but not used in Vietnam.Based on theoretical analysis, preliminary numerical simulation for 03 section of rock slope with different characteristics of rock, the resea[r]
Trang 1HỆ THỐNG RÀO CHẮN LINH HOẠT GIẢM THIỂU RỦI RO ĐÁ RƠI, ĐÁ LĂN TRÊN CÁC TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG VÙNG NÚI VIỆT NAM
NGUYỄN ĐỨC MẠNH*
LÊ ANH ĐỨC*
Flexible facing systems for rockfall protection on the roads of mountain area in Vietnam
Abstract: In mountainous areas of Vietnam often rock slope on the roads
has bluff, high height, and less attention is paid to preventing instability of slope Therefore, the rockfall often appears not only in the rainy season, even in the dry season on many national highways, provincial roads and railways Flexible facing systems for rockfall protection from high-tensile steel wire up to 1770 MPa is applied to prevent rockfall, rolling stone has long been good results in many European countries, America or Japan, China National, Taiwan, South Korea, Australia, India but not used in Vietnam.Based on theoretical analysis, preliminary numerical simulation for 03 section of rock slope with different characteristics of rock, the research results show many positive prospects of applying this rockfall protection barriers to prevent rock falling, rolling on the mountain roads
of our country in the near future
Keywords: Flexible facing systems, rockfall protection, slope, rockfall
1 ĐÁ RƠI, ĐÁ LĂN TRÊN CÁC TUYẾN
Hiện tượng các tảng hay cục đá kích thước
khác nhau, tách rời khỏi sườn và rơi hay lăn
xuống chân dốc đột ngột thường gọi đá rơi, đá
lở Xảy ra rất phổ biến trên các sườn dốc cấu tạo
từ các đá cứng nứt nẻ mạnh, thuộc phần ta luy
dương các tuyến giao thông vùng núi nước ta
Các sườn dốc đá cứng thuộc ta luy dương
nền đường đào vùng núi thường dốc đứng (góc
đến 70-90m), được cấu tạo từ các loại đá thành
phần, tính chất, mức độ phong hóa và nứt nẻ
khác nhau Nhiều tuyến đường quan trọng như
DĐ: 098 5376810
Email: ndmanhgeot@gmail.com
đường Hồ Chí Minh, các quốc lộ 3, 3B, 4A, 4B, 4D, 6, 12, 14, 15, 34, 70, 217, 279, các tuyến Tỉnh lộ ở vùng núi hay đường sắt Bắc Nam
và Hà Nội – Lào Cai, hàng năm thường xuyên xuất hiện đá lở, đá rơi, ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn khai thác công trình, kinh tế cũng như con người Chẳng hạn, các ngày 3/6 và 3/8 năm 2018 vừa qua, liên tiếp hai vụ đá rơi trên QL12 (Lai Châu – Điện Biên Phủ) làm phá hủy
2 ô tô, 1 người chết và bị thương 5 người [12,13] Hay 29/7/2018 trên QL3B tại Na Rì tỉnh Bắc Kạn, đá lở gây hư hỏng nghiệm trọng 1
xe ô tô [15] Trước đó 22/5/2014, có vụ tai nạn nghiên trọng do đá rơi, đá lở từ taluy dương trên đường lên núi Cấm ở An Giang gây phá hủy 1 ô
tô và làm chết 6 người [14] Thiệt hại và nguy hiểm thường trực là vậy, nhưng cho tới nay
“giải pháp” “sống chung với trượt lở đất đá”
Trang 2vẫn đang được lựa chọn chủ yếu với ta luy
dương trên các tuyến đường giao thông hay
