Chƣơng 1 : TỔNG QUAN
1.3. Tổng quan về tai biến trƣợt lở đất
1.3.1. Các khái niệm cơ bản về TLĐ
Trượt lở là một hiện tượng tai biến địa chất, dưới tác dụng của các quá trình địa chất động lực cơng trình, gây mất ổn định mái dốc, sườn dốc hay vách dốc (gọi chung là mái dốc) tạo ra sự dịch chuyển mái dốc (vật chất), phá hủy mọi thứ liên quan trên đường đi của chúng. Trượt lở xảy ra khi khối đất đá bị mất cân bằng, các lực gây trượt vượt quá các lực giữ trượt. Rõ ràng, các quá trình trượt lở là sản phẩm của các thay đổi của các điều kiện hình thái địa mạo, thủy văn và địa chất. Sự thay đổi những điều kiện được thực hiện bởi các quá trình địa động lực, phát triển của thực vật, quá trình sử dụng đất, các hoạt động nhân sinh, cũng như tần suất, cường độ lắng đọng trầm tích và chấn động. Theo Varnes "thuật ngữ "trượt lở“ bao gồm tất cả các hiện tượng khối trượt trên bề mặt dốc. Các hiện tượng này bao gồm cả các hiện tượng không thực sự trượt như đá đổ, đá rơi, và dịng bùn đá“4
.
Có nhiều hệ thống phân loại trượt lở trong đó có hai hệ thống được sử dụng rộng rãi, đặc biệt ở các nước phương Tây là hệ thống được đưa ra bởi Hutchinson (1968), Skempton và Hutchinson, 1969) và Varnes (1958, 1978, và 1984). Cả hai hệ thống đều phân nhóm theo kiểu dịch chuyển nhưng khác nhau ở các trạng thái dòng dịch chuyển. Sự dịch chuyển mái dốc nhìn chung bắt đầu từ sự phá hủy của lực cắt, tạo ra các bề mặt trượt là ranh giới của đới phá hủy cắt nhưng ở dạng sụt trượt thì sự dịch chuyển lại là sự chảy đùn, chảy dưới áp lực…Việc lựa chọn hệ thống phân loại phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu là phân tích điều kiện phá hủy khối trượt hay luận giải kết quả dịch chuyển của khối trượt. Hệ thống phân loại của Varnes dễ sử dụng, được thảo luận tại Hội địa chất cơng trình quốc tế (IAEG) về trượt lở (1990) và sau đó xuất bản trong thuật ngữ trượt lở ở nhiều thứ tiếng. Hệ thống phân loại trượt lở
4
Varnes, D.J., International Association of Engineering Geology Commission on Landslides and Other Mass Movements on Slopes: Landslide hazard zonation: a review of principles and practice, UNESCO, Paris. 1984.
theo Varnes (1984) làm nổi bật được kiểu dịch chuyển và kiểu vật chất. Trong thực tế, bất kỳ khối trượt nào cũng được phân loại và mô tả bằng hai cụm từ vật liệu và kiểu dịch chuyển. Phương pháp phân loại trượt được liệt kê trong bảng 1, và thân trượt được mơ tả theo hình 1.6.
