6. CƠ SỞ TÀI LIỆU
1.2.3. Nguyên nhân gây xói lở bờ sông
Thực chất xói lở và bồi tụ là hai mặt đối lập của quá trình diễn biến lòng sông xảy ra theo những nguyên lý địa mạo, phụ thuộc vào mối quan hệ giữa năng lƣợng của dòng nƣớc và lƣợng bùn cát có trong dòng chảy ở thung lũng nói chung và phần hạ lƣu sông nói riêng. Hoạt động xói lở có thể xảy ra cả trên đáy lẫn hai bên bờ và đƣợc gọi là xâm thực sâu và xâm thực ngang. Các hoạt động xâm thực sâu, xâm thực ngang hay uốn khúc của dòng sông, cuối cùng, đều nhằm đạt đến trạng thái cân bằng động của lòng dẫn sông.
Xói lở bờ chính là quá trình biến hình ngang của lòng dẫn xảy ra do tổ hợp của quá trình xói lòng dẫn và lở bờ, trong đó xói lòng dẫn là tiền đề và lở bờ là kết quả. Xói lòng dẫn là một quá trình tƣơng tác giữa dòng chảy và lòng dẫn sông mà kết quả là cát hạt bùn cát bị tách ra khỏi lòng dẫn và vận chuyển đi nơi khác mà không đƣợc bù đắp lại, còn lở bờ là do sự mất cân bằng của các lực cơ học, mất cân bằng khối đất bờ còn lở bờ là do sự mất cân bằng (lực gây trƣợt lớn hơn lực chống trƣợt), kết quả dẫn đến khối đất mái bờ sông bị trƣợt hay sụt lở từng mảng xuống sông. Quá trình xói lở bờ có thể mô phỏng theo sơ đồ:
Hình 1.2: Sơ đồ quá trình xói lở bờ sông
Nhƣ vậy, nếu xét trên mối quan hệ nhân quả mà kết quả chính là sự mất cân bằng khối đất mái bờ sông gây ra hiện tƣợng trƣợt hay sụt lở từng mảnh khối đất mái bờ, thì tất cả các yếu tố tác động vào lòng dẫn hay dòng chảy làm tăng lực gây trƣợt hay làm giảm lực chống trƣợt của khối đất mái bờ đều là những nhân tố gây ảnh hƣởng tới xói lở bờ.
Xem xét các yếu tố chủ quan lẫn khách quan, các yếu tố bên trong lẫn bên ngoài có thể thấy đƣợc quá trình xói lở bờ sông theo một sơ đồ tổng quát (hình 1.3). Tách bùn cát Vận chuyển bùn cát bị tách đi nơi khác Mất cân bằng mái bờ Sụt lở bờ
Nguyên nhân và các nhân tố gây xói lở bờ sông
(sự mất cân bằng mái bờ)
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên nhân và các tác nhân ảnh hƣởng đến xói lở bờ sông
Lực gây trƣợt tăng lên Lực chống trƣợt
giảm Gia tải trên mép bờ sông Sóng vỗ Trọng lƣợng bản thân khối đất gây Áp lực thấm Trong lƣợng khối chống trƣợt giảm Lực liên kết giữa các lớp đất Tác động của con ngƣời - Xây dựng công trình - Chất hàng hóa -Nƣớc thải Neo dậu thuyền bè Gió bão Phƣơng tiện
vận tải thủy Lũ rút Triều
xuống Mƣa - Tốc độ xói - Độ sâu xói - Vị trí xói lòng dẫn so với bờ - V>Vkd (tại vị trí đang NC) Đất trƣơng nở, nứt nẻ mái bờ Hòa tan muối, các chất hữu cơ
Dòng chảy, sóng tạo vận tốc lớn thời gian duy trì dài, hƣớng tác dụng bất lợi
Vận tốc khởi động bùn cát lòng dẫn nhỏ
Tác động trực tiếp của con ngƣời tới lòng dẫn, dòng chảy: Khai thác cát, xây dựng công trình thủy lợi, nuôi trồng thủy sản…. Dòng triều Dòng chảy lũ Dòng chảy kiệt Hạt mịn Hạt rời Độ sâu dòng chảy
Tại các đoạn sông co hẹp, bờ lõm sông cong ngã ba
Từ sơ đồ trên cho thấy, các nhân tố ảnh hƣởng tới xói lở bờ đƣợc phân thành hai nhóm
- Nhóm thứ nhất: Tổ hợp các yếu tố tác động làm tăng lực gây trƣợt mái bờ;
- Nhóm thứ hai: Bao gồm các nhân tố tham gia làm giảm lực chống trƣợt của khối đất bờ sông.
