Ứng dụng thiết bị máng mô phỏng trượt đất để nghiên cứu hiện tượng trượt nông tại thành phố Hạ Long, Quảng Ninh

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 15 ỨNG 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 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 16 trong 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 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 17 GTVT. 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. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 18 Hình 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 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 19 - 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. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 20 Hình 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 STT Chỉ tiêu 50,00 100,00 25,00 100,00 20,00 100,00 10,00 91,11 Sạn sỏi 5,00 81,22 2,00 72,23 1,00 66,63 0,50 58,72 0,25 44,02 Cát 0,1 31,94 0,06 25,20 Bụi 0,02 18,04 1 Th àn h ph ần h ạt Sét 0,002 P % 9,86 2 Độ ẩm tự nhiên w % 17,2 3 Khối lượng thể tích tự nhiên w g/cm3 1,41 4 Khối lượng thể tích khô d g/cm3 1,20 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 21 STT Chỉ tiêu 5 Khối lượng riêng s g/cm3 2,67 6 Hệ số rỗng e 1,219 7 Độ lỗ rỗng n % 54,9 8 Độ bão hoà Sr % 37,7 9 Giới hạn chảy LL % 28,2 10 Giới hạn dẻo PL % 20,5 11 Chỉ số dẻo PI % 7,7 12 Hệ số thấm k cm/s 3,03x10-3  Độ 17°29' Tự nhiên c kPa 9,50  Độ 12°07' 13 Thí nghiệm cắt trực tiếp Bão hòa c kPa 4,75 TCVN 5747:1993 SC 14 Phân loại đất 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. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 22 Hình 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. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 23 Đối 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. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 24 Hình 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 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 25 4. KẾT LUẬN Với kết quả bước đầu thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng trượt nông tại thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh bằng thí nghiệm máng trượt đất ở phòng thí nghiệm của Viện Khoa học và Công nghệ GTVT cho thấy: - Mô hình máng trượt có thể mô phỏng được hiện tượng trượt nông do mưa gây ra. - Đối với đất mẫu đất tại thành phố Hạ Long, áp lực nước lỗ rỗng biến đổi theo 5 giai đoạn, trong đó có giai đoạn áp lực nước tăng rất nhanh từ khoảng -190 kPa đến khoảng 0 kPa đây là giai đoạn đất chuyển từ trạng thái không bão hòa sang đất bão hòa. - Tốc độ dịch chuyển của khối trượt thay đổi từ 0 – 3,6 cm/s tương ứng với tốc độ của một vụ trượt lở đất nhanh ở ngoài thực tế. - Đối với đất sét pha không bão hòa, hiện tượng trượt đất xảy ra khi áp lực nước lỗ rỗng gần như bằng không. - Tại giai đoạn trượt đất xảy ra, áp lực nước tại một số đầu đo tăng nhanh, chứng tỏ trong quá trình dịch chuyển, các hạt đất bị nghiền nhỏ ở mặt trượt gây ra hiện tượng hóa lỏng cục bộ tại mặt trượt. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Báo cáo tóm tắt tình hình thời tiết, thiên tai và thiệt hại tuần từ ngày 27/7 đến ngày 02/8/2015 do Trung tâm phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai thực hiện. 2 Do Ngoc Ha, Huynh Dang Vinh, Huynh Thanh Binh (2014), Landslides on the road in Vietnam – Monitoring and solutions for landslide risk reduction, 2014 Vietnam – Japan SATREPS report meeting. 3 Hirotaka Ochiai, Do Ngoc Ha, Huynh Dang Vinh (2016), Activities Report of WG4, 2016 Vietnam – Japan SATREPS report meeting. 4 Hirotaka Ochiai, Yasuhiko Okada, Gen Furuya, Yoichi Okura, Takuro Matsui, Toshiaki Sammori, Tomomi Terajima, Kyoji Sass (2004), A fluidized landslide on a natural slope by artificial rainfal, Landslides (2004) 1:211 219, DOI 10.1007/s10346-004-0030-4 5 Kyoji Sassa (2016) Instruction for World Reports on Landslides, International Consortium on Landslide 6 Yoichi Okura, Hikaru Kitahara, Hirotaka Ochiai, Toshiaki Sammori, Akiko Kawanami (2002), Landslide fluidization process by flume experiments, Engineering Geology 66: 65-78. Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN SỸ NGỌC