các sường dốc đá gần khu dân cư ở vùng núi
ở nước ta Cùng với sự phát triển kinh tế của
đất nước, thời gian tới việc quan tâm hơn
trong việc phòng chống mất ổn định sườn dốc
đá nói chung sẽ được quan tâm và coi trọng
đúng mức hơn Và khi đó, việc áp dụng các giải pháp kỹ thuật mới, trong đó có sử dụng
hệ kết cấu “ mềm” kết hợp neo giữ bằng đinh
đá với lưới thép cường độ cao chống ăn mòn (hệ lưới - neo) để ngăn giữ đá lở, đá rơi trên các sườn dốc đá nói chung có nhiều triển vọng áp dụng
Hình 1 Đá rơi trên QL12 tại Điện Biên ngày
3/6/2018 (Nguồn Internet, [13])
Hình 2 Đá lở trên QL3B tại Bắc Kạn ngày 29/7/2018 (Nguồn Internet, [14])
2 ĐẶC ĐIỂM, CƠ CHẾ VÀ LOẠI HÌNH
MẤT ỔN ĐỊNH SƯỜN DỐC ĐÁ PHỔ BIẾN
Trong bản thân khối hay tảng đá trên sườn
dốc luôn tồn tại lực liên kết giữa các phân tử,
lực dính bám, liên kết giữa các khối và các
tầng đất đá, lực ma sát… các lực đó được gọi
chung là lực giữ Chúng giữ cho đất đá tạo
thành một thể thống nhất và chịu được các tác
nhân khác như trọng lực, lực đẩy ngang, lực
cắt… [1,2] Sườn dốc sẽ ổn định khi tổng các
tác nhân đó nhỏ hơn tổng các lực giữ, còn khi
chúng vượt quá tổng các lực giữ thì các liên kết
trong đất đá bị phá vỡ, sườn dốc sẽ bị mất cân
bằng về lực và gây nên các hiện tượng mất ổn
định như trượt, sụt lở sườn dốc, đá đổ…
[1,2,3,10,11] Mất ổn định sườn dốc đá có nét
đặc thù riêng, có thể là quá trình phát triển lâu
dài, hoặc xảy ra đột ngột và có mức độ nguy
hiểm cao Khi sườn dốc đã đạt đến trạng thái
giới hạn (chênh cao địa hình), kết hợp thêm tác
nhân tức thời như mưa lớn, nước ngầm, tải
trọng lớn tác dụng… [1,2,10,11] thì sẽ gây mất
ổn định ở dạng trượt, lở, đá đổ đá lăn Tùy theo đặc điểm cấu trúc đá (tính phân lớp, đặc điểm nứt nẻ và phong hóa), sườn dốc đá có thể trượt theo mặt phẳng, dạng nêm, cong hay đá đổ sập [1,10,11]
Theo D.J Varnes (1978), [11], phân loại theo hình thái dịch chuyển khối đất đá, tương ứng có sáu hình thái dịch chuyển trên sườn dốc như: (1) Kiểu rơi (fall); (2) kiểu lật đổ (topple); (3) kiểu trượt (sliding); (4) kiểu lôi kéo lan rộng – trượt trôi (spreading); (5) kiểu chảy – dòng (flow); (6) kiểu hỗn hợp (complex) Theo phân loại này, với 6 kiểu dịch chuyển trên xét tương ứng cho 3 loại vật liệu trên sườn dốc là
đá, vụn đất đá và đất, có 29 dạng dịch chuyển sườn dốc cụ thể được xác định Và hiện nay, trên nền tảng phân loại của Varnes (1978), Hội trượt đất quốc tế (ICL) phân chia thành 34 dạng mất ổn định sườn dốc cụ thể Với loại vật liệu đá, các dạng dịch chuyển phổ biến như đá rơi, đá đổ, đá trượt, đá lăn và dạng hỗn hợp trượt đá với lở đá [10]
Trang 33 HỆ THỐNG RÀO CHẮN LINH HOẠT
NGĂN GIỮ ĐÁ RƠI, ĐÁ LĂN
Lưới thép cường độ cao chống ăn mòn được
sử dụng làm hệ thống hàng rào ngăn giữ hay
chặn các khối, tảng đá lăn, đá rơi rơi trên địa
hình dốc xuống công trình cần bảo vệ Hệ thống
có thể ngăn chặn tác động của các tảng đá với
động năng tối đa theo điều kiện thiết kế cụ thể
Hệ thống bao gồm các cấu trúc cố định chặt (cột
