Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu các đặc tính và phạm vi tác động của dòng chảy hỗn hợp hạt - chất lỏng hình thành từ các vụ trượt lở (04/03/2026)

Qũy Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia chủ trì thực hiện đề tài Nghiên cứu các đặc tính và phạm vi tác động của dòng chảy hỗn hợp hạt - chất lỏng hình thành từ các vụ trượt lở, TS. Võ Thành Trung làm chủ nhiệm. Mục tiêu của đề tài nghiên cứu là xây dựng mô hình tính toán số bằng phương pháp phần tử rời rạc nâng cao (Discrete Element Method - DEM) để nghiên cứu các đặc tính và phạm vi tác động của dòng chảy hỗn hợp đất-nước ở trạng thái chưa bão hòa được tạo ra bởi trượt lở ở một tỷ lệ nhỏ, nhằm mục đích cung cấp một sự hiểu biết sâu sắc hơn và toàn diện hơn về cơ chế hình thành khối trượt lở, các đặc tính vi cấu trúc, tính lưu biến, năng lượng công phá, và phạm vi ảnh hưởng của hiện tượng trượt lở. Trên cơ sở đó, thiết lập sự tương quan tổng quát giữa các đặc tính cơ lý của đất, nước, và hình thái của mái taluy/sườn núi với tính vi cấu trúc, tính lưu biến, năng lượng phá hủy cực đại, và phạm vi ảnh hưởng của hiện tượng trượt lở.

Sự tiến hóa hình thái của sự sụp đổ cột hạt – chất lỏng trên mặt phẳng nằm ngang.

Thông qua việc tổng hợp các kết quả nghiên cứu về sự tương tác phức tạp giữa các hạt vật liệu, đề tài đã sử dụng mô hình tương tác hợp lý giữa các hạt trong điều kiện chưa bão hoà bằng phương pháp mô phỏng số DEM (Discrete Element Method). Dạng quy luật lực kết dính nhớt mao dẫn (Capillary cohesion law) đặc trưng bởi lực kết dính và lực nhớt có thể thay đổi theo kích thước của các hạt cốt liệu, thể tích chất lỏng, đặc tính của chất lỏng, khoảng cách giữa các hạt cốt liệu trong quá trình tương tác, chuyển động tương đốigiữa các hạt khi tương tác và độ nhám bề mặt của các hạt vật liệu. Việc có khả năng xét đồng thời lực kết dính và lực nhớt giữa các hạt cốt liệu có thể giúp phản ánh chính xác đặc tính của chất lỏng trong tương tác giữa các hạt. Thực tế các kết quả mô hình đã cho thấy những ứng xử tương đồng với kết quả thực nghiệm khi sử dụng mô hình quy luật lực kết dính nhớt mao dẫn. Kết quả tổng hợp này giúp nhóm nghiên cứu tiếp cận một cách chính xác hơn sự tương tác phức tạp giữa các hạt vật liệu trong dòng chảy sạt lở đất ở điều kiện chưa bão hoà. Những kết quả nghiên cứu quan trọng phản ánh những đặc tính tương tác phức tạp giữa các hạt vật liệu thông qua mô hình tương tác kết dính nhớt mao dẫn cũng như những tác động đến các đặc tính của dòng chảy. Tuy nhiên, sự phức tạp trong tương tác giữa các hạt vật liệu vẫn có khả năng kết hợp với các lực tương tác khác, ví dụ như lực đàn hồi, ma sát và lực nhớt để có thể đưa ra các chỉ số không thứ nguyên.

