Mô hình hóa và mô phỏng trượt đất gây ra do mưa

Các yếu tố ảnh hưởng tới sự ổn định của sườn dốc là toàn bộ những yếu tố tự nhiên và nhân tạo có tác dụng hỗ trợ cho quá trình phá hoại sự cân bằng của khối đất đá xảy ra được dễ dàng [3

ĐẠI HỌCQUỐC GIA HÀNỘI TRƯỜNGĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LUẬNVĂNTHẠCSĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRẦN ĐỨC TÂN

Hà Nội– 2015

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình làm luận văn thạc sỹ, tôi đã đọc và tham khảo rất nhiều loại tài liệu khác nhau từ sách giáo trình, sách chuyên khảo cho đến các bài báo đã được đăng tải trong và ngoài nước.Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính thống, chân thực, những kết quả nghiên cứu đã đạt được trong luận văn không sao chép từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức.Những kết quả đó là những gì tôi đã nghiên cứu, tích lũy trong suốt thời gian làm luận văn

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài liệu khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

HỌC VIÊN

TỐNG ANH ĐỨC

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận văn em đã nhận được sự giúp

đỡ tận tình và chu đáo của các Thầy, Cô giáo trong Khoa Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội

Đề tài nghiên cứu với tiêu đề: “Mô phỏng và mô hình hóa trượt đất gây ra

do mưa” đã được triển khai thực hiện và hoàn thành với một số kết quả thu được

có khả năng ứng dụng trong thời gian tới trong điều kiện thực tiễn hiện nay

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Trần Đức Tân, người

đã trực tiếp hướng dẫn em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn với tất

cả lòng nhiệt tình, chu đáo, ân cần cùng với thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc và thẳng thắn của một nhà khoa học uy tín, mẫu mực Em cũng xin gửi lời cảm

ơn tới các thầy trong bộ môn Vi cơ điện tử và Vi cơ hệ thống, Khoa Điện tửviễn thông, Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho em

Em xin cảm ơn sự hỗ trợ của đề tài “Giám sát và cảnh báo sớm trượt lở đất ở Việt Nam” do quỹ ISIF ASIA tài trợ đã giúp đỡ để em đạt được kết quả luận văn ngày hôm nay

Mặc dù em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình

và nỗ lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy cô và các bạn

HỌC VIÊN

TỐNG ANH ĐỨC

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

LỜI MỞ ĐẦU 8

Chương 1

THỰC TRẠNG CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM9 1.1 Đặt vấn đề 9

1.2 Khái niệm, nguyên nhân và một số yếu tố ảnh hưởng tới trượt đất 11

1.2.1.Khái niệm và một số dạng trượt lở đất chủ yếu 11

1.2.2 Nguyên nhân và một số yếu tố ảnh hưởng đến trượt đất 13

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TÍNH TOÁN 16

2.1.Cơ sở lý thuyết của các phương pháp tính ổn định mái dốc trong chương trình phần mềm SLOPE/W 16

2.1.1 Mái dốc và ổn định mái dốc 16

2.1.2 Phương trình cân bằng của khối đất trượt 18

2.1.2.1 Các giả thiết tính toán 18

2.1.2.2 Hệ số an toàn cân bằng momen 23

2.1.2.3 Hệ số an toàn cân bằng lực 23

2.1.3 Các phương pháp tính ổn định mái dốc 23

2.1.3.1 Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát 23

2.1.3.2 Phương pháp của K Terxagi 24

2.1.3.3 Phương pháp của A.V Bishop 26

2.1.3.4 Phương pháp của Nichiprovich 27

2.1.3.5 Phương pháp của G.B Janpu 28

2.1.3.6 Phương pháp dựa trên lý thuyết độ ẩm 28

2.2 Phương pháp phân tích thấm trong chương trình phần mềm SEEP/W 29

2.2.1 Định luật về thấm và các phương trình cơ bản 29

2.2.2 Cơ sở lý thuyết của SEEP/W 31

2.2.2.1 Dòng thấm trong đất bão hòa/không bão hòa tuân theo định luật Darcy 31

2.2.2.2 Phương trình thấm 31

2.2.3 Giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn 32

Chương 3

THIẾT KẾ VÀ MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG TRƯỢT ĐẤT GÂY RA DO MƯA DÙNG PHẦN MỀM GEO-SLOPE 35

3.1 Mô hình 35

3.1.1 Mô hình 35

3.1.2 Các thông số kỹ thuật 36

3.1.3 Trình tự thực hiện mô phỏng 36

3.1.3.1.Thực hiện mô phỏng SEEP/W 36

3.1.3.2 Thực hiện mô phỏng SLOPE/W 44

3.2 Kết quả mô phỏng 47

3.2.1 Kết quả chạy mô phỏng qua phần mềm SEEP/W với q = 1.5x10-6 m/s 47

3.2.1.1 Véc tơ tốc độ và các đường thấm 47

3.2.1.2 Đồ thị áp lực lực nước lỗ rỗng 48

3.2.1.3 Các đường đẳng trị áp lực nước lỗ rỗng 48

3.2.2 Kết quả chạy mô phỏng qua phần mềm SEEP/W với q = 3.5x10-6 m/s 49

3.2.2.1 Véc tơ tốc độ và các đường thấm 49

3.2.2.2 Đồ thị áp lực lực nước lỗ rỗng 50

3.2.2.3 Các đường đẳng trị áp lực nước lỗ rỗng 50

3.2.3 Kết quả chạy mô phỏng qua phần mềm SLOPE/W 51

3.2.3.1 Các kết quả chạy phần mềm mô phỏng SLOPE/W khi thay đổi lưu lượng mưa q 51

3.2.2.2 Bảng tổng hợp kết quả khi thay đổi lưu lượng mưa q 56

3.3 Tích hợp mô hình mô phỏng với WS3000 58

3.3.1 Sơ đồ tích hợp mô hình mô phỏng với thiết bị WS-3000 58

3.3.2 Thiết bị đo WS-3000 58

KẾT LUẬN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Mặt cắt ngang một mái dốc 16