Tuy nhiên, xét về chủ thể tác động và nhận sự tác động đó thì cả hai nhóm nhân tố trên đều liên quan tới sự tƣơng tác giữa dòng chảy, sóng và hoạt động của con ngƣời tới lòng dẫn sông. Các yếu tố tham gia vào quá trình xói lở bờ có thể ở thời gian này, vị trí này giữ vai trò chính, đóng vai trò chủ đạo, là nguyên nhân gây xói lở, nhƣng ở vào thời điểm khác, vị trí khác chỉ đóng vai trò thứ yếu, chỉ là nhân tố ảnh hƣởng tới quá trình xói lở, vì thế sự phân định nguyên nhân và các nhân tố ảnh hƣởng tới xói lở bờ chỉ mang tính chất tƣơng đối.
Do vậy, quá trình xói lở bờ là tổ hợp của quá trình diễn tiến liên tục, có tính chu kì bao gồm các công đoạn:
- Tách bùn cát ra khỏi lòng dẫn;
- Vận chuyển bùn cát bị tách đi nơi khác;
- Gây sụp lở bờ sông (khối đất mái bờ ở trong tình trạng mất cân bằng tải trọng, khi chịu một tác động nhỏ sẽ dẫn tới sụp lở), nguyên nhân và các nhân tố ảnh hƣởng tới xói lở bờ phải là tổng hợp của các yếu tố tham gia vào các giai đoạn của quá trình xói lở. Trong đó:
* Tham gia vào việc tách bùn cát ra khỏi lòng dẫn sông:
Dựa trên những thí nghiệm và quan sát thực tế, con ngƣời đã nhận ra, dòng chảy trong sông thiên nhiên là dòng chảy rối, mà quy luật đó rất phức tạp, không thể giải thích đƣợc. Đó là dòng chảy chứa đầy những xoáy chuyển động, không tuân theo một trật tự nào. Cùng với sự chuyển động của
những xoáy, các chất điểm nƣớc cũng chảy hỗn loạn, tạo ra sự biến đổi tức thời về cƣờng độ cũng nhƣ phƣơng của vận tốc dòng chảy, đƣợc gọi là mạch động lƣu tốc. Điều quan trọng là mạch động lƣu tốc bình quân ở đáy sông theo phƣơng thẳng đứng. Bùn cát dƣới đáy sông chịu tác động của những mạch động đó, sẽ phải chuyển động theo hƣớng từ dƣới lên, và bị vận tốc dòng nƣớc lôi đi. Đó là lý do, vì sao trong nƣớc của sông luôn có chứa bùn cát. Nhƣ vậy, muốn dự tính diễn biến của lòng sông, cần phải biết chuyển động của bùn cát trong dòng chảy.
Vậy lƣợng bùn cát là bao nhiêu trong dòng chảy thì hiện tƣợng xói lở hoặc bồi lắng bờ sông không xảy ra? Qua quan trắc trên các đoạn sông có diễn biến về hình dạng, ngƣời ta thấy rằng, khi lƣợng ngậm cát của dòng chảy đạt đến trạng thái cân bằng, có nghĩa lƣợng đó đã bão hoà thì trạng thái, xói, bồi sẽ dừng lại.
Điều đó thấy rõ, sau khi dòng chảy mang theo bùn cát chảy vào hồ chứa, do vận tốc giảm dần nên chúng sẽ bị lắng xuống. Khi dòng nƣớc từ các hồ chứa đƣợc xả đi ở trạng thái “đói cát” nên phía hạ lƣu luôn xảy ra hiện tƣợng xói lở, đặc biệt đối với hồ chứa lớn, thì việc xói lở có thể kéo dài tới hàng trăm km,cho tới khi dòng nƣớc trở lại trạng thái bão hoà.
