Tổng quan nghiên cứu

Thừa Thiên Huế là địa bàn ven biển trọng điểm thuộc vùng kinh tế Bắc Trung Bộ, sở hữu Quần thể di tích Cố đô Huế được UNESCO vinh danh là Di sản Văn hóa Thế giới cùng hệ thống công trình thủy lợi, thủy điện quy mô lớn. Mặc dù không phải là điểm nóng về các trận động đất hủy diệt, khu vực này tiềm ẩn hiểm họa địa chấn đáng kể từ hệ thống đứt gãy kiến tạo sâu đang hoạt động. Tài liệu lịch sử địa chấn ghi nhận vào tháng 11 năm 1829, một trận động đất mạnh cấp VII theo thang MSK-64 đã làm sụt lở khu vực phía Bắc kinh thành Huế. Gần đây nhất, ngày 15 tháng 5 năm 2014, trận động đất độ lớn M = 4,7 tại huyện A Lưới tiếp tục gây chấn động mạnh, lan sang cả tỉnh Quảng Trị và thành phố Đà Nẵng, gióng lên hồi chuông cảnh báo về an toàn kết cấu công trình.

Trước thực trạng các tài liệu đánh giá nguy hiểm địa chấn trước đây còn hạn chế về quy mô và độ chi tiết, nghiên cứu này được triển khai nhằm lượng hóa các thông số dao động nền đất cực đại. Mục tiêu cụ thể là xác định độ lớn động đất cực đại, tính toán giá trị gia tốc dao động nền cực đại và phân vùng cường độ chấn động cực đại trên nền đá chuẩn. Phạm vi nghiên cứu bao trùm toàn bộ tỉnh Thừa Thiên Huế và vùng phụ cận từ tọa độ 15°28'57" đến 17°16'52" vĩ độ Bắc và 106°28'00" đến 108°20'31" kinh độ Đông, được số hóa chi tiết trên lưới tính toán có bước nhảy 0,01 độ.

Kết quả đánh giá mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp hệ thống chỉ số định lượng phục vụ công tác quy hoạch phát triển vùng lãnh thổ, thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn xây dựng hiện hành và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho các cụm hồ đập thủy điện bậc thang cùng các công trình di sản văn hóa vô giá.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng đồng bộ hai lý thuyết cốt lõi trong địa chấn học công trình gồm: Lý thuyết tương quan thực nghiệm giữa độ lớn động đất với quy mô nguồn sinh chấn của Wells và Coppersmith (1994) và Lý thuyết giá trị cực trị Gumbel loại III trong dự báo địa chấn thống kê. Mô hình tương quan thực nghiệm cho phép xác định độ lớn động đất mô-men cực đại thông qua chiều dài vùng phá hủy trên mặt với phương trình chuyên biệt cho đới trượt bằng. Song song đó, phân bố Gumbel loại III hỗ trợ chặn trên giá trị độ lớn động đất cực đại dựa trên chuỗi số liệu quan trắc lịch sử.

Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa trong toàn bộ mô hình bao gồm:

  1. Đới đứt gãy hoạt động: Ranh giới kiến tạo giữa các khối tảng địa chất có khả năng tích lũy và giải phóng năng lượng địa chấn.
  2. Gia tốc nền cực đại: Giá trị biên độ gia tốc dao động lớn nhất của các phần tử đất đá tại mặt đất trong suốt thời gian xảy ra rung chấn, tính bằng đơn vị g hoặc cm/s².
  3. Cường độ chấn động cực đại: Thước đo định tính và bán định lượng về mức độ rung lắc và mức độ phá hủy công trình trên bề mặt theo thang 12 cấp MSK-64.
  4. Vận tốc truyền sóng ngang 30 mét trên cùng: Đại lượng đặc trưng cho độ cứng của nền đất, được cố định ở mức 1100 m/s tương ứng với tầng nền đá chuẩn.
  5. Chiều sâu mặt trên đới phá hủy: Khoảng cách từ bề mặt địa hình đến đỉnh của mặt đứt gãy trượt chấn tiêu.

Mô hình cấu trúc vỏ Trái Đất khu vực nghiên cứu xác định tầng sinh chấn có bề dày trung bình 17 km, nằm dưới lớp trầm tích mặt dày khoảng 3 km.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào bao gồm danh mục hơn 970 trận động đất có độ lớn từ cấp IV trở lên quan trắc trên lãnh thổ Việt Nam giai đoạn 1900 - 2014, kết hợp bản đồ dị thường trọng lực Bouguer và dị thường từ hàng không để chuẩn hóa hệ thống 10 đới đứt gãy kiến tạo chính gồm đới Trường Sơn, Tam Kỳ - Phước Sơn, Sông Hồng, Nam Ô - Nam Đông, Đồng Hới - Thuận An, Đakrông - Huế, Sông Cam Lộ, Khe Giữa - Vĩnh Linh, Sông Chảy và Sông Côn.

