5. Cấu trúc luận văn
2.2.1. Một số phương pháp địa chất áp dụng trong nghiên cứu tai biến trượt lở
trượt lở
Khi nghiên cứu về tai biến địa chất, trong đó có trượt lở, những phương pháp khoa học cơ bản được áp dụng đó là: phương pháp nghiên cứu cấu trúc địa chất, phương pháp nghiên cứu hoạt động kiến tạo, phương pháp địa mạo, phương pháp địa vật lý, phương pháp địa kỹ thuật, phương pháp GIS – Viễn thám,....vv.
Sự ổn định của sườn dốc phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm: loại đất đá cấu thành nên sườn dốc, cấu trúc địa chất của sườn dốc, nước ngầm và độ lớn của
39 ứng suất tại chỗ.
+ Phương pháp nghiên cứu cấu trúc địa chất chú ý tới những đặc điểm về địa tầng, thạch học hay thành phần đất đá,...vv.
Các cấu trúc địa chất cho phép tăng cường sự hoạt động các tác nhân phong hoá khiến các đá bị bóc tách ra khỏi mặt sườn dốc sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trượt đá.
Ngoài ra, quá trình uốn nếp cũng có thể làm giảm sức kháng cắt của các tầng đá yếu hơn. Hiện tượng trượt cắt trong quá trình uốn nếp có thể tái định hướng các khoáng vật trong đới dịch chuyển và khiến sức bền của bề mặt giữa các lớp liền kề nhau giảm.
Sức bền của đất đá phụ thuộc vào thành phần khoáng vật và kiến trúc của nó. Các khoáng vật sét nhậy nhất với với biến dạng và có khả năng sập đổ nhanh do sức bền của nó giảm rất nhanh chóng (Hình 2.13), trong khi các khoáng vật kết tinh thường khá bền. Những đá có kiến trúc định hướng chẳng hạn như đá phiến, đá phiến và sét bị ép mỏng có sức bền nhỏ nhất theo phương song song với kiến trúc. Vai trò của thành phần khoáng vật cũng như kiến trúc đá đối với sự ổn định của sườn dốc có thể thể hiện ở quy mô từ toàn bộ sườn dốc tới những đới trượt nhỏ. Những đới trượt này đôi khi có chiều rộng chỉ một vài cm cũng có thể ảnh hưởng to lớn đến độ ổn định của sườn dốc nếu nó đóng vai trò là mặt trượt của khối trượt lớn. [23]
Hình 2.13. Sườn dốc thành phần sét chủ yếu có nguy cơ sụp đổ rất nhanh chóng, đặc biệt là khi có mưa bổ sung làm bão hòa nước ở tầng cát kết phía trên (A). Khi trượt, lớp sét
40
Các tính chất của vật liệu liên quan mật thiết nhất tới sự ổn định của sườn dốc là ma sát, lực gắn kết và tỉ trọng của đất đá.
Các giá trị đặc trưng của góc ma sát và lực gắn kết có thể xác định thông qua thí nghiệm cắt. Đối với bề mặt phẳng của một khe nứt. Lực cố kết là 0 và sức kháng cắt chỉ được xác định bởi góc ma sát. Góc ma sát của đá liên quan tới kích thước và hình dạng của những hạt lộ trên bề mặt khe nứt. Do đó, một loại đá thành phần hạt mịn và đá với thành phần nhiều mica có khuynh hướng có góc ma sát nhỏ. Trong khi đó đá với thành phần hạt thô lại có góc ma sát cao.
Bảng 2.1 . Những kích cỡ hạt ứng với giá trị góc ma sát cho những loại đá có thành phần không đồng nhất (Branton 1973 ; Jaeger and Cook 1976). [20]
Phân loại Khoảng góc ma sát Loại đá
Ma sát nhỏ 20 – 27 Đá phiến (chứa nhiều mica), phiến sét, Mac nơ (gồm sét và vôi)
Ma sát trung
bình 27 – 34
Cát kết, bột kết, đá phấn, gneiss, đá phân phiến
Ma sát lớn 34 – 40 Bazan, granite, đá vôi, cuội kết Những góc ma sát trong bảng 2.1 chỉ nên được sử dụng như một nguyên tắc bởi những giá trị thực tế biến đổi trên phạm vi rộng với từng vị trí nghiên cứu khác nhau.