thép, đế móng, neo ghim giữ), các cấu trúc hỗ
trợ và cấu trúc linh hoạt tự điều chỉnh (bánh xe
chạy - puli, cóc hãm chữ U, hệ thống dây cáp
phụ trợ, phanh hấp thụ lực) nhằm tiêu năng khi
đá rơi vào lưới và các cấu trúc kết nối, nên được
gọi hệ thống kết cấu linh hoạt Hệ thống này
được gọi “linh hoạt” vì chúng làm việc theo
nguyên tắc hấp thụ năng lượng tảng lăn thông
qua sự phân tán năng lượng nhờ sự dịch chuyển
hệ thống dây cáp và lưới qua hệ puli, cóc hãm, phanh hấp thụ lực khi tảng đá rơi hay lăn xuống lưới thép của hàng rào [6,8,9] (hình 3)
Lưới thép trong hệ thống được tạo nên từ các sợi thép hay cáp dạng xoắn cường độ chịu kéo cao từ 1770 MPa đến 2550MPa, chịu được tác động từ các yếu tố môi trường thông thường và chống ăn mòn bằng lớp mạ đặc biệt [4,5] Phần lưới này là bộ phận chịu và nhận tác dụng trực tiếp của ngoại lực – đón nhận tảng khai khối đá rơi, nó có tính chất đàn hồi hoặc dẻo, truyền tải trọng lên các bộ phận liên kết, kết cấu hỗ trợ và nền đất đá Với tính năng này, hệ thống rào chắn lưới thép cường độ cao được sử dụng cho năng lượng tác động từ 100 kJ lên đến 10000 kJ [6,8,9]
Cột thép
Neo cáp
Neo móng cột
Móng bê
tông
Bản đế
Cáp hãm
Puli
Hình 3 Sơ đồ hệ thống rào chắn linh hoạt
ngăn giữ đá rơi, đá lăn [8]
Hình 4 Hệ thống rào chắn linh hoạt ngăn giữ
đá rơi, đá lăn (Nguồn Geobrugg)
Hệ thống rào chắn linh hoạt ngăn giữ đá lở,
đá lăn gồm: cột thép gắn trên hệ đế móng và
đóng vai trò định hình hàng rào và truyền tải
trọng, đỉnh cột được thiết kế các lỗ tròn để
liên kết với các chi tiết dây cáp, bánh xe chạy
(puli) ; hệ đế móng được thiết kế đặt vào các
loại nền đất đá ổn định, gồm đinh neo, bản lề
thép, các bu lông và được bảo vệ bằng bệ bê
tông hay bê tông cốt thép; bánh xe chạy (puli)
có chức năng như ròng rọc cho dây cáp thép
trên đỉnh và chân cột thép trượt trong trường hợp có tác động tránh bị căng đứt, để tiêu giảm năng lượng khi đá rơi xuống lưới thép; cóc hãm chữ U được gắn theo chiều ngang ở hai đầu của dây cáp thép có chứng năng hãm dịch chuyển khi cần thiết; bộ phận neo cáp biên được thiết kế với đầu neo linh hoạt tới 30° so với mặt đất để có thể chịu tải tối đa, làm cho cóc hãm chữ U, lực truyền xuống neo được giảm đi nhiều, tránh phá hủy hệ thống
Trang 4hàng ràng; phần hệ thống dây cáp phụ trợ trên,
dưới, giữa, bên, biên hay dây cáp dọc cột thép
của hệ thống, đóng vai trò truyền tải các lực
đầu cột vào bộ phận neo dây cáp thép; và cuối
cùng là bộ phận phanh hấp thụ lực (U Break),
được lắp đặt kết hợp cùng dây cáp trợ lực tại
các vị trí xung yếu nhằm phân tán năng lượng
khi hệ thống vượt quá sức chịu tải của vật
nặng tác động trực tiếp vào hệ thống lưới thép
[6,7,8,9]
4 TÍNH TOÁN KHI THIẾT KẾ HỆ
THỐNG HÀNG RÀO CHẮN LINH HOẠT
BẰNG LƯỚI THÉP CƯỜNG ĐỘ CAO
CHỐNG ĂN MÒN NGĂN GIỮ ĐÁ RƠI,
ĐÁ LĂN
Thông số cần thiết sử dụng khi phân tích
phục vụ thiết kế hệ thống rào chắn linh hoạt
bằng lưới thép cường độ cao chống ăn mòn
cần có gồm chiều cao, độ dốc, chiều dài và