Bảng 1: Hệ thống phân loại trượt lở
(Nguồn: Varnes, D.J., International Association of Engineering Geology Commission on Landslides and Other Mass Movements on Slopes: Landslide hazard zonation: a review of
principles and practice,1984)
Chỏm Vết nứt trên chỏm Vách trượt chính Vách trượt phụ Đỉnh trượt Mặt trượt Thân trượt Điểm cuối của
mặt trượt Điểm cuối của
thân trượt Chân của thân trượt Mặt phân cách Vết nứt tỏa tia Sống ngang Vết nứt ngang
Hình 1.6:Các thuật ngữ mơ tả thân trượt
1.3.2. Một số kiểu trƣợt thƣờng gặp 1.3.2.1. Kiểu dịch chuyển dạng đổ Kiểu dịch chuyển Kiểu vật liệu Đá Đất
Hạt thô là chủ yếu Hạt mịn là chủ yếu
Đổ Đổ Mảnh vụn đổ Đất đổ
Rơi Rơi Mảnh vụn rơi Đất rơi
Trượt
Xoay Xụp Mảnh vụn xụp Đất xụp
Tịnh tiến Dịch chuyển khối Dịch chuyển khối mảnh vụn
Dịch chuyển khối đất
Chảy ngang Dịch ngang Mảnh vụn dịch ngang Đất dịch ngang
Chảy dòng Dòng đá (lở) Dòng mảnh vụn Dòng đất
Kiểu dịch chuyển đổ bắt đầu với sự tách, vỡ của đất, đá từ mái dốc đứng theo mặt tách mà ở đó cường độ kháng cắt rất yếu hoặc khơng có. Vật chất sau đó rơi theo trọng lực, có thể kèm theo chuyển động quay với tốc độ nhanh. Quá trình đổ sẽ lần lượt từ những mặt tách nhỏ hoặc lật đổ từng phần vật chất hoặc khi phần mũi của vách đá nhô ra biển dưới tác dụng của sóng hay lịng sơng bị xói mịn dẫn đến bị đứt chân gây mất lực dính (Hình 1.8).
Hình 1.7: Kiểu dịch chuyển đổ (đá rơi, đá đổ)
„Các mái dốc có độ dốc lớn thì đất, đá có khả năng rơi tự do. Ngược lại, vật liệu sẽ rơi đập vào bề mặt mái dốc rất mạnh nếu độ dốc nhỏ hơn giá trị này. Sự phá hủy dạng này phụ thuộc vào tính chất của vật liệu, hệ số đàn hồi và rơi của phần vật liệu đổ xuống, phần đổ cũng có thể bị vỡ tan khi va chạm. Trên những mái dốc dài, độ dốc vừa phải, phần đổ sẽ di chuyển xuống theo dạng lăn kèm theo nảy ngắn và dần giảm phạm vi tác động xuống mái dốc phía dưới. Tại những vị trí dốc cục bộ, một phần vật chất có thể nảy mạnh ra ngồi tạo chuyển động rơi tự do kèm nảy và quay“5.
1.3.2.2. Kiểu dịch chuyển dạng rơi (còn gọi là lật)
Kiểu dịch chuyển dạng rơi/lật là hiện tượng khi một phần mái dốc (đất, đá) bị lật quay, rơi ra khỏi mái dốc với trọng tâm quay quanh một điểm hay một trục giả định.
5Hungr, O. và S.G. Evans, Failure behaviour of large rockslides, Geol. Surv. Can., Ottawa, Ont.
Q trình rơi/lật có thể bị tác động bởi trọng lực vào phần khối lở ở những vật liệu hình thành các khe nứt tạo góc dốc ngược hoặc dưới tác động của nước, băng tồn tại trong khối đất đá (Hình 1.8).
Hình 1.8:Dịch chuyển dạng lật
“Lật phần chóp là những khối bị tách vỡ ở trên đỉnh lở xuống dưới khối trượt. Lật sâu thường xảy ra trong các khối đá trầm tích, có độ dốc lớn có ngun nhân từ sự trượt xoay của khối đất, mảnh vụn tạo ra lực cắt bắt đầu từ đỉnh khối đá. Lật dưới mũi của bề
mặt là hiện tượng gây ra sự đứt một phần mái dốc do trọng lượng của chính phần mái dốc
tác động. Sự phá hủy này còn được gọi là lở mũi mái. Sự hình thành các vết rạn nứt trên đỉnh của khối trượt là tác nhân gây lở cao và phát sinh các ứng suất gây lở”6
. Đây là dạng lở phức tạp, sự phá hủy theo dạng này không những xảy ra trong các khối đá mà cịn có thể xảy ra trong các khối đất dính bị khoét chân dưới tác dụng của dịng sơng.
