên kết. Ăn mòn có thể là vấn đề đáng lo ngại đối với độ bền kết cấu.
Cừ nhựa PVC (Vinyl Sheet Piles)	Các tấm cừ nhựa liên kết khớp được ép vào nền đất rất mềm hoặc lắp đặt trong hào đào (xem hào vữa – slurry walls). Độ sâu bị giới hạn bởi ổn định của hố đào.	Rò rỉ chỉ xảy ra qua các khớp liên kết, do đó khả năng làm việc phụ thuộc vào độ kín của khớp. Ăn mòn không phải là vấn đề đáng lo ngại, tuy nhiên cần đánh giá tính bền hóa học trong môi trường khắc nghiệt.
Tường hào vữa liên tục (Continuous Slurry Trench Wall)	Tường được thi công trong một hào liên tục, đào bằng máy đào cần dài (long-reach excavator) và/hoặc gầu ngoạm (clamshell). Hào được giữ ổn định bằng vữa (slurry) gồm hỗn hợp bentonite và nước hoặc vữa polymer. Vật liệu tường có thể thay đổi từ vật liệu lấp SB và SCB đến vữa CB tự đông cứng (self-hardening) (xem Bảng 6-10).	Thi công liên tục tránh được các khe thi công (construction joints) nhưng dễ xuất hiện “cửa sổ” (windows) trong tường do sập đổ một phần thành hào hoặc cát lắng đọng từ vữa. Tường nhìn chung có tính dẻo (ductile) nhưng cường độ thấp và dễ bị xói mòn cao. Tính nén lún của vật liệu lấp có thể gây ra cố kết theo phương đứng và phương ngang, dẫn đến hư hỏng cho các công trình bên trên và lân cận. Ổn định của các hố đào dài có thể là vấn đề đáng lo ngại. Thường chỉ giới hạn áp dụng trong đất và đá mềm.
Tường vữa dạng phân đoạn (Element Slurry Wall)	Tường liên tục được thi công bằng cách chồng lấp tuần tự các phân đoạn thẳng đứng (vertical elements). Các phân đoạn hình chữ nhật được giữ ổn định bằng vữa và đào bằng gầu ngoạm thủy lực (hydraulic clamshell) trong đất và đá mềm, hoặc bằng máy cắt thủy lực (hydrocutter) trong đá từ trung bình đến cứng. Các phân đoạn hình tròn có thể chồng lấp nhau để tạo thành tường cát tuyến (secant wall). Vật liệu lấp thường là bê tông hoặc bê tông dẻo, đổ từ dưới lên bằng phương pháp Tremie.	Chiều dài mỗi phân đoạn được xác định dựa trên ổn định của hào và thân đập, quy trình lấp vật liệu, và các yếu tố thi công khác. Cần chú ý đảm bảo liên kết tốt tại các mối nối thi công. Ổn định của hố đào ít đáng lo ngại hơn do thời gian đào ngắn. Các phân đoạn có thể được đào trong hầu hết các loại đất và đá bằng nhiều loại thiết bị đào khác nhau.
Màng chống thấm đứng (Vertical Membrane)	Việc đưa một màng địa kỹ thuật (geotextile membrane) vào trong hào đào tạo thành rào cản chống thấm liên tục có hệ số thấm rất thấp. Màng thường được đặt trong hào đào có giữ ổn định bằng vữa. Các phân đoạn màng được dán hoặc hàn ghép mí (interlocking) với các tấm màng liền kề.	Màng tạo ra một rào cản chống thấm liên tục có hệ số thấm rất thấp. Màng thường được sử dụng trong các ứng dụng môi trường, nơi yêu cầu lượng rò rỉ rất nhỏ là yếu tố then chốt.
Phương pháp trộn sâu (Deep Mixing Method)	Đất tại chỗ (in situ) được trộn ngay tại vị trí với vữa gồm chủ yếu là bentonite, xi măng và nước để tạo ra vật liệu đất-xi măng (soil-cement) có độ thấm giảm và cường độ tăng. Việc trộn đất có thể được thực hiện bằng kỹ thuật trộn nhiều trục (multi-axis mixing) hoặc kỹ thuật trộn bằng lưỡi cắt thẳng đứng (vertically-mixing cutter soil mixing). Trộn nhiều trục sử dụng các mũi khoan trộn đất (soil augers) chồng lấp nhau, được khoan vào đất trong khi vữa được bơm qua đầu mũi khoan.	Từng nhóm ba mũi khoan hoặc nhiều hơn được khoan cùng lúc và chồng lấp với các nhóm liền kề để đảm bảo tính liên tục của tường. Phương pháp này thường tạo ra hiện tượng phân lớp trong tường do các mũi khoan gặp phải các loại đất khác nhau theo độ sâu. Trộn bằng lưỡi cắt (cutter soil mixing) sử dụng một lưỡi cắt liên tục (có hình dạng giống cưa xích cỡ rất lớn) để trộn toàn bộ cột đất đồng thời theo phương thẳng đứng. Phương pháp này cho kết quả đồng đều hơn về đặc tính của tường theo độ sâu. Cường độ và độ thấm của “đất-xi măng” có thể điều chỉnh được thông qua thành phần và liều lượng của vữa. Trộn sâu chỉ giới hạn áp dụng cho đất và đá rất mềm.
Tường bơm vữa cao áp (Jet Grout Walls)	Các cột bơm vữa cao áp (jet grout columns) được thi công bằng một đầu dò (probe) sử dụng tia phun áp lực cao để đồng thời phá vỡ (xói) đất và lấp cột bằng hỗn hợp đất-vữa. Đất-xi măng được hình thành khi các lượng đất bị xói trộn với nước và vữa (grout). Quy trình có thể thực hiện theo phương pháp đơn dòng (single-fluid), song dòng (double-fluid) và tam dòng (triple-fluid). Phương pháp đơn dòng phun vữa xi măng qua một vòi phun duy nhất, đồng thời xói đất và cấp vữa. Phương pháp song dòng sử dụng vòi phun kép, phun một luồng vữa được bao bọc bởi một lớp khí, giúp tăng phạm vi của tia phun vữa để tạo ra cột có đường kính lớn hơn. Phương pháp tam dòng sử dụng một tia nước được bao bọc bởi khí để cắt cột, tiếp theo là một tia vữa để lấp cột.	Vì cột được hình thành bằng tia phun, có thể thi công các bức tường bịt kín được cả các bề mặt đá hoặc bê tông không đều mà các phương pháp đào cứng khác khó thực hiện được. Thiết bị có thể thích ứng thi công trong điều kiện không gian hạn chế và chiều cao tĩnh không thấp. Do áp lực rất cao, rủi ro gây nứt vỡ thủy lực (hydrofracturing) trong thân đập là đáng kể, làm hạn chế khả năng áp dụng cho đập và đê. Phương pháp bơm vữa cao áp thường tốn kém hơn các phương pháp khác, do đó chỉ được sử dụng hạn chế cho các dự án có điều kiện tiếp cận khó khăn hoặc yêu cầu đặc biệt.

\(\\\)

Bảng 6-10 Mô tả và đặc tính vật liệu lấp (backfill) cho rào cản đứng chống thấm (Cutoff Walls)

Loại vật liệu lấp (Backfill Type)	Mô tả và phạm vi áp dụng	Đặc tính và yêu cầu
Vật liệu lấp Đất-Bentonite (Soil-Bentonite, SB)	Vật liệu lấp SB gồm hỗn hợp đất đào lên và bentonite, chủ yếu dùng cho hào vữa liên tục. Hỗn hợp SB thường được tạo ra bằng cách trộn vữa trong hào với đất đào đổ đống bên cạnh hào. Việc trộn thường được thực hiện bằng máy ủi (bulldozer) hoặc máy trộn đất chuyên dụng.	Vật liệu lấp SB có cường độ thấp, độ dẻo cao và hệ số thấm thấp. Mặc dù vật liệu này có tính nén lún cao, nhưng do ma sát với thành hào có thể làm giảm ứng suất theo phương ngang tác dụng lên vật liệu lấp, khiến nó vẫn ở trạng thái chưa cố kết hoàn toàn (underconsolidated) trong hào. Vật liệu SB có thể dễ bị cố kết theo phương đứng và phương ngang, cũng như dễ xảy ra nứt vỡ thủy lực (hydraulic fracture).
Vật liệu lấp Xi măng-Bentonite (Cement-Bentonite, CB)	Vật liệu lấp CB là loại vữa tự đông cứng (self-hardening slurry) dùng để giữ ổn định hào vữa liên tục, sau đó đông cứng đạt độ sệt tương tự đất sét cứng. Vữa được trộn tại trạm trộn (batch plant) và có thể chứa các phụ gia để tăng cường độ hoặc làm chậm quá trình đông cứng.	Vật liệu CB ít dễ bị cố kết hơn so với SB. Cường độ của CB có thể điều chỉnh được nhưng nhìn chung có độ sệt của đất sét rất cứng đến cứng.
Vật liệu lấp Đất-Xi măng-Bentonite (Soil-Cement-Bentonite, SCB)	Vật liệu lấp SCB thường được trộn và thi công tương tự vật liệu lấp SB nhưng có bổ sung xi măng để tăng cường độ, tạo ra một phân đoạn vững chắc hơn trong thân đập. Chủ yếu dùng làm vật liệu lấp cho hào vữa liên tục.	Vật liệu SCB ít dễ bị cố kết hơn so với SB. Cường độ của SCB có thể điều chỉnh được. Cần lưu ý rằng một số tường SCB được phát hiện có các khe gián đoạn hoặc “cửa sổ” (windows) gần đáy tường. Các “cửa sổ” này được cho là do vật liệu lấp đông cứng sớm, bị vỡ thành từng khối do hiện tượng sụt lún (slumping) xảy ra trong quá trình thi công thông thường.
Đất-xi măng (Soil Cement)	Đất-xi măng là thuật ngữ thường dùng để mô tả sản phẩm của phương pháp trộn sâu (deep soil mixing). Theo phương pháp ướt (wet method), một loại vữa gồm chủ yếu bentonite, xi măng và nước được trộn với đất tại chỗ (xem phương pháp trộn sâu trong Bảng 6-9). Phương pháp khô (dry method), ít phổ biến hơn, bơm bột xi măng và bentonite trực tiếp vào đất để trộn.	Cường độ và độ thấm của đất-xi măng thay đổi tùy theo lượng xi măng và bentonite trong vữa cũng như loại đất được trộn. Đất có sỏi hoặc đất hạt thô sạch (gravelly or clean coarse-grained soils) thường cho cường độ cao hơn và độ thấm cao hơn so với cát và bụi được trộn với cùng lượng vữa tương tự.
Bê tông dẻo (Plastic Concrete)	Bê tông dẻo là bê tông thông thường có bổ sung bentonite để tăng độ dẻo, nhằm giúp tường có khả năng tương thích tốt hơn với đất xung quanh, làm giảm hiện tượng nứt của tường và đất xung quanh.	Bentonite làm giảm cường độ và khả năng chống xói mòn của bê tông. Do đó, cần cân nhắc cân bằng giữa độ bền vững (robustness) và khả năng tương thích (compliance) khi lựa chọn giữa bê tông thông thường và bê tông dẻo.
Bê tông thông thường (Conventional Concrete)	Bê tông thông thường tạo ra một phân đoạn vững chắc trong hố đào hoặc thân đập/đê, có cường độ cao, độ cứng lớn và khả năng chống xói mòn cao.	Độ cứng của tường có thể gây tập trung ứng suất tại các bộ phận khác của thân đập, dẫn đến nứt tường hoặc đất xung quanh.

