CHƯƠNG 1. CẢNH BÁO SỚM TRƯỢT ĐẤT DO MƯA 1. Cơ chế trượt đất do mưa Trượt lở đất (landslide) là một dạng tai biến địa chất, xảy ra nơi có địa hình dốc, khi đất, đá hay mảnh vỡ dịch chuyển về phía chân dốc dưới ảnh hưởng của trọng lực làm phá vỡ hình thái và cấu trúc ban đầu. Trượt lở đất biểu hiện dưới các dạng khác nhau như trượt dòng, trượt lở, đổ lở hoặc hỗn hợp phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất đá cũng như địa hình sườn dốc và nguyên nhân kích hoạt.
Một số thuật ngữ thường được dùng thay thế cho nhau như trượt lở đất, trượt lở hoặc trượt đất cho các dạng chuyển động trên sườn dốc kể cả có trượt và không trượt [138]. Mất ổn định sườn dốc là do mất trạng thái cân bằng ứng suất trọng lực và biến đổi tính chất cơ lý của đất đá dưới tác động của các nguyên nhân trực tiếp như động đất, mưa lớn, hoạt động cắt gọt chân dốc [122]. Các yếu tố phát sinh, phát triển trượt lở đất được liệt kê trong Bảng 1-1. Các yếu tố phát sinh, phát triển trượt lở đất [7] TT Yếu tố phát sinh, phát triển trượt lở đất 1 Vỏ phong hóa 2 Thạch học 3 Địa mạo 4 Lượng mưa 5 Độ cao 6 Phân cắt ngang 7 Phân cắt sâu 8 Độ dốc 9 Hướng dốc 10 Mật độ đứt gãy 11 Mật độ giao thông 12 Hiện trạng sử dụng đất Trượt lở đất xảy ra là kết quả tổng hợp của nguyên nhân bên ngoài và nguyên nhân bên trong [9].
Nguyên nhân bên ngoài như động đất, mưa bão, cắt xén sườn dốc, 10 nổ mìn, hoạt động vận tải. Nguyên nhân bên trong bao gồm địa hình, địa chất, thủy văn, khả năng thoát nước. Yếu tố ảnh hưởng đến trượt lở đất bao gồm độ dốc, hướng sườn, mật độ phân cắt ngang, phân cắt sâu và hiện trạng sử dụng đất [4]. Các yếu tố ảnh hưởng đến trượt lở đất do mưa bao gồm: cường độ mưa, thời gian mưa, địa chất, địa hình, thảm thực vật, bề rộng và độ sâu khối trượt [157].
Nhiều nghiên cứu đánh giá mối quan hệ giữa trượt lở đất và nguyên nhân trực tiếp gây ra trượt lở như cường độ, thời gian và lịch sử mưa dựa trên phương pháp thống kê [20, 97], phương pháp xác suất [121] và mô hình phân tích xác định [50]. Trượt lở đất do mưa gây ra bởi sự thay đổi áp suất nước lỗ rỗng và lực thấm (seepage forces) trong đất [205]. Đối với sườn dốc có mực nước ngầm ban đầu bên dưới bề mặt dốc, đất phía trên mực nước ngầm không bão hòa, áp lực nước lỗ rỗng âm (Hình 1. Đất trở nên bão hòa hơn do quá trình thấm theo hướng thẳng đứng từ trên xuống.
Độ dẫn thủy lực tăng khi hàm thể tích nước tăng trong đất không bão hòa. Khi đất trở nên bão hòa, độ dẫn thủy lực đạt giá trị lớn nhất và không đổi. Quá trình thấm do mưa Nước mưa thấm vào sườn dốc, làm gia tăng hàm lượng nước của đất, giảm lực hút dính và nâng mực nước ngầm [50]. Thay đổi áp lực nước lỗ rỗng của đất dẫn đến 11 giảm góc ma sát trong của đất [111].
