Nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đối với trượt lở và xây dựng bản đồ tai biến trượt lở huyện khánh vĩnh, tỉnh khánh hòa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THANH DANH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐỐI VỚI TRƯỢT LỞ
VÀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ TAI BIẾN TRƯỢT LỞ
HUYỆN KHÁNH VĨNH, TỈNH KHÁNH HÒA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THANH DANH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐỐI VỚI TRƯỢT LỞ
VÀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ TAI BIẾN TRƯỢT LỞ
HUYỆN KHÁNH VĨNH, TỈNH KHÁNH HÒA

Ngành: Kỹ thuật địa chất
Mã số ngành: 62.52.05.01

Phản biện độc lập 1: PGS. TS. Hoàng Thị Thanh Thủy
Phản biện độc lập 2: PGS. TS. Tạ Đức Thịnh

Phản biện 1: PGS. TS. Vũ Chí Hiếu
Phản biện 2: PGS. TS. Phạm Quý Nhân

Phản biện 3: PGS. TS. Trần Văn Xuân

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. Đậu Văn Ngọ
2. TS. Tạ Quốc Dũng


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ
một nguồn nào, dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)
đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án

Nguyễn Thanh Danh

i


TĨM TẮT LUẬN ÁN
Nghiên cứu này trình bày kết quả nghiên cứu trượt lở đất do mưa và các phương pháp
thành lập bản đồ dự báo tai biến trượt lở.
Cơ sở nghiên cứu là các lý thuyết về quá trình thấm nước hai chiều và tiêu chuẩn phá
hủy Mohr-Coulomb mở rộng trong mơi trường đất khơng bão hịa được sử dụng để đánh
giá ảnh hưởng của mưa đối với ổn định mái dốc. Mưa được xem như yếu tố chính kích
hoạt làm phá hủy các mái dốc trượt tiềm năng. Nước mưa ngấm vào mái dốc làm đất
ẩm ướt, tăng áp lực nước lỗ rỗng âm, giảm độ hút dính và sức chống cắt trên mặt phá
hủy. Vì vậy, mái dốc giảm tính ổn định có thể dẫn đến phá hủy. Ngồi ra, các yếu tố về
cấu tạo hình học mái dốc, mực nước ngầm ban đầu cũng được xem là các yếu tố góp

phần đáng kể đối với sự mất ổn định của mái dốc.
Một mơ hình số ghép đơi phân tích thấm-ổn định được sử dụng để mơ phỏng thấm và
ổn định mái dốc dưới các điều kiện mơi trường đặc trưng như tính thấm, cường độ mưa
và cấu tạo hình học mái dốc cho vùng nghiên cứu. Phương pháp phần tử hữu hạn được
sử dụng trong phân tích thấm, kết quả của sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng âm được sử
dụng phân tích ổn định mái dốc bằng phương pháp cân bằng giới hạn Morgenster-Price.
Những mối quan hệ giữa hệ số an toàn mái dốc và cường độ mưa, hệ số thấm, góc dốc,
chiều cao mái dốc được rút ra.
Kết quả phân tích cho thấy hệ số thấm có vai trị quan trọng đối với sự ổn định của mái
dốc. Khi thời gian mưa kéo dài hơn 3 ngày, hệ số an toàn thay đổi nhiều nếu mái dốc
cấu tạo bởi đất có hệ số thấm nhỏ và ít thay đổi hơn khi mái dốc cấu tạo bởi đất có hệ
số thấm lớn. Hệ số an toàn thay đổi theo thời gian dưới các cường độ mưa khác nhau,
hệ số an toàn càng giảm khi cường độ mưa càng lớn. Ngưỡng cường độ mưa mái dốc
phá hủy phụ thuộc thời gian mưa. Cường độ mưa đạt 10 mm/h, sau thời gian hơn năm
ngày mái dốc mất ổn định.
Ứng dụng các phương pháp xác suất thống kê gồm tỷ số tần suất (FR), chỉ số thống kê
(SI), trọng số chứng cứ (WoE) và hồi quy logistic (LR) tích hợp với GIS (Phần mềm
Ilwis mã nguồn mở) để thành lập các bản đồ dự báo tai biến trượt lở đất huyện Khánh
Vĩnh, tỉnh Khánh Hòa.
ii


Các điểm trượt lở đã xảy ra được thu thập và lập thành bản đồ phân bố không gian các
điểm trượt lở (231 điểm trượt lở). Các yếu tố ảnh hưởng đến trượt lở gồm (11 yếu tố):
cao độ, góc dốc, hướng dốc, chỉ số ẩm ướt địa hình, độ uốn cong bề mặt mái dốc, thạch
học, khoảng cách đến đường giao thông, khoảng cách đến sông suối, khoảng cách đến
đứt gãy, chỉ số thực vật và lượng mưa lớn nhất năm. Bản đồ trọng số các yếu tố ảnh
hưởng được thành lập dựa vào mối liên quan không gian giữa các yếu tố ảnh hưởng và
phân bố các điểm trượt lở theo các phương pháp FR, SI, WoE và LR.
Bản đồ dự báo tai biến trượt lở được thành lập bằng việc chồng lớp các bản đồ trọng số