Nghiên cứu lựa chọn Phương pháp tất định để đánh giá độ nguy hiểm địa chấn. Lý do phương pháp này được lựa chọn là khả năng mô phỏng kịch bản chấn động bất lợi nhất: giả định động đất cực đại xảy ra tại vị trí gần nhất trên từng đoạn đứt gãy tới vị trí tính toán. Điều này mang lại biên độ an toàn cao nhất cho các công trình hạ tầng trọng yếu so với việc ước lượng xác suất ngẫu nhiên.

Quy trình xử lý dữ liệu và tính toán được lập trình tự động trên nền tảng phần mềm MATLAB, khảo sát toàn bộ lưới tọa độ gồm hàng nghìn điểm tính toán với bước lưới đều 0,01 độ. Timeline nghiên cứu được thực hiện đồng bộ trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp quốc gia và hoàn thiện vào tháng 5 năm 2019, áp dụng đồng thời ba phương trình suy giảm chấn động hiện đại: Toro (2002), Campbell và Bozorgnia (2008), Chiou và Youngs (2014) với trọng số gán đồng đều bằng nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích đã làm sáng tỏ tiềm năng phát sinh động đất cực đại và mức độ dao động nền trên toàn lãnh thổ Thừa Thiên Huế:

Thứ nhất, đánh giá độ lớn động đất cực đại trên các đới đứt gãy cho thấy tiềm năng sinh chấn phân hóa rõ nét. Đới đứt gãy Đồng Hới - Thuận An có khả năng phát sinh động đất cực đại lớn nhất đạt Mmax = 6,9; tiếp theo là đới đứt gãy Sông Hồng đạt Mmax = 6,8; đới Đakrông - Huế đạt Mmax = 6,7; đới Nam Ô - Nam Đông đạt Mmax = 6,6; đới Sông Cam Lộ đạt Mmax = 6,4; đới Tam Kỳ - Phước Sơn đạt Mmax = 6,1; và đới Khe Giữa - Vĩnh Linh đạt Mmax = 5,6. Phương pháp thống kê Gumbel loại III đối với danh mục động đất miền Trung ghi nhận cận trên cực đại toàn vùng đạt w = 5,5 ± 0,6.

Thứ hai, kết quả tính toán gia tốc nền cực đại theo 3 phương trình suy giảm chấn động phản ánh sự phân bố dị thường theo cấu trúc địa chất. Dọc theo các hành lang đứt gãy cấp I và cấp II, giá trị gia tốc dao động nền đạt biên độ cao nhất từ 0,15g đến 0,22g (tương đương 147 đến 215 cm/s²).

Thứ ba, phân vùng cường độ chấn động cực đại cho thấy khu vực phía Tây và Tây Nam tỉnh (thuộc địa bàn vùng cao A Lưới và Nam Đông) chịu tác động mạnh nhất với chấn động cực đại có thể đạt cấp VII đến cấp VIII theo thang MSK-64. Trong khi đó, khu vực đồng bằng duyên hải và trung tâm thành phố Huế chịu rung động thấp hơn đáng kể, dao động quanh mức cấp VI MSK-64, với gia tốc nền phổ biến từ 0,06g đến 0,10g. Mức độ chấn động giữa vùng nguồn đứt gãy hoạt động cao hơn khoảng 120% đến 150% so với khu vực nội mảng ổn định ven biển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sự tập trung chấn động mạnh tại dải phía Tây bắt nguồn từ cơ chế dịch chuyển trượt bằng hoạt động mạnh mẽ trong giai đoạn tân kiến tạo Pliocen - Đệ Tứ của hệ đới đứt gãy Trường Sơn và Nam Ô - Nam Đông. Góc nghiêng mặt trượt dốc đứng 90 độ khiến sóng địa chấn truyền thẳng đứng lên bề mặt với mức độ suy giảm năng lượng thấp nhất.

Khi so sánh với các bản đồ phân vùng địa chấn tỷ lệ 1:2.000.000 trước đây của Viện Vật lý Địa cầu, kết quả của luận văn thể hiện sự nâng cấp vượt bậc về độ mịn không gian. Việc ứng dụng ba mô hình thế hệ mới NGA-08 giúp triệt tiêu các sai số thiên lệch từ một phương trình đơn lẻ, phản ánh chính xác hiệu ứng khoảng cách nguồn chấn tiêu và đặc trưng nền đá cứng có vận tốc truyền sóng 1100 m/s.

