Hiện tượng trượt lở đất hiện diễn ra khắp nơi trên toàn thế giới, thu hút rất nhiều sự quan tâm của Chính phủ từ các nước, cơ quan quản lý và các nhà khoa học bởi những tác động nghiêm trọng và có xu hướng tăng dần (Baum, 2000).

 Trượt đất và phương pháp đánh giá

Ở Việt Nam, những vụ trượt lở đất gần đây tại Hòa Bình, Yên Bái, Lào Cai, Hà Giang…đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng. Chính vì vậy các nước, trong đó có Việt nam đều tiến hành những dự án, đề tài về trượt lở đất. Các nghiên cứu trên thế giới nhờ có sự hỗ trợ của nền khoa học công nghệ cao đã thu được nhiều kết quả trong vấn đề cảnh báo trượt lở đất (Kane, 1999). Tuy nhiên, những hệ thống cảnh báo thời gian thực có thể thương mại hóa trên thế giới cũng là rất hiếm hoi (Baum, 2005).
Trượt lở đất đá trên sườn dốc là một dạng của tai biến địa chất, thực chất đó là quá trình dịch chuyển trọng lực các khối đất đá cấu tạo sườn dốc từ trên xuống phía dưới chân sườn dốc do tác động của các nguyên nhân (trọng lượng bản thân khối đất đá trượt, tải trọng ngoài, áp lực thủy tĩnh, áp lực thuỷ động, lực địa chấn và một số lực khác) làm mất trạng thái cân bằng ứng suất trọng lực và biến đổi tính chất cơ lý của đất đá đến mức làm mất ổn định sườn dốc. Lịch sử loài người đã chứng kiến và phải chịu nhiều thảm họa về tổn thất của cải, cơ sở hạ tầng, nhân mạng... vì trượt lở đất đá trên sườn dốc với những khối trượt khổng lồ. Có nhiều nguyên nhân gây trượt lở đất như cấu trúc địa chất, đặc điểm địa hình của sườn dốc, quá trình phong hoá, quá trình Karst, tác động của nước mưa đặc biệt là lượng mưa lớn và kéo dài, các hoạt động kinh tế, xây dựng của con người mà chủ yếu là cắt xén sườn dốc để làm đường, nổ mìn, san gạt để xây dựng với sự suy giảm của lớp phủ thực vật,...

Về đánh giá trượt lở, phải là sự đánh giá tổng hợp thường là định tính và cuối cùng là định lượng. Để đánh giá định lượng ổn định trượt có thể sử dụng phương pháp tính chặt chẽ (theo trạng thái ứng suất biến dạng) và phương pháp thực hành theo lý thuyết cân bằng giới hạn. Xét về nguyên lý, tính toán theo trạng thái ứng suất-biến dạng, cần xuất phát từ luận điểm cho rằng trường ứng suất tại mỗi điểm trong khối đất đá ở bờ dốc phải thoả mãn điều kiện cân bằng tĩnh học (trong điều kiện bài toán động phải tính đến gia tốc dịch chuyển). Việc mô tả ứng xử thực tế của các nhóm đất đá là một rào cản khó khắc phục để sử dụng phương pháp tính theo ứng suất-biến dạng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp đơn giản, phương pháp tính toán này đã được áp dụng thành công, đặc biệt là khi ngày nay có các công cụ tính toán mạnh. Để đánh giá ổn định theo phương pháp chặt chẽ, trạng thái ứng suất-biến dạng của khối đất đá ở sườn dốc có thể được tính theo lời giải giải tích của V.V. Xokolovski hoặc theo phương pháp số (thường là phương pháp phần tử hữu hạn). Khác với phương pháp tính toán theo trạng thái ứng suất - biến dạng, phương pháp cân bằng giới hạn dựa vào những khái niệm gần đúng của sự phân tích ứng suất và một số tiền đề suy luận về đặc tính biến dạng của khối đất đá ở sườn dốc. Cho đến nay, các phương pháp này vẫn là cơ sở thực tiễn có hiệu quả nhất để tính toán sườn dốc cho những trường hợp cụ thể.

Ứng dụng cảm biến trong cảnh báo trượt đất

Để cảnh báo trượt lở, có thể chia việc cảnh báo thành hai loại là dài hạn và tức thời. Việc cảnh báo dài hạn là sử dụng bản đồ GIS, GPS có độ chính xác cao,... để quan sát trượt lở theo hàng năm. Việc cảnh báo tức thời là việc sử dụng các cảm biến nhận dạng dấu hiệu trượt lở ngay trước khi sự cố trượt lở xảy ra. Trong cảnh báo tức thời, việc sử dụng các cảm biến quán tính, đo mưa, độ ẩm... là cần thiết. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) mà các cảm biến có vừa độ chính xác cao, giá thành rẻ và kích thước nhỏ sẽ càng thuận lợi cho việc triển khai thành một mạng các cảm biến (Knutti, 2004) (Lynch, 2001). Hình 1 minh họa việc lắp đạt các hộp cảm biến có thể thiết lập thành một mạng cảm biến không dây sử dụng cho hệ cảnh báo trượt lở đất thời gian thực.

