Mô hình hóa và mô phỏng trượt đất gây ra do mưa

ĐẠI HỌCQUỐC GIA HÀNỘI
TRƯỜNGĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TỐNG ANH ĐỨC

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG TRƯỢT ĐẤT
GÂY RA DO MƯA

LUẬNVĂNTHẠCSĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội– 2015


ĐẠI HỌCQUỐC GIA HÀNỘI
TRƯỜNGĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TỐNG ANH ĐỨC

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG TRƯỢT ĐẤT
GÂY RA DO MƯA
Ngành: Công nghệ Điện tử Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mãsố: 60 52 02 03

LUẬNVĂNTHẠCSĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS TRẦN ĐỨC TÂN

Hà Nội– 2015

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình làm luận văn thạc sỹ, tôi đã đọc và tham khảo rất nhiều loại
tài liệu khác nhau từ sách giáo trình, sách chuyên khảo cho đến các bài báo đã được
đăng tải trong và ngoài nước.Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn
toàn chính thống, chân thực, những kết quả nghiên cứu đã đạt được trong luận văn
không sao chép từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức.Những kết quả đó là
những gì tôi đã nghiên cứu, tích lũy trong suốt thời gian làm luận văn.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các
tài liệu khác.

Hà Nội, ngày

tháng năm 2015

HỌC VIÊN

TỐNG ANH ĐỨC

TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang 1


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận văn em đã nhận được sự giúp
đỡ tận tình và chu đáo của các Thầy, Cô giáo trong Khoa Kỹ thuật Điện tử - Viễn
thông, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
Đề tài nghiên cứu với tiêu đề: “Mô phỏng và mô hình hóa trượt đất gây ra
do mưa” đã được triển khai thực hiện và hoàn thành với một số kết quả thu được

có khả năng ứng dụng trong thời gian tới trong điều kiện thực tiễn hiện nay.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Trần Đức Tân, người
đã trực tiếp hướng dẫn em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn với tất
cả lòng nhiệt tình, chu đáo, ân cần cùng với thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm
túc và thẳng thắn của một nhà khoa học uy tín, mẫu mực. Em cũng xin gửi lời cảm
ơn tới các thầy trong bộ môn Vi cơ điện tử và Vi cơ hệ thống, Khoa Điện tửviễn
thông, Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ và đóng góp ý
kiến cho em.
Em xin cảm ơn sự hỗ trợ của đề tài “Giám sát và cảnh báo sớm trượt lở
đất ở Việt Nam” do quỹ ISIF ASIA tài trợ đã giúp đỡ để em đạt được kết quả
luận văn ngày hôm nay.
Mặc dù em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình
và nỗ lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy cô và các bạn.
HỌC VIÊN

TỐNG ANH ĐỨC

TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang 2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... 2
MỤC LỤC ................................................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... 7
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 8

Chương 1
THỰC TRẠNG CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM9
1.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 9
1.2. Khái niệm, nguyên nhân và một số yếu tố ảnh hưởng tới trượt đất ............... 11
1.2.1.Khái niệm và một số dạng trượt lở đất chủ yếu ........................................ 11
1.2.2. Nguyên nhân và một số yếu tố ảnh hưởng đến trượt đất ......................... 13
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TÍNH TOÁN ....... 16
2.1.Cơ sở lý thuyết của các phương pháp tính ổn định mái dốc trong chương trình
phần mềm SLOPE/W ............................................................................................ 16
2.1.1. Mái dốc và ổn định mái dốc ..................................................................... 16
2.1.2. Phương trình cân bằng của khối đất trượt ................................................ 18
2.1.2.1. Các giả thiết tính toán ........................................................................ 18
2.1.2.2. Hệ số an toàn cân bằng momen ......................................................... 23
2.1.2.3. Hệ số an toàn cân bằng lực ................................................................ 23
2.1.3. Các phương pháp tính ổn định mái dốc.................................................... 23
2.1.3.1. Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát ........................................ 23
2.1.3.2. Phương pháp của K. Terxagi.............................................................. 24
2.1.3.3. Phương pháp của A.V. Bishop............................................................ 26
2.1.3.4. Phương pháp của Nichiprovich .......................................................... 27
2.1.3.5. Phương pháp của G.B. Janpu............................................................. 28
2.1.3.6. Phương pháp dựa trên lý thuyết độ ẩm .............................................. 28
2.2. Phương pháp phân tích thấm trong chương trình phần mềm SEEP/W ......... 29
2.2.1. Định luật về thấm và các phương trình cơ bản......................................... 29
TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang 3


