Trong các nguyên nhân gây ra trượt đất ở trên, mưa lớn là một nguyên nhân chính, đặc biệt là hiện tượng trượt nông nơi mặt trượt chỉ nằm sâu từ 1m đến 10m (phân loại theo Hội Trượt Đất Quốc tế ICL). Trượt nông thường xảy ra ở những khu vực mà lớp đất trên mặt có hệ số thấm cao nằm trên một lớp đất có hệ số thấm thấp.
Trang 1ỨNG DỤNG THIẾT BỊ MÁNG MÔ PHỎNG TRƯỢT ĐẤT ĐỂ NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TRƯỢT NÔNG TẠI THÀNH PHỐ
HẠ LONG, QUẢNG NINH
ĐỖ NGỌC HÀ, ĐOÀN HUY LỢI, HUỲNH ĐĂNG VINH, HUỲNH THANH BÌNH*
Application of landslide flume experiment to research the shallow landslides in Ha Long, Quang Ninh
Abstract: Heavy rainfall is one of the major causes of shallow landslides in
the world To analyze landslide mechanisms triggered by rainfall, large-scale models have been used In Japan, there are several landslide experiments conducted in Forestry and Forest Products Research Institute and National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention In Vietnam, the similar landslide flume experiment was manufactured in Institute of Transport Science and Technology (ITST), Ministry of Transport This study used the laboratory flume experiment in ITST with artificial heavy rainfall to analyze the mechanism of a shallow landslide in Quang Ninh, Vietnam Wire extensometers were installed to detect the surface displacement before the landslide initiation Time prediction of landslide initiation could be possible from the accumulation and acceleration of slope surface movement
1 GIỚI THIỆU *
1.1 Tổng quan việc ứng dụng máng mô
phỏng trượt đất để nghiên cứu trượt nông
trên thế giới
Trượt nông dọc tuyến đường giao thông là
một trong những hiện tượng địa chất động lực
công trình diễn ra trong phạm vi mái dốc nền
đường hoặc trong một phạm vi rộng lớn hơn bao
gồm cả một phần sườn đồi hay sườn núi tiếp giáp
với mái dốc nền đường Hiện tượng trượt đất
phát sinh khi chịu tác động trực tiếp của con
người kết hợp với các yếu tố tác động thiên nhiên
như mưa, bão, lũ lụt, dòng chảy, nước ngầm hoặc
động đất, làm khối đất đá nằm trên mái dốc
hoặc sườn đồi, sườn núi bị mất ổn định cơ học và
sau đó tự tách ra thành một hoặc nhiều khối đất
*
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
E-mail: dongochakhcn@gmail.com
đá chuyển động tự do xuống phía dưới, ở các dạng khác nhau, theo phương trọng lực
Trong các nguyên nhân gây ra trượt đất ở trên, mưa lớn là một nguyên nhân chính, đặc biệt là hiện tượng trượt nông nơi mặt trượt chỉ nẳm sâu từ 1m đến 10m (phân loại theo Hội Trượt Đất Quốc tế ICL) Trượt nông thường xảy
ra ở những khu vực mà lớp đất trên mặt có hệ số thấm cao nằm trên một lớp đất có hệ số thấm thấp Khi nước mưa ngấm từ trên xuống gặp lớp đất có hệ số thấm thấp sẽ không thấm qua được,
do đó mực nước sẽ dâng lên trong lớp đất thấm tốt trên mặt, làm gia tăng áp lực nước lỗ rỗng và dẫn đến mất ổn định sườn dốc Các vụ trượt nông thường là nguồn gốc gây ra lũ bùn đá, lũ quét và khi xảy ra, sẽ gây ra thiệt hại rất lớn về con người và tài sản