\(\\\)

6-5.2.2 Chiều sâu xuyên cần thiết cho tường cutoff trong hố đào có chống đỡ

Để ngăn ngừa mất ổn định đáy hố đào có chống đỡ do hiện tượng đẩy trồi (heave) (tức là điều kiện cát chảy – quick condition hoặc nổ phá – blowout), các tường chống thấm đứng phải cắm đủ sâu để giảm gradient thủy lực hoặc áp lực đẩy nổi xuống mức chấp nhận được. Phương án đầu tiên cần xem xét cho chiều sâu cắm là kéo dài tường chống thấm đến một lớp có hệ số thấm thấp và có bề dày đáng kể. Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng khả thi.

Trong cát thấm nước đồng nhất, các gradient thủy lực tới hạn có thể xuất hiện tại đáy hố đào. Chiều sâu cắm tường cần thiết để đạt hệ số an toàn chống lại hiện tượng đẩy trồi do ứng suất hữu hiệu (quick condition) và xói ngược tạo ống (piping) trong cát đồng nhất, đẳng hướng có thể được tính toán bằng Hình 6-11. Đối với cát đồng nhất, dị hướng, chiều sâu cắm có thể được giảm bớt thông qua hệ số chuyển đổi α (xem Mục 6-2.4.1, Phương trình 6-8). Đối với cát sạch, gradient thoát nước lớn hơn khoảng 0.5 đến 0.75 sẽ gây mất ổn định cho người và thiết bị làm việc trên nền đất. Để tránh mất ổn định, cần bố trí chiều sâu cắm cừ với hệ số an toàn từ 1.5 đến 2 chống lại hiện tượng đẩy trồi do ứng suất hữu hiệu, tính theo Hình 6-8.

Trong cát phân lớp, sự thay đổi hệ số thấm dẫn đến điều kiện thấm khác với điều kiện giả định trong Hình 6-11. Hình 6-12 cung cấp hướng dẫn cho các trường hợp cát phân lớp. Trong đất phân lớp có các lớp cát rất mịn, cát pha bụi hoặc pha sét, hoặc bụi và sét, cần xem xét nguy cơ đẩy trồi đáy hố đào (đẩy trồi do tổng ứng suất – total stress heave). Hình 6-13 cung cấp hướng dẫn để tránh hiện tượng đẩy trồi đáy hố đào. Ngoài ra, các điều kiện này có thể được đánh giá bằng lưới dòng thấm (flow nets) hoặc phân tích phần tử hữu hạn, và Hình 6-11 đến Hình 6-13 có thể được dùng để kiểm chứng lại kết quả.

Các quan hệ trình bày trong Hình 6-11 đến Hình 6-13 được xây dựng dựa trên kết quả mô hình thí nghiệm trong phòng của Marsland (1953). Kết quả được báo cáo cho cát rời (loose) và cát chặt (dense). Cát rời được đặt “bằng tia nước (with a water jet)”, trong khi cát chặt được đặt “bằng đầm rung điện (with an electrically vibrated hammer)”. Không có số liệu về độ chặt tương đối (relative densities) được báo cáo, tuy nhiên độ rỗng (porosities) lần lượt là 42% đối với cát rời và 37 đến 38% đối với cát chặt đã được ghi nhận.

Hình 6-12 Các hiệu chỉnh đối với chiều sâu xuyên cần thiết của tường cutoff
cho hố đào có chống đỡ trong cát phân lớp (theo Marsland, 1953)

\(\\\)

6-5.2.3 Tấm và Bệ Kiểm Soát Thấm (Seepage Blankets and Berms).

Tấm chống thấm phía thượng lưu (upstream seepage blankets) được thi công ở phía thượng lưu của đập hoặc đê nhằm kéo dài đường thấm, như thể hiện trong Hình 6-14a. Các tấm chống thấm phía thượng lưu được thi công bằng đất đắp đầm chặt có hệ số thấm thấp, hoặc bằng màng địa kỹ thuật (geomembrane) được bảo vệ bằng lớp phủ đất hạt thô. Việc kéo dài đường thấm sẽ có xu hướng làm giảm lưu lượng thấm, giảm áp lực đẩy trồi bên dưới đập hoặc đê, và giảm gradient thoát (exit gradient). Vấn đề thiết kế chủ yếu đối với các tấm chống thấm là đảm bảo nền móng đồng đều cho tấm chống thấm. Lún không đều của tấm chống thấm dưới tác dụng của tải trọng hồ chứa có thể gây rách hoặc nứt tấm chống thấm, dẫn đến rò rỉ tập trung, làm giảm hiệu quả của tấm chống thấm.

Bệ chống thấm hạ lưu (downstream seepage berms) được thiết kế nhằm ngăn ngừa gradient thủy lực quá lớn ở phía hạ lưu của đập hoặc đê nhỏ. Các gradient này thường phát sinh do một lớp đất có hệ số thấm thấp (tấm chống thấm) làm cản trở lối thoát của nước thấm. Bệ chống thấm thường được thi công theo một trong ba dạng: (1) bệ không thấm, (2) bệ thấm, hoặc (3) bệ hỗn hợp.

Khái niệm về bệ không thấm dùng để chống lại áp lực đẩy trồi trên tấm chống thấm có hệ số thấm thấp được trình bày trong Hình 6-14b. Bệ được thi công bằng đất nhìn chung có hệ số thấm thấp và được thiết kế nhằm tăng trọng lượng của tấm chống thấm, qua đó chống lại hiện tượng trồi do ứng suất tổng (total-stress heave). Đối với các tấm chống thấm cho phép thấm một phần, bệ không thấm sẽ làm tăng sức cản đối với dòng thấm đi qua tấm chống thấm, dẫn đến áp lực cao hơn bên dưới đê và tại chân đê hạ lưu. Điều này cũng đòi hỏi bệ phải kéo dài một khoảng cách lớn tính từ đê nhằm tạo ra áp lực đẩy trồi thấp ở phía ngoài bệ.

Bệ chống thấm dạng thấm được minh họa trong Hình 6-14c. Bệ thấm được thi công bằng vật liệu thấm nước (thường là cát) nhằm tăng tổng trọng lượng tác dụng lên tấm chống thấm mà không làm tăng đáng kể sức cản thấm. Ở những nơi tấm chống thấm có độ thấm đủ lớn để cho phép thấm qua phía đất (landside), bệ thấm có thể ngắn hơn nhiều so với bệ không thấm. Nhược điểm của loại bệ này là đất có độ thấm cao phù hợp có thể rất đắt tiền ở một số khu vực.

Bệ chống thấm dạng hỗn hợp gồm một lớp đất đắp không phân loại (undifferentiated fill) phía trên, bên dưới có lớp tiêu nước và lọc (drain and filter layer) (xem Hình 6-14d). Như vậy, bệ hỗn hợp hoạt động tương tự như bệ thấm nhưng có chi phí thấp hơn vì cần ít vật liệu lọc hơn. Lớp tiêu nước phải được thiết kế với khả năng thoát nước đủ lớn để ngăn ngừa sự tích tụ áp lực nước trong lớp này. Trong một số trường hợp, người ta đã lắp đặt ống trong lớp tiêu nước để tăng khả năng thoát nước. Tuy nhiên, việc lắp ống như vậy sẽ làm tăng khối lượng bảo trì cần thiết cho bệ.

6-5.2.4 Các Dạng Chắn Thấm Khác

6-5.2.4.1 Hào Cutoff (Cutoff Trench).

Hào cutoff (cutoff trenches) được thi công trong nền của đập và đê như một phần của công tác xây dựng ban đầu. Các hào cutoff thường là một hào rộng có vách nghiêng, được lấp đầy bằng vật liệu có hệ số thấm thấp. Hào có thể xuyên qua một phần hoặc toàn bộ các lớp đất và đá thấm nước trong nền. Ngoài chức năng kiểm soát thấm, hào cutoff còn tạo cơ hội để quan sát trực tiếp bằng mắt các điều kiện dưới bề mặt bên dưới đập hoặc đê. Cần lưu ý đảm bảo rằng phía hạ lưu của bệ được lọc (filter) đúng cách (xem Mục 6-5.3) để ngăn ngừa hiện tượng xói ngầm (internal erosion) vào đất hoặc đá nền thấm nước.