2.2.2. Cơ sở lý thuyết của SEEP/W .................................................................... 31

2.2.2.1. Dòng thấm trong đất bão hòa/không bão hòa tuân theo định luật
Darcy ............................................................................................................... 31
2.2.2.2. Phương trình thấm .............................................................................. 31
2.2.3. Giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn .......................... 32
Chương 3
THIẾT KẾ VÀ MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG TRƯỢT ĐẤT GÂY RA DO MƯA
DÙNG PHẦN MỀM GEO-SLOPE ........................................................................ 35
3.1. Mô hình .......................................................................................................... 35
3.1.1. Mô hình..................................................................................................... 35
3.1.2. Các thông số kỹ thuật ............................................................................... 36
3.1.3. Trình tự thực hiện mô phỏng ....................................................................... 36
3.1.3.1.Thực hiện mô phỏng SEEP/W ............................................................. 36
3.1.3.2 Thực hiện mô phỏng SLOPE/W ........................................................... 44
3.2. Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 47
3.2.1. Kết quả chạy mô phỏng qua phần mềm SEEP/W với q = 1.5x10-6 m/s .. 47
3.2.1.1. Véc tơ tốc độ và các đường thấm ....................................................... 47
3.2.1.2. Đồ thị áp lực lực nước lỗ rỗng ........................................................... 48
3.2.1.3. Các đường đẳng trị áp lực nước lỗ rỗng ............................................ 48
3.2.2. Kết quả chạy mô phỏng qua phần mềm SEEP/W với q = 3.5x10-6 m/s .. 49
3.2.2.1. Véc tơ tốc độ và các đường thấm ....................................................... 49
3.2.2.2. Đồ thị áp lực lực nước lỗ rỗng ........................................................... 50
3.2.2.3. Các đường đẳng trị áp lực nước lỗ rỗng ............................................ 50
3.2.3. Kết quả chạy mô phỏng qua phần mềm SLOPE/W ................................. 51
3.2.3.1. Các kết quả chạy phần mềm mô phỏng SLOPE/W khi thay đổi lưu
lượng mưa q ..................................................................................................... 51
3.2.2.2. Bảng tổng hợp kết quả khi thay đổi lưu lượng mưa q ........................ 56
3.3 Tích hợp mô hình mô phỏng với WS3000 ...................................................... 58
3.3.1 Sơ đồ tích hợp mô hình mô phỏng với thiết bị WS-3000 ......................... 58
3.3.2 Thiết bị đo WS-3000 ................................................................................. 58
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 62
TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang 4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Mặt cắt ngang một mái dốc ..................................................................... 16
Hình 2.2 : Lực tác động trên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt tròn .... 19
Hình 2.3:Lực tác động trên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt tổ hợp .. 20
Hình 2.4:Lực tác động trên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt đặc biệt 22
Hình 2.5 Sơ đồ tính toán ổn định công trình theo phương pháp K. Terxaghi ........ 25
Hình 2.6: Sơ đồ tính toán ổn định công trình theo phương pháp Bishop ............... 27
Hình 2.7 Dòng thấm một hướng trong đất .............................................................. 29
Hình 2.8 Đường cong đặc trưng đất – nước............................................................ 30
Hình 2.9 Tọa độ phần tử trong phương pháp phần tử hữu hạn ............................... 32
Hình 3.1 Mặt cắt tính toán....................................................................................... 35
Hình 3.2: Thiết lập phạm vi làm việc...................................................................... 36
Hình 3.3: Thiết lập tỷ lệ .......................................................................................... 37
Hình 3.4 Lập khoảng ô lưới .................................................................................... 38
Hình 3.5 Phác thảo bài toán .................................................................................... 38
Hình 3.6 Hàm thấm của cát pha sét......................................................................... 39
Hình 3.7 Hàm thấm của đất sét ............................................................................... 39
Hình 3.8 Tính chất vật liệu của các lớp đất............................................................. 40
Hình 3.9 Thông số của phần tử hữu hạn ................................................................. 41
Hình 3.10 Mô hình sau khi tạo phần tử hữu hạn..................................................... 41
Hình 3.11 Xác định các thông số biên mô hình ...................................................... 42
Hình 3.12 Mô hình chạy mô phỏng ........................................................................ 43
Hình 3.13: Thông số phân tích SLOPE/W.............................................................. 44
Hình 3.14 Tính chất của các lớp đất........................................................................ 45

TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang 5


Hình 3.15: Bán kính mặt trượt, lưới tâm trượt ........................................................ 46
Hình 3.16 Véc tơ tốc độ và các đường thấm ........................................................... 47
Hình 3.17 Đồ thị áp lực nước lỗ rỗng ..................................................................... 48
Hình 3.18 Đường đẳng trị áp lực nước lỗ rỗng ....................................................... 48
Hình 3.19 Véc tơ tốc độ và các đường thấm ........................................................... 49
Hình 3.20 Đồ thị áp lực nước lỗ rỗng ..................................................................... 50
Hình 3.21 Đường đẳng trị áp lực nước lỗ rỗng ....................................................... 50
Hinh 3.22 Hệ số an toàn nhỏ nhất với q=10-6 m/s .................................................. 51
Hình 3.23 Hệ số an toàn nhỏ nhất với q =1.5x10-6 m/s .......................................... 52
Hình 3.24 Hệ số an toàn nhỏ nhất với q =2x10-6 m/s ............................................. 53
Hình 3.25 Hệ số an toàn nhỏ nhất với q =2.5x10-6 m/s .......................................... 54
Hình 3.26 Hệ số an toàn nhỏ nhất với q =3x10-6 m/s ............................................. 55
Hình 3.27 Hệ số an toàn nhỏ nhất với q =3.5x10-6 m/s .......................................... 56
Hình 3.28 Hệ số an toàn khi thay đổi lưu lượng mưa ............................................ 57

TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang 6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Phân loại trượt lở chính (theo Varnes D.J.) ............................................ 12
Bảng 3.1: Thông số các lớp đất ............................................................................... 36
Bảng 3.2: Một số kết quả khi thay đổi lưu lượng mưa ........................................... 57

TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang 7


LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, ở nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt nam
với sự xuất hiện thường xuyên của thảm họa trượt lở đất đã gây ra những thiệt hại
nghiêm trọng cho cuộc sống và tài sản của người dân.Việc cảnh báo trượt lở kịp
thời có ý nghĩa rất lớn trong việc giảm thiểu những thiệt hại. Ở Việt Nam, những
vụ trượt lở đất gần đây tại một số tỉnh như Hòa Bình, Yên Bái, Lào Cai, Hà
Giang,…đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cả về người và tài sản. Chính vì
vậy các nước trên thế giới, trong đó có Việt nam đã và đang tiến hành những dự án,
đề tài về cảnh báo trượt lở đất.
Để xác định tình trạng và đưa ra những cảnh báo trượt lở đất chính xác,
chúng ta cần phải mô phỏng được hiện tượng trượt đất gây ra do các yếu tố tác
động, trong đó có trượt đất gây ra do mưa. Trên cơ sở đó, nội dung nghiên cứu thực
hiện trong luận văn này trình bày về mô phỏng và mô hình hóa hiện tượng trượt đất
gây ra do mưa phục vụ các hệ thống cảnh báo trượt lở đất.
Tuy nhiên do thời gian có hạn nên bản luận văn này chưa thể đề cập được
đầy đủ mọi vấn đề liên quan, và chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót.
Em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp để em có thêm những kiến thức quý
báu cho những công việc trong tương lai.
Em xin chân thành cảm ơn!

TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang 8

Chương 1
THỰC TRẠNG CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT
NAM
1.1. Đặt vấn đề
Trượt lở đất là một trong những loại hình thiên tai phổ biến nhất trên thế giới
và Việt Nam. Ba phần tư lãnh thổ Việt Nam thuộc khu vực miền núi, có địa hình
sườn dốc cao, hoạt động phát triển kinh tế - xã hội chưa được qui hoạch hợp lý, nên
các hiện tượng trượt lở đất, lũ bùn đá và lũ quét thường xảy ra. Những năm gần
đây, các loại hình thiên tai này xảy ra với tần suất và cường độ ngày càng tăng, gây
ra những thiệt hại nghiêm trọng cả về người và tải sản. Theo thống kê, chỉ trong
thời gian từ năm 2000 đến nay đã có hàng trăm vụ trượt lở đất lớn nhỏ xảy ra ở
nhiều quốc gia trên thế giới gây thiệt hại nghiêm trọng. Điển hình như vụ trượt lở
đất vào ngày 9 tháng 11 năm 2001 ở đồi Amboori, bang Kerala nằm ở miền Nam
của Ấn độ gây hậu quả 40 người bị chết. Hay vụ lở đất bất thường có quy mô lớn
với khối lượng đất đá khoảng 200 triệu m3, chiều rộng khoảng 1.600m, và chiều
cao khoảng 750 m đã xảy ra vào ngày 26 tháng 3 năm 2004, vào lúc 13:45 giờ địa
phương, trên bức tường dốc của miệng núi lửa trên sườn phía tây bắc núi
Bawakaraeng (có độ cao 2830m) ở đầu nguồn sông Jeneberang, phía Nam
Sulawesi, Indonesia. Các mảnh vỡ lở kéo dài khoảng 7 km từ đầu nguồn và chôn
vùi các thung lũng, sông ngòi và nhà cửa, hậu quả là 32 người đã bị chết. Vào ngày
10 tháng 1 năm 2005, một vụ lở đất xảy ra ở La Conchita, bang California, Mỹ đã
phá hủy hoàn toàn 36 ngôi nhà và giết chết 10 người. Ngày 17 tháng 2 năm 2006,
một vụ trượt lở nghiêm trọng khác đã xảy ra ở đảo Leyte, Philippin, vụ trượt lở bắt
nguồn từ một dốc đứng cao 450m, một khối rừng lớn trượt lở và quét xuống phía
dưới khu thung lũng sông Himbungao, nơi tập trung dân cư đông đúc. Vụ trượt lở
gây thảm họa vô cùng nghiêm trọng, chôn vùi toàn bộ ngôi làng Guinsaugon, hậu
quả hơn 1100 người đã bị chết. Tháng 6 năm 2007, ở thành phố Chittagong,
Bangladesh, một vụ sạt lở đất đá tương tự đã xảy ra, nguyên nhân do việc cắt xén
bừa bãi các ngọn đồi làm gia tăng nguy cơ trượt lở, dẫn đến sự biến mất của hàng
trăm ngọn đồi, gây ô nhiễm môi trường và đã giết chết ít nhất 120 người dân sống ở

khu vực lân cận. Năm 2010, một số nước như Pakistan, Bồ Đào Nha, Uganda,
TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang 9