1.3.2.3. Trượt xoay
Trượt xoay là hiện tượng các khối đất, đá được dịch chuyển theo bề mặt phá hủy dạng mặt cong lõm giả định. Nếu bề mặt phá hủy (theo mặt cắt ngang) có dạng cung trượt hình trụ hay cycloit thì trong quá trình trượt, biến dạng bên trong khối trượt ít, thành phần đất đá cơ bản khơng bị xáo động. Khi trượt xảy ra, phần đầu
khối trượt dịch chuyển chủ yếu theo chiều thẳng đứng, phần bề mặt mái dốc phía trên khối trượt có khuynh hướng tạo ra độ nghiêng dốc ngược với mái dốc (Hình 1.9).
Trượt xoay xảy ra trong các vật liệu đồng nhất, thường sự tác động của chúng mãnh liệt hơn so với các kiểu dịch chuyển khác. Tuy nhiên, trong tự nhiên ít khi vật liệu đồng nhất hoàn toàn, mái dốc dịch chuyển trong các vật liệu này thường xảy ra không đồng đều và gián đoạn theo các lớp vật liệu. Khi đào bỏ một phần mái dốc cũng có thể là nguyên nhân gây trượt. Vách dốc chính ở đỉnh mặt trượt xoay gần như thẳng đứng, khơng có gì chống đỡ nên sự dịch chuyển khối trượt có thể làm đổ lở phần này.
Đôi khi, các mép bên của bề mặt phá hủy có độ dốc lớn dẫn đến sự dịch chuyển của hai bên sườn xuống phía dưới, tăng thêm tải trọng cho khối trượt. Sự thâm nhập của nước vào phần đầu cung trượt giúp tăng thêm độ ẩm của vật liệu, tạo điều kiện cho bề mặt phá hủy phát triển cũng như tăng trọng lượng khối trượt tạo điều kiện cho trượt dễ dàng xảy ra.
Hình 1.9: Trượt xoay (rotational slides) 1.3.2.4. Trượt tịnh tiến
“Trượt tịnh tiến là hiện tượng khối trượt dịch chuyển xuống qua bề mặt dạng mặt phẳng hoặc hơi gồ ghề. Trượt tịnh tiến nhìn chung là nơng hơn trượt xoay. Tỷ số D/L của loại trượt này xảy ra trong đất thường nhỏ hơn 0,1. Các bề mặt phá hủy thường dạng hình lịng máng rộng theo mặt cắt ngang”7.
7Hutchinson, J. N. General Report: Morphological and geotechnical parameters of landslides in
Ngược lại, mặt trượt xoay có khuynh hướng khơi phục lại khối trượt về trạng thái cân bằng (Hình 1.10).
Trong kiểu trượt này, khối trượt dịch chuyển liên tục có thể bị đứt gãy ra từng phần nếu vận tốc di chuyển hoặc độ ẩm tăng, khối bị phá vỡ sau đó có thể biến thành dạng chảy, tạo ra các dòng mảnh vụn đúng hơn là trượt thuần túy. Trượt tịnh tiến thường kèm theo các dấu hiệu không liên tục như đứt gãy, khe nứt, sự phân lớp hay lớp tiếp xúc giữa đá gốc là lớp phong hóa bên trên. Trượt tịnh tiến không liên tục xảy ra dưới dạng đơn giản trên các khối đá được gọi là trượt đá hay trượt phẳng.
Hình 1.10: Trượt tịnh tiến (translational slides) 1.3.2.5. Trượt hỗn hợp
“Đây là kiểu trượt trung gian giữa hai loại trượt xoay và trượt tịnh tiến. Tỷ số D/L cũng là trung gian giữa hai loại. Bề mặt phá hủy ở loại này có vách dốc chính dốc hơn nhưng chiều sâu mỏng hơn. Mặt trượt có dạng đường cong gãy khúc phức tạp, phụ thuộc vào biến dạng bên trong và ứng lực cắt dọc bề mặt trong phạm vi vật liệu dịch chuyển và những kết quả trong sự hình thành những vách dốc trung gian, độ dốc của nó giảm đột ngột, trên bề mặt vật liệu bị biến dạng, lún xuống tạo ra các địa hào và vùng chịu nén. Kiểu trượt này thường xuất hiện khi trong cấu tạo của khối trượt có sự hiện diện của lớp đất yếu hay đới sét phong hóa, tạo ra các mặt trượt trung gian điều khiển quá trình dịch chuyển và tạo ra mặt trượt hỗn hợp“8
. Tùy vào vật liệu và tính chất đặc thù của mái dốc mà trượt hỗn hợp cịn có tên gọi riêng là trượt bùn và trượt dịng.