6-5.2.4.2 Phụt Vữa Nền (Foundation Grouting).

Phụt vữa nền (foundation grouting) được thực hiện bằng cách bơm vữa xi măng ổn định (stabilized cement grout) vào các lỗ khoan nhằm lấp đầy các khe nứt và lỗ rỗng trong đá nền, qua đó làm giảm hệ số thấm hiệu dụng của tầng đá. Phụt vữa nền có thể được thực hiện trước khi thi công đập hoặc sau khi thi công như một biện pháp khắc phục. Vữa được bơm vào các khoảng độ sâu rời rạc của lỗ khoan bằng cách bịt kín một đoạn bằng các nút bơm bơm hơi gọi là packer. Các tuyến phụt vữa gồm các lỗ khoan cách đều nhau thường được bố trí song song với trục đập, mặc dù các bố trí khác cũng có thể áp dụng cho những trường hợp đặc biệt. Trong nhiều trường hợp, nhiều tuyến phụt vữa (màn chắn vữa – grout curtains) được lắp đặt dọc theo trục đập với các lỗ khoan nghiêng theo các hướng ngược nhau nhằm tăng khả năng gặp được tất cả các khe nứt và lỗ rỗng trong đá.

6-5.2.4.3 Lớp Lót Chống Thấm (Liners).

Sự rò rỉ từ ao hoặc hồ chứa có thể được giảm thiểu bằng cách lắp đặt một lớp lót chống thấm (liner) ở đáy ao hoặc hồ chứa. Các lớp lót này có thể gồm đất sét đầm chặt, màng địa kỹ thuật tổng hợp (synthetic geomembrane liners), hoặc đất tại chỗ được bổ sung bentonite hoặc các vật liệu khác nhằm làm giảm hệ số thấm. Tương tự như các tấm chống thấm phía thượng lưu, nền của lớp lót phải đủ đồng đều để ngăn ngừa hiện tượng lún không đều dưới tác dụng của tải trọng hồ chứa, vốn có thể gây rách hoặc nứt lớp lót.

6-5.3 Lớp Lọc và Hệ Thống Tiêu Nước

Hệ thống tiêu nước giúp giảm áp lực thủy động trong nền, chặn các đường thấm tập trung, và kiểm soát việc xả nước đã thu gom nhằm ngăn ngừa hiện tượng xói ngầm (internal erosion). Các bộ phận tiêu nước được thiết kế đúng cách sẽ có khả năng thoát nước đủ lớn để giảm áp lực mà chúng được thiết kế để chịu, đồng thời tương thích về tiêu chuẩn lọc (filter compatible) với đất xung quanh nhằm ngăn ngừa hiện tượng xói ngầm qua các bộ phận tiêu nước này.

Lớp lọc và hệ thống tiêu nước là các thành phần thiết yếu của hệ thống thoát nước trong đập, đê, hố đào, hoặc các công trình địa kỹ thuật khác. Một lớp lọc (filter) ngăn ngừa sự di chuyển của đất được bảo vệ (base soil) vào một lớp hoặc vùng đất khác, vào một lớp tiêu nước, hoặc ra khỏi hệ thống qua dòng chảy bề mặt. Đất được bảo vệ (base soil) là vật liệu mà từ đó dòng thấm đang thoát ra. Một lớp tiêu nước (drain) có chức năng đưa nước đã thu gom từ điểm thu gom đến vị trí xả thích hợp. Lớp tiêu nước có thể chỉ gồm đất hạt thô cho phép dòng thấm thoát nhanh qua các lỗ rỗng giữa các hạt, hoặc có thể bao gồm cả ống tiêu nước để thu gom nước từ vật liệu tiêu nước hạt thô xung quanh.

6-5.3.1 Tiêu Chí Lớp Lọc Đối Với Vật Liệu Khoáng

Để đáp ứng được chức năng của mình, lớp lọc phải: (1) có cấp phối đủ mịn để ngăn ngừa sự di chuyển của đất được bảo vệ (base soil) vào trong lớp lọc, (2) có hệ số thấm đủ cao để không cản trở dòng chảy từ đất được bảo vệ (base soil), và (3) có khả năng sụp đổ (collapse) sao cho các vết nứt trong đất được bảo vệ (base soil) không lan truyền qua lớp lọc. Lớp lọc khoáng gồm cát và sỏi được cấp phối chuyên biệt để đáp ứng các tiêu chí này. Các quy trình thiết kế cho lớp lọc khoáng đã được hầu hết các cơ quan Hoa Kỳ tham gia thiết kế đập xây dựng. Các tiêu chí này đã được FEMA (2011) tổng hợp. Một bản tóm tắt ngắn gọn về quy trình thiết kế được trình bày trong mục này.

Trong quy trình thiết kế, đất đang được lọc là đất được bảo vệ, và các đặc trưng cấp phối của đất được bảo vệ sẽ được ký hiệu kèm chữ B (ví dụ: cỡ hạt mà 85 phần trăm đất được bảo vệ lọt qua được ký hiệu là D₈₅B). Tương tự, cấp phối của lớp lọc sẽ được ký hiệu kèm chữ F (ví dụ: D₁₅F). Các ví dụ về cỡ hạt liên quan đến thiết kế lớp lọc được trình bày trong Hình 6-15.

Dựa trên FEMA (2011), thiết kế lớp lọc được thực hiện theo các bước sau:

Bước 1. Vẽ các đường phân bố cỡ hạt của Base Soil và đánh giá xem Base Soil có chứa đất phân tán hay không, ví dụ các loại đất bị rã khi tiếp xúc với nước. Có thể sử dụng ASTM D6572 và ASTM D4647 để nhận biết đất phân tán.

Bước 2. Đánh giá xem Base Soil có các hạt lớn hơn sàng No. 4 hay có cấp phối gián đoạn hay không. Đất cấp phối gián đoạn có thể dễ bị mất ổn định bên trong. Cần xem xét đặc biệt đối với đất cấp phối gián đoạn để bảo đảm phần hạt mịn của Base Soil được bảo vệ khỏi xói mòn.

Bước 3. Nếu Base Soil chứa các hạt lớn hơn sàng No. 4, hãy hiệu chỉnh lại đường phân bố cỡ hạt để chỉ bao gồm phần cấp phối mịn hơn sàng No. 4. FEMA (2011) cung cấp chi tiết về quy trình hiệu chỉnh cấp phối.

Bước 4. Xác định nhóm Base Soil bằng Bảng 6-11.

Bảng 6-11 Các nhóm Base Soil dùng cho thiết kế lớp lọc bằng vật liệu hạt (theo FEMA 2011)

Nhóm Base Soil	Phần trăm mịn hơn sàng No. 200 (0.075 mm) (sau khi hiệu chỉnh cấp phối, nếu áp dụng)	Mô tả Base Soil
1	> 85	Bụi mịn và sét
2	40–85	Cát, bụi, sét và cát pha bụi
3	15–39	Cát và sỏi pha bụi, pha sét
4	< 15	Cát và sỏi

\(\\\)

Bước 5. Xác định tiêu chí lớp lọc để giữ lại Base Soil bằng cách tính giá trị \(D_{15}F\) lớn nhất dựa trên các tiêu chí trong Bảng 6-12. Các tiêu chí giữ lại dựa trên nguyên tắc rằng các hạt lớn hơn trong Base Soil, được biểu thị bằng \(D_{85}B\), phải được giữ lại bởi các lỗ rỗng trong lớp lọc, được kiểm soát bởi \(D_{15}F\). Bằng cách quy định giá trị \(D_{15}F\) lớn nhất, các tiêu chí bảo đảm rằng các lỗ rỗng của lớp lọc đủ nhỏ. Nếu Base Soil có nhiều đường phân bố cỡ hạt, nên dùng giá trị nhỏ nhất của \(D_{85}B\) cho tiêu chí giữ lại.

Bảng 6-12 Tiêu chí giữ lại cho thiết kế lớp lọc bằng vật liệu hạt (theo FEMA 2011)

Nhóm Base Soil	Tiêu chí lọc — D15F lớn nhất
	Đất không phân tán	Đất phân tán
1	Max D15F ≤ 9 · D85B Max D15F ≥ 0.2 mm	Max D15F ≤ 6.5 · D85B Max D15F ≥ 0.2 mm
2	Max D15F ≤ 0.7 mm	Max D15F ≤ 0.5 mm
3	\(\text{Max}D_{15}F ≤ \left[\dfrac{40-A}{25}\right][B-C]+C\) trong đó: A = % lọt sàng No. 200, B = 4 × D85B ≥ 0.7 mm, và C = 0.7 mm	\(\text{Max}D_{15}F ≤ \left[\dfrac{40-A}{25}\right][B-C]+C\) trong đó: A = % lọt sàng No. 200, B = 4 × D85B ≥ 0.5 mm, và C = 0.5 mm
4	Max D15F ≤ 4 · D85B	Max D15F ≤ 4 · D85B
Ghi chú: \(D_{85}B\) và phần trăm lọt sàng No. 200 được xác định sau khi hiệu chỉnh cấp phối.

\(\\\)

Bước 6. Xác định tiêu chí dòng chảy cho lớp lọc bằng cách tính giá trị \(D_{15}F\) nhỏ nhất dựa trên các tiêu chí trong Bảng 6-13. Các tiêu chí thấm dựa trên nguyên tắc rằng hệ số thấm của lớp lọc có liên hệ chặt chẽ với \(D_{15}F\). Bằng cách quy định giá trị \(D_{15}F\) nhỏ nhất, lớp lọc sẽ có đủ khả năng dẫn dòng so với Base Soil.