Trung Quốc và Canada cũng xảy ra các vụ trượt lở đất gây thiệt hại về cả người và
tài sản. Chỉ tính riêng trong năm 2014, thế giới đã có 5 vụ trượt lở đất nghiêm
trọng, đầu tiên là vụ trượt lở đất ngày 22 tháng 3 xảy ra ở Oso, Washington, nước
Mỹ gây ra cái chết cho 43 người dân thường. Ngày 2 tháng 5, một vụ trượt lở đất
khác xảy ra ở Badakhshan, một tỉnh miền Đông Bắc Afghanistan, hậu quả là chôn
vùi toàn bộ ngôi làng, khoảng 500 người đã thiệt mạng và 4000 người phải di
chuyển đi nơi khác sinh sống. Sau đó, vào ngày 30 tháng 7, một vụ trượt lở đất đá
khác đã xảy ra ở quận Pune, bang Maharashtra, Ấn độ gây hậu quả cuốn trôi hơn
50 ngôi nhà, 136 người đã thiệt mạng và hơn 100 người bị mất tích. Ngày 2 tháng
8, một vụ trượt lở đất tồi tệ ở Nepal đã gây hậu quả làm chết hơn 156 người. Ngày
20 tháng 8, tại tỉnh Hiroshima, Nhật Bản, một vụ trượt lở đất cũng đã tấn công một
khu dân cư, làm cho các ngôi nhà bị chôn vùi dưới lớp bùn đất và đá. Ít nhất đã có
32 người bị thiệt mạng và nhiều người khác bị mất tích. Trượt lở đất là một nguy
cơ liên tục ở vùng miền núi, phía đông Nhật Bản, nơi có nhiều ngôi nhà được xây
dựng trên hoặc gần các sườn dốc, và có lượng mưa lớn hàng năm. Gần đây nhất là
vụ trượt lở đất ngày 27 tháng 8 tại làng Yingping ở tỉnh Quý Châu, Trung Quốc.
Hậu quả là 77 ngôi nhà đã sập hoặc bị chôn vùi hoàn toàn, có 6 người đã thiệt
mạng và hơn 20 người vẫn còn mất tích [1].
Theo số liệu thống kê, từ năm 2000 đến 2014 đã xảy ra 250 đợt lũ quét, sạt
lở ảnh hưởng tới các vùng dân cư, làm chết và mất tích 646 người, bị thương gần
351 người; hơn 9.700 căn nhà bị đổ trôi; hơn 100.000 căn nhà bị ngập, hư hại nặng;
hơn 75.000 ha lúa và hoa màu bị ngập; hàng trăm ha đất canh tác bị vùi lấp; nhiều
công trình giao thông, thuỷ lợi, dân sinh kinh tế bị hư hỏng nặng nề, tổng thiệt hại
ước tính trên 3.300 tỷ đồng. Các tỉnh thường xuyên xảy ra lũ quét, sạt lở đất nhất

gồm: Lào Cai, Hà Giang, Lai Châu, Sơn La, Cao Bằng, Bắc Cạn, Yên Bái, Nghệ
An, Hà Tĩnh, Quảng Nam, Kon Tum, Gia Lai, Đắc Lắc, Bình Thuận [2].
Một số trận sạt lở đất điển hình trong những năm qua như sau:
- Sạt lở đất núi tại tỉnh Lào Cai năm 2004 đã làm 22 người chết và mất tích
và 16 người bị thương, trong đó có hộ cả gia đình thiệt mạng.
- Lũ, lũ quét, sạt lở đất sau bão số 4 và số 6, tại Lào Cai, Yên Bái năm 2008
làm 120 người chết và mất tích.

TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang10


- Sạt lở đất tại xã Pắc Nậm, Bắc Kạn năm 2009 làm 13 người chết và mất
tích, 5 người bị thương.
- Sạt lở đất năm 2014: Do ảnh hưởng của hoàn lưu bão số 2 và mưa lớn đã
xảy ra các trận lũ quét và sạt lở đất trên địa bàn các tỉnh miền núi (Hà Giang, Lai
Châu, Cao Bằng, Sơn La…) làm chết và mất tích 24 người, trong đó có 2 gia đình
ở thị trấn Tam Đường và huyện Hoàng Su Phì bị thiệt mạng tới 5 người trong nhà.
Trên thế giới, việc nghiên cứu tai biến địa chất được đầu tư rất sớm, nhiều
phương pháp khoa học tiên tiến đã được áp dụng vào công tác dự báo nguy cơ thảm
họa trượt lở đất. Ở Việt Nam, vấn đề này mới chỉ được chú trọng khoảng 15 năm
gần đây khi thảm họa thiên tai xảy ra thường xuyên hơn. Các nghiên cứu về trượt
lở đất ở Việt Nam mới chỉ áp dụng trên diện rộng, tỷ lệ nhỏ, chủ yếu phân vùng dự
báo định tính, còn rất thiếu các công trình điều tra đủ chi tiết để hỗ trợ hiệu quả hơn
công tác quy hoạch, cảnh báo nguy cơ và chỉ đạo điều hành phòng chống thiên tai,
giảm nhẹ thiệt hại trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
Chính vì vậy việc nghiên cứu trượt đất nói chung và trượt đất do ảnh hưởng
của mưa nói riêng là một vấn đề cấp bách và mang tính thời sự. Nội dung được
trình bày trong luận văn này nghiên cứu, mô phỏng và mô hình hóa về quá trình

trượt đất gây ra do mưa. Một mô hình ví dụ đã được dùng để kiểm tra quá trình
thay đổi hệ số ổn định trong quá trình mưa. Kết quả nghiên cứu là nền tảng để giải
thích quá trình mất ổn định mái dốc do mưa giúp cho công tác cảnh báo khu vực dễ
mất ổn định khi mưa cũng như giúp cho công tác phòng chống trượt lở đất an toàn.
1.2. Khái niệm, nguyên nhân và một số yếu tố ảnh hưởng tới trượt đất
1.2.1.Khái niệm và một số dạng trượt lở đất chủ yếu
Trượt đất là hiện tượng và quá trình dịch chuyển một phần đất so với phần
kia theo một bề mặt, do sự mất cân bằng về trọng lượng. Đặc điểm quan trọng của
chuyển dịch trượt là không mất sự tiếp xúc giữa phần đất di động và phần đất
không di động của sườn hoặc mái dốc. Bề mặt trực tiếp và phân cách giữa hai phần
đó là mặt trượt.[16]
Trượt lở có thể xảy ra trên sườn dốc tự nhiên hoặc sườn (bờ/mái) dốc nhân
tạo dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và một số nhân tố phụ trợ khác, như: áp
lực của nước mặt và nước dưới đất, lực địa chấn và một số lực khác[3].
TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang11