Bảng 2.2. Giá trị góc ma sát của một số loại đá (theo Hoek và Bray, 1981) [23]
Loại đá Góc ma sát (độ)
Amphibolite (đá biến chất) 38
Basalt (đá magma phun trào) 31 - 38
Cuội kết 35 Đá phấn 30 Dolomite (đá trầm tích) 27 - 31 Gneiss (đá phiến) 23 - 29 Gneiss (hạt mịn) 29 - 35 Gneiss (hạt thô) 31 - 35 Đá vôi 33 - 40
41 Granite 31 Cát kết 25 - 35 Shale (Phiến sét) 27 Bột kết 27 - 31 Đá phiến 25 - 30
(Trong bảng 2.2, giá trị ngưỡng dưới tương ứng với trường hợp đá ướt)
Bảng 2.3. Giá trị góc ma sát của một số loại đá thu được từ thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, Andre Johan Geertsema, 2003. [22]
Loại đá Góc ma sát (độ) A. Đá trầm tích Đá phiến sét 31,72 - 31,9 Cát kết 27,89 – 35.95 Đá bùn (Mudstone) 32,71 Bột kết 38,19 B. Đá phun trào Dolerite 31.03 - 36,32 Granite 31,11 Riolite 35,03 C. Đá biến chất Quartzite 27,85 - 30,42 Tillite (đá băng tích cổ) 32,63
+ Phương pháp nghiên cứu về tính chất cơ học của các loại đất đá, hoạt động địa chất thủy văn tại khu vực nghiên cứu,...
- Chế độ hoạt động nước ngầm
Độ ổn định của sườn dốc có thể bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự có mặt của nước ngầm cũng như động thái của chúng (Hình 2.14). Tác động của nước ngầm thể hiện thông qua việc:
- Làm thay đổi ứng suất hiệu dụng và vì vậy thay đổi khả năng chịu ứng suất cắt.
42
- Sinh ra các lực liên quan tới hiện tượng dò rỉ của các dòng chảy về phía mặt dốc. Quá trình này sinh ra các lực có xu hướng làm mất ổn định sườn dốc.
- Tăng cường hoạt động của các tác nhân phong hoá và rửa trôi.
Hình 2.14. Sườn dốc không có đường thoát nước
(A) có nguy cơ trượt cao hơn so với sườn dốc có đường thoát nước (B)
Theo lý thuyết cân bằng hệ số an toàn được định nghĩa là tỉ số của lực cản (resisting forces (F
r)) và lực tạo ra vận động (driving forces (F d)): FS = F
r/F d
Hệ số an toàn của sườn dốc với một khoảng góc dốc nhất định được thể hiện trên hình 2.15 cho hai điều kiện cực trị cho sườn dốc khô và sườn dốc bão hòa nước. Rõ ràng sự có mặt của nước ngầm ở sườn dốc có thể ảnh hưởng to lớn đến sự ổn định của sườn dốc và việc tháo khô nước là cách hiệu quả nhất để nâng cao độ ổn định của sườn.
43
Hình 2.15. Sự biến đổi hệ số an toàn theo góc dốc của sườn
Sườn dốc sẽ xảy ra phá hủy nếu hệ số an toàn của nó nhỏ hơn 1, trên hình 2.15 có thể thấy rằng sườn dốc bão hòa nước sẽ bị phá hủy nếu nó có góc dốc lớn hơn 64o. Sườn dốc khô về mặt lý thuyết ổn định ở mọi giá trị góc dốc tuy nhiên hệ số an toàn khoảng 1,2 không đủ lớn để đảm bảo chắc chắn để duy trì sự ổn định của sườn. Hầu hết các sườn dốc tạo ra khi khai mỏ yêu cầu ổn định trong thời gian tương đối ngắn thì hệ số an toàn 1,3 thường được coi là giá trị nhỏ nhất có thể chấp nhận được. Với sườn dốc cạnh các tuyến đường, hệ số an toàn phải đảm bảo khoảng 1,5.
- Ứng suất tại chỗ
Ứng suất bên trong sườn dốc được tạo ra do khối lượng của bản thân sườn dốc, sự có mặt và vận động của nước ngầm và lịch sử địa chất của đá cấu thành nên sườn dốc. Đôi khi còn do ảnh hưởng của các trận động đất.
Ứng suất do lịch sử địa chất của đất đá quyết định bởi lịch sử chôn vùi – trồi lộ và thể hiện trong bản thân vật chất, chúng là phần tàn dư của các tác nhân từng hoạt động trong lịch sử mà hiện nay không còn nữa, cho nên thường được gọi là ứng suất dư.
44
là tàn dư của ứng suất bị giải phóng không hoàn toàn trong quá trình giảm tải khi tạo thành sườn dốc.
+ Phương pháp nghiên cứu hoạt động kiến tạo
Phương pháp này nghiên cứu những ảnh hưởng của hoạt động của đứt gãy, khe nứt, mặt trượt, hoạt động địa chấn,...vv tới việc phát sinh trượt.