Nếu Base Soil có nhiều đường phân bố cỡ hạt, nên dùng giá trị lớn nhất của \(D_{15}B\) cho tiêu chí thấm. Vẽ giá trị \(D_{15}F\) nhỏ nhất và lớn nhất trên biểu đồ cấp phối, sau đó điều chỉnh giá trị \(D_{15}F\) nhỏ nhất để bảo đảm tỷ số giữa \(D_{15}F\) nhỏ nhất và \(D_{15}F\) lớn nhất không lớn hơn 5 (tức là Min D₁₅F / Max D₁₅F ≤ 5)

Bảng 6-13 Tiêu chí dòng chảy cho thiết kế lớp lọc bằng vật liệu hạt (theo FEMA 2011)

Cơ quan Hoa Kỳ	Tiêu chí hệ số thấm của lớp lọc
USBR	Min(D15F) ≥ 5 · D15B
USACE	Min(D15F) ≥ (3 đến 5) · D15B
NRCS	Min(D15F) ≥ (4 đến 5) · D15B
Tất cả	Min(D15F) ≥ 0.1 mm
Ghi chú: \(D_{15}B\) được xác định trước khi hiệu chỉnh cấp phối.

\(\\\)

Bước 7. Lớp lọc cũng nên có hệ số đồng đều \((C_u = D_{60}F / D_{10}F)\) nằm trong khoảng từ 2 đến 6.

Bước 8. Giới hạn lượng vật liệu quá cỡ và hạt mịn trong lớp lọc. Hầu hết các cơ quan yêu cầu cỡ hạt lớn nhất của lớp lọc \((D_{100}F)\) nhỏ hơn 2 inch (51 mm), mặc dù USACE cho phép các hạt có kích thước đến 3 inch (76 mm). Cỡ hạt nhỏ nhất tương ứng với 5% lọt sàng của lớp lọc \((D_5F)\) là sàng No. 200, hay 0.075 mm. Bất kỳ hạt mịn nào có trong đất lọc phải không dẻo, tức là (PI = 0).

Bước 9. Giới hạn nguy cơ phân tầng của lớp lọc bằng cách xác định giá trị \(D_{90}F\) lớn nhất từ Bảng 6-14. Hiện tượng phân tầng xảy ra dễ hơn khi có khoảng cỡ hạt rộng.

Bảng 6-14 Tiêu chí hạn chế phân tầng vật liệu cho thiết kế lớp lọc bằng vật liệu hạt (theo FEMA 2011)

D10F nhỏ nhất (mm)	D90F lớn nhất (mm)
< 0.5	20
0.5 – 1.0	25
1.0 – 2.0	30
2.0 – 5.0	40
5.0 – 10	50
10 – 50	60

\(\\\)

Bước 10. Vẽ các tiêu chí gồm \(D_5F\) nhỏ nhất, \(D_{15}F\) nhỏ nhất và lớn nhất, \(D_{90}F\) lớn nhất, và \(D_{100}F\) lớn nhất trên biểu đồ cấp phối để tạo một dải cấp phối chấp nhận được cho lớp lọc. So sánh các lớp lọc đề xuất với các tiêu chí và dải cấp phối này.

Thiết kế cho lỗ đục ống thoát nước. Nếu lớp lọc có bố trí ống thoát nước, đất lọc xung quanh ống được gọi là vật liệu bao quanh ống. Giá trị nhỏ nhất của \(D_{50}E\), trong đó \(E\) là vật liệu bao quanh ống, được cấp phối cho phép phải lớn hơn kích thước lỗ đục lớn nhất của ống.

Một ví dụ thiết kế lớp lọc cho Base Soil nhóm 4 được trình bày trong Hình 6-16.

6-5.3.2 Tiêu Chí Lớp Lọc Vải Địa Kỹ Thuật

Trong một số trường hợp, vải địa kỹ thuật (geotextile) có thể được sử dụng để lọc đất và tiêu nước thay cho lớp lọc khoáng và lớp tiêu nước bằng sỏi. Nhìn chung, hướng dẫn của FEMA (2011) không khuyến nghị sử dụng vải địa kỹ thuật ở các khu vực trọng yếu của đập. Thuật ngữ geotextile (vải địa kỹ thuật) đề cập đến nhiều loại sản phẩm tổng hợp dạng vải, khác nhau tùy theo loại sợi được sử dụng trong quá trình sản xuất và cách các sợi này liên kết với nhau. Các dạng phổ biến nhất bao gồm vải dệt (woven), vải không dệt (nonwoven), và vải đan (knitted). Vải địa kỹ thuật dệt được sản xuất bằng cách dệt hai bộ sợi tổng hợp vuông góc với nhau để tạo thành tấm vải. Vải địa kỹ thuật không dệt có định hướng ngẫu nhiên, thường có kết cấu giống nỉ (felt fabric), và được sản xuất bằng phương pháp xuyên kim (needle punching), liên kết nhiệt (spun bonding), hoặc liên kết nhựa (resin bonding). Vải địa kỹ thuật đan được tạo thành từ các vòng sợi liên kết móc vào nhau tạo thành tấm vải.

Một ứng dụng phổ biến của vải địa kỹ thuật trong tiêu nước và lọc là hệ thống tiêu nước ngầm (subsurface drain), như minh họa trong Hình 6-17. Trong ứng dụng này, chức năng tiêu nước được thực hiện bởi đá sỏi tiêu nước cấp phối kém (poorly-graded gravel) và ống thoát nước có khe (slotted outlet pipe). Vai trò của vải địa kỹ thuật là ngăn ngừa sự di chuyển của đất xung quanh vào đá tiêu nước và ống. Nhờ đó, vải địa kỹ thuật ngăn ngừa xói mòn đất xung quanh và/hoặc hiện tượng tắc nghẽn (clogging) của lớp tiêu nước. Các ứng dụng khác bao gồm lớp tiêu nước trong đất đắp sau tường chắn (retaining wall backfill) và tấm tiêu nước bên dưới đập đắp (embankment).

Đối với vải địa kỹ thuật trong Hình 6-17 hoặc các ứng dụng khác hoạt động hiệu quả, vải địa kỹ thuật cần được thiết kế sao cho có khả năng: (1) giữ lại các hạt của đất được bảo vệ nhằm ngăn ngừa hiện tượng di chuyển hạt xuyên qua tấm vải, (2) cho phép nước thoát qua mà không gây tích tụ áp lực nước đáng kể, và (3) chống lại hiện tượng tắc nghẽn (clogging) do sự tích tụ của các hạt mịn, kết tủa hóa học, và kết tủa sinh học.

Tiêu chí giữ hạt đất được Giroud (2010) đề xuất dựa trên \(D_{20}B\) và hệ số đồng đều tuyến tính (linear coefficient of uniformity) của đất, ký hiệu \(C’_u\). Như thể hiện trong Hình 6-18, phép xấp xỉ log-tuyến tính (log-linear approximation) được sử dụng để biểu diễn đường cong cấp phối của đất được bảo vệ. Cỡ hạt tuyến tính \((D’_x)\) là giá trị thu được từ phép xấp xỉ log-tuyến tính. Các giá trị \(D’_{100}\) và \(D’_0\) được xác định bởi hai đầu mút của một đường thẳng vẽ qua phần giữa của biểu đồ cấp phối (tức là đi qua \(D_{10}\) và \(D_{60}\)).

Vải địa kỹ thuật được thiết kế để giữ hạt đất dựa trên cỡ lỗ mở của vải địa kỹ thuật (geotextile opening size, O₉₅), thể hiện cỡ hạt mà tại đó 95 phần trăm lỗ mở có kích thước nhỏ hơn. Theo Luettich (1992), tiêu chí giữ hạt của vải địa kỹ thuật đối với đất có hàm lượng hạt mịn dưới 10% có thể được lựa chọn dựa trên cấp phối của đất được bảo vệ và Bảng 6-15.

Đối với đất có hàm lượng hạt mịn trên 10% và chỉ số dẻo PI lớn hơn 5, vải địa kỹ thuật cần có O₉₅ nhỏ hơn 0.21 mm, với điều kiện đất không phân tán (non-dispersive). Đối với đất phân tán (dispersive) có hàm lượng hạt cỡ sét trên 20%, cần bố trí một lớp lọc cát dày 75 đến 100 mm giữa đất được bảo vệ và vải địa kỹ thuật, và vải địa kỹ thuật cần được thiết kế để giữ lại cát của lớp lọc này. Việc giữ hạt đối với đất không dẻo có hàm lượng hạt mịn trên 10% có thể được thiết kế theo Bảng 6-15.

Lớp lọc bằng vải địa kỹ thuật cũng cần có hệ số thấm cao hơn nhiều so với đất được bảo vệ. Một lớp bánh lọc (filter cake) gồm các hạt bị giữ lại thường hình thành trên bề mặt vải địa kỹ thuật. Các hạt này không được làm giảm hệ số thấm của vải địa kỹ thuật đến mức cản trở dòng thấm thoát ra khỏi đất được bảo vệ. Tuy nhiên, hiện tượng tắc nghẽn (clogging) rất khó định lượng. Một mức độ tắc nghẽn nhất định sẽ xảy ra khi vải địa kỹ thuật được đưa vào sử dụng. Vải địa kỹ thuật phải duy trì độ mở đủ lớn để sự tích tụ của các hạt cùng kết tủa hóa học và sinh học không làm giảm hệ số thấm đến mức hệ thống bánh lọc/vải địa kỹ thuật trở nên kém thấm hơn so với đất được bảo vệ. USBR (2014) khuyến nghị xem xét các yếu tố sau đây để đánh giá khả năng tắc nghẽn:

• Sử dụng cỡ lỗ mở lớn nhất vẫn thỏa mãn tiêu chí giữ hạt.
• Không sử dụng lớp lọc vải địa kỹ thuật ở những môi trường có khả năng hình thành kết tủa. Tránh nước ngầm có độ kiềm cao, vì có thể tạo kết tủa canxi, natri, hoặc magiê. Cũng cần tránh dòng thấm có tính axit, vì có thể tạo kết tủa hydroxit sắt và nhôm.
• Tránh sử dụng vải địa kỹ thuật đối với đất mất ổn định nội tại (internally unstable, Cᵤ > 20) hoặc đất phân tán (dispersive).
• Tránh môi trường giàu hữu cơ như nước chảy tràn từ nông nghiệp, nước rỉ rác (landfill leachates), và các vị trí được biết là có hình thành vi khuẩn sắt.
• Đảm bảo lớp lọc vải địa kỹ thuật tiếp xúc chặt chẽ với đất.
• Không đặt lớp lọc vải địa kỹ thuật áp sát đất dính (cohesive soils) có chứa lỗ rỗng.