Sự dịch chuyển sườn dốc rất đa dạng và có nhiều cách phân loại khác nhau
[4,5,15, 17]. Theo dạng chuyển động, Varnes D.J, [17] chia làm 5 nhóm chính
(bảng 1.1), như: sập lở, lật, trượt, ép trồi và chảy - trượt dòng. Loại thứ 6 là loại
trượt phức tạp.
Bảng 1.1. Phân loại trượt lở chính (theo Varnes D.J. [17])
Loại đất đá
Đất

Kiểu chuyển dịch
Đá

Đất dính

Sụt lở (falls)

Lở đá

Sập, sụt đất
vụn rời

Sập, sụt
đất dính

Lật (topples)

Lật khối đá

Lật khối
đất vụn rời

Lật khối
đất dính

Có sự xoay
của khối đá

Có sự xoay Có sự xoay
của khối
của khối
đất vụn rời
đất dính

Có sự xoay
(sự dịch
chuyển đất
đá theo mặt
cong)
Ít
khối,
tảng
Trượt
(slides)

Đất vụn
rời

Conxekven
(đất đá dịch
chuyển theo
1 hoặc vài
mặt yếu có
sẵn trong
khối đất đá)

Dịch
Dịch chuyển
chuyển
từng tảng
từng tảng
của khối đá đất rời theo
mặt trượt

Dịch
chuyển
từng tảng
đất dính
theo mặt
trượt

Dịch
Dịch
Nhiều Dịch chuyển chuyển của chuyển của
khối, của khối đá khối đất rời
khối đất
tảng theo mặt yếu theo mặt
dính theo
trượt
mặt trượt

Trượt ép trồi (lateral spreads)
TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Dịch chuyển
Dịch
Dịch
của khối đá chuyển của chuyển của
Trang12


Trượt dòng (flows)

Trượt phức hợp (complex)

theo một
khối có
vùng vò
nhàu và ép
trồi

khối đất rời
khối đất
theo đất
dính với sự
dính với sự
ép trồi
ép trồi

Dòng chảy
của tảng,
khối đá

Dòng chảy
của khối
vật liệu rời

Dòng chảy
của khối
đất dính

Kết hợp 2 hoặc nhiều hơn các kiểu
chuyển dịch trên

1.2.2. Nguyên nhân và một số yếu tố ảnh hưởng đến trượt đất
Nguyên nhân gây trượt có thể hoặc là do độ bền của đất đá bị giảm đi, hoặc
là do trạng thái ứng suất ở sườn dốc bị thay đổi, hoặc do cả hai nguyên nhân trên
làm cho điều kiện cân bằng của khối đất đá ở sườn dốc bị phá hủy [6, 7]. Một sự cố
trượt sẽ xảy ra khi mà thế cân bằng giữa kháng lực của đất đá hình thành trên sườn
dốc đối với trọng lực của chúng nghiêng về phía trọng lực.
Các yếu tố ảnh hưởng tới sự ổn định của sườn dốc là toàn bộ những yếu tố tự
nhiên và nhân tạo có tác dụng hỗ trợ cho quá trình phá hoại sự cân bằng của khối
đất đá xảy ra được dễ dàng [3]. Trong những trường hợp thường gặp nhất các yếu
tố này này có thể bao gồm các yếu tố tự nhiên, như đặc điểm địa chất (địa tầng,
kiến tạo, đứt gãy, nứt nẻ, chỉ tiêu cơ lý của đất đá, đặc điểm nước dưới đất, các quá
trình và hiện tượng địa chất động lực công trình...), các điều kiện địa lý tự nhiên
(địa hình, địa mạo, khí tượng, thủy văn...), các yếu tố thời gian và các yếu tố nhân
sinh (phá rừng, các loại ngoại lực do con người tác dụng lên sườn dốc, mức độ
đúng đắn của phương án thiết kế, công nghệ và tiến độ thi công bờ dốc nhân
tạo....). Ảnh hưởng xấu của các yếu tố trên làm giảm khả năng chống trượt của khối
đất đá ở sườn dốc, thay đổi trạng thái ứng suất trong khối đất đá.Các yếu tố đó kết
hợp đan xen với nhau tạo nên các cơ chế mất ổn định sườn dốc khác nhau.
+ Đặc điểm địa chất:
Trong quá trình hình thành và tồn tại, đất đá đã trải qua những chu kỳ hoạt
động kiến tạo phức tạp, các lớp đất đá bị nâng - hạ, uốn lượn, vò nhàu, cà nát và
TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang13


phân cách bởi các hệ đứt gãy, nứt nẻ khác nhau, tạo nên các mặt yếu trong khối đất
đá ở sườn dốc. Sự ổn định của sườn dốc phụ thuộc nhiều vào thế nằm và tính chất
cơ học của các mặt yếu này.Những trường hợp mà mặt phân lớp của các loại đá sét,