các yếu tố ảnh hưởng và được chuẩn hóa để có phân bố chuẩn hoặc gần phân bố chuẩn.
Áp dụng phương pháp độ lệch chuẩn (Standard Deviation Classification) chia bản đồ
chỉ số tai biến trượt lở làm 5 phân vùng với các mức độ tai biến trượt lở khác nhau: rất
thấp, thấp, trung bình, cao và rất cao.
Sử dụng đường cong Success rate đánh mức độ phù hợp và đường cong Prediction rate
đánh giá độ chính xác các phương pháp FR, SI, WoE và LR. Giá trị của phần diện tích
bên dưới các đường cong (Areas Under Curves - AUC) được sử dụng như một thông số
định lượng để kiểm chứng các phương pháp. Kết quả cho thấy các phương pháp này có
mức độ phù hợp và độ chính xác cao (AUC = 0,8~0,9).
Thuật tốn mơ hình trung bình Bayesian (BMA) của phần mềm thống kê R được áp
dụng để xác định các yếu tố ảnh hưởng nhất và các mô hình tối ưu tổ hợp yếu tố ảnh
hưởng đối với trượt lở. Kết quả:
 Tám yếu tố ảnh hưởng liên quan đến trượt lở: cao độ, khoảng cách đến đường giao
thơng, lượng mưa lớn nhất năm, góc dốc, thạch học, khoảng cách đến đứt gãy, khoảng
cách đến sông suối và hướng dốc.
 Bốn yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất: cao độ, khoảng cách đến đường giao thông,
lượng mưa lớn nhất năm và góc dốc.
 Năm mơ hình tối ưu tổ hợp yếu tố ảnh hưởng:
Mơ hình 1: cao độ, khoảng cách đến đường giao thông, lượng mưa lớn nhất năm
và góc dốc.
iii


Mơ hình 2: cao độ, khoảng cách đến đường giao thơng, lượng mưa lớn nhất năm,
góc dốc, thạch học.
Mơ hình 3: cao độ, khoảng cách đến đường giao thông, lượng mưa lớn nhất năm,
góc dốc, thạch học, khoảng cách đến đứt gãy.
Mơ hình 4: cao độ, khoảng cách đến đường giao thơng, lượng mưa lớn nhất năm,
góc dốc, khoảng cách đến đứt gãy.
Mơ hình 5: cao độ, khoảng cách đến đường giao thơng, lượng mưa lớn nhất năm,

góc dốc, khoảng cách đến sơng suối.
Trong 5 mơ hình tối ưu, đánh giá theo hiệu quả dự báo thì mơ hình 1 là mơ hình phù
hợp nhất vì sử dụng ít yếu tố ảnh hưởng để dự báo (4 yếu tố), đánh giá theo độ chính
xác dự báo thì mơ hình 3 là mơ hình phù hợp tốt nhất.
Phương pháp WoE là phương pháp dự báo tốt nhất vì có độ chính xác cao nhất, tiếp đến
là các phương pháp FR, SI và LR. Phương pháp FR và SI tuy có độ chính xác thấp hơn
nhưng đơn giản trong tính tốn nên cần xem xét để áp dụng.

iv


ABSTRACT
This study presents the results of studies related to landslide by rain and methods of
landslide hazard maps.
The theories of two-dimensional permeability and the extended Mohr-Coulomb failure
criterion for unsaturated soil were used to study the effects of rainwater on slope
stability. Rainfall is supposed as a main trigger caused failure of the potential sliding
slopes. Rainwater into the slope due to infiltration caused an increase in moisture content
and negative pore water pressure; a decrease in matric suction and in shear strength on
the failure surface. Therefore, slopes are reduced stability and can be failed. In addition,
the initial water table location and slope geometry also contribute significantly.
A numerical model of analysis coupled seepage-stability used to simulate the seepage
and slope stability under conditions of specific environment such as soil permeability,
rainfall intensity, water table location and slope geometry in the study area. Finite
element method used in seepage analysis, results of change of negative pore water
pressure then used in the slope stability analysis to calculate the safety factor by the
application of the limit equilibrium Morgenstern and Price slope stability method. The
relationships between safety factor and rainfall intensity, soil permeability, angle slope,
high slope were identified.
Result in analysis suggesting coefficient of permeability have an important role for the

stability of the slope. When the rainy period is more than 3 days, the factor of safety will
change much if the slope formed by soil having small coefficient of permeability and
little change when the slope formed by soil having large coefficient of permeability. The
factor of safety decreases more as the greater rainfall intensity. Threshold of rainfall
intensity cause the failure of the slopes depending on the rainy period. At the rainfall
intensity of 10 mm/h, after a period of time more than five days, the slope will be
destabilized.
Applying statistical probability approaches, including frequency ratio (FR), statistical
index (SI), weights of evidence (WoE) and logistic regression (LR) methods integrated
with GIS analytical tools to produce landslide hazard maps in Khanh Vinh district,
Khanh Hoa province.
v


A landslide inventory map identifies the definite and probable areas of existing
landslides (231 landslides), and is the most basic requirement for a landslide hazard
assessment. The product of a landslide inventory map is a spatial distribution of
landslides as points or to scale. Landslides-related factors chosen primarily upon
available data and experiences of experts to the study area. In this study, there are eleven
landslide-related factors were chosen: elevation, slope angle, slope direction,
topographical wetness index, slope shape, lithology, distance from road, distance from
drainage, distance from fault, normalized difference vegetation index and maximum
precipitation in year. The weight maps of the influence factors were established based
on the spatial relationship between the influencing factors and the distribution of
existing landslides by FR, SI, WoE and LR methods.
Landslide hazard maps were established upon the combination of the weight maps of
the influence factors. The landslide hazard index before dividing the landslide hazard
zones should be standardized for histograms having normal distribution or near normal
distribution. Standard Deviation method is used to divide the landslide hazard map into
different landslide hazard zones. In this study, there are 5 levels of landslide hazard

zone: very low, low, moderate, high and very high.
Using the success rate curve and prediction rate curve assess the fit and accuracy of FR,
SI, WoE and LR approaches. The value of the area under these rate curves (AUC) was
used as a quantitative parameter to validate the method. The results show that these
approaches has the goodness of fit and the high accuracy (AUC = 0.8 ~ 0.9).
Bayesian Model Average (BMA) of the R statistical software was applied to identify the
most influential factors and the combinatorial optimization models of landslide-related
factors.
 There are eight landslide-related factors: elevation, distance from road, maximum
precipitation in year, slope angle, lithology, distance from fault, distance from
drainage and slope direction.
 There are four the most important landslide-related factors: elevation, distance from
road, maximum precipitation in year and slope angle.
vi


