Giải Pháp Khắc Phục Sạt Lở Đất Sâu: Nghiên Cứu Điển Hình Tại Tỉnh Lào Cai, Việt Nam

• Tác giả: Thu Zar Aung
• Người hướng dẫn: Dr. Nguyen Chau Lan
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi Vietnam Japan University
• Chuyên ngành: Infrastructure Engineering
• Đề tài: Remedy Solutions For Deep-Seated Landslides: Case Studies In Lao Cai Province, Vietnam
• Loại tài liệu: Master’s Thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hanoi

• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT
• 1. CHAPTER 1: GENERAL BACKGROUND
• 1.1. Landslide definition and characteristics
• 1.2. Types of landslides
• 1.3. Landslide hazards in Vietnam
• 1.4. Location and detail conditions of the study area
• 2. LITERATURE REVIEW OF CASE STUDIES
• 2.1. Historical background of earthquake in Vietnam
• 2.2. Landslides causes and triggering mechanisms of Lao Cai province, Vietnam
• 2.3. Classifications of countermeasure for deep-seated landslides
• 2.4. Slope stability analysis and methods
• 2.4.1. Limit Equilibrium Method (LEM)
• 2.4.2. Finite Element Method (FEM)
• 2.4.3. Previous studies of slope stability using LEM (GEO-SLOPE) and FEM (PLAXIS) for Lao Cai area
• 3. DATA COLLECTION AND RESEARCH METHODOLOGY
• 3.1. Topography and geology investigation
• 3.2. Geological bore hole investigation
• 3.3. Metrological data collection
• 3.4. Seismic data collection
• 3.5. Laboratory testing results
• 3.6. Input parameters for LEM and FEM model of two case studies
• 3.6.1. Model geometry to analyze slope stability by LEM and FEM
• 3.6.2. Model geometry of case study 1 (Mong Sen)
• 3.6.3. Model geometry of case study 2 (Muong Hoa)
• 3.7. Numerical modelling of case study 1 (Mong Sen) based on LEM and FEM
• 3.7.1. Numerical modelling of LEM
• 3.7.2. Numerical modelling of FEM
• 3.8. Numerical modelling of case study 2 (Muong Hoa) based on LEM and FEM
• 3.8.1. Numerical modelling of LEM
• 3.8.2. Numerical modelling of FEM
• 4. ANALYSIS RESULTS AND DISCUSSIONS
• 4.1. Analysis results of Case Study 1 (Mong Sen) based on LEM and FEM
• 4.1.1. Case 1: Normal condition of initial and remedy solutions slope stability result
• 4.1.2. Case 2: Rainfall condition of initial and remedy solutions slope stability result
• 4.1.3. Case 3: Earthquake condition of initial and remedy solutions slope stability result
• 4.1.4. Case 4: Ground motion and pseudo-static earthquake condition of initial and remedy solutions slope stability results based on FEM
• 4.2. Analysis results of Case Study 2 (Muong Hoa) based on LEM and FEM
• 4.2.1. Case 1: Normal condition of initial and remedy solutions slope stability result
• 4.2.2. Case 2: Rainfall condition of initial and remedy solutions slope stability result
• 4.2.3. Case 3: Earthquake condition of initial and remedy solutions slope stability result
• 4.2.4. Case 4: Ground motion and pseudo-static earthquake condition of initial and remedy solutions slope stability results based on FEM
• 5. CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS

I. Sạt lở đất và tác động môi trường tại Lào Cai

Sạt lở đất là một trong những thảm họa địa chất phổ biến tại các khu vực miền núi và ven biển. Tại Việt Nam, hiện tượng này thường xảy ra ở các tỉnh miền núi, đặc biệt là Lào Cai, trong mùa mưa. Nghiên cứu này tập trung vào các vụ sạt lở sâu xảy ra trong quá trình xây dựng các công trình chống sạt lở và đường cao tốc Lào Cai - Sapa. Biến đổi khí hậu và các yếu tố địa chất địa phương đóng vai trò quan trọng trong việc kích hoạt sạt lở. Các tác động môi trường bao gồm sự mất cân bằng hệ sinh thái và thiệt hại về cơ sở hạ tầng.

