Hệ thống rào chắn linh hoạt giảm thiểu rủi ro đá rơi, đá lăn trên các tuyến đường giao thông vùng núi Việt Nam

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 70 HỆ 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 GIAO THÔNG VÙNG NỨI * 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 dốc 60o÷90o), chiều cao lớn (thường từ 30-50m 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 * Khoa Công trình, Trường ĐH GTVT 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” ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 71 vẫn 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]. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 72 3. 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 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 73 hàng 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: Wđ = (m.V 2)/2 (1) 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): W = Wđ + Wω (2) trong đó: Wđ – động năng tịnh tiến theo chiều rơi; Wω - Động năng quay của tảng khi lăn, Wω = (I x ω2)/2. Với I, là mô men quán tính tảng 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: Wt = m.g.H (3) 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). ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 74 Bảng 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 Km96+400 55 493 1,78m 3,0 01 mặt cơ hẹp Km96+500 40 525 2,70m 3,0 01 mặt cơ rộng Km105+050 48 D= 0,75m m= 4948 kg =60o-70o 752 1,62m 3,0 02 mặt cơ hẹp a) Km96+400 b) Km96+500 c) Km105+050 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, ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 75 Nhật 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. 262/201807/lo-da-gay-tac-duong-tai-dia-phan- deo-ang-toong-5593102/ Người phản biện: PGS, TS. ĐOÀN THẾ TƯỜNG