Để nghiên cứu trượt đất, người ta có thể dùng các mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm
Trang 2trong phòng là phương pháp mô phỏng gần
đúng với thực tế nhất Trong mô hình này, các
đặc tính của đất, điều kiện biên có thể kiểm
soát được và các thông số lượng mưa, áp lực
nước lỗ rỗng, độ dịch chuyển có thể quan trắc
được Do đó, để nghiên cứu cơ chế của hiện
tượng trượt nông, trên thế giới đã sử dụng một
số thiết bị máng mô phỏng trượt đất có xét đến
ảnh hưởng của mưa Một số nghiên cứu đã
được thực hiện bởi Wang, Sassa (2003),
Lourenco và nnk (2006), Tohari và nnk (2007),
Chen và nnk (2012), Tsutsumi và Fujita
(2012), Okada (2014), L.Z.Wu và nnk (2015), M.R Hakro và nnk (2015) Các máng trượt có kích thước khác nhau: ví dụ tại trường đại học Chengdu, Trung Quốc máng có kích thước chiều dài, rộng và cao lần lượt là 2x0,6x0,8 m
và tại trường Teknologi, Malaysia là 2,2x1x2,2
m Máng mô phỏng trượt đất lớn nhất trên thế giới với kích thước cao, dài, rộng tương ứng là 23x3x1,5 (m) được thiết kế và thí nghiệm tại Viện nghiên cứu Quốc gia về khoa học Trái Đất và phòng chống thảm họa thiên nhiên (NIED), đặt tại Tsukuba, Nhật Bản
Hình 1: Thiết bị máng mô phỏng trượt đất với kích thước dài, cao, rộng tương ứng là 23x3x1,5 (m) được thiết kế và thí nghiệm tại Viện nghiên cứu Quốc gia về khoa học Trái Đất và phòng chống
thảm họa thiên nhiên (NIED), đặt tại Thành phố Tsukuba, Nhật Bản
Máng mô phỏng trượt đất có kích thước nhỏ
hơn với kích thước dài, rộng, cao tương ứng là
9x1x1 (m) và góc nghiêng 320 được thiết kế và
thí nghiệm tại Viện nghiên cứu lâm nghiệp và
lâm sản (FFPRI), đặt tại Thành phố Tsukuba,
Nhật Bản Máng trượt có kích thước càng lớn
thì càng mô phỏng gần với thực tế hơn, tuy
nhiên việc thí nghiệm sẽ tốn kém và mất nhiều thời gian hơn
1.2 Mô hình máng mô phỏng trượt đất ở Việt Nam
Năm 2013, phòng thí nghiệm máng mô phỏng trượt đất đã được thiết kế và bắt đầu xây dựng tại Viện Khoa học và Công nghệ
Trang 3GTVT Máng được thiết kế dựa trên chỉ tiêu
cơ lý của đất đá phong hóa tại khu vực Hải
Vân Năm 2015 và năm 2016, các thí nghiệm
máng mô phỏng trượt đất có mưa nhân tạo đã
được thực hiện tại Viện Khoa học và Công
nghệ GTVT Hai thí nghiệm sử dụng mẫu cát
từ sông Hồng, Hà Nội Hai thí nghiệm khác sử dụng mẫu đất lấy từ hiện trường khu vực trượt
Ga Hải Vân, Đà Nẵng
Hình 2: Thiết bị máng mô phỏng trượt đất với kích thước cao, dài, rộng tương ứng là 9x1x1 (m)
được thiết kế và thí nghiệm tại Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
2 THIẾT BỊ VÀ VẬT LIỆU
2.1 Cấu tạo máng mô phỏng trượt đất
Sơ đồ thiết kế của máng mô phỏng trượt đất
tại Viện Khoa học và Công nghệ GTVT cùng hệ
thống giàn mưa nhân tạo được thể hiện trong
Hình 3 Một mặt của máng được làm bằng kính
cường lực trong suốt để có thể quan sát được
dịch chuyển của toàn bộ khối đất, một mặt làm
bằng thép Máng có chiều dài 9 m được chia
làm ba đoạn với các độ dốc khác nhau mô
