Hệ thống hàng rào chắn linh hoạt bằng lưới thép cường độ cao chống ăn mòn để ngăn giữ đá rơi, đá lăn trên các tuyến giao thông vùng núi nhằm giảm thiểu rủi ro về người và tài sản, là giải pháp có độ tin cậy, phù hợp và cần được nghiên cứu cũng như áp dụng ở Việt Nam.
HỆ THỐNG RÀO CHẮN LINH HOẠT GIẢM THIỂU RỦI RO ĐÁ RƠI, ĐÁ LĂN TRÊN CÁC TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG VÙNG NÚI VIỆT NAM NGUYỄN ĐỨC MẠNH* LÊ ANH ĐỨC* Flexible facing systems for rockfall protection on the roads of mountain area in Vietnam Abstract: In mountainous areas of Vietnam often rock slope on the roads has bluff, high height, and less attention is paid to preventing instability of slope Therefore, the rockfall often appears not only in the rainy season, even in the dry season on many national highways, provincial roads and railways Flexible facing systems for rockfall protection from high-tensile steel wire up to 1770 MPa is applied to prevent rockfall, rolling stone has long been good results in many European countries, America or Japan, China National, Taiwan, South Korea, Australia, India but not used in Vietnam.Based on theoretical analysis, preliminary numerical simulation for 03 section of rock slope with different characteristics of rock, the research results show many positive prospects of applying this rockfall protection barriers to prevent rock falling, rolling on the mountain roads of our country in the near future Keywords: Flexible facing systems, rockfall protection, slope, rockfall ĐÁ RƠI, ĐÁ LĂN TRÊN CÁC TUYẾN GIAO THÔNG VÙNG NỨI * Hiện tượng tảng hay cục đá kích thước khác nhau, tách rời khỏi sườn rơi hay lăn xuống chân dốc đột ngột thường gọi đá rơi, đá lở Xảy phổ biến sườn dốc cấu tạo từ đá cứng nứt nẻ mạnh, thuộc phần ta luy dương tuyến giao thông vùng núi nước ta Các sườn dốc đá cứng thuộc ta luy dương đường đào vùng núi thường dốc đứng (góc dốc 6090o), chiều cao lớn (thường từ 30-50m đến 70-90m), cấu tạo từ loại đá thành phần, tính chất, mức độ phong hóa nứt nẻ khác Nhiều tuyến đường quan trọng * Khoa Cơng trình, Trường ĐH GTVT DĐ: 098 5376810 Email: ndmanhgeot@gmail.com 70 đường Hồ Chí Minh, quốc lộ 3, 3B, 4A, 4B, 4D, 6, 12, 14, 15, 34, 70, 217, 279, tuyến Tỉnh lộ vùng núi hay đường sắt Bắc Nam Hà Nội – Lào Cai, hàng năm thường xuyên xuất đá lở, đá rơi, ảnh hưởng nghiêm trọng đến an tồn khai thác cơng trình, kinh tế người Chẳng hạn, ngày 3/6 3/8 năm 2018 vừa qua, liên tiếp hai vụ đá rơi QL12 (Lai Châu – Điện Biên Phủ) làm phá hủy ô tô, người chết bị thương người [12,13] Hay 29/7/2018 QL3B Na Rì tỉnh Bắc Kạn, đá lở gây hư hỏng nghiệm trọng xe tơ [15] Trước 22/5/2014, có vụ tai nạn nghiên trọng đá rơi, đá lở từ taluy dương đường lên núi Cấm An Giang gây phá hủy ô tô làm chết người [14] Thiệt hại nguy hiểm thường trực vậy, “giải pháp” “sống chung với trượt lở đất đá” ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 