Nghiên cứu và xây dựng hệ thống cảnh báo trượt Đất sử dụng mạng cảm biến không dây

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÚP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ VỀ NHÂN LỰC VÀ KIỂM XOÁT

ĐẠI HỌC HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2023

ĐẠI HỌC HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1 PGS.TS Trần Đức Tân2 GS.TS Bùi Tiến Diệu

Hà Nội – 2023

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực Những kết quả từ các công trình của các tác giả khác mà tôi tham khảo và sử dụng trong luận án đều được trích dẫn rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo của luận án

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2023

Tác giả

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện tại trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS TS Trần Đức Tân và GS TS Bùi Tiến Diệu Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy vì sự tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án này Sự định hướng, động viên, giúp đỡ và truyền nhiệt huyết của hai thầy đã mang lại cho em động lực, kiến thức và kỹ năng quý báu, giúp em vượt qua khó khăn để hoàn thành được luận án

Xin cảm ơn các thầy cô và các bạn tại bộ môn Vi cơ điện tử và Vi cơ hệ thống, khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, vị trí làm việc và trang thiết bị để thực hiện nghiên cứu

Luận án này sẽ không thể hoàn thiện nếu thiếu sự giúp đỡ về kiến thức, kinh nghiệm, dữ liệu, kết quả thí nghiệm của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Mỏ - Địa chất, Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải, viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn vì sự giúp đỡ đó

Xin trân trọng cảm ơn tới các nhà khoa học trong Hội đồng chấm luận án cấp cơ sở, hai phản biện độc lập đã dành thời gian quý báu để đọc và đưa ra những nhận xét sâu sắc cho luận án của tôi Những nhận xét này đã giúp luận án được trình bày logic và chặt chẽ hơn, góp phần nâng cao chất lượng luận án

Xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu và anh chị em đồng nghiệp tại khoa Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi tập trung nghiên cứu và thực hiện luận án

Điện-Con xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ vì sự hy sinh lớn lao, sự ủng hộ, dõi theo con trong mọi bước trưởng thành Cảm ơn các anh chị em và bạn bè đã ủng hộ và động viên giúp đỡ tôi Cảm ơn đến vợ tôi vì sự kiên trì, ủng hộ, hy sinh thầm lặng Cảm ơn hai con Minh Nhân và Minh Triết luôn mang cho bố niềm vui, hạnh phúc

Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2023

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ILỜI CẢM ƠN IIMỤC LỤC IIIDANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VDANH MỤC THUẬT NGỮ VIIDANH MỤC HÌNH VẼ VIIIDANH MỤC BẢNG BIỂU X

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 CẢNH BÁO SỚM TRƯỢT ĐẤT DO MƯA 10

1.1 Cơ chế trượt đất do mưa 10

1.2 Phân loại các hệ thống cảnh báo trượt đất sớm 13

1.3 Tổng quan hệ thống giám sát và ảnh báo trượt đất do mưa 14

1.3.1 Các phương pháp quan trắc 14

1.3.2 Giám sát yếu tố kích hoạt trượt đất do mưa 15

1.3.3 Mạng cảm biến không dây ứng dụng trong hệ EWMRIL 19

1.3.4 Phân tích và cảnh báo trượt đất 22

1.4 Thách thức xây dựng hệ thống giám sát cảnh báo trượt đất do mưa 26

1.4.1 Nghiên cứu tại Việt Nam 26

1.4.2 Nghiên cứu trên thế giới 27

2.1 Hệ thống giám sát trượt đất do mưa 37

2.1.1 Cảm biến 37

2.1.2 Nút cảm biến 40

2.1.3 Mạng WSN trong EWMRIL 44

2.1.4 Giao diện người dùng 47

2.1.5 Hoạt động của EWMRIL 47

2.2 Nhóm giải pháp tiết kiệm năng lượng 49

2.2.1 Chuyển đổi chế độ hoạt động linh hoạt 51

2.2.2 Áp dụng kỹ thuật lấy mẫu nén cải tiến 68

2.3 Kết luận chương 78

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT DO MƯA 79

3.1 Mở đầu 79

3.2 Hoạt động của hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt đất do mưa 79

3.2.1 Phân bố không gian của nút cảm biến 79

3.2.2 Trạm trung tâm và gateway 80

3.2.3 Mô hình số sườn dốc 81

3.2.4 Chuyên gia và người phụ trách 85

3.2.5 Nguyên tắc làm việc của hệ thống 85

3.3 Nghiên cứu điển hình cho hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt đất do mưa 90

3.3.1 Thu thập và xử lý dữ liệu 90

3.3.2 EWMRIL cho khối trượt Nấm Dẩn 94

3.3.3 So sánh giữa kết quả tính toán và thực nghiệm 98

3.4 Bình luận 102

3.5 Kết luận chương 104

KẾT LUẬN CHUNG 106

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

PHỤ LỤC 125

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu

13  Khối lượng riêng của vật liệu phủ bề mặt 14 g Gia tốc trọng trường

15 W Hàm lượng nước thể tích nước 16 𝑢𝑤 Áp lực nước lỗ rỗng

17 𝑢𝑎 Áp lực khí lỗ rỗng

18 𝛿 Tổng ứng suất bình thường 19 𝑇 Cường độ kháng cắt

Danh mục chữ viết tắt Chữ

viết tắt Giải thích tiếng Anh Giải thích tiếng Việt

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số

CS Compress Sensing Lấy mẫu nén

EWMRIL

Early Warning and Monitoring System for rainfall-induced landslide

Hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt lở đất do mưa

FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GUI Graphical User Interface Giao diện người dùng đồ họa GIS Geographic Information

LCG Linear Congruential Generator Phương pháp đồng dư tuyến tính LESS Limit Equilibrium Slope

Stability

Độ ổn định sườn dốc cân bằng giới hạn

LEWS Landslide Early Warning

MEMS

OTA Over the Air Programming Nạp chương trình không dây PAN Personal Area Network Mạng khu vực cá nhân PDR Packet Delivery Ratio Tỉ lệ phân phối gói PRNG Pseudo Random Number

PWP Pore Water Pressure Áp lực nước lỗ rỗng RSSI Received Signal Strength

SWCC Soil Water Characteristic Curve Đường cong đặc trưng đất- nước TPSN Timing-sync Protocol for

Sensor Network

Giao thức đồng bộ thời gian cho mạng cảm biến

TRNG True Random Number

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

DANH MỤC THUẬT NGỮ

Sink node Trạm trung tâm (bộ điều phối) (nút tập trung)

Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 0.1 Số lần lở đất được thống kê trong danh mục trượt lở đất toàn cầu từ năm

2007 đến năm 2016 (Nguồn: Whiteley và cộng sự [141]) 1

Hình 0.2 Sơ đồ logic luận án 9

Hình 1.1 Quá trình thấm do mưa 11

Hình 2.1 Tính toán dịch chuyển mặt dốc 38

Hình 2.2 Sơ đồ khối nút cảm biến 42

Hình 2.3 Sơ đồ khối chức năng của nút cảm biến 43

Hình 2.4 (a) Thành phần của nút cảm biến không dây; (b) Ảnh của nút cảm biến không dây 43

Hình 2.5 Cấu hình mạng: (a) cấu hình sao; (b) cấu hình cây 46

Hình 2.6 Sơ đồ đề xuất hệ thống giám sát và cảnh báo trượt đất do mưa 48

Hình 2.7 Nguyên tắc làm việc của hệ thống được đề xuất 52

Hình 2.8 Mô hình mô phỏng hệ thống WSN trong điều kiện ngoài trời 54

Hình 2.9 Chu trình làm việc của thiết bị đầu cuối 55

Hình 2.10 Kịch bản cho thí nghiệm ngoài trời; (a) cấu hình sao; (b) cấu hình cây 61Hình 2.11 Thay đổi chỉ số cường độ tín hiệu RSSI theo công suất phát 62

Hình 2.12 Phân tích hệ số an toàn FoS với các kịch bản mưa khác nhau [43] 65

Hình 2.13 Thời gian thực hiện 2 thuật toán tạo chuỗi giả ngẫu nhiên và ngẫu nhiên 73

Hình 2.14 Dữ liệu từ cảm biến gia tốc với a) r =0,25; b) r=0,5 74

Hình 2.15 Ảnh hưởng của tỉ số nén đến sai số tương đối 75

Hình 3.1 Các bước phân tích thấm sườn dốc 82

Hình 3.2 Các bước phân tích ổn định sườn dốc 83

Hình 3.3 Phân bố áp suất nước lỗ rỗng với cường độ mưa 12,6 mm/giờ 84

Hình 3.4 Mối quan hệ giữa cường độ mưa và hệ số an toàn 84

Hình 3.5 Nguyên tắc làm việc được đề xuất: (a) nút cảm biến không dây và (b) trạm trung tâm và gateway 86

Hình 3.6 Nguyên tắc làm việc của hệ thống đề xuất 88

Hình 3.7 Vị trí trượt đất Nấm Dẩn; (a) ảnh của vị trí cột cảm biến; (b) ảnh của cột cảm biến được sử dụng trong dự án này 91

Hình 3.8 (a) Mặt cắt ngang; (b) và (c) ảnh mặt dốc Nấm Dẩn 92

Hình 3.9 Phân bố nút cảm biến và trạm trung tâm hệ thống EWMRIL 93

Hình 3.10 Giám sát dữ liệu thông qua trang web (a); ứng dụng di động (b) và một ví

dụ về độ nghiêng ước tính bằng cách sử dụng dữ liệu gia tốc (c) 94

Hình 3.11 Ước tính mực nước ngầm cho sườn dốc Nấm Dẩn vào các thời điểm khác nhau 95

Hình 3.12 Kết quả phân tích thay đổi phân bố áp lực nước lỗ rỗng a) ngày thứ nhất; b) ngày thứ 5; c)Ngày thứ 8; d) ngày thứ 10 96

Hình 3.13 Sự thay đổi của FoS tương quan với ước tính thấm tại cùng thời điểm của sườn dốc trong 15 ngày với cường độ mưa 200 mm/ngày 97

Hình 3.14 (a) Cường độ mưa theo thời gian; (b) FoS trượt bề mặt quan trọng so với thời gian 97

Hình 3.15 Lượng mưa theo ngày 98

Hình 3.16 Đo áp lực nước lỗ rỗng 99

Hình 3.17 Kết quả mô phỏng và đo thực tế áp suất nước lỗ rỗng tại vị trí A 99

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng và đo thực tế áp suất nước lỗ rỗng tại vị trí B 100

Hình 3.19 Kết quả mô phỏng và đo thực tế áp suất nước lỗ rỗng tại vị trí C 100

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Các yếu tố phát sinh, phát triển trượt lở đất [7] 10