phỏng theo điều kiện tự nhiên Đoạn trên cùng
dài 1 m có độ dốc 00 mô phỏng như đỉnh mái
dốc Đoạn giữa dài 4 m có độ dốc 340, được
thiết kế căn cứ theo kết quả thí nghiệm cắt phẳng cho vật liệu đất đá granit phong hóa tại Hải Vân có góc ma sát trong là 340 Đoạn dưới dài 4 m có độ dốc 100, mô phỏng sự thoải dần của mái dốc, đồng thời phản ánh sự khác biệt trong cơ chế dịch chuyển của đoạn mái dốc 340
Để mô phỏng hiện tượng mưa, một hệ thống các đầu phun mưa được thiết kế trên nóc mái máng trượt Hệ thống các đầu phun mưa này được thiết kế sao cho lượng mưa được phun đều dọc theo chiều dài máng trượt Để điều chỉnh được lượng mưa, một hệ thống van điều áp được lắp đặt dọc theo ống dẫn nước lên đầu phun
Trang 4Hình 3: Cấu tạo máng trượt và hệ thống phun mưa
2.2 Hệ thống quan trắc
Sơ đồ hệ thống quan trắc được thể hiện trong
Hình 4 Hệ thống này được thiết kế nhằm quan
trắc được sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng,
sự dịch chuyển bề mặt, và sự dịch chuyển của toàn bộ khối trượt
Hình 4: Hệ thống quan trắc máng mô phỏng trượt đất
Trang 5- Quan trắc sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng
tại một độ sâu nhất định để thấy được sự thay
đổi áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình mưa
Khi áp lực nước lỗ rỗng tăng, mái dốc sẽ dần
đạt tới trạng thái giới hạn trượt Một loại đầu đo
áp lực nước lỗ rỗng hình trụ được đặt vào trong
đất cát trong máng trượt để đo áp lực nước lỗ
rỗng thay đổi
- Quan trắc sự dịch chuyển của bề mặt mái
dốc để thấy rõ các dịch chuyển bề mặt mái dốc,
bằng cách sử dụng thiết bị đo độ dãn dài Sự
dịch chuyển bề mặt và tốc độ dịch chuyển được
ghi lại trong biểu đồ Sử dụng phương pháp
phân tích nghịch đảo tốc độ dịch chuyển theo
Saito (1968) và Fukuzono (1985) có thể dự báo
được thời gian xảy ra trượt đất
- Quan trắc dịch chuyển của toàn bộ khối trượt trên mái dốc để phân tích, so sánh với sự thay đổi
áp lực nước lỗ rỗng trong khối trượt Các hình trụ đánh dấu hoặc các vật liệu cát màu có thể được sử dụng để đặt dọc theo khối trượt Dịch chuyển của các hình trụ đánh dấu được ghi lại bằng máy quay
và máy ảnh đặt dọc theo máng
- Thời gian của các dữ liệu quan trắc được đồng bộ bằng đồng hồ hiển thị số hoặc bằng thiết bị GPS
2.3 Lựa chọn địa điểm lấy mẫu vật liệu và lượng mưa thí nghiệm
Điểm trượt đất được lựa chọn thí nghiệm là khu vực trượt đất cầu vượt Bàn Cờ, đường vào Cảng Cái Lân, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh (Hình 5)
Hình 5: Điểm trượt tại thành phố Hạ Long, Quảng Ninh được lựa chọn lấy mẫu
làm thí nghiệm máng mô phỏng trượt đất
Lượng mưa lớn nhất tại điểm trượt đất được
lấy theo số liệu thủy văn khu vực Phường Bãi
Cháy – thành phố Hạ Long - Quảng Ninh ngày
28/7/2015 (thời điểm trượt đất xảy ra) Lượng
mưa trung bình đo được trong ngày xảy ra trượt đất ở hai giờ mưa lớn nhất là 75mm/h (Hình 6) Đây là lượng mưa được sử dụng để thí nghiệm
mô hình máng trượt
Trang 6Hình 6: Biểu đồ lượng mưa theo giờ ngày