 There are five combinatorial optimization models of landslide-related factors:
Model 1: elevation, distance from road, maximum precipitation in year and slope
angle.
Model 2: elevation, distance from road, maximum precipitation in year, slope angle
and lithology.
Model 3: elevation, distance from road, maximum precipitation in year, slope angle,
lithology and distance from fault.
Model 4: elevation, distance from road, maximum precipitation in year, slope angle
and distance from fault.
Model 5: elevation, distance from road, maximum precipitation in year, slope angle
and distance from drainage.
In five the optimal models, evaluated according to the level of forecasting efficiency,
model 1 is the most optimization model due to using the least landslide-related factor
(four factors); evaluated according to the level of forecasting accuracy, model 3 is the

best optimization model.
WoE method is the best forecasting method for highest accuracy, followed by FR, SI
and LR. FR and SI methods have slightly lower accuracy but the calculation is simple.
Therefore, FR and SI methods should be considered for application in landslide hazard
prediction.

vii


LỜI CÁM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Đậu Văn Ngọ, thầy TS. Tạ
Quốc Dũng đã quan tâm giúp đỡ, tận tình hướng dẫn và cung cấp tài liệu tham khảo
giúp tác giả hoàn thành luận án tiến sĩ.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô giảng viên Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Địa
chất và Dầu khí đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong thời gian làm luận án
tiến sĩ.
Chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM, Phòng Đào tạo sau đại học,
Khoa Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí, Bộ mơn Địa kỹ thuật, Phịng thí nghiệm Địa kỹ
thuật đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành nhiệm vụ.

viii


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... xiii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................xvi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ xvii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TRƯỢT LỞ DO MƯA ......................7

Nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đối với trượt lở trên thế giới .......................... 7
Nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đối với trượt lở ở Việt Nam ........................... 8
Nghiên cứu dự báo trượt lở trên thế giới ......................................................... 10
Nghiên cứu dự báo trượt lở ở Việt Nam .......................................................... 12
Nhận xét nghiên cứu dự báo trượt lở trên thế giới và ở Việt Nam ..................14
CHƯƠNG 2
ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ HIỆN TRẠNG TRƯỢT LỞ VÙNG
NGHIÊN CỨU ............................................................................................................16
Vị trí vùng nghiên cứu ..................................................................................... 16
Đặc điểm địa hình ............................................................................................ 16
Đặc điểm thủy văn ........................................................................................... 17
Đặc điểm khí hậu ............................................................................................. 17
Cấu trúc địa chất .............................................................................................. 18
2.5.1

Loạt Bản Đôn ............................................................................................ 18

2.5.2

Hệ tầng Đèo Bảo Lộc (J3đbl) ....................................................................18

2.5.3

Hệ tầng Nha Trang (Knt) ..........................................................................19

2.5.4

Hệ tầng Đak Rium (K2đr) .........................................................................20

2.5.5

Hệ tầng Đơn Dương (K2đd) ......................................................................20

2.5.6

Trầm tích sơng hiện đại (aQ23) ..................................................................21

2.5.7

Tàn tích (eQ) ............................................................................................. 21

2.5.8

Sườn tích (dQ) ........................................................................................... 21

2.5.9

Lũ tích - sườn tích (pdQ)...........................................................................21

2.5.10

Trầm tích sơng - lũ tích (apQ) ............................................................... 22

Điều kiện địa chất cơng trình ...........................................................................22
2.6.1

Phức hệ cát - cuội sỏi nguồn gốc trầm tích sơng - Đệ tứ .......................... 22

2.6.2

Phức hệ đất loại sét chứa dăm, sạn, đa nguồn gốc - Đệ tứ ........................ 22

2.6.3

Phức hệ trầm tích lục nguyên Jura giữa và Creta trên .............................. 22
ix


2.6.4

Phức hệ phun trào Jura trên và Creta ........................................................ 23

2.6.5

Phức hệ xâm nhập Creta - Paleogen ......................................................... 23

Điều kiện địa chất thủy văn .............................................................................24
2.7.1

Tầng chứa nước lổ hổng - trầm tích Đệ Tứ ...............................................24

2.7.2

Tầng chứa nước khe nứt - trầm tích phun trào ..........................................24

2.7.3

Tầng chứa nước khe nứt - trầm tích lục nguyên .......................................24

Các đứt gãy kiến tạo......................................................................................... 25
Địa mạo ............................................................................................................26
2.9.1

Địa hình bóc mịn ...................................................................................... 26

2.9.2

Các bề mặt đồng bằng bóc mịn - rửa trơi, tích tụ ven sơng ....................28
Đặc điểm vỏ phong hóa ................................................................................29

2.10.1

Vỏ phong hóa phát triển trên các đá trầm tích sét kết, bột kết và cát kết ..
...............................................................................................................30

2.10.2

Vỏ phong hóa phát triển trên các đá granit và ryolit ............................. 30

Hiện trạng trượt lở đất đá .............................................................................30
2.11.1

Phân loại trượt........................................................................................ 30

2.11.2

Đặc điểm trượt ....................................................................................... 33

2.11.3

Nguyên nhân trượt .................................................................................38

CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐỐI VỚI TRƯỢT LỞ 39

Cơ chế của quá trình mưa gây mất ổn định mái dốc .......................................39
Đặc điểm về thấm và sức chống cắt trong đất khơng bão hịa ......................... 41
3.2.1

Khái niệm đất khơng bão hòa....................................................................41

3.2.2

Đường cong đặc trưng đất-nước (SWCC) ................................................42

3.2.3

Hàm thấm thủy lực ....................................................................................44

3.2.4

Thấm khơng ổn định trong đất khơng bão hịa .........................................45

3.2.5

Sức chống cắt trong đất khơng bão hịa ....................................................47

Tính tốn ổn định mái dốc dưới ảnh hưởng của mưa ......................................49
3.3.1. Các thơng số nghiên cứu .............................................................................49
3.3.2