Hình 2.2 : Lực tác động trên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt tròn 19

Hình 2.3:Lực tác động trên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt tổ hợp 20

Hình 2.4:Lực tác động trên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt đặc biệt 22 Hình 2.5 Sơ đồ tính toán ổn định công trình theo phương pháp K Terxaghi 25

Hình 2.6: Sơ đồ tính toán ổn định công trình theo phương pháp Bishop 27

Hình 2.7 Dòng thấm một hướng trong đất 29

Hình 2.8 Đường cong đặc trưng đất – nước 30

Hình 2.9 Tọa độ phần tử trong phương pháp phần tử hữu hạn 32

Hình 3.1 Mặt cắt tính toán 35

Hình 3.2: Thiết lập phạm vi làm việc 36

Hình 3.3: Thiết lập tỷ lệ 37

Hình 3.4 Lập khoảng ô lưới 38

Hình 3.5 Phác thảo bài toán 38

Hình 3.6 Hàm thấm của cát pha sét 39

Hình 3.7 Hàm thấm của đất sét 39

Hình 3.8 Tính chất vật liệu của các lớp đất 40

Hình 3.9 Thông số của phần tử hữu hạn 41

Hình 3.10 Mô hình sau khi tạo phần tử hữu hạn 41

Hình 3.11 Xác định các thông số biên mô hình 42

Hình 3.12 Mô hình chạy mô phỏng 43

Hình 3.13: Thông số phân tích SLOPE/W 44

Hình 3.14 Tính chất của các lớp đất 45

Hình 3.15: Bán kính mặt trượt, lưới tâm trượt 46

Hình 3.16 Véc tơ tốc độ và các đường thấm 47

Hình 3.17 Đồ thị áp lực nước lỗ rỗng 48

Hình 3.18 Đường đẳng trị áp lực nước lỗ rỗng 48

Hình 3.19 Véc tơ tốc độ và các đường thấm 49

Hình 3.20 Đồ thị áp lực nước lỗ rỗng 50

Hình 3.21 Đường đẳng trị áp lực nước lỗ rỗng 50

Hinh 3.22 Hệ số an toàn nhỏ nhất với q=10-6 m/s 51

Hình 3.23 Hệ số an toàn nhỏ nhất với q =1.5x10-6 m/s 52

Hình 3.24 Hệ số an toàn nhỏ nhất với q =2x10-6 m/s 53

Hình 3.25 Hệ số an toàn nhỏ nhất với q =2.5x10-6 m/s 54

Hình 3.26 Hệ số an toàn nhỏ nhất với q =3x10-6 m/s 55

Hình 3.27 Hệ số an toàn nhỏ nhất với q =3.5x10-6 m/s 56

Hình 3.28 Hệ số an toàn khi thay đổi lưu lượng mưa 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân loại trượt lở chính (theo Varnes D.J.) 12Bảng 3.1: Thông số các lớp đất 36Bảng 3.2: Một số kết quả khi thay đổi lưu lượng mưa 57

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, ở nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt nam với sự xuất hiện thường xuyên của thảm họa trượt lở đất đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cho cuộc sống và tài sản của người dân.Việc cảnh báo trượt lở kịp thời có ý nghĩa rất lớn trong việc giảm thiểu những thiệt hại Ở Việt Nam, những

vụ trượt lở đất gần đây tại một số tỉnh như Hòa Bình, Yên Bái, Lào Cai, Hà Giang,…đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cả về người và tài sản Chính vì vậy các nước trên thế giới, trong đó có Việt nam đã và đang tiến hành những dự án,

đề tài về cảnh báo trượt lở đất

Để xác định tình trạng và đưa ra những cảnh báo trượt lở đất chính xác, chúng ta cần phải mô phỏng được hiện tượng trượt đất gây ra do các yếu tố tác động, trong đó có trượt đất gây ra do mưa Trên cơ sở đó, nội dung nghiên cứu thực hiện trong luận văn này trình bày về mô phỏng và mô hình hóa hiện tượng trượt đất gây ra do mưa phục vụ các hệ thống cảnh báo trượt lở đất

Tuy nhiên do thời gian có hạn nên bản luận văn này chưa thể đề cập được đầy đủ mọi vấn đề liên quan, và chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót

Em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp để em có thêm những kiến thức quý báu cho những công việc trong tương lai

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 THỰC TRẠNG CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT

NAM

1.1 Đặt vấn đề

Trượt lở đất là một trong những loại hình thiên tai phổ biến nhất trên thế giới

và Việt Nam Ba phần tư lãnh thổ Việt Nam thuộc khu vực miền núi, có địa hình

sườn dốc cao, hoạt động phát triển kinh tế - xã hội chưa được qui hoạch hợp lý, nên

các hiện tượng trượt lở đất, lũ bùn đá và lũ quét thường xảy ra Những năm gần

đây, các loại hình thiên tai này xảy ra với tần suất và cường độ ngày càng tăng, gây

ra những thiệt hại nghiêm trọng cả về người và tải sản Theo thống kê, chỉ trong

thời gian từ năm 2000 đến nay đã có hàng trăm vụ trượt lở đất lớn nhỏ xảy ra ở

nhiều quốc gia trên thế giới gây thiệt hại nghiêm trọng Điển hình như vụ trượt lở

