Địa hình vùng đồi chiếm khoảng 76% tổng diện tích tỉnh Thừa Thiên Huế, dưới điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa làm cho quá trình phong hóa đất đá vùng đồi núi diễn ra mãnh liệt, lớp vỏ phong hóa nhiều nơi dày hơn 10 m, thành phần chủ yếu là đất sét pha lẫn dăm, vụn, tảng.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 15, Số (2020) ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH SƢỜN DỐC CỦA ĐẤT ĐÁ TÀN SƢỜN TÍCH TẠI VÙNG ĐỒI NÚI TỈNH THỪA THIÊN HUẾ Nguyễn Thị Thanh Nhàn, Hà Văn Hành*, Đỗ Quang Thiên, Hồng Ngơ Tự Do, Nguyễn Quang Tuấn Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế *Email: hanhdiahue@yahoo.com Ngày nhận bài: 6/7/2019; ngày hoàn thành phản biện: 10/7/2019; ngày duyệt đăng: 04/9/2019 TĨM TẮT Địa hình vùng đồi chiếm khoảng 76% tổng diện tích tỉnh Thừa Thiên Huế, điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa làm cho q trình phong hóa đất đá vùng đồi núi diễn mãnh liệt, lớp vỏ phong hóa nhiều nơi dày 10 m, thành phần chủ yếu đất sét pha lẫn dăm, vụn, tảng Do q trình phong hóa làm cho sức kháng cắt đất loại sét tàn sườn tích giảm rõ rệt, góc nội ma sát đất đá giảm - 50, lực dính kết đất đá giảm 0,02 - 0,07 kG/cm2, khối lượng thể tích đất tăng 0,02 - 0,12 g/cm3, cao vào mùa mưa lũ Sự thay đổi tính chất lý theo hướng bất lợi nguyên nhân dẫn đến ổn định sườn dốc, gây nhiều điểm trượt lở dọc tuyến đường giao thông miền núi tỉnh Thừa Thiên Huế Đặc biệt sườn dốc, mái dốc có góc dốc lớn 25 - 280 Từ khóa:Độ ổn định sườn dốc, đất tàn sườn tích, đất phong hóa, vùng đồi núi Thừa Thiên Huế GIỚI THIỆU Q trình phong hóa trình phá hủy đá theo thời gian tạo phụ đới tàn sườn tích - hồn tồn (edQ + IA1) phụ đới phong hóa mạnh (IA2) Kết q trình phong hóa làm độ bền đất đá giảm đáng kể Vùng đồi núi tỉnh Thừa Thiên Huế có bề dày vỏ phong hố phổ biến từ 1- 3m đến - 25 m >25 m [1] Để định hướng cho thiết kế, thi công mái dốc xây dựng tuyến đường giao thơng hay khai thác mỏ, ngồi việc xác định tính chất lý đất đá trạng thái tự nhiên (hoặc khơ gió) lẫn trạng thái bão hịa nước cần phải quan tâm xác định góc dốc ổn định tương ứng với chiều cao giới hạn đất đá phụ đới tàn sườn tích - hồn tồn (edQ + IA1) phụ đới phong hóa mạnh (IA2) Đây nguồn tài liệu góp phần dự báo, đánh giá định lượng khả phát sinh tai biến địa chất, trượt lở đất đá sườn dốc, mái dốc vùng đồi núi tỉnh Thừa Thiên Huế 181 Đánh giá độ ổn định sườn dốc đất đá tàn sườn tích vùng đồi núi tỉnh Thừa Thiên Huế PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết kiểm toán ổn định trƣợt sƣờn dốc Có nhiều phương pháp để kiểm tốn ổn định sườn dốc nói chung ổn định trượt nói riêng, sở chung phương pháp cần phải dựa phương pháp nghiên cứu trạng thái cân khối đất đá cấu tạo nên Tuy nhiên, thực tế thấy phương pháp kiểm toán sử dụng giai đoạn nghiên cứu chi tiết khối trượt, dựa mô tả đặc điểm địa chất, động lực phát triển tượng trượt Cơ sở phương pháp kiểm toán, đánh giá độ ổn định sườn dốc nói chung q trình trượt đất đá nói riêng thực chất nghiên cứu, đánh giá tỷ số ứng lực giữ lại ứng lực