Chương 4: Các quá trình và hiện tượng địa chất động lực công trình
4.3. Quá trình hoạt động của nước mặt
1. Đặc điểm của dòng lũ bùn đá
Lũ bùn đá là hiện t−ợng dòng lũ mang theo nhiều vật liệu rắn nh− cát, sỏi cuội, dăm tảng, bụi, sét, ... xảy ra ở các sông hay dòng chảy tạm thời ở miền núi.
Hiện tượng lũ bùn đá thường xẩy ra đột ngột, trong thời gian ngắn sau những đợt mưa kéo dài, tốc độ và lưu lượng dòng chảy rất lớn. Vì lũ mang theo các vật liệu cứng với tốc độ và lưu lượng lớn nên thường gây ra các tác hại rất lớn như phá hoại các công trình, nhà cửa, làng mạc, thậm chí cả sinh mạng con người. Tính tính chất đột ngột của dòng lũ làm cho mức độ nguy hiểm của lũ bùn đá càng lớn hơn. Nghiên cứu lũ bùn đá
để tìm ra quy luật hình thành, phạm vi phân bố, đặc điểm dòng lũ và mức độ ảnh hưởng của lũ bùn đá đối với hoạt động kinh tế công trình và con người, đề ra biện pháp phòng chống thích hợp, hạn chế tác hại của chúng là hết sức cần thiết.
Đặc điểm cơ bản của dòng lũ bùn đá là phát triển với tốc độ, lưu lượng lớn, ồ ạt, trong dòng lũ th−ờng chứa nhiều, rất nhiều các vật liệu rắn. Các vật liệu này trong quá
trình vận chuyển không kịp phân dị, tuyển lựa. Vì vậy, thành phần vật liệu rắn rất không đồng nhất và hạt thường sắc cạnh. Khối lượng thể tích của nước cùng với chất rắn trong dòng lũ bùn đá có thể đạt tới 1,1- 1,2g/cm3 có khi 1,5- 1,6g/cm3.
88
Tuỳ theo thành phần vật liệu rắn chiếm −u thế trong dòng lũ mà có thể đ−ợc chia lũ bùn đá ra các loại: lũ đá nước, lũ bùn đá và lũ bùn.
- Lũ đá nước có thành phần vật liệu rắn rất không đồng nhất, chủ yếu là dăm sạn, tảng tròn và sắc cạnh, l−ợng hạt nhỏ và mịn ít.
- Lũ bùn đá cũng có thành phần vật liệu rắn không đồng nhất nh−ng hạt mịn chiếm đáng kể, khối l−ợng thể tích lớn hơn và có độ nhớt nhất định.
- Lũ bùn gồm có thành phần chủ yếu là hạt nhỏ và mịn nh− bụi, sét, còn hạt thô
không đáng kể. Loại này ít thấy trong thực tế.
Những vật liệu do dòng lũ bùn đá mang theo thường được tích đọng lại khi tới địa hình bằng, nơi mà tốc độ dòng chảy giảm đột ngột, tạo nên các nón phóng vật có thành phần hỗn độn trong một phạm vi nhất định.
2. Điều kiện hình thành dòng lũ bùn đá
Để hình thành dòng lũ bùn đá, cần phải có những điều kiện nhất định.
- Đặc điểm khí hậu và vi khí hậu của vùng: Chế độ m−a và l−ợng m−a là yếu tố
ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành dòng nước gây ra hiện tượnglũ bùn đá. Những vùng có cường độ mưa lớn, tập trung trong thời gian ngắn thường xẩy ra lũ bùn đá, vì
mưa là nguồn cung cấp nước, chi phối động năng cho dòng chảy mặt. Khi dòng chảy tập trung có tốc độ và lưu lượng lớn, nó có thể cuốn đi tất cả các vật liệu cứng trên
đường đi để tạo ra dòng lũ bùn đá.
- Đặc điểm địa hình, địa mạo: Quyết định vị trí, hình dáng, kích thước, độ cao, độ dốc của lưu vực thu nước cung cấp nước cho dòng chảy mặt, tức là quy định khả năng tập trung nước và tốc độ dòng chảy (hình 29).
