Đang tải... (xem toàn văn)
Nội dung chính của bài viết đánh giá độ ổn định sườn dốc, dự báo nguy cơ trượt lở dưới tác động của mưa, đồng thời đưa ra giải pháp kỹ thuật tiêu thoát nước ngầm phù hợp nhằm đảm bảo độ ổn định sườn dốc. Mời các bạn tham khảo!
33(1), 78-84 Tạp chí CÁC KHOA HỌC VỀ TRÁI ĐẤT 3-2011 MƠ HÌNH THẤM NƯỚC MƯA PHỤC VỤ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH SƯỜN DỐC KHU VỰC THỊ TRẤN CỐC PÀI - HUYỆN XÍN MẦN - TỈNH HÀ GIANG NGUYỄN VĂN HOÀNG1, ỨNG QUỐC KHANG2 E-mail: n_v_hoang_vdc@yahoo.com Viện Địa chất - Viện KH&CN Việt Nam, Tổng cục Thủy lợi-Bộ NN&PTNT Ngày nhận bài: 17-9-2010 Mở đầu Vai trò mưa trượt lở Hàng năm vào mùa mưa bão tượng trượt lở sườn dốc xảy mạnh mẽ tỉnh miền núi, đặc biệt tỉnh Cao Bằng, Lào Cai, Hà Giang, Đặc biệt vào mùa mưa năm 2007- 2008, tượng trượt lở xảy mạnh mẽ thị trấn Cốc Pài-huyện Xín Mần - tỉnh Hà Giang, phát triển mạnh mẽ khu vực trung thị trấn, khu nhà UBND huyện nhà làm việc phòng ban nằm khối trượt lớn có chiều dài 350- 500m, chiều rộng 150- 200m Nhiều nhà dân, đường giao thông đài tưởng niệm nằm khối trượt bị nứt biến dạng nghiêm trọng Trước nguy trượt nghiêm trọng trung tâm Huyện Lỵ Xín Mần, Chính phủ có ý kiến đạo việc xử lý trượt lở đất khu vực trung tâm huyện lỵ Xín Mần (thị trấn Cốc Pài), tỉnh Hà Giang Để đưa giải pháp hợp lý xử lý trượt lở đất khu vực địi hỏi phải có sở khoa học đánh giá mức độ nguy hiểm trượt lở, nguyên nhân trực tiếp gây trượt lở nhằm đưa giải pháp phù hợp với thực tế, đạt hiệu kinh tế - xã hội phịng tránh Tính tốn dự báo lượng nước mưa ngấm vào đất theo thời gian theo độ sâu sở quan trọng tính toán đánh giá độ ổn định sườn dốc, dự báo nguy trượt lở tác động mưa, đồng thời đưa giải pháp kỹ thuật tiêu thoát nước ngầm phù hợp nhằm đảm bảo độ ổn định sườn dốc Ngồi ra, kết mơ q trình ngấm nước mưa vào đất trợ giúp đắc lực cho tính tốn xác dịng chảy mặt, thơng số quan trọng thiết kế hệ thống thu gom nước mặt sườn dốc Yếu tố mưa tạo điều kiện thuận lợi cho trượt định lượng hóa là: 1) đất có độ ẩm tăng lên mưa ngấm làm tăng khối lượng, giảm lực kháng cắt góc ma sát trong; 2) làm tăng áp lực nước lỗ rổng đất, điều kiện địa chất thủy văn định làm tăng mực nước ngầm, tức tăng lực đẩy đất Thí dụ giảm lực kháng cắt góc ma sát đất tăng độ ẩm minh họa qua thí dụ hình [1] cho thấy biến đổi đột ngột thông số kháng cắt xảy đất chuyển từ trạng thái cứng sang dẻo 78 Hình Biến thiên lực dính góc ma sát theo độ ẩm Mặt cắt qua qua lỗ khoan khu vực trung tâm thị trấn Cốc Pài (hình 2), nơi có khối trượt lớn kích thước mức độ dịch trượt, có mặt lớp sau [6]: - Lớp 1: đất lấp, sườn tích, đất sét