Bảng 2-1 Thông số cơ bản mạch xử lý trung tâm Waspmote PRO V1.2 41

Bảng 2-2 Kịch bản mô phỏng 54

Bảng 2-3 Công suất tiêu thụ của SN làm chức năng thiết bị đầu cuối 56

Bảng 2-4 Công suất, năng lượng tiêu thụ trong một chu trình của SN 57

Bảng 2-5 Công suất tiêu thụ của SN khi làm chức năng định tuyến 59

Bảng 2-6 Năng lượng tiêu thụ trong một chu trình của SN định tuyến 60

Bảng 2-7 Công suất tiêu thụ của Xbee-PRO tương ứng với mức công suất phát 62

Bảng 2-8 Thống kê tỉ lệ phân phối gói PDR 63

Bảng 2-9 Năng lượng tiết kiệm do lựa chọn ngưỡng với các kịch bản mưa 66

Bảng 3-1 Bảng tính chất cơ lý của mẫu đất trong nghiên cứu 93

MỞ ĐẦU 1 Bối cảnh nghiên cứu

Trượt lở đất xảy ra đột ngột, đất đá có tốc độ di chuyển nhanh đe dọa và gây tổn thất về nhân mạng, tài sản, cơ sở hạ tầng và bất an trong cộng đồng dân cư Theo thống kê từ tháng 1 năm 2004 đến tháng 12 năm 2016, thế giới có tổng số 55.997 người đã thiệt mạng trong 4.862 vụ trượt lở đất không xuất phát từ nguyên nhân động đất, trong đó Châu Á có tần suất và số lượng trượt lở đất vượt trội [46, 104] Thiệt hại kinh tế trực tiếp và gián tiếp hàng năm ước tính hàng tỷ đô la Mỹ ở nhiều quốc gia như Nhật Bản, Trung Quốc, Italia và Hoa Kỳ [39, 74, 129, 143] Hình 0.1 thể hiện kết quả thống kê các vụ trượt lở đất trong giai đoạn từ năm 2007-2016 [141]

Hình 0.1 Số lần lở đất được thống kê trong danh mục trượt lở đất toàn cầu từ năm 2007 đến năm 2016 (Nguồn: Whiteley và cộng sự [141])

Trượt lở đất có nguyên nhân do mưa chiếm số lượng lớn trên thế giới cũng như

tại Việt Nam [46, 87, 92, 113] Trượt lở đất do mưa là một trong những tai biến tự

nhiên nguy hiểm nghiêm trọng ở vùng núi, gây ra mối đe dọa đối với tài sản và tính mạng con người, đặc biệt đối với cơ sở hạ tầng [165, 176, 178, 186] Các sự kiện trượt lở đất có nguyên nhân do mưa gây thiệt hại lớn về người tại Việt Nam [87],

Trung Quốc [92], Sri Lanka [35] Tại Việt Nam, thông tin đại chúng gần đây liên tục đưa tin về thiệt hại trượt lở đất do mưa tại các tỉnh miền núi phía Bắc và miền Trung Một sự kiện điển hình xảy ra vào 1 giờ sáng ngày 18/10/2020 tại thôn Cợp, xã Hướng Phùng, huyện Hướng Hóa, Quảng Trị, một sườn dốc bất ngờ trượt lở vùi lấp nhiều người ở Đoàn kinh tế quốc phòng 337 Vụ việc làm 22 sĩ quan, chiến sĩ thiệt mạng Ngoài những ảnh hưởng vật chất có thể thống kê được, ảnh hưởng về mặt tinh thần đối với cộng đồng dân cư khu vực có nguy cơ trượt lở đất khó có thể đo đếm

Do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, tần suất mưa lớn [155, 209], gia tăng dân số nhanh chóng, phát triển đô thị không được kiểm soát, tần suất và xu hướng xảy ra trượt lở đất đã tăng lên và có tỷ lệ báo động ở nhiều quốc gia [49, 92] Những tác động nghiêm trọng và có xu hướng tăng dần của trượt lở đất diễn ra nhiều nơi trên thế giới thu hút sự quan tâm của chính phủ, cơ quan quản lý và nhà khoa học [15] Gariano và cộng sự [49] đã thống kê số lượng công trình nghiên cứu về trượt lở đất cho thấy sự quan tâm ngày càng tăng của giới nghiên cứu Vấn đề này cũng được quan tâm ở Việt Nam trong những năm gần đây, nơi trượt lở đất xảy ra thường xuyên ở các khu vực miền núi do tần suất mưa bão nhiệt đới cao [13, 87, 110, 125, 137]

Để giảm thiểu thiệt hại do trượt lở đất có các giải pháp công trình và phi công trình Giải pháp công trình liên quan đến ổn định sườn dốc như thoát nước, tăng mức độ che phủ, xây dựng kè đá, neo đất Giải pháp phi công trình bao gồm xây dựng bản đồ nguy cơ trượt lở, cảnh báo, quy hoạch, nâng cao nhận thức và khả năng ứng phó Theo thống kê, quy mô điểm trượt lở thường nhỏ nhưng số lượng điểm trượt lở lớn [98] Trong nhiều trường hợp, các giải pháp công trình không khả thi hoặc chi phí và quy mô quá lớn Giải pháp xây dựng hệ thống cảnh báo sớm có thể được áp dụng thay thế, cung cấp mức độ bảo vệ thích hợp, giảm thiểu thiệt hại, đồng thời có chi phí thấp và ít ảnh hưởng đến môi trường so với các giải pháp công trình [32, 127]

Trong luận án này, thuật ngữ "giám sát" được sử dụng để chỉ cách tiếp cận theo

dõi sự thay đổi dữ liệu thực địa thu được tại cùng một vị trí vào những thời điểm khác

nhau Dự báo trượt lở đất là khả năng ước tính trạng thái trượt lở sườn dốc trong tương lai bao gồm xác định vị trí, thời điểm, cường độ, phạm vi ảnh hưởng Cảnh

báo sớm là giải pháp phổ biến thông tin rủi ro, nguy hiểm có nguy cơ sắp xảy ra, giúp

cho đối tượng liên quan có thời gian phản ứng kịp thời, phòng tránh và giảm nhẹ hậu quả của tai biến trượt lở đất, ngăn chặn mất mát về tính mạng, giảm thiệt hại về kinh tế

Theo Chiến lược quốc tế của Liên hợp quốc về giảm nhẹ thiên tai

(UNISDR) [212] thì “hệ thống cảnh báo sớm là tập hợp các thiết bị, năng lực cần

thiết để tạo ra và phổ biến thông tin có ý nghĩa kịp thời cho cá nhân, tổ chức, cộng đồng bị đe dọa bởi mối nguy hiểm, có thời gian đủ dài và hành động thích hợp để giảm thiểu khả năng thiệt hại và mất mát” Xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt lở đất là một giải pháp có ý nghĩa khoa học và thực tiễn [32] Một hệ thống

giám sát và cảnh báo sớm nên bao gồm các hoạt động: 1) giám sát: thu thập dữ liệu, truyền thông và duy trì hoạt động ổn định của thiết bị; 2) phân tích và dự báo: sử dụng mô hình, thuật toán, thống kê đánh giá dữ liệu; 3) cảnh báo: phát ra những tín hiệu kịp thời, dễ hiểu về mối đe dọa trượt lở có nguy cơ xảy ra tới những bên liên quan

Trượt lở đất là hiện tượng phức tạp, xảy ra do sự tác động qua lại của nhiều yếu tố, do vậy, ảnh hưởng đến tính chính xác của mô hình dự báo [103] Trượt lở đất xảy ra ở đâu, khi nào, độ lớn bằng bao nhiêu vẫn là câu hỏi thách thức các nhà khoa học

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Luận án nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo trượt lở đất do

mưa EWMRIL (Early Warning and Monitoring System for rainfall-induced landslide)

Luận án đề xuất mô hình, quy trình hoạt động của hệ thống Bên cạnh chức năng giám sát, phân tích và cảnh báo, hệ thống có khả năng dự báo sớm trượt lở đất theo các kịch bản thời tiết Hệ thống được triển khai thử nghiệm trên một sườn dốc điển hình có nguy cơ trượt lở cao ở Hà Giang, Việt Nam

Mục tiêu cụ thể:

1) Ứng dụng mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network) với các cột cảm biến phân bố trên sườn dốc để thu thập dữ liệu thời gian thực tham số sườn dốc Nghiên cứu, đề xuất cải tiến nhóm giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nút

cảm biến và nâng cao độ ổn định của hệ thống phù hợp với điều kiện hoạt động cảnh báo trượt lở đất

2) Nghiên cứu, phát triển mô hình, giải thuật, nguyên tắc hoạt động của hệ thống cảnh báo và dự báo nguy cơ trượt lở đất do mưa Xây dựng hệ thống quan trắc biến dạng sườn dốc, diễn biến điều kiện thủy văn trên mặt và trong thân dốc có nguy cơ trượt lở Triển khai thử nghiệm hoạt động hệ thống trên thực địa

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là mô hình, cơ chế giám sát và cảnh báo trượt lở đất do mưa Luận án ứng dụng mô hình phân tích thấm và ổn định sườn dốc kết hợp với dữ liệu giám sát thời gian thực để cảnh báo Nghiên cứu, triển khai WSN trong hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt lở đất và giải pháp tiết kiệm năng lượng Một sườn dốc tại huyện Xín Mần, tỉnh Hà Giang với tham số địa hình, địa chất cụ thể đã được đánh giá có nguy cơ trượt lở cao được lựa chọn để triển khai, kiểm chứng hoạt động của hệ thống

Phạm vi nghiên cứu giám sát và cảnh báo trượt lở đất liên quan đến cơ chế kích hoạt trượt lở đất xảy ra do mưa Mô hình giám sát và cảnh báo áp dụng cho quy mô cục bộ, sườn dốc với bề rộng và chiều dài khối trượt trong phạm vi vài chục đến hàng trăm mét Cảnh báo và dự báo ngắn hạn

4 Nội dung nghiên cứu

Luận án trả lời câu hỏi: Mô hình và nguyên tắc hoạt động hệ thống giám sát, cảnh báo sớm trượt lở đất như thế nào để dự báo sớm, nâng cao độ chính xác cảnh báo trong điều kiện trượt lở sườn dốc bị chi phối bởi nhiều yếu tố? Giải pháp nào để kéo dài thời gian hoạt động của nút cảm biến đồng thời đảm bảo hệ thống giám sát hoạt động ổn định khi một số nút cảm biến bị hỏng trong điều kiện môi trường đồi núi, khó tiếp cận?