đất vào ngày 9 tháng 11 năm 2001 ở đồi Amboori, bang Kerala nằm ở miền Nam

của Ấn độ gây hậu quả 40 người bị chết Hay vụ lở đất bất thường có quy mô lớn

với khối lượng đất đá khoảng 200 triệu m3, chiều rộng khoảng 1.600m, và chiều

cao khoảng 750 m đã xảy ra vào ngày 26 tháng 3 năm 2004, vào lúc 13:45 giờ địa

phương, trên bức tường dốc của miệng núi lửa trên sườn phía tây bắc núi

Bawakaraeng (có độ cao 2830m) ở đầu nguồn sông Jeneberang, phía Nam

Sulawesi, Indonesia Các mảnh vỡ lở kéo dài khoảng 7 km từ đầu nguồn và chôn

vùi các thung lũng, sông ngòi và nhà cửa, hậu quả là 32 người đã bị chết Vào ngày

10 tháng 1 năm 2005, một vụ lở đất xảy ra ở La Conchita, bang California, Mỹ đã

phá hủy hoàn toàn 36 ngôi nhà và giết chết 10 người Ngày 17 tháng 2 năm 2006,

một vụ trượt lở nghiêm trọng khác đã xảy ra ở đảo Leyte, Philippin, vụ trượt lở bắt

nguồn từ một dốc đứng cao 450m, một khối rừng lớn trượt lở và quét xuống phía

dưới khu thung lũng sông Himbungao, nơi tập trung dân cư đông đúc Vụ trượt lở

gây thảm họa vô cùng nghiêm trọng, chôn vùi toàn bộ ngôi làng Guinsaugon, hậu

quả hơn 1100 người đã bị chết Tháng 6 năm 2007, ở thành phố Chittagong,

Bangladesh, một vụ sạt lở đất đá tương tự đã xảy ra, nguyên nhân do việc cắt xén

bừa bãi các ngọn đồi làm gia tăng nguy cơ trượt lở, dẫn đến sự biến mất của hàng

trăm ngọn đồi, gây ô nhiễm môi trường và đã giết chết ít nhất 120 người dân sống ở

khu vực lân cận Năm 2010, một số nước như Pakistan, Bồ Đào Nha, Uganda,

Trung Quốc và Canada cũng xảy ra các vụ trượt lở đất gây thiệt hại về cả người và tài sản Chỉ tính riêng trong năm 2014, thế giới đã có 5 vụ trượt lở đất nghiêm trọng, đầu tiên là vụ trượt lở đất ngày 22 tháng 3 xảy ra ở Oso, Washington, nước

Mỹ gây ra cái chết cho 43 người dân thường Ngày 2 tháng 5, một vụ trượt lở đất khác xảy ra ở Badakhshan, một tỉnh miền Đông Bắc Afghanistan, hậu quả là chôn vùi toàn bộ ngôi làng, khoảng 500 người đã thiệt mạng và 4000 người phải di chuyển đi nơi khác sinh sống Sau đó, vào ngày 30 tháng 7, một vụ trượt lở đất đá khác đã xảy ra ở quận Pune, bang Maharashtra, Ấn độ gây hậu quả cuốn trôi hơn

50 ngôi nhà, 136 người đã thiệt mạng và hơn 100 người bị mất tích Ngày 2 tháng

8, một vụ trượt lở đất tồi tệ ở Nepal đã gây hậu quả làm chết hơn 156 người Ngày

20 tháng 8, tại tỉnh Hiroshima, Nhật Bản, một vụ trượt lở đất cũng đã tấn công một khu dân cư, làm cho các ngôi nhà bị chôn vùi dưới lớp bùn đất và đá Ít nhất đã có

32 người bị thiệt mạng và nhiều người khác bị mất tích Trượt lở đất là một nguy

cơ liên tục ở vùng miền núi, phía đông Nhật Bản, nơi có nhiều ngôi nhà được xây dựng trên hoặc gần các sườn dốc, và có lượng mưa lớn hàng năm Gần đây nhất là

vụ trượt lở đất ngày 27 tháng 8 tại làng Yingping ở tỉnh Quý Châu, Trung Quốc Hậu quả là 77 ngôi nhà đã sập hoặc bị chôn vùi hoàn toàn, có 6 người đã thiệt mạng và hơn 20 người vẫn còn mất tích [1].

Theo số liệu thống kê, từ năm 2000 đến 2014 đã xảy ra 250 đợt lũ quét, sạt

lở ảnh hưởng tới các vùng dân cư, làm chết và mất tích 646 người, bị thương gần

351 người; hơn 9.700 căn nhà bị đổ trôi; hơn 100.000 căn nhà bị ngập, hư hại nặng; hơn 75.000 ha lúa và hoa màu bị ngập; hàng trăm ha đất canh tác bị vùi lấp; nhiều công trình giao thông, thuỷ lợi, dân sinh kinh tế bị hư hỏng nặng nề, tổng thiệt hại ước tính trên 3.300 tỷ đồng Các tỉnh thường xuyên xảy ra lũ quét, sạt lở đất nhất gồm: Lào Cai, Hà Giang, Lai Châu, Sơn La, Cao Bằng, Bắc Cạn, Yên Bái, Nghệ

An, Hà Tĩnh, Quảng Nam, Kon Tum, Gia Lai, Đắc Lắc, Bình Thuận [2]

Một số trận sạt lở đất điển hình trong những năm qua như sau:

- Sạt lở đất núi tại tỉnh Lào Cai năm 2004 đã làm 22 người chết và mất tích

và 16 người bị thương, trong đó có hộ cả gia đình thiệt mạng

- Lũ, lũ quét, sạt lở đất sau bão số 4 và số 6, tại Lào Cai, Yên Bái năm 2008 làm 120 người chết và mất tích

- Sạt lở đất tại xã Pắc Nậm, Bắc Kạn năm 2009 làm 13 người chết và mất tích, 5 người bị thương

- Sạt lở đất năm 2014: Do ảnh hưởng của hoàn lưu bão số 2 và mưa lớn đã xảy ra các trận lũ quét và sạt lở đất trên địa bàn các tỉnh miền núi (Hà Giang, Lai Châu, Cao Bằng, Sơn La…) làm chết và mất tích 24 người, trong đó có 2 gia đình

ở thị trấn Tam Đường và huyện Hoàng Su Phì bị thiệt mạng tới 5 người trong nhà

Trên thế giới, việc nghiên cứu tai biến địa chất được đầu tư rất sớm, nhiều phương pháp khoa học tiên tiến đã được áp dụng vào công tác dự báo nguy cơ thảm họa trượt lở đất Ở Việt Nam, vấn đề này mới chỉ được chú trọng khoảng 15 năm gần đây khi thảm họa thiên tai xảy ra thường xuyên hơn Các nghiên cứu về trượt

lở đất ở Việt Nam mới chỉ áp dụng trên diện rộng, tỷ lệ nhỏ, chủ yếu phân vùng dự báo định tính, còn rất thiếu các công trình điều tra đủ chi tiết để hỗ trợ hiệu quả hơn công tác quy hoạch, cảnh báo nguy cơ và chỉ đạo điều hành phòng chống thiên tai, giảm nhẹ thiệt hại trong bối cảnh biến đổi khí hậu

Chính vì vậy việc nghiên cứu trượt đất nói chung và trượt đất do ảnh hưởng của mưa nói riêng là một vấn đề cấp bách và mang tính thời sự Nội dung được trình bày trong luận văn này nghiên cứu, mô phỏng và mô hình hóa về quá trình trượt đất gây ra do mưa Một mô hình ví dụ đã được dùng để kiểm tra quá trình thay đổi hệ số ổn định trong quá trình mưa Kết quả nghiên cứu là nền tảng để giải thích quá trình mất ổn định mái dốc do mưa giúp cho công tác cảnh báo khu vực dễ mất ổn định khi mưa cũng như giúp cho công tác phòng chống trượt lở đất an toàn 1.2 Khái niệm, nguyên nhân và một số yếu tố ảnh hưởng tới trượt đất

1.2.1.Khái niệm và một số dạng trượt lở đất chủ yếu

Trượt đất là hiện tượng và quá trình dịch chuyển một phần đất so với phần kia theo một bề mặt, do sự mất cân bằng về trọng lượng Đặc điểm quan trọng của chuyển dịch trượt là không mất sự tiếp xúc giữa phần đất di động và phần đất không di động của sườn hoặc mái dốc Bề mặt trực tiếp và phân cách giữa hai phần

đó là mặt trượt.[16]

Trượt lở có thể xảy ra trên sườn dốc tự nhiên hoặc sườn (bờ/mái) dốc nhân tạo dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và một số nhân tố phụ trợ khác, như: áp lực của nước mặt và nước dưới đất, lực địa chấn và một số lực khác[3]

Sự dịch chuyển sườn dốc rất đa dạng và có nhiều cách phân loại khác nhau [4,5,15, 17] Theo dạng chuyển động, Varnes D.J, [17] chia làm 5 nhóm chính (bảng 1.1), như: sập lở, lật, trượt, ép trồi và chảy - trượt dòng Loại thứ 6 là loại trượt phức tạp

Bảng 1.1 Phân loại trượt lở chính (theo Varnes D.J [17])

Kiểu chuyển dịch

Loại đất đá

Đá

Đất Đất vụn rời Đất dính

Sụt lở (falls) Lở đá Sập, sụt đất

vụn rời

Sập, sụt đất dính

Lật (topples) Lật khối đá Lật khối

đất vụn rời

Lật khối đất dính

Trượt

(slides)

Có sự xoay (sự dịch chuyển đất

đá theo mặt cong)

Ít khối, tảng

Có sự xoay của khối đá

Có sự xoay của khối đất vụn rời

Có sự xoay của khối đất dính

Conxekven (đất đá dịch chuyển theo

1 hoặc vài mặt yếu có sẵn trong khối đất đá)

Dịch chuyển từng tảng của khối đá

Dịch chuyển từng tảng đất rời theo mặt trượt

Dịch chuyển từng tảng đất dính theo mặt trượt

Nhiều khối, tảng

Dịch chuyển của khối đá theo mặt yếu

Dịch chuyển của khối đất rời theo mặt trượt

Dịch chuyển của khối đất dính theo mặt trượt

Trượt ép trồi (lateral spreads) Dịch chuyển

của khối đá

Dịch chuyển của

Dịch chuyển của

theo một khối có vùng vò nhàu và ép trồi

khối đất rời theo đất dính với sự

ép trồi

khối đất dính với sự

ép trồi

Trượt dòng (flows)

Dòng chảy của tảng, khối đá

Dòng chảy của khối vật liệu rời

Dòng chảy của khối đất dính

Trượt phức hợp (complex) Kết hợp 2 hoặc nhiều hơn các kiểu

chuyển dịch trên

1.2.2 Nguyên nhân và một số yếu tố ảnh hưởng đến trượt đất

Nguyên nhân gây trượt có thể hoặc là do độ bền của đất đá bị giảm đi, hoặc

là do trạng thái ứng suất ở sườn dốc bị thay đổi, hoặc do cả hai nguyên nhân trên làm cho điều kiện cân bằng của khối đất đá ở sườn dốc bị phá hủy [6, 7] Một sự cố trượt sẽ xảy ra khi mà thế cân bằng giữa kháng lực của đất đá hình thành trên sườn dốc đối với trọng lực của chúng nghiêng về phía trọng lực