pha, dăm sạn - Lớp 2: sét pha màu xám ghi, xám vàng - Lớp 3: sét pha lẫn dăm sạn màu xám ghi, xám vàng - Lớp 4: phiến sericit phong hóa màu xám ghi, xám đen - Lớp 5: đá phiến sericit màu xám ghi, xám sáng Như vậy, phần mặt cắt tới độ sâu 15m20m lớp đến đất sét, sét pha lẫn dăm sạn Các kết thí nghiệm tiêu lý mẫu đất khu vực cho thấy trạng thái bão hòa nước đất lớp 1-3 có tiêu học thấp đáng kể so với trạng thái tự nhiên có độ ẩm thấp [6]: lực dính kết giảm 28% góc ma sát giảm 14% Việc mơ hình xác q trình ngấm nước mưa cho phép xác định xác độ ẩm đất theo không gian thời gian xác định tiêu lý đất ứng với độ ẩm phục vụ cho tính tốn xác nguy trượt đất, tức cảnh báo trước nguy trượt lở tiến trình mưa định Hình Mặt cắt khu vực trung tâm thị trấn Cốc Pài (qua UBND huyện)[6] Cơ chế trình ngấm nước mưa 3.1 Phương trình lan truyền ẩm đất Khi nước mưa rơi xuống mặt đất, phần bị bốc hơi, phần ngấm xuống đất phần chảy tràn mặt đất Trong nghiên cứu trượt lở ảnh hưởng mưa, tính tốn lượng nước mưa thấm vào đất mơ hình số Phương trình mơ tả q trình lan truyền nước đất khơng bão hịa nước theo phương thẳng đứng từ xuống có dạng sau [2]: ∂θ w ∂ ⎧ ∂p ⎫ ∂K (θ w ) = ⎨ D (θ w ) ⎬ − ∂ t ∂z ⎩ ∂z ⎭ ∂z (1) đó: θw độ ẩm tương đối đất (lượng nước chứa đơn vị thể tích đất), t thời gian, p áp suất nước (hoặc áp lực hút tuyệt đối); γ dung trọng nước D(θw) hệ số phân tán ẩm đất có đơn vị L2T-1 Như để mơ hình q trình lan truyền ẩm mơi trường đất định phải biết quan hệ hệ số thấm khơng bão hịa độ ẩm áp lực hút nước tuyệt đối độ ẩm Trong khuôn khổ nghiên cứu này, tác giả sử dụng quan hệ áp lực hút tuyệt đối (p tính m) độ ẩm hệ số thấm khơng bão hịa (tính m/s) độ ẩm (θw) theo Jiunsheng Li and Hiroshi Kawano (1997) [3]: − 5,70 ⎛ θ p = 1,66⎜⎜ w ⎝ θ BH ⎞ ⎟⎟ ⎠ ⎛ θ p = 0,09⎜⎜ w ⎝ θ BH ⎞ ⎟⎟ ⎠ θ w ≤ 0,35 (2) − 27, 21 θ w` > 0,35 79 16,37 ⎛ θ K (θ w ) = 8,33 × 10−7 ⎜⎜ w ⎝ θ BH ⎞ ⎟⎟ ⎠ ⎛ θ K (θ w ) = 1,33 × 10−5 ⎜⎜ w ⎝ θ BH ⎞ ⎟⎟ ⎠ θ w ≤ 0,35 (3) 42,08 θ w > 0,35 Từ (2) (3) ta có hệ số phân tán ẩm (D(θw) tính m2/s) là: 16,37 -7 ⎛ θ w ⎞ D(θ ) = 8, 33 ×10 ⎜⎜ × ⎟⎟ w ⎝ θ BH ⎠ ⎛ θ ⎞ ×9, 462 ⎜⎜ w ⎟⎟ ⎝ θ BH ⎠ -6,70 θ w £0, 35 -5 ⎛ θ ⎞ D(θ ) = 1, 33 ×10 ⎜⎜ w ⎟⎟ w ⎝ θBH ⎠ ⎛ θ ⎞ ×2, 4489 ⎜⎜ w ⎟⎟ ⎝ θ BH ⎠ (4) 42,08 × Theo phương pháp phần tử hữu hạn, chia miền mơ hình lan truyền ẩm M phần tử số bước thời gian chạy mơ hình N Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho phương trình với sơ đồ sai phân trung tâm thời gian với điều kiện biên định ta có hệ phương trình tuyến tính (Huyakorn Pinder, 1987)[4]: ( −2 + Δtn K ) θwn+1 n+1 = − ( + Δtn K ) θwn + F -28,21 hệ số phân tán ẩm, θ w θ w tương ứng ma trận cột có