Tài liệu Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật neo trong đất để gia cường ổn định mái dốc. ứng dụng xử lý mái dốc cốc pài xín mần hà giang

LỜI TÁC GIẢ Sau một thời gian thu thập tài liệu, nghiên cứu và thực hiện, đến nay luận văn thạc sỹ kỹ thuật: “Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật Neo trong đất để gia cường ổn định mái dốc. Ứng dụng xử lý mái dốc khu vực Cốc Pài – Xín Mần – Hà Giang” đã hoàn thành đúng thời hạn theo đề cương được phê duyệt. Trước hết tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới trường Đại học Thủy lợi Hà Nội đã đào tạo và quan tâm giúp đỡ tạo mọi điều kiện cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Hoàng Việt Hùng. Thầy đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cụ thể, cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho tác giả hoàn thành luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, các bạn bè đồng nghiệp đã hết sức giúp đỡ động viên về tinh thần và vật chất để tác giả đạt được kết quả ngày hôm nay. Trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn, tác giả khó tránh khỏi những thiếu sót và rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô và cán bộ đồng nghiệp đối với bản luận văn. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 1 tháng 12 năm 2014 Tác giả Bùi Xuân Thức LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Bùi Xuân Thức MỤC LỤC TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ...................................................................................................................................... 3 1.1. Nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc ...........................................................3 1.2. Mất ổn định mái dốc do tác động của nước mặt ..............................................4 1.2.1. Hiện tượng rửa xói sườn dốc .....................................................................4 1.2.2. Hiện tượng lũ bùn đá .................................................................................8 1.3. Mất ổn định mái dốc do tác động của trọng lực .............................................12 1.3.1. Hiện tượng trượt ......................................................................................12 1.3.2. Hiện tượng đá đổ .....................................................................................14 1.3.3. Hiện tượng đất sụt....................................................................................17 1.4. Các giải pháp gia cường ổn định mái dốc [3] ................................................20 1.4.1. Phương pháp đắp đất tại chân mái dốc (Loading the Toe) ......................20 1.4.2. Phương pháp thoát nước (Drainage Methods).........................................21 1.4.3. Phương pháp dùng vải địa kỹ thuật (Geotextiles) ...................................23 1.4.4. Phương pháp cọc bản (Sheet piling): .......................................................24 1.4.5. Phương pháp cân chỉnh mái taluy (Regrading the Slope): .....................25 1.4.6. Phương pháp ổn định mái dốc bằng cọc (Piled-Slopes) ..........................26 1.4.7. Phương pháp neo trong đất (Soil Anchoring): ........................................27 1.4.8. Phương pháp trồng cỏ trên mái dốc (“Grassing-Over” the Slope) ..........28 1.4.9. Phương pháp sử dụng các kết cấu chắn giữ (Retaining Structures) ........28 1.4.10. Phương pháp tổ hợp ...............................................................................29 Kết luận chương I ..................................................................................................31 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 32 2.1. Các dạng neo đất và nguyên lý làm việc .......................................................32 2.1.1. Mục đích .................................................................................................32 2.1.2 Nguyên lý chống nhổ của thanh neo........................................................32 2.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến lực chống nhổ của thanh neo ......................33 2.1.4 Các phương pháp xác định khả năng chịu lực kéo nhổ của neo ..............35 2.2. Tính toán thiết kế ............................................................................................42 2.3. Quan trắc và sửa chữa ....................................................................................54 2.3.1. Quan trắc ứng xử khi khai thác của neo ..................................................54 2.3.2. Các biện pháp sửa chữa ...........................................................................59 2.4. Lựu chọn Phương pháp tính ổn định mái dốc ................................................59 Kết luận chương II .................................................................................................65 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP NEO GIA CỐ MÁI DỐC CÔNG TRÌNH CỐC PÀI - XÍN MẦN - HÀ GIANG ........................................................... 