Trong thực tế trình bày học thuật, toàn bộ hệ thống số liệu này được trực quan hóa tối ưu thông qua hệ thống bản đồ phân vùng đường đẳng trị gia tốc nền và bản đồ đẳng chấn cường độ MSK-64. Dữ liệu bảng chi tiết gồm 3 trường thông tin (Kinh độ, Vĩ độ, Gia tốc nền cực đại) cho từng ô lưới 0,01 độ giúp các kỹ sư xây dựng dễ dàng tra cứu nhanh thông số kháng chấn cho bất kỳ tọa độ công trình nào trên địa bàn tỉnh.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giảm thiểu tối đa rủi ro từ hiểm họa địa chấn, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình cụ thể:

  1. Ban hành và cập nhật bản đồ phân vùng gia tốc nền cực đại vào Quy chuẩn xây dựng địa phương: Đề nghị Ủy ban nhân dân tỉnh Thừa Thiên Huế cùng Sở Xây dựng tích hợp bộ bản đồ gia tốc nền vào quy hoạch đô thị đến năm 2030, yêu cầu 100% hồ sơ cấp phép các công trình công cộng, bệnh viện, trường học và nhà cao tầng trên 9 tầng phải áp dụng chuẩn kháng chấn TCVN 9386:2012 với gia tốc thiết kế từ 0,08g đến 0,20g tùy vị trí. Timeline hoàn thành trong giai đoạn 2020 - 2023.

  2. Kiểm định và gia cố an toàn kháng chấn cho hệ thống hồ đập thủy điện, thủy lợi: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn phối hợp cùng các đơn vị quản lý thủy điện Hương Điền, Bình Điền, A Lưới tiến hành quan trắc biến dạng thân đập định kỳ hàng năm, rà soát khả năng chịu lực xung kích trước chấn động cấp VII - VIII, đảm bảo hệ số an toàn ổn định đập đạt ngưỡng tối thiểu theo quy chuẩn quốc gia trước năm 2025.

  3. Triển khai kế hoạch bảo vệ thích ứng cho Quần thể di tích Cố đô Huế: Trung tâm Bảo tồn Di tích Cố đô Huế chủ trì lắp đặt thiết bị đo rung chấn vi địa chấn tại 100% các công trình kiến trúc gỗ và tường thành có niên đại cổ kính, lên phương án chống đỡ, gia cố liên kết mộng gỗ truyền thống chịu được rung lắc cấp VI MSK-64, hoàn thành trong giai đoạn 2021 - 2025.

  4. Mở rộng mạng lưới trạm quan trắc địa chấn chuyên dụng: Đề nghị Viện Vật lý Địa cầu phối hợp Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Thừa Thiên Huế lắp đặt bổ sung 3 đến 5 trạm ghi gia tốc dao động nền mạnh và trạm định vị vệ tinh GPS đa kênh tại các vùng đứt gãy A Lưới và Nam Đông, duy trì khoảng cách giữa các trạm dưới 25 km nhằm phát hiện sớm các dị thường biến dạng vỏ Trái Đất từ năm 2022.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và cơ sở dữ liệu tính toán từ luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về quy hoạch và xây dựng: Lãnh đạo và chuyên viên các Sở Xây dựng, Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Giao thông Vận tải sử dụng bản đồ gia tốc nền làm căn cứ pháp lý để phê duyệt chỉ giới xây dựng, phân vùng mật độ dân cư và xây dựng kịch bản phòng chống thiên tai cấp tỉnh.

  2. Kỹ sư kết cấu và các công ty tư vấn thiết kế xây dựng: Các kỹ sư trực tiếp khai thác chỉ số gia tốc dao động cực đại tại bước lưới 0,01 độ để nhập tham số tải trọng động đất vào các phần mềm tính toán kết cấu móng và khung chịu lực công trình, tiết kiệm thời gian khảo sát sơ bộ.

  3. Chủ đầu tư và đơn vị vận hành công trình năng lượng, thủy lợi: Ban quản lý các nhà máy thủy điện, hồ chứa nước tham khảo mô hình suy giảm chấn động để phân tích kịch bản lan truyền sóng chấn động, từ đó nâng cấp quy trình vận hành hồ chứa an toàn trong tình huống khẩn cấp.

