Trong các nguyên nhân gây ra trượt đất ở trên, mưa lớn là một nguyên nhân chính, đặc biệt là hiện tượng trượt nông nơi mặt trượt chỉ nằm sâu từ 1m đến 10m (phân loại theo Hội Trượt Đất Quốc tế ICL). Trượt nông thường xảy ra ở những khu vực mà lớp đất trên mặt có hệ số thấm cao nằm trên một lớp đất có hệ số thấm thấp.
ỨNG DỤNG THIẾT BỊ MÁNG MÔ PHỎNG TRƯỢT ĐẤT ĐỂ NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TRƯỢT NÔNG TẠI THÀNH PHỐ HẠ LONG, QUẢNG NINH ĐỖ NGỌC HÀ, ĐOÀN HUY LỢI, HUỲNH ĐĂNG VINH, HUỲNH THANH BÌNH* Application of landslide flume experiment to research the shallow landslides in Ha Long, Quang Ninh Abstract: Heavy rainfall is one of the major causes of shallow landslides in the world To analyze landslide mechanisms triggered by rainfall, large-scale models have been used In Japan, there are several landslide experiments conducted in Forestry and Forest Products Research Institute and National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention In Vietnam, the similar landslide flume experiment was manufactured in Institute of Transport Science and Technology (ITST), Ministry of Transport This study used the laboratory flume experiment in ITST with artificial heavy rainfall to analyze the mechanism of a shallow landslide in Quang Ninh, Vietnam Wire extensometers were installed to detect the surface displacement before the landslide initiation Time prediction of landslide initiation could be possible from the accumulation and acceleration of slope surface movement GIỚI THIỆU * 1.1 Tổng quan việc ứng dụng máng mô trượt đất để nghiên cứu trượt nông giới Trượt nông dọc tuyến đường giao thông tượng địa chất động lực cơng trình diễn phạm vi mái dốc đường phạm vi rộng lớn bao gồm phần sườn đồi hay sườn núi tiếp giáp với mái dốc đường Hiện tượng trượt đất phát sinh chịu tác động trực tiếp người kết hợp với yếu tố tác động thiên nhiên mưa, bão, lũ lụt, dòng chảy, nước ngầm động đất, làm khối đất đá nằm mái dốc sườn đồi, sườn núi bị ổn định học sau tự tách thành nhiều khối đất * Viện Khoa học Công nghệ GTVT E-mail: dongochakhcn@gmail.com ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 đá chuyển động tự xuống phía dưới, dạng khác nhau, theo phương trọng lực Trong nguyên nhân gây trượt đất trên, mưa lớn nguyên nhân chính, đặc biệt tượng trượt nơng nơi mặt trượt nẳm sâu từ 1m đến 10m (phân loại theo Hội Trượt Đất Quốc tế ICL) Trượt nông thường xảy khu vực mà lớp đất mặt có hệ số thấm cao nằm lớp đất có hệ số thấm thấp Khi nước mưa ngấm từ xuống gặp lớp đất có hệ số thấm thấp khơng thấm qua được, mực nước dâng lên lớp đất thấm tốt mặt, làm gia tăng áp lực nước lỗ rỗng dẫn đến ổn định sườn dốc Các vụ trượt nông thường nguồn gốc gây lũ bùn đá, lũ quét xảy ra, gây thiệt hại lớn người tài sản Để nghiên cứu trượt đất, người ta dùng mơ hình thí nghiệm Mơ hình thí nghiệm 15 phòng phương pháp mô gần với thực tế Trong mơ hình này, đặc tính đất, điều kiện biên kiểm sốt thông số lượng mưa, áp lực nước lỗ rỗng, độ dịch chuyển quan trắc Do đó, để nghiên cứu chế tượng trượt nông, giới sử dụng số thiết bị máng mơ trượt đất có xét đến ảnh hưởng mưa Một số nghiên cứu thực Wang, Sassa (2003), Lourenco nnk (2006), Tohari nnk (2007), Chen nnk (2012), Tsutsumi Fujita (2012), Okada (2014), L.Z.Wu nnk (2015), M.R Hakro nnk (2015) Các máng trượt có kích thước khác nhau: ví dụ trường đại học Chengdu, Trung Quốc máng có kích thước chiều dài, rộng cao 2x0,6x0,8 m trường Teknologi, Malaysia 2,2x1x2,2 m Máng mô trượt đất lớn giới với kích thước cao, dài, rộng tương ứng 23x3x1,5 (m) thiết kế thí nghiệm Viện nghiên cứu Quốc gia khoa học Trái Đất phòng chống thảm họa thiên nhiên (NIED), đặt Tsukuba, Nhật Bản Hình 1: Thiết bị máng mơ trượt đất với kích thước dài, cao, rộng tương ứng 23x3x1,5 (m) thiết kế thí nghiệm Viện nghiên cứu Quốc gia khoa học Trái Đất phòng chống thảm họa thiên nhiên (NIED), đặt Thành phố Tsukuba, Nhật Bản Máng mơ trượt đất có kích thước nhỏ với kích thước dài, rộng, cao tương ứng 9x1x1 (m) góc nghiêng 320 thiết kế thí nghiệm Viện nghiên cứu lâm nghiệp lâm sản (FFPRI), đặt Thành phố Tsukuba, Nhật Bản Máng trượt có kích thước lớn mơ gần với thực tế hơn, 16 nhiên việc thí nghiệm tốn nhiều thời gian 1.2 Mơ hình máng mơ trượt đất Việt Nam Năm 2013, phòng thí nghiệm máng mơ trượt đất thiết kế bắt đầu xây dựng Viện Khoa học Công nghệ ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 GTVT Máng thiết kế dựa tiêu lý đất đá phong hóa khu vực Hải Vân Năm 2015 năm 2016, thí nghiệm máng mơ trượt đất có mưa nhân tạo thực Viện Khoa học Cơng nghệ GTVT Hai thí nghiệm sử dụng mẫu cát từ sơng Hồng, Hà Nội Hai thí nghiệm khác sử dụng mẫu đất lấy từ trường khu vực trượt Ga Hải Vân, Đà Nẵng Hình 2: Thiết bị máng mơ trượt đất với kích thước cao, dài, rộng tương ứng 9x1x1 (m) thiết kế thí nghiệm Viện Khoa học Công nghệ GTVT THIẾT BỊ VÀ VẬT LIỆU 2.1 Cấu tạo máng mô trượt đất Sơ đồ thiết kế máng mô trượt đất Viện Khoa học Công nghệ GTVT hệ thống giàn mưa nhân tạo thể Hình Một mặt máng làm kính cường lực suốt để quan sát dịch chuyển toàn khối đất, mặt làm thép Máng có chiều dài m chia làm ba đoạn với độ dốc khác mô theo điều kiện tự nhiên Đoạn dài m có độ dốc 00 mơ đỉnh mái dốc Đoạn dài m có độ dốc 340, ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 thiết kế theo kết thí nghiệm cắt phẳng cho vật liệu đất đá granit phong hóa Hải Vân có góc ma sát 340 Đoạn dài m có độ dốc 100, mơ thoải dần mái dốc, đồng thời phản ánh khác biệt chế dịch chuyển đoạn mái dốc 340 Để mô tượng mưa, hệ thống đầu phun mưa thiết kế mái máng trượt Hệ thống đầu phun mưa thiết kế cho lượng mưa phun dọc theo chiều dài máng trượt Để điều chỉnh lượng mưa, hệ thống van điều áp lắp đặt dọc theo ống dẫn nước lên đầu phun 17 Hình 3: Cấu tạo máng trượt hệ thống phun mưa 2.2 Hệ thống quan trắc Sơ đồ hệ thống quan trắc thể Hình Hệ thống thiết kế nhằm quan trắc thay đổi áp lực nước lỗ rỗng, dịch chuyển bề mặt, dịch chuyển toàn khối trượt Hình 4: Hệ thống quan trắc máng mơ trượt đất 18 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 - Quan trắc thay đổi áp lực nước lỗ rỗng độ sâu định để thấy thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trình mưa Khi áp lực nước lỗ rỗng tăng, mái dốc dần đạt tới trạng thái giới hạn trượt Một loại đầu đo áp lực nước lỗ rỗng hình trụ đặt vào đất cát máng trượt để đo áp lực nước lỗ rỗng thay đổi - Quan trắc dịch chuyển bề mặt mái dốc để thấy rõ dịch