(mất ổn định nội tại C_u> 20 là thế nào?

Cᵤ (hệ số đồng đều – coefficient of uniformity) = D₆₀/D₁₀, tức tỷ số giữa cỡ hạt mà 60% đất lọt qua và cỡ hạt mà 10% đất lọt qua. Cᵤ càng lớn thì đất càng có cấp phối rộng (well/broadly graded) hoặc cấp phối gián đoạn (gap-graded) — nghĩa là trong đất có cả hạt rất mịn lẫn hạt rất thô, phân bố không đều.

“Mất ổn định nội tại” (internally unstable) là hiện tượng các hạt mịn trong khối đất có thể bị dòng thấm cuốn trôi xuyên qua các lỗ rỗng giữa các hạt thô hơn ngay trong chính bản thân khối đất đó — hiện tượng này gọi là xói ngầm nội bộ (suffusion). Điều đáng chú ý là hiện tượng này xảy ra không cần có lớp lọc bên ngoài — bản thân cấp phối hạt thô trong đất đã đóng vai trò như “khung xương” có lỗ rỗng đủ lớn để hạt mịn lọt qua và bị cuốn đi.

Khi Cᵤ > 20 (cấp phối rất rộng hoặc gián đoạn), khả năng đất bị mất ổn định nội tại theo kiểu này tăng lên đáng kể — đây là một ngưỡng kinh nghiệm thường được dùng (liên quan đến tiêu chí Kenney & Lau).

Vì sao khuyên tránh dùng vải địa kỹ thuật cho loại đất này: các tiêu chí thiết kế lớp lọc (kể cả lớp lọc vải địa kỹ thuật) đều dựa trên giả định rằng cấp phối hạt của đất được bảo vệ là ổn định — tức bản thân đất không tự “chảy” hạt mịn ra ngoài. Nếu đất đã mất ổn định nội tại (Cᵤ > 20), thì dù vải địa kỹ thuật có giữ được hạt ở bề mặt tiếp xúc, hạt mịn bên trong khối đất vẫn có thể bị cuốn trôi vào các lỗ rỗng của chính đất đó, gây rỗng hóa và lún sụt bên trong — nên tiêu chí lọc thông thường không còn đáng tin cậy cho trường hợp này.

(đất phân tán là thế nào?)

Đất phân tán (dispersive soil) là loại đất sét mà các hạt sét có xu hướng tự tách rời và trôi vào nước khi tiếp xúc, ngay cả trong nước tĩnh hoặc dòng thấm có gradient rất thấp — chứ không cần dòng chảy mạnh như đất thông thường mới bị xói.

Cơ chế: Ở đất sét bình thường, các hạt sét liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện (hóa keo) khá bền, nên đất có khả năng chống xói khá tốt dù ở gradient thủy lực cao. Ở đất phân tán, hàm lượng natri trao đổi (exchangeable sodium) trong đất cao bất thường so với các cation khác (canxi, magiê…) — lớp nước hấp phụ quanh hạt sét dày lên, làm giảm lực hút giữa các hạt. Khi gặp nước, đặc biệt là nước có độ khoáng hóa thấp, các hạt sét mất liên kết và phân tán thành từng hạt riêng lẻ (deflocculate), trôi lơ lửng trong nước rồi bị dòng thấm cuốn đi dễ dàng.

Vì sao nguy hiểm trong công trình đập/đê: Đất phân tán rất dễ bị xói ngầm (piping) ngay cả tại các vết nứt nhỏ, khe co ngót, hoặc lỗ rỗng do sinh vật đào hang — nước thấm qua sẽ nhanh chóng cuốn trôi hạt sét, mở rộng đường thấm thành ống rỗng (pipe) bên trong thân đập, có thể dẫn đến vỡ đập. Đây là lý do vì sao đoạn văn trước yêu cầu bố trí thêm lớp lọc cát trung gian dày 75–100 mm giữa đất phân tán và vải địa kỹ thuật — vì bản thân vải địa kỹ thuật (với lỗ mở tính theo tiêu chí thông thường) không đủ mịn để giữ được các hạt sét đã phân tán thành hạt riêng lẻ.

Cách nhận biết: thường dùng thí nghiệm crumb test, double hydrometer test, hoặc pinhole test (theo ASTM) để xác định mức độ phân tán của đất.

Bảng 6-15 Tiêu chí kích thước lỗ mở của vải địa kỹ thuật đối với đất có hàm lượng hạt mịn nhỏ hơn 10%
(theo Luettich và cộng sự, 1992)

Mô tả Base Soil					Tiêu chí giữ lại của vải địa kỹ thuật
Mô tả nhóm chính	Đặc tính phụ	Mô tả cấp phối		Độ chặt tương đối (Dr)
Ít hơn 10% hạt mịn và ít hơn 90% sỏi	Đất ổn định \(1 < C_c <3\)	Xác định \(C_u\) từ đường thẳng vẽ qua \(D_{60}\) và \(D_{30}\)	Cấp phối rộng \(C’_u\ >3\)	Rời Dr < 35%	\(\text{O}_\text{95} < \dfrac{9}{C'_u}D'_\text{50} \ B\)
				Chặt vừa 35% < Dr < 65%	\(\text{O}_\text{95} < \dfrac{13.5}{C'_u}D'_\text{50} \ B\)
				Chặt 65% < Dr	\(\text{O}_\text{95} < \dfrac{18}{C'_u}D'_\text{50} \ B\)
	Đất không ổn định \((C_c < 1, 3 < C_c)\)	Xác định \(C_u\) từ đường thẳng vẽ qua \(D_{30}\) và \(D_{10}\)	Cấp phối đều \((C’_u <3)\)	Rời Dr < 35%	\(\text{O}_\text{95} < C'_u \ D'_\text{50} \ B\)
				Chặt vừa 35% < Dr < 65%	\(\text{O}_\text{95} < 1.5 C'_u \ D'_\text{50} \ B\)
				Chặt 65% < Dr	\(\text{O}_\text{95} < 2 C'_u \ D'_\text{50} \ B\)

(hệ số cấp phối \(C_c\))

\(C_c\) — hệ số cấp phối (coefficient of curvature)$$C_c = \dfrac{D_{30}^2}{D_{60} \times D_{10}}$$

Dùng để đánh giá hình dạng đường cong cấp phối. Nếu 1 < \(C_c\) < 3 → đất ổn định (Stable Soil); nếu \(C_c\) < 1 hoặc \(C_c\) > 3 → đất không ổn định (Unstable Soil) theo phân loại trong bảng.

\(\\\)

Yêu cầu về tính thấm của vải địa kỹ thuật có thể được biểu diễn như sau:

\[
FS_g=\frac{k_g}{k_s}=\frac{\psi_g \cdot t_g}{k_s}\tag{6-16}
\]

trong đó:
\(\qquad FS_g =\) hệ số an toàn về tính thấm của vải địa kỹ thuật
\(\qquad k_g =\) hệ số thấm của vải địa kỹ thuật theo phương vuông góc với mặt phẳng vải
\(\qquad k_s =\) hệ số thấm của Base Soil
\(\qquad \psi_g =\) độ thấm biểu kiến của vải địa kỹ thuật, do nhà sản xuất cung cấp hoặc xác định từ thí nghiệm ASTM D4491
\(\qquad t_g =\) chiều dày vải địa kỹ thuật

Giroud (2010) đề xuất rằng \(FS_g\) từ 10 đến 20 là phù hợp để duy trì tính thấm đầy đủ của lớp lọc. Các tác giả khác, ví dụ Loudiere và cộng sự (1983), Christopher và Fischer (1991), khuyến nghị giá trị \(FS_g\) nằm trong khoảng 10 đến 100.

Trong vài thập kỷ qua, vải lọc địa kỹ thuật đã được phát triển để tạo lớp lọc giữa Base Soil và vật liệu drain hạt thô. Mặc dù các loại vải này có chi phí thấp hơn so với lớp lọc bằng vật liệu hạt, nhiều người cho rằng chúng kém tin cậy hơn nhiều so với lớp lọc bằng vật liệu hạt do dễ bị tắc nghẽn và có khả năng bị hư hỏng trong quá trình thi công. Vì lý do này, tất cả các cơ quan lớn sở hữu và quản lý đập tại Hoa Kỳ, gồm U.S. Army Corps of Engineers, U.S. Bureau of Reclamation, FEMA và FERC, không cho phép sử dụng vải lọc trong các khu vực quan trọng của thân đập hoặc trong các kết cấu có mức nguy hiểm cao.

6-5.3.3 Tiêu Nước Bề Mặt và Tiêu Nước Ngầm

Mặt đường và các lớp xử lý bề mặt khác có thể bị mất ổn định do nước đọng trên bề mặt đất hoặc do mực nước ngầm nông. Nước ngầm gần mặt đất có thể được thu gom bằng các lớp tiêu nước chặn dòng (intercepting drains) trước khi thấm vào, hoặc được thu gom trong vật liệu nền mặt đường (pavement base material) khi nước thoát ra khỏi lớp đất nền (subgrade). Sự tích tụ nước mặt tại các khu vực bằng phẳng rộng, do mưa hoặc các nguồn nước bề mặt khác, có thể được khắc phục bằng cách sử dụng các rãnh tiêu nước (trench drains) kết nối với hệ thống tiêu nước sâu hơn.

6-5.3.3.1 Lớp Tiêu Nước Chặn Dòng (Intercepting Drains).

