Thí nghiệm xác định tốc độ xói của đất đắp dưới tác dụng của dòng chảy trên bề mặt

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016) 54
BÀI BÁO KHOA HỌC 
THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XÓI CỦA ĐẤT ĐẮP 
DƯỚI TÁC DỤNG CỦA DÒNG CHẢY TRÊN BỀ MẶT 
Phạm Thị Hương1 
Tóm tắt: Hiện tượng xói trên bề mặt đập dưới tác dụng của dòng chảy là nguyên nhân chủ yếu của 
quá trình phát triển vỡ đập. Nghiên cứu cơ chế xói của đất đắp dưới tác dụng của dòng chảy tràn 
trên bề mặt là việc làm cần thiết để đánh giá an toàn đập khi nước tràn đỉnh. Từ các nghiên cứu 
trước đây đã thiết lập được công thức tính tốc độ xói của đất. Tuy nhiên với mỗi loại đất, cần thông 
qua thí nghiệm để xác định các hằng số xói trong công thức. Bài báo trình bày nội dung thí nghiệm 
xác định tốc độ xói của mẫu đất dính trên máng kính thủy lực, từ kết quả thí nghiệm xác định được 
các hằng số xói của vật liệu. 
Từ khóa: Tốc độ xói, nước tràn đỉnh đập, vỡ đập. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ1 
Nước tràn đỉnh đập là nguyên nhân chính gây 
sự cố vỡ của các đập vật liệu địa phương. Theo 
International Commission on Large Dams 
(ICOLD, 1973), 35% đập đất bị vỡ do nước tràn 
đỉnh đập, 65% còn lại do các nguyên nhân khác 
như thấm, xói ngầm... Các con đập bị vỡ gây ra 
hậu quả nghiêm trọng về tính mạng người dân 
vùng hạ lưu, phá hoại nền kinh tế và môi trường 
sinh thái khu vực xung quanh. 
Việt Nam, với đa số là các hồ chứa vừa và 
nhỏ, các hạng mục công trình thường không 
được đầu tư xây dựng đầy đủ và có độ kiên cố 
cần thiết. Chất lượng khảo sát, thiết kế, thi công 
lạc hậu, không đáp ứng yêu cầu. Năng lực quản 
lý, vận hành các hồ đập còn thiếu và yếu về 
nhân lực, quy trình và trang thiết bị. Cộng với 
ảnh hưởng của biến đổi khí hậu cũng như việc 
tàn phá rừng đầu nguồn và nhiều nguyên nhân 
khác nữa dẫn đến lũ lụt diễn biến thất thường và 
có chiều hướng bất lợi hơn cho công trình. Lũ 
vượt thiết kế ngày càng tăng đặc biệt là đối với 
các công trình vừa và nhỏ (Phạm Ngọc Quý, 
2008). Vì vậy, khả năng tiềm ẩn nguy cơ vỡ đập 
do nước tràn đỉnh là rất lớn và là một vấn đề hết 
sức nghiêm trọng. Hiện tượng xói trên bề mặt 
đập dưới tác dụng của dòng chảy là nguyên 
1 Khoa Công Trình, Trường Đại học Thủy Lợi. 
nhân chủ yếu của quá trình phát triển vỡ đập. 
Nghiên cứu cơ chế xói của đất đắp dưới tác 
dụng của dòng chảy là việc làm cần thiết để 
đánh giá an toàn đập khi nước tràn đỉnh. 
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ 
NGHIÊN CỨU 
Dựa vào hàm mô tả tốc độ xói của đất dính từ 
các nghiên cứu trước đây (Kazunori Fujisawa, 
Akira Kobayashi, Kiyohito Yamamoto, 2008): 
 )( cE (1) 
trong đó: 
E là tốc độ xói (m/s); 
τ là ứng suất cắt sinh ra bởi dòng chảy trên 
bề mặt mẫu đất (N/m2); 
τc là ứng suất cắt tới hạn của đất (N/m
2); 
α, τc là các hằng số xói của vật liệu ; 
γ là số mũ thường lấy bằng 1. 
Ứng suất cắt trung bình trên bề mặt mẫu đất 
xác định theo công thức của Shaikh và các cộng 
sự (G.J. hanson, K.R. Cook, S.L. Hunt) : 
22
fyfx SSgh  
(2) 
trong đó: 
ρ là khối lượng riêng của nước (kg/m3); 
g là gia tốc trọng trường (m/s2); 
h là chiều sâu nước (m); 
fxS , fy
S
là năng lượng mái dốc được xác 
định theo công thức Manning: 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016) 55
3/4
222
h
vuun
S fx
 ;
3/4
222
h
vuvn
S fy
(3)
n là hệ số nhám Manning; 
u và v là lưu tốc dòng chảy theo phương x và y. 