Đó là lý do để giải thích thủ phạm đầu tiên của việc xói lở bờ sông, lòng sông là do việc xây dựng nhiều hồ chứa ở thƣợng nguồn.Và tại sao, hiện tƣợng khai thác cát “bừa bãi” nhƣ hiện nay ở trên tất cả các dòng sông đều bị lên án? Bởi chính tác động đó của con ngƣời đã làm cho các dòng sông tăng thêm hiện tƣợng “đói cát”, dẫn đến xói lở càng trầm trọng hơn.
Do vậy, tham gia vào việc tách bùn cát ra khỏi lòng dẫn sông thƣờng bao gồm các yếu tố:
+ Dòng chảy, với điều kiện vận tốc khởi động lớn hơn vận tốc bùn cát cấu tạo lòng dẫn hay có áp lực thủy động lớn, đủ khả năng phá vỡ kết cấu
bờ, có hƣớng tác dụng bất lợi đến bờ trong một thời gian dài;
+ Áp lực thấm mái bờ lớn hơn áp lực thấm cho phép, tức là gradient của dòng thấm lớn gradient thấm cho phép của cấu tạo đất mái bờ;
+ Gia tải quá mức cho phép ở bờ sông, với áp lực lớn hơn sức chịu tải của mái bờ.
+ Các tác động khác.
* Tham gia vào việc vận chuyển bùn cát bị tách bị tách ra khỏi lòng dẫn đi nơi khác bao gồm: Dòng chảy nguồn đổ về nhất là vào mùa lũ và dòng chảy do thủy triều tạo ra có sức tải cát lớn hơn hàm lƣợng bùn cát thực tế trong dòng chảy; Dòng chảy ven bờ do sóng, gió tạo nên có khả năng mang theo bùn cát đi nơi khác; Yếu tố con ngƣời tham gia vận chuyển bùn cát ra khỏi khu vực đang diễn biến xói lở.
* Tham gia thúc đẩy khối đất bờ đang trong trạng thái mất cân bằng đi
đến sụp lở, gồm: Dòng chảy bào xói khối đất áp vào chân mái bờ; Mực nƣớc
sông hạ thấp do lũ xuống, triều rút làm khối đất bờ tăng trọng lƣợng, điều này đồng nghĩa với lực gây trƣợt gia tăng; Mƣa lớn kéo dài làm khối đất bờ bão hòa nƣớc, tăng lực gây trƣợt; Áp lực sóng tác dụng vào bờ; Gia tải lên mép bờ;…
Ngoài ra còn một số yếu tố không tham gia trực tiếp vào các công đoạn của quá trình xói lở bờ nhƣng lại ảnh hƣởng tới quá trình hình thành, phát sinh và phát triển xói lở thông qua sự thay đổi vận tốc dòng chảy hay thay đổi các yếu tố lòng dẫn nhƣ: Hình thái sông, tình trạng khai thác cát ở lòng sông gây rửa trôi đất mái bờ.
Bảng1.1 : Phân loại các kiểu lòng sông trên cơ sở tải lƣợng trầm tích Kiểu lòng sông Lƣợng bùn sét (%) Vật liệu lăn theo đáy (%)
Sự phát triển của lòng sông (channel behaviour) Ổn định Tích tụ (dư thừa vật liệu) Xói lở (thiếu hụt vật liệu) Vật lơ lửng > 20 < 3 F < 10 P >2 Độ nghiêng thoải Tích tụ theo bờ làm hẹp lòng
Xói lở đáy làm sâu lòng Vật liệu hỗn hợp 5 - 20 3 - 11 10 < F < 40 1,3 < P <2 Độ nghiêng trung bình Tích tụ theobờ sau đó là đáy
Xói lở đáy sau đó là bờ Vật liệu lăn theo đáy < 5 > 11 F > 40 P < 1,3 Độ nghiêng dốc Tích tụ đáy hình thành bar và làm nông đáy sông
Xói lở bờ mở rộng lòng sông Nguồn: [11],[13] Trong đó: F = W/dtb hoặc W/d max; W: chiều rộng lòng sông, dtb: độ sâu trung bình, d max: độ sâu cực đại
P = l/L l: chiều dài thực của một cặp khúc uốn kề nhau; L: chiều dài thẳng giữa chúng; P: hệ số uốn khúc
Nhƣ vậy:
- Để có thể xảy ra xói lở thì năng lƣợng dòng nƣớc phải đủ khả năng tách vật liệu ra khỏi đáy hoặc bờ. Trong đó, giá trị tốc độ của dòng nƣớc có ý nghĩa rất quan trọng đối với động năng của dòng nƣớc, nghĩa là đối với sự biến đổi hình thái lòng sông. Tuy nhiên, giá trị tốc độ dòng chảy lại phụ thuộc vào độ dốc của lòng sông.