Các yếu tố ảnh hưởng tới sự ổn định của sườn dốc là toàn bộ những yếu tố tự nhiên và nhân tạo có tác dụng hỗ trợ cho quá trình phá hoại sự cân bằng của khối đất đá xảy ra được dễ dàng [3] Trong những trường hợp thường gặp nhất các yếu

tố này này có thể bao gồm các yếu tố tự nhiên, như đặc điểm địa chất (địa tầng, kiến tạo, đứt gãy, nứt nẻ, chỉ tiêu cơ lý của đất đá, đặc điểm nước dưới đất, các quá trình và hiện tượng địa chất động lực công trình ), các điều kiện địa lý tự nhiên (địa hình, địa mạo, khí tượng, thủy văn ), các yếu tố thời gian và các yếu tố nhân sinh (phá rừng, các loại ngoại lực do con người tác dụng lên sườn dốc, mức độ đúng đắn của phương án thiết kế, công nghệ và tiến độ thi công bờ dốc nhân tạo ) Ảnh hưởng xấu của các yếu tố trên làm giảm khả năng chống trượt của khối đất đá ở sườn dốc, thay đổi trạng thái ứng suất trong khối đất đá.Các yếu tố đó kết hợp đan xen với nhau tạo nên các cơ chế mất ổn định sườn dốc khác nhau

+ Đặc điểm địa chất:

Trong quá trình hình thành và tồn tại, đất đá đã trải qua những chu kỳ hoạt động kiến tạo phức tạp, các lớp đất đá bị nâng - hạ, uốn lượn, vò nhàu, cà nát và

phân cách bởi các hệ đứt gãy, nứt nẻ khác nhau, tạo nên các mặt yếu trong khối đất

đá ở sườn dốc Sự ổn định của sườn dốc phụ thuộc nhiều vào thế nằm và tính chất

cơ học của các mặt yếu này.Những trường hợp mà mặt phân lớp của các loại đá sét, các đứt gẫy, các hệ khe nứt lớn cắm vào phía không gian của sườn dốc là những trường hợp tiềm ẩn nguy cơ trượt lở Cùng với các quá trình nội sinh, các hiện tượng và quá trình địa chất động lực công trình ngoại sinh như phong hoá, cactơ, dịch chuyển đất đá trên sườn dốc, rửa trôi bề mặt và mương xói, xói ngầm và cát chảy, xâm thực cũng có tác động đáng kể đến quá trình trượt lở ở khu vực này

+ Đặc điểm địa hình, địa mạo: bao gồm yếu tố độ dốc sườn, hình dạng sườn, hướng dốc và độ cao Độ dốc sườn có sự liên quan chặt chẽ tới sự khởi đầu của các sự cố trượt

Theo kinh nghiệm [8], trượt lở ít khi xảy ra trên sườn dốc nhỏ hơn 15o, trên các sườn có góc dốc 150 - 250 trượt lở xảy ra thưa, dải đồi núi có góc dốc hơn

250 thường phát sinh nhiều trượt lở và với góc dốc 300 - 350 và lớn hơn, trượt lở xảy ra rất mãnh liệt Như vậy, ba dạng đầu có địa hìnhphân cắt mạnh, độ cao tuyệt đối của địa hình từ 1.000 đến 2.500m.Chiều sâu phân cắt của địa hình lớn nhất 1.000 - 1.200m.Các sông suối bắt nguồn từ sườn các hệ thống núi cao nên lòng sông suối thường dốc và có dạng chữ V Sườn sốc của địa hình từ 30 đến 60o.Các dạng địa hình này rất thuận lợi cho các quá trình trượt lở.Yếu tố hình dạng sườn có ảnh hưởng lớn tới độ ổn định sườn trong những vùng địa hình dốc.Yếu tố hướng dốc và độ cao có ảnh hưởng tới các quá trình thủy văn thông qua sự bốc hơi nước, ảnh hưởng đến các quá trình phong hóa và làm tăng sự mất ổn định của sườn dốc

+ Đặc điểm khí tượng thủy văn:

Khí hậu nhiệt đới nóng ẩm làm tăng tốc độ phong hóa của đất đá ở bề mặt bờ dốc, do đó làm giảm độ bền của đất đá Dưới tác dụng của các dòng chảy mặt, bề mặt bờ dốc sẽ bị bào mòn, các công trình bảo vệ bờ bị phá hoại, do đó khả năng mất ổn định của sườn dốc tăng lên

Lượng mưa lớn kéo dài là nguồn bổ sung quan trọng cho nước dưới đất Một mặt làm giảm độ bền khối đất đá bờ dốc, mặt khác làm thay đổi trạng thái ứng suất theo hướng có hại cho ổn định bờ dốc Do vậy, cùng với mưa lớn, hiện tượng trượt

lở phát triển mạnh mẽ Nhiều vụ trượt lở lớn ở nước ta liên quan tới các trận mưa lớn và nhiều khu vực trượt lở thường trùng với những vùng có lượng mưa lớn

+ Yếu tố thời gian:

Sự ảnh hưởng của yếu tố thời gian tới trượt lở sườn dốc thể hiện ở quá trình lưu biến và quá trình phong hóa.Thời gian tồn tại càng lâu thì quá trình phong hóa càng có điều kiện phát triển.Bên cạnh đó, khi sườn dốc càng cao ứng suất trong khối đá càng lớn.Nếu ứng suất vượt quá độ bền lâu dài của đá, khối đá gần sườn dốc có thể bị trượt lở sau nhiều năm tồn tại