Lưu vực rộng, độ dốc lớn, có cấu tạo đối xứng thì thời gian tập trung nước nhanh, lũ bùn đá xảy ra mạnh mẽ. Ngược lại, thời gian kéo dài, nước sẽ thấm xuống đất một phần, lượng nước tập trung giảm đi, lũ bùn đá xẩy ra yếu hơn.
- Đặc điểm địa chất: Đất đá bề mặt lưu vực quyết định nguồn cung cấp vật liệu rời trong lưu vực thu nước cho dòng lũ và sự phát triển của các hiện tượng địa chất khác như phong hoá, mương xói, trượt lở, ... hỗ trợ cho dòng lũ bùn đá phát triển.
- Hoạt động kinh tế của con người: Đó là các hoạt động chặt phá rừng, khai thác
đất đai, khoáng sản cũng như xây dựng công trình trên các sườn dốc không hợp lý, làm thay đổi chế độ thuỷ văn, sự ổn định của đất đá, tăng cường khả năng tập trung nước, thúc đẩy hình thành dòng lũ bùn đá.
3. Các biện pháp phòng ngừa lũ bùn đá
Để phòng ngừa lũ bùn đá, trước hết cần phải quan trắc các yếu tố khí tượng, thuỷ văn trong phạm vi lưu vực tập trung nước và khu vực có nguy cơ xẩy ra lũ bùn đá, xác
định các điều kiện hình thành dòng lũ bùn đá. Có thể sử dụng các biện pháp sau:
Hình 29: Sơ đồ lưu vực thu nước
89
- Thiết lập đới bảo vệ: Trong phạm vi lưu vực tập trung nước của dòng chảy, tuỳ theo đặc điểm lưu vực và mức độ nguy hiểm mà cần thiết có thể cấm các hoạt động kinh tế và xây dựng để tạo ra khu vực an toàn khi xẩy ra lũ bùn đá.
- Trồng cây bảo vệ đất: Lớp phủ thực vật có tác dụng điều tiết dòng chảy mặt, bảo vệ vật liệu rời khỏi bị rửa trôi và cuốn theo, làm thay đổi điều kiện vi khí hậu của khu vực nên có tác dụng rất tốt phòng ngừa lũ bùn đá.
- Điều tiết dòng mặt trên các sườn dốc: Trong lưu vực cung cấp nước cho dòng lũ, làm các kênh, rãnh thoát nước, xây dựng các đập, tường chắn để ngăn, hạn chế hay hướng dòng chảy đi nơi khác, tránh không cho nước tập trung nhiều để cung cấp cho dòng chảy chính.
- Xây dựng các công trình bảo vệ: Biện pháp này có thể áp dụng khi cần thiết. Các công trình như mái che, tường chắn, đê ngăn, ... có tác dụng chặn không cho dòng lũ bùn đá tác dụng, gây phá hoại công trình xây dựng cần bảo vệ.
4.3.2. Hiện t−ợng xâm thực lòng sông
1. Hiện t−ợng xâm thực lòng sông và những tác động của nó
Phần lớn các thung lũng sông là những vùng tập trung chủ yếu sinh sống và hoạt
động của con người. Vì vậy, các quá trình địa chất xẩy ra dọc theo bờ sông và trên các sườn thung lũng sông, trong đó đặc biệt là quá trình xâm thực và phá huỷ bờ của dòng sông đều có ảnh hưởng trực tiếp đến việc xây dựng các công trình và sự phát triển kinh tế của con ng−ời.
Quá trình xâm thực và phá huỷ bờ của dòng sông thể hiện ở 3 tác dụng cơ bản là
đào xói lòng, bờ sông, vận chuyển vật liệu và tích tụ vật liệu.
Tác dụng đào xói lòng, bờ sông thường gây mất ổn định hay phá hoại các công trình xây dựng như cầu cống, nhà cửa, đường ống dẫn, ... ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động kinh tế của con người.
Tác dụng vận chuyển và tích tụ vật liệu có thể gây cản trở dòng chảy giảm dung tích hồ chứa nh−ng hoạt động đó cũng là nguồn vật liệu xây dựng tự nhiên quý giá
phục vụ cho xây dựng các công trình, cung cấp chất hữu cơ mầu mỡ cho phát triển nông nghiệp.
