Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa

Mưa tác động lên mái dốc đất không bão hòa theo nhiều cơ chế phức tạp. Ban đầu, nước mưa thấm vào bề mặt đất. Quá trình thấm nước mưa này làm tăng độ ẩm đất và độ bão hòa đất trong các lớp đất gần mặt. Khi độ bão hòa đất tăng, áp lực nước lỗ rỗng âm (hay lực hút mao dẫn) trong đất bắt đầu giảm. Lực hút mao dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc giữ các hạt đất lại với nhau, tạo thêm sức kháng cắt cho đất không bão hòa. Sự suy giảm của lực hút mao dẫn trực tiếp làm giảm độ bền chống cắt của đất không bão hòa. Điều này làm giảm khả năng chịu lực của mái dốc. Nếu cường độ mưa lớn và thời gian mưa kéo dài, nước có thể thấm sâu hơn. Nó có thể dẫn đến hình thành mực nước ngầm tạm thời hoặc làm tăng áp lực nước lỗ rỗng dương. Kết quả là, ứng suất hiệu quả trong đất giảm đáng kể. Toàn bộ quá trình này đẩy mái dốc đến trạng thái mất ổn định. Việc nghiên cứu chi tiết về cường độ mưa, lượng mưa và thời gian mưa là cần thiết để dự báo chính xác các điều kiện gây trượt lở đất do mưa.

Trượt lở đất do mưa là một trong những tai biến địa chất phổ biến và gây hậu quả nghiêm trọng. Hàng năm, các vụ sạt lở đất gây thiệt hại lớn về tính mạng và tài sản trên khắp thế giới, đặc biệt tại các khu vực có địa hình đồi núi và lượng mưa lớn. Tại Việt Nam, tình trạng trượt lở đất do mưa diễn ra thường xuyên ở các tỉnh miền núi phía Bắc và miền Trung, đặc biệt trong mùa mưa bão. Các vụ sạt lở không chỉ phá hủy nhà cửa, đường sá, cầu cống mà còn gây gián đoạn giao thông, ảnh hưởng đến sản xuất và sinh hoạt của người dân. Sự thay đổi khí hậu, với các trận cường độ mưa cực đoan và thời gian mưa kéo dài, càng làm gia tăng rủi ro. Do đó, việc nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa là vô cùng cấp thiết. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá rủi ro, dự báo khả năng sạt lở và đề xuất các biện pháp phòng ngừa hiệu quả. Mục tiêu cuối cùng là bảo vệ cộng đồng và cơ sở hạ tầng khỏi tác động tàn khốc của trượt lở đất do mưa.

Đất không bão hòa là loại đất mà trong các lỗ rỗng không chỉ chứa nước mà còn chứa không khí. Trạng thái này phổ biến ở các lớp đất gần mặt đất. Để mô tả trạng thái ứng suất của đất không bão hòa, cần hai biến độc lập thay vì một như trong đất bão hòa. Hai biến này thường là ứng suất pháp tổng cộng (hoặc ứng suất pháp hiệu quả ròng) và áp lực nước lỗ rỗng âm (hoặc lực hút mao dẫn). Lực hút mao dẫn là hiệu số giữa áp lực không khí lỗ rỗng và áp lực nước lỗ rỗng. Giá trị này thường âm và đóng vai trò như một lực nén hiệu quả bổ sung, làm tăng độ bền chống cắt của đất không bão hòa. Sự thay đổi của độ ẩm đất do thấm nước mưa sẽ làm thay đổi lực hút mao dẫn. Đây là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến ổn định mái dốc đất không bão hòa. Hiểu rõ các biến trạng thái này là nền tảng cho việc phân tích cơ học đất không bão hòa.