Phân tích thấm ........................................................................................... 51

3.3.3

Phân tích ổn định ....................................................................................... 54

3.3.4

Kết quả phân tích ...................................................................................... 56

x


CHƯƠNG 4
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÁC SUẤT THỐNG KÊ VÀ GIS
THÀNH LẬP BẢN ĐỒ DỰ BÁO TAI BIẾN TRƯỢT LỞ .........................................64
Cơ sở lý thuyết các phương pháp xác suất thống kê ........................................64
4.1.1

Phương pháp tỷ số tần suất (FR - Frequency Ratio) .................................64

4.1.2

Phương pháp chỉ số thống kê (SI - Statistic Index) ..................................65

4.1.3

Phương pháp trọng số chứng cứ (WoE - Weights of Evidence) ...............66

4.1.4

Phương pháp hồi quy logistic (LR - Logistic Regression) ....................... 68

Nguyên lý thành lập bản đồ tai biến trượt lở ...................................................69
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong nghiên cứu trượt lở .............................. 70
Xây dựng cơ sở dữ liệu ....................................................................................71
4.4.1

Bản đồ phân bố điểm trượt lở ...................................................................71

4.4.2

Các yếu tố ảnh hưởng ................................................................................72

4.4.3

Lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng ................................................................ 75

4.4.4

Mơ hình số độ cao (Digital Elevation Model - DEM) .............................. 76

4.4.5

Góc dốc (SLOPE) ..................................................................................... 77

4.4.6

Hướng dốc (ASPECT) ..............................................................................78

4.4.7

Độ uốn cong bề mặt mái dốc (CURVATURE) ........................................79

4.4.8

Chỉ số ẩm ướt địa hình (TWI - Topographic Wetness Index) ..................80

4.4.9

Lượng mưa lớn nhất năm (MP - Maximum Precipitation) ....................... 82

4.4.10

Thạch học (LITHOLOGY) ....................................................................84

4.4.11

Chỉ số thực vật (NDVI - Normalized Difference Vegetation Index) ....84

4.4.12

Khoảng cách đến sông suối (DFD - Distance From Drainage) .............85

4.4.13

Khoảng cách đến đường giao thông (DFR - Distance From Road) ......85

4.4.14

Khoảng cách đến đứt gãy (DFF - Distance From Fault) ....................... 86

Quy trình thành lập bản đồ tai biến trượt lở..................................................... 88
Ứng dụng phương pháp xác suất thống kê thành lập bản đồ tai biến trượt lở .89
4.6.1

Trình tự tính tốn trọng số theo các phương pháp ....................................89

4.6.2

Kết quả tính tốn ....................................................................................... 93

4.6.3

Bản đồ trọng số các yếu tố ảnh hưởng ...................................................... 98

4.6.4

Kiểm tra tính độc lập giữa các yếu tố ảnh hưởng ...................................105

4.6.5

Bản đồ tai biến trượt lở ...........................................................................106

4.6.6

Kiểm chứng và so sánh các phương pháp ...............................................116
xi


4.6.7

Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng và lựa chọn mơ hình tối ưu ...................118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................122
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ............................................................125
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................126
PHỤ LỤC ....................................................................................................................132

xii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Vị trí vùng nghiên cứu ....................................................................................16
Hình 2.2 Sơ đồ địa chất huyện Khánh Vĩnh ..................................................................23
Hình 2.3 Một số dạng trượt phổ biến theo USGS (2004) .............................................32
Hình 2.4 Sơ đồ các vị trí trượt lở trên các tuyến giao thơng huyện Khánh Vĩnh ..........33
Hình 2.5 Hình ảnh các vị trí trượt lở VS32, VS43 trên đoạn Khánh Lê - Hòn Giao,
tuyến đường Nha Trang - Đà Lạt ..................................................................................36
Hình 2.6 Hình ảnh các vị trí trượt lở VS37, VS39 trên đoạn Khánh Lê - Hòn Giao,
tuyến đường Nha Trang - Đà Lạt ..................................................................................36
Hình 2.7 Trượt lở tại Km 42 + 800 tuyến đường Nha Trang - Đà Lạt.......................... 37
Hình 2.8 Hình ảnh các vị trí trượt lở VS347, VS349 trên đoạn qua xã Khánh Trung lên
thủy điện sơng Giang .....................................................................................................38
Hình 3.1 Sơ đồ q trình ngấm và thốt bốc hơi nước trong tầng đất khơng bão hịa ..39
Hình 3.2 Các sơ đồ mơ tả ảnh hưởng của quá trình ngấm, mực nước ngầm dâng đối

với sự ổn định mái dốc ..................................................................................................40
Hình 3.3 Sơ đồ mặt cắt đất tàn tích điển hình (theo Little, 1969) .................................41
Hình 3.4 Đường cong đặc trưng đất-nước (SWCC) ...................................................... 42
Hình 3.5 Đường cong hàm thấm thủy lực .....................................................................45
Hình 3.6 Mặt bao phá hoại Morh-Coulomb mở rộng cho đất khơng bão hịa ..............47
Hình 3.7 Sơ đồ cấu tạo mái dốc đất đồng nhất đặc trưng .............................................50
Hình 3.8 Đường phân bố thành phần hạt.......................................................................52
Hình 3.9 Đường cong SWCC ........................................................................................ 53
Hình 3.10 Đường cong hàm thấm .................................................................................53
Hình 3.11 Các lực tác dụng lên thỏi qua khối trượt trụ trịn .........................................55
Hình 3.12 Mối quan hệ giữa hệ số an tồn và hệ số thấm bão hịa ............................... 57
Hình 3.13 Khảo sát sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng tại mặt cắt A-A ........................... 57
Hình 3.14 Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng tại mặt cắt A-A ứng với ks = 2,03x10-5 m/s
.......................................................................................................................................58
Hình 3.15 Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng tại mặt cắt A-A ứng với ks = 2,09x10-7 m/s
.......................................................................................................................................58
Hình 3.16 Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng tại mặt cắt A-A ứng với ks = 1,55x10-6 m/s
.......................................................................................................................................59
Hình 3.17 Quan hệ giữa hệ số an toàn theo thời gian với các cường độ mưa khác nhau
.......................................................................................................................................60
Hình 3.18 Quan hệ giữa hệ số an tồn và cường độ mưa..............................................60
Hình 3.19 Hệ số an tồn giảm theo thời gian tương ứng với cường độ mưa ................60
Hình 3.20. Mối quan hệ giữa hệ số an tồn (FS) và góc dốc (α) ..................................61
Hình 3.21 Mối quan hệ giữa hệ số an toàn (FS) và chiều cao mái dốc (Hs) .................62
Hình 4.1 Giản đồ Venn minh họa các khái niệm xác suất ............................................67
Hình 4.2 Đồ thị hàm Logistic ........................................................................................ 69
xiii