  4. Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Khoa học Trái Đất: Giảng viên và học viên chuyên ngành Vật lý địa cầu, Địa chất công trình, Địa kỹ thuật sử dụng luận văn như một tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp tất định và cách thức lập trình xử lý 3 mô hình suy giảm chấn động NGA hiện đại trên MATLAB.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp tất định áp dụng trong nghiên cứu có ưu thế gì vượt trội so với phương pháp phân tích xác suất? Phương pháp tất định tập trung kiểm soát kịch bản nguy hiểm nhất bằng cách tính toán chấn động do trận động đất cực đại gây ra tại cự ly gần nhất tới công trình. Cách tiếp cận này giúp loại bỏ các bất định thống kê khi chuỗi số liệu lịch sử chưa đủ dài, đem lại hệ số an toàn cao nhất cho các công trình trọng điểm như đập thủy điện hay di tích lịch sử.

  2. Việc kết hợp 3 phương trình suy giảm chấn động Toro, Campbell - Bozorgnia và Chiou - Youngs mang lại lợi ích gì? Ba phương trình này được xây dựng từ tập dữ liệu hơn 3500 băng ghi của 172 trận động đất toàn cầu trong khuôn khổ dự án NGA. Việc tính trung bình trọng số bằng nhau giúp triệt tiêu sai số mô hình riêng lẻ, phản ánh toàn diện các yếu tố góc trượt 90 độ, cơ chế trượt bằng và vận tốc truyền sóng tầng đá 1100 m/s.

  3. Khu vực nào tại Thừa Thiên Huế ghi nhận mức độ rủi ro động đất cao nhất? Khu vực miền núi phía Tây Nam, trọng tâm là huyện A Lưới và Nam Đông, chịu rủi ro cao nhất do nằm trực tiếp trên đới đứt gãy Trường Sơn và Nam Ô - Nam Đông. Tại đây, gia tốc dao động nền cực đại đạt tới 0,22g, tương ứng cấp động đất phá hủy VII đến VIII theo thang MSK-64.

  4. Rung chấn động đất ảnh hưởng như thế nào đến Quần thể di tích Cố đô Huế? Tại trung tâm thành phố Huế và khu vực lăng tẩm, chấn động cực đại tính toán ở mức cấp VI MSK-64 với gia tốc nền từ 0,06g đến 0,10g. Mức rung lắc này tuy chưa làm sụp đổ hoàn toàn nhưng có thể làm xô lệch hệ kết cấu gỗ cổ, nứt vỡ tường thành và gây sụt lún nền móng công trình di sản.

  5. Kết quả của luận văn có tương thích với Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn Việt Nam TCVN 9386:2012 không? Kết quả tính toán hoàn toàn tương thích và đồng bộ. Dữ liệu gia tốc nền đỉnh tính trên nền đá chuẩn cung cấp giá trị đầu vào trực tiếp cho bảng tra cứu gia tốc nền thiết kế, giúp các đơn vị tư vấn áp dụng chuẩn xác hệ số tầm quan trọng của công trình theo quy định của Bộ Xây dựng.

Kết luận

Nghiên cứu đánh giá dao động nền đất cực đại khu vực Thừa Thiên Huế đã giải quyết trọn vẹn bài toán lượng hóa nguy cơ địa chấn với các đóng góp học thuật và thực tiễn nổi bật:

  • Thiết lập hệ thống tham số nguồn phát sinh động đất chi tiết cho 10 đới đứt gãy kiến tạo chính trên chiều dày tầng sinh chấn trung bình 17 km.
  • Đánh giá chính xác độ lớn động đất cực đại trong khu vực dao động từ Mmax = 5,6 đến 6,9, xác lập cận trên phân bố cực trị Gumbel loại III toàn vùng đạt w = 5,5 ± 0,6.
  • Lập trình thành công chương trình tính toán trên MATLAB kết hợp 3 phương trình suy giảm chấn động tiên tiến của thế giới trên lưới tính độ phân giải cao 0,01 độ.
  • Phân vùng chi tiết mức độ dao động nền trên nền đá chuẩn, chỉ rõ khu vực miền núi phía Tây có gia tốc nền cực đại lên tới 0,22g (cấp VII - VIII MSK-64), trong khi khu vực đồng bằng và thành phố Huế dao động từ 0,06g đến 0,10g (cấp VI MSK-64).
  • Cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng chuẩn xác phục vụ trực tiếp công tác quy hoạch lãnh thổ, thiết kế kháng chấn công trình và bảo tồn an toàn di sản Cố đô Huế.

Lộ trình tiếp theo trong giai đoạn 2020 - 2030 đòi hỏi sự vào cuộc đồng bộ của các cấp chính quyền và cơ quan chuyên môn trong việc tích hợp dữ liệu này vào hệ thống GIS quản lý đô thị. Các kỹ sư, chuyên gia quy hoạch và nhà đầu tư cần chủ động khai thác triệt để kết quả nghiên cứu nhằm kiến tạo một không gian xây dựng an toàn, bền vững trước mọi hiểm họa thiên tai.