66 3.1. Giới thiệu công trình Cốc Pài .........................................................................66 3.2. Giới thiệu về phần mềm GEO-SLOPE. .........................................................68 3.3. Mô phỏng bài toán xác định kích thước khối trượt ........................................69 3.3.1. Kiểm tra ổn định cục bộ của mái dốc hiện trạng ....................................73 3.3.2. Kiểm tra ổn định tổng thể của mái dốc hiện trạng...................................78 3.4. Phân tích so sánh phương án dùng hệ thống kè cứng và phương án neo đất .83 3.4.1. Phương án dùng tường kè cứng trên móng cọc khoan nhồi ....................83 3.4.2. Mô phỏng tính toán bằng phần mềm GEO-SLOPE ................................84 3.4.3. Giải pháp sử dụng neo đất kết hợp cắt cơ giảm tải..................................87 Kết luận chương 3 .................................................................................................90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 91 I. Những kết quả đạt được của luận văn ................................................................91 II. Kiến nghị...........................................................................................................92 III. Một số điểm còn tồn tại ...................................................................................93 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 94 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các mái dốc tự nhiên và nhân tạo .................................................................... 3 Hình 1.2: Phương pháp đắp đất ở chân mái dốc ............................................................ 21 Hình 1.3: Các dạng thi công thường gặp trong phương pháp Thoát nước .................... 22 Hình 1.4: Hình ảnh mặt thoát nước của mái dốc trên đường thuộc vịnh Runswick, một làng ven biển ở Yorkshire, Anh. .................................................................................... 22 Hình 1.5: Mô hình của phương pháp vải địa kỹ thuật với 3 lớp vải. ............................ 24 Hình 1.6: Lưới địa kỹ thuật gia cường (Geogrids) ........................................................ 24 Hình 1.7: Phương pháp cọc bản ..................................................................................... 25 Hình 1.8: Phương pháp cân chỉnh mái dốc .................................................................... 26 Hình 1.9: Phương pháp gia cường mái dốc bằng hàng cọc. .......................................... 27 Hình 1.10: Phương pháp neo trong đất .......................................................................... 27 Hình 1.11: Cỏ vetiver được trồng thành công ở huyện Củ Chi, TP.HCM .................... 28 Hình 1.12: Phương pháp sử dụng tường chắn................................................................ 29 Hình 1.13: Phương pháp sử dụng tổng hợp ................................................................... 30 Hình 2.1: Nguyên lý chịu lực của thanh neo.................................................................. 32 Hình 2.2: Các hình thức mũi neo giữ ............................................................................. 34 Hình 2.3: (a) Neo đất có dạng mở rộng đáy hình trụ tròn............................................. 35 (b) Đáy mở rộng với nhiều hình nón cụt....................................................... 35 Hình 2.4: Cấu tạo mũi cọc xoắn ..................................................................................... 39 Hình 2.5: Sơ đồ thiết kế thanh neo ................................................................................. 53 Hình 2.6: Đầu neo quan trắc điển hình cho dây neo kiểu áp ......................................... 55 Hình 2.7: Đầu neo quan trắc điển hình cho dây neo kiểu thanh .................................... 56 Hình 2.8: Các lực tác dụng và mặt cắt hình học mái dốc với mặt trượt trụ tròn. .......... 61 Hình 3.1: Sơ đồ phân bố các kiểu trượt lở thị trấn Cốc Pài, huyện Xín Mần ................ 67 Hình 3.2: Mặt cắt địa chất tại trung tâm thị trân Cốc Pài .............................................. 71 Hình 3.3: Sơ đồ tính kiểm tra ổn định mái dốc tại trung tâm huyện.............................. 72 Hình 3.4: Kiểm tra ổn định cục bộ mái dốc sau uỷ ban nhân dân huyện Xín Mần, tại khu vực sạt lở 2-Hệ số an toàn Fs=1.118 ....................................................................... 