Trên cơ sở tổng hợp, phân tích, đánh giá tài liệu khoa học đã được công bố, luận án đề xuất mô hình, nguyên tắc hoạt động của hệ thống giám sát và cảnh báo trượt lở đất Mưa là nguyên nhân trực tiếp gây ra trượt lở đất, làm thay đổi tính chất cơ lý,

tăng trọng lượng, giảm lực kết dính của đất đá, thay đổi tính thấm sườn dốc [50] Trước khi trượt lở đất xảy ra, các dấu hiệu báo trước có thể quan trắc được bao gồm biến dạng và thay đổi tính chất cơ lý, điều kiện thủy văn [101] Như vậy, đối với một sườn dốc, chìa khóa để cảnh báo trượt lở dựa trên đánh giá biến dạng kết hợp với biến đổi độ ẩm, áp lực nước lỗ rỗng trong thân dốc

Dữ liệu khảo sát cung cấp thông tin về thuộc tính sườn dốc tại một thời điểm cụ thể nhưng không cho biết sự thay đổi của chúng dưới tác động của điều kiện bên ngoài Dữ liệu giám sát được tích hợp với mô hình số sườn dốc để cập nhật mô hình, cảnh báo và dự báo trượt lở Xác lập quy trình phân tích đưa ra quyết định cảnh báo

Để có dữ liệu đầu vào thời gian thực cho mô hình số phân tích, điều chỉnh và cập nhật đòi hỏi giám sát liên tục các tham số sườn dốc trên thực địa Luận án lựa chọn, xây dựng giải pháp theo dõi sự biến đổi theo không gian và thời gian các thông số sườn dốc; xác định loại cảm biến, vị trí đặt cảm biến cả trên bề mặt và trong thân dốc; thu thập, xử lý tín hiệu từ cảm biến; thiết kế, cấu hình của mạng cảm biến Nghiên cứu, đề xuất cải tiến các giải pháp tiết kiệm năng lượng, mô phỏng, đánh giá thực nghiệm WSN áp dụng đối với hệ thống EWMRIL

Luận án thực hiện khảo sát sườn dốc điển hình đã được đánh giá có nguy cơ trượt lở Dựa trên kết quả phân tích, xây dựng mô hình số sườn dốc, phân tích thấm và phân tích ổn định sườn dốc sử dụng phần mềm thương mại GeoStudio Triển khai và kiểm chứng thuật toán với dữ liệu thực nghiệm

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo trượt lở đất là khoa học liên ngành, trong đó áp dụng những tiến bộ khoa học, công nghệ từ các lĩnh vực khác nhau về địa chất, điện tử, truyền thông

Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng Tài liệu khoa học cập nhật liên quan đến cơ chế trượt lở đất do mưa, mô hình tính toán ổn định sườn dốc và các hệ thống cảnh báo sớm được tổng quan, đánh giá Nghiên cứu lý thuyết về trượt lở đất, cảm biến và truyền thông để giám sát, thu thập dữ liệu Dựa trên đặc điểm điều kiện môi trường triển khai hệ thống, luận án phân

tích ưu, nhược điểm, lựa chọn giải pháp thu thập dữ liệu, đề xuất mô hình hoạt động và các giải pháp cải tiến tiết kiệm năng lượng phù hợp Tính hiệu quả của giải pháp và hệ thống đề xuất được đánh giá trên mô hình mô phỏng, tiếp đó, được kiểm chứng bằng thực nghiệm hoạt động ngoài thực địa

Giám sát sự biến đổi theo không gian, thời gian về biến dạng sườn dốc và tham số đất với 2 mục đích: i) cung cấp dữ liệu đầu vào và cập nhật mô hình số tính toán ổn định sườn dốc; ii) cảnh báo tức thời trong trường hợp biến dạng sườn dốc vượt ngưỡng đặt trước Vì vậy, hệ thống sử dụng kết hợp nhiều loại cảm biến tiếp xúc thu thập tham số sườn dốc ở độ sâu khác nhau Các cột cảm biến được phân bố trên mặt dốc dựa trên khảo sát thực địa và phân tích mặt trượt tiềm năng

Hệ thống cảnh báo căn cứ trên hệ số an toàn FoS (Factor of Safety) phải xác định được sự phân bố hàm lượng nước trong đất Mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng trên mô-đun SEEP/W để giải quyết bài toán trên Ngoài thông số sườn dốc đã được khảo sát, phân tích, thông tin đầu vào của mô hình là diễn biến mưa và phân bố áp lực nước lỗ rỗng thu được từ hệ thống giám sát Kết quả phân tích phải được điều chỉnh bởi dữ liệu giám sát thu được tại hiện trường Sự phân bố hàm lượng nước trong thân dốc được đưa vào mô hình số mặt dốc, phân tích cân bằng giới hạn xây dựng trên mô-đun SLOPE/W, để tính toán FoS Các kịch bản thời tiết được sử dụng để dự báo trượt lở trên cơ sở phân tích sự thay đổi của FoS theo thời gian

Đối với sườn dốc cụ thể, được lựa chọn dựa trên bản đồ đánh giá nguy cơ trượt lở đất, trước khi triển khai hệ thống cần phải khảo sát địa hình, thủy văn, mức độ che phủ, vết đứt gãy, vết nứt, các sự kiện đã được thống kê trong lịch sử, phân tích địa chất Khảo sát khu vực dân cư, cơ sở hạ tầng, giao thông Trên cơ sở dữ liệu thu thập, xây dựng mô hình số sườn dốc và xây dựng kế hoạch triển khai hệ thống

6 Ý nghĩa khoa học và đóng góp mới của luận án Ý nghĩa khoa học

Tính liên ngành của luận án được thể hiện rõ qua việc kết hợp nghiên cứu về trượt lở đất và kỹ thuật thu thập, xử lý tín hiệu để xây dựng một hệ thống giám sát, cảnh báo trượt lở đất thời gian thực

Nhờ cập nhật tiến bộ khoa học công nghệ, bao gồm công nghệ vi mạch, cảm biến, truyền thông không dây, nghiên cứu đã thu được kết quả khả quan trong giám sát, cảnh báo trượt lở đất Việc sử dụng WSN làm tăng tính khả thi, linh hoạt và ổn định của hệ thống so với hệ thống có dây [56, 67]

Thay vì cảnh báo trượt lở đất sử dụng mối quan hệ giữa ngưỡng mưa và kích hoạt trượt lở, luận án sử dụng mô hình số để tính toán FoS Mô hình phân tích dựa trên các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trượt lở sườn dốc bao gồm thủy văn, địa hình sườn dốc, tính chất đất đá, lịch sử và cường độ mưa Các thông số ảnh hưởng trượt lở đất được giám sát liên tục, cung cấp đầu vào cho mô hình số phân tích Đồng thời, kết quả phân tích được so sánh với dữ liệu giám sát để kịp thời điều chỉnh tham số của mô hình từ đó giảm sai số tích lũy trong quá trình mô phỏng

Hệ thống dựa trên hệ số an toàn FoS để chuyển đổi chế độ làm việc làm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng tại các nút cảm biến

Đóng góp mới của luận án

Luận án có hai đóng góp mới:

Thứ nhất, đề xuất cải tiến nhóm giải pháp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống

giám sát và cảnh báo trượt lở đất do mưa trên phạm vi sườn dốc sử dụng mạng cảm biến không dây Giải pháp đề xuất chuyển đổi chế độ hoạt động của hệ thống linh hoạt căn cứ trên hệ số an toàn FoS và lấy mẫu nén sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên tại nút cảm biến Mô hình số sườn dốc được xây dựng, kết hợp dữ liệu giám sát thời gian

thực để phân tích, tính toán FoS Dựa trên FoS, WSN chuyển đổi giữa hai chế độ làm việc bình thường và cảnh báo Giải pháp này giúp giảm năng lượng tiêu thụ tại nút cảm biến khi sườn dốc ở trạng thái an toàn đồng thời tăng lượng dữ liệu giám sát khi sườn dốc mất ổn định So với chuyển đổi chế độ hoạt động dựa trên ngưỡng mưa, hệ thống tiết kiệm năng lượng tiêu thụ tại nút cảm biến Để giảm lượng dữ liệu truyền không dây, hệ thống áp dụng giải pháp lấy mẫu nén cải tiến sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên để lấy mẫu tín hiệu Đóng góp mới này được thể hiện trong 04 bài báo số (1), (2), (3) và số (5) trong danh mục các công trình công bố của luận án

Thứ hai, đề xuất mô hình và triển khai thử nghiệm mô hình hệ thống giám sát

và cảnh báo trượt lở đất do mưa trên phạm vi sườn dốc Hệ thống kết hợp WSN thu

thập thông tin biến dạng và trạng thái thủy văn với mô hình số sườn dốc Xây dựng mô hình số sườn dốc để phân tích, dự báo phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong đất và trạng thái ổn định sườn dốc theo diễn biến và kịch bản mưa Thông tin thu thập tại thực địa về áp lực nước lỗ rỗng, mực nước ngầm được sử dụng cập nhật điều kiện đầu, giúp giảm sai số tích lũy trong quá trình phân tích Các ngưỡng cảnh báo được dựa trên nhiều loại thông tin thu thập được từ các cột cảm biến phân bố trên sườn dốc và kết quả phân tích FoS Hệ thống phân chia mức độ cảnh báo thành 3 mức Kết hợp với thông tin dự báo thời tiết, chuyên gia có thể xây dựng các kịch bản dự báo trượt lở đất Sườn dốc có nguy cơ trượt lở cao tại xã Nấm Dẩn, huyện Xín Mần, tỉnh Hà Giang lựa chọn dựa trên bản đồ đánh giá nguy cơ trượt lở và những dấu hiệu trượt lở khảo sát tại thực địa Kết quả tính toán được so sánh với dữ liệu thu thập tại hiện trường Mô hình hoạt động của hệ thống có thể áp dụng cho các sườn dốc có nguy cơ trượt lở khác với những thay đổi thích hợp Đóng góp mới này được thể hiện trong 02 bài báo số (3) và (4) trong danh mục các công trình công bố của luận án

7 Bố cục luận án

Sơ đồ logic của luận án được thể hiện trong Hình 0.2 Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, luận án gồm 3 chương với nội dung như sau:

Chương 1: Cảnh báo sớm trượt lở đất do mưa Trong đó phân tích đặc điểm,

nguyên nhân, cơ chế trượt lở đất do mưa; phân loại hệ thống cảnh báo trượt lở đất sớm Tổng quan về hệ thống giám sát và cảnh báo trượt lở đất: dữ liệu cần thu thập; phương pháp quan trắc; giám sát và thu thập dữ liệu sử dụng WSN; phân tích độ ổn định sườn dốc Tổng quan các phương pháp giám sát và cảnh báo qua các tài liệu đã được công bố Từ đó, chỉ ra các thách thức, nhiệm vụ mà luận án cần giải quyết

