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 t−ợng lũ bùn đá th−ờng xẩy ra đột ngột, trong thời gian ngắn sau những đợt m−a kéo dài, tốc độ và l−u l−ợng dòng chảy rất lớn. Vì lũ mang theo các vật liệu cứng với tốc độ và l−u l−ợng lớn nên th−ờng gây ra các tác hại rất lớn nh− phá hoại các công trình, nhà cửa, làng mạc, thậm chí cả sinh mạng con ng−ời. 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 h−ởng của lũ bùn đá đối với hoạt động kinh tế công trình và con ng−ời, 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, l−u l−ợng 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 th−ờng sắc cạnh. Khối l−ợng thể tích của n−ớc 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 n−ớc, lũ bùn đá và lũ bùn.
- Lũ đá n−ớc 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 th−ờng đ−ợc 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 h−ởng trực tiếp đến sự hình thành dòng n−ớc gây ra hiện t−ợnglũ bùn đá. Những vùng có c−ờng độ m−a lớn, tập trung trong thời gian ngắn th−ờng xẩy ra lũ bùn đá, vì m−a là nguồn cung cấp n−ớc, chi phối động năng cho dòng chảy mặt. Khi dòng chảy tập trung có tốc độ và l−u l−ợng lớn, nó có thể cuốn đi tất cả các vật liệu cứng trên đ−ờng đi để tạo ra dòng lũ bùn đá.
- Đặc điểm địa hình, địa mạo: Quyết định vị trí, hình dáng, kích th−ớc, độ cao, độ dốc của l−u vực thu n−ớc cung cấp n−ớc cho dòng chảy mặt, tức là quy định khả năng tập trung n−ớc và tốc độ dòng chảy (hình 29).
L−u vực rộng, độ dốc lớn, có cấu tạo đối xứng thì thời gian tập trung n−ớc nhanh, lũ bùn đá xảy ra mạnh mẽ. Ng−ợc lại, thời gian kéo dài, n−ớc sẽ thấm xuống đất một phần, l−ợng n−ớc tập trung giảm đi, lũ bùn đá xẩy ra yếu hơn.
- Đặc điểm địa chất: Đất đá bề mặt l−u vực quyết định nguồn cung cấp vật liệu rời trong l−u vực thu n−ớc cho dòng lũ và sự phát triển của các hiện t−ợng địa chất khác nh− phong hoá, m−ơng xói, tr−ợt lở, ... hỗ trợ cho dòng lũ bùn đá phát triển. - Hoạt động kinh tế của con ng−ời: Đó là các hoạt động chặt phá rừng, khai thác đất đai, khoáng sản cũng nh− xây dựng công trình trên các s−ờn dốc không hợp lý, làm thay đổi chế độ thuỷ văn, sự ổn định của đất đá, tăng c−ờng khả năng tập trung n−ớc, thúc đẩy hình thành dòng lũ bùn đá.
3. Các biện pháp phòng ngừa lũ bùn đá
Để phòng ngừa lũ bùn đá, tr−ớc hết cần phải quan trắc các yếu tố khí t−ợng, thuỷ văn trong phạm vi l−u vực tập trung n−ớc 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:
89
- Thiết lập đới bảo vệ: Trong phạm vi l−u vực tập trung n−ớc của dòng chảy, tuỳ theo đặc điểm l−u 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 s−ờn dốc: Trong l−u vực cung cấp n−ớc cho dòng lũ, làm các kênh, rãnh thoát n−ớc, xây dựng các đập, t−ờng chắn để ngăn, hạn chế hay h−ớng dòng chảy đi nơi khác, tránh không cho n−ớc 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 nh− mái che, t−ờng 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 ng−ời. Vì vậy, các quá trình địa chất xẩy ra dọc theo bờ sông và trên các s−ờn thung lũng sông, trong đó đặc biệt là quá trình xâm thực và phá huỷ bờ của dòng sông đều có ảnh h−ởng 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 th−ờng gây mất ổn định hay phá hoại các công trình xây dựng nh− cầu cống, nhà cửa, đ−ờng ống dẫn, ... ảnh h−ởng nghiêm trọng đến hoạt động kinh tế của con ng−ời.
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 ph−ơng h−ớng 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 ng−ời 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 tr−ớc hết vào động năng của dòng chảy. Dòng chảy có tốc độ và l−u l−ợng 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 t−ơng 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, tr−ờng hợp lòng sông đ−ợc 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, c−ờng độ kháng cắt th−ờng 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 n−ớc 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, h−ớng 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 d−ới 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 th−ớc, hình dạng của chúng. Theo phân tích động lực tác dụng vận chuyển của sông thì mỗi hạt đất đá có kích th−ớc 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 h−ớng 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 n−ớc chuyển động với tốc độ lớn ở giữa có xu lôi kéo các phần tử n−ớc 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 h−ớng từ giữa ra bờ. Kết hợp chuyển động ngang trên với chuyển động theo h−ớng 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 l−ợng n−ớc; v- tốc độ dòng chảy;
R- bán kính cong của đoạn sông.
D−ới tác dụng của lực ly tâm, các phần tử n−ớc có xu h−ớng chuyển động từ bờ lồi sang bờ lõm, tạo thành độ dốc ngang trên mặt n−ớc h−ớng về phía 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 l−ợng n−ớc; 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 n−ớc tạo thành chuyển động xoắn ốc đào xói bờ lõm 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 n−ớc, sự thay đổi của l−u l−ợng và tốc độ dòng chảy trên sông. Các yếu tố này quyết định động năng, h−ớng 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 m−a. N−ớc m−a là nguồn cung cấp chủ yếu và quyết định chế độ thuỷ văn của dòng chảy. L−ợng m−a càng lớn, kéo dài, mực n−ớc sông càng dâng cao, l−u l−ợng, 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 th−ớc và hình dạng của l−u vực sông là những yếu tố quan trọng ảnh h−ớng đến xâm thực. L−u vực rộng, độ dốc lớn, tạo điều kiện tập trung n−ớc, l−u l−ợng và tốc độ dòng chảy lớn, xâm thực phát triển. Ngoài ra, độ dốc lòng sông, độ cong của sông cũng có ảnh h−ởng 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 l−u vực: Đặc điểm nứt nẻ, cactơ hoá, khả năng thấm n−ớc của đất đá thuộc l−u vực sông có ảnh h−ởng nhiều tới xâm thực vì nó có thể làm giảm l−u l−ợng 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 ng−ời: Các hoạt động nh− 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 l−u vực sông đều làm thay đổi chế độ thuỷ văn của sông và do