Hình 1.11: (a) Kiểu trượt trung gian giữa hai loại trượt xoay và trượt tịnh tiến. (b) Trượt khối đất (trượt hỗn hợp – trung gian giữa trượt quay và trượt phẳng)
1.3.2.6. Kiểu dịch chuyển trượt ngang
Thuật ngữ trương nở dùng để miêu tả sự dịch chuyển bất thình lình của dịng nước mang theo bùn và cát được bao bọc bởi lớp sét đồng nhất. Một trong các kiểu phá hủy này xảy khi một lớp sét hoặc cát ẩm trở nên ẩm và mềm hơn tác dụng của dịng thấm và chịu nén hơng bởi trọng lượng của những lớp bên trên. Điều này giải thích hiện tượng một mái dốc thoải ổn định trong thời gian dài có thể bị phá hủy và dịch chuyển bất ngờ. Bề mặt phá hủy của dạng này khơng phải là bề mặt có ứng lực cắt lớn nhất như trượt bình thường mà phá hủy do sự hóa lỏng hoặc chảy (đẩy ra) của vật liệu mềm hơn bao bọc.
1.3.2.7. Kiểu dịch chuyển dạng dòng
Kiểu dịch chuyển dòng là sự dịch chuyển liên tục theo khơng gian trong đó các dạng mặt cắt tồn tại ngắn, khơng được duy trì lâu. Đặc điểm phân bố vận tốc trong khối dịch chuyển gần giống với dạng dòng chất lỏng sệt. Sự biến đổi dần dần từ trượt tới chảy xảy ra phụ thuộc vào lượng nước trong đất, tính lưu động và phạm vi phát triển của khối trượt. Trượt, lở mảnh vụn có thể trở thành dịng mảnh vụn có tốc độ cực nhanh trong các điều kiện nhất định.
Varnes đã sử dụng các thuật ngữ dòng bùn đất (earth flow) và dòng bùn đất dịch chuyển chậm (slow earth flow) để miêu tả các dịng đất khơ di chuyển chậm
hơn, sinh ra trong đất dính (thường là sét hoặc sét phong hóa từ đá gốc) với mái dốc vừa phải, độ ẩm vừa đủ. “Các dòng mảnh vụn mái dốc mở (open-slope debris flows) tạo nên đường dẫn để di chuyển xuống thung lũng thành tạo nên địa hình dạng chân mái dốc thoải hay tạo ra các kênh dẫn ngoằn nghèo. Thông thường, các vật liệu dạng hạt thơ có thể hình thành lịng dẫn hóa hoặc hình thành như vỉa qua mái dốc. Sự hình thành các dịng bùn đất thường liên quan đến mưa lũ, có trận hình thành ngay sau những trận lũ do mưa bất thường, vật liệu di chuyển có khi là các tảng lăn với đường kính hàng mét. Đất trên các mái dốc lớn không tồn tại thảm thực vật tạo điều kiện hình thành các dịng mảnh vụn qua q trình xói mịn xuống lịng xuối, đơi khi tạo ra các hốc chứa nước làm gia tăng năng lượng của dịng mảnh vụn này. Q trình dịch chuyển đơi khi các vật liệu thơ dồn dập tạo dạng đê tự nhiên hình thành các hệ thống treo, có nguy cơ đổ ụp xuống dịng dẫn khi có các chấn động tác động . Các dịng vật chất có thể mở rộng tới nhiều km trước khi lắng đọng các hạt nhỏ lên toàn bộ dịng dẫn.
