Hệ thống quan trắc ổn định mái dốc có xét đến sự thay đổi mực nước ngầm

10

A system monitoring slope stability considering ground water level change

Giới thiệu

Xây dựng hệ thống quan trắc ổn định mái dốc có xét đến sự thay đổi mực nước ngầm. Nghiên cứu chế tạo hệ thống quan trắc đập và chương trình tính toán ổn định mái dốc tự động có xét đến sự thay đổi mực nước ngầm theo thời gian. Chương trình tính toán được thực thi trên “đám mây” của máy ảo với cơ sở dữ liệu quan trắc mực nước ngầm được thu thập từ các thiết bị quan trắc tại các hố khoan. Chương trình tính toán được thực hiện tự động khi có dữ liệu quan trắc mới và kết quả tính toán được lưu trữ ngay trong cơ sở dữ liệu của máy chủ. Các kịch bản cảnh báo sự cố được thông báo khẩn cấp đến ban quản lý vận hành công trình.

Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định

Bài toán phân tích ổn định mái dốc giữ vai trò quan trọng trong đánh giá sức khỏe làm việc của công trình. Trong phân tích ổn định mái dốc, có hai phương pháp thường được sử dụng phổ biến đó là phương pháp cân bằng giới hạn (Limit equilibrium method – LEM) và phương pháp số dựa trên lý thuyết đàn hồi dẻo. Thông số đầu vào của phương pháp cân bằng giới hạn thường đơn giản hơn so với phương pháp số nên phương pháp này đang được sử dụng phổ biến trong việc phân tích ổn định mái dốc. Phần mềm SLOPE/W là một phần mềm nổi tiếng được phát triển dựa trên các lý thuyết cân bằng giới hạn và đang được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam.
Một số lý thuyết tính toán theo phương pháp cân bằng giới hạn được sử dụng trong phần mềm SLOPE/W là:
Phương pháp Ordinary: giả thiết lực pháp tuyến và lực cắt của mảnh trượt bằng 0.
Phương pháp Bishop: là phương pháp đơn giản và cổ điển nhất. Theo lý thuyết này, lực pháp tuyến giữ vai trò quan trọng hơn là lực tiếp tuyến giữa các dải. Lý thuyết chỉ yêu cầu thoả mãn phương trình cân bằng momen.
Phương pháp Janbu: lý thuyết này dựa trên điều kiện cân bằng lực và chỉ sử dụng lực pháp tuyến mà không sử dụng lực tiếp tuyến giữa các dải.
Phương pháp Spencer: lý thuyết tính toán có xét đến cả điều kiện cân bằng lực và cân bằng momen, lý thuyết này xem lực trượt là hằng số.
Phương pháp Morgenstern-Price và phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (General limit equilibrium method – GLEM): lý thuyết này sử dụng cả lực pháp tuyến và tiếp tuyến giữa các dải. Điều kiện bài toán phải thoả mãn cả phương trình cân bằng lực và phương trình cân bằng mômen.
Nhóm nghiên cứu đề xuất phát triển chương trình tính toán ổn định dựa trên phương pháp Morgenstern-Price thỏa mãn cả phương trình cân bằng lực và phương trình cân bằng mômen. Thông thường, người dùng cần phải định nghĩa trước vị trí cung trượt và tâm trượt khi sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đề xuất sử dụng phương pháp Monte Carlo để tìm kiếm mặt trượt và tâm trượt nhằm tăng độ tin cậy của kết quả tính toán. Monte Carlo là một kỹ thuật tìm kiếm ngẫu nhiên các mặt trượt thử có cấu trúc khá đơn giản. Theo phương pháp này, mặt trượt ngẫu nhiên sẽ được khởi tạo dựa trên mặt trượt có hệ số ổn định nhỏ nhất tại thời điểm ban đầu. Các điểm ngẫu nhiên sẽ được khởi tạo lân cận trên mặt trượt đó nhằm phục vụ quá trình tìm kiếm nghiệm tối ưu. Kết quả tìm kiếm tối ưu là mặt trượt nguy hiểm nhất, từ đó có thể dễ dàng xác định được tâm trượt nguy hiểm nhất.

Hình 1. Lý thuyết tính toán ổn định (Yang H., 2014)