Lớp tiêu nước chặn dòng (intercepting drains) (còn gọi là hào ổn định – stability trenches, hoặc rãnh ổn định – stability drains) có thể được sử dụng ở những vị trí mà nước thấm từ sườn đồi gây ảnh hưởng bất lợi đến ổn định mái dốc hoặc tính năng làm việc của mặt đường. Các lớp tiêu nước này gồm các hào nông có ống thu nước (collector pipes) được bao quanh bởi vật liệu tiêu nước, đặt tại vị trí nhằm chặn dòng thấm di chuyển theo phương ngang trong một tầng thấm nước phía trên, như minh họa trong Hình 6-19. Vật liệu lấp hào có thể là vật liệu lớp lọc tương thích với đất xung quanh như thể hiện trong Hình 6-20, hoặc là cốt liệu tiêu nước được bọc trong vải lọc (Hình 6-17). Loại vật liệu lấp hào và cơ chế lọc được sử dụng sẽ phụ thuộc vào mức độ quan trọng của lớp tiêu nước. Thiết kế lớp tiêu nước nên hướng đến sự đơn giản và dễ thi công nhất có thể, đồng thời vẫn đảm bảo khả năng lọc phù hợp.

Ảnh hưởng của lớp tiêu nước chặn dòng đến kiểu dòng thấm có thể được đánh giá bằng lưới dòng thấm (flow nets) hoặc mô hình hóa bằng phân tích phần tử hữu hạn. Các phân tích này cũng nên đánh giá lưu lượng thấm theo thể tích chảy vào lớp tiêu nước, để có thể thiết kế phù hợp ống tiêu nước và cửa xả.

6-5.3.3.2 Tấm Tiêu Nước Bề Mặt (Surface Blanket Drains).

Tấm tiêu nước bề mặt được sử dụng để chặn nước ngầm bên dưới mặt đường và các công trình nhằm giảm thiểu sự tích tụ áp lực nước hoặc hiện tượng mất ổn định của lớp đất nền (subgrade). Trong nhiều trường hợp, lớp móng cốt liệu (aggregate base layer) của mặt đường có thể được đánh giá về hiệu quả hoạt động như một tấm tiêu nước. Thiết kế tấm tiêu nước bề mặt cần bao gồm: (1) đánh giá lưu lượng thấm chảy vào tấm tiêu nước để tính toán khoảng cách cần thiết giữa các cửa xả, và (2) đánh giá áp lực đẩy trồi cho phép trong tấm tiêu nước nhằm ngăn ngừa hư hại đối với mặt đường, đập đắp, hoặc công trình phía trên.

Chiều dày lớp móng cốt liệu (aggregate base course) cần thiết để đảm bảo hiệu quả tiêu nước có thể được tính toán bằng Hình 6-21. Đối với một khoảng độ dốc nhất định, mức độ tiêu nước liên quan đến độ rỗng và hệ số thấm của lớp móng cốt liệu, chiều dày của lớp móng, độ dốc của đất nền (subgrade), khoảng cách giữa các lớp tiêu nước, và thời gian cho phép để tiêu nước. Hình 6-21 có thể được sử dụng để lựa chọn khoảng cách giữa các lớp tiêu nước hoặc đánh giá mức độ phù hợp của vật liệu lớp móng. Độ rỗng hiệu dụng (effective porosity) (còn gọi là hệ số nhả nước – specific yield) là lượng nước trên một đơn vị thể tích không bị giữ lại trong đất do mao dẫn trong quá trình thoát nước (Barber 1959). Giá trị này dao động từ 25 phần trăm đối với vật liệu đồng đều, chẳng hạn cát trung đến cát thô, đến 15 phần trăm đối với hỗn hợp cát-sỏi cấp phối tốt.

6-5.3.3.3 Tiêu Nước Khu Vực Đọng Nước (Drainage of Ponded Areas).

Trong thời gian mưa lớn hoặc nước chảy tràn từ các khu vực lân cận, có thể sử dụng các hào tiêu nước thẳng đứng (vertical drainage trenches) để khắc phục hiện tượng đọng nước tại các khu vực bằng phẳng hoặc lòng chảo kín (enclosed basins). Lưu lượng thấm chảy vào các hào song song có thể được ước tính bằng Hình 6-23, áp dụng cho trường hợp tầng đất bên dưới hoàn toàn thấm nước hoặc hoàn toàn không thấm nước so với lớp bề mặt. Khoảng cách hào (2×S) có thể được thiết kế sao cho lưu lượng chảy vào hào tính toán được bằng hoặc lớn hơn lưu lượng thấm bề mặt yêu cầu cho một diện tích 1×2×S. Hào cũng cần được thiết kế để duy trì được lưu lượng yêu cầu, và có thể bao gồm ống thu nước. Nếu không thể đảm bảo đủ khả năng tiêu nước bằng hào, cần bố trí thêm các công trình tiêu nước bề mặt để ngăn ngừa hiện tượng đọng nước.

(cách sử dụng hình 6-23)

Hình 6-23 dùng để xác định lưu lượng thấm chảy vào hào tiêu nước (q) khi thiết kế các hào song song để chống đọng nước, theo trình tự sau:

Bước 1 — Xác định trường hợp nền bên dưới:

• Case 1: nếu tầng đất bên dưới lớp bề mặt là thấm nước hoàn toàn (pervious) → dùng công thức bên phải trên: q = k·S·F
• Case 2: nếu tầng đất bên dưới là không thấm nước hoàn toàn (impervious) → dùng công thức bên phải dưới: q = (16·D·K/π²)·F

Bước 2 — Tính tỷ số S/D:

• D = chiều dày lớp đất bề mặt (surface layer), tính từ mặt đất đến đáy hào (Case 1) hoặc đến tầng không thấm (Case 2)
• S = 1/2 khoảng cách giữa hai hào (trench spacing = 2S)
• Tính tỷ số S/D để chọn đúng đường cong trên biểu đồ (các đường ứng với S/D = 0,5 / 1,0 / 2,0 / 3,0 / ∞)

Bước 3 — Xác định trục hoành Hw/D:

• Hw = chiều cao mực nước trong hào (đo từ đáy hào lên)
• Tính tỷ số Hw/D — thường lấy Hw/D = 1,0 (giả thiết bất lợi nhất: hào đầy nước, tương ứng với điều kiện đọng nước) trừ khi có thông tin khác
• Từ trục hoành, gióng lên đến đường cong ứng với S/D đã chọn (thuộc nhóm ① nếu Case 1, nhóm ② nếu Case 2), rồi gióng ngang sang trục tung để đọc giá trị F (hệ số dòng chảy – flow coefficient)

Bước 4 — Tính q:

• Thay F vừa đọc được, cùng với k (hệ số thấm lớp bề mặt), S, D (và K — hệ số thấm tầng không thấm nếu Case 2, dù về lý thuyết ~0) vào công thức tương ứng để tính q — lưu lượng chảy vào hào trên mỗi đơn vị chiều dài hào.

Bước 5 — Kiểm tra điều kiện thiết kế (theo ghi chú ở cuối hình): So sánh q tính được với lưu lượng mưa yêu cầu trên diện tích 1×2S (tức cường độ mưa × diện tích thoát nước về một hào). Nếu q ≥ lưu lượng yêu cầu → hào đủ khả năng ngăn đọng nước. Nếu không đủ → cần bổ sung hệ thống tiêu nước bề mặt.

Ba giả thiết nền tảng của biểu đồ (ghi trong khung ASSUMPTIONS):

1. Lớp bề mặt được coi là bão hòa hoàn toàn do mưa liên tục
2. Không có tổn thất cột nước (head loss) trong vật liệu lấp hào hoặc trong tầng thấm bên dưới
3. Không cho phép có đọng nước trên bề mặt đất (đây là điều kiện giới hạn thiết kế)

6-5.3.1 Tiêu Nước Cho Tường Chắn

Nước gây ra thêm các lực làm mất ổn định đối với tường chắn và tường tầng hầm, có thể dẫn đến hư hỏng kết cấu hoặc sụp đổ. Hệ thống tiêu nước cần được thiết kế nhằm ngăn ngừa sự tích tụ nước phía sau tường. Hình 6-22 trình bày một số phương án bố trí hệ thống tiêu nước cho tường chắn.

6-5.3.2 Lớp Lọc và Lớp Tiêu Nước Cho Đập Đắp (Filters and Drains for Embankments).

Lớp tiêu nước và lớp lọc được thi công bên trong đập, đê, và các công trình đắp (embankments) hoặc mái dốc khác nhằm tiêu thoát áp lực dư và chặn các đường dẫn gây xói ngầm (internal erosion). Các đoạn sau sẽ thảo luận các loại lớp tiêu nước trong đập đắp và ứng dụng của chúng. Nhìn chung, lớp tiêu nước trong đập đắp có tác dụng hạ thấp mặt bão hòa (phreatic surface) và áp lực nước áp (piezometric pressure) trong thân đập hoặc mái dốc, qua đó tăng ổn định mái dốc và giảm khả năng xói ngầm. Mọi hệ thống tiêu nước cần được thiết kế để lọc được đất được bảo vệ, đồng thời đảm bảo khả năng tiêu nước phù hợp với mục đích thiết kế.

Lớp tiêu nước dưới đập đắp (embankment subdrains) được bố trí bên dưới khối đắp nhằm chặn dòng thấm từ đất và đá gốc tự nhiên, giảm lượng thấm vào thân đập, như minh họa trong Hình 6-24. Lớp tiêu nước dưới đập đắp gồm đất lớp lọc hoặc cốt liệu tiêu nước được bọc trong vải lọc. Các lớp tiêu nước này thường có ống thu nước hoặc ống thoát dạng khe hoặc đục lỗ.

Các loại lớp tiêu nước chính khác trong đập đắp được dùng để chặn và kiểm soát dòng thấm xuyên qua hoặc bên dưới các công trình chắn nước.

