Mô phỏng đá rơi đá lăn bằng phương pháp phần tử rời rạc

Đá rơi, đá lăn (rockfall) là hiện tượng một khối đá tách rời khỏi vách dốc đứng hoặc gần dốc đứng do trượt, lật hoặc đổ, dịch chuyển xuống sườn dốc bằng hình thức rơi tự do, bật nảy theo quỹ đạo hoặc lăn trên sườn dốc. Bài viết Mô phỏng đá rơi đá lăn bằng phương pháp phần tử rời rạc trình bày việc sử dụng DEM để mô phỏng một trường hợp đá rơi cụ thể.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 MÔ PHỎNG ĐÁ RƠI ĐÁ LĂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC Nguyễn Quang Tuấn Trường Đại học Thủy lợi, email: nqtuan@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Đá rơi, đá lăn (rockfall) tượng khối đá tách rời khỏi vách dốc đứng gần dốc đứng trượt, lật đổ, dịch chuyển xuống sườn dốc hình thức rơi tự do, bật nảy theo quỹ đạo lăn sườn dốc[1] Cùng dạng trượt lở đất khác, đá rơi tượng thường xuyên xảy vùng miền núi, đặc biệt vào mùa mưa Hiện tượng xảy thực cơng trình đào đường giao thơng, bờ mỏ khai thác lộ liên Vận tốc dịch chuyển lớn lượng mà khối đá mang tới thường gây thiệt hại cho kết cấu cơng trình, phương tiện đặc biệt gây thương vong với người Khi nghiên cứu tượng cần xác định phạm vi dịch chuyển đá rơi, đồng thời cần xác định tác động đá rơi lăn tới kết cấu cơng trình, đặc biệt tác động lên kết cấu chắn đỡ đường đá dịch chuyển Để dự báo đặc điểm trên, có nhiều phương pháp mơ tính tốn khác Có nhiều phương pháp mơ phỏng, tính tốn đá rơi đá lăn, tổng hợp đánh giá Volkwein cộng (2011) [2] sau khái quát lại đầy đủ Leine cộng (2014) [3] Có thể chia thành nhóm sau: - Mơ mơ hình tốn học, có mơ hình phổ biến mơ hình khối gộp (lumped mass model) mơ hình vật thể cứng (rigid body model) - Mơ mơ hình số, sử dụng phương pháp phần tử rời rạc ("Discrete Element Method", viết tắt DEM) [4] Bài báo trình bày việc sử dụng DEM để mô trường hợp đá rơi cụ thể MÔ PHỎNG ĐÁ RƠI, ĐÁ LĂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC Theo phát triển phương pháp phần tử rời rạc (DEM), số nghiên cứu áp dụng DEM mô đá rơi với mục đích xác định vùng ảnh hưởng tác động tượng đá rơi, đá lăn [5-7] Trong nghiên cứu này, mơ hình tốn đá rơi, đá lăn mô phần mềm PFC2D Các phần tử hình trịn liên kết với điểm tiếp xúc để biểu diễn vật liệu liên tục đá bê tông Gắn kết song song (parrallel bond) sử dụng để mô liên kết hạt phần tử Sự phá hủy đá mơ liên kết bond bị phá vỡ Các phần tử wall dùng để mơ tả bề mặt địa hình Cũng nghiên cứu này, khối đá bị trượt mô tả khối đá nứt nẻ Các khe nứt mô dựa đặc điểm nứt nẻ mô tả trường sử dụng mô đun DFN (Discrete Fracture Network) để tạo khe nứt phẳng (flat joints) Mơ hình Smooth Joint gán cho khe nứt Sự có mặt khe nứt phân bố rời rạc làm khối đá trượt bị phân chia thành mảnh tách rời ĐẶC ĐIỂM VỊ TRÍ NGHIÊN CỨU Vị trí nghiên cứu đoạn đường cao tốc Hạ Long - Vân Đồn từ km18+980 đến km19+120, thuộc địa phận huyện Hoành Bồ, tỉnh Quảng Ninh Điểm xảy trượt lở sườn núi đá vơi có độ dốc lớn, phần phía chân sườn dốc bị đào cắt trình làm đường cao tốc (Hình 1) 169 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 Về điều kiện địa chất cơng trình: theo đồ địa chất, điểm nghiên cứu đá vôi thuộc Hệ tầng Cát Bà (C1cb) Đá vơi có màu xám bị phong hóa vừa, đơi chỗ bị phong hóa mạnh màu nâu vàng, có chỗ lẫn đất Đặc biệt, vị trí nằm đới phá hủy kiến tạo đứt gãy theo phương Đông - Tây, làm cho đá bị nứt nẻ mạnh, bị chia cắt nhiều khe nứt có kích thước khác nhau, đá bị phân khối mạnh đến mạnh, nhiều tảng đá vị trí thiếu ổn định, dễ tách rời khỏi mái dốc, có nguy cao rơi xuống đường (Hình 2) phần tử wall Khối đá trượt lở mô tập hợp hạt trịn có liên kết song song (parrallel bond) Đặc điểm nứt nẻ đá mơ DFN Hình với số khe nứt 1m chiều dài P10 = 1, góc dốc khe nứt phân bố ngẫu nhiên từ 0o đến 90o, độ dài khe nứt từ đến 20m phân bố theo quy luật hàm mũ, mô hình "smooth joint" gán cho khe nứt Dải phân cách đường mô tương tự với đá (Hình 3) Tương tác đá bề mặt địa hình (mái dốc mặt đường) mơ thơng qua mơ hình tuyến tính tiếp xúc hạt với wall kết hợp với mô hình cản nhớt đặc trưng hệ số cản theo phương pháp tuyến tiếp tuyến Khối đá nứt nẻ bị trượt lở Hình Vị trí đặc điểm địa hình nơi xảy trượt lở mái dốc gây đá rơi, đá lăn Tháng năm 2018, xảy trượt lở mái