Nước mặt và nước ngầm không chỉ làm giảm sức kháng cắt mà còn làm tăng trọng lượng đất, ảnh hưởng tiêu cực tới độ ổn định sườn dốc. Mối quan hệ giữa trượt lở đất với cường độ và thời gian mưa đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Nghiên cứu tại Hồng Kông, Brand và cộng sự [19] nhận thấy chỉ cần độ ẩm của đất tăng lên 3% (từ 25% lên 28%) cường độ lực dính của đất giảm tới 1/3. Larsen và Simon [79], nghiên cứu ở Puerto Rico, thấy rằng mưa bão với tổng lượng 100 mm – 200 mm, cường độ khoảng 14 mm/giờ kéo dài trong vài giờ hoặc cường độ 2 – 3 mm/giờ trong khoảng 100 giờ thì có thể gây ra trượt lở đất.
Li và Kong [184] đã đưa ra số liệu thống kê mối quan hệ giữa sự dịch chuyển sườn dốc do ảnh hưởng của lượng mưa trong khoảng thời gian từ năm 1998 đến năm 2005 tại sườn dốc ở đập thủy điện phía nam Trung Quốc. Trượt lở đất do mưa có thể xảy ra ở mặt nông hoặc sâu. Do cấu tạo, nền đất gồm các lớp đất đá có tính thấm khác nhau. Khi nước thấm vào đất gặp lớp đất có tính thấm thấp sẽ tạo ra vùng bão hòa nước cục bộ.
Với các trận mưa lớn, nước ngầm sẽ dâng lên nhanh chóng trên bề mặt lớp đất đá có tính thấm thấp tạo ra dòng chảy song song với lớp đất này. Thông thường, trượt lở đất với mặt trượt nông xảy ra bởi những đợt mưa ngắn, cường độ lớn, trong khi đó trượt lở đất với độ sâu mặt trượt lớn xảy ra bởi những đợt mưa cường độ trung bình nhưng thời gian kéo dài [33]. Trong quá trình mưa, độ ẩm và áp suất nước lỗ rỗng bên trong thân dốc có sự thay đổi lớn phụ thuộc vào tính chất dẫn nước, hình dạng sườn dốc và tính chất của đất đá. Độ ẩm và áp suất nước lỗ rỗng tăng tỉ lệ trực tiếp với tính thấm [123], làm giảm sự kết dính của đất đá và ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định sườn dốc.
Với đất đá có tính thấm cao, áp suất nước lỗ rỗng thay đổi tăng lên và giảm xuống nhanh chóng theo lượng mưa [68]. Trong trường hợp này, trượt lở đất thường xảy ra bởi mưa cường độ lớn, lịch sử mưa trước đó ít ảnh hưởng đến sự kiện trượt lở đất. Ngược lại, với đất đá có tính thấm thấp, trượt lở đất thường xảy ra bởi sự kiện mưa kéo dài với cường độ trung bình, điều kiện mưa trước đó ảnh hưởng lớn tới khả năng thấm của đất và áp lực nước lỗ rỗng [72]. Phân loại các hệ thống cảnh báo trượt đất sớm Các hệ thống cảnh báo trượt đất sớm LEWS (Landslide Early Warning System) rất khác nhau phụ thuộc quy mô giám sát, cảnh báo, kiểu trượt và yếu tố kích hoạt trượt đất.
Nhiều tài liệu khoa học công bố gần đây đã đề xuất LEWS có nguyên nhân do mưa, từ quy mô quốc gia đến quy mô cục bộ sườn dốc, với khoảng thời gian khác nhau. Về thời gian, có thể chia việc cảnh báo trượt đất thành dài hạn và tức thời. Cảnh báo dài hạn có tầm quan trọng đối với việc đánh giá rủi ro và quản lý đất đai, cung cấp thông tin cần thiết phục vụ quy hoạch, xây dựng. Cảnh báo tức thời dựa trên quan sát thực tế, được thừa nhận rộng rãi, trước khi trượt đất xảy ra có sự biến dạng sườn dốc và thay đổi điều kiện thủy văn [101].