1.1. Nguyên nhân và cơ chế kích hoạt sạt lở

Nguyên nhân chính của sạt lở đất tại Lào Cai bao gồm mưa lớn kéo dài, hoạt động địa chất và các tác động từ con người như xây dựng đường giao thông. Các cơ chế kích hoạt sạt lở được phân tích dựa trên sự thay đổi độ ẩm đất và áp lực nước ngầm. Nghiên cứu chỉ ra rằng sạt lở sâu thường xảy ra ở các lớp đất phía trên lớp đá gốc, gây mất ổn định cho sườn dốc.

1.2. Tác động môi trường và xã hội

Sạt lở đất không chỉ gây thiệt hại về cơ sở hạ tầng mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và đời sống người dân. Các vụ sạt lở tại Lào Cai đã làm gián đoạn giao thông, phá hủy đất canh tác và đe dọa tính mạng con người. Việc quản lý và phòng chống sạt lở đòi hỏi sự kết hợp giữa kỹ thuật xây dựng và quy hoạch đất đai bền vững.

II. Giải pháp khắc phục sạt lở đất

Nghiên cứu đề xuất ba giải pháp khắc phục chính: phương pháp cắt sườn dốc, phương pháp chống đỡ và phương pháp neo giữ. Các giải pháp này được đánh giá thông qua mô phỏng số bằng phương pháp LEM (GEO-SLOPE) và FEM (PLAXIS). Kết quả cho thấy phương pháp neo giữ hiệu quả nhất trong việc ổn định sườn dốc dưới điều kiện mưa lớn và động đất.

2.1. Phương pháp cắt sườn dốc

Phương pháp này tập trung vào việc giảm độ dốc của sườn đồi để hạn chế nguy cơ sạt lở. Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp này bị hạn chế trong điều kiện mưa lớn và động đất. Kết quả mô phỏng cho thấy giá trị F.S (hệ số an toàn) thấp hơn so với các phương pháp khác.

2.2. Phương pháp neo giữ

Phương pháp neo giữ được đánh giá là hiệu quả nhất trong việc ổn định sườn dốc. Các neo được thiết kế để xuyên qua bề mặt trượt, giúp tăng cường độ ổn định của sườn dốc. Kết quả mô phỏng cho thấy giá trị F.S cao nhất và độ lún nhỏ nhất so với các phương pháp khác.

III. Nghiên cứu điển hình tại Lào Cai

Nghiên cứu tập trung vào hai khu vực điển hình tại Lào Cai: cầu Mông Sen và thung lũng Mường Hoa. Các dữ liệu địa chất, khí tượng và địa chấn được thu thập và phân tích để đánh giá nguy cơ sạt lở. Kết quả cho thấy FEM (PLAXIS) chính xác hơn LEM (GEO-SLOPE) trong việc dự đoán bề mặt trượt và thiết kế các công trình chống sạt lở.

3.1. Khu vực cầu Mông Sen

Khu vực này được đánh giá có nguy cơ sạt lở cao do địa hình dốc và lượng mưa lớn. Các mô phỏng số cho thấy sạt lở xảy ra ở lớp đất phía trên lớp đá gốc. Phương pháp neo giữ được đề xuất để ổn định sườn dốc.

3.2. Thung lũng Mường Hoa

Thung lũng Mường Hoa cũng là khu vực có nguy cơ sạt lở cao. Các phân tích địa chất và khí tượng cho thấy sạt lở thường xảy ra trong mùa mưa. Phương pháp chống đỡ và neo giữ được đề xuất để giảm thiểu nguy cơ sạt lở.

IV. Đánh giá rủi ro và quản lý thiên tai

Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đánh giá rủi ro và quản lý thiên tai trong việc giảm thiểu tác động của sạt lở đất. Các giải pháp kỹ thuật cần được kết hợp với quy hoạch đất đai và quản lý môi trường bền vững. Việc áp dụng các công nghệ mới như FEM (PLAXIS) và LEM (GEO-SLOPE) giúp nâng cao hiệu quả trong việc dự đoán và phòng chống sạt lở.

4.1. Đánh giá rủi ro sạt lở

Quá trình đánh giá rủi ro bao gồm việc thu thập và phân tích dữ liệu địa chất, khí tượng và địa chấn. Các kết quả từ mô phỏng số giúp xác định các khu vực có nguy cơ sạt lở cao và đề xuất các giải pháp phù hợp.

4.2. Quản lý thiên tai bền vững

Quản lý thiên tai đòi hỏi sự kết hợp giữa các giải pháp kỹ thuật và quy hoạch đất đai. Việc xây dựng các công trình chống sạt lở cần được thực hiện dựa trên các phân tích khoa học và đánh giá rủi ro chi tiết.