chuyển bề mặt mái dốc, cách sử dụng thiết bị đo độ dãn dài Sự dịch chuyển bề mặt tốc độ dịch chuyển ghi lại biểu đồ Sử dụng phương pháp phân tích nghịch đảo tốc độ dịch chuyển theo Saito (1968) Fukuzono (1985) dự báo thời gian xảy trượt đất - Quan trắc dịch chuyển toàn khối trượt mái dốc để phân tích, so sánh với thay đổi áp lực nước lỗ rỗng khối trượt Các hình trụ đánh dấu vật liệu cát màu sử dụng để đặt dọc theo khối trượt Dịch chuyển hình trụ đánh dấu ghi lại máy quay máy ảnh đặt dọc theo máng - Thời gian liệu quan trắc đồng đồng hồ hiển thị số thiết bị GPS 2.3 Lựa chọn địa điểm lấy mẫu vật liệu lượng mưa thí nghiệm Điểm trượt đất lựa chọn thí nghiệm khu vực trượt đất cầu vượt Bàn Cờ, đường vào Cảng Cái Lân, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh (Hình 5) Hình 5: Điểm trượt thành phố Hạ Long, Quảng Ninh lựa chọn lấy mẫu làm thí nghiệm máng mơ trượt đất Lượng mưa lớn điểm trượt đất lấy theo số liệu thủy văn khu vực Phường Bãi Cháy – thành phố Hạ Long - Quảng Ninh ngày 28/7/2015 (thời điểm trượt đất xảy ra) Lượng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 mưa trung bình đo ngày xảy trượt đất hai mưa lớn 75mm/h (Hình 6) Đây lượng mưa sử dụng để thí nghiệm mơ hình máng trượt 19 Hình 6: Biểu đồ lượng mưa theo ngày 26,27,28 tháng năm 2015 trượt đất xảy thành phố Hạ Long, Quảng Ninh (Theo số liệu quan trắc trạm Bãi Cháy) MỘT SỐ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Thí nghiệm mơ trượt đất nơng thí nghiệm máng trượt với lượng mưa lớn điểm trượt đất (75mm/h) thực Phòng thí nghiệm mơ hình thuộc Viện Khoa học Công nghệ GTVT ngày 17/3/2017 ghi nhận số nội dụng chủ yếu sau: - Với lượng mưa lớn điểm trượt đất (75mm/h) mái dốc bắt đầu có tượng dịch chuyển sau 18 phút mưa Biến dạng chân mái dốc có độ dốc 340, mái dốc ổn định phần chân mái nên tạo vùng sụt thân mái - Đoạn mái dốc có độ dốc 100 độ ổn định, khơng biến dạng suốt q trình thí nghiệm mưa - Vùng sụt phát triển từ mặt mái sau xuống sâu 35cm-:- 45cm so với mặt mái tạo cung trượt Đỉnh điểm biến dạng phút thứ 70 (sau 4200 s tính từ thí nghiệm mưa), vùng sụt trượt kéo theo đoạn mái dốc 340 sụt xuống tạo thành dòng bùn đổ xuống chân mái dốc 3.1 Phân tích tiêu lý mẫu vật liệu sử dụng cho thí nghiệm Trước tiến hành thí nghiệm mơ phỏng, mẫu đất tiến hành thí nghiệm phòng để xác định tiêu lý Bảng trình bày tính chất lý mẫu lấy thành phố Hạ Long Bảng 1: Chỉ tiêu lý mẫu dùng để thí nghiệm mơ máng trượt đất STT Chỉ tiêu Thành phần hạt Sạn sỏi Cát Bụi Sét 20 Độ ẩm tự nhiên Khối lượng thể tích tự nhiên Khối lượng thể tích khơ 50,00 25,00 20,00 10,00 5,00 2,00 1,00 0,50 0,25 0,1 0,06 0,02 0,002 P % w w d % g/cm3 g/cm3 100,00 100,00 100,00 91,11 81,22 72,23 66,63 58,72 44,02 31,94 25,20 18,04 9,86 17,2 1,41 1,20 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 STT 10 11 12 Chỉ tiêu Khối lượng riêng Hệ số rỗng Độ lỗ rỗng Độ bão hoà Giới hạn chảy Giới hạn dẻo Chỉ số dẻo Hệ số thấm Tự nhiên 13 Thí nghiệm cắt trực tiếp Bão hòa 14 s e n Sr LL PL PI k c c g/cm3 % % % % % cm/s Độ kPa Độ kPa TCVN 5747:1993 SC Mô tả Đất cát lẫn sét cấp phối Phân loại đất Từ kết thí nghiệm thành phần hạt hệ số thấm đất thấy kích thước hạt hàm lượng hạt mịn ảnh hưởng lớn đến