Chương 2: Cải tiến nhóm giải pháp tiết kiệm năng lượng trong hệ thống giám

sát và cảnh báo trượt lở đất do mưa Phần đầu trình bày hệ thống giám sát trượt lở

sườn dốc sử dụng mạng WSN Đề xuất cải tiến nhóm giải pháp tiết kiệm năng lượng tại các nút cảm biến Giải pháp thứ nhất là chuyển đổi linh hoạt chế độ hoạt động dựa trên phân tích FoS Giải pháp thứ hai là lấy mẫu nén cải tiến sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên Thực hiện mô phỏng và thực nghiệm đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng

của giải pháp

Chương 3: Hệ thống giám sát và cảnh báo trượt lở đất do mưa Đề xuất mô

hình, nguyên tắc hoạt động của hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt lở đất do mưa ứng dụng WSN; xây dựng mô hình số sườn dốc, phân tích thấm và an toàn sử dụng GeoStudio; các kịch bản hoạt động; một số kết quả triển khai tại thực địa

Hình 0.2 Sơ đồ logic luận án

CHƯƠNG 1 CẢNH BÁO SỚM TRƯỢT ĐẤT DO MƯA 1.1 Cơ chế trượt đất do mưa

Trượt lở đất (landslide) là một dạng tai biến địa chất, xảy ra nơi có địa hình dốc, khi đất, đá hay mảnh vỡ dịch chuyển về phía chân dốc dưới ảnh hưởng của trọng lực làm phá vỡ hình thái và cấu trúc ban đầu.Trượt lở đất biểu hiện dưới các dạng khác nhau như trượt dòng, trượt lở, đổ lở hoặc hỗn hợp phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất đá cũng như địa hình sườn dốc và nguyên nhân kích hoạt Một số thuật ngữ thường được dùng thay thế cho nhau như trượt lở đất, trượt lở hoặc trượt đất cho các dạng chuyển động trên sườn dốc kể cả có trượt và không trượt [138] Mất ổn định sườn dốc là do mất trạng thái cân bằng ứng suất trọng lực và biến đổi tính chất cơ lý của đất đá dưới tác động của các nguyên nhân trực tiếp như động đất, mưa lớn, hoạt động cắt gọt chân dốc [122] Các yếu tố phát sinh, phát triển trượt lở đất được liệt kê trong Bảng 1-1

Bảng 1-1 Các yếu tố phát sinh, phát triển trượt lở đất [7]

TT Yếu tố phát sinh, phát triển trượt lở đất

1 Vỏ phong hóa 2 Thạch học 3 Địa mạo 4 Lượng mưa 5 Độ cao

6 Phân cắt ngang 7 Phân cắt sâu 8 Độ dốc 9 Hướng dốc 10 Mật độ đứt gãy 11 Mật độ giao thông 12 Hiện trạng sử dụng đất

Trượt lở đất xảy ra là kết quả tổng hợp của nguyên nhân bên ngoài và nguyên nhân bên trong [9] Nguyên nhân bên ngoài như động đất, mưa bão, cắt xén sườn dốc,

nổ mìn, hoạt động vận tải Nguyên nhân bên trong bao gồm địa hình, địa chất, thủy văn, khả năng thoát nước Yếu tố ảnh hưởng đến trượt lở đất bao gồm độ dốc, hướng sườn, mật độ phân cắt ngang, phân cắt sâu và hiện trạng sử dụng đất [4]

Các yếu tố ảnh hưởng đến trượt lở đất do mưa bao gồm: cường độ mưa, thời gian mưa, địa chất, địa hình, thảm thực vật, bề rộng và độ sâu khối trượt [157] Nhiều nghiên cứu đánh giá mối quan hệ giữa trượt lở đất và nguyên nhân trực tiếp gây ra trượt lở như cường độ, thời gian và lịch sử mưa dựa trên phương pháp thống kê [20, 97], phương pháp xác suất [121] và mô hình phân tích xác định [50]

Trượt lở đất do mưa gây ra bởi sự thay đổi áp suất nước lỗ rỗng và lực thấm (seepage forces) trong đất [205] Đối với sườn dốc có mực nước ngầm ban đầu bên dưới bề mặt dốc, đất phía trên mực nước ngầm không bão hòa, áp lực nước lỗ rỗng âm (Hình 1.1) Đất trở nên bão hòa hơn do quá trình thấm theo hướng thẳng đứng từ trên xuống Độ dẫn thủy lực tăng khi hàm thể tích nước tăng trong đất không bão hòa Khi đất trở nên bão hòa, độ dẫn thủy lực đạt giá trị lớn nhất và không đổi

Hình 1.1 Quá trình thấm do mưa

Nước mưa thấm vào sườn dốc, làm gia tăng hàm lượng nước của đất, giảm lực hút dính và nâng mực nước ngầm [50] Thay đổi áp lực nước lỗ rỗng của đất dẫn đến

giảm góc ma sát trong của đất [111] Nước mặt và nước ngầm không chỉ làm giảm sức kháng cắt mà còn làm tăng trọng lượng đất, ảnh hưởng tiêu cực tới độ ổn định sườn dốc

Mối quan hệ giữa trượt lở đất với cường độ và thời gian mưa đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Nghiên cứu tại Hồng Kông, Brand và cộng sự [19] nhận thấy chỉ cần độ ẩm của đất tăng lên 3% (từ 25% lên 28%) cường độ lực dính của đất giảm

lượng 100 mm – 200 mm, cường độ khoảng 14 mm/giờ kéo dài trong vài giờ hoặc cường độ 2 – 3 mm/giờ trong khoảng 100 giờ thì có thể gây ra trượt lở đất Li và Kong [184] đã đưa ra số liệu thống kê mối quan hệ giữa sự dịch chuyển sườn dốc do ảnh hưởng của lượng mưa trong khoảng thời gian từ năm 1998 đến năm 2005 tại sườn dốc ở đập thủy điện phía nam Trung Quốc

Trượt lở đất do mưa có thể xảy ra ở mặt nông hoặc sâu Do cấu tạo, nền đất gồm các lớp đất đá có tính thấm khác nhau Khi nước thấm vào đất gặp lớp đất có tính thấm thấp sẽ tạo ra vùng bão hòa nước cục bộ Với các trận mưa lớn, nước ngầm sẽ dâng lên nhanh chóng trên bề mặt lớp đất đá có tính thấm thấp tạo ra dòng chảy song song với lớp đất này Thông thường, trượt lở đất với mặt trượt nông xảy ra bởi những đợt mưa ngắn, cường độ lớn, trong khi đó trượt lở đất với độ sâu mặt trượt lớn xảy ra bởi những đợt mưa cường độ trung bình nhưng thời gian kéo dài [33]

Trong quá trình mưa, độ ẩm và áp suất nước lỗ rỗng bên trong thân dốc có sự thay đổi lớn phụ thuộc vào tính chất dẫn nước, hình dạng sườn dốc và tính chất của đất đá Độ ẩm và áp suất nước lỗ rỗng tăng tỉ lệ trực tiếp với tính thấm [123], làm giảm sự kết dính của đất đá và ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định sườn dốc Với đất đá có tính thấm cao, áp suất nước lỗ rỗng thay đổi tăng lên và giảm xuống nhanh chóng theo lượng mưa [68] Trong trường hợp này, trượt lở đất thường xảy ra bởi mưa cường độ lớn, lịch sử mưa trước đó ít ảnh hưởng đến sự kiện trượt lở đất Ngược lại, với đất đá có tính thấm thấp, trượt lở đất thường xảy ra bởi sự kiện mưa kéo dài với cường độ trung bình, điều kiện mưa trước đó ảnh hưởng lớn tới khả năng thấm của đấtvà áp lực nước lỗ rỗng [72]

1.2 Phân loại các hệ thống cảnh báo trượt đất sớm

Các hệ thống cảnh báo trượt đất sớm LEWS (Landslide Early Warning System) rất khác nhau phụ thuộc quy mô giám sát, cảnh báo, kiểu trượt và yếu tố kích hoạt trượt đất Nhiều tài liệu khoa học công bố gần đây đã đề xuất LEWS có nguyên nhân do mưa, từ quy mô quốc gia đến quy mô cục bộ sườn dốc, với khoảng thời gian khác nhau

Về thời gian, có thể chia việc cảnh báo trượt đất thành dài hạn và tức thời Cảnh

báo dài hạn có tầm quan trọng đối với việc đánh giá rủi ro và quản lý đất đai, cung

cấp thông tin cần thiết phục vụ quy hoạch, xây dựng Cảnh báo tức thời dựa trên quan

sát thực tế, được thừa nhận rộng rãi, trước khi trượt đất xảy ra có sự biến dạng sườn dốc và thay đổi điều kiện thủy văn [101] Sử dụng cảm biến nhận dạng dấu hiệu trượt đất như dao động, dịch chuyển, biến dạng hoặc áp lực nước lỗ rỗng có thể phát hiện bất thường và những thay đổi nhỏ trong trạng thái sườn dốc ngay trước khi sự cố trượt đất xảy ra Hệ thống cảnh báo tức thời thường sử dụng cảm biến quán tính, đo mưa, áp suất nước lỗ rỗng, độ ẩm [48, 134, 150]

Về phạm vi, có thể chia thành cảnh báo quy mô vùng hoặc khu vực và cảnh báo

cục bộ Đối với quy mô quốc gia và khu vực, hệ thống cảnh báo sớm được xây dựng

chủ yếu dựa trên mối quan hệ giữa cường độ/thời gian mưa và ngưỡng kích hoạt trượt đất [25, 135] Điều này đòi hỏi phải có dữ liệu giám sát trong khoảng thời gian dài và trên diện rộng Việc dự báo dựa trên giả thuyết: với cùng một điều kiện gây ra trượt đất trong quá khứ thì trượt đất cũng xảy ra trong tương lai Giả thuyết này không được đảm bảo trong thời gian dài và ở những nơi có sự thay đổi lớn về khí hậu và môi trường [49] Mặt khác, sự khác biệt của các điều kiện cục bộ về tính chất đất đá, mức