Tổng quan nghiên cứu

Lở đất là một trong những thảm họa địa chất phổ biến nhất xảy ra ở các vùng núi và ven biển. Tại Việt Nam, đặc biệt là tỉnh Lào Cai, các vụ lở đất sâu thường xảy ra trong mùa mưa, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn con người và hạ tầng giao thông. Năm 2021, một vụ lở đất sâu đã xảy ra trong quá trình thi công công trình giữ đất và đường cao tốc mới Lao Cai – Sapa 4D gần cầu Mông Sen mới, cùng với sự cố sạt lở tại thung lũng Mường Hoa trên tuyến đường số 152. Các nghiên cứu trước đây còn hạn chế trong việc đánh giá và đề xuất giải pháp khắc phục lở đất dưới tác động của mưa lớn và động đất tại khu vực này.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là mô phỏng ổn định mái dốc bằng phương pháp phân tích số sử dụng LEM (GEO-SLOPE) và FEM (PLAXIS 2D), đồng thời đánh giá hiệu quả các biện pháp khắc phục nhằm ngăn chặn sự cố lở đất sâu do mưa và động đất dọc theo tuyến đường cao tốc tại Lào Cai. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hai khu vực điển hình tại huyện Sa Pa, tỉnh Lào Cai, với điều kiện địa chất và địa hình đặc thù của vùng núi phía Bắc Việt Nam.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp các giải pháp kỹ thuật phù hợp nhằm nâng cao hệ số an toàn mái dốc, giảm thiểu rủi ro thiên tai, đồng thời góp phần phát triển bền vững hạ tầng giao thông vùng núi. Kết quả nghiên cứu cũng có thể áp dụng cho các khu vực có điều kiện địa chất tương tự trong nước và quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai phương pháp phân tích ổn định mái dốc chính: Phương pháp Cân bằng giới hạn (Limit Equilibrium Method - LEM) và Phương pháp Phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM). LEM sử dụng mô hình phân tích lực cắt và lực chống trượt trên mặt trượt giả định, trong đó phương pháp Bishop được áp dụng để tính toán hệ số an toàn (F.SG). FEM mô phỏng ứng xử ứng suất - biến dạng của đất theo mô hình đàn hồi - dẻo hoàn hảo (Mohr-Coulomb), cho phép xác định vị trí mặt trượt và hệ số an toàn thông qua phương pháp giảm cường độ đất (strength reduction factor).

Các khái niệm chính bao gồm:

• Hệ số an toàn (Factor of Safety - F.SG)
• Mô hình Mohr-Coulomb cho đất
• Đặc tính thủy lực đất không bão hòa (Fredlund & Xing, Van Genuchten)
• Ảnh hưởng của mưa lớn và động đất lên ổn định mái dốc
• Các biện pháp khắc phục: cắt mái dốc, xây dựng tường chắn, neo đất

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm điều tra hiện trường, khoan địa chất, thu thập dữ liệu khí tượng thủy văn và địa chấn, cùng kết quả thí nghiệm phòng thí nghiệm xác định tính chất cơ lý đất đá. Cỡ mẫu gồm hai khu vực nghiên cứu điển hình tại Lào Cai: gần cầu Mông Sen và thung lũng Mường Hoa.

Phân tích số được thực hiện bằng phần mềm GEO-SLOPE (LEM) và PLAXIS 2D (FEM). Các mô hình số được xây dựng dựa trên mặt cắt địa chất thực tế, với các điều kiện tải trọng mô phỏng mưa lớn và động đất (bao gồm cả động đất giả tĩnh và động đất dao động thực tế). Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2021 đến 2023, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích và đánh giá kết quả.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên đặc điểm địa chất và mức độ ảnh hưởng của lở đất tại hai khu vực nghiên cứu. Phân tích so sánh kết quả giữa LEM và FEM nhằm đánh giá độ chính xác và tính ứng dụng thực tiễn của từng phương pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô phỏng ổn định mái dốc phù hợp với thực tế: Kết quả phân tích LEM và FEM cho thấy mặt trượt ước tính nằm trong lớp đất hoặc ngay trên lớp đá nền, tương ứng với hiện trạng sạt lở thực tế tại hai khu vực nghiên cứu. Hệ số an toàn ban đầu của mái dốc dưới điều kiện bình thường dao động khoảng 0.85 - 0.95, cho thấy sự không ổn định tiềm ẩn.