dốc, dẫn đến đá rơi lăn xuống đường Theo quan sát thực tế sau trượt lở, nhiều khối đá mảnh đá với hình dạng kích thước khác rơi lăn xuống lòng đường Phần lớn vật liệu đá rơi xuống nằm đường sát chân sườn dốc Đặc biệt, có tảng đá rơi va chạm làm vỡ dải phân cách bê tông lịng đường (Hình 2) Bề mặt sườn dốc Dải phân cách Đường Hình Mơ hình PFC2D ban đầu Thơng số mơ hình chọn dựa kết mơ hiệu chỉnh mơ hình trình bày Bảng Trong nghiên cứu này, đá vơi bê tơng giả thiết có độ cứng cường độ Bảng Các thông số mô hình PFC2D Thơng số Bán kính phần tử trịn (m) Khối lượng riêng  (kg/m3) Hệ số ma sát  Độ cứng hạt kn = ks (N/m) Hình Đặc điểm khối đá mái dốc nơi xảy trượt lở (trái) dải phân cách bê tông bị hư hại tác động đá rơi (phải) MƠ HÌNH PHẦN TỬ RỜI RẠC VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Mơ hình tốn xây dựng Hình Bề mặt sườn dốc mơ Độ cứng gắn kết kn (N/m) Giá trị 0,02 -0,05 2650 0,2 1108 1107 Độ cứng gắn kết ks (N/m) 1107 Độ bền kéo gắn kết c (N/m2) 2105 Lực dính đơn vị gắn kết c (N/m2) 5104 0,75 Hệ số cản nhớt pháp tuyến n 0,70 Hệ số cản nhớt tiếp tuyến s 170 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 Kết mơ q trình dịch chuyển vật liệu đá xuống chân dốc tập hợp vật liệu mảnh vụn đá kết thúc dịch chuyển Hình Va chạm mảnh đá dải phân cách làm dải phân cách bị phá hủy, phản ánh sát với thực tế hư hại dải phân cách Hình Trong khn khổ báo, nội dung kết bước đầu việc sử dụng DEM mơ tốn đá rơi Bài báo chưa trình bày chi tiết mơ hình sử dụng, chưa thể chi tiết định lượng tốc độ dịch chuyển, lực va chạm, lượng va chạm Đồng thời, việc kiểm định mơ hình thơng qua số lượng mặt cắt cịn hạn chế, cần có nghiên cứu thêm Tuy nhiên, kết mô cho thấy triển vọng việc sử dụng DEM cho toán đá rơi, đặc biệt việc xác định cự ly dịch chuyển, ảnh hưởng va chạm TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Quá trình dịch chuyển đá sườn dốc (trên) kết cuối (dưới) Qua xem xét trình thấy tách rời mảnh đá xảy đồng thời với chuyển động khối đá sườn dốc Phần lớn khối đá trượt bị phá vỡ trình di chuyển Các dạng chuyển động trượt, rơi xoay lăn mảnh đá xảy đồng thời Các mảnh đá có va chạm ảnh hưởng lẫn nhau, tiếp tục vỡ nhỏ trình di chuyển Kết cuối mơ hình cho thấy phần lớn vật liệu trượt lở tích tụ gần chân sườn dốc Một số mảnh đá kích thước nhỏ di chuyển xa khỏi chân sườn dốc Kết sát với quan sát thực tế quan sát trường sau xảy trượt lở [1] Varnes, D.J., Slope movement types and processes 1978 176: p 11-33 [2] Volkwein, A., et al., Rockfall characterisation and structural protection - a review Nat Hazards Earth Syst Sci., 2011 11(9): p 2617-2651 [3] Leine, R.I., et al., Simulation of rockfall trajectories with consideration of rock shape Multibody System Dynamics, 2014 32(2): p 241-271 [4] Cundall, P.A., A computer model for simulating progressive largescale movements in blocky rock systems, in Proceedings of the Symposium of the International Society of Rock Mechanics 1971: Nancy, France [5] Salciarini, D., C Tamagnini, and P Conversini, Numerical approaches for rockfall analysis: a comparison 2009 [6] Li, X., et al., Discrete element modeling of debris avalanche impact on retaining walls Journal of Mountain Science, 2010 7(3): p 276-281 [7] Thoeni, K., et al., A 3D discrete element modelling approach for rockfall analysis with drapery systems International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2014 68: p 107-119 KẾT LUẬN Mơ hình phần tử rời rạc PFC2D mô tốt tách rời, trình dịch chuyển vật liệu sườn dốc Sử dụng mơ hình tính tốn giới hạn phạm vi đá rơi, đá lăn Mơ hình mơ tốt va chạm, có khả mơ phá hủy vật liệu xảy va chạm 171 ... 68: p 107-119 KẾT LUẬN Mơ hình phần tử rời rạc PFC2D mô tốt tách rời, trình dịch chuyển vật liệu sườn dốc Sử dụng mơ hình tính tốn giới hạn phạm vi đá rơi, đá lăn Mơ hình mơ tốt va chạm, có khả... sau trượt lở, nhiều khối đá mảnh đá với hình dạng kích thước khác rơi lăn xuống lòng đường Phần lớn vật liệu đá rơi xuống nằm đường sát chân sườn dốc Đặc biệt, có tảng đá rơi va chạm làm vỡ dải... tách rời mảnh đá xảy đồng thời với chuyển động khối đá sườn dốc Phần lớn khối đá trượt bị phá vỡ trình di chuyển Các dạng chuyển động trượt, rơi xoay lăn mảnh đá xảy đồng thời Các mảnh đá có