Mô hình SINMAP (Stability INdex MAPping – lập bản đồ chỉ số ổn định của sườn dốc), được phát triển bởi trường Đại học Utah (Mỹ) kết hợp với công ty tư vấn Terratech Consulting Ltd. (Mỹ) và tổ chức Forest Renewal British Columbia (Canada), đã được sử dụng thành công trong việc đánh giá phân vùng độ ổn định sườn dốc trong nhiều đề án nghiên cứu trượt lở ở Mỹ và Canada (Pack, 1995; Province of British Columbia, 1995). Về mặt lý thuyết, người ta đánh giá độ ổn
định mái dốc bằng tỷ số giữa các lực giữ ổn định (stabilizing forces) và các lực gây trượt (destabilizing forces) thể hiện trong hình 3.1 và bằng công thức
Hình 3.1a. Giản đồ mô hình ổn định mái dốc
Hình 3.1b. Lực kháng trượt là tổng lực dính kết tương ứng với trọng lượng của đất [C = (Cr + Cs)/(hρsg)], được thể hiện trên một mặt thẳng đứng để loại bỏ ảnh hưởng của các lực thẳng góc và lực ma sát [ ] θ θ ρ φ ρ ρ ρ θ cos sin tan ) ( ) ( cos2 g D D g D D g C C forces ing destabiliz forces g stabilizin FS s w w s w s s r + + − + − = = (1)
Trong đó: FS là hệ số ổn định sườn dốc (sườn dốc ổn định nếu FS ≥ 1 và có khả năng xảy ra trượt lở nếu FS < 1); Cr là lực dính kết đới rễ cây [N/m2]; Cs là lực dính
[kg/m3]; ρw là dung trọng của nước [kg/m3]; g là trị số gia tốc trọng trường [9.81 m/s2]; D là bề dày biểu kiến (bề dày thẳng đứng) của đất [m]; Dw là chiều sâu mực
nước ngầm [m]; φ là góc ma sát trong của đất [o].
Các nghiên cứu gần đây của Sidle và nnk (1985), Dietrich và nnk. (1986), Montgomery và Dietrich (1988, 1989, 1992, 1994), Carrera và nnk. (1991)Sidle (1992), Dietrich và nnk. (1992, 1993), Wu và Sidle (1995), Pack (1995) đã chứng minh rằng trượt lở xảy ra chủ yếu do các yếu tố độ dốc địa hình quá lớn, sự hội tụ của các dòng nước ngầm gần mặt đất, sự tăng độ bão hòa của đất dẫn đến giảm áp lực lỗ rỗng và giảm lực kháng cắt của đất. Montgomery và Dietrich (1988, 1989, 1992, 1994) còn chỉ ra rằng phần lớn các trượt lở đều bắt nguồn từ những sườn dốc có bề mặt lõm hội tụ ở chân dốc.
Việc ứng dụng trực tiếp phương trình lý thuyết nói trên vào đánh giá ổn định mái dốc trên một diện tích nghiên cứu lớn là không khả thi vì các lý do sau:
- Có quá nhiều thông số cần phải xác định và điều này rất tốn kém khi nghiên cứu trên diện tích lớn
- Phần lớn các thông số trong phương trình nói trên có giá trị thay đổi theo thời gian và không gian, nghĩa là giá trị của chúng có tính không bất định (uncertainty); có thể dễ dàng nhận thấy điều này khi trong thực tế cùng tại một vị trí lấy mẫu, giá trị Cs xác định tại lần lấy mẫu này lại khác với giá trị của nó tại lần lấy mẫu khác;
điều đó có nghĩa rằng thay vì sử dụng một giá trị cố đinh của một thông số, người ta thường sử dụng một khoảng giá trị (cận trên và cận dưới) để đặc trưng cho thông số đó.
Trên cơ sở ứng dụng các kết quả nghiên cứu nói trên, các tác giả của mô hình SINMAP đã biến đổi phương trình lý thuyết (1) có tính đến tính không bất định của các thông số và đã đưa ra công thức sau để đánh giá độ ổn định sườn dốc
θ φ θ θ sin tan 1 , sin min 1 cos − + = = r a T R C FS SI (2) trong đó
- SI là chỉ số ổn định sườn dốc (sườn dốc được xem như ổn định nếu SI ≥ 1, trái lại nó sẽ được xem như có khả năng trượt lở)
- C là tổng hợp các lực dính kết của đất và đới rễ cây tương ứng với chiều dày thẳng góc với lớp đất
- θ là góc nghiêng mái dốc
- R là lượng bổ cập nước ngầm hiệu dụng tính trên một đơn vị diện tích bề mặt - T là hệ số truyền dẫn nước của đất
- r = ρw/ρs là tỷ số giữa tỷ trọng của nước và của đất
- φ là góc ma sát trong của đất
- a là diện tích thu gom nước đơn vị tính trên một đơn vị chiều dài đường bình độ địa hình (hình 3.2)
Cơ sở lý thuyết và các phương trình, công thức dẫn giải được chứng minh và trình bày cụ thể trong hướng dẫn sử dụng của mô hình. Toàn bộ phần mềm và hướng dẫn sử dụng của mô hình có thể tải xuống từ Internet tại địa chỉ http://www.engineering.usu.edu/dtarb/ của trường đại học Utah của Hoa Kỳ.
Một ưu điểm nổi trội của mô hình này là việc tích hợp toàn diện vào phần mềm GIS ARCVIEW được sử dụng rất rộng rãi ở trong nước và trên thế giới. Chính nhờ việc tích hợp này nên một số thông số của phương trình (2) được hoàn toàn tính toán một cách tự động nhờ các module có sẵn trong phần mềm GIS hay trong mô hình, ví dụ các đại lượng a và θ có thể tính được từ mô hình số địa hình (DEM). Như vậy, thay bằng phải sử dụng tới 8 thông số như ở phương trình lý thuyết,
người sử dụng SINMAP chỉ cần có 6 thông số, trong đó 3 thông số g, ρw, ρs làhầu như bất định đối với mỗi loại đất hay đối tượng địa chất được nghiên cứu. Đối với
ba thông số có tính bất định còn lại, T/R, C và φ, người sử dụng SINMAP cần phải
xác định các khoảng giá trị (tức là các giá trị cận trên và cận dưới) đặc trưng cho từng loại đất hay đối tượng địa chất được nghiên cứu.
Ưu điểm thứ hai của mô hình SINMAP là cho phép phân tích và đánh giá trượt lở trên cơ sở phân chia toàn bộ diện tích nghiên cứu ra thành nhiều vùng hiệu chỉnh (calibration region), mỗi vùng bao gồm một hay nhiều loại đất/vỏ phong hóa có các đặc trưng gần giống nhau. Ví dụ nhóm các thành tạo trầm tích lục nguyên có thể gộp thành một vùng hiệu chỉnh, nhóm các thành tạo lục nguyên – phun trào thành một vùng, nhóm các đá xâm nhập axit thành một vùng v.v. Việc phân nhóm các
vùng hiệu chỉnh là phụ thuộc vào quyết định của người sử dụng, nhưng phải đảm bảo tính tương đối đồng nhất của các đối tượng trong một nhóm.
Hình 3.2. Diễn giải định nghĩa điện tích thu gom nước đơn vị
Ưu điểm thứ ba của mô hình SINMAP là cho phép cân chỉnh (calibration) mô hình dựa trên các kết quả quan trắc thực tế các điểm trượt lở và hiệu chỉnh các giá trị của các thông số đặc trưng cho từng loại đất/vỏ phong hóa mà trên đó các điểm trượt lở xảy ra. Sau khi thực hiện các tính toán, mô hình sẽ đưa ra một số bản đồ, hình vẽ và biểu bảng trợ giúp việc phân tích và đánh giá kết quả chỉ số ổn định sườn dốc. Một trong số đó là biểu đồ sườn dốc-diện phân bố (Slope-Area Plot Chart) (hình 3.3.), trên đó thể hiện vị trí các điểm trượt lở trong tương quan với các đới chưa bão hòa – có thể bão hòa – bão hòa và với các khả năng (xác xuất) xảy ra trượt lở. Khi thay đổi các giá trị gán cho các thông số của phương trình (2), vị trí của các điểm trượt lở sẽ thay đổi trong tương quan với các đới nói trên. Điều này giúp cho người sử dụng SINMAP đối sánh được với kết quả điều tra thực địa (ví dụ một điểm trượt lở xảy ra sau một trận mưa lớn thì nó phải nằm trong đới bão hòa), và như vậy đánh giá được kết quả tính toán của mô hình.
Hình 3.3: Biểu đồ sườn dốc – diện phân bố (Slope - Area Plot Chart) mô tả các điểm trượt lở (chấm tròn màu đen) nằm trong đới không bão hòa của đất
– Cẩm Phả
Hình 3.4: Sơ đồ quy trình đánh giá độ ổn định sườn dốc bằng SINMAP Bản đồ địa hình Bản đồ địa chất Bản đồ vỏ phong hóa Bản đồ địamạo Kết quả phân tích mẫu cơ lý vỏ phong hóa Số liệu lượng mưa và bốc hơi thực vật ET DEM Bản đồ phân vùng cân chỉnh θ(Bản đồ độ dốc); a (Bản đồ diện tích thu gom nước) Thông số g, ρw, ρs Thông số T/R, C và Chạy mô hình SINMAP Biểu đồ sườn dốc – diện phân bố
Phân tích kết quả tính toán, đối chiếu với trượt lở trên thực tế
Nếu chưa đạt Nếu đạt
BẢN ĐỒ PHÂN VÙNG
TRƯỢT LỞ Hiệu chỉnh các
- Mô hình số địa hình, độ phân giải 10m. - Bản đồ địa chất
- Bản đồ hay sơ đồ hiện trạng sử dụng đất
- Bản đồ hay sơ đồ phân loại thành phần cơ giới đất
- Bản đồ hay sơ đồ vỏ phong hóa, trong đó thông tin cần thiết nhất là chiều dày vỏ phong hóa
- Bản đồ hay sơ đồ địa mạo, thành lập trên nguyên tắc nguồn gốc hình thái - Tài liệu về khảo sát trượt lở tại thực đia: sơ đồ vị trí các điểm trượt lở - Tài liệu về các đặc tính địa kỹ thuật/địa chất công trình của từng loại đất đá/vỏ phong hóa có trong vùng nghiên cứu.
- Số liệu khí hậu (lượng mưa và bốc hơi) quan trắc dài hạn (ít nhất 15 năm, phải đảm bảo bao gồm cả thời điểm đã xảy ra các điểm trượt lở khảo sát được tại thực địa)
3.2.3.Ứng dụng mô hình vào thành lập bản đồ phân vùng nguy cơ trượt lở. Bước 1:Tạo Dem
Mô hình số địa hình (hình 3.5)(DEM) và bản đồ độ dốc địa hình là hai trong những dữ liệu đầu vào rất cần cho nhiều nghiên cứu chuyên sâu, ví dụ như để trợ giúp thành lập bản đồ chiều sâu mực nước ngầm, bề dày vỏ phong hóa trong bản đồ vỏ phong hóa, phân vùng tiềm năng trượt lở.
Trên cơ sở bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000 được số hóa ở dạng véc tơ (nghĩa là các đường đồng mức địa hình và các điểm độ cao được số hóa và gán thuộc tính độ cao).
Để tạo Dem đạt độ chính xác cao, đường đồng mức được rã thành file điểm sau đó tổng hợp với file điểm độ cao để tạo Dem
a.Tạo bản đồ phân vùng cân chỉnh
Các vùng hiệu chỉnh được thành lập trên cơ sở diện phân bố của các nhóm thành tạo địa chất có thành phần thạch học (và như vậy thành phần vật chất của vỏ phong hóa của chúng) tương đối giống nhau.
Việc phân vùng tiềm năng trượt lở được tiến hành trên 4 vùng khác nhau là:
-Trầm tích lục nguyên của các hệ tầng Hòn Gai (T3n-rhg), Bãi Cháy (P2 bc), và Hà Cối (J1-2hc)
- Trầm tích lục nguyên của hệ tầng Tiêu Giao (N2tg), trầm tích carbonate của hệ tầng Bắc Sơn (C-P bs)
- Trầm tích bở rời (không bao gồm bùn tướng vũng vịnh ở đới triều) Đệ Tứ Q - Các lớp bùn tướng vũng vịnh ở đới triều có tuổi Đệ Tứ Q.
Dựa vào đặc tính cơ lý của các mẫu phân tích lấy trên các thành tạo địa chất này ta có bản đồ phân vùng hiệu chỉnh.(Hình 3.6)