Đặc điểm công nghệ

Hệ thống quan trắc ổn định mái dốc bao gồm hai thành phần chính: hệ thống thiết bị quan trắc và chương trình tính toán ổn định.
Hệ thống thiết bị quan trắc được tổ chức theo sơ đồ vệ tinh bao gồm 01 trạm trung tâm và các trạm đo vệ tinh được bố trí xung quanh. Các trạm đo có thể gắn các loại cảm biến khác nhau như cảm biến đo mực nước ngầm, cảm biến đo chuyển vị, cảm biến đo áp lực nước lỗ rỗng. Công nghệ truyền dẫn tín hiệu LORA được áp dụng nên bán kính hoạt động từ trạm đo trung tâm đến các trạm đo vệ tinh có thể được bố trí từ 5-10 km.
Các trạm đo vệ tinh thu thập dữ liệu từ các cảm biến và truyền về trạm đo trung tâm theo thời gian thực. Trạm trung tâm sẽ truyền tất cả các dữ liệu về hệ quản trị cơ sở dữ liệu để tổng hợp dữ liệu đầu vào cho chương trình tính toán. Dữ liệu quan trắc tại các trạm đo được lưu trữ trên bộ nhớ của các trạm đo nhằm hỗ trợ cho việc truy xuất dữ liệu khi cần thiết hoặc tránh việc mất dữ liệu đo khi có sự cố truyền nhận tín hiệu về trạm trung tâm. Thuật toán tối ưu năng lượng được áp dụng cho các trạm đo nên các trạm đo có thể hoạt động liên tục trong vòng từ 2 đến 3 năm mà không cần phải lắp đặt thêm hệ thống điện năng lượng mặt trời.
Ngoài ra, việc giao tiếp giữa kỹ thuật viên với các trạm đo được thực hiện bởi một ứng dụng trên điện thoại thông minh qua giao tiếp Bluetooth. Ứng dụng có tên “Geonode – Data collection system”, hỗ trợ kỹ thuật viên giao tiếp với các trạm đo nhằm phục vụ công tác thu thập dữ liệu, giám sát và kiểm tra tình trạng hoạt động của trạm đo.
Chương trình tính toán ổn định mái dốc được phát triển trên nền tảng Web với một số chức năng chính sau:
• Hiển thị, cập nhật bảng dữ liệu quan trắc mực nước ngầm theo thời gian;
• Tự động tính toán ổn định mái dốc theo phương pháp Morgenstern-Price;
• Tự động tìm kiếm mặt trượt nguy hiểm nhất theo Phương pháp Monte-Carlo;
• Tự động lưu trữ kết quả tính toán vào cơ sở dữ liệu;
• Hỗ trợ hiển thị và thực thi tính toán các chức năng trên nền tảng trình duyệt máy tính, máy tính bảng và điện thoại thông minh;
• Kiểm toán, đối chiếu kết quả tính toán ban đầu với phần mềm SLOPE/W.
Chương trình tính toán ổn định được xây dựng và thực thi tự động trên máy chủ. Máy chủ có cấu hình phù hợp với yêu cầu của bài toán và được kết nối với cơ sở dữ liệu quan trắc mực nước ngầm. Khi có dữ liệu quan trắc được gửi lên cơ sở dữ liệu, chương trình sẽ tự động tính toán và lưu hệ số ổn định trong cơ sở dữ liệu. Người sử dụng có thể sử dụng các thiết bị đầu cuối như máy tính, máy tính bảng, điện thoại thông minh có kết nối internet để truy cập chương trình tính toán thông qua trình duyệt internet.

Hình 2. Hệ thống quan trắc ổn định mái dốc có xét đến sự thay đổi mực nước ngầm
Hình 3. Giao diện chính ứng dụng Geonode.
Hình 4. Ứng dụng Geonode trên Google Play Store.

Chương trình tính toán được phân cấp quyền truy cập khác nhau. Quyền truy cập Admin của chương trình có thể điều chỉnh mô hình tính toán như thông số địa chất, tọa độ của các lớp địa chất, các tham số điều khiển thuật toán tìm kiếm mặt trượt.
Quyền Admin là quyền quản lý và cài đặt chương trình tính toán. Quyền Admin sẽ được cấp duy nhất một tài khoản và mật khẩu có thể thay đổi được. Quyền User chỉ được xem các dữ liệu quan trắc và dữ liệu tính toán hệ số ổn định. Để đăng ký tài khoản user, người sử dụng cần sử dụng email để đăng ký tài khoản.
Tài khoản Admin có các quyền truy cập các chức năng: Thay đổi thông số cơ lý của các lớp địa chất, thiết lập các thông số điều khiển thuật toán chương trình, vẽ mặt cắt tính toán với mực nước ngầm và tính toán ổn định tại bất kỳ thời điểm nào. Vẽ các biểu đồ quan hệ giữa hệ số ổn định theo phương trình cân bằng lực và phương trình cân bằng mô-men. Xuất báo cáo và các bảng tính toán.

Hình 5. Giao diện chính chương trình trên trình duyệt Chrome.
Hình 6. Bảng dữ liệu quan trắc và kết quả tính toán ổn định (phiên bản demo).
Hình 7. Mô hình bài toán với mực nước ngầm tại thời điểm tính toán (quyền Admin, giao diện demo).
Hình 8. Kết quả tính toán cung trượt và hệ số ổn định (quyền Admin, phiên bản demo).
Hình 9. Biểu đồ quan hệ giữa hệ số ổn định phương trình cân bằng lực và hệ số ổn định phương trình cân bằng mô-men theo phương pháp Morgenstern-Price.
Hình 10. Bảng dữ liệu quan trắc mực nước ngầm theo thời gian thực (phiên bản demo).

Kết luận

Hệ thống tính toán ổn định mái dốc có xét đến sự thay đổi mực nước ngầm được tích hợp nhiều công nghệ hiện đại. Các trạm đo vệ tinh được lắp đặt tại các vị trí cách xa trạm trung tâm từ 8-10 km nên phù hợp với các công trình quy mô lớn. Chương trình tính toán có thể thực thi theo thời gian thực dựa trên các số liệu quan trắc. Các kịch bản đã được xây dựng sẽ được hệ thống kích hoạt trong trường hợp khẩn cấp và gửi tin nhắn cảnh báo đến các thành viên ban quản lý điều hành công trình.

Tài liệu tham khảo

Huang, Yang H. (Yang Hsien), Slope stability analysis by the limit equilibrium method: fundamentals and methods. ISBN 978-0-7844-7800-4 (ebook).

 

Lê Đình Việt

BKSIMOTEC, Đà Nẵng.

Nghiên cứu sinh tại ĐH Paichai, Hàn Quốc.

E-mail: viet.xd.bkdn@gmail.com