Nghiên cứu đề xuất mô hình tương tác tối ưu và nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến động lực tương tác giữa các hạt vật liệu trong môi trường chưa bão hoà, mô hình tương tác giữa các hạt cốt liệu theo quy luật lực kết dính nhớt mao dẫn cho phép xét đến tổng thể các lực tương tác lên các hạt cốt liệu trong điều kiện chưa bão hoà được sử dụng để nghiên cứu động lực của dòng chảy chưa bão hoà. Ở điều kiện chưa bão hoà, chất lỏng tồn tại giữa các hạt cốt liệu theo dạng cầu mao dẫn. Ở trạng thái tương tác không tiếp xúc, các hạt cốt liệu chỉ chịu tác động bởi lực kết dính và lực nhớt, hai lực này xuất hiện do ảnh hưởng của sức căng bề mặt chất lỏng và độ nhớt của chúng. Tuỳ thuộc vào thể tích của phần chất lỏng cầu mao dẫn, sức căng bề mặt của chất lỏng, góc tương tác hình thành giữa ba pha rắn - lỏng - khí, kích thước của các hạt vật liệu, khoảng cách giữa hai hạt vật liệu, độ nhớt của chấtlỏng, vận tốc tương đối giữa hai hạt vật liệu, và độ gồ ghề bề mặt của các hạt cốt liệu, độ lớn của lực kết dính và lực nhớt sẽ thay đổi. Khi xuất hiện tương tác trực tiếp giữa hai hạt vật liệu, ngoài lực kết dính và lực nhớt còn kể thêm lực tương tác pháp tuyến và lực tiếp tuyến. Trong cơ học, các hạt vật liệu có thể bị biến dạng trong quá trình tương tác lẫn nhau. Tuy nhiên, theo phương pháp mô phỏng số DEM, một hạt vật liệu được định nghĩa xem như không biến dạng khi tương tác với một hạt vật liệu khác trong mẫu. Do vậy, thay vì kể đến sự biến dạng của các hạt, sự chồng lấn (overlap) giữa hai hạt hay vật thể được đề xuất, từ đó độ lớn của lực tương tác được xác định thông qua mức độ overlap giữa các hạt vật liệu. Tuy nhiên, cần mô phỏng mức độ overlap đủ nhỏ để đảm bảo tối ưu thời gian tính toán của mô hình. Lực tương tác pháp tuyến được xác định là tổng của thành phần lực đàn hồi (elastic) và lực chấn động (damping) giữa hai hạt cốt liệu. Lực đàn hồi theo phương pháp tuyến giữa hai hạt vật liệu phụ thuộc vào độ cứng theo phương tiếp tuyến giữa các hạt cốt liệu đang tương tác, giá trị độ cứng này được chọn để đảm bảo mức độ overlap phù hợp giữa hai hạt cốt liệu nếu tương tác xảy ra, mức độ overlap sẽ quyết định đến thời gian tính toán của mô hình và khả năng phản ánh các đặc tính thực tế của mẫu vật liệu. Lực đàn hồi này được xác định là sự phụ thuộc tuyến tính vào mức độ overlap giữa hai hạt cốt liệu tại điểm tương tác. Nếu lực tương tác pháp tuyến giữa các hạt cốt liệu chỉ xét phụ thuộc vào lực đàn hồi tuyến tính theo phương pháp tuyến, điều này sẽ không thể miêu tả một cách chính xác sự tương tác thực tế giữa chúng do không xét đến sự tiêu tán năng lượng trong quá trình tương tác. Sự tiêu tán năng lượng trong quá trình tương tác giữa hai hạt vật liệu là một đặc tính cố hữu và nhất thiết phải được xem xét. Một giải pháp đơn giản nhất để xét đến đặc tính này trong quá trình tương tác là bổ sung một lực chấn động (damping) khi hai hạt tương tác với nhau. Đại lượng này phụ thuộc vào chỉ số chấn động (damping) theo phương pháp tuyến và vận tốc tương đối giữa hai hạt vật liệu tại thời điểm tương tác. Lực tương tác pháp tuyến chỉ xuất hiện khi có hiện tượng overlap giữa hai hạt vật liệu. Lực tương tác tiếp tuyến giữa các hạt vật liệu được xác định theo định luật Coulomb. Nhiều thông số ảnh hưởng đến động lực tương tác giữa các hạt vật liệu trong điều kiện chưa bão hoà đã được nghiên cứu và cho thấy những ảnh hưởng rõ nét lên các đặc tính cơ lý của vật liệu rời rạc trong môi trường chưa bão hoà.