Hình 2 mô tả các khối chức năng chính trong hệ thống cảnh báo trượt lở đất đáp ứng yêu cầu thời gian thực. Thiết bị sẽ có khả năng phát hiện trượt lở trước khi có thể nhìn thấy bằng mắt thường và trước khi có thể nghe được các chuyển động trong lòng đất bằng tai, chính vì thế sẽ phục vụ tốt cho công tác sơ tán để giảm thiểu thiệt hại. Thiết bị cảnh báo sẽ được đóng gói, đặt sâu khoảng 2-5m tại các sườn dốc. Thiết bị sử dụng một mạng lưới các cảm biến nhỏ gọn và đảm bảo độ chính xác tốt nhằm đo được các rung động nhỏ trong đất. Khi đo được rung động, chương trình xử lý tín hiệu nhúng với các thuật toán thông minh sẽ được thực thi nhằm đánh giá khả năng trượt lở đất có thể xảy ra hay không, từ đó có thể đưa ra cảnh báo. Một số các cảm biến phụ trợ ví dụ như cảm biến đo độ ẩm cũng sẽ được tích hợp vào hệ thống nhằm đưa ra các đánh giá chính xác hơn. Vị trí lắp đặt hệ thống cảnh báo tức thời này sẽ tại những khu vực được đánh giá có khả năng trượt lở cao.

Hiện trường vụ sạt lở đất ngày 26/9/2012 tại quốc lộ 4D Lào Cai - SaPa - Ảnh nguồn Internet

Những vấn đề về tính ổn định của thiết bị trong thời gian dài, tiêu hao công suất, phương thức truyền thông vẫn là những thách thức to lớn với các nhà nghiên cứu, đòi hỏi những phương thức, giải thuật tối ưu (Lynch, 2006). Sở dĩ việc sử dụng cảm biến không dây là bởi sẽ: giảm bớt việc truyền thông bằng cáp, giảm vật liệu tiêu hao và tăng tính tin cậy cho hệ thống vì lí do nếu dùng cáp có thể bị đứt. Vì sử dụng trong thời gian dài và liên tục nên các hệ công suất thấp là điều rất cần thiết. Các giải thuật mới cần được thiết kế để giảm thiểu lượng dữ liệu phải thu thập.

Vào năm 2005, nhóm nghiên cứu của Towhata đã đề xuất một hệ thống đầu tiên để cảnh báo trượt lở đất (Towhata, 2005). Hệ thống bao gồm cảm biến đo độ ẩm, đo nghiêng và thiết bị truyền tin không dây. Dữ liệu từ hệ cảm biến sẽ được gửi tới trung tâm để xử lý rồi đưa ra các cảnh báo nếu cần thiết. Tuy nhiên việc sử dụng cảm biến đo nghiêng là khá lạc hậu, hiện tại có thể sử dụng cảm biến gia tốc 3 chiều chế tạo trên cơ sở công nghệ MEMS để cho kết quả chính xác, cấu hình nhỏ gọn, hiệu quả hơn. Ngoài ra, việc xử lý thông tin cảnh báo chưa được tự động hóa. Đến năm 2006, một hệ cảnh báo khác được đề xuất (Terzis, 2006). Trong hệ thống này, các hộp cảm biến tinh xảo có thể phát hiện độ biến dạng nhỏ của đất và thông tin vị trí cảm biến được đưa vào mô hình phần tử hữu hạn. Hệ thống có thể hoạt động thành công nhưng chi phí giá thành là quá lớn nên không thể triển khai thực tế được. Rõ ràng việc xử lý trên các cảm biến giá thành chấp nhận được (ở đây là các cảm biến MEMS) với các kỹ thuật phân tích dữ liệu với mô hình phù hợp cũng là một thách thức để có thể triển khai thực tế. Gần đây, năm 2010 nhóm nghiên cứu Huggel Christian đã bước đầu tích hợp phương pháp phần tử hữu hạn vào mô hình cảnh báo và tiến hành thực nghiệm tại Colombia (Huggel Christian, 2010). Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp phần tử hữu hạn là khối lượng tính toán rất lớn, khó có thể triển khai thực tế trên diện rộng.

Kết luận: Những nghiên cứu ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là cảnh báo và giám sát dài hạn sử dụng bản đồ số GIS kết hợp ảnh vệ tinh. Việc xây dựng hệ thống cảnh báo tức thời còn rất mới mẻ tại Việt nam. Vì thế, nghiên cứu, khảo sát và thiết lập mạng lưới quan trắc nhằm dự báo, ngăn ngừa, giảm thiểu trượt lở đất là điều mà giới chuyên môn trong nước cũng như các cơ quan quản lý nhà nước cần tích cực nghiên cứu, tiếp cận (http://www.isif.asia/).