chiều rộng bờ dốc; đặc điểm địa chất trong
đó cần có thông tin dự báo tảng đá lớn nhất
có khả năng mất ổn định; và vị trí dự kiến
lắp đặt
Ổn định của hàng rào ngăn đá lăn phụ
thuộc vào sự bố trí các cột và cáp neo giữ theo
động năng định danh, được tính toán theo
từng mô hình đá lăn cụ thể Để xác định chiều
cao tối ưu của hàng rào có thể thực hiện theo
mô hình đá lăn và sử dụng phần mềm mô
phỏng, xác định được chiều cao nảy lên của
tảng đá cũng như quỹ đạo lăn (văng) của nó
Còn với kích thước định danh hàng rào ngăn
đá lăn, đá rơi xác định phụ thuộc vào năng
lượng tảng lăn lớn nhất xác định theo công
thức (1) Vị trí bố trí hàng rào theo kết quả
tính toán thế năng của tảng lăn định danh Wt
nhỏ nhất xác định theo (3), vị trí mặt bằng
thuận tiện thi công, không ảnh hưởng đến các
công trình lân cận, cũng như nơi cần bảo vệ
[6,8,9]
Động năng của tảng lăn chuyển động tịnh tiến xác định theo công thức sau:
trong đó: m - khối lượng của tảng lăn định danh;
V - vận tốc tảng lăn định danh
Khi xét đến động năng tảng đá rơi có chuyển động quay khi lăn, động năng của tảng xác định théo (2):
chiều rơi;
khi lăn; và ω, là vận tốc góc của tảng khi lăn Thế năng của tảng lăn định danh nhỏ nhất khi tính đến chiều cao nảy lên của tảng đá khi rơi hay lăn xác định bằng công thức sau:
trong đó: m - khối lượng của tảng lăn định danh;
H - chiều cao nảy của tảng lăn định danh;
g - Gia tốc rơi tự do
Thay thế việc xác định bằng giải tích, để xác định các thông số cơ bản phục vụ thiết kế
hệ thống rào chắn bằng lưới thép, có thể sử dụng các phần mềm chuyên dụng Để có cơ sở đánh giá bước đầu ứng dụng này, chúng tôi sử dụng số liệu tại 03 vị trí bờ dốc ta luy dương trên đường đi Bắc Kạn cấu tạo đá vôi nứt nẻ mạnh, các yếu tố về bề rộng, hình thái, chiều cao, góc dốc khác nhau Sử dụng bán kính (D)
và khối lượng (m) của tảng đá định danh nguy
cơ bị rơi tương đồng, góc dốc của bờ dốc () gần giống nhau, ứng dụng phần mềm mã nguồn mở Ruvolum mô phỏng bài toán đá rơi (Rockfall) để phân tích, cho phép xác định được chiều cao nảy của tảng đá, năng lượng
va chạm tới hàng rào, quĩ đạo đường đi của tảng, và định danh chiều cao tối thiểu hàng rào cần thiết kế (bảng 1 và hình 5a,5b,5c)
Trang 5Bảng 1 Kết quả phân tích độ nảy, năng lượng va chạm và xác định chiều cao cột cũng như lưới thép trong hệ thống rào chắn linh hoạt bằng phần mềm Ruvolum/Rockfall 6.1
Lý trình
Chiều cao
bờ dốc, H (m)
Các thông số chung
Năng lượng
va chạm lưới thép (kJ)
Chiều cao
đá nảy lớn nhất (m)
Chiều cao hàng rào tối thiểu (m)
Ghi chú
hẹp
rộng
D= 0,75m m= 4948 kg
hẹp
Hình 5 Kết quả phân tích quĩ đạo lăn, độ nảy của tảng đá rơi và năng lượng va chạm
hệ thống hàng rào lưới thép cường độ cao bằng phần mềm Ruvolum/Rockfall 6.1
Kết quả phân tích các thông số thiết kế rào
chắn linh hoạt bằng lưới thép cường độ cao
chống ăn mòn ngăn giữ đá rơi, đá lăn tiến hành
trên phần mềm mở Ruvolum khá dễ dàngvà
thuận tiện Việc chưa có công trình thực tế nào