Lớp tiêu nước chân đập (toe drains) gồm một lớp lọc và lớp tiêu nước bố trí tại hoặc gần chân đập nhằm thu gom dòng thấm thoát ra khỏi thân đập (Hình 6-25a). Lớp tiêu nước chân đập thường được sử dụng trong các đập đồng nhất nhỏ và đê đắp, cũng như bên dưới chân của các đập đất phân vùng (zoned earth dams) nhỏ. Lớp tiêu nước chân đập không có tác dụng chặn hiệu quả các vết nứt hoặc khuyết tật trong thân đập, đê, hoặc lớp vỏ (shell) của đập.

Tiêu nước dạng tấm (blanket drains) được bố trí tại chân hạ lưu của đập hoặc đê, được thiết kế để thu gom dòng thấm thoát ra khỏi thân đập (Hình 6-25b). Lớp tiêu nước dạng tấm thường được sử dụng trong các đập và đê đắp có quy mô nhỏ đến trung bình. Chúng không phải là biện pháp hiệu quả để chặn các vết nứt hoặc khuyết tật trong thân đập, đê, hoặc lớp vỏ đập.

Tiêu nước dạng ống khói (chimney drains) thường được bố trí gần trục tim của đập hoặc đê, được thiết kế để thu gom dòng thấm xuyên qua thân đập (Hình 6-25c). Lớp tiêu nước dạng ống khói là thành phần tiêu chuẩn của mọi đập đắp hiện đại có quy mô lớn. Tiêu nước dạng ống khói được thiết kế để chặn các vết nứt, khuyết tật, hoặc các lớp thấm nước trong thân đập, đê, hoặc lõi đập (core). Chúng thường được kết nối với một bộ phận tiêu nước dạng tấm nằm bên dưới phần hạ lưu hoặc phần phía đất (landside) của thân đập.

Outlet filter collar (vòng vật liệu lọc quanh cửa xả) là một vùng vật liệu lọc được bố trí dọc theo cửa xả hoặc vị trí xuyên qua nền đắp, như thể hiện trong Hình 6-26. Outlet filter collar ngăn xói mòn do dòng rò tập trung dọc theo vị trí xuyên qua. Các vật liệu lọc này nhìn chung không được nối với bộ phận thoát nước.

6-5.3.3 Tiêu Nước Nền (Foundation Drainage).

Trong một số điều kiện nhất định, áp lực nước dư thừa xuất hiện trong đất hoặc đá bên dưới hoặc liền kề với đập hoặc đê. Áp lực nước cao có thể dẫn đến nguy cơ trồi đất, xói ngầm, hoặc mất ổn định mái dốc hay công trình. Những điều kiện này thường xảy ra khi một lớp có hệ số thấm thấp ngăn cản dòng thấm thoát ra từ một lớp bên dưới có hệ số thấm k cao hơn. Các phương pháp tiêu nước để giảm thiểu áp lực này bao gồm hào giảm áp và giếng giảm áp.

6-5.3.3.1 Hào Giảm Áp (Relief Trenches).

Một hào giảm áp (relief trench) xuyên qua lớp đất phía trên, cho phép áp lực cao trong lớp thấm nước sâu hơn tiêu tán thông qua dòng thấm hướng lên, như thể hiện trong Hình 6-27. Hào giảm áp được lấp đầy bằng vật liệu lớp lọc phù hợp. Bề rộng của hào cần đủ lớn để giảm áp lực hướng lên bên dưới lớp có hệ số thấm thấp, đồng thời giới hạn gradient thủy lực hướng lên trong hào giảm áp không vượt quá 0.4. Thông thường, việc thiết kế hào giảm áp được thực hiện bằng phân tích phần tử hữu hạn hai chiều.

Hào giảm áp giúp rút ngắn quãng đường thấm và làm tăng lưu lượng thấm bên dưới công trình chịu áp lực thủy động. Cần kiểm soát dòng thấm xuất hiện tại bề mặt đất khi sử dụng hào giảm áp. Một hệ thống quản lý nước thấm điển hình bao gồm các hào thu gom dẫn về một hố tập trung nước (sump), nơi nước có thể được bơm đi.

6-5.3.3.2 Giếng Giảm Áp (Relief Wells).

Một giếng giảm áp (relief well) là giếng có đường kính lớn, xuyên sâu vào một lớp có hệ số thấm cao. Các hàng giếng giảm áp được lắp đặt tại những khu vực có áp lực nền dư thừa, thường dọc theo phía hạ lưu của đê hoặc đập. Tương tự như hào giảm áp, giếng giảm áp làm giảm áp lực nước bằng cách tạo ra một đường dẫn thấm theo phương thẳng đứng, rút ngắn chiều dài quãng đường thấm, như thể hiện trong Hình 6-28.

Giếng giảm áp được thi công bằng các giếng khoan đường kính lớn, thường từ 0.5 đến 1.0 mét, được lắp ống vách (casing) đường kính 15 đến 30 cm. Chi tiết bố trí điển hình của một giếng giảm áp được trình bày trong Hình 6-29. Phần của giếng giảm áp xuyên vào đất nền thấm nước được lắp ống vách dạng khe hoặc dạng lưới lọc (screened casing), và được lấp bằng vật liệu lớp lọc được thiết kế để lọc đất được bảo vệ (Base Soil) xung quanh. Hầu hết các ống vách hiện đại được làm bằng ống PVC đặc, kết hợp với lưới lọc bằng PVC có khe hoặc bằng thép không gỉ. Tuy nhiên, một số giếng dùng lưới lọc bằng gỗ ghép thanh (wood-stave) vẫn còn đang hoạt động. Phần trên của giếng gồm ống vách đặc với khoảng không hình vành khuyên (annular space) được bịt kín bằng vữa xi măng và bentonite nhằm ngăn ngừa dòng thấm và xói mòn vật liệu tấm tiêu nước phía trên.

Việc thiết kế giếng giảm áp là một bài toán ba chiều, có thể hình dung thông qua sự hạ thấp của mặt áp lực (piezometric surface) xảy ra tại các vị trí giếng. Mặt áp lực bị hạ thấp nhiều nhất tại các vị trí giếng. Dọc theo tuyến giếng, mặt áp lực thường đạt giá trị cao nhất tại điểm giữa của hai giếng bất kỳ. Hình 6-30 có thể được sử dụng để ước tính lưu lượng xả của giếng giảm áp theo khoảng cách giếng, bán kính giếng, các biến hình học, và một hệ số chiều dài bổ sung (extra length factor) mang tính thực nghiệm, phản ánh sức cản của giếng. Hệ số chiều dài bổ sung phù hợp có thể được xác định đối với các giếng xuyên qua 25, 50, và 100 phần trăm chiều dày lớp nền thấm nước bằng cách sử dụng các biểu đồ phía dưới. Ngoài ra, giếng giảm áp cũng có thể được thiết kế bằng phân tích phần tử hữu hạn ba chiều.

Giếng giảm áp cần một chương trình vệ sinh và bảo trì định kỳ để ngăn ngừa hiện tượng tắc nghẽn lưới lọc và lớp lọc của giếng. Lưu lượng của giếng giảm áp cần được ghi chép trong suốt thời gian sử dụng, và so sánh với mực nước sông hoặc hồ chứa để theo dõi bất kỳ sự thay đổi nào có thể xảy ra về hiệu suất giếng.

6-6 HẠ MỰC NƯỚC NGẦM (DEWATERING).

Đôi khi cần phải hạ thấp mực nước ngầm để phục vụ thi công công trình ngầm hoặc để ngăn ngập lụt các công trình hiện hữu. Các phương án hạ mực nước ngầm bao gồm: (1) hệ thống thu gom tại đáy hố đào dẫn về hố tập trung nước (sump), (2) hệ thống giếng kim (well point system), và (3) giếng hút sâu (deep extraction wells). Việc lựa chọn hệ thống hạ mực nước ngầm phụ thuộc vào lưu lượng nước chảy vào dự kiến của hố đào, khả năng xảy ra hiện tượng trồi đất (xem Mục 6-4.1), và độ sâu hạ mực nước ngầm yêu cầu. Có các công ty và đơn vị tư vấn kỹ thuật chuyên về hạ mực nước ngầm.

6-6.1 Thu Gom và Hố Tập Trung Nước (Collection and Sump).

Khi lưu lượng nước chảy vào hố đào thấp (tức là đào trong đất có hệ số thấm thấp) và khả năng xảy ra trồi đất không đáng lo ngại, hệ thống thu gom và hố tập trung nước có thể là đủ. Hệ thống thu gom có thể gồm một loạt các hào tại đáy hố đào, hoặc một hệ thống hào giảm áp (xem Mục 6-5.3.3.1) tại đáy hố đào. Trong một số trường hợp tạm thời, có thể trải một lớp sỏi cấp phối kém lên đáy hố đào để giúp nước chảy về hố tập trung. Hệ thống thu gom dẫn nước về một hố tập trung có bố trí bơm để loại bỏ lượng nước chảy vào. Bơm hố tập trung có thể là bơm điện hoặc bơm chạy xăng (tức bơm “trash pump”).

6-6.2 Hệ Thống Giếng Kim (Wellpoint Systems).

Giếng kim (wellpoints) là các ống có đường kính 1-1/2 hoặc 2 inch, được kết nối với hệ thống hút chân không để loại bỏ nước ngầm. Đoạn dưới của mỗi giếng kim có dạng khe hoặc đục lỗ và được bọc lưới lọc nhằm ngăn ngừa đất xung quanh bị cuốn vào ống. Các ống được đóng hoặc phụt (jetted) vào vị trí, hoặc lắp đặt trong các lỗ khoan trước. Mỗi giếng kim được kết nối với một ống góp (header) dẫn về bơm hút chân không.