Đường cong đặc trưng đất-nước (SWCC) mô tả mối quan hệ giữa lực hút mao dẫn và độ ẩm đất (hoặc độ bão hòa đất). Đường cong này phản ánh khả năng giữ nước của đất và là đặc trưng cơ bản cho đất không bão hòa. Nó có hình dạng phi tuyến, thường biểu diễn pha co ngót, pha chuyển tiếp và pha bão hòa. SWCC rất quan trọng để xác định hệ số thấm của đất không bão hòa. Hệ số thấm trong đất không bão hòa không phải là hằng số mà phụ thuộc mạnh mẽ vào độ bão hòa đất hoặc lực hút mao dẫn. Khi độ bão hòa đất giảm (tức lực hút mao dẫn tăng), hệ số thấm cũng giảm đáng kể do các kênh dẫn nước bị ngắt quãng bởi không khí. Sự thay đổi của hệ số thấm này là yếu tố quyết định tốc độ và độ sâu của thấm nước mưa vào mái dốc. Việc xác định chính xác SWCC và hệ số thấm là cần thiết cho mô phỏng dòng thấm và đánh giá ổn định mái dốc đất không bão hòa dưới ảnh hưởng mưa.

Để phân tích ổn định mái dốc đất không bão hòa, các phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát đã được điều chỉnh. Các phương pháp này, như phương pháp Bishop, Janbu, hay Morgenstern-Price, được mở rộng để tích hợp ảnh hưởng của lực hút mao dẫn. Trong các phương trình cân bằng, độ bền chống cắt của đất không bão hòa được tính toán không chỉ dựa trên ứng suất pháp hiệu quả mà còn có thêm thành phần do lực hút mao dẫn. Hệ số ổn định mái dốc (FS) được tính toán bằng cách so sánh tổng độ bền chống cắt hiện có với tổng lực trượt dọc theo một mặt trượt giả định. Việc tính toán áp lực nước lỗ rỗng âm (hay lực hút mao dẫn) theo thời gian và không gian do thấm nước mưa là bước quan trọng. Các phần mềm chuyên dụng thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô hình hóa dòng thấm không ổn định. Sau đó, kết quả áp lực nước lỗ rỗng được đưa vào phân tích ổn định mái dốc. Điều này cho phép đánh giá động trạng thái ổn định mái dốc dưới ảnh hưởng mưa.

Độ bền chống cắt của đất không bão hòa là khả năng chống lại sự trượt và biến dạng của đất dưới tác dụng của ứng suất cắt. Nó được mô tả bằng một phương trình mở rộng từ tiêu chuẩn Mohr-Coulomb. Fredlund, Morgenstern và Rahardjo (1978) đã đề xuất một phương trình nổi tiếng. Phương trình này bao gồm hai biến ứng suất độc lập: ứng suất pháp hiệu quả ròng và áp lực nước lỗ rỗng âm (lực hút mao dẫn). Cụ thể, độ bền chống cắt (τ) được biểu diễn bằng tổng của lực dính hiệu quả (c'), ứng suất pháp hiệu quả ròng nhân với tan của góc ma sát hiệu quả (φ'), và lực hút mao dẫn nhân với tan của góc ma sát lực hút mao dẫn (φb). Góc φb thể hiện sự đóng góp của lực hút mao dẫn vào độ bền chống cắt. Khi lực hút mao dẫn giảm (do thấm nước mưa), thành phần đóng góp này sẽ giảm, làm suy yếu độ bền chống cắt của đất không bão hòa. Đây là cơ sở để phân tích ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc.

Việc xác định độ bền chống cắt của đất không bão hòa đòi hỏi các thí nghiệm chuyên biệt trong phòng thí nghiệm. Thí nghiệm cắt trực tiếp và thí nghiệm nén ba trục không bão hòa là hai phương pháp phổ biến. Trong các thí nghiệm này, áp lực nước lỗ rỗng âm (hay lực hút mao dẫn) và độ ẩm đất được kiểm soát và đo đạc cẩn thận. Thiết bị thí nghiệm nén ba trục không bão hòa cho phép áp dụng đồng thời ứng suất pháp và kiểm soát lực hút mao dẫn thông qua phương pháp đĩa có độ thấm khí (Axis Translation Technique). Bằng cách thay đổi các mức lực hút mao dẫn khác nhau, có thể xác định được các thông số độ bền chống cắt như c', φ' và φb. Kết quả thí nghiệm cung cấp dữ liệu quan trọng để xây dựng các mô hình độ bền chống cắt cho đất không bão hòa. Đây là nền tảng để đánh giá ổn định mái dốc đất không bão hòa một cách chính xác khi chịu ảnh hưởng mưa.