M hàng độ ẩm ô lưới vào bước thời gian thứ n n+1, F ma trận cột có M hàng phụ thuộc vào kích thước phần tử điều kiện biên cụ thể Δtn bước thời gian bước mơ hình thứ n n+ n θ w > 0, 35 Phương trình (1) có lời giải có đầy đủ điều kiện ban đầu điều kiện biên mô tả sau Điều kiện ban đầu phân bố độ ẩm vào thời điểm ban đầu t = t0 vị trí miền tính tốn: θ w = θ w0 ( z ) (6) - Biên Neumann (gradient độ ẩm pháp tuyến với đường biên biết): ∂ θw = g Γgw ∂ n Sơ đồ mơ hình lan truyền ẩm thể hình B¾t đầu Chọn miền mô hình Chọn bớc lới, bớc thời gian v số bớc chạy mô hình (N) (5) Cỏc điều kiện biên đồng thời dạng sau: - Biên có độ ẩm áp suất biết: θ w = θ ww Γw (8) Trong K gọi là ma trận cứng hình vng kích thước M×M phụ thuộc vào kích thước phần tử Trong đó: θBH độ ẩm bão hồ, K(θw) hệ số thấm khơng bão hịa (là hàm số định độ ẩm loại đất) (7) 3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp mơ hình số (chẳng hạn phần tử hữu hạn) sử dụng để giải phương trình (1) tính tốn ngấm nước mưa đất Hệ phương trình tuyến tính cho bước thời gian thiết lập theo trình từ mơ tả phương trình 80 (1÷4) Trong bước thời gian thơng số giá trị lượng nước cung cấp từ mặt đất, hệ số thấm khơng bão hồ (K(w)), hệ số phân tán ẩm (D(θw), độ ẩm biên phía (θL) thay đổi theo giá trị thực tế (lượng nước mưa rơi bề mặt) theo quan hệ thơng số với độ ẩm (cỏc cụng thc 2-4) Lập lới mô hình (số thứ tự nút v phần tử) Chọn điều kiện ban đầu (i=0) v điều kiện biên i=1 Tính thông số cho nút v phần tử ton miền Chạy chơng trình tính độ ẩm v áp lực hút i=i+1 I=N KÕt thóc Hình Sơ đồ khối q trình mơ hình số lan truyền ẩm Năm 2008 năm xảy trượt lở mạnh khu vực thị trấn Cốc Pài - huyện Xín Mần - tỉnh Hà Giang, có mưa ngày, ngày liên tục lớn xảy ngày 26-28 tháng với lượng mưa tương ứng 156,0mm (là lượng mưa ngày lớn thứ giai đoạn 1970-2009), 202,1mm (là lượng mưa ngày lớn thứ giai đoạn 19702009)) 222,3mm (là lượng mưa ngày lớn thứ giai đoạn 1970-2009) Đáng lưu ý mưa liên tục kéo dài suốt từ ngày 23/7 đến hết ngày 7/9 với tổng lượng mưa đạt 791,3mm (bảng 1, hình 4) chiếm 38% tổng lượng mưa năm 2008 Mơ hình thấm nước mưa khu vực nghiên cứu 4.1 Đặc trưng mưa khu vực thị trấn Cốc Pàihuyện Xín Mần Số liệu mưa trung bình năm giai đoạn 20002008 Xín Mần cho thấy lượng mưa năm lớn 2063,8mm (năm 2008), nhỏ 693,9mm (năm 2003) trung bình 1518,3mm Trong giai đoạn có năm có tổng lượng mưa từ 2063,8mm đến 2098mm năm 2001, 2002 2008 lớn gấp gần 1,4 lần mưa trung bình năm lớn tới gấp lần năm có mưa Bảng Số liệu mưa từ ngày 22-7-2008 đến 7-9-2008 [5] Ngày/tháng/năm Mưa ngày Mưa cộng Ngày/tháng/năm (mm) dồn (mm) Mưa ngày (mm) Mưa cộng