độ che phủ bị bỏ qua Đối với quy mô sườn dốc (hay phạm vi cục bộ), việc theo dõi

lượng mưa để đánh giá trượt đất là không đủ do cường độ kháng cắt của đất đá trên dốc phụ thuộc vào nhiều yếu tố và thay đổi theo thời gian Hệ thống cảnh báo sớm áp dụng cho quy mô cục bộ chủ yếu dựa trên việc giám sát thời gian thực biến dạng khối trượt và yếu tố kích hoạt như áp lực nước lỗ rỗng PWP (Pore Water Pressure) [127, 146] Ngưỡng cảnh báo, giá trị nhỏ nhất hoặc lớn nhất để trượt đất xảy ra hoặc sườn

dốc thay đổi trạng thái, có thể được xác định bởi chuyên gia thông qua việc giải thích dữ liệu giám sát trên cơ sở thống kê lịch sử mưa và sự kiện trượt đất tại khu vực [62] hoặc sử dụng mô hình số [161]

1.3 Tổng quan hệ thống giám sát và ảnh báo trượt đất do mưa 1.3.1 Các phương pháp quan trắc

Phương pháp viễn thám sử dụng thiết bị đo xa và hệ thống thông tin địa lý GIS

(Geographic Information System) để giám sát sự dịch chuyển của khối trượt Sự tiến bộ của công nghệ viễn thám không gian và hàng không đã tạo ra sự gia tăng nghiên cứu, ứng dụng của viễn thám trong xây dựng bản đồ đánh giá nguy cơ trượt đất, giám sát và cảnh báo sớm nguy cơ trượt đất [27] Sử dụng ảnh vệ tinh hoặc radar mặt đất có thể phát hiện nguyên nhân và làm sáng tỏ diễn tiến dịch chuyển khối trượt khi sự kiện xảy ra [28] Công nghệ này có thể đo biến dạng mặt đất trong điều kiện thời tiết xấu và trong đêm tối Kỹ thuật giám sát dựa trên vệ tinh hữu ích trong đánh giá tổng quan các vấn đề ổn định sườn dốc trên phạm vi rộng lớn Việc áp dụng công nghệ viễn thám để giám sát trượt đất tồn tại nhược điểm: thiếu khả năng thâm nhập dưới lòng đất; hạn chế về tần suất lấy mẫu so với các phương pháp tự động trực tiếp Bên cạnh đó, kỹ thuật này đòi hỏi nguồn kinh phí lớn, việc lắp đặt, hiệu chỉnh cần có độ chính xác cao và thời gian dài

Phương pháp quan trắc trực tiếp thực hiện bằng thiết bị có tiếp xúc được lắp

đặt trong lỗ khoan và trên bề mặt tại vị trí có khả năng trượt đất Thiết bị GPS (Global Positioning System) được lắp đặt để theo dõi dịch chuyển tại các thời điểm trong năm hoặc những dịch chuyển đột ngột Giám sát thực địa trượt đất cung cấp thông tin sự thay đổi theo không gian và thời gian các đặc tính trong thân dốc liên quan đến tai biến trượt đất Những tiến bộ về cảm biến, thu thập, phân tích dữ liệu gần đây đã dẫn đến việc áp dụng rộng rãi phương pháp này [133] Khác với công nghệ viễn thám thu thập dữ liệu trên bề mặt, phương pháp tiếp cận xâm nhập cung cấp được dữ liệu về thay đổi điều kiện thủy văn theo thời gian và không gian bên trong thân dốc Trên cơ sở phân tích các thông số kích hoạt gây ra trượt và diễn biến thủy văn trong thân dốc,

tham số cần quan trắc có thể được nhóm thành: thông tin mưa, biến dạng sườn dốc, thủy văn Việc giám sát tích hợp cho phép hiểu được mối quan hệ giữa nhiều tham số kích hoạt của trượt đất và ngưỡng cảnh báo sạt lở đáng tin cậy hơn trước khi xảy ra trượt hoặc ở giai đoạn rất sớm của chuyển động trượt đất Thiết bị có thể đo lường sự thay đổi của đối tượng được quan trắc trong khoảng thời gian đều đặn hoặc trong thời gian thực, với khoảng thời gian lấy mẫu thay đổi [132] Tuy nhiên, giám sát trực tiếp bị giới hạn bởi phạm vi, lựa chọn vị trí lắp đặt cảm biến, việc duy trì hoạt động ổn định của thiết bị.

1.3.2 Giám sát yếu tố kích hoạt trượt đất do mưa

1.3.2.1 Giám sát diễn biến mưa

Lượng mưa, cường độ, thời gian và lịch sử mưa là nguyên nhân trực tiếp ảnh hưởng đến sự ổn định sườn dốc, được sử dụng rộng rãi để cảnh báo trượt đất [33, 53, 80] Thiết lập hệ thống cảnh báo sớm cho trượt đất do mưa thay đổi phụ thuộc không những vào phạm vi không gian (mức quốc gia, mức vùng hay vị trí cục bộ) mà còn phụ thuộc khoảng thời gian (cảnh báo dài hạn, trung hạn hay ngắn hạn) Đối với cảnh báo ở phạm vi quốc gia hoặc phạm vi vùng, hệ thống cảnh báo sớm được xây dựng

chủ yếu dựa trên thiết lập đường cong I-D thể hiện mối quan hệ giữa trượt đất với cường độ mưa (I) và thời gian mưa (D) [17, 60, 91] Trên cơ sở quan trắc và thống

kê, ngưỡng cảnh báo, thể hiện giới hạn của các yếu tố ảnh hưởng có khả năng xảy ra trượt đất, được đặt ra [114] Với phương pháp này, dự báo trượt đất trên quy mô khu vực dựa trên giám sát dữ liệu ở trạm đo mưa được sử dụng phổ biến [15, 78, 89, 91, 100, 107]

Cảnh báo trượt đất dựa trên ngưỡng cường độ mưa và thời gian mưa có ưu điểm dễ dàng thực hiện với việc đặt trạm quan trắc mưa với giá thành thấp Hệ thống dựa trên dữ liệu mưa đo được kết hợp với số liệu thống kê lịch sử trượt đất do mưa để đưa ra cảnh báo thường đơn giản Tuy nhiên, do mưa không phân bố đều, đặc biệt ở vùng núi, mưa có tính chất cục bộ, việc đo mưa tại một trạm quan trắc không phản ánh đúng thông tin mưa tại mặt dốc cụ thể Mặt khác, ngay cả với cùng một sườn dốc,

ngưỡng mưa gây ra trượt đất cũng thay đổi theo thời gian, ví dụ ảnh hưởng bởi sự thay đổi lớp che phủ thảm thực vật Trượt đất với một sườn dốc phụ thuộc nhiều yếu tố về địa hình, địa chất, thảm che phủ, thoát nước và lịch sử mưa có tính chất đặc thù mà giải pháp cảnh báo dựa trên lượng mưa đã không cân nhắc tới dẫn đến cảnh báo dạng này có độ chính xác không cao [29, 132] Do đó, giải pháp dự báo trượt đất dựa đơn thuần trên dữ liệu mưa không đủ tốt đối với quy mô sườn dốc

1.3.2.2 Giám sát biến dạng

Nhiều sự kiện trượt đất đã xảy ra cho thấy dấu hiệu báo trước về biến dạng sườn dốc như xuất hiện vết nứt, gia tăng dịch chuyển Trước và trong khi trượt đất xảy ra, sườn dốc bị biến dạng, thường có dạng chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến [106] Khi một sự kiện chuyển động xảy ra, ban đầu các dịch chuyển xảy ra ở chân dốc, sau đó phát triển ngược lên phía trên [105] Quan trắc sự dịch chuyển, biến dạng trên mặt và trong thân dốc theo thời gian thực là bằng chứng trực tiếp để đưa ra cảnh báo tức thời [37] Quãng đường và tốc độ dịch chuyển được sử dụng làm chỉ số xác định ngưỡng cảnh báo Nhiều thiết bị và kỹ thuật đã được áp dụng để giám sát dịch chuyển sườn dốc như cảm biến địa kỹ thuật, công nghệ viễn thám [28] Để quan trắc dịch chuyển, GPS, thiết bị đo độ giãn, thiết bị đo độ nghiêng được lắp đặt trên bề mặt và trong thân dốc [30, 48, 54] Việc lựa chọn thiết bị, kỹ thuật phụ thuộc vào độ chính xác, giá thành, cũng như khả năng cung cấp thông tin thời gian thực Thiết bị đo biến dạng ứng dụng phổ biến trong địa kỹ thuật bao gồm: thiết bị đo kiểu dây rung, đo kiểu điện trở và cảm biến sợi quang Thiết bị đo biến dạng kiểu dây rung có xu hướng được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng địa kỹ thuật do bền bỉ.

Đo rung: rung động làm tăng áp lực nước lỗ rỗng trong đất, dẫn đến thay đổi

sức kháng cắt Giám sát rung động thường được thực hiện bằng cách sử dụng

geophone và gia tốc kế Thông thường, geophones, thiết bị chuyển tốc độ dịch chuyển

mặt đất thành điện áp, được sử dụng để phân tích tốc độ dịch chuyển của trượt đất [112] Geophone thường được sử dụng do không cần nguồn điện để hoạt động,

có thể phát hiện dịch chuyển nhỏ của mặt đất Gia tốc kế được sử dụng để đo và ghi

lại gia tốc Trong địa kỹ thuật, máy đo gia tốc kiểu áp điện là loại được sử dụng phổ

biến Gia tốc kế linh hoạt hơn geophone và thường được sử dụng để đo vận tốc bằng cách tích hợp bản ghi thời gian gia tốc Trong những năm gần đây, thiết bị đo gia tốc dựa trên công nghệ MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) đã được chế tạo và đưa vào ứng dụng

Dịch chuyển trên mặt dốc: thiết bị đo giãn kế dạng dây (wire extensometer)

được sử dụng để đo dịch chuyển mặt dốc [30] Sự dịch chuyển của một điểm trượt đất là tương đối so với một vị trí tham chiếu được chọn làm chuẩn Đo dịch chuyển sử dụng giãn kế (wire extensometer) phải xác định được trước điểm tham chiếu cố định trong vùng dịch chuyển [37, 70] Tuy nhiên, mặt trượt thay đổi theo điều kiện thực tế, rất khó xác định trước phần nào của sườn dốc sẽ bị trượt khi sự kiện trượt đất xảy ra Bên cạnh đó, thiết bị đo giãn kế không theo dõi được sự dịch chuyển bên trong lòng đất ở độ sâu khác nhau Cảm biến sức căng chiếm dụng không gian lắp đặt, chi phí cao và phạm vi giám sát hạn chế Để vượt qua trở ngại này, thiết bị đo nghiêng thường được sử dụng [150]