Nhóm nghiên cứu cũng đã xây dựng và thống kê các tham số quan trọng nhằm phản ánh chính xác sự tương tác phức tạp giữa các hạt vật liệu. Trong nhiều tham số ảnh hưởng đến động lực tương tác giữa các hạt vật liệu, các tham số liên quan đến đặc tính của vật liệu như: kích thước, độ cứng, hệ số ma sát, tỷ lệ và phân bố cấp phối hạt; các tham số liên quan đến chất lỏng: sức căng bề mặt và độ nhớt, thể tích chất lỏng cùng với các thông số liên quan đến điều kiện vận động của mô hình: chỉ số quán tính dòng hạt, ứng suất kiểm soát, cấu hình dòng vật liệu. Bên cạnh việc tổng hợp các kết quả nghiên cứu quan trọng và mới nhất trong và ngoài nước về sạt lở, ưu điểm và nhược điểm của các nghiên cứu này, đề tài đã tiến hành thiết lập các mô hình khảo sát khối sạt lở xuất hiện và vận động trên mặt phẳng nằm ngang, mặt phẳng nghiêng và các bề mặt phức tạp với các chiều cao địa hình, độ dốc sườn trượt, ma sát giữa các hạt vật liệu, dung trọng của đất đá, các đặc tính của chất lỏng như đặc tính dính kết và nhớt để khảo sát các đặc tính cơ lý, tính lưu biến, sức tàn phá và phạm vi tác động của dòng chảy tương ứng từng trường hợp cụ thể. Để thiết lập mô hình cột vật liệu dạng hạt chưa bão hoà (hỗn hợp đất-nước) sụp đổ và dịch chuyển trên mặt phẳng nằm ngang, nhóm nghiên cứu đã chuẩn bị một mẫu vật liệu có độ chặt thấp tương ứng với tổng số 31.500 hạt khô bên trong một hình khối chữ nhật và chưa xét đến trọng lực cũng như ma sát của các hạt. Đường kính hạt vật liệu thay đổi trong phạm vi từ hạt có kích thước lớn nhất đến hạt nhỏ nhất, trong đó đường kính hạt lớn nhất gấp đôi hạt nhỏ nhất. Các hạt được phân phối ngẫu nhiên bằng cách sử dụng phương pháp phân bố thể tích hạt để tránh hiệu ứng kết tinh của vật liệu. Sau đó, mẫu vật liệu hình khối chữ nhật chịu nén bán tĩnh bằng cách áp dụng các vận tốc nén khác nhau (tỷ lệ thuận với độ dày ban đầu của mẫu theo các phương) vào tất cả các thành bên cho đến khi đạt được trạng thái khá chặt tương ứng với thể tích phần rắn khoảng 45%. Hai tường bên theo phương trục y sau đó được loại bỏ và thay thế bằng các điều kiện biên tuần hoàn cũng như cho phép tất cả các hạt lắng đọng tự do xuống một mặt phẳng thô nằm ngang dưới tác động của trọng lực của chúng và loại bỏ các tường theo phương z cho đến khi đạt đến trạng thái chặt tương ứng với thể tích phần rắn khoảng 59%. Trong các bước thiết lập mô hình số này, hệ số ma sát giữa các hạt và thành không được xét đến để tăng cường độ chặt ban đầu của mẫu. Các lực kết dính mao dẫn và lực nhớt được kích hoạt ngẫu nhiên và đồng nhất giữa các hạt với khoảng cách không vượt quá chiều dài đứt gãy lớn nhất, ma sát giữa các hạt vật liệu cũng được xem xét để mẫu vật liệu đạt đến trạng thái cân bằng trước khi tiến hành thí nghiệm số. Đối với mô hình khối vật liệu hỗn hợp đất-nước sụp đổ trên mặt phẳng nằm nghiêng, sau đó trượt xuống, trước khi lan rộng và lắng đọng trên mặt phẳng nằm ngang, quá trình thiết lập mô hình được thực hiện thông qua 4 bước chính: 1) Khởi tạo một thể tích khối sạt lở của