trượt lở địa hình đồi núi dốc, điển hình cho tượng trượt nông dọc tuyến đường giao thông Việt Nam Mẫu lấy thân trượt có hàm lượng hạt mịn thấp với hàm lượng hạt bụi sỏi sạn nhiều tính liên kết lớp đất giảm tạo nên mặt trượt lớp đất đá với Hệ số thấm mẫu lại lớn, nước thấm qua lớp đất nhanh chóng lấp đầy lỗ rỗng, làm đất bão hòa thời gian ngắn, làm tăng áp lực nước lỗ rỗng giảm cường độ lực dính, giảm góc ma sát lớp đất Để so sánh thay đổi khối lượng thể tích mẫu trước sau thí nghiệm, chúng tơi tiến hành lấy mẫu thí nghiệm lấy ba vị trí ba độ sâu vị trí lấy mẫu Vị trí lấy mẫu 1m, 2m 4m tính từ đỉnh cao máng trượt Ba độ sâu vị trí 20cm, 40cm 60cm tính từ đáy máng trượt lên Hình thể thay đổi thể tích vị trí khác máng trượt Độ ẩm mẫu sau thí nghiệm lớn trước thí ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 2,67 1,219 54,9 37,7 28,2 20,5 7,7 3,03x10-3 17°29' 9,50 12°07' 4,75 nghiệm Độ sâu mẫu độ sâu 60 cm thay đổi Hình So sánh khối lượng thể tích đất trước sau thử nghiệm 3.2 Kết quan trắc áp lực nước lỗ rỗng độ dịch chuyển Hai mươi đầu đo áp lực nước lỗ rỗng (BI1BI20) lắp đặt dọc theo máng trượt Các đầu đo chẵn lắp đặt độ sâu 60 cm, đầu đo lẻ lắp đặt độ sau 30 cm Do đầu đo áp lực nước lỗ rỗng chẵn nằm vị trí sâu nên đánh giá chi tiết gia tăng mực nước ngầm, nên báo này, chúng tơi tiến hành phân tích với đầu đo 21 Hình Áp lực nước lỗ rỗng đầu đo chơn sâu 60 cm Hình Độ dịch chuyển EX1 theo thời gian Dựa biểu đồ quan hệ áp lực nước lỗ rỗng thời gian Hình 8, chia thành giai đoạn sau: - Giai đoạn 1: Đất khô, giai đoạn áp lực nước lỗ rỗng âm đất hút nước trongg đầu đo tạo áp lực chân không đầu đo - Giai đoạn 2: Đất phía đầu đo bão hòa, giai đoạn có đặc điểm áp lực nước lỗ rỗng tăng nhanh từ giá trị âm lên giá trị - Giai đoạn 3: Áp lực nước lỗ rỗng tăng dần từ (mực nước ngầm dâng lên phía 22 đầu đo) đến giá trị định tượng trượt xảy (đây ngưỡng gây trượt lở) - Giai đoạn 4: Áp lực nước lỗ rỗng tăng nhanh khoảng thời gian ngắn, áp lực nước lỗ rỗng tăng giai đoạn mưa gây mà trượt đất làm thay đổi cấu trúc, cách xếp hạt đất đặc biệt nghiền nhỏ hạt mặt trượt gây tượng hóa lỏng cục mặt trượt - Giai đoạn 5: Giai đoạn khối đất dừng lại, áp lực nước lỗ rỗng giảm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 Đối với thiết bị đo dịch chuyển mái dốc mặt, độ dịch chuyển thiết bị đo dãn dài EX1 lớn nằm đỉnh khối trượt nên sử dụng số liệu thiết bị để tiến hành phân tích Hình 10 Tốc độ dịch chuyển EX1 theo thời gian Hình 11 Tốc độ dịch chuyển EX1 theo thời gian (giai đoạn trượt đất xảy ra) Hình 9, 10 11 biểu thị độ dịch chuyển tốc độ dịch chuyển EX1 theo thời gian Trong giai đoạn đầu (từ đến khoảng 1000s) độ dịch chuyển gần 0, Từ 1000s đến ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 4100s, EX1 dịch chuyển chậm với tổng độ dịch chuyển khoảng 15cm Giai đoạn từ 4225 đến 4245 giai đoạn trượt nhanh với tốc độ trượt 0,5cm/s, tốc độ lớn đạt 3,6 cm/s 23 Hình 12 Mối quan hệ tốc độ dịch chuyển EX1 áp lực nước lỗ rỗng (giai đoạn trượt đất xảy ra) Hình 12 thể mối quan hệ tốc độ dịch chuyển áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian Tại thời điểm trượt đất xảy nhanh (4235 s) áp lực nước lỗ rỗng tăng đột biến đầu đo 12 16, sau