lựa chọn chủ yếu với ta luy dương tuyến đường giao thông hay sường dốc đá gần khu dân cư vùng núi nước ta Cùng với phát triển kinh tế đất nước, thời gian tới việc quan tâm việc phòng chống ổn định sườn dốc đá nói chung quan tâm coi trọng Hình Đá rơi QL12 Điện Biên ngày 3/6/2018 (Nguồn Internet, [13]) ĐẶC ĐIỂM, CƠ CHẾ VÀ LOẠI HÌNH MẤT ỔN ĐỊNH SƯỜN DỐC ĐÁ PHỔ BIẾN Trong thân khối hay tảng đá sườn dốc tồn lực liên kết phân tử, lực dính bám, liên kết khối tầng đất đá, lực ma sát… lực gọi chung lực giữ Chúng giữ cho đất đá tạo thành thể thống chịu tác nhân khác trọng lực, lực đẩy ngang, lực cắt… [1,2] Sườn dốc ổn định tổng tác nhân nhỏ tổng lực giữ, chúng vượt tổng lực giữ liên kết đất đá bị phá vỡ, sườn dốc bị cân lực gây nên tượng ổn định trượt, sụt lở sườn dốc, đá đổ… [1,2,3,10,11] Mất ổn định sườn dốc đá có nét đặc thù riêng, q trình phát triển lâu dài, xảy đột ngột có mức độ nguy hiểm cao Khi sườn dốc đạt đến trạng thái giới hạn (chênh cao địa hình), kết hợp thêm tác nhân tức thời mưa lớn, nước ngầm, tải trọng lớn tác dụng… [1,2,10,11] gây ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 mức Và đó, việc áp dụng giải pháp kỹ thuật mới, có sử dụng hệ kết cấu “mềm” kết hợp neo giữ đinh đá với lưới thép cường độ cao chống ăn mòn (hệ lưới - neo) để ngăn giữ đá lở, đá rơi sườn dốc đá nói chung có nhiều triển vọng áp dụng Hình Đá lở QL3B Bắc Kạn ngày 29/7/2018 (Nguồn Internet, [14]) ổn định dạng trượt, lở, đá đổ đá lăn Tùy theo đặc điểm cấu trúc đá (tính phân lớp, đặc điểm nứt nẻ phong hóa), sườn dốc đá trượt theo mặt phẳng, dạng nêm, cong hay đá đổ sập [1,10,11] Theo D.J Varnes (1978), [11], phân loại theo hình thái dịch chuyển khối đất đá, tương ứng có sáu hình thái dịch chuyển sườn dốc như: (1) Kiểu rơi (fall); (2) kiểu lật đổ (topple); (3) kiểu trượt (sliding); (4) kiểu lôi kéo lan rộng – trượt trôi (spreading); (5) kiểu chảy – dòng (flow); (6) kiểu hỗn hợp (complex) Theo phân loại này, với kiểu dịch chuyển xét tương ứng cho loại vật liệu sườn dốc đá, vụn đất đá đất, có 29 dạng dịch chuyển sườn dốc cụ thể xác định Và nay, tảng phân loại Varnes (1978), Hội trượt đất quốc tế (ICL) phân chia thành 34 dạng ổn định sườn dốc cụ thể Với loại vật liệu đá, dạng dịch chuyển phổ biến đá rơi, đá đổ, đá trượt, đá lăn dạng hỗn hợp trượt đá với lở đá [10] 71 HỆ THỐNG RÀO CHẮN LINH HOẠT NGĂN GIỮ ĐÁ RƠI, ĐÁ LĂN Lưới thép cường độ cao chống ăn mòn sử dụng làm hệ thống hàng rào ngăn giữ hay chặn khối, tảng đá lăn, đá rơi rơi địa hình dốc xuống cơng trình cần bảo vệ Hệ thống ngăn chặn tác động tảng đá với động tối đa theo điều kiện thiết kế cụ thể Hệ thống bao gồm cấu trúc cố định chặt (cột thép, đế móng, neo ghim giữ), cấu trúc hỗ trợ cấu trúc linh hoạt tự điều chỉnh (bánh xe chạy - puli, cóc hãm chữ U, hệ thống dây cáp phụ trợ, phanh hấp thụ lực) nhằm tiêu đá rơi vào lưới cấu trúc kết nối, nên gọi hệ thống kết cấu linh hoạt