hỗn hợp đất-nước trên đỉnh của mặt nghiêng có góc nghiêng bằng cách tạo một khối chứa đầy các hạt vật liệu. 2) Sử dụng phương pháp nén đẳng hướng để tạo mẫu vật liệu có độ chặt nhất định. 3) Đặt khối vật liệu trên mặt phẳng nằm nghiêng bằng cách sử dụng điều kiện biên tuần hoàn theo phương trục y. Các bề mặt gồ ghề của vùng thượng lưu và hạ lưu được tạo ra bằng cách kết hợp các hạt có cùng hình dạng, kích thước và khối lượng. Kích thước của các hạt này tương đương với đường kính hạt trung bình khoảng 1.2 mm được mô hình hóa trong khối hạt. Các hạt này được sắp xếp và cố định trong quá trình sụp đổ của vật liệu. 4) Loại bỏ tường trước của khối hạt để kích hoạt quá trình sạt trượt của dòng hạt trên mặt phẳng nằm nghiêng trước khi chảy, lan rộng và lắng đọng trên mặt phẳng nằm ngang. Trong mô hình nghiên cứu này, các thông số chính của mô hình như chiều dài khối trượt, chiều dài sườn trượt ở vùng thượng lưu, và góc nghiêng của sườn trượt được thay đổi trong những khoảng lớn để có thể đánh giá những tác động của các tham số này đến đặc tính vận động, tính lưu biến, các đặc tính vĩ mô và vi cấu trúc của dòng chảy.- Sự ảnh hưởng của hình dạng dòng chảy trong các vụ sạt lở và chiều cao sườn dốc đến các đặc tính lưu biến và phạm vi tác động của dòng vật liệu càng trở nên phức tạp hơn khi xét đến một điều kiện biên phức tạp, ảnh hưởng đến sự tương tác giữa các hạt vật liệu theo các cơ chế khác nhau. Về cơ bản, các đặc tính của lòng dẫn (chiều dài sườn dốc, độ dốc, độ gồ ghề, khả năng xói lòng dẫn…) ảnh hưởng rất lớn tính lưu biến và phạm vi tác động của dòng chảy hỗn hợp ở khu vực hạ lưu. Trong mô hình nghiên cứu này, cột hạt vật liệu có hệ số hình dạng thay đổi từ 1.0 đến 4.0, đây là khoảng giá trị đủ lớn đến xét đến ảnh hưởng của chiều cao và thể tích khối sạt lở. Tương tự như các mô hình nghiên cứu ở trên, khối vật liệu trong mô hình nghiên cứu này cũng được thiết lập thông qua 4 bước. Trong đó, quá trình tạo lớp vật liệu có khả năng bị xói trên mặt nghiêng được tiến hành đồng thời với quá trình tạo cột vật liệu sạt lở. Mô hình nghiên cứu cũng sử dụng điều kiện biên tuần hoàn theo phương trục y, trong đó trục z được dở bỏ hoàn toàn các tường và thay bằng bề mặt nghiêng gồ ghề phía dưới, tường trước của khối sạt lở có khả năng tháo bỏ để kích hoạt quá trình dịch chuyển của dòng vật liệu rời rạc. Ngoài ra trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu còn thay đổi góc nghiêng của sườn dốc trong một khoảng giá trị khá lớn, ma sát giữa các hạt vật liệu, độ đặc chắc ban đầu của cột vật liệu cũng như dung trọng của vật liệu hạt trong cột để có thể đánh giá tổng quát về ảnh hưởng cấu hình sạt lở, chiều cao khối sạt và đặc tính của vật liệu đến các đặc tính vĩ mô và vi cấu trúc của dòng chảy. Các đặc tính này được đặc trưng bởi động năng dòng chảy, khối lượng, khoảng cách của dòng chảy lắng đọng ở phần hạ lưu của mô hình. Ngoài ra, hệ số ma sát biểu kiến cũng là đại lượng quan trọng để đánh giá đặc tính vận động của dòng chảy gây ra bởi các vụ sạt lở đất.