Đo nghiêng: thực hiện phép đo độ lệch góc so với vector trọng lực thẳng đứng

Đo nghiêng là một phép đo linh hoạt trong kỹ thuật vì có thể tính toán được độ lệch và tốc độ dịch chuyển Thiết bị đo nghiêng thường được kết nối thành chuỗi, đặt cố định bên trong ống chứa cảm biến, nằm trong hố khoan ở độ sâu khác nhau Do ống chứa cảm biến được neo trong nền cứng bên dưới lớp đất nên chỉ một phần của ống chứa cảm biến di chuyển khi sườn dốc biến dạng, làm cho một phần của ống bị uốn cong [132] Áp dụng công thức lượng giác, dữ liệu đo nghiêng được chuyển đổi thành quãng đường dịch chuyển

Công nghệ GPS và radar cũng được áp dụng để giám sát sự dịch chuyển mặt đất theo thời gian [12, 54] Radar mặt đất được lắp đặt ở vị trí an toàn để theo dõi và xây dựng bản đồ số sự dịch chuyển sườn dốc Trong thực hành, các hệ thống này thường được sử dụng kết hợp với phương pháp giám sát có tiếp xúc [219]

1.3.2.3 Giám sát thông tin thủy văn

Trượt đất do mưa là một hiện tượng phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau như địa hình, địa chất, thảm thực vật và lịch sử mưa Mức độ che phủ bề mặt, điều

kiện thủy văn và đặc tính địa kỹ thuật là những yếu tố kiểm soát sự ổn định của sườn dốc, ảnh hưởng tới tốc độ thấm của nước vào lòng đất dưới tác động của mưa [29] Đối với quy mô cục bộ, cảnh báo trượt đất dựa vào mối quan hệ giữa cường độ-thời gian mưa là chưa đủ [108] Quá trình thấm của nước mưa vào trong đất đá bão hòa và không bão hòa đã được nghiên cứu [145] Có mối quan hệ giữa dịch chuyển và tăng tốc của sườn dốc với tỉ lệ nước bão hòa trong thân dốc trước khi trượt đất xảy ra [211] Thể tích nước trong đất đóng vai trò quan trọng do nước vừa làm giảm độ cứng và kết dính của đất đồng thời thay đổi tính thấm, trọng lượng của đất Sự gia tăng của áp lực nước lỗ rỗng và đất bão hòa nước được ghi nhận tại các sự kiện trượt đất đã thể hiện tầm quan trọng của việc theo dõi điều kiện thủy văn trong dự báo trượt đất

Quan trắc sự thay đổi thông số thể tích nước trong thân dốc có thể đưa ra suy luận logic về quá trình mất ổn định sẽ xảy ra, cung cấp những thông tin hữu ích cho hệ thống cảnh báo trượt đất Việc cảnh báo có thể cải thiện bằng phép đo trực tiếp hàm lượng nước và mực nước ngầm trong đất Dữ liệu này được sử dụng cho mô hình số để theo dõi sự thấm và xác minh mô hình dòng chảy, phân tích độ ổn định của sườn dốc Đồng thời, dữ liệu này cũng là cơ sở để cập nhật mô hình phân tích, cảnh báo [24] Trong thực hành, phép đo độ ẩm, áp suất nước lỗ rỗng trong thân dốc được sử dụng

Độ ẩm đất: làm thay đổi tính thấm và lực kháng cắt của đất Độ ẩm của đất thay

đổi bởi lịch sử mưa, lượng mưa và đặc điểm của đất, điều kiện địa hình, địa mạo, độ che phủ Cảm biến độ ẩm đất đặt tại vị trí nông của sườn dốc được sử dụng để thu thập và giám sát độ ẩm, xác định trạng thái không ổn định Độ ẩm đất có thể đo được bằng thiết bị đơn giản là cảm biến điện trở

Áp lực nước lỗ rỗng: được sử dụng để đánh giá cường độ kháng cắt của đất,

theo dõi dòng chảy nước mặt, mực nước tại điểm đo, tốc độ và hướng di chuyển nước Thiết bị quan trắc áp lực nước lỗ rỗng phổ biến để nghiên cứu sạt lở đất gồm hai loại: đầu đo áp lực nước lỗ rỗng kiểu dây rung và đo áp lực nước lỗ rỗng kiểu ống đứng [24,

146] Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng kiểu dây rung sử dụng một màng cảm biến, áp lực

nước lỗ rỗng làm thay đổi sức căng trên bề mặt cảm biến, sự thay đổi này được chuyển

hoá thành tín hiệu tần số xung điện rồi được máy đo chuyển hoá thành đơn vị số đọc Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng kiểu dây rung có thể quan trắc được ngay cả sự thay đổi

nhỏ của áp lực nước lỗ rỗng và nhiệt độ Đo áp lực nước lỗ rỗng kiểu ống đứng gồm

một đầu lọc được khoan lắp đặt ngay tại vị trí muốn đo áp lực nước lỗ rỗng Đầu lọc này được nối với ống PVC theo chiều thẳng đứng lên đến mặt đất Áp lực nước lỗ rỗng khi thay đổi sẽ làm thay đổi mực nước trong ống

1.3.3 Mạng cảm biến không dây ứng dụng trong hệ EWMRIL

Việc giám sát sườn dốc có nguy cơ trượt đất theo thời gian thực được thực hiện bởi mạng lưới cảm biến Mạng cảm biến có dây bị giới hạn về phạm vi triển khai, dễ đứt gãy kết nối khi trượt đất xảy ra Với sự phát triển về công nghệ, mạng cảm biến không dây WSN được nghiên cứu áp dụng trong hệ thống giám sát và cảnh báo trượt đất do mưa EWMRIL (Early Warning and Monitoring system for Rainfall-induced Landslide)

WSN là một mạng của các nút cảm biến SN (Sensor Node), được phân bố trong không gian và cộng tác trao đổi thông tin thu được từ môi trường giám sát thông qua kết nối không dây So với mạng có dây, WSN có những đặc điểm được ưa chuộng như kích thước của SN nhỏ, năng lượng tiêu thụ thấp, khả năng triển khai trên diện rộng với số lượng SN lớn WSN có chi phí xây dựng, vận hành thấp, khả năng giám sát liên tục trong thời gian dài [81] WSN được đề xuất cho EWMRIL vì tính linh hoạt trong triển khai lắp đặt, mở rộng, thu thập và truyền dữ liệu theo thời gian thực, đồng thời hệ thống vẫn có khả năng liên lạc được trong trường hợp một số nút bị hư hỏng hoàn toàn [156, 171, 202] SN dễ dàng tích hợp cảm biến cần thiết như độ ẩm, gia tốc hay GPS Một số ứng dụng WSN trong nghiên cứu trượt đất đã được thực hiện, như dự báo trượt đất [203], hệ thống giám sát, cảnh báo sớm trượt đất [62, 77, 112]

SN bao gồm cảm biến, vi xử lý, mô-đun thu phát không dây, mô-đun cấp và quản lý nguồn SN làm nhiệm vụ ghi nhận tham số sườn dốc từ cảm biến, xử lý, đóng gói, truyền/nhận thông tin, chuyển tiếp dữ liệu tới/từ cụm trung tâm Trong hệ EWMRIL, SN được xây dựng dựa trên sản phẩm thương mại như Waspmote [94], Oracle SunSPOT [115], Crossbow MicaZ [112], NI WSN [45] hoặc thiết kế dựa trên

nền tảng mở như Rasperry [56], Arduino [116, 117] SN có năng lượng, bộ nhớ và khả năng xử lý dữ liệu hạn chế, băng thông thấp, khoảng cách truyền ngắn (đối với công nghệ mạng khu vực cá nhân PAN (Personal Area Network)) SN trong EWMRIL thường bao gồm nhiều loại cảm biến để thu thập thông tin như cảm biến độ ẩm đất, áp lực nước lỗ rỗng và cảm biến đo quán tính xác định độ nghiêng [115] Tín hiệu ra ở dạng tương tự, xung, số phụ thuộc loại cảm biến Để tiết kiệm năng lượng, phần lớn SN sử dụng cảm biến vi cơ điện tử (MEMS), chuyển đổi giữa hoạt động và nghỉ Trong đó, chế độ nghỉ có công suất tiêu thụ rất thấp được áp dụng ở khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu

Nhiều chuẩn không dây như LoRa, Zigbee được lựa chọn dựa trên đặc điểm địa hình, diện tích giám sát, tốc độ truyền nhận dữ liệu Bộ truyền nhận không dây thương mại đã được sử dụng như RF LoRa SX-1278 [116], Texas Instruments CC 2420 [115], XBee [16, 94] Trong đó, Zigbee đã được áp dụng để xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo trượt đất [59, 140] ZigBee là giao thức mạng không dây tầm ngắn sử dụng cho mạng khu vực cá nhân, định nghĩa các lớp phía trên chuẩn IEEE 802.15.4 ZigBee được sử dụng cho ứng dụng yêu cầu tốc độ dữ liệu thấp, tiêu thụ ít năng lượng, chi phí thấp

Một nút khi thiết lập làm chức năng bộ định tuyến có khả năng chuyển tiếp dữ liệu từ SN khác đến trạm trung tâm và ngược lại Dữ liệu thu được từ SN được gửi không dây tới trạm trung tâm (còn gọi là bộ điều phối - sink node) theo một giao thức định trước, qua liên kết đơn chặng (single-hop) hoặc đa chặng (multi-hop) sử dụng nội bộ hoặc kết nối với mạng khác để truy nhập từ xa thông qua gateway [202] Trạm trung tâm, được đặt ở khu vực đảm bảo an toàn, kết nối với một máy trạm điều khiển Phần mềm nhúng trong bộ xử lý cho phép SN tự cấu hình, tạo thành một mạng bên trong khu vực giám sát Kết nối giữa SN và trạm trung tâm là hai chiều để trao đổi dữ liệu và có thể tái thiết lập hoạt động của SN Máy trạm cũng có thể truy vấn trạng thái của từng SN, tải lên cấu hình mới và thực hiện hiệu chuẩn từ xa [94] Để kích hoạt tính năng giám sát thời gian thực, nút phải hỗ trợ chế độ hoạt động được kích

hoạt theo khoảng thời gian cũng như kích hoạt theo sự kiện khi dữ liệu thu được có độ lớn vượt ngưỡng nhất định

WSN thường được kết nối với mạng khác thông qua Gateway như mạng Internet, mạng điện thoại để mở rộng khả năng hoạt động và trao đổi thông tin [112] Dữ liệu được gửi tới máy chủ cơ sở dữ liệu qua GPRS, Wifi hoặc Ethernet [55, 112] Thông qua truy nhập máy chủ cơ sở dữ liệu, có thể tải dữ liệu, hiển thị thông tin trên web, phân tích và cảnh báo trượt đất Máy trạm được cài đặt mô hình sườn dốc, phân tích, cảnh báo tương ứng với dữ liệu thu nhận được từ mạng cảm biến [112]