dồn (mm) Ngày/tháng/năm Mưa ngày (mm) Mưa cộng dồn (mm) 22-7-08 0,0 0,0 7/8/08 1,8 246,3 23-8-08 9,1 453,8 23-7-08 16,1 16,1 8-8-08 48,1 294,4 24-8-08 8,4 462,2 24-7-08 44,5 60,6 9-8-08 87,1 381,5 25-8-08 2,8 465,0 25-7-08 122,5 183,1 10-8-08 25,4 406,9 26-8-08 20,2 485,2 26-7-08 9,1 192,2 11-8-08 2,3 409,2 27-8-08 156,0 641,2 27-7-08 0,0 192,2 12-8-08 5,0 414,2 28-8-08 46,1 687,3 28-7-08 12,3 204,5 13-8-08 0,0 414,2 29-8-08 0,0 687,3 29-7-08 0,0 204,5 14-8-08 19,3 433,5 30-8-08 0,0 687,3 30-7-08 0,0 204,5 15-8-08 0,0 433,5 31-8-08 42,0 729,3 31-7-08 2,1 206,6 16-8-08 0,0 433,5 1-9-08 0,4 729,7 1-8-08 13,5 220,1 17-8-08 0,0 433,5 2-9-08 0,0 729,7 2-8-08 1,8 221,9 18-8-08 2,1 435,6 3-9-08 22,4 752,1 3-8-08 2,1 224,0 19-8-08 0,0 435,6 4-9-08 25,4 777,5 4-8-08 8,7 232,7 20-8-08 9,1 444,7 5-9-08 0,0 777,5 5-8-08 11,3 244,0 21-8-08 0,0 444,7 6-9-08 2,3 779,8 6-8-08 0,5 244,5 22-8-08 0,0 444,7 7-9-08 11,5 791,3 ← Hình Mưa ngày mưa cộng dồn thời gian từ 22-8 đến 7-9 năm 2008 81 4.2 Mơ hình thấm nước mưa khu vực thị trấn Cốc Pài thời gian từ 22-8 đến 7-9 năm 2008 Tiến hành mô hình lan truyền ẩm khu vực thị trấn Cốc Pài thời gian mưa lớn năm 2008 từ ngày 22/8 đến 7/9 Số liệu mưa sử dụng mơ hình mưa theo đo Hồng Su Phì (hình 5) số liệu mưa thị trấn Cốc Pài số liệu mưa đo theo ngày Mơ hình phần tử hữu hạn bậc cao có miền mơ hình từ mặt đất đến độ sâu 8m, kích thước phần tử 0,02m, tức có tổng số nút 4000, Bước thời gian mơ hình 10 phút (tổng số bước thời gian chạy mơ hình 2304) Trong khuôn khổ nghiên cứu sử dụng tương quan áp suất hút nước tuyệt đối, hệ số thấm khơng bão hịa hệ số phân tán ẩm theo công thức (2-4) nêu trên, hệ số thấm bão hoà đất lấy 0,02m/ngày giá trị hệ số thấm trung bình theo tài liệu thí nghiệm thấm mẫu đất từ mặt đất đến độ sâu mét lỗ khoan địa chất cơng trình khu vực nghiên cứu [6] Từ kết phân bố ẩm mơ hình lan truyền ẩm nước mưa ngấm tính tốn lượng nước mưa ngấm vào đất phần nước mưa chảy tràn mặt đất Kết tính tốn lượng nước mưa ngấm thể hình Kết mơ hình ngấm nước mưa cịn cho phép tính tốn phần trăm lượng nước mưa ngấm vào đất, phần lại chảy tràn mặt đất, bốc Hình Mưa từ 22-8-2008 đến 7-9-2008 [5] Hình Phân bố ẩm theo độ sâu từ 24-8 đến 31-8 82 ← Hình Phân bố ẩm theo độ sâu từ 31-8 đến 7-9 Kết cho thấy tốc độ tăng độ ẩm chiều sâu lan truyền nước mưa ngày đầu lớn sau giảm dần Điều phản ánh chất trình áp suất hút nước giảm theo quy luật số mũ với độ ẩm, giảm nhanh nhiều so với việc tăng hệ số thấm độ ẩm tăng, đồng thời gradient nồng độ ẩm theo phương thấm thẳng đứng giảm theo thời gian Trong ngày đầu mưa bắt đầu độ ẩm đất thấp, cường độ mư nhỏ nên