Hình 4.3 Bản đồ phân bố điểm trượt lở .........................................................................71

Hình 4.4 Bản đồ cao độ vùng nghiên cứu .....................................................................76
Hình 4.5 Bản đồ góc dốc vùng nghiên cứu ...................................................................77
Hình 4.6 Bản đồ hướng dốc vùng nghiên cứu ............................................................... 78
Hình 4.7 Hình dạng bề mặt mái dốc ..............................................................................79
Hình 4.8 Bản đồ độ uốn cong bề mặt mái dốc .............................................................. 79
Hình 4.9 Sơ đồ tính khả năng tích tụ nước ....................................................................80
Hình 4.10 Mơ hình tiếp cận thực tế mái dốc nghiêng vơ hạn .......................................81
Hình 4.11 Bản đồ chỉ số ẩm ướt địa hình TWI .............................................................. 82
Hình 4.12 Bản đồ vị trí trạm đo mưa và phân bố lượng mưa lớn nhất năm trên địa bàn
tỉnh Khánh Hịa ..............................................................................................................83
Hình 4.13 Bản đồ phân nhóm lượng mưa lớn nhất năm trên địa bàn huyện Khánh Vĩnh
.......................................................................................................................................83
Hình 4.14 Bản đồ thạch học .......................................................................................... 85
Hình 4.15 Bản đồ chỉ số thực vật (NDVI).....................................................................85
Hình 4.16 Bản đồ khoảng cách đến sơng suối .............................................................. 86
Hình 4.17 Bản đồ khoảng cách đến đường giao thơng .................................................87
Hình 4.18 Bản đồ khoảng cách đến đứt gãy..................................................................87
Hình 4.19 Quy trình xây dựng bản đồ tai biến trượt lở .................................................88
Hình 4.20 Các bản đồ trọng số phương pháp FR ........................................................100
Hình 4.21 Các bản đồ trọng số phương pháp SI .........................................................102
Hình 4.22 Các bản đồ trọng số phương pháp WoE .....................................................104
Hình 4.23 Bản đồ LHI của FR .....................................................................................108
Hình 4.24 Histograms LHI của FR ..............................................................................108
Hình 4.25 Bản đồ LHIsd của FR ..................................................................................108
Hình 4.26 Histograms LHIsd của FR ............................................................................108
Hình 4.27 Bản đồ phân vùng dự báo tai biến trượt lở phương pháp FR .....................109
Hình 4.28 Bản đồ LHI của SI ......................................................................................110
Hình 4.29 Histograms LHI của SI ...............................................................................110
Hình 4.30 Bản đồ LHIsd của SI ....................................................................................110
Hình 4.31 Histograms LHIsd của SI .............................................................................110

Hình 4.32 Bản đồ phân vùng dự báo tai biến trượt lở phương pháp SI ......................111
Hình 4.33 Bản đồ P của WoE .....................................................................................112
Hình 4.34 Histograms P của WoE ..............................................................................112
Hình 4.35 Bản đồ Psd của WoE ...................................................................................112
Hình 4.36 Histograms Psd của WoE ............................................................................112
Hình 4.37 Bản đồ phân vùng dự báo tai biến trượt lở phương pháp WoE..................113
Hình 4.38 Bản đồ P của LR.........................................................................................114
Hình 4.39 Histograms P của LR..................................................................................114
Hình 4.40 Bản đồ Psd của LR ......................................................................................114
Hình 4.41 Histograms Psd của LR................................................................................114
xiv


Hình 4.42 Bản đồ phân vùng dự báo tai biến trượt lở phương pháp LR .....................115
Hình 4.43 Đường cong tỷ lệ thành cơng .....................................................................116
Hình 4.44 Đường cong tỷ lệ dự báo ............................................................................116
Hình 4.45 Mật độ trượt lở các vùng tai biến của phương pháp FR, SI, WoE và LR ..118
Hình 4.46 Các mơ hình phù hợp và xác suất xuất hiện các yếu tố ảnh hưởng của LR
.....................................................................................................................................120
Hình 4.47 Giá trị AUC các mơ hình tối ưu theo phương pháp FR, SI, WoE và LR ...121

xv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Lượng mưa tháng (mm) tại các trạm đo mưa ................................................18
Bảng 2.2 Giá trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý đất tàn - sườn tích .................................30
Bảng 2.3 Phân loại và dạng di chuyển trượt theo Varnes (1978)..................................31
Bảng 2.4 Tọa độ vị trí trượt lở trên các tuyến giao thông huyện Khánh Vĩnh ..............34
Bảng 3.1 Số tổ hợp và các nhóm thơng số phân tích ổn định mái dốc ......................... 50

