CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TRƯỢT ĐẤT, CÁC HỆ ĐO MƯA VÀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT 1. Tổng quan về trượt đất. Trượt lở đất đá là một dạng của tai biến địa chất, thực chất đó là quá trình dịch chuyển trọng lực các khối đất đá cấu tạo sườn dốc từ trên xuống phía dưới chân sườn dốc do tác động của các nguyên nhân (trọng lượng bản thân khối đất đá trượt, tải trọng ngoài, áp lực thủy tĩnh, áp lực thuỷ động, lực địa chấn và một số lực khác) làm mất trạng thái cân bằng ứng suất trọng lực và biến đổi tính chất cơ lý của đất đá đến mức làm mất ổn định sườn dốc [2]. Lịch sử loài người đã chứng kiến và phải chịu nhiều tổn thất về của cải, cơ sở hạ tầng, nhân mạng do trượt lở đất đá trên sườn dốc với những khối trượt khổng lồ.
Trên thế giới có nhiều quốc gia hay xuất hiện sạt lở đất như Ấn Độ, Philipin, Indonesia, Nhật Bản, Việt Nam… Năm 2005, ở Ấn Độ có vụ sạt lở đất kinh hoàng khiến 10 người thiệt mạng. Ở Việt Nam trượt đất cũng diễn ra khá nhiều ở các vùng miền núi phía Bắc như Lai Châu, Hà Giang, Sơn La, hoặc ở một số tỉnh Trung bộ như Hà Tĩnh, Đà Nẵng. Trên thực tế, hàng năm ở nước ta có rất nhiều những cơn bão lớn đổ bộ vào đất liền, sự thiệt hại về người và của do bão thì lại rất hạn chế, nhưng cơn bão qua đi, nguyên nhân của nó để lại, gây ra lũ quét và sạt lở đất thì thiệt hại rất nhiều. Trong tháng 8 năm nay, tại Lai Châu có vụ sạt lở đất cực kỳ nghiêm trọng, đã có 6 người bị thiệt mạng, nhà cửa, làng mạc, bị vùi lấp, có tới hàng nghìn m3 đất đã sạt lở và rơi xuống lòng đường làm tắc nghẽn giao thông, chia cắt giữa các khu vực trong địa bàn.
Tại Đà Nẵng, khu vực đèo Hải Vân gần Ga Hải Vân cũng xuất hiện rất nhiều điểm sạt lở, một khối lượng lớn đất đá sạt lở nằm ngổn ngang trên đường gây cản trở giao thông và hiện tượng này đang đe dọa trực tiếp tới đời sống nhân dân quanh khu vực. Mới đây nhất tại Nhật Bản cũng xảy ra một vụ sạt lở đất tại thành phố Hiroshima chôn vùi hàng trăm căn hộ, ước tính có ít nhất 32 người thiệt mạng trong vụ thảm họa này. Hiện trường vụ sạt lở đất tại quốc lộ 4D Lào Cai - SaPa Có nhiều nguyên nhân gây trượt lở đất như cấu trúc địa chất [8], đặc điểm địa hình của sườn dốc, quá trình phong hoá, tác động của nước mưa đặc biệt là lượng mưa lớn và kéo dài, các hoạt động kinh tế, xây dựng của con người mà chủ yếu là cắt xén sườn dốc để làm đường, nổ mìn, san gạt để xây dựng với sự suy giảm của lớp phủ thực vật,. Hình dưới đây trình bày mặt cắt ngang của một mái đất đồng nhất đơn giản.
Mặt cắt ngang một mái dốc Tất cả các mái dốc đều có xu hướng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn, cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định được 13 quan niệm là khi có xu hướng di chuyển và phá hoại. Các lực gây mất ổn định liên quan chủ yếu đến trọng lực và lực thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng mái dốc kết hợp với độ bền kháng cắt của đất và đá tạo nên. Do có nguyên nhân như phân tích ở trên, hiện tượng trượt đất luôn diễn ra hàng ngày hàng giờ gây nguy hại, ảnh hưởng tới con người và đời sống sản xuất. Các hệ thống đo mưa hiện nay.