gây dịch chuyển khối đất đá cấu tạo nên sườn dốc, tức xác định hệ số ổn định η sườn dốc [7] A B (1.1) Trong đó: A: Tổng ứng lực giữ (tức tổng ứng lực chống cắt, chống trượt) đất đá mặt trượt phân tích hay dự kiến vị trí xét B: Tổng ứng lực gây dịch chuyển trượt vị trí xét Trong kiểm toán ổn định trượt, điều quan trọng đánh giá phát tác động tương đối lực định không giá trị số liệu thu thập mà định cách xét điều kiện địa chất thực tế có xuất ảnh hưởng đến phát sinh, phát triển tượng trượt Một số phương pháp kiểm toán ổn định sườn dốc điển hình dựa vào cấu trúc khối trượt, nguyên nhân hình thành điều kiện hỗ trợ cho trình trượt phát triển vận dụng bao gồm: - Phương pháp kiểm tốn ổn định khối trượt có mặt trượt phẳng nằm nghiêng Phương pháp vừa nêu áp dụng cho khối trượt theo bề mặt có sẵn Khối trượt kiểu có mặt trượt phẳng, bậc thang hay nằm nghiêng lượn sóng thường có góc nghiêng xấp xỉ độ dốc sườn đồi núi - Phương pháp kiểm tốn ổn định khối trượt có mặt trượt lõm quy ước cung trịn hình trụ Phương pháp chủ yếu ứng dụng cho khối trượt kiến trúc khơng theo mặt có sẵn phần trượt cắt sâu Mặt trượt thường có dạng lõm, lõm đặn, quy ước cung tròn hình trụ Trên sở quan sát thực địa nhận thấy trượt vùng đồi núi tỉnh Thừa Thiên Huế đa phần khối trượt có mặt trượt phẳng gãy khúc nằm nghiêng Do 182 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 15, Số (2020) đó, chúng tơi tiến hành kiểm tốn ổn định trượt theo phương pháp kiểm tốn ổn định khối trượt có măt trượt phẳng nằm nghiêng Đối với đặc điểm mặt trượt vừa dẫn, hệ số ổn định khối trượt đánh giá xác định cho lăng thể trượt đảm bảo độ tin cậy cần thiết (Hình 1) Lúc này, tổng ứng lực chống cắt (chống trượt) đất đá mặt trượt dự kiến tổng ứng lực gây dịch chuyển (gây trượt) vị trí lăng thể trượt tính tốn tính toán sau [7]: i i NGi tg1 C1 li a1 TGi (1.2) wi bi hi cos tgi C1 li wi bi hi sin i (1.3) Trong đó: NGi: Lực chống trượt lăng thể trượt i NGi Gi cos i wi Vi cos i wi a i bi hi cos i Gi: Trọng lượng khối đất đá lăng thể trượt αi: Độ dốc mặt trượt thuộc lăng thể i (tương đương độ dốc sườn dốc) bi, li: Chiều rộng chiều dài mặt trượt lăng thể trượt i (lấy li = 1) hi: Bề dày đất đá hay chiều cao lăng thể trượt i φi: Góc nội ma sát đất đá phụ đới phong hóa thuộc lăng thể trượt i Ci: Lực dính kết đất đá phụ đới phong hóa thuộc lăng thể trượt i ai: Bề dày lát cắt lăng thể trượt i Ti: Lực cắt trượt đất đá tác dụng vào lăng thể i hướng phía chân sườn dốc TGi Gi sin i wi Vi sin i wi a i bi hi sin i Vào mùa lũ, lăng thể trượt đất đá chịu tác động áp lực đẩy áp lực thủy động nước cơng thức kiểm toán ổn định trượt là: w2 h1i w2 w h1w cos i tg2 Ci li w2 hi li sin i w hwi li J i = hi = h1i +hwi ; (1.4) Dwi = n whwiaibi tgαi Trong đó: w tỷ trọng nước, w = 1tấn/m3; h1i- chiều dày phần đất đá không chứa nước; hwi - chiều dày tầng chứa nước; - chiều dày lát cắt lăng thể trượt i, J - độ dốc thủy lực dòng ngầm, n - độ rỗng đất đá, lấy chung 0,45 183 Đánh giá độ ổn định sườn dốc đất đá tàn sườn tích vùng đồi núi tỉnh Thừa Thiên Huế Hình Sơ đồ cấu tạo lăng