Độ ẩm đất và độ bão hòa đất đóng vai trò trung tâm trong việc kiểm soát độ bền chống cắt của đất không bão hòa. Khi lượng mưa tăng và thấm nước mưa diễn ra, độ ẩm đất và độ bão hòa đất trong các lớp đất gần mặt dốc tăng lên. Điều này trực tiếp dẫn đến sự giảm sút của lực hút mao dẫn (hay áp lực nước lỗ rỗng âm). Như đã thảo luận, lực hút mao dẫn là một thành phần quan trọng đóng góp vào độ bền chống cắt của đất không bão hòa. Khi lực hút mao dẫn mất đi, độ bền chống cắt của đất suy yếu đáng kể. Điều này làm giảm hệ số ổn định mái dốc, tăng nguy cơ trượt lở đất do mưa. Mối quan hệ giữa độ ẩm đất, độ bão hòa đất, lực hút mao dẫn và độ bền chống cắt là phi tuyến tính. Hiểu rõ sự tương tác này là cốt lõi để dự đoán và giảm thiểu rủi ro trượt lở đất do mưa.

Việc mô hình hóa dòng thấm nước mưa trong đất không bão hòa là một bài toán thủy lực phức tạp. Phương trình Richards là phương trình nền tảng để mô tả sự di chuyển của nước trong môi trường đất không bão hòa. Phương trình này tính đến sự phụ thuộc của hệ số thấm vào độ ẩm đất hoặc lực hút mao dẫn. Cường độ mưa, lượng mưa và thời gian mưa là các thông số đầu vào quan trọng cho mô hình. Khi cường độ mưa vượt quá hệ số thấm bão hòa của đất, nước có thể đọng lại trên bề mặt hoặc chảy tràn. Nếu cường độ mưa nhỏ hơn hệ số thấm, thấm nước mưa diễn ra theo chiều sâu. Lượng mưa tích lũy và thời gian mưa dài sẽ dẫn đến độ ẩm đất tăng cao và lực hút mao dẫn giảm sâu. Mô phỏng chính xác quá trình thấm nước mưa là cơ sở để xác định sự phân bố của áp lực nước lỗ rỗng âm trong mái dốc theo thời gian.

Khi nước mưa thấm vào đất không bão hòa, nó lấp đầy các lỗ rỗng chứa không khí, làm tăng độ bão hòa đất. Quá trình này gây ra sự giảm dần của áp lực nước lỗ rỗng âm (hay lực hút mao dẫn). Trong đất không bão hòa, lực hút mao dẫn đóng vai trò như một lực nén hiệu quả bổ sung, giúp tăng độ bền chống cắt. Khi lực hút mao dẫn suy yếu, thành phần này trong độ bền chống cắt của đất không bão hòa cũng giảm theo. Điều này làm giảm tổng độ bền chống cắt của đất. Nếu cường độ mưa và thời gian mưa đủ lớn, áp lực nước lỗ rỗng âm có thể hoàn toàn mất đi, thậm chí chuyển thành áp lực nước lỗ rỗng dương trong các lớp đất nông. Khi đó, độ bền chống cắt của đất bị suy giảm nghiêm trọng, đẩy mái dốc đến trạng thái nguy hiểm. Sự biến đổi này là cơ chế trực tiếp dẫn đến mất ổn định mái dốc và gây ra trượt lở đất do mưa.

Trượt lở đất do mưa là kết quả của sự tương tác phức tạp giữa nhiều yếu tố. Các yếu tố khí tượng thủy văn bao gồm cường độ mưa, lượng mưa tích lũy và thời gian mưa. Mưa có cường độ cao trong thời gian ngắn hoặc mưa kéo dài với tổng lượng mưa lớn đều có thể gây sạt lở. Các yếu tố địa kỹ thuật bao gồm loại đất (đất sét, đất cát, đất pha), các đặc trưng thủy lực của đất (hệ số thấm, đường cong đặc trưng đất-nước), và độ ẩm đất ban đầu. Đất không bão hòa có hệ số thấm thấp dễ tích nước ở lớp mặt, trong khi đất có hệ số thấm cao dễ bị thấm nước mưa sâu. Yếu tố địa hình như độ dốc, chiều cao mái dốc và hình thái địa chất cũng đóng vai trò quan trọng. Ngoài ra, thảm thực vật cũng ảnh hưởng đến thấm nước mưa và ổn định bề mặt. Sự kết hợp của các yếu tố này xác định rủi ro và quy mô của trượt lở đất do mưa.