các đứt gẫy, các hệ khe nứt lớn cắm vào phía không gian của sườn dốc là những
trường hợp tiềm ẩn nguy cơ trượt lở. Cùng với các quá trình nội sinh, các hiện
tượng và quá trình địa chất động lực công trình ngoại sinh như phong hoá, cactơ,
dịch chuyển đất đá trên sườn dốc, rửa trôi bề mặt và mương xói, xói ngầm và cát
chảy, xâm thực... cũng có tác động đáng kể đến quá trình trượt lở ở khu vực này.
+ Đặc điểm địa hình, địa mạo: bao gồm yếu tố độ dốc sườn, hình dạng
sườn, hướng dốc và độ cao. Độ dốc sườn có sự liên quan chặt chẽ tới sự khởi đầu
của các sự cố trượt.
Theo kinh nghiệm [8], trượt lở ít khi xảy ra trên sườn dốc nhỏ hơn 15o, trên
các sườn có góc dốc 150 - 250 trượt lở xảy ra thưa, dải đồi núi có góc dốc hơn
250 thường phát sinh nhiều trượt lở và với góc dốc 300 - 350 và lớn hơn, trượt lở
xảy ra rất mãnh liệt. Như vậy, ba dạng đầu có địa hìnhphân cắt mạnh, độ cao tuyệt
đối của địa hình từ 1.000 đến 2.500m.Chiều sâu phân cắt của địa hình lớn nhất
1.000 - 1.200m.Các sông suối bắt nguồn từ sườn các hệ thống núi cao nên lòng
sông suối thường dốc và có dạng chữ V. Sườn sốc của địa hình từ 30 đến 60o.Các
dạng địa hình này rất thuận lợi cho các quá trình trượt lở.Yếu tố hình dạng sườn có
ảnh hưởng lớn tới độ ổn định sườn trong những vùng địa hình dốc.Yếu tố hướng
dốc và độ cao có ảnh hưởng tới các quá trình thủy văn thông qua sự bốc hơi nước,
ảnh hưởng đến các quá trình phong hóa và làm tăng sự mất ổn định của sườn dốc.
+ Đặc điểm khí tượng thủy văn:
Khí hậu nhiệt đới nóng ẩm làm tăng tốc độ phong hóa của đất đá ở bề mặt bờ
dốc, do đó làm giảm độ bền của đất đá. Dưới tác dụng của các dòng chảy mặt, bề
mặt bờ dốc sẽ bị bào mòn, các công trình bảo vệ bờ bị phá hoại, do đó khả năng
mất ổn định của sườn dốc tăng lên.
Lượng mưa lớn kéo dài là nguồn bổ sung quan trọng cho nước dưới đất. Một
mặt làm giảm độ bền khối đất đá bờ dốc, mặt khác làm thay đổi trạng thái ứng suất
theo hướng có hại cho ổn định bờ dốc. Do vậy, cùng với mưa lớn, hiện tượng trượt
lở phát triển mạnh mẽ. Nhiều vụ trượt lở lớn ở nước ta liên quan tới các trận mưa
lớn và nhiều khu vực trượt lở thường trùng với những vùng có lượng mưa lớn.
TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang14


+ Yếu tố thời gian:
Sự ảnh hưởng của yếu tố thời gian tới trượt lở sườn dốc thể hiện ở quá trình
lưu biến và quá trình phong hóa.Thời gian tồn tại càng lâu thì quá trình phong hóa
càng có điều kiện phát triển.Bên cạnh đó, khi sườn dốc càng cao ứng suất trong
khối đá càng lớn.Nếu ứng suất vượt quá độ bền lâu dài của đá, khối đá gần sườn
dốc có thể bị trượt lở sau nhiều năm tồn tại.
+ Các hoạt động nhân sinh:
Hoạt động nhân sinh trực tiếp, gián tiếp cũng gây ra trượt đất như chặt phá
rừng, canh tác nông nghiệp làm giảm độ che phủ của rừng, xây hồ chứa làm thay
đổi mực nước dưới đất, xây dựng đường giao thông làm thay đổi thế cân bằng sườn
dốc, nổ mìn khai thác vật liệu, khoáng sản ... [9]
Các hoạt động xẻ núi làm đường, lấy đá để xây dựng làm tăng độ dốc của
sườn, đồng thời tăng khả năng làm mất ổn định sườn dốc.Việc chặt cây, phá rừng
làm tăng khả năng xói mòn đất, làm giảm khả năng giữ đất của rễ cây, dẫn đến làm
giảm đi khả năng thoát hơi nước của đất.

TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang15


Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TÍNH TOÁN
2.1.Cơ sở lý thuyết của các phương pháp tính ổn định mái dốc trong chương
trình phần mềm SLOPE/W
2.1.1. Mái dốc và ổn định mái dốc

Mái dốc là khối đất có mặt giới hạn là mặt dốc (hình 2.1).
Mái dốc có thể phân thành hai loại: mái dốc tự nhiên và mái dốc nhân tạo.
Mái dốc do tác động địa chất tạo thành gọi là mái dốc tự nhiên (sườn núi,bờ sông
v.v...) hoặc do tác động nhân tạo (ví dụ: taluy nền đường đào, nền đắp, hố móng,
thân đập đất, đê v.v...).[10]
Hình 2.1 trình bày mặt cắt ngang của một mái đất đồng nhất đơn giản

Hình 2.1: Mặt cắt ngang một mái dốc [10]
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 quan
niệm là khi có xu hướng di chuyển và phá hoại. Các lực gây mất ổn định liên quan
TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang16