Sử dụng cảm biến nhận dạng dấu hiệu trượt đất như dao động, dịch chuyển, biến dạng hoặc áp lực nước lỗ rỗng có thể phát hiện bất thường và những thay đổi nhỏ trong trạng thái sườn dốc ngay trước khi sự cố trượt đất xảy ra. Hệ thống cảnh báo tức thời thường sử dụng cảm biến quán tính, đo mưa, áp suất nước lỗ rỗng, độ ẩm [48, 134, 150]. Về phạm vi, có thể chia thành cảnh báo quy mô vùng hoặc khu vực và cảnh báo cục bộ. Đối với quy mô quốc gia và khu vực, hệ thống cảnh báo sớm được xây dựng chủ yếu dựa trên mối quan hệ giữa cường độ/thời gian mưa và ngưỡng kích hoạt trượt đất [25, 135].
Điều này đòi hỏi phải có dữ liệu giám sát trong khoảng thời gian dài và trên diện rộng. Việc dự báo dựa trên giả thuyết: với cùng một điều kiện gây ra trượt đất trong quá khứ thì trượt đất cũng xảy ra trong tương lai. Giả thuyết này không được đảm bảo trong thời gian dài và ở những nơi có sự thay đổi lớn về khí hậu và môi trường [49]. Mặt khác, sự khác biệt của các điều kiện cục bộ về tính chất đất đá, mức độ che phủ bị bỏ qua.
Đối với quy mô sườn dốc (hay phạm vi cục bộ), việc theo dõi lượng mưa để đánh giá trượt đất là không đủ do cường độ kháng cắt của đất đá trên dốc phụ thuộc vào nhiều yếu tố và thay đổi theo thời gian. Hệ thống cảnh báo sớm áp dụng cho quy mô cục bộ chủ yếu dựa trên việc giám sát thời gian thực biến dạng khối trượt và yếu tố kích hoạt như áp lực nước lỗ rỗng PWP (Pore Water Pressure) [127, 146]. Ngưỡng cảnh báo, giá trị nhỏ nhất hoặc lớn nhất để trượt đất xảy ra hoặc sườn 13 dốc thay đổi trạng thái, có thể được xác định bởi chuyên gia thông qua việc giải thích dữ liệu giám sát trên cơ sở thống kê lịch sử mưa và sự kiện trượt đất tại khu vực [62] hoặc sử dụng mô hình số [161]. Tổng quan hệ thống giám sát và ảnh báo trượt đất do mưa 1.
Các phương pháp quan trắc Phương pháp viễn thám sử dụng thiết bị đo xa và hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System) để giám sát sự dịch chuyển của khối trượt. Sự tiến bộ của công nghệ viễn thám không gian và hàng không đã tạo ra sự gia tăng nghiên cứu, ứng dụng của viễn thám trong xây dựng bản đồ đánh giá nguy cơ trượt đất, giám sát và cảnh báo sớm nguy cơ trượt đất [27]. Sử dụng ảnh vệ tinh hoặc radar mặt đất có thể phát hiện nguyên nhân và làm sáng tỏ diễn tiến dịch chuyển khối trượt khi sự kiện xảy ra [28]. Công nghệ này có thể đo biến dạng mặt đất trong điều kiện thời tiết xấu và trong đêm tối.
Kỹ thuật giám sát dựa trên vệ tinh hữu ích trong đánh giá tổng quan các vấn đề ổn định sườn dốc trên phạm vi rộng lớn. Việc áp dụng công nghệ viễn thám để giám sát trượt đất tồn tại nhược điểm: thiếu khả năng thâm nhập dưới lòng đất; hạn chế về tần suất lấy mẫu so với các phương pháp tự động trực tiếp. Bên cạnh đó, kỹ thuật này đòi hỏi nguồn kinh phí lớn, việc lắp đặt, hiệu chỉnh cần có độ chính xác cao và thời gian dài. Phương pháp quan trắc trực tiếp thực hiện bằng thiết bị có tiếp xúc được lắp đặt trong lỗ khoan và trên bề mặt tại vị trí có khả năng trượt đất.
Thiết bị GPS (Global Positioning System) được lắp đặt để theo dõi dịch chuyển tại các thời điểm trong năm hoặc những dịch chuyển đột ngột. Giám sát thực địa trượt đất cung cấp thông tin sự thay đổi theo không gian và thời gian các đặc tính trong thân dốc liên quan đến tai biến trượt đất. Những tiến bộ về cảm biến, thu thập, phân tích dữ liệu gần đây đã dẫn đến việc áp dụng rộng rãi phương pháp này [133].