thể trượt Để đánh giá định lượng trình trượt đất đá theo mặt trượt phẳng xác định hệ số ổn định sườn dốc mùa khô mùa mưa khu vực nghiên cứu, tiến hành phân tích tính tốn lăng thể trượt với kích thước: chiều rộng, chiều dày chiều dài mặt trượt thống lấy đơn vị, chiều cao lăng thể với chiều dày trung bình đới phong hóa xét, mặt trượt nằm nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang góc dộ dốc trung bình sườn dốc Bên cạnh đó, nhóm tác giả chọn hệ tầng ngẫu nhiên (Núi Vú, A Vương, Đại Lộc, Bến Giằng - Quế Sơn) (Phụ lục) để tiến hành kiểm toán ổn định trượt cho đới, phụ đới phong hóa Như biết vùng đồi núi Thừa Thiên Huế nhiều tỉnh khác trượt đất đá xảy phổ biến tầng phủ với góc dốc sườn (mái dốc) phổ biến khoảng 20 - 450 nên phần tiến hành kiểm tốn cho sườn dốc có lấy từ 20 - 450 (lấy theo độ dốc trung bình sườn dốc) cho tính tốn sau với phụ đới phong hóa edQ + IA1, IA2 Mặt khác, cơng tác kiểm tốn tiến hành theo cấp bề dày phụ đới edQ + IA1 phụ đới edQ + IA1 phụ đới IA2 [2,3,8,9] - Do tầng chứa nước nằm sâu cách bề mặt địa hình khoảng từ 25 đến 50m, chí có nơi lên đến 70-100m, nên xét đến ảnh hưởng áp lực thủy tĩnh, áp lực thủy động nước đất nhận thấy vị trí có khả tồn tầng chứa nước 2.2 Qui trình kiểm tốn hệ số ổn định trƣợt sƣờn dốc (mái dốc) Trước hết, công tác kiểm toán hợp lý nên tiến hành theo hệ tầng, phức hệ bị phong hóa đến mức độ cao dễ ổn định trượt sườn dốc, mái dốc Sau đó, hệ số ổn định trượt sườn dốc (mái dốc) cấu tạo từ đất đá phong hóa mạnh 184 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 15, Số (2020) hệ tầng, phức hệ kiểm toán theo phụ đới edQ + phong hóa hồn tồn (edQ+IA1) đến phụ đới phong hóa mạnh (IA2) kết hợp (edQ+IA1) Ngồi ra, việc kiểm toán ổn định trượt sườn dốc (mái dốc) cấu tạo từ đất đá phụ đới edQ+IA1 hay phụ đới IA2 không thực theo độ dốc khác nhau, mà cần tiến hành theo cấp bề dày đất đá cấu thành phụ đới phong hóa Việc kiểm tốn đới phong hóa mạnh nằm phía phụ đới edQ + phong hóa hồn tồn (edQ+IA1) tính tốn với thay đổi bề dày hi lăng thể trượt (theo cấp), khối lượng thể tích γwi Bề dày lăng thể trượt hi tính h h i Trong đó: 1i h2i hi (1.5) h1i: bề dày phụ đới phủ tàn - sườn tích + IA1 h2i: bề dày phụ đới phong hóa mạnh IA2 hi: bề dày tầng đất đá phong hóa xét Khối lượng thể tích đưa vào tính tốn xác định công thức sau: w wi hi h (1.6) i KẾT QUẢ KIỂM TOÁN ỔN ĐỊNH TRƢỢT ĐẤT ĐÁ CẤU THÀNH PHỤ ĐỚI EDQ +IA1, PHỤ ĐỚI IA2 THUỘC CÁC HỆ TẦNG (PHỨC HỆ) Ở TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN VÀ BÃO HÒA 3.1 Các tiêu lý đất đá chiều dày tính tốn dùng để kiểm tốn đánh giá mức độ phát sinh, phát triển trình trƣợt đất đá Trên sở phân tích tiêu lý mẫu đất đá phụ đới tàn sườn tích, phong hóa hồn tồn phong hóa mạnh theo TCVN 4199:1995 TCVN 4202:2012, nhận thấy tiêu lý phụ đới phong hóa thay đổi cách mãnh liệt so với đá gốc, đặc biệt tiêu độ bền giảm rõ rệt (φ giảm 50, C giảm 0,02 - 0,07 kG/cm2), khối lượng thể tích đất tăng 0,02 - 0,12 g/cm3 vào mùa mưa lũ Số liệu thí nghiệm tính chất lý đất đá trình bày, hệ thống hóa dạng bảng giá trị