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. Để đánh giá ổn
định của mái dốc, về mặt lý thuyết hiện nay tồn tại nhiều phương pháp tính, nhưng
có thể gộp chúng thành hai nhóm phương pháp chính như sau [11]:
+ Nhóm phương pháp theo lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn ( giả
thiết trước hình dạng của mặt trượt ) :
Đặc điểm của nhóm phương pháp dùng mặt trượt giả định là không căn cứ
trực tiếp vào tình hình cụ thể của tải trọng và tính chất cơ lý của đất đắp để quy
định mặt trượt cho mái dốc, mà xuất phát từ kết quả quan trắc lâu dài các mặt trượt
của mái dốc trong thực tế để đưa ra giả thiết đơn giản hoá về hình dạng mặt trượt
rồi từ đó nêu lên phương pháp tính toán, đồng thời xem khối trượt như là một vật
thể rắn ở trạng thái cân bằng giới hạn.
+ Nhóm phương pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn thuần tuý :
Nhóm lý thuyết này dựa trên giả thuyết chính cho rằng, tại mỗi điểm trong

khối khối đắp đất đều thoả mãn điều kiện cân bằng giới hạn. Việc một điểm mất ổn
định được giải thích là do sự xuất hiện biến dạng trượt tại điểm đó. Còn mái đất
mất ổn định là do sự phát triển của biến dạng trượt trong một vùng rộng lớn giới
hạn của khối đất đắp.
Trong hai nhóm phương pháp nêu trên, "nhóm phương pháp dựa vào lý
thuyết cân bằng giới hạn thuần tuý " vẫn mô phỏng được gần đúng trạng thái ứng
suất trong khối đất bị phá hoại, về mặt toán học mang tính logic cao, nhưng điểm
hạn chế là chưa xét được biến dạng thể tích của khối đất, đồng thời là giải bài toán
ổn định của mái dốc theo phương pháp này chưa được áp dụng rộng rãi trong thực
tế. Nhóm phương pháp "dùng mặt trượt giả định " tuy có nhược điểm là xem khối
trượt như là một cố thể và được giới hạn bởi mặt trượt và mặt mái dốc, đồng thời
xem trạng thái ứng suất giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trượt mà thôi, thực tế thì mặt
trượt xảy ra rất phức tạp, phụ thuộc vào sự tác dụng của tải trọng ngoài, vào tính
chất của các địa tầng và vào các yếu tố khác. Tuy vậy tuỳ theo tình hình cụ thể của
từng công trình, mà việc giả định trước các mặt trượt cho phù hợp, đồng thời nhóm
phương pháp này tính toán đơn giản hơn và thiên về an toàn hơn so với nhóm
phương pháp lý luận cân bằng giới hạn. Chính vì thế thực tế hiện nay sử dụng
phương pháp này để tính toán ổn định mái dốc được áp dụng rộng rãi hơn.
TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang17


Độ ổn định của mái dốc được đặc trưng bằng hệ số ổn định K và được định
nghĩa là tỷ số giữa các lực chống trượt trên lực gây trượt. Tỷ số này càng lớn thì
khối đất có ổn định càng cao và hiện tượng trượt càng khó xảy ra.[12]
Kmin< 0.8: Khối đất có ổn định rất thấp, dễ xảy ra trượt
Kmin= 0.8 – 1.2: khối đất đang ở trạng thái cân bằng giới hạn.
Kmin> 1.2: Khối đất ở trạng thái bền.
2.1.2. Phương trình cân bằng của khối đất trượt

2.1.2.1. Các giả thiết tính toán
Phương trình cân bằng giới hạn được xác định dựa trên các giả thiết: Đất
được xem như vật liệu tuân theo định luật Mohr – Coulomb. Hệ số ổn định là như
nhau cho tất cả các điểm trên mặt trượt.Trạng thái giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trượt
[13].
Để lập phương trình cân bằng giới hạn của khối đất trượt các tác giả như
K.E. Pettecxonw, W. Fellenlius, Bishop, Sokolovski,.... đều dựa vào công thức nổi
tiếng của A.C. Coulomb (Định luật Mohr – Coulomb) để xác định ứng suất cắt, sức
chịu cắt được xác định [11]:
= ′+(

− ) tan ′

(2.1)

Trong đó:
- Ứng suất cắt giới hạn tại bất kỳ điểm nào trên mặt trượt ở trạng
thái cân bằng giới hạn.
- ứng suất pháp giới hạn ( vuông goc với mặt trượt) ở trạng thái
cân bằng giới hạn.
′- hệ số cố kết của đất.
′- Góc ma sát trong của đất ứng với trạng thái giới hạn của đất.
- áp lực nước lỗ rỗng.

Khi tính toán độ ổn định, bề mặt trượt giả định trước có thể là tròn, hỗn hợp
(tổ hợp các cung trượt tròn và thẳng) hoặc hình dạng bất kỳ được xác định bởi hàng
TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang18

loạt những đường thẳng.Chia khối đất trượt ra thành nhiều cột thẳng đứng, mỗi cột
đất được giới hạn bởi hai mặt phẳng thẳng đứngvà được xem như một vật rắn
nguyên khối tựa lên trên cung trượt.Điểm khác nhau cơ bản giữa các phương pháp
của các tác giả trên chính là việc giả thiết phương, vị trí tác dụng và giá trị của các
lực tác dụng tương hỗ giữa các mảnh trượt bao gồm lực cắt và lực xô ngang giữa
các mảnh.
Phương trình cân bằng giới hạn được xác định trên các giả thiết:
+ Đất được xem như vật liệu tuân theo định luật Mohr - Coulomb.
+ Hệ số ổn định ( hệ số an toàn ) như nhau cho tất cả các điểm trên mặt trượt.
+ Trạng thái cân bằng giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trượt.