kiểm chứng tại nước ta, nhưng đã được kiểm
chứng tại rất nhiều nước trên thế giới [6,8,9],
nên công cụ này cũng là giải pháp hỗ trợ tốt trong thiết kế thời gian tới tại nước ta
Ngoài hiệu quả ngăn giữ đá rơi, đá lăn rất tốt trên bờ dốc khi sử dụng hệ thống kết cấu linh hoạt hàng rào bằng lưới thép cường độ cao chống ăn mòn ở nhiều nước châu Âu như Thụy
Sỹ, Áo, Bồ Đào Nha, hay châu Mỹ, Hàn Quốc,
Trang 6Nhật Bản, Hồng Kông, Ấn Độ, Trung Quốc …
còn cho thấy nhiều ưu điểm nổi bật như: giữ
nguyên hiện trạng bờ dốc khi thi công; vừa thi
công vừa khai thác các tuyến đường; không ảnh
hưởng nhiều tới thầm thực vật đã có, thân thiện
với môi trường; thiết bị gọn nhẹ, ít vật liệu; thi
công được trên địa hình cao và dốc đứng; thi
công nhanh và đảm bảo ổn định lâu dài [8,9]…
là thế mạnh của công nghệ mới này
5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Hầu hết bờ dốc đá trên các tuyến giao thông
vùng núi nước ta chưa được bảo vệ đúng mức
nên thường xuyên xảy ra hiện tượng đá lở, đá
rơi và đá lăn
Hệ thống hàng rào chắn linh hoạt bằng lưới
thép cường độ cao chống ăn mòn để ngăn giữ đá
rơi, đá lăn trên các tuyến giao thông vùng núi
nhằm giảm thiểu rủi ro về người và tài sản, là
giải pháp có độ tin cậy, phù hợp và cần được
nghiên cứu cũng như áp dụng ở Việt Nam
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Nguyễn Sỹ Ngọc (2014) Cơ học đá NXB
Giao thông Vận tải Hà Nội
2 Nghiêm Hữu Hạnh (2005), Cơ học đá
NXB Xây dựng Hà Nội
3 Nguyen Duc Manh (2016) Features,
generation mechanism and urgent treatment
solution to the large landslide at Chi Luong
resettlement area, Muong Lay Town, Dien Bien
Province The 3rd Internatioal Conference
VIETGEO 2016, ISBN: 978-604-62-6726-3,
pp 244-251
4 EOTA EAD 230025-00-0106 (2016) European Assessment Document (No EAD 230025-00-0106 - 6/2016)
5 EOTA ETA 17/0711 - 17/0720 (2016) European Technical Approval (No ETA 17/0711 - ETA 17/0720)
6 EOTA (2010) European Technical
Approval, Rockfall protection barrier GBE (No
ETA – 09/0262)
7 EUROCODE 7 Geotechnical design, Part 1: General rules 2004
8 Geobrugg (2014) Maintenance manual GBE/RXE-series 100kJ – 8000kJ Switzerland
9 Geobrugg (2008) GBE rockfall protection barriers: The most economic barrier from high-tensile steel wire Switzerland
10 Hungr, O, Leroueil, S and Picarelli, L (2014) The Varnes classification of landslide types, an update, Landslides, Volume 11, Issue
2, pp 167–194
11 Varnes, DJ (1978) Slope movement
types and processes In Special report 176:
Landslides: Analysis and Control, Transportation
Research Board, Washington, D.C
12 https://news.zing.vn/da-roi-de-bep-xe-khach-16-cho-post865876.html
13 https://www.nguoiduatin.vn/da-lan-de- nat-o-to-4-cho-1-nguoi-tu-vong-o-lai-chau-a372625.html
14 https://phunutoday.vn/anh-nong-da-lo-de-bep-oto-6-nguoi-chet-d13304.html
15 http://www.baobackan.org.vn/channel/2 262/201807/lo-da-gay-tac-duong-tai-dia-phan-deo-ang-toong-5593102/
Người phản biện: PGS, TS ĐOÀN THẾ TƯỜNG