- Địa mạo thung lũng sông, kích thƣớc và hình dáng của các lƣu vực cũng là những yếu tố rất quan trọng đối với hoạt động xói lở của sông.
Muốn phát hiện những đoạn bờ sông có thể bị xói lở mạnh và sập đổ, thì cần phải xét đến cấu trúc của thung lũng sông trên mặt bằng, mặt cắt dọc và mặt cắt ngang của chúng.
- Thành phần và trạng thái của đất đá tạo nên lòng và hai bờ sông có tác động rất lớn các quá trình và hiện tƣợng xói lở. Ở những đoạn gồm đất đá rất dễ tan và xói rửa thì các quá trình xói lở đƣợc thể hiện rõ rệt và phát triển mãnh liệt. Khi đánh giá và dự báo sự phát triển của các quá trình xói lở, ngƣời ta so sánh tốc độ dòng chảy hiện tại hoặc có thể có của sông trong các mùa nƣớc lớn và mùa lũ với tốc độ cho phép (không gây rửa xói) đối với đất đá tạo nên đoạn nào đó của bờ và lòng sông. Nếu tốc độ hiện có hoặc có thể có lớn hơn tốc độ cho phép đối với đất đá đƣợc xét đến (vht>vcp), thì tác dụng xói lở và sập đổ bờ và lòng sông là không tránh đƣợc..
- Thế nằm của đá, vận động kiến tạo hiện đại (bờ sông nâng lên và hạ xuống) và các quá trình địa chất ngoại sinh kèm theo (phong hóa đất đá, trƣợt, xói ngầm, xói chuyển vật liệu mềm rời từ các mƣơng xói và suối con, v.v...) có những tác động khá lớn đến xói lở. Các quá trình địa chất kèm theo hoặc chuẩn bị điều kiện để xói lở và làm sập đổ các bờ sông hoặc tạo nên chƣớng ngại giữ chúng lại (mang chuyển và tích tụ vật chất mềm rời).
Ngoài ra, một trong những yếu tố vô cùng quan trọng tác động đến xói lở là hoạt động kinh tế của con ngƣời. Hoạt động này đƣợc thể hiện ở việc xây dựng các đập và hồ chứa nƣớc để điều chỉnh dòng chảy của sông và các hoạt động khác tại lòng sông, trên bờ sông và trong phạm vi lƣu vực sông. Những công tác đào sâu đáy sông, nạo vét lòng sông, khai thác vật liệu mềm rời trên các bờ, các đảo và trong lòng sông cho nhu cầu xây dựng, việc làm các công trình nắn dòng và giữ bờ, các công trình lấy nƣớc đồ sộ, v.v... có tác dụng đáng kể đến sự thay đổi chế độ thủy văn của sông và do vậy, ảnh hƣởng đến hoạt động xói lở của nó. Các biện pháp đƣợc thực hiện trong
phạm vi các lƣu vực tập trung nƣớc nhƣ triệt phá hoặc trồng cây gây rừng, tháo khô đầm lầy, đào ao, giữ tuyết đọng lại trên đồng ruộng, tƣới ruộng và các công tác thuộc về kỹ thuật canh tác và thủy nông cũng có ảnh hƣởng to lớn.