Các hằng số xói của vật liệu phụ thuộc vào 
nhiều yếu tố như đường kính hạt, độ ẩm của đất 
khi đầm, nhiệt độ nước, độ đầm chặt và các chỉ 
tiêu cơ lý (γ, φ, c)... Các hằng số này được xác 
định thông qua thí nghiệm. 
3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 
3.1. Thiết bị thí nghiệm 
Xây dựng một máng thí nghiệm như hình 1, 
máng được làm bằng thép hộp, sắt tấm và kính. 
Máng có kích thước là 30cm rộng, 300cm dài và 
40cm cao. Thượng lưu máng gắn vào một bể 
chứa nước có máy bơm điều khiển lưu lượng. 
Một lỗ khoét hình chữ nhật có kích thước 
20x30cm được khoét dưới đáy máng cách mép 
hạ lưu máng 50cm, đây chính là nơi mẫu đất 
được đưa từ dưới lên trong quá trình làm thí 
nghiệm. Mẫu đất được đưa dần lên trong quá 
trình xói (đảm bảo bề mặt mẫu luôn luôn bằng 
bề mặt đáy máng ) bằng hệ thống vít me. 
3.1.1. Thiết bị đo vận tốc 
Sử dụng máy đo lưu tốc điện tử hai chiều P-
EMS, bộ thí nghiệm tiêu chuẩn bao gồm: đầu 
đo loại E – 30 (0 – 2.5m/s), bộ xử lý tín hiệu 
nằm trong hộp nguồn UCC, cáp nối dài 10m. 
Khi đo, hộp nguồn UCC được kết nối với máy 
tính có cài đặt phần mềm đo đạc để đọc dữ liệu 
từ đầu đo. 
3.1.2. Thiết bị đo lưu lượng 
Xây dựng một đập tràn thành mỏng ở cuối 
đoạn kênh dẫn đưa nước trở về máng thu hồi 
nước. Đập có chiều cao P = 11,5cm, chiều rộng 
B = 49,6cm. Một thước mét đo chiều cao cột 
nước trên ngưỡng tràn được gắn lên tường phía 
thượng lưu cách ngưỡng tràn 20cm. Lưu lượng 
qua tràn cũng chính là lưu lượng qua máng kính 
được xác định theo công thức (Nguyễn Cảnh 
Cầm và nnk, 1978) : 
2/32 HgmBQ (4) 
trong đó: 
m: là hệ số lưu lượng của đập tràn thành 
mỏng, xác định theo công thức: 
P
H
m 054,0402,0 
(5) 
H: là chiều cao cột nước trên ngưỡng tràn 
đọc từ thước đo mét, 
P: là chiều cao ngưỡng tràn, 
B : là bề rộng ngưỡng tràn. 
3.1.3. Thiết bị đo mực nước 
Để đo mực nước tại mặt cắt ngưỡng tràn, một 
ống tio được đặt luồn bên dưới ngưỡng để dẫn 
mực nước tĩnh tại mặt cắt ngưỡng tràn ra khỏi 
máng, đầu phía ngoài của ống tio được gắn vào 
thành ngoài của bể chứa, bên cạnh là thước mét 
để đọc số đo mực nước trên ngưỡng tràn. 
Tại các mặt cắt dọc theo máng kính đều có 
gắn các thước mét đo chiều sâu cột nước. 
3.1.4. Thiết bị đo chiều cao mẫu đất 
Một thước kẹp có vạch đơn vị đo theo chiều 
dài được gắn vào đầu vít me. Thước di chuyển 
lên cùng với vít me vì vậy có thể đọc số liệu về 
chiều sâu bị xói của mẫu đất trên đầu thước kẹp. 