26,27,28 tháng 7 năm 2015 khi trượt đất xảy ra
tại thành phố Hạ Long, Quảng Ninh (Theo số
liệu quan trắc tại trạm Bãi Cháy)
3 MỘT SỐ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Thí nghiệm mô phỏng trượt đất nông bằng
thí nghiệm máng trượt với lượng mưa lớn nhất
tại điểm trượt đất (75mm/h) thực hiện tại Phòng
thí nghiệm mô hình thuộc Viện Khoa học và
Công nghệ GTVT ngày 17/3/2017 ghi nhận
được một số nội dụng chủ yếu sau:
- Với lượng mưa lớn nhất tại điểm trượt đất (75mm/h) mái dốc bắt đầu có hiện tượng dịch chuyển sau 18 phút mưa Biến dạng bắt đầu từ chân mái dốc có độ dốc 340, do mái dốc mất ổn định phần chân mái nên tạo ra các vùng sụt trên thân mái
- Đoạn mái dốc có độ dốc 100 độ ổn định, không biến dạng trong suốt quá trình thí nghiệm mưa
- Vùng sụt phát triển từ mặt mái sau đó xuống sâu 35cm-:- 45cm so với mặt mái tạo ra cung trượt Đỉnh điểm của biến dạng tại phút thứ 70 (sau 4200 s tính từ khi thí nghiệm mưa), vùng sụt trượt kéo theo cả đoạn mái dốc 340 sụt xuống tạo thành dòng bùn đổ xuống chân mái dốc
3.1 Phân tích các chỉ tiêu cơ lý của mẫu vật liệu sử dụng cho thí nghiệm
Trước khi tiến hành thí nghiệm mô phỏng, mẫu đất được tiến hành các thí nghiệm trong phòng để xác định các chỉ tiêu cơ lý Bảng 1 trình bày tính chất cơ lý của mẫu lấy tại thành phố Hạ Long
Bảng 1: Chỉ tiêu cơ lý của mẫu dùng để thí nghiệm trong mô phỏng máng trượt đất
Sạn sỏi
Cát
Bụi
1
9,86
Trang 7STT Chỉ tiêu
Tự nhiên
13 Thí nghiệm cắt trực tiếp
Bão hòa
Mô tả
Đất cát lẫn sét cấp phối kém
Từ kết quả thí nghiệm thành phần hạt và hệ số
thấm của đất có thể thấy kích thước hạt và hàm
lượng hạt mịn ảnh hưởng rất lớn đến sự trượt lở
của địa hình đồi núi dốc, điển hình cho hiện tượng
trượt nông dọc các tuyến đường giao thông tại
Việt Nam Mẫu lấy trong thân trượt có hàm lượng
hạt mịn thấp cùng với hàm lượng các hạt bụi và
sỏi sạn nhiều hơn do đó tính liên kết giữa các lớp
đất giảm tạo nên mặt trượt giữa những lớp đất đá
với nhau Hệ số thấm của mẫu lại rất lớn, vì thế
khi nước thấm qua lớp đất nhanh chóng lấp đầy
các lỗ rỗng, làm đất bão hòa trong thời gian ngắn,
làm tăng áp lực nước lỗ rỗng và giảm cường độ
lực dính, giảm góc ma sát của lớp đất
Để so sánh sự thay đổi về khối lượng thể tích
của mẫu trước và sau thí nghiệm, chúng tôi tiến
hành lấy mẫu thí nghiệm được lấy tại ba vị trí và
tại ba độ sâu đối với mỗi vị trí lấy mẫu Vị trí
lấy mẫu lần lượt là 1m, 2m và 4m tính từ đỉnh
cao nhất của máng trượt Ba độ sâu tại mỗi vị trí
lần lượt là 20cm, 40cm và 60cm tính từ đáy
máng trượt lên Hình 7 thể hiện sự thay đổi thể
tích tại các vị trí khác nhau trên máng trượt Độ
ẩm của mẫu sau thí nghiệm lớn hơn trước thí
nghiệm Độ sâu của mẫu ở độ sâu 60 cm thay đổi càng ít nhất
Hình 7 So sánh khối lượng thể tích của đất
trước và sau khi thử nghiệm
3.2 Kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng
và độ dịch chuyển
Hai mươi đầu đo áp lực nước lỗ rỗng (BI1-BI20) được lắp đặt dọc theo máng trượt Các đầu