trung bình trạng thái tự nhiên (hoặc khơ gió) lẫn trạng thái bão hịa nước để phục vụ cho phần đánh giá ảnh hưởng chúng đến ổn định trượt đất đá sườn dốc, mái dốc sau (Bảng 1) [2,4,5,6] Bảng Bảng tổng hợp giá trị tính chất lý đất đá phụ đới tàn - sườn tích + phong hóa 185 Đánh giá độ ổn định sườn dốc đất đá tàn sườn tích vùng đồi núi tỉnh Thừa Thiên Huế hoàn toàn (edQ + IA1) phụ đới phong hóa mạnh IA2 hệ tầng Núi Vú, A Vương phức hệ Đại Lộc, Bến Giằng - Quế Sơn [5,6] Chiều Khối lƣợng Tham số Phụ đới dày Số thể tích, (T/m ) độ bền kháng cắt Địa tầng phong trung lƣợng Tự nhiên Bão hịa Tự nhiên Bão hịa hóa bình, mẫu γw γbh , độ C, (T/m2) , độ C, (T/m2) h (m) edQ + 1,75 1,86 26 2,3 22 1,8 IA1 NP - ε1nv2 15 IA2 1,98 2,05 28 2,8 26 2,4 edQ + 13 1,79 1,89 27 2,5 23 1,9 IA1 Ε2 - O1 av 17 IA2 2,05 2,11 30 2,6 27 2,2 edQ + 1,73 1,82 25 2,5 23 2,1 IA1 GaD1đl 16 IA2 1,96 29 2,4 edQ + 11 1,81 1,89 26 2,2 24 1,9 G DiPZ3bgIA1 qs 14 IA2 1,99 2,05 30 2,3 25 1,9 3.2 Kết kiểm toán ổn định trƣợt sƣờn dốc cấu tạo từ đất đá phong hóa mạnh phức hệ, hệ tầng vùng đồi núi tỉnh Thừa Thiên Huế Từ phương pháp, trình tự liệu chọn, cơng tác kiểm tốn ổn định trượt tiến hành kết trình bày Bảng 2, 3, 4, 186 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 15, Số (2020) Bảng Hệ số ổn định trượt sườn dốc cấu tạo từ đất đá phụ đới edQ+IA1 phụ đới IA2 hệ tầng Núi Vú [5,6] Bảng Hệ số ổn định trượt sườn dốc cấu tạo từ đất đá phụ đới edQ+IA1 phụ đới IA2 hệ tầng A Vương [5,6] 187 Đánh giá độ ổn định sườn dốc đất đá tàn sườn tích vùng đồi núi tỉnh Thừa Thiên Huế Bảng Hệ số ổn định trượt sườn dốc cấu tạo từ đất đá phụ đới edQ + IA1 phụ đới IA2 phức hệ Đại Lộc [5,6] Bảng Hệ số ổn định trượt sườn dốc cấu tạo từ đất đá phụ đới edQ + IA1 phụ đới IA2 phức hệ Bến Giằng - Quế Sơn [5,6] 188 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 15, Số (2020) BÀN LUẬN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1 Đánh giá nguy trƣợt đất đá theo độ dốc bề dày phụ đới tàn - sƣờn tích + phong hóa hồn tồn phụ đới phong hóa mạnh Từ kết kiểm toán ổn định mái dốc phương pháp kiểm tốn ổn định khối trượt có mặt trượt nằm nghiêng phụ đới đất tàn sườn tích + phong hóa hồn tồn đất phụ đới phong hóa mạnh cho thấy với chiều dài mặt trượt góc dốc mặt trượt lớn khả ổn định sườn dốc (mái dốc) có khả xảy mãnh liệt - Kiểm toán ổn định trượt cho thấy trượt không xảy phụ đới phong hóa hồn tồn + tàn - sườn tích đến phụ đới phong hóa mạnh địa hình sườn đồi (mái dốc) có góc dốc 25o kể mùa mưa lũ tầng phủ có bề dày lớn đến 10 - 11m - Vào mùa khơ, phụ đới đất tàn - sườn tích (edQ + IA1) phụ đới (IA2) hệ tầng, phức hệ nghiên cứu khả ổn định sườn dốc xảy độ dốc sườn đồi núi αi > 350 - Vào mùa mưa lũ, đất đá trạng thái bão hòa nước, hệ số ổn định giảm xuống nên sườn dốc (mái dốc) cấu tạo từ đất loại sét phụ đới tàn sườn tích + phong hóa hồn tồn (edQ + IA1) phụ đới (IA2) thường bị xảy trượt lở độ dốc sườn đồi núi > 25o - Sườn dốc cấu tạo từ đất phụ đới tàn sườn tích + phong hóa hồn tồn (edQ + IA1) phụ đới phong hóa mạnh (IA2) ổn định bề dày tầng phủ