Do quá trình xâm thực và phá huỷ bờ của dòng sông có những tác dụng trái ng−ợc nhau nh− vậy nên việc nghiên cứu hoạt động của dòng sông có ý nghĩa rất quan trọng.
Nó giúp cho chúng ta có phương hướng đúng đắn trong việc quy hoạch xây dựng, khai thác năng l−ợng, tìm ra biện pháp đề phòng, ngăn chặn những tác dụng phá hoại của chúng để con người và dòng sông chung sống hoà bình với nhau một cách bền vững.
2. Tác dụng xâm thực, vận chuyển và tích tụ của sông
Tác dụng xâm thực của dòng chảy trong sông phụ thuộc trước hết vào động năng của dòng chảy. Dòng chảy có tốc độ và lưu lượng càng lớn khi tác dụng vào đất đá
lòng sông thì gây xâm thực càng mạnh. Tuy nhiên, hoạt động xâm thực của sông xảy ra mạnh hay yếu còn phụ thuộc vào phả năng chống lại xâm thực của đất đá lòng sông.
Kết quả phân tích động lực học tác dụng xâm thực của dòng chảy trong sông cho thấy, tốc độ dòng chảy giới hạn gây ra xâm thực đất đá lòng sông phụ thuộc chủ yếu vào độ bền của đất đá. Mỗi loại đất đá đều có độ bền tương ứng với tốc độ giới hạn gây ra xâm thực của dòng chảy. Nếutốc độ dòng chảy lớn hơn tốc độ giới hạn thì xẩy ra xâm thực và ng−ợc lại thì không xẩy ra xâm thực.
90
- Đối với đá cứng, đá nửa cứng, độ bền, độ ổn định cao, tốc độ giới hạn gây xâm thực có thể tới hàng trăm m/s. Trong thực tế, hầu nh− không thể có tốc độ này. Vì vậy, trường hợp lòng sông được cấu tạo bởi đá cứng thì tác dụng xâm thực của sông chỉ thể hiện ở sự mài mòn, hoà tan hay cắt theo các mặt yếu nh− mặt khe nứt, phân lớp, ....
- Đối với đất dính, cường độ kháng cắt thường rất nhỏ so với đá cứng, nên tốc độ giới hạn gây xâm thực cũng rất nhỏ, biến đổi từ 0,5- 1,8m/s.
- Đối với đất rời, lực dính kết c = 0, do vậy tốc độ giới hạn gây xâm thực rất nhỏ.
Dòng nước chỉ cần có áp lực thuỷ động lớn hơn lực ma sát đơn vị giữa các hạt khoáng là xâm thực xẩy ra.
Tác dụng vận chuyển và tích tụ phụ thuộc vào tốc độ, hướng dòng chảy trong sông và khối l−ợng hạt đất đá. Những phần tử đất đá sau khi bị xâm thực có thể lắng chìm tại chỗ hoặc di chuyển trong sông dưới hình thức lăn ở đáy sông hay lơ lửng theo dòng chảy, không những phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy mà còn phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của chúng. Theo phân tích động lực tác dụng vận chuyển của sông thì
mỗi hạt đất đá có kích thước nhất định có thể lắng chìm ở tốc độ dòng chảy nhất định.
- Nếu tốc độ dòng chảy nhỏ hơn tốc độ giới hạn giữa trạng thái lắng chìm và vận chuyển thì hạt chìm và lắng đọng tại chỗ.
- Nếu tốc độ dòng chảy lớn hơn tốc độ giới hạn giữa trạng thái lắng chìm và vận chuyển nh−ng nhỏ hơn tốc độ giới hạn giữa hình thức vận chuyển nổi và lăn thì hạt bị cuốn lăn ở đáy sông.
- Nếu tốc độ dòng chảy lớn hơn tốc độ giới hạn giữa hình thức vận chuyển nổi và lăn thì hạt bị vận chuyển lơ lửng theo dòng chảy.