đo chẵn được lắp đặt ở độ sâu 60 cm, còn các đầu đo lẻ được lắp đặt ở độ sau 30 cm Do các đầu đo áp lực nước lỗ rỗng chẵn nằm ở vị trí sâu hơn nên có thể đánh giá chi tiết hơn sự gia tăng mực nước ngầm, nên trong bài báo này, chúng tôi sẽ tiến hành phân tích với các đầu đo đó
Trang 8Hình 8 Áp lực nước lỗ rỗng tại các đầu đo chôn sâu 60 cm
Hình 9 Độ dịch chuyển của EX1 theo thời gian
Dựa trên biểu đồ quan hệ giữa áp lực nước lỗ
rỗng và thời gian ở Hình 8, có thể chia thành
các giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1: Đất khô, ở giai đoạn này áp
lực nước lỗ rỗng âm do đất hút nước trongg đầu
đo và tạo ra áp lực chân không trong đầu đo
- Giai đoạn 2: Đất phía dưới đầu đo bão hòa,
giai đoạn này có đặc điểm là áp lực nước lỗ
rỗng tăng rất nhanh từ giá trị âm lên giá trị 0
- Giai đoạn 3: Áp lực nước lỗ rỗng tăng dần
từ 0 (mực nước ngầm dâng lên trên phía trên
đầu đo) đến một giá trị nhất định thì hiện tượng trượt xảy ra (đây là ngưỡng gây ra trượt lở)
- Giai đoạn 4: Áp lực nước lỗ rỗng tăng nhanh trong khoảng thời gian ngắn, áp lực nước
lỗ rỗng tăng trong giai đoạn này không phải là
do mưa gây ra mà là do trượt đất làm thay đổi cấu trúc, cách sắp xếp các hạt trong đất đặc biệt
là sự nghiền nhỏ các hạt ở mặt trượt gây ra hiện tượng hóa lỏng cục bộ tại mặt trượt
- Giai đoạn 5: Giai đoạn khối đất dừng lại, áp lực nước lỗ rỗng giảm
Trang 9Đối với 3 thiết bị đo dịch chuyển mái dốc
trên mặt, độ dịch chuyển của thiết bị đo dãn dài
EX1 là lớn nhất và nằm trên đỉnh của khối trượt
nên chúng tôi sẽ sử dụng số liệu của thiết bị này
để tiến hành phân tích
Hình 10 Tốc độ dịch chuyển của EX1 theo thời gian
Hình 11 Tốc độ dịch chuyển của EX1 theo thời gian (giai đoạn trượt đất xảy ra)
Hình 9, 10 và 11 biểu thị độ dịch chuyển và
tốc độ dịch chuyển của EX1 theo thời gian
Trong giai đoạn đầu (từ 0 đến khoảng 1000s) độ
dịch chuyển gần như bằng 0, Từ 1000s đến
4100s, EX1 dịch chuyển chậm với tổng độ dịch chuyển khoảng 15cm Giai đoạn từ 4225 đến
4245 là giai đoạn trượt nhanh với tốc độ trượt trên 0,5cm/s, tốc độ lớn nhất đạt 3,6 cm/s
Trang 10Hình 12 Mối quan hệ giữa tốc độ dịch chuyển của EX1 và áp lực nước lỗ rỗng
(giai đoạn trượt đất xảy ra)
Hình 12 thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ
dịch chuyển và áp lực nước lỗ rỗng theo thời
gian Tại thời điểm trượt đất xảy ra nhanh nhất
(4235 s) thì áp lực nước lỗ rỗng cũng tăng đột
biến tại các đầu đo 12 và 16, sau đó áp lực nước
lỗ rỗng giảm dần theo thời gian
Phương pháp Fukuzono là một trong những
phương pháp phổ biến nhất để xác định thời điểm
trượt đất Phương pháp này được phát triển thông qua công tác khảo sát trượt đất có xem xét yếu tố mưa nhân tạo Trước khi trượt đất xảy ra, vận tốc dịch chuyển của khối đất tăng rất nhanh Đối với phương pháp này, giá trị nghịch đảo của vận tốc dịch chuyển được sử dụng Hình 13 cho thấy nghịch đảo vận tốc có xu hướng đi xuống và vị trí giao với trục hoành là thời điểm trượt đất xảy ra
Hình 13 Nghịch đảo vận tốc theo thời gian