Hình 1. Máng kính thủy lực thí nghiệm 
xói mẫu đất 
3.2. Mẫu đất thí nghiệm 
Vật liệu thí nghiệm là đất dính, được lấy tại 
quả đồi xã Đồng Trúc huyện Thạch Thất, Hà 
Nội. Đất được đưa về phòng thí nghiệm Địa kỹ 
thuật, trường Đại học Thủy Lợi để xác định các 
chỉ tiêu cơ lý theo: (TCVN 2683:2012, TCVN 
4195:2012, TCVN 4196:2012, TCVN 4197:2012, 
TCVN 4201:2012, TCVN 4202:2012). 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016) 56
Bảng 1. Tổng hợp kết quả phân tích mẫu đất 
 Mẫu số 1 Mẫu số 2 Mẫu số 3 Mẫu số 4 Mẫu số 5 
Dung trọng riêng γ (T/m3) 1,641 1,695 1,732 1,768 1,787 
Góc ma sát φ (độ) 35028’ 34045’ 34023’ 33018’ 32055’ 
Lực dính C (kg/cm2) 0,259 0,333 0,339 0,370 0,412 
Độ rỗng n (%) 53,83 52,29 51,27 50,25 49,72 
Hình 2. Đường cong cấp phối hạt 
của đất thí nghiệm 
3.3. Quá trình và kết quả thí nghiệm 
Cần đo lưu tốc được đặt tại đầu mặt cắt bố trí 
mẫu, đầu đo điện tử đặt cách đáy máng 1cm, 
cần được nối với máy tính trung tâm để đọc giá 
trị vận tốc dòng chảy tại mặt cắt mẫu. Đồng thời 
với thời điểm đo vận tốc, các giá trị cột nước 
trên ngưỡng đập tràn thành mỏng, cột nước trên 
ngưỡng tràn thượng lưu máng kính và tại các 
mặt cắt cũng được đọc và ghi chép lại để tính 
toán xác định lưu lượng và kiểm chứng giá trị 
vận tốc đo được (Nguyễn Cảnh Cầm và nnk, 
1978). Nước được bơm vào trong bể chứa 
thượng lưu máng kính bằng một máy bơm. Lưu 
lượng máy bơm có thể điều chỉnh bởi một van 
điều khiển trung tâm đặt ngay trước cửa vào bể 
chứa, giữ cho lưu lượng không thay đổi trong 
suốt quá trình thí nghiệm. 
Ng­ìng trµn M¸ng kÝnhBÓ n­íc
TÊm gç TÊm kÝnh
TÊm thÐp
Lç khoÐt
VI
vi
Hình 3. Bố trí các mặt cắt đo mực nước và lưu tốc trên máng 
Bảng 2. Kết quả đo các yếu tố thủy lực 
Cột nước 
tràn H 
Lưu 
lượng Q 
Cột nước tại mặt cắt Vận tốc 
MC V-V 
Ứng suất 
τ MC I-I MC II-II MC III-III MC IV-IV MC V-V 
(cm) (l/s) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (m/s) N/m2 
3,5 6,02 1,6 0,9 0,8 0,7 0,7 4,00 6,712 
5,0 10,45 2,3 1,4 1,2 1,1 1,0 4,79 8,537 
6,5 15,75 2,7 1,9 1,6 1,5 1,4 5,40 9,808 
7,5 19,73 3,0 2,2 1,9 1,7 1,6 5,72 10,421 
9,0 26,35 3,3 2,6 2,3 2,1 2,0 6,19 11,382 
Ứng suất τ xác định theo công thức (2) (3), 
lấy lưu tốc dòng chảy theo phương y bằng 0 
(v = 0) 
Sau khi điều chỉnh lưu lượng về đúng các cấp 
lưu lượng đã định, lúc này tiến hành mở tấm 
nhựa dẻo trên bề mặt mẫu để đo tốc độ xói của 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016) 57
mẫu đất. Mẫu đất được đẩy lên bằng hệ thống 
vít me đảm bảo bề mặt mẫu luôn luôn bằng bề 
mặt đáy máng. Sau mỗi phút lại đọc số liệu về 
chiều cao còn lại của mẫu trên thước kẹp gắn 
trên vít me (loại bỏ kết quả của một số mẫu có 
bề mặt xói không đều do đất không đồng nhất). 
Tốc độ bào mòn mẫu đất Δz được ghi lại cùng 
với bước thời gian Δt. 
Tốc độ xói được tính toán theo công thức 
(Kazunori Fujisawa, Akira Kobayashi, Kiyohito 
Yamamoto, 2008): 
)1()1( nzn
t
z
E 
 
(6)
với n là độ rỗng của mẫu đất. 
Bảng 3. Bảng kết quả tính tốc độ xói của mẫu đất 
Lưu 
lượng 
Q 
Vận tốc tại 
MC V-V 
Ứng suất 
τ 
Tốc độ xói 
mẫu 1 
(k = 0,9) 
E 
Tốc độ xói 
mẫu 2 
(k = 0,93) 
E 
Tốc độ xói 
mẫu 3 
(k = 0,95) 
E 
Tốc độ xói 
mẫu 4 
(k = 0,97) 
E 
Tốc độ xói 
mẫu 5 
(k = 0,98) 
E 
(l/s) (m/s) (N/m2) (cm/s) (cm/s) (cm/s) (cm/s) (cm/s) 
6,02 4,00 6,712 0,0027 0,0017 0,0012 0,0010 0,0007 
10,45 4,79 8,537 0,0058 0,0048 0,0044 0,0040 0,0034 
15,75 5,40 9,808 0,0083 0,0070 0,0065 0,0060 0,0054 
19,73 5,72 10,421 0,0104 0,0087 0,0085 0,0079 0,0071 
26,35 6,19 11,382 0,0112 0,0103 0,0095 0,0094 0,0089 
3.4. Xử lý kết quả thí nghiệm 
Theo công thức tính tốc độ xói (1) và từ kết 
quả thực nghiệm, xác định được giá trị của ứng 
suất cắt tới hạn τc chính là điểm giao của các 
đường thực nghiệm với trục hoành, khi đó tốc 
độ xói E có giá trị bằng không. Với 5 mẫu đất 
có hệ số đầm chặt khác nhau, giá trị τc cũng thay 
đổi và tăng dần theo mức độ đầm chặt của đất. 