2. Ảnh hưởng của mưa lớn và động đất làm giảm hệ số an toàn: Dưới tác động của mưa lớn, hệ số an toàn giảm trung bình 15-20% so với điều kiện bình thường. Động đất giả tĩnh làm giảm hệ số an toàn khoảng 10-15%, trong khi động đất dao động thực tế (ground motion) giảm mạnh hơn, khoảng 25-30%. FEM cho kết quả chính xác hơn khi mô phỏng động đất dao động.

3. Hiệu quả các biện pháp khắc phục:

   • Phương pháp neo đất (anchoring) cho hệ số an toàn cao nhất, tăng từ 0.85 lên khoảng 1.25 dưới điều kiện mưa và động đất, vượt trội hơn so với phương pháp cắt mái dốc và xây tường chắn.
   • Phương pháp cắt mái dốc và tường chắn cũng cải thiện hệ số an toàn nhưng hiệu quả thấp hơn, tăng khoảng 10-15% so với ban đầu.
   • Neo đất có khả năng xuyên qua mặt trượt, tạo lực kháng lớn và giảm diện tích vùng trượt, phù hợp với địa hình phức tạp.

4. So sánh phương pháp LEM và FEM: FEM (PLAXIS 2D) cho kết quả hệ số an toàn và vị trí mặt trượt chính xác hơn, đặc biệt trong điều kiện phức tạp như mưa lớn và động đất dao động. LEM (GEO-SLOPE) phù hợp cho phân tích nhanh và điều kiện đơn giản.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính làm giảm ổn định mái dốc là sự thấm nước làm tăng áp lực lỗ rỗng, giảm sức kháng cắt của đất, đồng thời rung chấn động đất làm giảm cường độ đất và kích thích chuyển vị. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây tại khu vực miền núi Việt Nam và quốc tế, khẳng định tính ứng dụng của mô hình số trong dự báo và thiết kế biện pháp phòng chống lở đất.

Biểu đồ so sánh hệ số an toàn giữa các biện pháp khắc phục và điều kiện tải trọng có thể minh họa rõ ràng hiệu quả của từng giải pháp. Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật và kết quả phân tích cũng giúp đánh giá chi tiết hơn về khả năng ứng dụng thực tế.

Việc lựa chọn neo đất làm giải pháp ưu tiên phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp, chi phí và thời gian thi công hợp lý, đồng thời đảm bảo độ bền lâu dài. Kết quả này góp phần bổ sung kiến thức về kỹ thuật ổn định mái dốc trong vùng chịu ảnh hưởng của mưa lớn và động đất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương pháp neo đất làm giải pháp chính: Triển khai neo đất với chiều dài neo từ 20-30 m, tập trung tại các vị trí có mặt trượt sâu, nhằm nâng hệ số an toàn lên trên 1.2 trong vòng 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện là các đơn vị thi công chuyên ngành và cơ quan quản lý giao thông tỉnh Lào Cai.

2. Kết hợp cắt mái dốc và xây dựng tường chắn tại các khu vực có địa hình phức tạp: Thực hiện cắt mái dốc hợp lý kết hợp tường chắn bê tông hoặc gabion để giảm tải trọng mái dốc, tăng khả năng thoát nước bề mặt. Thời gian thi công dự kiến 3-6 tháng, do các nhà thầu xây dựng địa phương đảm nhận.

3. Lắp đặt hệ thống thoát nước và kiểm soát mưa thấm: Thiết kế hệ thống thoát nước mặt và thoát nước ngầm hiệu quả nhằm giảm áp lực nước trong đất, đặc biệt trong mùa mưa. Chủ thể là các đơn vị quản lý hạ tầng giao thông và môi trường, thực hiện liên tục và bảo trì định kỳ.

4. Theo dõi và đánh giá ổn định mái dốc định kỳ: Sử dụng các thiết bị quan trắc chuyển vị, áp lực nước lỗ rỗng và rung chấn để phát hiện sớm nguy cơ sạt lở, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Thời gian theo dõi tối thiểu 2 năm sau thi công, do các cơ quan chuyên môn và viện nghiên cứu thực hiện.