phần trăm lượng nước mưa vào đất lớn, đạt tới 34% ngày thứ 3, sau giảm dần đạt cực tiêu vào ngày thứ (14%) sau tăng chậm đạt 19% vào ngày thứ 16 (hình 8) ← Hình Lượng nước mưa ngấm theo thời gian từ 23-8 đến 7-9 4.3 Sử dụng kết mơ hình ngấm nước mưa tính tốn độ ổn định sườn dốc Để sử dụng kết mơ hình ngấm nước mưa tính tốn độ ổn định sườn dốc cần thiết lập mối tương quan khối lượng riêng đất độ ẩm, tương quan giá trị độ dính góc ma sát đất độ ẩm đất Ngoài có điều kiện áp lực nước lỗ rỗng (mực nước ngầm cao mặt tính tốn trượt) yếu tố phải đưa vào tính tốn Trong q trình tính tốn độ ổn định trượt theo phương pháp lát cắt, tính tốn khối lượng đất lát cắt phải thực cho lớp mỏng theo độ sâu 83 độ ẩm thay đổi lớn theo độ sâu Đồng thời độ dính góc ma sát đáy lát cắt (cung tính tốn độ ổn định trượt) phải xác định theo mối tương quan với độ ẩm xác dòng nước mặt nước mưa chảy tràn phục vụ công tác thiết kế hệ thống thu gom nước mưa, đặc biệt công tác thiết kế công trình chống trượt Nhận xét - kết luận Ghi nhận: Bài báo hồn thành khn khổ thực đề tài KC.08.33/06-10: Nghiên cứu đánh giá, dự báo chi tiết tượng trượt-lở xây dựng giải pháp phịng chống cho thị trấn Cốc Pài huyện Xín Mần, tỉnh Hà Giang Khu vực nghiên cứu có bề mặt sản phẩm phong hóa có nhiều thành phần hạt thơ nên có khả thấm nước tốt sét, sét pha thông thường Dưới điều kiện mưa kéo dài mưa lớn ngấm vào đất tương đối nhiều làm tăng khối lượng riêng đất đá, làm giảm tiêu kháng cắt, dòng chảy ngầm theo hướng độ dốc sườn dốc làm gia tăng sức đẩy trượt, làm tăng mực nước ngầm cao mặt trượt, khu vực nghiên cứu Chiều sâu lượng nước mưa thấm vào đất hàm số nhiều thông số (thời gian mưa, cường độ mưa, độ thấm đất, độ ẩm ban đầu, độ ẩm bão hòa đất, chiều sâu mực nước ngầm, ) Việc tính tốn định lượng q trình nước mưa thấm vào đất cung cấp liệu quan trọng việc tính tốn nguy trượt lở ảnh hưởng mưa TÀI LIỆU DẪN [1] Robert L Schuster Raymond J Krizek, 1981: Trượt đất: Nghiên cứu gia cố, Biên tập: G, X, Zôlôtarev Nhà xuất Môscơva "Mir", (Bản dịch tiếng Nga,) [2] Peter S Eagleson, 1978: Climate, soil, vegetation: A simplified model of soil moisture movement in the liquid phase Water Resources Research Volume 14, No 10/1978 Tr 722-730 [3] Jiunsheng Li and Hiroshi Kawano, 1997: Sprinkler Water Utilization Efficiency, Journal of International Rainwater Catchment Systems, Vol, 3, No, 1, July, 1997, pp 41-51 Phương pháp giải tích tính ngấm nước mưa đất khơng thể thực trường hợp mưa có cường độ thay đổi theo thời gian khơng gian, đặc biệt thông số lan truyền ẩm đất thay đổi mạnh mẽ theo độ ẩm Mô hình số cho phép thực xác q trình