+ Các hoạt động nhân sinh:

Hoạt động nhân sinh trực tiếp, gián tiếp cũng gây ra trượt đất như chặt phá rừng, canh tác nông nghiệp làm giảm độ che phủ của rừng, xây hồ chứa làm thay đổi mực nước dưới đất, xây dựng đường giao thông làm thay đổi thế cân bằng sườn dốc, nổ mìn khai thác vật liệu, khoáng sản [9]

Các hoạt động xẻ núi làm đường, lấy đá để xây dựng làm tăng độ dốc của sườn, đồng thời tăng khả năng làm mất ổn định sườn dốc.Việc chặt cây, phá rừng làm tăng khả năng xói mòn đất, làm giảm khả năng giữ đất của rễ cây, dẫn đến làm giảm đi khả năng thoát hơi nước của đất

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TÍNH TOÁN

2.1.Cơ sở lý thuyết của các phương pháp tính ổn định mái dốc trong chương

trình phần mềm SLOPE/W

2.1.1 Mái dốc và ổn định mái dốc

Mái dốc là khối đất có mặt giới hạn là mặt dốc (hình 2.1)

Mái dốc có thể phân thành hai loại: mái dốc tự nhiên và mái dốc nhân tạo

Mái dốc do tác động địa chất tạo thành gọi là mái dốc tự nhiên (sườn núi,bờ sông

v.v ) hoặc do tác động nhân tạo (ví dụ: taluy nền đường đào, nền đắp, hố móng,

thân đập đất, đê v.v ).[10]

Hình 2.1 trình bày mặt cắt ngang của một mái đất đồng nhất đơn giản

Hình 2.1: Mặt cắt ngang một mái dốc [10]

Tất cả các mái dốc đều có xu hướng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn,

cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định được quan

niệm là khi có xu hướng di chuyển và phá hoại Các lực gây mất ổn định liên quan

chủ yếu đến trọng lực và lực thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng mái dốc kết hợp với độ bền kháng cắt của đất và đá tạo nên Để đánh giá ổn định của mái dốc, về mặt lý thuyết hiện nay tồn tại nhiều phương pháp tính, nhưng

có thể gộp chúng thành hai nhóm phương pháp chính như sau [11]:

+ Nhóm phương pháp theo lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn ( giả thiết trước hình dạng của mặt trượt ) :

Đặc điểm của nhóm phương pháp dùng mặt trượt giả định là không căn cứ trực tiếp vào tình hình cụ thể của tải trọng và tính chất cơ lý của đất đắp để quy định mặt trượt cho mái dốc, mà xuất phát từ kết quả quan trắc lâu dài các mặt trượt của mái dốc trong thực tế để đưa ra giả thiết đơn giản hoá về hình dạng mặt trượt rồi từ đó nêu lên phương pháp tính toán, đồng thời xem khối trượt như là một vật thể rắn ở trạng thái cân bằng giới hạn

+ Nhóm phương pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn thuần tuý :

Nhóm lý thuyết này dựa trên giả thuyết chính cho rằng, tại mỗi điểm trong khối khối đắp đất đều thoả mãn điều kiện cân bằng giới hạn Việc một điểm mất ổn định được giải thích là do sự xuất hiện biến dạng trượt tại điểm đó Còn mái đất mất ổn định là do sự phát triển của biến dạng trượt trong một vùng rộng lớn giới hạn của khối đất đắp

Trong hai nhóm phương pháp nêu trên, "nhóm phương pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn thuần tuý " vẫn mô phỏng được gần đúng trạng thái ứng suất trong khối đất bị phá hoại, về mặt toán học mang tính logic cao, nhưng điểm hạn chế là chưa xét được biến dạng thể tích của khối đất, đồng thời là giải bài toán

ổn định của mái dốc theo phương pháp này chưa được áp dụng rộng rãi trong thực

tế Nhóm phương pháp "dùng mặt trượt giả định " tuy có nhược điểm là xem khối trượt như là một cố thể và được giới hạn bởi mặt trượt và mặt mái dốc, đồng thời xem trạng thái ứng suất giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trượt mà thôi, thực tế thì mặt trượt xảy ra rất phức tạp, phụ thuộc vào sự tác dụng của tải trọng ngoài, vào tính chất của các địa tầng và vào các yếu tố khác Tuy vậy tuỳ theo tình hình cụ thể của từng công trình, mà việc giả định trước các mặt trượt cho phù hợp, đồng thời nhóm phương pháp này tính toán đơn giản hơn và thiên về an toàn hơn so với nhóm phương pháp lý luận cân bằng giới hạn Chính vì thế thực tế hiện nay sử dụng phương pháp này để tính toán ổn định mái dốc được áp dụng rộng rãi hơn

Độ ổn định của mái dốc được đặc trưng bằng hệ số ổn định K và được định nghĩa là tỷ số giữa các lực chống trượt trên lực gây trượt Tỷ số này càng lớn thì khối đất có ổn định càng cao và hiện tượng trượt càng khó xảy ra.[12]

Kmin< 0.8: Khối đất có ổn định rất thấp, dễ xảy ra trượt

Kmin= 0.8 – 1.2: khối đất đang ở trạng thái cân bằng giới hạn

Kmin> 1.2: Khối đất ở trạng thái bền

2.1.2 Phương trình cân bằng của khối đất trượt

2.1.2.1 Các giả thiết tính toán

Phương trình cân bằng giới hạn được xác định dựa trên các giả thiết: Đất được xem như vật liệu tuân theo định luật Mohr – Coulomb Hệ số ổn định là như nhau cho tất cả các điểm trên mặt trượt.Trạng thái giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trượt [13]