Nh− vậy, chính hoạt động vận chuyển và tích tụ của dòng chảy trong sông đã tạo ra quy luật trầm tích trong hoạt động địa chất liên quan đến dòng chảy.
3. Quy luật hoạt động của dòng chảy trong sông
Hoạt động xâm thực, vận chuyển và tích tụ của sông không những phụ thuộc vào tốc độ của dòng chảy mà còn phụ thuộc vào quy luật phân bố của hướng dòng chảy trong sông. Quan trắc thực tế cho thấy, trong sông không những chỉ tồn tại dòng chảy dọc mà còn có cả dòng chảy ngang. Chính dòng chảy ngang đóng vai trò quan trọng trong hoạt động xâm thực ngang của sông.
Quy luật phân bố dòng chảy ngang trong sông phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Tại những đoạn sông cong và thẳng, đặc điểm dòng chảy ngang rất khác nhau, làm cho hoạt động của sông ở những đoạn sông này không giống nhau.
a. ở những đoạn sông thẳng
Dòng chảy có vận tốc lớn nhất phân bố ở giữa (nơi có chiều sâu mực n−ớc lớn nhất) và nhỏ nhất là ở sát bờ. Các phần tử nước chuyển động với tốc độ lớn ở giữa có xu lôi kéo các phần tử nước có tốc độ nhỏ ở ven bờ. Do vậy, n−ớc ở hai bên bờ dồn vào giữa và tạo nên dòng chảy vòng.
Đặc điểm của dòng chảy vòng là ở trên mặt thì h−ớng từ bờ vào giữa, còn ở d−ới
đáy thì hướng từ giữa ra bờ. Kết hợp chuyển động ngang trên với chuyển động theo hướng dòng chảy, tạo nên chuyển động xoắn ốc phức tạp dọc theo sông (hình 30).
Hình 30: H−ớng dòng chảy trong sông ở đoạn sông thẳng
91
Quy luật chuyển động này của dòng chảy gây xâm thực cả hai bên bờ và đáy sông, vật liệu sau khi xâm thực đ−ợc vận chuyển đi khác.
b. ở những đoạn sông cong Dòng sông uốn khúc tạo nên những đoạn sông cong. Tại đây, xuất hiện lực ly tâm P tác dụng vào các phần tử n−ớc (hình 31).
P = mv2/ R (77) Trong đó: m- khối lượng nước;
v- tốc độ dòng chảy;
R- bán kính cong của đoạn sông.
Dưới tác dụng của lực ly tâm, các phần tử nước có xu hướng chuyển động từ bờ lồi sang bờ lừm, tạo thành độ dốc ngang trờn mặt nước hướng về phớa bờ lồi. Nếu gọi α là góc nghiêng thì độ dốc ngang ing đ−ợc xác định:
ing = tgα =
Rg v Rmg mv Q
P 2 2
=
= (78) Trong đó: m- khối lượng nước;
Q- trọng l−ợng n−ớc, Q = mg;
g- gia tốc trọng tr−ờng.
Từ biểu thức trên cho thấy, độ dốc ngang sông tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy và tỷ lệ nghịch với gia tốc trọng tr−ờng.
Biểu đồ phân bố lực ly tâm trên mặt cắt −ớt của dòng chảy có dạng nh− hình 32a.
Do xuất hiện độ dốc ngang nên tạo ra lực d− ng−ợc chiều với lực ly tâm. Lực này không phụ thuộc vào chiều sâu dòng chảy và có giá trị bằng γ0.ing (hình 32b)
(a) + (b) = (c)
Hình 32: Tổng hợp các lực tác dụng ngang ở đoạn sông cong
Tổng hợp các lực đ−ợc biểu đồ hình 4.4c. Từ biểu đồ ta có nhận xét: ở phần trên dòng chảy, lực tác dụng vào các phần tử n−ớc có h−ớng về phía bờ lõm, còn ở phần d−ới lực tác dụng h−ớng về phía bờ lồi và tạo ra dòng chảy ngang trong sông. Sự chuyển động ngang kết hợp với chuyển động dọc sông của nước tạo thành chuyển
động xoắn ốc đào xúi bờ lừm và mang vật liệu bồi đắp bờ lồi.