Wellpoints thường có hiệu quả khi đất có \(D_{10}\) lớn hơn 0.05 mm, hoặc khi đất có cấu trúc như các lớp vân hoặc lớp mỏng có khả năng dẫn nước ngầm theo phương ngang. Chênh lệch áp lực lớn nhất có thể tạo ra trong wellpoints bị giới hạn bởi áp suất khí quyển. Do đó, độ hạ thấp mực nước ngầm khi dùng wellpoints thường bị giới hạn ở khoảng 15 đến 18 ft bên dưới tâm của ống góp hút. Nếu cần mức hạ nước lớn hơn, wellpoints có thể được lắp đặt theo nhiều tầng hoặc nhiều giai đoạn kế tiếp khi quá trình đào tiếp tục, như minh họa trong Hình 6-31.

Lưu lượng xả của mỗi wellpoint thường là 15 đến 30 gpm (3 đến 6 m³/giờ). Khoảng cách giữa các wellpoints thường nằm trong khoảng 3 đến 10 ft (1 đến 3 m). Nên sử dụng khoảng cách nhỏ hơn đối với đất có hệ số thấm thấp hơn. Trong các loại đất này, hiệu quả của wellpoints có thể được tăng lên bằng cách khoan dẫn trước tại các vị trí lắp đặt và backfill bằng cát xung quanh wellpoint.

Do khoảng cách giữa các wellpoints nhỏ, phân tích hai chiều nhìn chung là đủ. Độ hạ thấp mực nước và dòng chảy vào tuyến wellpoints có thể được phân tích bằng lưới thấm hoặc phân tích phần tử hữu hạn hai chiều. Đối với đất có \(k\) lớn, như cát mịn sạch hoặc cát thô hơn, lượng nước cần loại bỏ sẽ chi phối bố trí wellpoint. Đối với đất bụi, lưu lượng tương đối nhỏ, và số lượng cũng như khoảng cách giữa các wellpoints sẽ chịu ảnh hưởng bởi thời gian cho phép để hoàn thành việc hạ nước ngầm.

6-6.3 Giếng khai thác

Extraction wells (giếng khai thác) gồm một lỗ khoan chứa ống vách giếng có đoạn ống lọc trong tầng chứa nước, một gói vật liệu lọc và một cột ống. Có thể sử dụng bơm kiểu turbine với động cơ đặt trên mặt đất, hoặc có thể đặt một bơm chìm bên trong ống vách giếng. Extraction wells được sử dụng khi:
\(\qquad \)(a) hệ thống hạ nước ngầm phải được giữ bên ngoài khu vực hố đào,
\(\qquad \)(b) cần bơm lượng nước lớn trong thời gian dài,
\(\qquad \)(c) phải bắt đầu bơm trước khi đào để đạt được thời gian cần thiết cho hạ thấp mực nước, hoặc
\(\qquad \)(d) cần hạ áp lực trong tầng chứa nước có áp nằm bên dưới một lớp có hệ số thấm thấp dưới hố đào.
Extraction wells có thể được sử dụng cho các loại đất từ sỏi đến cát mịn pha bụi, và cho đá chứa nước.

Các giếng nông khoan sẵn có bơm hút có thể được dùng để thay thế wellpoints khi cần bơm trong vài tuần hoặc trong đất bụi, nơi việc lọc đúng cách là rất quan trọng. Bơm ejector hoặc eductor có thể được sử dụng trong wellpoints để nâng nước lên đến khoảng 60 ft. Bơm ejector có bố trí vòi phun ở đáy của hai ống đứng đường kính nhỏ, dùng nguyên lý Venturi để loại bỏ nước. Chúng được dùng thay cho hệ thống wellpoint nhiều tầng và khi không cần lưu lượng bơm lớn như extraction wells cung cấp. Chúng chủ yếu được áp dụng cho cát, nhưng nếu được kiểm soát thích hợp, cũng có thể dùng cho cát pha bụi và bụi pha cát.

Hình 6-32 trình bày các phương trình để phân tích độ hạ thấp mực nước và lưu lượng bơm cho một giếng đơn hoặc một nhóm giếng bố trí theo dạng vòng tròn. Bán kính ảnh hưởng (radius of influence) \((R)\) thường được định nghĩa là bán kính mà ngoài đó giếng không còn ảnh hưởng. \(R\) là hàm của lưu lượng xả \((q)\), do đó thay đổi tùy theo tốc độ bơm. Các phương trình được trình bày cho phép tính \(R\) từ số liệu tại một giếng quan trắc đơn. Khi biết \(R\), có thể tính độ hạ thấp mực nước tại các vị trí khác.

\(\\\)

6-7 TÀI LIỆU ĐỌC THÊM

Chủ đề	Tài liệu tham khảo
Dòng chảy nước ngầm	Cedergren, H. R. 1977. Seepage, Drainage, and Flow Nets, John Wiley and Sons, Inc., New York.
	Freeze, R. A. và Cherry, J. A. 1979. Groundwater, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ.
Thiết kế vật liệu lọc	Federal Emergency Management Agency (FEMA), 2011. Filters for Embankment Dams, Best Practices for Design and Construction.
Phân tích thấm bằng phương pháp số	Bradley, N. và VandenBerge, D. R. 2015. Beginner’s Guide to Geotechnical Finite Element Analyses, Center for Geotechnical Practice and Research, Virginia Tech.
	Potts, D. M. và Zdravkovic, L. 2001. Finite Element Analysis in Geotechnical Engineering: Theory and Application, ICE Publishing.

\(\\\)

6-8 CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu	Mô tả
a	Isotropic transformation factor for flow nets Hệ số biến đổi đẳng hướng cho lưới dòng thấm
A	Cross sectional area of the flow region perpendicular to the flow direction Diện tích mặt cắt ngang của vùng dòng chảy vuông góc với hướng dòng chảy
C′u	Linear coefficient of uniformity (geotextile design) Hệ số đồng đều tuyến tính (thiết kế vải địa kỹ thuật)
Dli	Particle size of the coarser sieve (Kozeny-Carman equation) Kích thước hạt của cỡ sàng thô hơn (phương trình Kozeny-Carman)
Dsi	Particle size of the finer sieve (cm) Kích thước hạt của cỡ sàng mịn hơn (cm)
Dα	Effective grain size – α is the percent of soil particles smaller than the stated size, values of 5, 10, 15, and 20 are commonly used for α. Kích thước hạt hiệu dụng – α là phần trăm hạt đất nhỏ hơn kích thước được xét; các giá trị 5, 10, 15 và 20 thường được sử dụng cho α.
Dx	Particle size for which X% of the soil is finer Kích thước hạt mà X% lượng đất có kích thước nhỏ hơn giá trị đó
D′x	Particle size for which X% of the soil is finer for linearized particle distribution (geotextile design) Kích thước hạt mà X% lượng đất có kích thước nhỏ hơn giá trị đó theo đường cong phân bố hạt được tuyến tính hóa (thiết kế vải địa kỹ thuật)
DxB	Particle size for which X% of the soil is finer for a base soil Kích thước hạt mà X% lượng Base Soil có kích thước nhỏ hơn giá trị đó
DxF	Particle size for which X% of the soil is finer for a filter material Kích thước hạt mà X% lượng vật liệu lọc có kích thước nhỏ hơn giá trị đó
e	Void ratio of the soil Hệ số rỗng của đất
fi	Fraction of particles between two adjacent sieve sizes (Kozeny-Carman equation) Tỷ phần hạt nằm giữa hai cỡ sàng liền kề (phương trình Kozeny-Carman)
FSg	Factor of safety for geotextile permeability Hệ số an toàn đối với khả năng thấm của vải địa kỹ thuật
hL	Head loss across flow region Tổn thất cột nước qua vùng dòng chảy
hp	Pressure head Cột nước áp lực
ht	Total hydraulic head Cột nước tổng cộng
hv	Velocity head Cột nước vận tốc
hz	Elevation head Cột nước cao độ
i	Hydraulic gradient Gradient thủy lực
k	Hydraulic conductivity of soil (various subscripts) Hệ số thấm của đất (với các chỉ số phụ khác nhau)
kg	Hydraulic conductivity of geotextile across plane of fabric Hệ số thấm vuông góc mặt phẳng vải của vải địa kỹ thuật
L	Length of flow path Chiều dài đường dòng
n	Porosity of the soil Độ rỗng của đất
Nd	Number of equipotential (head) drops in the flow net Số lần giảm thế năng (cột nước) trong lưới dòng thấm
Nf	Number of flow channels in the flow net Số kênh dòng chảy trong lưới dòng thấm
O95	Geotextile apparent opening size Kích thước lỗ mở biểu kiến của vải địa kỹ thuật
q	Volumetric flow rate Lưu lượng thể tích
R	Radius of influence in well design Bán kính ảnh hưởng trong thiết kế giếng
S	Surface area factor for grain shape (Kozeny-Carman equation) Hệ số diện tích bề mặt xét đến hình dạng hạt (phương trình Kozeny-Carman)
tg	Geotextile thickness Chiều dày vải địa kỹ thuật
u	Water pressure at the point of interest Áp lực nước tại điểm xét
vd	Discharge velocity Vận tốc xả
vs	Seepage velocity Vận tốc thấm
x	Exponent on effective grain size for hydraulic conductivity correlations Số mũ của kích thước hạt hiệu dụng trong các tương quan hệ số thấm
Y	Height of the flow region Chiều cao vùng dòng chảy
Z	Elevation of a point of interest above the elevation datum Cao độ của điểm xét so với mặt chuẩn cao độ
βα	Empirical or semi-empirical coefficient relating k to Dα Hệ số thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm liên hệ giữa k và Dα
γw	Unit weight of water Dung trọng riêng của nước
Δhl	Total head loss for one equipotential drop on a flow net Tổn thất cột nước tổng cộng cho một bước giảm thế năng trong lưới dòng thấm
ψg	Geotextile permittivity, provided by manufacturers or from testing (ASTM D4491) Độ thấm suất của vải địa kỹ thuật, do nhà sản xuất cung cấp hoặc xác định bằng thí nghiệm (ASTM D4491)

Hỗ trợ duy trì trang:

Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.

Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.

Qua USD (Buy Me a Coffee)

BIDV • STK: 3101226659 • HOANG HAI HA