Bảng 3.2 Các tham số hiệu chỉnh xác định đường cong SWCC và hàm thấm .............54
Bảng 4.1 Tỷ lệ bản đồ áp dụng cho các phương pháp...................................................70
Bảng 4.2 Các bản đồ chuyên đề của vùng nghiên cứu ..................................................76
Bảng 4.3 Lượng mưa lớn nhất năm tại các trạm đo mưa ..............................................82
Bảng 4.4 Trọng số các yếu tố ảnh hưởng trong phương pháp FR và SI ....................... 93
Bảng 4.5 Trọng số các yếu tố ảnh hưởng trong phương pháp WoE ............................. 94
Bảng 4.6 Các hệ số hồi quy phương pháp LR ............................................................... 97
Bảng 4.7 Ma trận hệ số tương quan giữa các yếu tố ảnh hưởng .................................105
Bảng 4.8 Hệ số TOL và VIF của các yếu tố ảnh hưởng ..............................................105
Bảng 4.9 Phân vùng mức độ tai biến trượt lở..............................................................107
Bảng 4.10 Giá trị AUC của các phương pháp .............................................................117
Bảng 4.11 Phân bố số pixel theo phân vùng tai biến trượt lở của các phương pháp ..117
Bảng 4.12 Các mô hình tối ưu của LR ........................................................................119
Bảng 4.13 Giá trị AUC của FR, SI, WoE và LR theo các mơ hình tối ưu ..................120

xvi


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Sr: độ bão hòa
w: độ ẩm thể tích
r: độ ẩm thể tích dư
s: độ ẩm thể tích bão hịa
n: độ lỗ rỗng
Sc: độ bão hịa do nước mao dẫn
S a* : độ bão hòa do nước bao quanh hạt đất
LL: giới hạn chảy
d10: đường kính hạt mà ở đó hàm lượng hạt nhỏ hơn nó chiếm 10%
d60: đường kính hạt mà ở đó hàm lượng hạt nhỏ hơn nó chiếm 60%
C(): hệ số hiệu chỉnh

 = (ua - uw): độ hút dính
r = (ua - uw)r: độ hút dính ứng với độ ẩm thể tích dư
ua: áp lực khí lỗ rỗng
uw: áp lực nước lỗ rỗng
e: cơ số tự nhiên, 2,71828....
a: hệ số hiệu chỉnh liên quan đến giá trị khí vào
n: hệ số hiệu chỉnh liên quan đến độ dốc của đường cong SWCC
m: hệ số hiệu chỉnh liên quan đến độ ẩm thể tích dư
kw: hệ số thấm khơng bão hịa
ks: hệ số thấm bão hòa;
p: hệ số hiệu chỉnh tương ứng với độ dốc của hàm thấm
 = w/s: độ ẩm thể tích chuẩn hóa (khơng thứ ngun)
hw: cột nước thủy lực
z: cao độ cột nước
w: dung trọng của nước
kwx, kwy: hệ số thấm nước là một hàm của độ hút dính (ua - uw) theo hướng x, y
hw/x, hw/y: gradien cột nước thủy lực theo hướng x, y
q: lượng nước mưa ngấm qua biên bề mặt, bằng cường độ mưa (I)
mw2 : độ dốc của đường cong đặc trưng đất-nước
t: thời gian trôi qua
ff: ứng suất cắt trên mặt trượt lúc phá hủy
c': khoảng chặn của đường bao phá hoại Mohr-Coulomb "mở rộng" trên trục ứng suất
cắt, ở đó ứng suất pháp thực và độ hút dính lúc phá hoại đều bằng khơng, nó cũng được
gọi là "lực dính hiệu quả"
(f - ua)f: ứng suất pháp thực trên mặt trượt lúc phá hủy
': góc ma sát trong liên quan với ứng suất pháp thực (f - ua)f
(ua - uw)f: độ hút dính trên mặt trượt lúc phá hủy
xvii

b: góc biểu thị tốc độ tăng sức chống cắt có quan hệ với độ hút dính (ua - uw)f
c: khoảng chặn mặt bao phá hủy Mohr-Coulomb mở rộng trên trục ứng suất cắt tại một
độ hút dính xác định
: là tham số hiệu chỉnh sao cho giá trị tính toán phù hợp với giá trị đo được
Hw: độ sâu mực nước ngầm ban đầu
α: góc dốc
Hs: chiều cao mái dốc
Fm : hệ số an tồn cân bằng mơ men
Ff: hệ số an toàn cân bằng lực
FS: hệ số an toàn
ALNLR: áp lực nước lỗ rỗng
SWCC (Soil-water characterictis curve): đường cong đặc trưng đất-nước
FR (Frequency Ratio): tỷ số tần suất
SI (Statistic Index): chỉ số thống kê
WoE (Weights of Evidence): trọng số chứng cứ
LR (Logistic Regression): hồi quy logistic
BMA (Bayesian Model Average): mơ hình trung bình Bayesian
AUC (Area Under Curve): diện tích dưới đường cong
LSI (Landslide Susceptibility Index): chỉ số nguy cơ trượt lở
LHI (Landslide Hazard Index): chỉ số tai biến trượt lở
DEM: mơ hình số độ cao
SLOPE: góc dốc
ASPECT: hướng dốc
CURVATURE: độ uốn cong bề mặt mái dốc
TWI: chỉ số ẩm ướt địa hình
LITHOLOGY: thạch học
DFR: khoảng cách đến đường giao thông
DFD: khoảng cách đến sông suối
DFF: khoảng cách đến đứt gãy
NDVI: chỉ số thực vật

