Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Bảo Lộc thuộc tỉnh Lâm Đồng nằm trên vùng cao nguyên Di Linh – Bảo Lộc ở độ cao trung bình từ 800m đến 1.000m so với mực nước biển. Với đặc thù địa hình đồi núi dốc, cấu trúc địa chất phân cắt mạnh và lượng mưa trung bình hàng năm lên tới 2.513mm phân bổ trong khoảng 190 ngày mưa, khu vực này thường xuyên đối mặt với hiểm họa tai biến trượt lở đất. Thực trạng tại tổ dân phố 11, phường B’Lao cho thấy một khối trượt lở quy mô lớn với diện tích khoảng 1,2 ha đã xuất hiện hàng loạt vết nứt sụt lún kéo dài từ 30m đến 60m, gây nứt toác tường, nghiêng lún và phá hủy nghiêm trọng nhiều công trình nhà ở của người dân.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là khảo sát, đánh giá toàn diện hiện trạng cơ lý đất đá, cơ chế biến dạng động lực công trình và xây dựng giải pháp cảnh báo sớm tai biến trượt lở đất bằng công nghệ định vị vệ tinh toàn cầu GNSS kết hợp quan trắc dịch chuyển bề mặt. Phạm vi nghiên cứu tập trung chuyên sâu tại khu vực phường B’Lao trong giai đoạn từ tháng 7/2016 đến tháng 12/2016.

Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi lần đầu tiên tích hợp dữ liệu trắc địa vệ tinh GNSS có độ chính xác cỡ milimet với số liệu đo chuyển vị thời gian thực đạt tốc độ dịch chuyển 0,68 mm/giờ và kết quả phân tích hệ số an toàn mái dốc chỉ đạt mức nguy hiểm FS = 0,8. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng giúp chính quyền địa phương chuyển từ phương thức ứng phó bị động sang chủ động cảnh báo sớm trước nhiều giờ, góp phần bảo vệ tính mạng cho hàng trăm hộ dân và bảo đảm an toàn cơ sở hạ tầng giao thông đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cân bằng giới hạn của Fellenius và phương pháp tính toán độ ổn định mái dốc cổ điển của Lomtadze. Mô hình đánh giá hệ số an toàn mái dốc (FS) dựa trên tỷ số giữa tổng lực chống trượt và tổng lực gây trượt dọc theo mặt trượt tiềm năng. Bên cạnh đó, đề tài ứng dụng bảng phân loại tai biến trượt lở đất của Varnes để phân định các hình thái dịch chuyển như trượt xoay, trượt tịnh tiến, trượt hỗn hợp và dòng mảnh vụn.

Mô hình phân tích thứ bậc AHP được sử dụng nhằm xác định trọng số ảnh hưởng của các yếu tố kích hoạt tai biến, trong đó yếu tố độ dốc địa hình được đánh giá cao nhất với thang điểm 9. Các khái niệm cốt lõi bao gồm: hệ số an toàn mái dốc (Factor of Safety - FS), chỉ số nhạy cảm trượt lở đất (Landslide Susceptibility Index - LSI), quang phổ dao động riêng vi địa chấn (Microtremor H/V spectral ratio) và véc-tơ chuyển vị ba chiều từ các trạm GNSS liên tục.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm số liệu khảo sát hiện trạng địa hình, dữ liệu khí tượng thủy văn giai đoạn 2010–2015, kết quả đo đạc địa chất công trình và các chuỗi tín hiệu vi địa chấn thu thập thực tế tại hiện trường. Cỡ mẫu nghiên cứu được xác lập thông qua 2 hố khoan khảo sát địa chất công trình sâu từ 15m đến 25m (ký hiệu HK1 và HK2) cùng 12 vị trí thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích tại vùng đỉnh trượt và chân trượt nhằm thu thập mẫu đất nguyên dạng và không nguyên dạng phục vụ thí nghiệm trong phòng.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích số thông qua phần mềm Bank Stability and Toe Erosion kết hợp GeoStudio (mô-đun SLOPE/W) là khả năng mô phỏng chính xác sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng và hiện tượng xói lở chân mái dốc dưới tác động dòng thấm. Đồng thời, phương pháp vi địa chấn sử dụng thiết bị DATAMARK JU410 được lựa chọn nhờ tính cơ động, không phá hủy cấu trúc đất và giúp xác định chính xác chiều sâu tầng sét phong hóa. Quá trình quan trắc chuyển vị cơ học bằng thiết bị Extensometer kết hợp lắp đặt thử nghiệm 3 trạm GNSS (1 trạm Base và 2 trạm Rover) diễn ra liên tục từ tháng 7 đến tháng 11/2016 nhằm đối soát độ chính xác của các thuật toán cảnh báo tự động.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, cấu trúc địa tầng khu vực phường B’Lao có tính chất rất phức tạp với sự phân lớp bất chỉnh hợp giữa lớp phủ bazan Đại Nga phong hóa triệt để dạng sét dẻo mềm dày từ 7m đến 10m nằm đè lên tầng trầm tích sét kết, cát kết thuộc hệ tầng Di Linh. Nước ngầm tích tụ trong đới phong hóa này tạo thành mặt trượt bôi trơn nguy hiểm.