Mô hình xử lý dữ liệu trong mạng WSN được phân loại thành mô hình xử lý phân bố và mô hình xử lý tập trung Việc xử lý dữ liệu phân bố tại SN được sử dụng với các quyết định đơn giản do SN hạn chế về tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ và năng lượng Thuật toán triển khai phải có độ phức tạp thấp phù hợp với khả năng của SN [158, 195] Ưu điểm của xử lý phân bố là khai thác được khả năng tính toán của SN, giảm khối lượng dữ liệu phải truyền trong mạng nhưng không phát huy được tính tương quan dữ liệu giữa các SN vốn là thế mạnh của mạng WSN Mô hình xử lý dữ liệu tập trung tại trạm trung tâm hoặc cụm trung tâm, dữ liệu được tổng hợp để tìm mối tương quan, loại bỏ dữ liệu dư thừa trước khi gửi về trạm trung tâm Với giả thiết tài nguyên về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ tại cụm trung tâm cao hơn so với SN, mô hình này hỗ trợ thuật toán phức tạp và mạnh mẽ hơn so với thực hiện tính toán phân bố tại SN SN được chia nhóm theo mối quan hệ về không gian triển khai hay mối tương quan về đối tượng dữ liệu đo [142] Trong mỗi nhóm có một cụm trung tâm cố định hoặc lựa chọn luân phiên theo tiêu chí khác nhau, ví dụ dựa trên năng lượng còn lại tại mỗi SN [14] Do thu được thông tin từ nhiều SN, mô hình khai thác thông tin mối tương quan về không gian, thời gian bao quát hơn, do đó dự báo được xu hướng phát triển theo không gian, thời gian [167] Việc chia nhóm cũng giúp giảm năng lượng do SN không phải truyền/nhận dữ liệu trực tiếp với trạm trung tâm mà thông qua cụm trung tâm Việc tập trung dữ liệu đến cụm trung tâm, sắp xếp, xử lý trước tại đây sẽ giảm băng thông truyền giữa cụm trung tâm và trạm trung tâm đồng thời giảm năng lượng tiêu hao tại SN

Trong hệ thống cảnh báo trượt đất, SN thường được triển khai trong môi trường nguy hiểm, khó tiếp cận trong khi nguồn pin được sử dụng để cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động của SN SN cần được thiết kế để lấy mẫu, gửi dữ liệu với khoảng thời gian 10 phút hoặc ít hơn và đảm bảo hoạt động liên tục trong ít nhất một mùa mưa, thậm chí vài năm mà không cần bảo trì hay thay pin [69] Do đó, sử dụng năng lượng hiệu quả là yếu tố phải được quan tâm trong thiết kế EWMRIL

1.3.4 Phân tích và cảnh báo trượt đất

1.1.1.1. Mô hình số sườn dốc

Mô hình trượt đất có thể được định nghĩa là hàm số mô tả mối quan hệ giữa điều kiện thời tiết, tính chất vật lý của đất, đặc điểm địa chất, địa mạo, áp lực nước lỗ rỗng trong thân dốc và sự kiện trượt đất Mô hình số dựa trên quy luật vật lý kiểm soát sự không ổn định của sườn dốc

Michele Calvello và cộng sự [24] sử dụng mô hình số để dự báo chuyển động sườn dốc theo các mặt trượt đã tồn tại theo dữ liệu mưa thu thập được Mô hình bao gồm: phân tích thấm để tính toán sự thay đổi của áp suất nước lỗ rỗng trong thân dốc do mưa; phân tích ổn định sườn dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn để tính hệ số an toàn và tốc độ dịch chuyển dọc theo mặt trượt Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tính chính xác của mô hình phân tích Ví dụ, sự thay đổi theo thời gian của thảm thực vật ảnh hưởng đến khả năng thoát nước, tính thấm của sườn dốc Các tác giả sử dụng một thuật toán tối ưu để hiệu chuẩn kết quả phân tích với dữ liệu giám sát thực tế thu thập được Giám sát sự phân bố áp suất nước lỗ rỗng tại hiện trường giúp hiệu chỉnh, cải thiện tính chính xác của mô hình phân tích độ ổn định sườn dốc [22, 93]

Hệ thống tích hợp dữ liệu giám sát trực tiếp và mô hình số được coi là hệ thống hiệu quả để cảnh báo sớm trượt đất [44] Mô hình số có thể xác định lượng mưa cần thiết để gây ra sự cố trượt dốc, dự báo vị trí và thời gian của vụ trượt đất Một số mô hình tích hợp thành công đã được công bố như mô hình thấm [26, 31, 51], mô hình cân bằng sườn dốc [127], và mô hình lan truyền trượt [88, 146] Trong trường hợp này, cần phải xây dựng hệ thống quan trắc và thu thập dữ liệu liên tục [56, 66]

1.3.4.1 Phân tích ổn định sườn dốc

Phân tích ổn định để đánh giá mức độ an toàn sườn dốc căn cứ vào giá trị của hệ số an toàn FoS [21, 50] FoS được định nghĩa là tỷ số giữa cường độ kháng cắt và ứng suất cắt dọc theo mặt trượt (phương trình 1.3) Ứng suất cắt là lực làm dịch chuyển khối trượt còn cường độ kháng cắt là lực chống lại sự dịch chuyển đó Khi giá trị FoS lớn, cường độ kháng cắt lớn hơn ứng suất cắt cùng phương, sườn dốc được xem là an toàn FoS gần bằng một, sườn dốc ở trạng thái mất an toàn

Hệ thống cảnh báo trượt đất do mưa cần xác định trạng thái không ổn định của sườn dốc được nghiên cứu, cụ thể dựa trên hệ số an toàn FoS [29] Tăng áp lực nước lỗ rỗng làm giảm cường độ kháng cắt của đất, gây ra mất ổn định sườn dốc Do đó, thông tin về mực nước ngầm và phân bố áp lực nước lỗ rỗng cần được giám sát Tuy nhiên, việc đo áp suất nước lỗ rỗng và mực nước ngầm trên toàn bộ sườn dốc là không khả thi mà chỉ có thể thực hiện tại một số điểm đo Do đó, mô hình phân tích ổn định sườn dốc thường được kết hợp với mô hình thủy văn phân tích phân bố áp lực nước lỗ rỗng Để đánh giá được FoS, trước tiên cần khảo sát và xây dựng mô hình số sườn dốc Theo Rahimi và cộng sự [111], việc tính toán FoS cho một sườn dốc có thể được thực hiện theo hai bước: (1) thực hiện phân tích thấm dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để ước tính áp lực nước lỗ rỗng trong thân dốc, với đầu vào là đường cong đặc trưng đất-nước SWCC (Soil Water Characteristic Curve) của lớp đất đá, hàm thấm và điều kiện biên; (2) thực hiện phân tích độ ổn định sườn dốc bằng phương pháp cân bằng giới hạn LESS (Limit Equilibrium Slope Stability), dựa trên kết quả phân tích phân bố áp lực nước lỗ rỗng PWP ở bước 1, tính toán tham số cường độ kháng cắt không bão hòa, ước tính FoS sườn dốc

Đường cong đặc trưng đất – nước SWCC, thể hiện mối quan hệ giữa lượng nước trong đất và lực hút dính của đất, là tham số đặc trưng của đất không bão hòa SWCC được dùng để xác định đặc tính của đất không bão hòa như hệ số thấm, cường độ kháng cắt và khả năng chứa nước

Áp lực nước lỗ rỗng trong sườn dốc được tính bằng phương trình dòng chảy ngầm [111]:

𝜕𝑥) +𝜕𝜕𝑦(𝑘𝑦

𝜕𝑦) + 𝑞 = 𝑚𝑤

trong đó h là biến độ cao thủy lực của dòng chảy, kx là hệ số thấm theo hướng 𝑥; ky

là hệ số thấm theo hướng 𝑦; 𝑞 là thông lượng đặt tại biên; mw là độ dốc của đường

cong đặc trưng đất- nước SWCC; wlà trọng lượng đơn vị của nước và t là thời gian

Như vậy, để tính toán được PWP trong đất cần khảo sát thực địa, phân tích địa chất để biết được tham số đất (độ cao, độ dốc, tính chất đất, SWCC) và điều kiện biên (lượng mưa và phân bố áp lực nước lỗ rỗng trước khi phân tích) Mô-đun SEEP/W của GeoStudio được sử dụng để phân tích quá trình thấm và phân bố áp lực nước lỗ rỗng

Mô hình LESS sử dụng cường độ kháng cắt của đất chưa bão hòa để ước tính FoS bằng phương trình 1.2 [111] sau:

Khi mô hình LESS cho trượt đất được xác định, FoS cho một điểm theo một hướng xác định được tính bằng tỷ số cường độ kháng cắt với ứng suất cắt theo hướng đang xét [185]:

( gHcos gW) tangH sin

1.3.4.2 Cảnh báo trượt đất

Nhiều giải pháp xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt đất đã được đề xuất Do mưa là nguyên nhân trực tiếp gây ra trượt đất, ngưỡng kích hoạt trượt đất

có liên quan đến lượng mưa và điều kiện thủy văn trong đất Cặp thông số cường độ - thời gian mưa thường được sử dụng để xác định ngưỡng gây ra trượt đất Ngưỡng mưa cấp độ vùng được thiết lập bằng cách sử dụng dữ liệu thống kê mối quan hệ giữa tổng lượng mưa, thời gian mưa, cường độ mưa, lịch sử mưa và sự kiện trượt đất [53] Ngưỡng này xác định cận trên của điều kiện mưa mà trượt đất không xảy ra, không căn cứ vào địa chất, địa hình và mức độ che phủ

Như đã phân tích ở trên, ngưỡng mưa áp dụng cảnh báo ở quy mô vùng Do mưa phân bố không đồng đều theo không gian và sự khác biệt về đặc điểm địa chất, địa hình, điều kiện thủy văn, cảnh báo dựa trên ngưỡng mưa đã bỏ qua cơ chế gây ra sạt lở đất và ảnh hưởng của quá trình thấm dẫn đến sự mất ổn định Đối với quy mô cục bộ, cảnh báo dựa trên ngưỡng mưa có xác suất cảnh báo đúng không cao [102, 135, 144] Do đó, cảnh báo trên phạm vi cục bộ cần dựa trên điều kiện cụ thể của từng sườn dốc