Hằng số xói α chính là gradien của đường trung 
bình thực nghiệm, từ bảng kết quả nhận thấy với 
cùng một loại đất α có giá trị gần như không 
đổi, có thể lấy giá trị gần đúng α = 0,0019 cho 
loại đất sét thí nghiệm. 
Hình 4. Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ xói 
của đất (E) và ứng suất (τ) 
Bảng 4. Giá trị của ứng suất cắt tới hạn τc và hằng số xói α 
Hệ số đầm K 0,9 0,93 0,95 0,97 0,98 
τc (N/m
2) 5,37 5,74 6,17 6,28 6,33 
α 0,0019 0,0019 0,0018 0,0018 0,0018 
4. KẾT LUẬN 
Hiện tượng xói trên bề mặt đập dưới tác dụng 
của dòng chảy là nguyên nhân chủ yếu của quá 
trình phát triển vỡ đập. Tốc độ xói của đất là 
một hàm tổng hợp của nhiều yếu tố như độ đầm 
chặt, dung trọng, góc ma sát, lực dính, chiều sâu 
dòng chảy, ứng suất cắt sinh ra do dòng chảy... 
Với mỗi loại đất, cần xác định các hằng số xói 
trong công thức tính tốc độ xói bằng thực 
nghiệm, để từ đó có thể đánh giá an toàn đập khi 
bị tràn nước trên đỉnh. 
Bài báo thể hiện kết quả thí nghiệm cho 
loại đất có hàm lượng sét cao, xác định được 
vận tốc xói của đất với các giá trị vận tốc 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016) 58
dòng chảy. Xây dựng được các đường thực 
nghiệm biểu diễn vận tốc xói của loại đất thí 
nghiệm (hình 4). Từ đó xác định được các 
hằng số xói (bảng 4) phục vụ cho việc tính tốc 
độ xói của đất cho các mẫu có hệ số đầm chặt 
thay đổi. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Kazunori Fujisawa, Akira Kobayashi, Kiyohito Yamamoto, (2008), Erosion rates of compacted 
soils for embankments. 
G.J. hanson, K.R. Cook, S.L. Hunt, Physical Modeling of overtopping erosion and breach 
formation of cohesive embankments. 
Phạm Ngọc Quý, (2008), Tràn sự cố trong đầu mối hồ chứa nước, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội. 
Nguyễn Cảnh Cầm và nnk, (1978), Giáo trình Thủy Lực tập 2, Nhà xuất bản Đại học và trung học 
chuyên nghiệp. 
Đất xây dựng - Lấy mẫu, bao gói, vận chuyển và bảo quản mẫu, TCVN 2683:2012. 
Đất xây dựng – phương pháp xác định khối lượng riêng trong phòng thí nghiệm, TCVN 4195:2012. 
Đất xây dựng – phương pháp xác định độ ẩm và độ hút ẩm trong phòng thí nghiệm, TCVN 
4196:2012. 
Đất xây dựng – Phương pháp xác định giới hạn dẻo và giới hạn chảy trong phòng thí nghiệm, 
TCVN 4197:2012. 
Đất xây dựng – Phương pháp xác định độ chặt tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm, TCVN 
4201:2012. 
Đất xây dựng. Phương pháp xác định khối lượng thể tích trong phòng thí nghiệm, TCVN 
4202:2012. 
Abstract: 
EXPERIMENT FOR DETERMINATION OF SOIL EROSION RATE UNDER 
THE EFFECT OF OVERFLOW 
Erosion on the surface of the dam under the effect of the flow is the primary cause of the 
development of dam break. Study of soil erosion mechanism under the effect of overflow is 
necessary to evaluate dam safety when overtopping dam . P revious researches have established the 
formula for calculating soil erosion rate. However, it is necessary to do experiment to determine the 
erosion coefficients in the formula in each different types of land. This paper presents the content of 
an experiment to determine soil erosion rate on hydraulic glass trough, and using this result to 
identify the erosion coefficients of land . 
Keywords: Soil erosion rate, overtopping dam. dam break. 
BBT nhận bài: 25/4/2016 
Phản biện xong: 26/5/2016