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:
Trong đó:
: Lưu tốc thấm;
: Hệ số thấm của môi trường; : Gradient thấm (độ dốc thủy lực).
Lưu lượng thấm được xác định theo công thức:
: Lưu lượng thấm;
: Diện tích mặt cắt ngang của dòng thấm.
Phương trình vi phân cơ bản trong phân tích thấm 2 chiều là:
Trong đó:
- Cột nước thấm tổng;
: Hệ số thấm theo phương ngang; : Hệ số thấm theo phương dọc;
: Lưu lượng phụ thêm (Lưu lượng biên tác dụng); : Độ dố của đường ong đất – nước;
: Dung trọng nước; : Thời gian.
2.2.2. Cơ sở lý thuyết của SEEP/W
2.2.2.1. Dòng thấm trong đất bão hòa/không bão hòa tuân theo định luật Darcy
à − = biến thiên độ ẩm thể tích ∆
Trường hợp đất bão hòa: ∆ = 0→ dòng thấm ổn định
( − ) → Không ảnh hưởng đến ∆
Chỉ (u − u ) ảnh hưởng đến ∆θ→ có nghĩa là chỉ có biến thiên áp lực nước lỗ rỗng là ảnh hưởng tới ∆θ
2.2.2.2. Phương trình thấm
* Trường hợp không ổn định:
= ( − ) (2.20)
= + (2.21)
*Trường hợp dòng ổn định:
+ + = 0 (2.22)
2.2.3. Giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Theo phương pháp này thì miền thấm được chia thành những tam giác, tứ giác có kích thước và hình dạng khác nhau phù hợp với các biên và tính chất của d.ng thấm ở các khu vực khác nhau (khu vực nào có d.ng thấm mạnh th. được chia nhỏ và ngược lại) và được nối với nhau tại các nút. Tọa độ tại một điểm bên trong phần tử x, y được xác định thông qua tọa độ của các điểm nút:
Chia miền tính toán ra thành các phần tử tam giác, tứ giác nối với nhau tại các điểm nút.Với từng phần tử sử dụng hệ tọa độ địa phương như hình 2.9.
- Tọa độ tại mỗi điểm bất kỳ bên trong phần tử x, y được xác định thông qua tọa độ của các điểm nút
= 〈 〉{ } (2.23) = 〈 〉{ } (2.24) Trong đó:
〈N〉: Hàm dạng của phần tử;
{X}{Y}: Tọa độ của các điểm nút phần tử.
- Cột nước thấm h tại mỗi điểm trong phần tử được xác định như sau:
ℎ = 〈 〉{ } (2.25) Trong đó:{ } là cột nước thấm tại các điểm nút
Gradient thấm theo các phương x,y
= = 〈 〉{ } (2.26)
= = 〈 〉{ } (2.27)
Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn Galerkin ta có:
([ ] [ ][ ]) { } + ( 〈 〉 〈 〉) { }, = (〈 〉 ) (2.28)
Trong đó:
[ ]: Ma trận Gradient;
[ ]: Ma trận hệ số thấm của phần tử; { }: Cột nước tại các điểm nút; 〈 〉 〈 〉 = 〈 〉: Ma trận khối lượng;
= : Biến thiên cột nước thấm theo t; : Lưu lượng thấm vào biên của phần tử; 〈 〉: Hàm dạng của phần tử.
Viết gọn lại, ta có: [ ]{ } + [ ]{ }, = { } (2.29) Trong đó: [ ]: Ma trận cứng: [ ] = ([ ] [ ][ ]) (2.30) [ ]: Ma trận khối lượng: [ ] = ( 〈 〉 〈 〉) (2.31)
{ }: Véc tơ lưu lượng nút:
Chương 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG TRƯỢT ĐẤT GÂY RA DO
MƯA DÙNG PHẦN MỀM GEO-SLOPE 3.1. Mô hình
3.1.1. Mô hình
Lựa chọn mô hình thiết kế là mái dốc tiêu biểu như sau:
3.1.2. Các thông số kỹ thuật
Các lớp đất có thông số như sau:
Bảng 3.1: Thông số các lớp đất Lớp đất Trọng lượng khối (kN/m 3 ) Góc ma sát trong (độ) Lực liên kết (kN/m 2 ) Hệ số thấm K (m/s) Cát pha sét 18 20 5 10-3– 10-5 Đất sét 20 30 10 10-5 – 10-7 3.1.3. Trình tự thực hiện mô phỏng
3.1.3.1.Thực hiện mô phỏng SEEP/W
- B1: xác định phạm vi làm việc:
Phạm vi làm việc là khoảng rộng đủ để xác định bài toán. Trong mô phỏng này, phạm vi làm việc thích hợp là 260mm rộng và 200mm cao
-B2: xác định tỷ lệ:
Dạng hình học của mô hình được tính bằng mét. Bài toán rộng 54m và cao 20m. Chọn các thông số tỷ lệ như hình dưới
Hình 3.3: Thiết lập tỷ lệ
- B3: Lập khoảng ô lưới:
Để trợ giúp cho phác thảo bài toán, cần có nền điểm lưới.Các điểm này có thể định vị trong khi tạo dạng hình học cho bài toán để tạo lập các nút và các phần tử có cần độ chính xác tọa độ. Trong mô phỏng này, khoảng cách của mắt lưới là 1m:
Hình 3.4 Lập khoảng ô lưới
- B4: Phác thảo bài toán
Để thực hiện mô phỏng và tạo các phần tử hữu hạn, ta cần phác họa kích thước mô hình. Các thông số mô hình được phác họa như sau:
- B5: xác định hàm thấm của tính chất vật liệu: Hàm thấm của cát pha sét:
Hình 3.6 Hàm thấm của cát pha sét
Hàm thấm của đất sét:
- B6: xác định tính chất vật liệu:
Xác định hàm thấm cho các lớp đất trong mô hình như hình vẽ:
Hình 3.8 Tính chất vật liệu của các lớp đất
- B7: Tạo các phần tử hữu hạn:
Hình 3.9 Thông số của phần tử hữu hạn
Mô hình sau khi tạo phần tử hữu hạn:
- B8: xác định điều kiện biên nút:
Trong mô hình này ta xác định lượng mưa sẽ thấm đến toàn bộ bề mặt trên của mô hình, ta sẽ có mô hình sau:
Hình 3.12 Mô hình chạy mô phỏng
3.1.3.2 Thực hiện mô phỏng SLOPE/W
Sử dụng kết quả chạy mô phỏng SEEP/W để làm đầu vào cho mô phỏng SLOPE/W
- B1: Xác định loại phân tích: Chọn các thông số:
+ Phương pháp phân tích: Bishop.
+ Xác định biểu diễn áp lực nước lỗ rỗng: Vì mô phỏng SLOPE/W sẽ sử dụng phân bố áp lực nước lỗ rỗng từ mô phỏng SEEP/W nên chọn biểu diễn áp lực nước lỗ rỗng là Parent Analysis
-B2: Xác định các đặc tính của đất:
Các thông số như sau:[13]
Lớp đất Trọng lượng khối (kN/m3) Góc ma sát trong (độ) Lực liên kết (kN/m 2 ) Cát pha sét 18 20 5 Đất sét 20 30 10 Hình 3.14 Tính chất của các lớp đất
-B3: Vẽ bán kính mặt trượt, lưới tâm trượt:
Để xác định bán kính cung trượt và vị trí của mặt trượt thử nghiệm, cần xác định bán kính mặt trượt thông qua việc xác định các đường hoặc các điểm sử dụng cho việc tính toán bán kính cung trượt (SLOPE/W sẽ định nghĩa cung trượt bằng cách sử dụng các đường này làm tiếp tuyến).
Hình 3.15: Bán kính mặt trượt, lưới tâm trượt
3.2. Kết quả mô phỏng
3.2.1. Kết quả chạy mô phỏng qua phần mềm SEEP/W với q = 1.5x10-6 m/s
3.2.1.1. Véc tơ tốc độvà các đường thấm
3.2.1.2. Đồ thị áp lực lực nước lỗ rỗng
Hình 3.17 Đồ thị áp lực nước lỗ rỗng
3.2.1.3. Các đường đẳng trị áp lực nước lỗ rỗng
3.2.2. Kết quả chạy mô phỏng qua phần mềm SEEP/W với q = 3.5x10-6 m/s
3.2.2.1. Véc tơ tốc độvà các đường thấm
3.2.2.2. Đồ thị áp lực lực nước lỗ rỗng
Hình 3.20 Đồ thị áp lực nước lỗ rỗng
3.2.2.3. Các đường đẳng trị áp lực nước lỗ rỗng
3.2.3. Kết quả chạy mô phỏng qua phần mềm SLOPE/W
3.2.3.1. Các kết quả chạy phần mềm mô phỏng SLOPE/W khi thay đổi lưu lượng mưa q mưa q
TH1: kết quả chạy với lưu lượng thấm q= 10-6 m/s
TH2: Kết quả chạy mô hình với q=1.5x10-6 m/s
TH3: Kết quả chạy mô hình với q=2x10-6 m/s
TH4: Kết quả chạy mô hình với q=2.5x10-6 m/s
TH5: Kết quả chạy mô hình với q=3x10-6 m/s
TH6: Kết quả chạy mô hình với q=3.5x10-6 m/s
Hình 3.27 Hệ số an toàn nhỏ nhất với q =3.5x10-6 m/s 3.2.2.2. Bảng tổng hợp kết quả khi thay đổi lưu lượng mưa q
Bảng dưới đây mô tả một số kết quả khi thay đổi lưu lượng mưa, ở đó có thể thấy sự mất an toàn là tăng dần khi lưu lượng mưa tăng. Dựa vào thông tin này mà
thông tin cảnh báo có thể được đưa ra căn cứ trên lượng mưa đo được thực tế tại sườn dốc cần giám sát.
Bảng 3.2: Một số kết quả khi thay đổi lưu lượng mưa
Lưu lượng thấm q (m/s) Hệ số an toàn nhỏ nhất Kmin 10 -6 1.441 1.5×10 -6 1.173 2×10 -6 0.975 2.5×10 -6 0.844 3×10 -6 0.751 3.5×10 -6 0.71
Hình 3.28 Hệ số an toàn khi thay đổi lưu lượng mưa
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1×10-6 1.5×10-6 2×10-6 2.5×10-6 3×10-6 3.5×10-6
Biểu đồ hệ số an toàn khi thay đổi lưu
lượng mưa
3.3 TÍch hợp mô hình mô phỏng với WS3000
3.3.1 Sơ đồ tích hợp mô hình mô phỏng với thiết bị WS-3000
3.3.2 Thiết bị WS-3000
Thiết bị WS-300 gồm có 3 cảm biến khác nhau: thiết bị đo gió, thiết bị đo hướng gió, thiết bị đo mưa. Thiết bị này sẽ đo thông số: tốc độ gió, hướng gió, lượng mưa. Thiết bị đo mưa WS-3000 Lượng mưa đầu vào Phần mềm mô phỏng GEO Thiết bị xử lý đưa ra cảnh báo Thông tin khảo sát tại hiện trường Trung tâm cảnh báo
+) Thiết bị đo lượng mưa:
Thiết bị đo mưa chứa một xô trữ nước nhỏ, khi đầy xô trữ nước (khoảng 0.28mm nước), thiết bị sẽ đóng mạch mà làm cho xô tự làm trống tự động. Sự lặp lại quá trì này dẫn đến kết quả tín hiệu số có tần số tỷ lệ thuận với cường độ mưa.
Đặc điểm kỹ thuật: - Cao: 9.05 cm.
- Dài: 23 cm.
- Sức chứa nước: 0.28 mm. +) Thiết bị đo gió:
Thiết bị đo gió bao gồm chuyển mạch Reed thường mở có thể đóng trong khoảng thời gian ngắn khi cánh tay của thiết bị đo gió hoàn thành một lượt, vì vậy đầu ra là một tín hiệu kỹ thuật số có tần số tỷ lệ thuận với tốc độ gió.
- Đặc điểm kỹ thuật: Độ nhạy: 2.4km/h/lần.
Khoảng tốc độ gió: 0 – 240 km/h. Cao: 7.1 cm.
Độ dài cánh tay đo: 8.9 cm. +) Giao diện hệ đo:
KẾT LUẬN
Với mục tiêu của luận văn mô phỏng và mô hình hóa trượt đất gây ra do mưa. Qua quá trình tìm hiểu, nghiên cứu, mô phỏng và mô hình hóa, có thể rút ra kết luận sau:
- Luận văn đã nghiên cứu về nguyên nhân và một số yếu tố tác động tới trượt đất, ổn định mái dốc và phương pháp tính ổn định mái dốc.
- Luận văn đã tìm hiểu cơ sở lý thuyết tính ổn định mái dốc và một số phương pháp tính ổn định mái dốc như: Phương pháp Bishop, phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát, phương pháp nichiprovich,....
- Luận văn đã tìm hiểu về cơ chế thấm xảy ra trong trượt đất và phương pháp giải bài toán thấm trong phần mềm mô phỏng SEEP/W.
- Luận văn đã tiến hành mô phỏng và mô hình hóa một ví dụ trong các điều kiện khác nhau để tính toán ổn định và giới hạn xảy ra trượt đất đối với mô hình.
Hướng phát triển tiếp theo: Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm GEO- SLOPE kết hợp với xây dựng các hệ cảm biến thực tiễn [18-20]để xác định ngưỡng an toàn và đưa ra cảnh báo trượt đất trong thực tế,góp phần vào công tác quản lý, giảm thiểu thiên tai tại Việt Nam.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt
1. Phạm Anh Tuấn, Nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây phục vụ cảnh báo trượt lở đất. Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ, 2014.
2. Ban chỉ đạo phòng chống lụt bão TW, Tổng quan tình hình thiệt hại do lũ, lũ quét, sạt lở đất và công tác chỉ đạo phòng tránh trong những năm vừa qua. Tài liệu phục vụ Hội nghị trực tuyến, 2014.
3. Nghiêm Hữu Hạnh. Nghiên cứu bước đầu về trượt lở đất ở vùng núi một số tỉnh duyên hải miền Trung. Viện Địa kỹ thuật, 2010.
4. Nguyễn Sỹ Ngọc. Các yếu tố ảnh hưởng tới ổn định bờ dốc ở Việt Nam. Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ 5.Hội cơ học đá Việt Nam, 2006.
5. Doãn Minh Tâm. Nghiên cứu nguyên nhân và biện pháp phòng ngừa trượt đất tại các điểm dân cư vùng núi Việt Nam.Tuyển tập công trình Hội nghi khoa học toàn quốc lần thứ 5.Hội Cơ học đá Việt Nam. Hà Nội 2006.
6. Nghiêm Hữu Hạnh. Một số giải pháp quản lý, phòng chống tai biến trượt lở ở vùng núi Việt Nam. Hội nghị khoa học toàn quốc, Hà Nội, 2008.
7. Nghiêm Hữu Hạnh. Biến đổi khí hậu, nguy cơ tai biến trượt lở ở vùng núi Việt Nam và một số giải pháp quản lý, phòng chống. Tạp chí Địa kỹ thuật, số 3 năm 2009.
8. Vũ Cao Minh. Báo cáo tóm tắt: Nghiên cứu thiên tai trượt lở ở Việt
Nam, 2000.
9. Nguyễn Văn Thìn. Ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc.Trường Đại học Thuỷ lợi.
10. Trường trung cấp cầu đường, Bộ Quốc phòng. Giáo trình cơ học đất. 11. Trường đại học bách khoa. Giáo trình bộ môn đường ô tô và đường thành phố.
12. Trần Hữu Tuyên, Đỗ Quang Thiên. Đánh giá mức độ ổn định bờ sông Hương theo lý thuyết ổn định mái dốc. Trường đại học Khoa học, Đại học Huế.
13. Đỗ Văn Đệ. Phần mềm SLOPE/W ứng dụng vào tính toán ổn định trượt sâu công trình. Nhà xuất bản Xây Dựng, 2006.
14. Đỗ Văn Đệ. Phần mềm SEEP/W ứng dụng vào tính toán thấm cho các công trình thủy và ngầm. Nhà xuất bản Xây Dựng, 2006.
15. Lomtade V.D., Địa chất động lực công trình. NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp. Hà Nội, 1982.
16. “Trượt đất”. Bách khoa toàn thư Việt Nam. Tài liệu Tiếng Anh
17. Varnes D.J., Slope movement types and processes. Chater 2: Landslides-analysis and control. National academy of sciences. Washington, D.C. 1978.
18. Dinh-Chinh Nguyen, Duc-Nghia Tran, Tran Duc-Tan, Application of Compressed Sensing in Effective Power Consumption of WSN for Landslide Scenario, Asia Pacific Conference on Multimedia and Broadcasting, pp. 111- 115, April 2015.
19. Nguyen Dinh Chinh, Tran Duc Nghia, Le Ngoc Hoan, Ta Duc Tuyen, Pham Anh Tuan,Tran Duc Tan, Multi-sensors integration for landslide monitoring application, VNU Journal of Science – Natural Science and Technology, Vol. 30, No. 6S-B, 2014, pp. 202-210.
20. Nguyen Dinh Chinh, Tran Duc-Tan, Energy Efficiency Scheme for Wireless Sensor Network based Landslide Monitoring System, International Conference on Green and Human Information Technology (ICGHIT), Feb. 4