Các bề mặt như mặt phân lớp, mặt phân phiến, mặt cát khai, đứt gãy, thớ chẻ và khe nứt tồn tại trên sườn dốc có thể có ảnh hưởng to lớn đến độ ổn định của sườn dốc nếu hướng nghiêng của các mặt này phù hợp với hướng dịch chuyển của sườn dốc (Hình 2.16). Các yếu tố này thường đóng vai trò là mặt trượt khi dịch trượt xảy ra ở sườn dốc.
Hình 2.16. Sườn dốc có nguy cơ trượt cao khi có mặt hiện tượng tách phiến. (Tách phiến trên thể nền Granit Yesomite - Hoa Kỳ)
- Hoạt động địa chấn
Sự giải phóng năng lượng trong các trận động đất hoặc do các hoạt động nhân sinh khác như nổ mìn, xe tải hạng nặng hoạt động... sinh ra các sóng địa chấn di chuyển trong lòng đất. Các sóng này sinh ra giao động của nền đất đá. Hiện tượng này làm tăng ứng suất cắt ở sườn dốc và làm giảm thể tích lỗ hổng của vật chất dẫn tới tăng áp suất chất lưu trong lỗ hổng và khe nứt. Do đó lực cắt tăng và lực ma sát - lực kháng cắt giảm. Tác nhân này ảnh hưởng tới phản ứng của sườn dốc phụ thuộc vào độ lớn của dao động địa chấn, thời gian diễn ra, sức bền động của vật liệu bị ảnh hưởng và quy mô của sườn dốc.
45
+ Nghiên cứu địa mạo liên quan tới đặc điểm, hình thái, quy mô sườn dốc, địa hình khu vực nghiên cứu,...
Xét đến lịch sử tiến hóa của sườn dốc sẽ chứng minh được sườn dốc tự nhiên mà đã xảy ra trượt lở thường có lịch sử địa chất không ổn định. Điều quan trọng của lịch sử sườn dốc cần biết là các điều kiện đã tồn tại từ trước mà ảnh hưởng tới sườn dốc và lịch sử phong hoá và bào mòn của sườn dốc.
Tốc độ phong hoá hoá học có thể ảnh hưởng ngắn hạn hoặc dài hạn tới độ ổn định của sườn dốc. Các trầm tích mềm thường liên quan mật thiết nhất tới quá trình biển đổi hoá học. Các đá cứng thường bao gồm các khoáng vật bền vững, kém nhạy với các biến đổi hoá học.
Các biến đổi hoá học xảy ra nhanh thường liên quan với hiện tượng trương nở của thạch cao trong quá trình hydrat hoá và sự phân huỷ của các sulfua sắt (pyrite và marcasite) trong quá trình oxi hoá. Sự tác động của nước có thể gây quá trình trương nở và sinh ra ứng suất nén.
Sườn dốc tự nhiên trở nên không ổn định khi có những thay đổi bất thường của các quá trình bào mòn sườn dốc. Độ ổn định của sườn dốc ở vách bờ sông, rìa thung lũng, đặc biệt là những nơi sườn dốc gần rìa hồ chứa cần được đánh giá một cách kỹ lưỡng.
Tóm lại, độ ổn định của sườn dốc là một tiêu chí quan trọng cần được xem
xét trong việc khai mỏ, thi công các hố đào sâu và mở đường giao thông. Các yếu tố địa chất ảnh hưởng đến độ ổn định của sườn dốc bao gồm loại đất đá cấu thành nên sườn dốc, cấu trúc địa chất của sườn dốc, nước ngầm và độ lớn của ứng suất tại chỗ,… trong đó yếu tố cấu trúc và thành phần đất đá đóng vai trò quan trọng nhất.
Để dự báo chi tiết độ ổn định của sườn dốc cho từng điểm cụ thể, cần kết hợp nhiều nguồn tài liệu khác nhau để đánh giá một cách đầy đủ vai trò mạnh hay yếu của từng yếu tố có tác động làm mất độ ổn định của sườn dốc.
2.2.2. Phương pháp tổng hợp, phân tích, đánh giá tài liệu
Phương pháp này bao gồm:
46
mối quan hệ của nó với những yếu tố cấu tạo sườn dốc.
- Phân tích các bản đồ địa chất nhằm cung cấp những thông tin về cấu trúc, địa tầng, thành phần thạch học, hoạt động kiến cạo, mức độ dập vỡ của đá.
- Phân tích các tài liệu đã công bố. Kết quả tổng quan tài liệu chỉ ra những thành tựu trong nghiên cứu trượt lở và những hạn chế cần tiếp tục nghiên cứu.