Nước mưa có tác động rất lớn đến việc trượt lở đất đá [3]. Lượng mưa lớn là nguyên nhân làm tăng lượng nước tích tụ trong lòng đất, dẫn đến áp lực nước lỗ rỗng trong lòng đất tăng theo, ảnh hưởng lớn đến tính chất của đất, làm đất ẩm hơn, mềm hơn, trọng lượng lớn hơn và dễ gây sạt lở. Do đó lượng mưa là một thông số không thể thiếu cho đầu vào của hệ thống cảnh báo trượt đất [6]. Để đáp ứng nhu cầu đo đạc lượng mưa, trên thị trường hiện nay có rất nhiều các thiết bị đo mưa được sử dụng phổ biến.
Vũ kế Thiết bị đo mưa này còn được gọi là Vũ lượng kế. Nó gồm 1 thùng hình trụ chứa nước mưa hứng được ngoài trời quang. Trong thùng có 1 phễu làm chỗ cho nước mưa chảy xuống thùng chứa, đồng thời ngăn bớt việc bốc hơi nước. Hình ảnh vũ kế 14 Sau mỗi trận mưa, cứ đổ nước vào bình có vạch chia độ để đo thể tích, lấy thể tích này chia cho diện tích miệng thùng chứa hình trụ ta sẽ ra được thông số lượng mưa theo đơn vị mm.
Hệ thống đo mưa WS-3000 Cảm biến đo lượng mưa của trạm thời tiết Weather Station (WS3000) có nguyên lý giống với vũ kế, nhưng hệ thống có gầu chứa nước mưa có khả năng tự xả khi đầy gầu. Thể tích nước của mỗi gầu khi đầy tương ứng với một lượng mưa cho trước mà nhà sản xuất cung cấp. Đồng thời đầu ra của cảm biến là tín hiệu xung tương ứng với thời gian giữa 2 lần xả liên tiếp. Do vậy tín hiệu từ cảm biến dễ đưa vào xử lý và có thể truyền thông đi xa.
Hình ảnh hệ cảm biến WS-3000 1. Mưa lớn là nguyên nhân gây ra lũ lụt và trượt lở đất. Vì thế, việc đo được lượng mưa trên diện rộng, xác định được diện tích vùng mưa, đo mưa với độ phân giải cao về cả không gian và thời gian rất hữu ích cho việc cảnh báo trượt lở. Có một phương pháp đo mưa khá hiện đại và hiệu quả, đó là đo mưa sử dụng ra-đa.
Ra-đa phát tín hiệu và thu nhận xung phản hồi khi gặp mưa. RADAR (Radio Detection And Ranging) là một phương tiện kỹ thuật dùng để phát hiện và xác định vị trí của mục tiêu ở xa bằng sóng vô tuyến điện. Máy phát của rađa tạo ra một sóng điện từ mạnh truyền vào khí quyển thông qua anten. Trong quá trình truyền sóng trong khí quyển, sóng điện từ gặp các mục tiêu, bị các mục tiêu tán xạ và hấp thụ.
Mục tiêu tán xạ sóng điện từ theo mọi hướng trong đó một phần năng lượng sẽ quay trở lại anten. Anten nhận tán xạ sóng điện từ trở lại, tập hợp chúng và khuyếch đại chúng lên nhờ bộ phận khuyếch đại điện từ. Như vậy, khi trời mưa, các hạt nước mưa được coi như mục tiêu để ra-đa quét và phát hiện. Dưới đây là hình ảnh sóng điện từ của ra-đa phát ra.
Hình ảnh sóng điện từ của ra-đa phát ra Ra-đa sẽ phát hiện mưa và đo được lượng mưa dựa vào cường độ bức xạ phản hồi. Độ phản hồi rađa được xác định bởi số lượng hạt trong một đơn vị thể tích, sự phân bố hạt theo kích thước và chỉ số khúc xạ của chúng. Vì cường độ mưa và độ phản hồi rađa cùng có quan hệ với số lượng hạt trong một đơn vị thể tích và sự phân bố hạt theo kích thước. Để tìm hiểu kỹ hơn về nguyên tắc hoạt 16 động của ra-đa đo mưa cũng có rất nhiều sách và các bài báo nói về vấn đề này.