Thứ hai, khảo sát thực địa ghi nhận khối trượt chính có diện tích 1,2 ha với sườn dốc nghiêng từ 60 độ đến 70 độ, chiều cao vách trượt khoảng 20m. Đến đợt khảo sát bổ sung vào tháng 9/2016, nhóm nghiên cứu phát hiện thêm một khối trượt thứ cấp diện tích 0,4 ha với vách sụt sâu 1,4m và các khe nứt mở rộng tới 40cm theo hướng Đông Bắc – Tây Nam.

Thứ ba, thiết bị quan trắc biến dạng Extensometer ghi nhận tốc độ dịch chuyển của đất đạt mức 0,68 mm/giờ trong các ngày mưa kéo dài. Vận tốc này vượt ngưỡng dịch chuyển cho phép, đưa khu vực vào tình trạng báo động đỏ về nguy cơ trượt lở tức thì.

Thứ tư, tính toán cân bằng ổn định từ phần mềm Bank Stability and Toe Erosion cho thấy hệ số an toàn tại hố khoan HK2 tụt giảm xuống mức FS = 0,8 (nhỏ hơn nhiều so với ngưỡng an toàn giới hạn FS = 1,0), phản ánh trạng thái mái dốc hoàn toàn mất ổn định và đang biến dạng liên tục.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân trực tiếp gây mất ổn định là do hoạt động đào bóc chân mái dốc để tạo mặt bằng xây dựng kết hợp tải trọng nhà ở tăng cao ở đỉnh dốc. Khi gặp những đợt mưa lớn liên tiếp trên 15 ngày, lượng nước ngấm sâu làm giảm lực dính kết của đất từ 25 kPa xuống dưới 10 kPa, đồng thời áp lực nước lỗ rỗng tăng vọt kích hoạt mặt trượt xoay hỗn hợp.

So sánh với các nghiên cứu quan trắc trượt lở tại tỉnh Okinawa (Nhật Bản) hay các vùng đồi núi phía Bắc Việt Nam, việc ứng dụng GNSS mang lại ưu thế vượt trội nhờ khả năng tự động hóa và truyền tín hiệu không dây qua mạng GSM/ZigBee. Dữ liệu trượt lở có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ quang phổ vi địa chấn trục Đông – Tây và bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý đất theo chiều sâu hố khoan, giúp các nhà quản lý dễ dàng nhận diện ngưỡng nguy hiểm khi độ dịch chuyển tích lũy vượt quá giới hạn an toàn 10mm.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Thiết lập mạng lưới quan trắc GNSS và cảm biến tự động: Lắp đặt hoàn chỉnh 3 trạm GNSS đo động thời gian thực kết hợp thiết bị đo mưa tự động tại phường B’Lao nhằm phát hiện các dịch chuyển đất ở độ phân giải milimet. Mục tiêu duy trì sai số định vị dưới 3mm và thời gian trễ dữ liệu dưới 60 giây, hoàn thành triển khai trong 6 tháng do Ủy ban nhân dân thành phố Bảo Lộc chủ trì phối hợp cùng Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Lâm Đồng.
  • Xây dựng hệ thống tiêu thoát nước mặt và ngầm: Thi công hệ thống mương gom nước mặt bê tông cốt thép hình chữ U dài 500m quanh đỉnh khối trượt và hệ thống rãnh xương cá thoát nước ngầm nhằm hạ mực nước ngầm sâu thêm ít nhất 3m. Mục tiêu giảm 70% lượng nước thấm vào thân trượt trong mùa mưa, thực hiện trong vòng 4 tháng do Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng Bảo Lộc phụ trách.
  • Thi công kè trọng lực và tường chắn rọ đá hộc: Gia cố chân mái dốc bằng tường chắn rọ đá có mắt lưới thép mạ kẽm cao từ 3m đến 4m kết hợp vải địa kỹ thuật gia cường để chống xói lở đáy và gia tăng lực kháng cắt. Mục tiêu nâng hệ số an toàn mái dốc từ FS = 0,8 lên mức FS trên 1,35, triển khai trong quý III/2017 do Sở Giao thông Vận tải và Sở Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn giám sát.
  • Trồng thảm thực vật phục hồi tầng phủ bảo vệ: Phủ cỏ Vetiver và cây bụi có hệ rễ sâu trên toàn bộ diện tích 1,2 ha mái dốc đã bị bóc trắng nhằm tăng liên kết cơ học của lớp đất mặt dày 0,5m và giảm thiểu 50% cường độ dòng chảy tràn, tiến hành liên tục trong 12 tháng với sự tham gia của cộng đồng dân cư địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Kỹ sư địa kỹ thuật và trắc địa công trình: Nắm vững quy trình công nghệ kết nối các trạm máy thu GNSS với mạng truyền thông không dây ZigBee và phương pháp xử lý số liệu vi địa chấn để xác định mặt trượt thực tế.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và phòng chống thiên tai: Sử dụng mô hình cảnh báo sớm 3 cấp độ (quan trắc, điều khiển, cảnh báo) và các ngưỡng dịch chuyển 0,68 mm/giờ làm căn cứ xây dựng phương án sơ tán dân cư khẩn cấp cấp huyện và tỉnh.
  • Giảng viên, nghiên cứu viên và sinh viên chuyên ngành Địa kỹ thuật - Địa chất: Khai thác tập dữ liệu đo đạc thực địa, phương pháp kết hợp phần mềm Geoslope và Bank Stability and Toe Erosion để phục vụ công tác giảng dạy và phát triển đề tài nghiên cứu chuyên sâu.
  • Chuyên viên quy hoạch đô thị và phát triển hạ tầng vùng đồi núi: Tham khảo các đánh giá phân vùng nguy cơ sạt lở và cơ chế sụt lún địa hình bazan để thẩm định cấp phép xây dựng công trình trên sườn dốc cao nguyên.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao công nghệ GNSS lại vượt trội hơn các phương pháp trắc địa truyền thống trong cảnh báo trượt lở? Công nghệ GNSS cho phép đo đạc liên tục 24/7 trong mọi điều kiện thời tiết với độ chính xác vị trí tới từng milimet. Thay vì phải cử nhân lực đo thủ công định kỳ, hệ thống GNSS tự động gửi chuỗi số liệu chuyển vị tọa độ ba chiều qua mạng viễn thông về máy chủ phân tích ngay lập tức.