Hệ thống gọi “linh hoạt” chúng làm việc theo nguyên tắc hấp thụ lượng tảng lăn thông qua phân tán lượng nhờ dịch chuyển hệ thống dây cáp lưới qua hệ puli, cóc hãm, phanh hấp thụ lực tảng đá rơi hay lăn xuống lưới thép hàng rào [6,8,9] (hình 3) Lưới thép hệ thống tạo nên từ sợi thép hay cáp dạng xoắn cường độ chịu kéo cao từ 1770 MPa đến 2550MPa, chịu tác động từ yếu tố môi trường thông thường chống ăn mòn lớp mạ đặc biệt [4,5] Phần lưới phận chịu nhận tác dụng trực tiếp ngoại lực – đón nhận tảng khai khối đá rơi, có tính chất đàn hồi dẻo, truyền tải trọng lên phận liên kết, kết cấu hỗ trợ đất đá Với tính này, hệ thống rào chắn lưới thép cường độ cao sử dụng cho lượng tác động từ 100 kJ lên đến 10000 kJ [6,8,9] Cáp hãm Cột thép Puli Neo cáp Bản đế Móng bê tơng Neo móng cột Hình Sơ đồ hệ thống rào chắn linh hoạt ngăn giữ đá rơi, đá lăn [8] Hệ thống rào chắn linh hoạt ngăn giữ đá lở, đá lăn gồm: cột thép gắn hệ đế móng đóng vai trò định hình hàng rào truyền tải trọng, đỉnh cột thiết kế lỗ tròn để liên kết với chi tiết dây cáp, bánh xe chạy (puli) ; hệ đế móng thiết kế đặt vào loại đất đá ổn định, gồm đinh neo, lề thép, bu lông bảo vệ bệ bê tông hay bê tông cốt thép; bánh xe chạy (puli) có chức ròng rọc cho dây cáp thép 72 Hình Hệ thống rào chắn linh hoạt ngăn giữ đá rơi, đá lăn (Nguồn Geobrugg) đỉnh chân cột thép trượt trường hợp có tác động tránh bị căng đứt, để tiêu giảm lượng đá rơi xuống lưới thép; cóc hãm chữ U gắn theo chiều ngang hai đầu dây cáp thép có chứng hãm dịch chuyển cần thiết; phận neo cáp biên thiết kế với đầu neo linh hoạt tới 30° so với mặt đất để chịu tải tối đa, làm cho cóc hãm chữ U, lực truyền xuống neo giảm nhiều, tránh phá hủy hệ thống ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 hàng ràng; phần hệ thống dây cáp phụ trợ trên, dưới, giữa, bên, biên hay dây cáp dọc cột thép hệ thống, đóng vai trò truyền tải lực đầu cột vào phận neo dây cáp thép; cuối phận phanh hấp thụ lực (U Break), lắp đặt kết hợp dây cáp trợ lực vị trí xung yếu nhằm phân tán lượng hệ thống vượt sức chịu tải vật nặng tác động trực tiếp vào hệ thống lưới thép [6,7,8,9] TÍNH TỐN KHI THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÀNG RÀO CHẮN LINH HOẠT BẰNG LƯỚI THÉP CƯỜNG ĐỘ CAO CHỐNG ĂN MÒN NGĂN GIỮ ĐÁ RƠI, ĐÁ LĂN Thông số cần thiết sử dụng phân tích phục vụ thiết kế hệ thống rào chắn linh hoạt lưới thép cường độ cao chống ăn mòn cần có gồm chiều cao, độ dốc, chiều dài chiều rộng bờ dốc; đặc điểm địa chất cần có thơng tin dự báo tảng đá lớn có khả ổn định; vị trí dự kiến lắp đặt Ổn định hàng rào ngăn đá lăn phụ thuộc vào bố trí cột cáp neo giữ theo động định danh, tính tốn theo mơ hình đá lăn cụ thể Để xác định chiều cao tối ưu hàng rào thực theo mơ hình đá lăn sử dụng phần mềm mô phỏng, xác định chiều cao nảy lên tảng đá quỹ đạo lăn (văng) Còn với kích thước định danh hàng rào ngăn đá lăn, đá rơi xác định phụ thuộc vào