Hình2.2 :Lực tác động trên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt tròn
[13]

TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang19


Hình 2.3:Lực tác động trên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt tổ hợp
[13]
Hình 2.2 và hình 2.3 thể hiện các lực tác dụng trên bề mặt trượt hỗn hợp và
tròn. Các biến được định nghĩa như sau:
W-Trọnglượngcủamảnhtrượtvớibềrộngbvàchiềucaotrungbình h.
N-Tổnglựcpháptuyếntạiđáymặttrượtcủaphântốđất.
SLựccắtdichuyển(lựccắthoạtđộng)tạiđáymặttrượtcủaphântốđất,hoặclàSmkhimặttrượt
cóhìnhdạngbấtkỳ.
EL,ER-Lựcpháptuyếnbêntráivàbênphảicủamỗiphântốđất.
XL,XR-Lựccắtbêntráivàbênphảicủamỗiphântốđất.

TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang20


D-Ngoạilựctácdụng.
kWTảitrọngđộngđấttheophươngngangtácdụngđiquatrọngtâmmỗiphântốđất.XL
R-Bánkínhmặttrượttrònhaycánhtayđòncủalựccắtdichuyển,Sm
khimặttrượtcóhìnhdạngbất kỳ.
f-khoảngcáchtừtâmquayđếnphươngcủalựcpháptuyếnN.
x-Khoảngcáchtheophươngngangtừđườngtrọngtâmcủamỗiphântốđất
đếntâmcungtrượttrònhaytâmmômen(khicungtrượtcóhìnhdạngbấtkỳ).
eKhoảngcáchtheophươngđứngtừtâmcủamỗiphântốđấtđếntâmcungtrượttrònhaytâmm
ômen(khicungtrượtcóhìnhdạngbấtkỳ).
dKhoảngcáchvuônggóctừđườngtácdụngcủatảitrọngngoàiđếntâmcungtrượttrònhaytâ
mmômen.
h–khoảng cách theo phương thẳng đứng từ tâm của đáy của mỗi mặt trượt
tới đường trên cùng của hình (thông thường là mặt đất).
aL,

a R-

Khoảngcáchtừhợplựcnướcbênngoài(nướcngậphaibêntaluy)tớitâmquayhaytâmmôm
en. Chỉ số L và R chỉ bên trái, bên phải của mặt trượt.
AL,AR-Hợplựctácdụngcủa nước.
ω-gócnghiêngcủađườngtảitrọngngoàisovớiphươngngang.
α -Góchợpgiữa tiếptuyếntạiđáymỗimặttrượtvớiphươngnằmngang. Quy ước
dấu như sau: khi góc trượt cùng phương trượt tổng thể của hình thì α dương, và
ngược lại.

TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang21


Hình 2.4:Lực tác động trên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt đặc biệt
[13]
Hình 2.4 thể hiện các lực tác dụng trên bề mặt trượt được xác định bởi một
đoạn thẳng. Tâm cân bằng momen là vô hình khi cả sự cân bằng lực à momen cùng
thỏa mãn. Tuy nhiên, khi chỉ momen cân bằng thỏa mãn thì điều quan trọng là lựa
chọn một tâm nào đó cho sự cân bằn momen. Đối với bề mặt trượt của khối đất là
đặc biệt phải xác định tâm cân bằng momen như là điểm trục.
Giá trị lực cắt di chuyển phải thỏa mãn điều kiện cân bằng sau:
=

=

( +(

− ) tan )

(2.2)

Trong đó :

TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang22

σ =

– ứng suất pháp trung bình tại đáy mặt trượt;

F – hệ số an toàn;
Β – chiều dài đáy mặt trượt;
Hệ số ổn định của mái dốc có thể được xác định từ điều kiện cân bằng
mômen cân bằng lực hoặc điều kiện cân bằng giới hạn tổng quát.
2.1.2.2. Hệ số an toàn cân bằng momen
Tham khảo hình 2.2, hình 2.3, hình 2.4 khi xác định phương trình hệ số an
toàn cân bằng momen. Trong mỗi trường hợp, tổng momen đối với tất cả lát cắt đối
với một điểm chung có thể được viết như sau:
∑ W.x - ∑ N.f + ∑ kWe ±[D.d]±A.a=0

(2.3)

Thay (2.2) vào (2.3) và giải cho hệ số an toàn:
=

∑( ′ + ( −
∑
−∑
+∑

) tan ′)
±[ ]±

(2.4)

2.1.2.3. Hệ số an toàn cân bằng lực

Tham khảo hình 2.2, hình 2.3, hình 2.4 để xác định phương trình cân bằng
lực. Tổng tất cả phương ngang cho tất cả các lát cắt:
(EL-ER) -

(N. sin α) +

(Sm cos α) -

kW ±D. cos α ±A.a=0

(2.5)

Đại lượng ∑ (EL-ER) + ∑ (Sm cos α)sẽ bằng 0 khi tổng vượt quá khối lượng
trượt hiện có. Thay (2.2) vào (2.5) và giải hệ số an toàn:
f

=

∑[ . .
∑ .

+ ( − . ).
+∑
− .

j.
± .

(2.6)

2.1.3. Các phương pháp tính ổn định mái dốc
2.1.3.1. Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát
Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (General Limit Equilibrium –
GLE) sử dụng những phương trình cân bằng tĩnh học sau đây để tìm hệ số an toàn:
TỐNG ANH ĐỨC – K19 ĐTVT

Trang23