Để lập phương trình cân bằng giới hạn của khối đất trượt các tác giả như K.E Pettecxonw, W Fellenlius, Bishop, Sokolovski, đều dựa vào công thức nổi tiếng của A.C Coulomb (Định luật Mohr – Coulomb) để xác định ứng suất cắt, sức chịu cắt được xác định [11]:

loạt những đường thẳng.Chia khối đất trượt ra thành nhiều cột thẳng đứng, mỗi cột đất được giới hạn bởi hai mặt phẳng thẳng đứngvà được xem như một vật rắn nguyên khối tựa lên trên cung trượt.Điểm khác nhau cơ bản giữa các phương pháp của các tác giả trên chính là việc giả thiết phương, vị trí tác dụng và giá trị của các lực tác dụng tương hỗ giữa các mảnh trượt bao gồm lực cắt và lực xô ngang giữa các mảnh

Phương trình cân bằng giới hạn được xác định trên các giả thiết:

+ Đất được xem như vật liệu tuân theo định luật Mohr - Coulomb

+ Hệ số ổn định ( hệ số an toàn ) như nhau cho tất cả các điểm trên mặt trượt + Trạng thái cân bằng giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trượt

Hình2.2 :Lực tác động trên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt tròn

[13]

Hình 2.3:Lực tác động trên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt tổ hợp

EL,ER-Lựcpháptuyếnbêntráivàbênphảicủamỗiphântốđất

XL,XR-Lựccắtbêntráivàbênphảicủamỗiphântốđất

d-Khoảngcáchvuônggóctừđườngtácdụngcủatảitrọngngoàiđếntâmcungtrượttrònhaytâmmômen

h–khoảng cách theo phương thẳng đứng từ tâm của đáy của mỗi mặt trượt tới đường trên cùng của hình (thông thường là mặt đất)

Hình 2.4:Lực tác động trên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt đặc biệt

[13]

Hình 2.4 thể hiện các lực tác dụng trên bề mặt trượt được xác định bởi một đoạn thẳng Tâm cân bằng momen là vô hình khi cả sự cân bằng lực à momen cùng thỏa mãn Tuy nhiên, khi chỉ momen cân bằng thỏa mãn thì điều quan trọng là lựa chọn một tâm nào đó cho sự cân bằn momen Đối với bề mặt trượt của khối đất là đặc biệt phải xác định tâm cân bằng momen như là điểm trục

Giá trị lực cắt di chuyển phải thỏa mãn điều kiện cân bằng sau:

(2.2)Trong đó :

σ = – ứng suất pháp trung bình tại đáy mặt trượt;

F – hệ số an toàn;

Β – chiều dài đáy mặt trượt;

Hệ số ổn định của mái dốc có thể được xác định từ điều kiện cân bằng mômen cân bằng lực hoặc điều kiện cân bằng giới hạn tổng quát

2.1.2.2 Hệ số an toàn cân bằng momen

Tham khảo hình 2.2, hình 2.3, hình 2.4 khi xác định phương trình hệ số an toàn cân bằng momen Trong mỗi trường hợp, tổng momen đối với tất cả lát cắt đối với một điểm chung có thể được viết như sau:

∑ W.x - ∑ N.f + ∑ kWe ±[D.d]±A.a=0 (2.3) Thay (2.2) vào (2.3) và giải cho hệ số an toàn:

(EL-ER) - (N sin α) + (Smcos α) - kW ±D cos α ±A.a=0 (2.5)

Đại lượng ∑(EL-ER) + ∑ (Smcos α)sẽ bằng 0 khi tổng vượt quá khối lượng trượt hiện có Thay (2.2) vào (2.5) và giải hệ số an toàn:

f = ∑[ + ( − ) j

∑ + ∑ − ± (2.6) 2.1.3 Các phương pháp tính ổn định mái dốc

2.1.3.1 Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát

Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (General Limit Equilibrium – GLE) sử dụng những phương trình cân bằng tĩnh học sau đây để tìm hệ số an toàn:

+ Tổng các lực theo phương thẳng đứng đối với mỗi lát được giả định để tìm lực pháp tuyến của mặt trượt N

− + ( – ) + + − = 0 (2.7) Thay (2.2) vào (2.7) giải được lực pháp tuyến N:

N=

W+(XL-XR)- . . + sin

cos + (2.8) + Tổng các lực theo phương ngang đối với mỗi mặt trượt được sử dụng để tính toán lực pháp tuyến bên trong E Phương trình này được áp dụng khi tính tích phân toàn bộ khối lượng ( từ trái sang phải)

+ Tổng momen đối với một điểm chung cho tất cả các lát cắt Phương trình này được thực hiện để tính hệ số an toàn cân bằng momen Fm

+ Tổng các lực theo phương ngang đối với tất cả lát cắt để tìm hệ số an toàn cân bằng các lực Ff

Việc tính toán vẫn chưa được xác định và thêm một giả thiết nữa cần thực hiện đối với phương của hợp lực trong lát cắt.Phương này được giả thiết mô tả bằng một hàm lực trong lát cắt Hệ số an toàn này có thể được thay đổi phụ thuộc vào tỷ lệ phần trăm của các hàm lực đã sử dụng trong tính toán

Hệ số an toàn thỏa mãn cả cân bằng lực và cân bằng momen được xem là hệ

số an toàn hội tụ của phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát

2.1.3.2 Phương pháp của K Terxagi

Giả thiết mặt trượt có dạng cung tròn bán kính R, tâm trượt O (hình 2.5) Sử dụng nguyên lý phân mảnh khối trượt để xác định hệ số an toàn Đây là phương pháp được sử dụng nhiều trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay, như: 22TCN 207-