Nhóm nghiên cứu cũng đã tiến hành khảo sát được một số ảnh hưởng của thể tích khối sạt và các đặc tính của vật liệu như ma sát giữa các hạt vật liệu, ứng suất dính kết giữa các hạt vật liệu, ứng suất nhớt đến các đặc tính cơ lý, tính lưu biến và phạm vi tác động của dòng chảy phát sinh từ sạt lở đất. Theo nghiên cứu, động năng dòng chảy giảm nhẹ khi tăng ma sát giữa các hạt vật liệu, điều này là do hiện tượng tiêu tán năng lượng xảy ra trong quá trình tương tác giữa các hạt vật liệu trong suốt quá trình xảy ra dòng chảy vật liệu. Ngược lại với ảnh hưởng của hệ số ma sát giữa các hạt vật liệu, thể tích khối sạt lở chi phối rất lớn quá trình vận động của dòng chảy vật liệu, đặc trưng bởi hiện tượng gia tăng động năng dòng chảy khi tăng hệ số cấu hình của khối sạt lở. Nghiên cứu ảnh hưởng của thể tích khối sạt lở và các đặc tính của vật liệu cho thấy những mối tương quan mật thiết của các thông số đầu vào ở trên và điều kiện của mô hình đến các đại lượng như: năng lượng dòng chảy, độ linh động, hình thái lắng đọng và chiều dài tác động của dòng chảy.

Nghiên cứu khảo sát đặc tính vận động và phạm vi ảnh hưởng của các dòng chảy phát sinh từ trượt lở đất cho thấy, mặc dù tổng động năng và hình thái sụp đổ không bị ảnh hưởng đáng kể bởi tỷ lệ hạt lớn, nhưng sự đóng góp của từng pha hạt vào động năng có sự khác biệt rõ rệt, trong đó động năng của hai pha hạt tương đương nhau khi tỷ lệ hạt lớn đạt khoảng 10%. Đồng thời, khoảng cách lan rộng của dòng hạt có xu hướng giảm nhẹ khi tăng tỷ lệ hạtlớn, điều này liên quan đến sự thay đổi ma sát tổng thể của hệ hạt do kích thước trung bình của chúng tăng lên. Ngoài ra, hiện tượng phân tách kích thước hạt cũng được ghi nhận khi các hạt lớn có xu hướng nổi lên bề mặt trong khi hạt nhỏ lắng xuống do trọng lực và sự mất cân bằng lực, trong đó mức độ phân tách kích thước hạt tăng dần khi tỷ lệ hạt lớn tăng nhưng lại không phụ thuộc nhiều vào hình dạng ban đầu của cột hạt. Để định lượng mức độ phân tách này, nghiên cứu sử dụng hệ số ma sát biểu kiến của từng pha hạt, kết quả cho thấy rằng hệ số này của hạt nhỏ luôn lớn hơn so với hạt lớn, chứng tỏ rằng hạt nhỏ có xu hướng ít di chuyển hơn trong quá trình sụp đổ. Những kết quả trên không chỉ cung cấp hiểu biết sâu hơn về động lực học của dòng chảy hạt mà còn góp phần làm rõ cơ chế phân tách kích thước trong các dòng chảy tự nhiên, từ đó hỗ trợ dự báo và quản lý rủi ro do các thảm họa như lở đất và dòng bùn đá gây ra.