Phương pháp mô phỏng kết hợp thủy-cơ học là cách tiếp cận tiên tiến để đánh giá ổn định mái dốc đất không bão hòa dưới ảnh hưởng mưa. Phương pháp này bao gồm hai giai đoạn chính. Đầu tiên là phân tích thấm nước mưa không ổn định theo thời gian. Giai đoạn này sử dụng các phương trình dòng thấm trong đất không bão hòa (như phương trình Richards) để xác định sự thay đổi của độ ẩm đất và áp lực nước lỗ rỗng âm (hay lực hút mao dẫn) trong mái dốc dưới tác động của cường độ mưa và thời gian mưa thực tế. Các phần mềm chuyên dụng như GeoStudio (SEEP/W) hoặc Plaxis thường được sử dụng. Sau đó, kết quả phân bố áp lực nước lỗ rỗng tại các thời điểm khác nhau sẽ được chuyển sang module phân tích ổn định mái dốc (ví dụ, SLOPE/W). Tại đây, độ bền chống cắt của đất không bão hòa được tính toán lại theo các giá trị áp lực nước lỗ rỗng mới, từ đó xác định hệ số ổn định mái dốc theo thời gian. Phương pháp này cho phép đánh giá động sự suy giảm ổn định mái dốc và dự báo thời điểm có khả năng trượt lở đất do mưa.

Các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa có nhiều ứng dụng thiết thực. Đầu tiên, chúng cung cấp dữ liệu và mô hình hóa chính xác hơn cho việc thiết kế các mái dốc an toàn hơn, đặc biệt ở các khu vực có lượng mưa lớn hoặc cường độ mưa cao. Các kỹ sư có thể tối ưu hóa độ dốc, vật liệu đắp và hệ thống thoát nước để giảm thiểu nguy cơ trượt lở đất do mưa. Thứ hai, nghiên cứu này góp phần xây dựng các hệ thống cảnh báo sớm trượt lở đất do mưa. Bằng cách theo dõi cường độ mưa, lượng mưa tích lũy và độ ẩm đất bề mặt, có thể đưa ra cảnh báo kịp thời cho cộng đồng. Cuối cùng, kết quả nghiên cứu hỗ trợ trong việc lập bản đồ nguy cơ sạt lở đất. Việc xác định các khu vực có ổn định mái dốc thấp dưới ảnh hưởng mưa giúp quản lý quy hoạch đất đai hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại do trượt lở đất do mưa gây ra.

Nghiên cứu đã làm sáng tỏ cơ chế ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa, đặc biệt là sự suy giảm lực hút mao dẫn và độ bền chống cắt do thấm nước mưa. Các mô hình thủy-cơ học kết hợp đã được chứng minh là công cụ hiệu quả để đánh giá ổn định mái dốc theo thời gian dưới các kịch bản cường độ mưa khác nhau. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng nghiên cứu tiềm năng. Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về hành vi của đất không bão hòa dưới các điều kiện lượng mưa cực đoan, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Việc phát triển các mô hình dự báo tích hợp thấm nước mưa và phản ứng của độ bền chống cắt của đất không bão hòa tại các vị trí thực tế là cần thiết. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng để bao gồm ảnh hưởng của thảm thực vật đến thấm nước mưa và ổn định mái dốc. Cuối cùng, ứng dụng các công nghệ giám sát từ xa để đo độ ẩm đất và áp lực nước lỗ rỗng âm sẽ cung cấp dữ liệu thời gian thực quý giá, nâng cao độ chính xác của các mô hình dự báo trượt lở đất do mưa.