73 Hình 3.5: Kiểm tra ổn định cục bộ mái dốc sau uỷ ban nhân dân huyện Xín Mần, tại khu vực sạt lở 2-Hệ số an toàn Fs=1.024 ....................................................................... 74 Hình 3.6: Kiểm tra ổn định cục bộ mái dốc sau uỷ ban nhân dân huyện Xín Mần, tại khu vực sạt lở 2-Fs=1.031 .............................................................................................. 75 Hình 3.7: Mái dốc sau UBND huyện bị trượt do mưa ngày 23/07/2010 ....................... 76 Hình 3.8: Kiểm tra ổn định cục bộ tại vị trí số 2, hệ số an toàn ổn định Fs=1.522, phương pháp tính Bishop, trường hợp tính: Mưa kéo dài (đất bão hoà 24 giờ) ............ 76 Hình 3.9: Kiểm tra ổn định cục bộ tại vị trí số 3, hệ số an toàn ổn định Fs=1.828, phương pháp tính Bishop, trường hợp tính: Mưa kéo dài (đất bão hoà 24 giờ) ............ 77 Hình 3.10: Kiểm tra ổn định tổng thể khối trượt trung tâm huyện Xín Mần -Hệ số an toàn ổn định tổng thể Fs=1.020...................................................................................... 78 Hình 3.11: Kiểm tra ổn định tổng thể khối trượt trung tâm huyện Xín Mần-Trường hợp tính: Mưa kéo dài -PP tính Janbu- Fs=0.941 ................................................................ 79 Hình 3.12: Kiểm tra ổn định tổng thể khối trượt trung tâm huyện Xín Mần-Trường hợp tính: Mưa kéo dài – Phương pháp tính Ordinary- Fs=0.907 .......................................... 79 Hình 3.13: Kích thước sơ bộ của tường chắn do địa phương đề xuất ........................... 82 Hình 3.14: Mô phỏng giải pháp xử lý khối trượt trung tâm bằng tường chắn trọng lựcTrường hợp tính: Công trình vận hành trong điều kiện bình thường............................. 84 Hình 3.15: Mô phỏng giải pháp xử lý khối trượt trung tâm bằng tường chắn trọng lựcTrường hợp tính: Công trình vận hành trong điều kiện bình thường............................. 85 Hình 3.16: Kết quả tính ổn định khối trượt trung tâm huyện dùng giải pháp tường chắn trọng lực. Hệ số an toàn Fs=1.85. Phương pháp tính Bishop ........................................ 85 Hình 3.17: Kết quả tính ổn định khối trượt trung tâm huyện dùng giải pháp tường chắn trọng lực. Hệ số an toàn Fs=1.657. Phương pháp tính Ordinary ................................... 86 Hình 3.18: Kết quả tính ổn định khối trượt trung tâm huyện dùng giải pháp tường chắn trọng lực. Hệ số an toàn Fs=1.657. Phương pháp tính Janbu ........................................ 86 Hình 3.19: Giải pháp neo đất xử lý ổn định mái dốc thị trấn Cốc Pài-Xín Mần ........... 87 Hà Giang ........................................................................................................................ 87 Hình 3.20: Kết quả tính toán neo gia cố mái dốc theo phương pháp Bishop ................ 88 hệ số an toàn Fs=1,299. .................................................................................................. 88 Hình 3.21: Kết quả tính toán neo gia cố mái dốc theo phương pháp Janbu .................. 89 hệ số an toàn Fs=1,278. .................................................................................................. 89 Hình 3.22: Kết quả tính toán neo gia cố mái dốc theo phương pháp Ordinary ............. 89 hệ số an toàn Fs=1,305. .................................................................................................. 89 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Mục đích của các công trình phòng chống theo vị trí ..............................11 Bảng 1.2: Phân loại đất sụt của P.I.Puskin................................................................17 Bảng 1.3: Nhận xét các phương pháp giữ ổn định mái dốc: .....................................30 Bảng 2.1: Giá trị tham khảo cường độ chống cắt của đất .........................................36 (Theo Viện nghiên cứu khoa học Đường sắt, Trung Quốc)......................................36 Bảng 2.2: Cường độ chống cắt của đất .....................................................................37 (Theo Viện Nghiên cứu Xây dựng luyện kim, Trung Quốc) ....................................37 Bảng 2.3: Hệ số điều kiện làm việc m ......................................................................40 Bảng 2.4: Các hệ số A, B tính sức chịu tải kéo của cọc xoắn ...................................41 Bảng 2.5: Hệ số an toàn lực chống nhổ của thanh neo .............................................49 Bảng 2.6: Hệ số an toàn về neo của Trung Quốc ......................................................49 Bảng 2.7: Các hệ số an toàn tối thiểu được kiến nghị để thiết kế neo đơn (BS 8081:1989) ................................................................................................................50 Bảng 2.8. Các giả thiết của một số phương pháp đại biểu ........................................63 Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của đất dùng