Để có thể biểu diễn và phân tích rõ hơn về ảnh hưởng của các đặc tính của chất lỏng đến các đặc tính lưu biến, động lực dòng chảy, các đặc tính vi cấu trúc của các dòng chảy sạt lở đất, một mẫu vật liệu được mô phỏng vận động trên mặt phẳng nằm nghiêng bằng phương pháp mô phỏng số DEM. Quá trình thiết lập cấu hình dòng chảy này tương tự như các mô hình trên. Trong mô hình này, điều kiện biên liên tục được gán cho cả hai phương x và y của mô hình để khảo sát dòng chảy liên tục của vật liệu trên mặt nghiêng. Dưới tác động của trọng lực, các hạt dịch chuyển từ trạng thái nghỉ trước khi đạt đến trạng thái ổn định. Ở giai đoạn ổn định, cơ bản dòng hỗn hợp được phân tách thành 3 vùng chuyển động khác nhau. 1) Vùng giống rắn (solid-like region), các hạt gần như chuyển động cùng vận tốc và không có hiện tượng chuyển động tương đối giữa các hạt, nghĩa là hệ số quán tính gần như bằng 0; 2) Vùng giống chất lỏng (liquid-like region), các hạt chuyển động với vận tốc rất khác nhau theo chiều cao của mẫu khảo sát, do vậy hệ số quán tính của vùng này sẽ thay đổi lớn khi thay đổi góc nghiêng của mặt trượt; 3) Vùng chuyển tiếp (solid-liquid transition region) hình thành giữa 2 vùng giống rắn và giống lỏng. Khi cả ba vùng này cùng hình thành theo chiều cao của dòng chảy, ứng suất kết dính ảnh hưởng khá đồng nhất đến mật độ cũng như cường độ của lực nén và lực kéo. Ngược lại, trong các vùng có tính chất giống rắn và giống chất lỏng, lực nén thể hiện ảnh hưởng trái ngược nhau đối với độ nhớt của chất lỏng. Những hiện tượng phức tạp này có thể được giải thích bởi các đặc tính vốn có của sự liên kết của cầu chất lỏng, trọng lực của hạt và lực va chạm giữa các hạt. Những quan sát về đặc tính vi cơ học của dòng chảy này giúp làm sáng tỏ các pha khác nhau theo chiều cao của dòng chảy, đồng thời cung cấp những cơ sở vật lý quan trọng về cơ chế hình thành dòng chảy trong các trận trượt lở đất.

Với kết quả nghiên cứu trên, đề tài đã cung cấp hiểu biết chi tiết và toàn diện các đặc tính vi cấu trúc và tính lưu biến cũng như ảnh hưởng của các tham số chính kể trên đến năng lượng công phá và phạm vi tác động của trượt lở. Bằng cách xây dựng các phương trình tương quan tổng quát giữa các đặc tính vi cấu trúc, tính lưu biến, năng lượng công phá, và phạm vi tác động với các chỉ số không thứ nguyên, nghiên cứu đã cung cấp nền tảng định lượng cho việc dự báo và phân tích trượt lở đất, là cơ sở để nghiên cứu trượt lở đất/đá ở tỷ lệ thực tế. Kết quả của các phương trình tương quan tổng quát được kiểm chứng thông qua chỉ số R² và so sánh với các nghiên cứu khác, đảm bảo độ tin cậy cao. Việc xác định các chỉ số không thứ nguyên và phương trình tương quan giúp các nhà khoa học và nhà quản lý có thể định lượng, đánh giá, dự báo mức độ ảnh hưởng của trượt lở đất trong từng trường hợp cụ thể. Đồng thời, kết qủa nghiên cứu có thể hỗ trợ đề xuất giải pháp giảm thiểu rủi ro thiên tai và xây dựng các biện pháp ứng phó hiệu quả hơn trong thực tế.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ thông tin và truyền thông Hải Phòng./.