áp lực nước lỗ rỗng giảm dần theo thời gian Phương pháp Fukuzono phương pháp phổ biến để xác định thời điểm trượt đất Phương pháp phát triển thông qua công tác khảo sát trượt đất có xem xét yếu tố mưa nhân tạo Trước trượt đất xảy ra, vận tốc dịch chuyển khối đất tăng nhanh Đối với phương pháp này, giá trị nghịch đảo vận tốc dịch chuyển sử dụng Hình 13 cho thấy nghịch đảo vận tốc có xu hướng xuống vị trí giao với trục hoành thời điểm trượt đất xảy Hình 13 Nghịch đảo vận tốc theo thời gian 24 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 KẾT LUẬN Với kết bước đầu thí nghiệm nghiên cứu tượng trượt nông thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh thí nghiệm máng trượt đất phòng thí nghiệm Viện Khoa học Công nghệ GTVT cho thấy: - Mơ hình máng trượt mơ tượng trượt nông mưa gây - Đối với đất mẫu đất thành phố Hạ Long, áp lực nước lỗ rỗng biến đổi theo giai đoạn, có giai đoạn áp lực nước tăng nhanh từ khoảng -190 kPa đến khoảng kPa giai đoạn đất chuyển từ trạng thái khơng bão hòa sang đất bão hòa - Tốc độ dịch chuyển khối trượt thay đổi từ – 3,6 cm/s tương ứng với tốc độ vụ trượt lở đất nhanh thực tế - Đối với đất sét pha khơng bão hòa, tượng trượt đất xảy áp lực nước lỗ rỗng gần không - Tại giai đoạn trượt đất xảy ra, áp lực nước số đầu đo tăng nhanh, chứng tỏ trình dịch chuyển, hạt đất bị nghiền nhỏ mặt trượt gây tượng hóa lỏng cục mặt trượt TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Báo cáo tóm tắt tình hình thời tiết, thiên tai thiệt hại tuần từ ngày 27/7 đến ngày 02/8/2015 Trung tâm phòng tránh giảm nhẹ thiên tai thực 2 Do Ngoc Ha, Huynh Dang Vinh, Huynh Thanh Binh (2014), Landslides on the road in Vietnam – Monitoring and solutions for landslide risk reduction, 2014 Vietnam – Japan SATREPS report meeting 3 Hirotaka Ochiai, Do Ngoc Ha, Huynh Dang Vinh (2016), Activities Report of WG4, 2016 Vietnam – Japan SATREPS report meeting 4 Hirotaka Ochiai, Yasuhiko Okada, Gen Furuya, Yoichi Okura, Takuro Matsui, Toshiaki Sammori, Tomomi Terajima, Kyoji Sass (2004), A fluidized landslide on a natural slope by artificial rainfal, Landslides (2004) 1:211 219, DOI 10.1007/s10346-004-0030-4 5 Kyoji Sassa (2016) Instruction for World Reports on Landslides, International Consortium on Landslide 6 Yoichi Okura, Hikaru Kitahara, Hirotaka Ochiai, Toshiaki Sammori, Akiko Kawanami (2002), Landslide fluidization process by flume experiments, Engineering Geology 66: 65-78 Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN SỸ NGỌC ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 25 ... nghiệm nghiên cứu tượng trượt nông thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh thí nghiệm máng trượt đất phòng thí nghiệm Viện Khoa học Công nghệ GTVT cho thấy: - Mơ hình máng trượt mơ tượng trượt nông. .. nghiệm Điểm trượt đất lựa chọn thí nghiệm khu vực trượt đất cầu vượt Bàn Cờ, đường vào Cảng Cái Lân, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh (Hình 5) Hình 5: Điểm trượt thành phố Hạ Long, Quảng Ninh lựa... Hình 2: Thiết bị máng mơ trượt đất với kích thước cao, dài, rộng tương ứng 9x1x1 (m) thiết kế thí nghiệm Viện Khoa học Cơng nghệ GTVT THIẾT BỊ VÀ VẬT LIỆU 2.1 Cấu tạo máng mô trượt đất Sơ đồ thiết