Nhìn chung, với một hệ thống đo mưa như vậy chúng ta sẽ có các thông số về lượng mưa rất chính xác, phục vụ cho việc cảnh báo sạt lở đất. Một số tiêu chuẩn trong thiết kế hệ thống đo mưa. Khái niệm và đơn vị chuẩn: Lượng mưa (Precipitation) là lượng nước mưa rơi trong một thời gian nào đó, được ký hiệu là X, đơn vị tính là milimét (mm). Lượng mưa quan trắc được trong một trận mưa gọi là lượng mưa trận, trong một ngày đêm (tính từ 0 giờ đến 24 giờ) gọi là lượng mưa ngày, nếu thời gian tính toán là một tháng, một năm ta có tương ứng lượng mưa tháng và lượng mưa năm.
Tiêu chuẩn về thiết bị Thùng đo mưa phải được sản xuất theo tiêu chuẩn hiện hành. Tại mỗi điểm đo mưa phải có 2 thùng (ống) đo, trong đó một chiếc làm việc và một chiếc dự phòng. Thùng đo mưa phải đặt nơi bằng phẳng, cách xa vật cản như nhà cửa, cây cối từ 3 lần đến 4 lần chiều cao của vật cản; Miệng thùng phải cao hơn mặt đất 1,5 m. Hệ thống cảnh báo trượt đất.
Để khắc phục được các nguyên nhân trên cũng như đưa ra cảnh báo sớm về hiện tượng trượt đất, có rất nhiều các nghiên cứu liên quan và các hệ thống cảnh báo được đưa ra. Trong đó hiệu quả hơn cả là hệ thống cảnh báo nhờ vào các cảm biến đo độ dịch chuyển, đo độ ẩm đất và các thông số thời tiết. Với sự hỗ trợ đắc lực của mạng cảm biến không dây, hệ thống này sẽ cho phép con người nắm bắt các thông số và đưa ra được những cảnh báo sớm về sự sạt lở. Minh họa việc lắp đặt các hộp cảm biến và kết nối thành mạng Trong lĩnh vực cảnh báo trượt lở, người ta thường chia việc cảnh báo thành hai loại là dài hạn và tức thời.
Việc cảnh báo dài hạn là sử dụng bản đồ GIS, GPS có độ chính xác cao,. để quan sát trượt lở theo hàng năm. Việc cảnh báo tức thời là việc sử dụng các cảm biến nhận dạng dấu hiệu trượt lở ngay trước khi sự cố trượt lở xảy ra. Trong cảnh báo tức thời, việc sử dụng các cảm biến quán tính, đo mưa, độ ẩm.
là rất cần thiết. Để phục vụ cho hệ thống cảnh báo trượt lở, đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu chế tạo thiết bị đo các thông số thời tiết như lượng mưa, tốc độ gió, hướng gió sử dụng thiết bị đo Weather Station (WS-3000), mạch đo Arduino Uno R3, truyền tín hiệu qua mạng không dây và hiển thị các thông số đo được, vẽ biểu đồ trên giao diện Window Form, phục vụ cho modun cảnh báo sạt lở. 18 CHƯƠNG II HỆ ĐO MƯA WS 3000 – MẠCH ARDUINO UNO R3 – MODUN GSM/GPRS – HIỂN THỊ LÊN MÁY TÍNH HOẶC WEB SERVER 2. Cảm biến tốc độ gió (Anemometer) Cảm biến đo tốc độ gió (Anemometer) có độ nhạy 2,4km/h/vòng, dải đo 0 đến 240km/h, cao 7.1cm, độ dài cánh quạt 8.9cm, kết nối bằng cổng RJ11, bên trong cảm biến là 1 tiếp điểm thường mở, nó sẽ đóng khi cảm biến quay hết 1 vòng, tín hiệu đầu ra của cảm biến là tín hiệu số, có tần số tỷ lệ với tốc độ gió.
Tín hiệu đầu ra này sẽ được đưa vào ngắt int0 của Vi điều khiển trong mạch đo Arduino Uno R3 để đếm xung và tính toán ra tốc độ gió.