lượng tảng lăn lớn xác định theo cơng thức (1) Vị trí bố trí hàng rào theo kết tính tốn tảng lăn định danh Wt nhỏ xác định theo (3), vị trí mặt thuận tiện thi cơng, khơng ảnh hưởng đến cơng trình lân cận, nơi cần bảo vệ [6,8,9] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 Động tảng lăn chuyển động tịnh tiến xác định theo công thức sau: Wđ = (m.V2 )/2 (1) đó: m - khối lượng tảng lăn định danh; V - vận tốc tảng lăn định danh Khi xét đến động tảng đá rơi có chuyển động quay lăn, động tảng xác định théo (2): W = Wđ + W ω (2) đó: Wđ – động tịnh tiến theo chiều rơi; Wω - Động quay tảng lăn, Wω = (I x ω 2)/2 Với I, mô men quán tính tảng lăn; ω, vận tốc góc tảng lăn Thế tảng lăn định danh nhỏ tính đến chiều cao nảy lên tảng đá rơi hay lăn xác định công thức sau: Wt = m.g.H (3) đó: m - khối lượng tảng lăn định danh; H - chiều cao nảy tảng lăn định danh; g - Gia tốc rơi tự Thay việc xác định giải tích, để xác định thơng số phục vụ thiết kế hệ thống rào chắn lưới thép, sử dụng phần mềm chuyên dụng Để có sở đánh giá bước đầu ứng dụng này, sử dụng số liệu 03 vị trí bờ dốc ta luy dương đường Bắc Kạn cấu tạo đá vôi nứt nẻ mạnh, yếu tố bề rộng, hình thái, chiều cao, góc dốc khác Sử dụng bán kính (D) khối lượng (m) tảng đá định danh nguy bị rơi tương đồng, góc dốc bờ dốc () gần giống nhau, ứng dụng phần mềm mã nguồn mở Ruvolum mơ tốn đá rơi (Rockfall) để phân tích, cho phép xác định chiều cao nảy tảng đá, lượng va chạm tới hàng rào, quĩ đạo đường tảng, định danh chiều cao tối thiểu hàng rào cần thiết kế (bảng hình 5a,5b,5c) 73 Bảng Kết phân tích độ nảy, lượng va chạm xác định chiều cao cột lưới thép hệ thống rào chắn linh hoạt phần mềm Ruvolum/Rockfall 6.1 Lý trình Km96+400 Chiều cao Các thông số bờ dốc, H chung (m) 55 Km96+500 40 Km105+050 48 a) Km96+400 D= 0,75m m= 4948 kg =60o-70o Năng lượng Chiều cao Chiều cao va chạm đá nảy lớn hàng rào tối lưới thép (m) thiểu (m) (kJ) 493 1,78m 3,0 525 2,70m 3,0 752 1,62m 3,0 b) Km96+500 Ghi 01 mặt hẹp 01 mặt rộng 02 mặt hẹp c) Km105+050 Hình Kết phân tích quĩ đạo lăn, độ nảy tảng đá rơi lượng va chạm hệ thống hàng rào lưới thép cường độ cao phần mềm Ruvolum/Rockfall 6.1 Kết phân tích thông số thiết kế rào chắn linh hoạt lưới thép cường độ cao chống ăn mòn ngăn giữ đá rơi, đá lăn tiến hành phần mềm mở Ruvolum dễ dàngvà thuận tiện Việc chưa có cơng trình thực tế kiểm chứng nước ta, kiểm chứng nhiều nước giới [6,8,9], 74 nên công cụ giải pháp hỗ trợ tốt thiết kế thời gian tới nước ta Ngoài hiệu ngăn giữ đá rơi, đá lăn tốt bờ dốc sử dụng hệ thống kết cấu linh hoạt hàng rào lưới thép cường độ cao chống ăn mòn nhiều nước châu Âu Thụy Sỹ, Áo, Bồ Đào Nha, hay châu Mỹ, Hàn Quốc, ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 Nhật Bản, Hồng Kông, Ấn Độ, Trung Quốc … cho thấy nhiều ưu điểm bật như: giữ nguyên trạng bờ dốc thi công; vừa thi công vừa khai thác tuyến đường; không ảnh hưởng nhiều