MP: lượng mưa lớn nhất năm

xviii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những thập niên qua, thảm họa thiên nhiên như bão lụt, động đất, sóng thần, xói
mịn và trượt lở đất diễn ra ngày càng gia tăng làm thiệt hại về người, của cải vật chất
và phá hủy nguồn tài nguyên thiên nhiên. Trượt lở đất chiếm gần 9% trong tổng số các
thảm họa thiên nhiên trên khắp thế giới trong những năm 1990 và có xu hướng tiếp tục
gia tăng trong thời gian tới do tốc độ đơ thị hóa nhanh, nạn phá rừng tiếp diễn và tăng
lượng mưa của vùng do biến đổi khí hậu [1].
Trượt lở đất là một trong những tai biến thiên nhiên phổ biến ở những địa hình đồi núi
vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới [2], ở những vùng có hoạt động địa chấn cao [3]. Trong
những vùng này, nguy cơ tai biến trượt lở đất do mưa lớn và động đất là rất cao.
Trượt lở đất ở các sườn dốc và mái dốc thường xảy ra vào mùa mưa bão, đặc biệt là
những nơi xảy ra mưa to kéo dài. Cùng với sự biến đổi khí hậu, những điều kiện thiên
tai bất thường, diễn biến của các hiện tượng trượt lở ngày càng đa dạng và phức tạp.
Trong một vài thập kỉ gần đây, bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào khu vực Nam Trung
Bộ nhiều hơn các vùng khác trong cả nước. Bão và áp thấp nhiệt đới gây mưa lớn dẫn
đến lũ lụt, lũ quét, trượt lở đất gây tai họa thảm khốc cho nhiều nơi thuộc vùng Nam
Trung Bộ. Một trong những biện pháp cấp thiết hiện nay để các cấp chính quyền phịng,
tránh và giảm thiểu những thiệt hại do trượt lở đất gây ra là thành lập các bản đồ phân
vùng dự báo tai biến trượt lở. Mục đích chính của việc thành lập bản đồ này là nhằm
cảnh báo trước vùng có tai biến trượt lở xảy ra trong tương lai.
Một số nghiên cứu hiện nay trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng về xác suất
xảy ra hiện tượng trượt lở chủ yếu dựa vào các yếu tố bên trong: nền địa chất, địa mạo,
độ sâu lớp đất đá, loại đất đá, độ dốc, hướng dốc, cao độ, diện tích đất sử dụng, lớp phủ
thực vật, dịng chảy sơng suối,... Tuy nhiên, các nhà quan sát và các chuyên gia cho rằng

trượt lở xảy ra không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố bên trong mà cịn bao gồm yếu tố
bên ngồi như mưa hay tuyết tan. Do yếu tố bên ngoài thường khó xác định vì thiếu

1


thông tin về thời gian và sự phân bố không gian của chúng nên trong thực tế khi xây
dựng các bản đồ nguy cơ trượt lở chủ yếu sử dụng các yếu tố bên trong và thuật ngữ
“Bản đồ nguy cơ trượt lở” được sử dụng. Đối với vấn đề này, cần xem xét đưa vào các
yếu tố bên ngoài, đặc biệt là mưa và khi đó sử dụng thuật ngữ “Bản đồ tai biến trượt lở”.
Vùng Nam Trung Bộ nói chung và huyện Khánh Vĩnh (tỉnh Khánh Hịa) nói riêng, mùa
mưa thường kéo dài và cường độ mưa lớn thường là nguyên nhân chính gây kích hoạt
trượt lở các mái dốc đất trượt tiềm năng và làm tăng thêm mức độ phá hủy khi trượt lở
xảy ra. Mưa tạo nên quá trình ngấm bề mặt, phụ thuộc vào cường độ mưa, tính thấm của
đất mà q trình ngấm diễn ra nhanh hay chậm. Khi nước mưa ngấm vào mái dốc, áp
lực nước lỗ rỗng tăng dần và đồng thời làm giảm độ hút dính, dẫn đến giảm sức chống
cắt của đất và tính ổn định của mái dốc giảm. Do đó, yếu tố mưa cần phải đưa vào phân
tích, đánh giá để lập bản đồ tai biến trượt lở đất.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu sự ổn định của các sườn dốc, mái dốc đất cấu tạo bởi đất tàn tích phong hóa
dưới ảnh hưởng của mưa và xây dựng bản đồ phân vùng dự báo tai biến trượt lở đất
trong phạm vi địa giới hành chính của huyện Khánh Vĩnh, tỉnh Khánh Hịa.
3. Mục đích của luận án
 Làm sáng tỏ mối tương quan giữa hệ số an toàn của mái dốc với cường độ mưa, hệ
số thấm, góc dốc và chiều cao của mái dốc. Từ đó xác định ngưỡng cường độ mưa
tương ứng với hệ số an toàn nhỏ nhất.
 Ứng dụng các phương pháp xác suất thống kê và GIS để thành lập bản đồ phân vùng
dự báo tai biến trượt lở đất, nhằm nâng cao khả năng cảnh báo sớm tai biến trượt lở,
giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản, làm cơ sở cho việc quy hoạch phát triển kinh
tế xã hội một cách bền vững.

4. Những luận điểm bảo vệ
Luận điểm 1: Trong các điều kiện khác như nhau thì tai biến trượt lở đất bắt đầu xảy ra
ở mái dốc có chiều cao từ 10 m và góc dốc từ 45o trở lên, từ ngưỡng cường độ mưa 10

2


mm/h với thời gian mưa liên tục từ 5 đến 7 ngày, trong đất tàn tích khơng bão hịa của
vỏ phong hóa có hệ số thấm từ 10-7 m/s đến 10-5 m/s.
Luận điểm 2: Các phương pháp dự báo tai biến trượt lở FR, SI, WoE và LR đều có độ
tin cậy và chính xác cao. Phương pháp WoE cho kết quả dự báo tốt nhất và mơ hình dự
báo gồm bốn yếu tố ảnh hưởng DEM, DFR, MP và SLOPE là phù hợp nhất.
5. Nội dung nghiên cứu của luận án
 Nghiên cứu tổng quan trượt lở do mưa, điều kiện tự nhiên và hiện trạng trượt lở vùng
nghiên cứu.
 Áp dụng tiêu chuẩn phá hủy Mohr-Coulomb mở rộng trong mơi trường đất khơng
bão hịa để nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đối với sự ổn định mái dốc.
 Xác định đường cong đặc trưng đất-nước (SWCC), hàm thấm và phương trình cường
độ chống cắt của đất khơng bão hịa.
 Sử dụng mơ hình số trong phân tích thấm bằng mô đun SEEP/W (phần mềm
Geostudio 2007) để khảo sát sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng theo cường độ và thời
gian mưa. Tích hợp kết quả phân tích thấm vào mô đun SLOPE/W (phần mềm
Geostudio 2007) để nghiên cứu tính ổn định mái dốc.
 Xác định các yếu tố ảnh hưởng, nghiên cứu tích hợp yếu tố mưa và tính thấm của đất
vào các phương pháp dự báo tai biến trượt lở đất.
 Phân tích và đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đối với tai biến trượt lở.
 Nghiên cứu, đề xuất cách phân vùng các mức độ tai biến trượt lở từ các bản đồ kết
quả dự báo.
 Áp dụng các phương pháp xác suất thống kê tích hợp với hệ thống thơng tin địa lý
(GIS) để thành lập các bản đồ dự báo tai biến trượt lở.