Hình 1.12: Dịch chuyển tạo dịng (flow)
Dòng lở mảnh vụn (debris) là một dạng di chuyển dịng nhưng với qui mơ lớn hơn, dồn dập hơn, tốc độ di chuyển nhanh hơn các dòng mảnh vụn mái dốc mở ở trên. Trong lịch sử, trận lở mảnh vụn ở Huascaran (Peru) đã tạo ra từ 50 - 100 triệu mét khối đất,đá, băng, tuyết với tốc độ lên tới 100m/s, hơi bụi bốc lên từ khối trượt phát tán ra cả vùng rộng lớn”10.
10
Varnes, D.J., International Association of Engineering Geology Commission on Landslides and Other Mass Movements on Slopes: Landslide hazard zonation: a review of principles and practice, UNESCO,
Một dạng nữa của kiểu di chuyển này gọi là dòng đá gốc (bedrock flow), đặc trưng cho sự biến dạng liên lục theo không gian bề mặt trái đất như lở sâu, chúng dịch chuyển rất chậm dọc theo các bề mặt ứng suất cắt không kết nối với nhau do quá trình tạo nếp uốn tạo ra. Rõ ràng rằng, sự dịch chuyển dịng cịn có thể bắt đầu từ các q trình trượt trên đá gốc hoặc khối đá phiến nên những loại này có thể phân loại là một dạng trượt hỗn hợp.
Một dạng đặc biệt nữa của dịch chuyển dòng là các dòng mảnh vụn vật liệu núi lửa. Được thành tạo từ tro bụi núi lửa tích đọng trên mái dốc núi lửa với mức độ cố kết thấp, vận động dưới tác dụng của dòng nước xuất phát từ các hồ đứt gãy, sự ngưng tụ hơi nước, kết quả kết tủa các hạt phần tử nước cùng sự tan băng tuyết phía trên nón núi lửa.
1.3.3. Những yếu tố chính ảnh hƣởng tới q trình trƣợt lở
Hiện tượng trượt lở đất được cho là có liên quan đến mối quan hệ giữa kháng lực của đất đá hình thành trên sườn dốc đối với trọng lực của chúng. Một sự cố trượt sẽ xảy ra khi mà thế cân bằng của mối quan hệ đó nghiêng về phía trọng lực. Mối quan hệ này có thể bị thay đối bởi những tác động do tự nhiên và do con người. Các yếu tố có ảnh hưởng tới sự ổn định của sườn dốc và các sự cố trượt là rất đa dạng và rất khác nhau, chúng tương tác với nhau theo cách rất phức tạp. Các yếu tố tự nhiên có thể được chia thành năm nhóm: độ bền của đất, hóa học đất, khống vật học; địa chất; địa mạo; thủy văn; và địa chấn.
1.3.3.1. Các yếu tố địa chất
Độ ổn định của sườn dốc có mối liên quan đến các kiểu thạch học khác nhau và mối quan hệ này mạnh hay yếu phụ thuộc rất lớn vào mỗi kiểu thạch học đó. Sự phong
hóa thường làm biến đổi các thuộc tính cơ lý, khoáng vật và thủy văn của thạch học, do đó sự phong hóa cũng là một yếu tố quan trọng đối với độ ổn định sườn trong mọi hồn cảnh mơi trường.
Một yếu tố địa chất quan trọng khác trong nghiên cứu tai biến trượt lở là trật tự phân lớp không ổn định. Điều này xảy ra khi sự dịch chuyển của khối đất đá trên
mặt phân lớp được kích hoạt khi mà áp suất lỗ hổng phát triển tại giao diện giữa hai lớp thạch học khác nhau (ví dụ như giữa cát kết và sét kết), hoặc khi mà độ bền của lớp trầm tích sét bị yếu đi do nước thấm qua lớp thạch học ở phía trên. Do vậy các sự cố trượt lở đất thường xảy ra mỗi khi có những cơn mưa lớn kéo dài. Nhìn chung