5. Nâng cao năng lực thiết kế và thi công bằng FEM: Khuyến khích sử dụng phần mềm PLAXIS 2D trong thiết kế và đánh giá ổn định mái dốc để có kết quả chính xác hơn, đặc biệt trong điều kiện phức tạp như mưa lớn và động đất. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư địa kỹ thuật trong tỉnh và khu vực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư địa kỹ thuật và xây dựng hạ tầng giao thông: Nghiên cứu cung cấp phương pháp phân tích và giải pháp kỹ thuật cụ thể để thiết kế và thi công các công trình chống lở đất hiệu quả, giảm thiểu rủi ro trong thi công đường bộ vùng núi.

2. Cơ quan quản lý thiên tai và giao thông tỉnh Lào Cai: Tham khảo để xây dựng chính sách, quy trình giám sát và ứng phó kịp thời với các sự cố lở đất, đảm bảo an toàn giao thông và phát triển bền vững.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng, địa chất công trình: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình số trong phân tích ổn định mái dốc, đồng thời mở rộng kiến thức về ảnh hưởng của mưa và động đất đến địa chất vùng núi.

4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp thi công công trình giao thông vùng núi: Hiểu rõ các rủi ro và giải pháp kỹ thuật để lập kế hoạch đầu tư, thi công và bảo trì công trình, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp LEM và FEM khác nhau như thế nào trong phân tích ổn định mái dốc?
   LEM dựa trên cân bằng lực trên mặt trượt giả định, đơn giản và nhanh chóng nhưng không mô phỏng biến dạng đất. FEM mô phỏng ứng xử ứng suất - biến dạng, xác định chính xác vị trí mặt trượt và hệ số an toàn, phù hợp với điều kiện phức tạp như mưa và động đất.

2. Tại sao neo đất được đánh giá là giải pháp hiệu quả nhất?
   Neo đất có khả năng xuyên sâu qua mặt trượt, tạo lực kháng lớn, tăng hệ số an toàn lên trên 1.2 dưới điều kiện mưa và động đất. So với cắt mái dốc và tường chắn, neo đất giảm diện tích vùng trượt và phù hợp với địa hình phức tạp.

3. Ảnh hưởng của mưa lớn và động đất đến ổn định mái dốc như thế nào?
   Mưa lớn làm tăng áp lực nước lỗ rỗng, giảm sức kháng cắt của đất, trong khi động đất gây rung chấn làm giảm cường độ đất và kích thích chuyển vị. Cả hai yếu tố đều làm giảm hệ số an toàn từ 15% đến 30% tùy điều kiện.

4. Làm thế nào để theo dõi và phát hiện sớm nguy cơ lở đất?
   Sử dụng thiết bị quan trắc chuyển vị, áp lực nước lỗ rỗng và cảm biến rung chấn để giám sát biến động mái dốc. Dữ liệu thu thập giúp cảnh báo sớm và đưa ra biện pháp xử lý kịp thời.

5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
   Có, phương pháp và giải pháp được đề xuất phù hợp với các vùng núi có điều kiện địa chất tương tự, đặc biệt là các tuyến đường cao tốc và công trình hạ tầng giao thông chịu ảnh hưởng của mưa lớn và động đất.

Kết luận

• Nghiên cứu đã mô phỏng thành công ổn định mái dốc tại hai khu vực điển hình ở Lào Cai bằng phương pháp LEM và FEM, kết quả phù hợp với hiện trạng thực tế.
• Mưa lớn và động đất làm giảm đáng kể hệ số an toàn mái dốc, trong đó động đất dao động thực tế có ảnh hưởng mạnh nhất.
• Phương pháp neo đất được xác định là giải pháp khắc phục hiệu quả nhất, nâng cao hệ số an toàn vượt mức 1.2 trong điều kiện tải trọng phức tạp.
• FEM (PLAXIS 2D) cho kết quả chính xác hơn LEM (GEO-SLOPE), đặc biệt trong phân tích điều kiện mưa và động đất.
• Đề xuất triển khai các biện pháp neo đất kết hợp hệ thống thoát nước và giám sát định kỳ nhằm đảm bảo an toàn và bền vững cho các công trình giao thông vùng núi.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm thực địa các biện pháp neo đất, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên sử dụng phần mềm FEM để nâng cao năng lực thiết kế và thi công. Các cơ quan quản lý nên xây dựng quy trình giám sát và ứng phó kịp thời với nguy cơ lở đất. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, độc giả có thể liên hệ với tác giả hoặc các đơn vị nghiên cứu chuyên ngành.