 So sánh độ chính xác giữa các phương pháp xác suất thống kê, lựa chọn phương pháp
dự báo tốt nhất và mơ hình tối ưu tổ hợp các yếu tố ảnh hưởng.

3


6. Phương pháp nghiên cứu của luận án
 Thu thập dữ liệu, khảo sát hiện trường, phân tích ảnh vệ tinh và ảnh Google Earth.
 Kế thừa kết quả từ các cơng trình nghiên cứu trước.
 Nghiên cứu lý thuyết về thấm và ổn định trượt trong mái dốc đất khơng bão hịa.
 Sử dụng mơ hình số để phân tích thấm trong mái dốc đất khơng bão hịa.
 Áp dụng các phương pháp xác suất thống kê tích hợp với cơng cụ phân tích GIS thành
lập các bản đồ chỉ số và xác suất tai biến trượt lở.
 Sử dụng thuật tốn mơ hình trung bình BMA (Bayesian Model Average) trong phần
mềm thống kê mã nguồn mở R để phân tích, xác định các yếu tố ảnh hưởng liên quan
đến trượt lở, các yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất và tổ hợp các yếu tố ảnh hưởng
tối ưu.
7. Những điểm mới về mặt khoa học của luận án
 Ảnh hưởng của mưa đối với sự ổn định mái dốc được nghiên cứu dựa trên quan điểm
của lý thuyết cơ học đất khơng bão hịa. Kết quả kiểm tốn ổn định mái dốc đất khơng
bão hịa - bão hịa sẽ phù hợp với thực tế hơn.
 Đặc điểm địa hình, cường độ mưa và tính chất đất được xét đến trong các phương
pháp xác suất thống kê khi lập bản đồ dự báo tai biến trượt lở đất thông qua hai yếu
tố ảnh hưởng chỉ số ẩm ướt địa hình (TWI) và lượng mưa lớn nhất trong năm (MP).
 Để so sánh độ chính xác giữa các phương pháp, các bản đồ chỉ số tai biến trượt lở
được chuẩn hóa trước khi áp dụng phương pháp độ lệch chuẩn (Standard Deviation)
để phân vùng mức độ tai biến trượt lở.
 Lần đầu tiên trong nghiên cứu này sử dụng thuật tốn mơ hình trung bình BMA
(Bayesian Model Average) để tìm các yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất và các tổ
hợp yếu tố ảnh hưởng tối ưu phục vụ cho việc thành lập bản đồ tai biến trượt lở đất.

8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

4


8.1. Ý nghĩa khoa học
 Vai trò của yếu tố ảnh hưởng mưa đối với trượt lở đất được nghiên cứu và đánh giá
trên cơ sở lý thuyết cơ học đất khơng bão hịa.
 Mưa là yếu tố bên ngồi kích thích trượt lở đất xảy ra và được đưa vào tính tốn trong
các phương pháp xác suất thống kê để dự báo tai biến trượt lở đất thông qua hai yếu
tố ảnh hưởng là lượng mưa lớn nhất trong năm và chỉ số ẩm ướt địa hình.
 Nghiên cứu đã xác định cơ sở khoa học, công nghệ và qui trình thành lập bản đồ dự
báo tai biến trượt lở theo các phương pháp xác suất thống kê.
 Xây dựng cơ sở dữ liệu đầu vào khi thành lập bản đồ dự báo tai biến trượt lở bao gồm
bản đồ phân bố các điểm trượt lở và các bản đồ yếu tố ảnh hưởng đến trượt lở. Theo
điều kiện thực tế của vùng nghiên cứu, các yếu tố ảnh hưởng đến trượt lở gồm: cao
độ, góc dốc, hướng dốc, địa chất, mạng lưới đứt gãy, mạng lưới đường giao thông,
mạng lưới sông suối, hiện trạng sử dụng đất, thảm thực vật, độ ẩm ướt địa hình và
phân bố lượng mưa,...
8.2. Ý nghĩa thực tiễn
 Góp phần bổ sung cho việc áp dụng các phương pháp mới phục vụ công tác điều tra,
đánh giá và dự báo về tai biến trượt lở đất.
 Có thể ứng dụng phương pháp và kết quả nghiên cứu để mở rộng cho các đánh giá
đối với các khu vực khác có những đặc điểm tự nhiên, địa chất - địa mạo tương tự
với vùng nghiên cứu.
 Bản đồ tai biến trượt lở đất là cơ sở tài liệu tham khảo rất hữu ích cho các nhà quy
hoạch, những người ra quyết định và các kỹ sư trong việc quản lý trượt lở và quy
hoạch sử dụng đất.
9. Cơ sở tài liệu của luận án
Luận án kế thừa và sử dụng những kết quả đã được nghiên cứu từ các đề tài nghiên cứu

khoa học, các báo cáo và bài báo khoa học đã được công bố trong các hội nghị khoa
học, trên các tạp chí trong và ngồi nước.
5