tới thầm thực vật có, thân thiện với mơi trường; thiết bị gọn nhẹ, vật liệu; thi cơng địa hình cao dốc đứng; thi công nhanh đảm bảo ổn định lâu dài [8,9]… mạnh công nghệ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Hầu hết bờ dốc đá tuyến giao thông vùng núi nước ta chưa bảo vệ mức nên thường xuyên xảy tượng đá lở, đá rơi đá lăn Hệ thống hàng rào chắn linh hoạt lưới thép cường độ cao chống ăn mòn để ngăn giữ đá rơi, đá lăn tuyến giao thông vùng núi nhằm giảm thiểu rủi ro người tài sản, giải pháp có độ tin cậy, phù hợp cần nghiên cứu áp dụng Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Sỹ Ngọc (2014) Cơ học đá NXB Giao thông Vận tải Hà Nội Nghiêm Hữu Hạnh (2005), Cơ học đá NXB Xây dựng Hà Nội Nguyen Duc Manh (2016) Features, generation mechanism and urgent treatment solution to the large landslide at Chi Luong resettlement area, Muong Lay Town, Dien Bien Province The 3rd Internatioal Conference VIETGEO 2016, ISBN: 978-604-62-6726-3, pp 244-251 EOTA EAD 230025-00-0106 (2016) European Assessment Document (No EAD 230025-00-0106 - 6/2016) EOTA ETA 17/0711 - 17/0720 (2016) European Technical Approval (No ETA 17/0711 - ETA 17/0720) EOTA (2010) European Technical Approval, Rockfall protection barrier GBE (No ETA – 09/0262) EUROCODE Geotechnical design, Part 1: General rules 2004 Geobrugg (2014) Maintenance manual GBE/RXE-series 100kJ – 8000kJ Switzerland Geobrugg (2008) GBE rockfall protection barriers: The most economic barrier from hightensile steel wire Switzerland 10 Hungr, O, Leroueil, S and Picarelli, L (2014) The Varnes classification of landslide types, an update, Landslides, Volume 11, Issue 2, pp 167–194 11 Varnes, DJ (1978) Slope movement types and processes In Special report 176: Landslides: Analysis and Control, Transportation Research Board, Washington, D.C 12 https://news.zing.vn/da-roi-de-bep-xekhach-16-cho-post865876.html 13 https://www.nguoiduatin.vn/da-lan-denat-o-to-4-cho-1-nguoi-tu-vong-o-lai-chaua372625.html 14 https://phunutoday.vn/anh-nong-da-lode-bep-oto-6-nguoi-chet-d13304.html 15 http://www.baobackan.org.vn/channel/2 262/201807/lo-da-gay-tac-duong-tai-dia-phandeo-ang-toong-5593102/ Người phản biện: PGS, TS ĐOÀN THẾ TƯỜNG ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 75 ... cột Hình Sơ đồ hệ thống rào chắn linh hoạt ngăn giữ đá rơi, đá lăn [8] Hệ thống rào chắn linh hoạt ngăn giữ đá lở, đá lăn gồm: cột thép gắn hệ đế móng đóng vai trò định hình hàng rào truyền tải... thể Với loại vật liệu đá, dạng dịch chuyển phổ biến đá rơi, đá đổ, đá trượt, đá lăn dạng hỗn hợp trượt đá với lở đá [10] 71 HỆ THỐNG RÀO CHẮN LINH HOẠT NGĂN GIỮ ĐÁ RƠI, ĐÁ LĂN Lưới thép cường độ... mạnh công nghệ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Hầu hết bờ dốc đá tuyến giao thông vùng núi nước ta chưa bảo vệ mức nên thường xuyên xảy tượng đá lở, đá rơi đá lăn Hệ thống hàng rào chắn linh hoạt lưới thép