Vận tốc dịch chuyển 0,68 mm/giờ ghi nhận từ Extensometer phản ánh mức độ nguy hiểm như thế nào? Theo tiêu chuẩn quan trắc địa kỹ thuật quốc tế, tốc độ chuyển vị đạt mức 0,68 mm/giờ chứng tỏ khối trượt đã bước vào giai đoạn biến dạng dẻo gia tốc. Mái dốc đang dịch chuyển nhanh và có khả năng đổ sập bất cứ lúc nào nếu tiếp tục xuất hiện mưa lớn.

Chỉ số an toàn FS = 0,8 có ý nghĩa vật lý như thế nào đối với khối sườn dốc? Về mặt cơ học đất, hệ số an toàn FS nhỏ hơn 1 biểu thị tổng lực gây trượt do trọng lượng đất đá và áp lực nước ngầm đã vượt quá sức kháng cắt của mái dốc. Tại hố khoan HK2, giá trị FS = 0,8 xác nhận sườn dốc đã trượt lún thực sự và đang phá hủy kết cấu các công trình lân cận.

Thiết bị vi địa chấn DATAMARK JU410 đóng vai trò gì trong việc xác định cung trượt? Thiết bị vi địa chấn đo đạc các rung động tự nhiên của nền đất nhằm phân tích tỷ số phổ H/V. Qua đó, các kỹ sư xác định chính xác chiều sâu tầng ranh giới giữa lớp sét bazan phong hóa mềm yếu và tầng đá gốc cứng hơn mà không cần đào phá bề mặt.

Lượng mưa 2.513 mm/năm tác động như thế nào đến thảm họa trượt lở tại Bảo Lộc? Lượng mưa lớn tập trung vào các tháng 7 đến tháng 9 làm bão hòa nhanh chóng lớp đất phủ dày từ 7m đến 10m. Nước mưa làm gia tăng trọng lượng thể tích của khối đất trên mái dốc từ 60 đến 70 độ, đồng thời đẩy áp lực nước lỗ rỗng lên cao triệt tiêu ma sát trượt.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định rõ hiện trạng và quy mô khối sạt lở 1,2 ha tại phường B’Lao với các vết nứt sụt sâu 1,4m đe dọa trực tiếp đến khu dân cư.
  • Cung cấp kết quả tính toán độ ổn định mái dốc bằng phần mềm chuyên dụng với hệ số an toàn nguy cấp FS = 0,8 tại vị trí hố khoan HK2.
  • Ứng dụng thành công chuỗi quan trắc tích hợp giữa thiết bị Extensometer ghi nhận tốc độ 0,68 mm/giờ và phương pháp vi địa chấn xác định đới phong hóa bất lợi.
  • Thiết lập hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý hệ thống cảnh báo sớm trượt lở đất dựa trên công nghệ vệ tinh GNSS và truyền dữ liệu mạng di động.
  • Đề xuất đồng bộ 4 giải pháp công trình và phi công trình khả thi nhằm nâng cao độ an toàn mái dốc bền vững cho thành phố Bảo Lộc.

Đóng góp lớn nhất của công trình là giải pháp ứng dụng công nghệ GNSS chi phí hợp lý vào bài toán cảnh báo sớm tai biến địa chất tại vùng Tây Nguyên. Kế hoạch tiếp theo cần mở rộng mạng lưới trạm quan trắc tự động trên toàn địa bàn tỉnh Lâm Đồng trong giai đoạn 2018–2020. Các cơ quan quản lý và đơn vị phát triển hạ tầng hãy chủ động ứng dụng mô hình này vào thực tế để giảm thiểu tối đa thiệt hại do thiên tai gây ra.