ngấm nước mưa vào đất điều kiện phục vụ cho việc tính tốn đánh giá ổn định trượt sườn dốc ảnh hưởng chế độ mưa khác [5] Số liệu quan trắc mưa thị trấn Hồng Su Phì thị trấn Xín Mần tỉnh Hà Giang lưu trữ Viện Khí tượng Thủy văn - Bộ Tài nguyên Môi trường Việc mơ hình xác q trình ngấm nước mưa đất nói chung khu vực nghiên cứu nói riêng cịn sở phục vụ xây dựng mơ hình dịng chảy mặt nước mưa chảy tràn Đây sở phục vụ tính tốn cân nước khu vực đánh giá tài nguyên nước, đồng thời mơ hình [6] Kết phân tích năm 2010 tiêu lý thấm mẫu đất đá lấy từ lỗ khoan địa chất cơng trình thuộc đề tài KC.08.33/06-10: "Nghiên cứu đánh giá, dự báo chi tiết tượng trượt-lở xây dựng giải pháp phịng chống cho thị trấn Cốc Pài huyện Xín Mần, tỉnh Hà Giang" [4] Huyakorn Pinder, 1987: Computational method in subsurface flow Academic Press SUMMARY Rainwater infiltration modelling for slope stability analysis in Coc Pai town-Xin Man distict-Ha Giang province Rainfall plays an important role in formation of landslides by substantially changing the physico-mechanical properties of the soil such as soil weight, cohesion, friction angle, pore water pressure etc For a given soil, those parameters are functions of soil moisture Raiwater infiltration makes the change in soil moisture in space, especialliy in the depth and in time One specific rainfall event shall give a specific rainwater infiltration and moisture distribution and therfore creates a specific distribution of physico-mechanical properties Numerical moisture movement under given rainfall event whould give a precise moisture ditribution in soil and therefore can effectively serve the slope stability analysis and prediction Rainwater infiltration and soil moisture movement modeling for the peak rainfall event in 2008 in Coc Pai town, Xin Man district, Ha Giang province has been carried out, which provides an important input for effective slope stability analysis and prediction of the area 84 ... mưa cộng dồn thời gian từ 2 2-8 đến 7-9 năm 2008 81 4.2 Mơ hình thấm nước mưa khu vực thị trấn Cốc Pài thời gian từ 2 2-8 đến 7-9 năm 2008 Tiến hành mô hình lan truyền ẩm khu vực thị trấn Cốc Pài. .. 192,2 1 2-8 -0 8 5,0 414,2 2 8-8 -0 8 46,1 687,3 2 8-7 -0 8 12,3 204,5 1 3-8 -0 8 0,0 414,2 2 9-8 -0 8 0,0 687,3 2 9-7 -0 8 0,0 204,5 1 4-8 -0 8 19,3 433,5 3 0-8 -0 8 0,0 687,3 3 0-7 -0 8 0,0 204,5 1 5-8 -0 8 0,0 433,5 3 1-8 -0 8... 729,3 3 1-7 -0 8 2,1 206,6 1 6-8 -0 8 0,0 433,5 1-9 -0 8 0,4 729,7 1-8 -0 8 13,5 220,1 1 7-8 -0 8 0,0 433,5 2-9 -0 8 0,0 729,7 2-8 -0 8 1,8 221,9 1 8-8 -0 8 2,1 435,6 3-9 -0 8 22,4 752,1 3-8 -0 8 2,1 224,0 1 9-8 -0 8 0,0