Quan hệ giữa trượt đất và tốc độ dịch chuyển sườn dốc đã được nghiên cứu để cảnh báo [30, 37, 132] Dịch chuyển sườn dốc là một dấu hiệu điển hình của trượt đất, thể hiện sự thay đổi phức tạp trong thân dốc Tuy nhiên, mối quan hệ giữa ngưỡng dịch chuyển với sự kiện trượt đất không đồng nhất tại các sườn dốc, mô hình dự báo dựa trên dịch chuyển cần được điều chỉnh dựa trên quan trắc [23, 82]

Cảnh báo dựa trên mô hình số phân tích mối quan hệ giữa lượng mưa, áp lực nước lỗ rỗng, tính chất đất đá và độ ổn định của sườn dốc Trượt đất xảy ra được kích hoạt bởi hoạt động thủy văn dưới bề mặt dốc, các phép đo trực tiếp hàm lượng nước trong đất cho phép cải thiện ngưỡng cho hệ thống giám sát và cảnh báo sớm do mưa Mô hình số phù hợp để đánh giá định lượng ảnh hưởng của các thông số riêng lẻ góp phần gây ra trượt đất ở quy mô cục bộ Tuy nhiên, mô hình số đòi hỏi phải có thông tin đầy đủ, chính xác và cập nhật các thông số sườn dốc

Ngưỡng cảnh báo thường được xác định bởi chuyên gia thông qua quan sát, đánh giá dữ liệu thống kê, mối tương quan giữa các loại dữ liệu mà không dựa trên một cơ sở toán học chặt chẽ [62] Ví dụ, ngưỡng được thiết lập thông qua thống kê trượt đất và dữ liệu quan trắc ở cấp vùng hoặc qua phân tích dữ liệu giám sát tại các

thời điểm có nguy cơ trượt đất với sự hỗ trợ, diễn giải bởi chuyên gia Các hệ thống được xây dựng mở để có thể thay đổi giá trị của ngưỡng khi có dữ liệu mới

1.4 Thách thức xây dựng hệ thống giám sát cảnh báo trượt đất do mưa 1.4.1 Nghiên cứu tại Việt Nam

Việt Nam nằm ở vùng có lượng mưa trung bình năm từ 3000 – 4500 mm/năm, mật độ bão và áp thấp nhiệt đới hàng năm lớn, tần suất trung bình từ 5 đến 10 cơn bão và áp thấp nhiệt đới [177] Tỉ lệ địa hình đồi núi chiếm ¾ diện tích, phân bố dọc từ Bắc vào Nam Biến đổi khí hậu và khai thác tài nguyên, chặt phá rừng, đào đắp xây dựng cơ sở hạ tầng là những nguyên nhân làm gia tăng số vụ trượt đất Theo thống kê, đa số trượt đất đều xảy ra sau những đợt mưa lớn, kéo dài [42, 125] Số liệu thống kê, đánh giá mức độ thiệt hại, quy mô của hiện tượng thiên nhiên này còn tản mạn, sơ sài [6] Tuy vậy, số liệu cũng cho thấy phần nào quy mô, mức độ thiệt hại do trượt đất đối với tính mạng người dân, cơ sở hạ tầng, công trình kinh tế

Các đề tài chủ yếu tiếp cận theo hướng nghiên cứu nguyên nhân, đánh giá rủi ro trượt đất trên diện rộng dựa trên phân tích tính chất đất đá, địa hình, địa mạo, thủy văn, lượng mưa trung bình năm, mật độ đứt gãy và hiện trạng sử dụng đất [3]; thực hiện thí nghiệm, mô phỏng quá trình hình thành và vận động của trượt đất để đánh giá rủi ro trượt đất; giám sát dài hạn, xây dựng bản đồ phân vùng tai biến trượt đất và đánh giá vùng có nguy cơ xảy ra trượt đất; đề xuất giải pháp công trình và phi công trình để phòng tránh thiệt hại do trượt đất [4] Đánh giá nguyên nhân và dự báo nguy cơ trượt đất sườn dốc dọc theo các tuyến giao thông, lắp đặt hệ thống cảnh báo sớm [13, 170] Kỹ thuật viễn thám cũng được áp dụng xây dựng bản đồ dịch chuyển đất theo thời gian để giám sát và đánh giá trượt đất [5] Cảnh báo và giám sát dài hạn trên diện rộng sử dụng bản đồ số GIS kết hợp ảnh vệ tinh [125]

Một số bài báo công bố gần đây trình bày việc triển khai lắp đặt các trạm quan trắc phục vụ cảnh báo trượt đất sớm [13] Chinh và cộng sự [94] đã phát triển hệ thống WSN phát hiện trượt đất do mưa Dữ liệu thu được từ các SN được tổng hợp và gửi lên máy chủ cơ sở dữ liệu Hệ thống có khả năng chuyển đổi giữa 2 cấu hình

mạng giúp nâng cao độ ổn định của hệ thống trong trường hợp sườn dốc mất ổn định Ngưỡng mưa được sử dụng để chuyển đổi cấu hình mạng tương ứng với 2 kịch bản hoạt động

Nghiên cứu [95] áp dụng giải pháp lấy mẫu nén cho bộ truyền/nhận không dây trong hệ thống cảnh báo trượt đất Phương pháp giúp giảm số lượng mẫu được truyền, do đó giảm mức tiêu thụ năng lượng tại SN Các tác giả sử dụng một chuỗi hệ số được tạo ngẫu nhiên để mã hóa và tái tạo tín hiệu gốc Giải pháp này đòi hỏi số lượng phép tính lớn và yêu cầu cấu hình phần cứng cao tại SN

Nhìn chung, nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát, cảnh báo trượt đất ở Việt Nam còn hạn chế Việc thiết kế, xây dựng hệ thống quan trắc, cảnh báo tức thời nhằm ngăn ngừa và giảm thiểu thiệt hại do trượt đất còn rất mới mẻ tại Việt Nam Luận án này kế thừa các kết quả của nhóm nghiên cứu [94, 95] và phát triển các giải pháp để nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống EWMRIL

1.4.2 Nghiên cứu trên thế giới

Nghiên cứu về trượt đất có nhiều tiến triển, làm sáng tỏ mối liên hệ giữa sự kiện trượt đất và các yếu tố ảnh hưởng, dấu hiệu nhận biết, biến dạng sườn dốc trước và trong sự kiện trượt đất Iverson và cộng sự [64] đã thực hiện thí nghiệm tìm mối quan hệ giữa thành phần chuyển động và trượt đất Số liệu cho thấy rằng, mặc dù tốc độ dịch chuyển khác nhau phụ thuộc điều kiện ban đầu của khối trượt, chuyển động nghiêng có thể được sử dụng như dấu hiệu khởi đầu của sự cố trượt đất L Maurizio [80] phân tích thông tin của 326 vụ trượt đất chỉ ra mối quan hệ của trượt đất với lịch sử thay đổi độ ẩm đất Phân tích cho thấy sự liên hệ giữa sự kiện trượt đất và lịch sử mưa trước đó [135] Benjamin Mirus [93] sử dụng lịch sử độ ẩm đất kết hợp kết quả đo trực tiếp từ đầu dò hàm lượng thể tích nước trong đất để cải thiện ngưỡng cảnh báo Sun J.Ping [120] phân tích mối quan hệ giữa tính thấm do mưa và mất ổn định sườn dốc Kanungo D P phát triển mô hình số phân tích ổn định sườn dốc [71] Huggel và Thiebes tích hợp mô hình ổn định sườn dốc vào hệ thống cảnh báo sớm trượt đất [61, 127] Trên cơ sở kết quả nghiên cứu đó, mô hình hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt đất được cải tiến từ đơn giản đến phức tạp

Nhóm nghiên cứu của Towhata đã xây dựng một hệ thống cảnh báo giá rẻ cho trượt đất nông, quy mô nhỏ [126] Dựa trên mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm, tác giả nhận thấy có mối quan hệ rõ ràng giữa dịch chuyển và áp suất nước trong đất Mặt khác, hiện tượng trượt đất bắt đầu ở dưới chân dốc nơi hàm lượng ẩm đạt mức độ cao nhất Hệ thống gồm cảm biến đo nghiêng, cảm biến đo độ ẩm, bộ điều khiển và pin được lắp đặt trong một ống thép Thiết bị được đặt dưới chân dốc và gửi tín hiệu cảnh báo tới trạm trung tâm để xử lý thông qua kết nối Internet hoặc mạng điện thoại Cảnh báo được đưa ra nếu dữ liệu từ thiết bị đo nghiêng hoặc độ ẩm vượt quá một ngưỡng đặt trước Đây là một hệ thống cảnh báo đơn giản, giá thành thấp, dễ dàng triển khai và sản xuất hàng loạt Mặc dù phép đo thông số đất tại vị trí đơn lẻ là hữu ích, để kết luận một cách đáng tin cậy khả năng xảy ra lở đất ở một vị trí nhất định phải căn cứ đặc tính của đất trên một khu vực có kích thước phù hợp Các mô hình phân tích và thực tế đã chỉ ra rằng, khối trượt đối với một sườn dốc cụ thể là không cố định, phụ thuộc vào các đứt gãy tồn tại trong thân dốc và ảnh hưởng bởi diễn biến mưa [76] Việc đặt thiết bị đo ở chân dốc không phát hiện được diễn tiến chuyển động quay ở phía trên thân dốc trước khi trượt đất, đồng thời có thể không cảnh báo được trượt đất khi khối trượt xảy ra phía trên Do đó, phân bố cột cảm biến theo không gian trên sườn dốc để có thể phát triển các hệ thống dự báo và cảnh báo trượt đất là cần thiết Mặt khác, mỗi sườn dốc có tính chất đất đá, địa hình khác nhau, thậm chí thay đổi theo thời gian, việc cảnh báo mà không xét đến những đặc điểm này sẽ dẫn đến sự phù hợp giữa cảnh báo và trượt đất không cao

Uchimura và cộng sự [132, 211] thiết kế hệ thống cảnh báo sớm trượt đất do

mưa dựa trên kết quả nghiên cứu về dấu hiệu dịch chuyển, tăng tốc trên bề mặt trượt và gia tăng tỉ lệ bão hòa nước trong đất trước khi trượt đất xảy ra Tác giả thiết kế hai loại cột cảm biến đo nghiêng: loại thứ nhất đo góc nghiêng trên bề mặt dốc, loại thứ hai gồm nhiều đoạn đo góc nghiêng dưới mặt đất Độ phân giải cảm biến góc nghiêng 0.00250 và độ phân giải của cảm biến đo thể tích nước trong đất 0.1% Khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu là 10 phút SN được phân bố trên mặt dốc, kết nối không