4. Các yếu tố ảnh h−ởng tới xâm thực của sông
- Chế độ thuỷ văn: Bao gồm chế độ mực nước, sự thay đổi của lưu lượng và tốc độ dòng chảy trên sông. Các yếu tố này quyết định động năng, hướng tác dụng của dòng chảy, tức là quyết định khả năng xâm thực của dòng sông. Tuy nhiên, chế độ thuỷ văn lại phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và địa lý tự nhiên, trong đó vai trò quan trọng nhất là mưa. Nước mưa là nguồn cung cấp chủ yếu và quyết định chế độ thuỷ văn của dòng chảy. Lượng mưa càng lớn, kéo dài, mực nước sông càng dâng cao, lưu lượng, tốc độ cũng càng lớn và xâm thực xẩy ra càng mạnh.
R m
v p
Hình 31: H−ớng dòng chảy trong sông ở đoạn sông cong
P Q
α
92
- Đặc điểm địa hình địa mạo: Kích thước và hình dạng của lưu vực sông là những yếu tố quan trọng ảnh hướng đến xâm thực. Lưu vực rộng, độ dốc lớn, tạo điều kiện tập trung nước, lưu lượng và tốc độ dòng chảy lớn, xâm thực phát triển. Ngoài ra, độ dốc lòng sông, độ cong của sông cũng có ảnh hưởng lớn tới xâm thực. Độ dốc lòng sông càng lớn, xâm thực phát triển càng mạnh. Tại những đoạn sông cong, xâm thực th−ờng xẩy ra ở phía bờ lõm và bồi lắng ở phía bờ lồi.
- Cấu trúc địa chất lòng sông và lưu vực: Đặc điểm nứt nẻ, cactơ hoá, khả năng thấm nước của đất đá thuộc lưu vực sông có ảnh hưởng nhiều tới xâm thực vì nó có thể làm giảm lưu lượng dòng mặt. Còn ở lòng sông, các đặc điểm thành phần, trạng thái, tính chất cơ lý của đất đá cũng là yếu tố quyết định khả năng chống lại tác dụng xâm thực của dòng chảy trong sông.
- Hoạt động kinh tế, công trình của con người: Các hoạt động như xây đập tạo hồ chứa n−ớc cũng nh− việc tiến hành các biện pháp khác nhau tại lòng sông, trên các bờ sông và trong phạm vi lưu vực sông đều làm thay đổi chế độ thuỷ văn của sông và do
đó ảnh hưởng tới tác dụng xâm thực của sông.
Ngoài các yếu tố trên, điều kiện thế nằm của đất đá, vận động kiến tạo trẻ (nâng lên, hạ xuống) của vỏ trái đất và các quá trình địa chất ngoại sinh khác cũng có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình xâm thực của sông.
5. Biện pháp ngăn ngừa tác dụng xâm thực lòng sông
Có thể chia các biện pháp phòng chống tác dụng xâm thực của dòng sông thành hai nhóm: gia cố bờ, lòng sông và cải tạo h−ớng chảy của sông.
- Gia cố bờ và lòng sông: ở những đoạn sông bị xâm thực, có thể dùng các biện pháp gia cố bờ và lòng như lát đá bờ sông, làm tường chắn, xây kè, đặt rọ đá, rồng đá ở phía dưới bờ sông, .... Các biện pháp này có tác dụng chủ yếu là tăng cường ổn định, bảo vệ bờ sông, ngăn cản tác dụng của dòng chảy, giảm động năng dòng chảy, tạo điều kiện thuận lợi cho vật liệu rắn tích tụ để hỗ trợ cho bờ sông ổn định (hình 33).
- Cải tạo h−ớng chảy của sông: Làm kè ngang sông, đắp đê dẫn dòng, khai sâu lòng sông, ... nhằm mục đích hướng dòng chảy theo h−ớng cần thiết, không cho tác dụng vào đoạn bờ, nơi có các công trình xây dựng nh− cầu cống, bến cảng, đê đập, nhà cửa, đất cach tác nông nghiệp, khai thác mỏ, ....
4.4. Quá trình tác dụng của trọng lực