1992, 22TCN 219-1994 (Việt Nam); BS-6349 Part1-1984 (Anh); OCDI (Nhật) v.v

Hình 2.5 Sơ đồ tính toán ổn định công trình theo phương pháp K Terxaghi [13]

Biểu thức xác định hệ số an toàn Fs:

∑ × sin (2.9) Trong đó:

- Trọng lực của phân tố khối trượt thứ i (hình 2.5);

- Lực dính đơn vị và góc ma sát trong của lớp đất ở đáy khối trượt thứ i;

- Chiều dài đoạn cung trượt ở đáy khối trượt i;

- Góc nghiêng giữa đường thẳng đứng với bán kính tâm trượt đi qua điểm cắt của trục dọc phân tố với mặt trượt

2.1.3.3 Phương pháp của A.V Bishop

Cũng như phương pháp của K Terxaghi, A.V Bishop đã giả thiết mặt trượt dạng cung tròn, dựa trên cơ sở lý thuyết áp lực nước lỗ rỗng và nguyên lý phân mảnh khối trượt (hình 2.6) để xác định hệ số an toàn :

1 + × (2.10) Trong đó:

- hệ số áp lực nước lỗ rỗng;

- chiều rộng phân tố;

′, - lực dính và góc nội ma sát của nền đất biến thiên theo cấp tải trọng ngoài tác dụng vào công trình

Hình 2.6: Sơ đồ tính toán ổn định công trình theo phương pháp Bishop[13]

Hệ số an toàn được xác định bằng phương pháp lặp, trước tiên cho một giá trị ban đầu (bằng kinh nghiệm) sau đó tính lặp, thử đúng dần đạt tới độ chính xác yêu cầu Phương pháp này được sử dụng nhiều để tính toán ổn định công trình trên nền đất yếu Các đại lượng ′, , thay đổi theo thời gian cố kết của nền đất

do vậy phương pháp này được xếp vào nhó các phương pháp tính ổn định theo thời gian

2.1.3.4 Phương pháp của Nichiprovich

Phương pháp cả Nichiprovich dựa vào lý thuyết áp lực nước lỗ rỗng, và giả thiết mặt trượt cung tròn, tính trực tiếp hệ số theo biểu thức:

×cos (2.11)

Phương pháp Nichiprovich tương tự như phương pháp Bishop, thuộc nhóm các phương pháp tính ổn định theo thời gian Nhưng trong phương pháp này, hệ số

an toàn được tính trực tiếp mà không phải thử đúng dần

2.1.3.5 Phương pháp của G.B Janpu

Tương tự như phương pháp của Bishop và Nichiprovich, giả thiết mặt trượt

là cung tròn và tính trực tiếp hệ số an toàn theo biểu thức:

×cos (2.12)Cũng như các phương pháp trên, phương pháp của G.B Janpu tính hệ số an toàn có xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng và mức độ của nền đất theo thời gian Nhóm các phương pháp này thích hợp cho tính toán ổn định công trình xây dựng trên nền đất yếu, nhất là các công trình trọng lực, được gia tải cố kết

2.1.3.6 Phương pháp dựa trên lý thuyết độ ẩm

Biểu thức được thiết lập dựa trên cơ sở nước lỗ rỗng của nền đát bị ép trong quá trình cố kết Tuy nhiên trong quá trình cố kết thì độ ẩm của đất thay đổi và ảnh hưởng đến độ ổn định chung của nền Phương pháp dựa trên lý thuyết độ ẩm xác định hệ số an toàn thông qua trị số lực dính và góc nội ma sát tại một thời điểm cố kết nhất định Mặt trượt giả định có dạng cung tròn, hệ số được tính theo biểu thức sau:

Đây là phương pháp xác định hệ số an toàn theo thời gian, vì thời gian thay đổi nên các chỉ tiêu lực dính và góc nội ma sát thay đổi theo Phương pháp này thích hợp cho tính toán ổn định công trình trên nền đất yếu

2.2 Phương pháp phân tích thấm trong chương trình phần mềm SEEP/W 2.2.1 Định luật về thấm và các phương trình cơ bản

Đất, đá nứt nẻ có cấu tạo hạt do đó là môi trường rời rạc, phân tán có tính lỗ rỗng cao Sự chuyển động của chất lỏng trong môi trường đất, đá nứt nẻ hoặc trong môi trường xốp nói chung, gọi là thấm

Hình 2.7 Dòng thấm một hướng trong đất [14]

Cơ sở để thiết lập các công thức trong phân tích thấm chính là mối quan hệ giữa áp lực nước lỗ rỗng và hàm lượng nước.Khi có dòng chảy trong đất, chắc chắn

có một lượng nướ được giữ lại trong kết cấu lỗ rỗng của đất, lượng nước này chính

là hàm số của áp lực nước lỗ rỗng và các đặc trưng khác của đất Đối với phân tích thấm, để thuận tiện người ta đã định nghĩa về hàm độ ẩm thể tích (Volumetric Water Content Functions):

= (2.15) Trong đó:

- Hàm độ ẩm thể tích;

- Thể tích nước;

- Thể tích tổng

Hàm độ ẩm thể tích phụ thuộc vào áp lực nước lỗ rỗng và mối quan hệ này được thể hiện ở hình 2.8

Hình 2.8 Đường cong đặc trưng đất – nước [14]

Quy luật cơ bản về sự chuyển động của dòng thấm được biểu thị bằng định luật Darcy: