Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Cơ Chế Đá Lăn Và Giải Pháp Phòng Ngừa Cho Đường Hoàng Sa, Đà Nẵng

• Người hướng dẫn: Dr. Nguyen Chau Lan
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi
• Chuyên ngành: Infrastructure Engineering
• Đề tài: Cơ Chế Đá Lăn Và Biện Pháp Phòng Ngừa Cho Đường Hoàng Sa Tại Đà Nẵng
• Loại tài liệu: master’s thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• 1. CHAPTER 1: Background of the study
• 1.1. Location of the study area
• 1.2. Statement of the problem
• 1.3. Objectives
• 1.4. Scope of the study
• 1.5. The layout of the thesis
• 1.6. Outline of the thesis
• 1.7. Structure of the thesis

Tóm tắt

I. Cơ chế đá lăn

Cơ chế đá lăn là một hiện tượng địa chất nguy hiểm, thường xảy ra ở các khu vực núi cao, đặc biệt là dọc theo các tuyến đường giao thông. Hiện tượng này xảy ra khi các khối đá bị bong tróc khỏi bề mặt vách đá dốc và lăn xuống, gây nguy hiểm cho người và phương tiện di chuyển. Đường Hoàng Sa tại Đà Nẵng là một trong những khu vực thường xuyên xảy ra hiện tượng này. Các yếu tố như địa hình dốc, đá bị phong hóa, và mưa lớn là nguyên nhân chính dẫn đến sự bất ổn định của các khối đá. Nghiên cứu sử dụng phần mềm RocFall 2D để mô phỏng quá trình đá lăn, bao gồm quỹ đạo, vận tốc, và năng lượng của các khối đá. Kết quả cho thấy, các khối đá có thể đạt vận tốc cao và gây thiệt hại nghiêm trọng nếu không có biện pháp phòng ngừa hiệu quả.

1.1. Nguyên nhân và yếu tố ảnh hưởng

Nguyên nhân chính của cơ chế đá lăn bao gồm sự phong hóa đá, mưa lớn, và địa hình dốc. Các khối đá bị nứt vỡ và bong tróc do tác động của thời tiết và áp lực từ nước mưa thấm vào khe nứt. Đặc biệt, tại Đường Hoàng Sa, đá granit bị phong hóa mạnh tạo ra các khối đá không ổn định. Nghiên cứu chỉ ra rằng, các khối đá có thể rơi xuống với khối lượng lên đến 8100 kg, gây nguy hiểm nghiêm trọng cho giao thông và cơ sở hạ tầng.

1.2. Mô phỏng và phân tích

Phần mềm RocFall 2D được sử dụng để mô phỏng cơ chế đá lăn tại Đường Hoàng Sa. Kết quả mô phỏng cho thấy quỹ đạo, vận tốc, và năng lượng của các khối đá khi rơi xuống. Điều này giúp xác định các điểm nguy hiểm và đề xuất biện pháp phòng ngừa phù hợp. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, các khối đá có thể bật cao và di chuyển xa, gây thiệt hại lớn nếu không có rào chắn hoặc biện pháp bảo vệ.

II. Biện pháp phòng ngừa

Biện pháp phòng ngừa đá lăn là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn giao thông và bảo vệ cơ sở hạ tầng. Nghiên cứu đề xuất hai phương pháp chính: rào chắn linh hoạt và lưới neo. Cả hai phương pháp đều được đánh giá là hiệu quả trong việc giảm thiểu tác động của đá lăn. Rào chắn linh hoạt có khả năng hấp thụ năng lượng từ các khối đá, trong khi lưới neo giúp ổn định bề mặt vách đá, ngăn chặn sự bong tróc của các khối đá. Nghiên cứu cũng sử dụng phần mềm Plaxis 2D để đánh giá độ ổn định của sườn dốc khi áp dụng các biện pháp này.

2.1. Rào chắn linh hoạt

Rào chắn linh hoạt là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để ngăn chặn đá lăn. Nó được thiết kế để hấp thụ năng lượng từ các khối đá khi va chạm, giảm thiểu thiệt hại cho đường và phương tiện. Nghiên cứu chỉ ra rằng, rào chắn có chiều cao từ 3-6 mét và khả năng chịu lực lên đến 3000 kJ là phù hợp nhất cho Đường Hoàng Sa.

2.2. Lưới neo

Lưới neo là biện pháp khác được đề xuất để ổn định bề mặt vách đá. Nó giúp ngăn chặn sự bong tróc của các khối đá bằng cách cố định chúng vào vách đá. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả đối với các khu vực có đá bị phong hóa mạnh. Nghiên cứu sử dụng phần mềm Plaxis 2D để đánh giá độ ổn định của sườn dốc khi áp dụng lưới neo, cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ an toàn.

III. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về cơ chế đá lăn và biện pháp phòng ngừa tại Đường Hoàng Sa có giá trị thực tiễn cao. Kết quả nghiên cứu giúp chính quyền địa phương và các tổ chức liên quan đưa ra quyết định chính xác trong việc lựa chọn biện pháp phòng ngừa hiệu quả. Việc áp dụng rào chắn linh hoạt và lưới neo không chỉ giảm thiểu nguy cơ đá lăn mà còn đảm bảo an toàn cho du khách và người dân địa phương. Nghiên cứu cũng là cơ sở để phát triển các biện pháp phòng ngừa tương tự tại các khu vực khác có địa hình tương tự.

3.1. Đóng góp cho quản lý đường bộ

Nghiên cứu cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc quản lý và bảo trì đường bộ tại các khu vực núi cao. Các biện pháp được đề xuất giúp giảm thiểu chi phí sửa chữa và nâng cao độ an toàn cho người tham gia giao thông.

3.2. Cảnh báo và phòng ngừa

Nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cảnh báo đá lăn và các biện pháp phòng ngừa chủ động. Việc lắp đặt hệ thống cảnh báo sớm và thường xuyên kiểm tra các khu vực nguy hiểm là cần thiết để đảm bảo an toàn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng sạt lở đá (rockfall) là một trong những hiểm họa địa chất phổ biến và nguy hiểm nhất trên các tuyến đường đèo núi, ảnh hưởng trực tiếp đến người tham gia giao thông, phương tiện, công trình và hạ tầng xung quanh. Tại Việt Nam, đặc biệt là trên tuyến đường Hoàng Sa dẫn vào bán đảo Sơn Trà, thành phố Đà Nẵng, các sự kiện sạt lở đá xảy ra với tần suất ngày càng tăng, gây thiệt hại nghiêm trọng về vật chất và ảnh hưởng đến hoạt động du lịch. Trong năm 2022, đã ghi nhận khoảng 33 sự cố sạt lở, trong đó có 3-4 lần xảy ra sạt lở đá lớn trên tuyến đường này, làm hư hại tường chắn và gây tắc nghẽn giao thông. Mặc dù đã có các biện pháp bảo vệ như xây dựng tường chắn gia cố, nhưng các biện pháp này chưa đủ hiệu quả để ngăn chặn hoàn toàn các sự cố.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phân tích cơ chế sạt lở đá và đề xuất các biện pháp khắc phục phù hợp nhằm giảm thiểu rủi ro và thiệt hại do sạt lở đá gây ra trên tuyến đường Hoàng Sa. Nghiên cứu tập trung vào phân tích cơ chế rơi đá, đánh giá ổn định mái dốc và mô phỏng các biện pháp phòng chống bằng phần mềm số học RocFall 2D và Plaxis 2D. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát địa chất, địa hình, thủy văn khu vực bán đảo Sơn Trà, với dữ liệu thu thập trong năm 2022, tập trung vào các điểm có nguy cơ cao dọc tuyến đường Hoàng Sa. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao an toàn giao thông, bảo vệ hạ tầng và phát triển bền vững du lịch tại khu vực này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản về cơ chế sạt lở đá và ổn định mái dốc, bao gồm:

• Cơ chế rơi đá (Rockfall Mechanism): Mô tả quá trình tách rời, rơi tự do, nảy, lăn và dừng lại của các khối đá trên mái dốc, chịu ảnh hưởng bởi trọng lực, đặc tính vật liệu và địa hình. Các chuyển động chính gồm trượt, lăn và bật nảy, được mô tả chi tiết qua các thuật toán mô phỏng chuyển động hạt (particle analysis) trong phần mềm RocFall.

• Ổn định mái dốc (Slope Stability): Đánh giá yếu tố an toàn (Factor of Safety - FOS) của mái dốc dựa trên các đặc tính cơ học của khối đá, cấu trúc địa chất, và điều kiện thủy văn. Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis 2D, mô phỏng bề mặt phá hoại và tính toán FOS dưới các điều kiện hiện trạng và có biện pháp gia cố.

• Các biện pháp khắc phục sạt lở đá: Phân loại thành hai nhóm chính là biện pháp ổn định mái dốc (ví dụ: bắn lưới neo, phun bê tông xi măng - shotcrete) và biện pháp bảo vệ (ví dụ: rào chắn linh hoạt, lưới neo). Mỗi biện pháp được đánh giá về hiệu quả kỹ thuật và khả năng ứng dụng thực tế.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số hồi phục (Coefficient of Restitution), năng lượng động học của đá rơi (Kinetic Energy), độ cao bật nảy (Bounce Height), yếu tố an toàn mái dốc (FOS), và các thuật toán mô phỏng chuyển động (Projectile Algorithm, Sliding Algorithm).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực địa thu thập qua khảo sát hiện trường, UAV, mô hình số DEM và GIS để xây dựng mô hình địa hình và xác định các điểm nguy cơ sạt lở. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm nhiều vị trí có nguy cơ cao dọc tuyến đường Hoàng Sa, tập trung vào các khối đá granite bị nứt nẻ, phong hóa và có kích thước khoảng 3 m³ (tương đương 8100 kg).

Phương pháp phân tích chính gồm:

• Mô phỏng cơ chế rơi đá bằng RocFall 2D: Phân tích quỹ đạo, điểm dừng, năng lượng, vận tốc và độ cao bật nảy của các khối đá dưới điều kiện hiện trạng và khi áp dụng các biện pháp bảo vệ như rào chắn linh hoạt và lưới neo.

• Phân tích ổn định mái dốc bằng Plaxis 2D: Tính toán bề mặt phá hoại và hệ số an toàn FOS trong các điều kiện không có và có biện pháp gia cố như phun bê tông xi măng và lưới neo.

Phương pháp chọn mẫu là chọn các vị trí có nguy cơ cao dựa trên khảo sát thực địa và dữ liệu UAV, nhằm đảm bảo tính đại diện cho các điều kiện địa chất và địa hình đặc trưng của khu vực. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, bao gồm các đợt khảo sát hiện trường và mô phỏng số.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Nguyên nhân sạt lở đá: Qua khảo sát thực địa và phân tích mô hình, các yếu tố chính gây sạt lở gồm khối đá granite bị phong hóa mạnh, nhiều vết nứt và khối đá không ổn định trên mái dốc có độ dốc lớn (35-50%). Đặc biệt, các khối đá có kích thước khoảng 3 m³ (8100 kg) dễ dàng tách rời và rơi xuống đường.

2. Hiệu quả biện pháp hiện tại: Tường chắn gia cố hiện hữu không đủ cao và không ngăn chặn được các khối đá lớn rơi xuống, dẫn đến hư hại tường chắn và tắc nghẽn giao thông. Số liệu mô phỏng RocFall cho thấy năng lượng động học của đá rơi vượt quá khả năng chịu lực của tường chắn hiện tại.

3. Mô phỏng biện pháp bảo vệ: Hai phương án được mô phỏng gồm rào chắn linh hoạt (flexible barrier) và lưới neo (anchored mesh). Kết quả cho thấy rào chắn linh hoạt có khả năng hấp thụ năng lượng lên đến 3000 kJ, giảm đáng kể vận tốc và độ cao bật nảy của đá rơi. Lưới neo giúp tăng cường ổn định mái dốc, nâng hệ số an toàn FOS từ khoảng 0.85 lên trên 1.2 theo phân tích Plaxis.

4. So sánh hiệu quả: Rào chắn linh hoạt và lưới neo đều vượt trội hơn so với tường chắn hiện tại về khả năng ngăn chặn đá rơi và ổn định mái dốc. Mô hình RocFall và Plaxis cho thấy sự kết hợp hai biện pháp này sẽ tối ưu hóa hiệu quả phòng chống sạt lở đá.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các sự cố sạt lở đá là do đặc tính địa chất granite phong hóa, kết hợp với điều kiện thủy văn mưa lớn làm giảm sức bền khối đá và tăng áp lực nước trong khe nứt. Các biện pháp hiện tại chưa đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật do chiều cao và khả năng chịu lực thấp. Kết quả mô phỏng cho thấy việc áp dụng rào chắn linh hoạt giúp hấp thụ năng lượng động học lớn, giảm thiểu nguy cơ đá rơi vượt qua hàng rào. Lưới neo tăng cường sự liên kết khối đá, cải thiện hệ số an toàn mái dốc.

So với các nghiên cứu tương tự trên thế giới, kết quả phù hợp với các báo cáo về hiệu quả của rào chắn linh hoạt và lưới neo trong việc giảm thiểu rủi ro sạt lở đá trên các tuyến đường đèo núi. Việc kết hợp hai biện pháp này không chỉ nâng cao an toàn mà còn giảm chi phí bảo trì so với các biện pháp cứng như tường chắn bê tông. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh năng lượng động học và hệ số an toàn FOS giữa các phương án, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng biện pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Lắp đặt rào chắn linh hoạt dọc các đoạn đường có nguy cơ cao: Động tác này nhằm giảm năng lượng động học của đá rơi, giảm thiểu thiệt hại cho người và phương tiện. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 12 tháng, do Sở Giao thông Vận tải Đà Nẵng chủ trì.

2. **Tri