trong tính toán .......................................69 Bảng 3.3: Tổng hợp các trường hợp tính toán và hệ số an toàn ..............................80 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Mái dốc công trình gồm mái dốc tự nhiên và mái dốc nhân tạo, mái dốc tự nhiên thường thấy như sườn đồi, núi… Mái dốc nhân tạo chẳng hạn mái đê, đập, mái ta luy đường, mái bờ kênh mương.v.v… Dù mái tự nhiên hay mái nhân tạo thì yêu cầu ổn định của hệ thống mái dốc là yêu cầu số một. Tức là mái dốc không bị phá hoại trượt. Thực tế giải pháp xử lý công trình hiện nay có nhiều giải pháp ổn định mái dốc công trình. Các giải pháp này phụ thuộc vào nhiều điều kiện xung quanh vì vậy mà mức độ ổn định cũng như giá thành xây dựng khác nhau nhiều. Giải pháp sử dụng neo trong đất để gia cường mái dốc là một trong những giải pháp mới được áp dụng ở nước ta. Tuy chưa ở mức độ phổ biến nhưng đã phản ánh nhiều ưu điểm vượt trội của giải pháp. Gần đây hiện tượng trượt sạt lở đất khu vực thị trấn Cốc Pài-Xín Mần diễn ra phức tạp. Giải pháp công trình truyền thống là tường chắn trọng lực, tuy nhiên để thực hiện giải pháp này có hai nhược điểm lớn nhất là mặt bằng thi công yêu cầu lớn, bề bộn. Thứ hai là tải trọng chất lên nền lớn và tốn vật liệu. vì vậy Đề tài “Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật Neo trong đất để gia cường ổn định mái dốc. Ứng dụng xử lý mái dốc khu vực Cốc Pài – Xín Mần – Hà Giang” có tính khoa học và thực tiễn, giải quyết cấp bách tình trạng thực tế xây dựng hiện nay ở Xín Mần. Nội dung, phương pháp nghiên cứu và các kết quả đạt được: a) Nội dung nghiên cứu: Đề tài sẽ chủ yếu tập trung nghiên cứu những nội dung sau: - Nghiên cứu tổng quan các giải pháp gia cường bảo vệ mái dốc - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của neo trong đất - Áp dụng giải pháp neo trong đất để gia cường mái dốc Cốc Pài – Xín Mần – Hà Giang 2 b) Phương pháp nghiên cứu: - Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu thực tế; - Phân tích lý thuyết; - Mô hình toán và ứng dụng. c) Kết quả đạt được: - Phân tích cơ sở khoa học nguyên nhân dẫn đến sự cố mất ổn định mái dốc; - Đề xuất giải pháp gia cường phù hợp cho mái dốc công trình; - Ứng dụng giải pháp kỹ thuật Neo trong đất cho mái dốc công trình khu vực Cốc Pài – Xín Mần – Hà Giang. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC Mái dốc của khối đất đá có thể được hình thành do các tác nhân tự nhiên hay nhân tạo. Tất cả mái dốc đều có xu hướng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn – cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định được quan niệm là khi có xu hướng di chuyển và phá hoại – khi khối đất đá thực sự di chuyển. Các lực gây mất ổn định liên quan chủ yếu với trọng lực và thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng mái dốc kết hợp với bản thân độ bền kháng cắt của đất và đá tạo nên. Sự di chuyển của khối đất, đá có thể xảy ra do phá hoại cắt dọc theo một mặt ở bên trong khối hay do ứng suất hiệu quả giữa các hạt giảm tạo nên sự hóa lỏng một phần hay toàn bộ. Hình 1.1: Các mái dốc tự nhiên và nhân tạo 1.1. Nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc Theo thống kê từ các tài liệu nghiên cứu về vấn đề này [5] thì các nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc gồm có: - Do sự dịch chuyển kiến tạo của vỏ trái đất; - Do động đất và các tác động rung của máy móc; - Do mưa tăng độ ẩm và áp lực nước trong đất; 4 - Do xói lở của dòng nước, do lũ quét; - Do nắng hạn, đất bị khô nứt và giảm lực dính kết của đất; - Do gió mạnh đập vào các vách đất đá thẳng đứng; - Do bơm hút nước ngầm nhanh; - Do phong hóa mặt đất, đá bị xuất lộ trong khi thi công và khai thác công trình; - Do khai thác đất quanh các mái dốc không đúng quy định của kỹ thuật. 1.2. Mất ổn định mái dốc do tác động của nước mặt 1.2.1. Hiện tượng rửa xói sườn dốc Rửa xói và phá lở các sườn dốc Khi chảy từ các đỉnh phân thủy và các sườn dốc xuống, nước mưa gây ra tác dụng địa chất to lớn: rửa trôi và rửa xói các sản phẩm mềm rời tạo nên các đỉnh phân thủy và sườn dốc để hình thành các mương xói. Ở một giai đoạn phát triển nhất định, mặt cắt dọc và các sườn dốc của mương xói đạt đến sự cân bằng nào đó, sự phát triển bắt đầu chậm lại, ngừng hẳn và dần dần tạo các khe hoặc các rãnh, chia cắt địa hình. Các mương xói chia cắt sâu và mãnh liệt khu đất, làm giảm diện tích có ích trên phạm vi rộng lớn, gây bất lợi cho các hoạt động kinh tế, các mục đích xây dựng và sản xuất nông nghiệp. Mương xói rất có hại cho đường sá và các công trình chạy dài theo tuyến: làm tăng chiều dài tuyến, phải đi tránh hoặc xây dựng rất nhiều công trình, đường bị hư hỏng và việc xây dựng tuyến đường mới khó khăn. Nhiều nơi số cầu trên tuyến đường tăng lên nhiều lần do mương xói phát triển thêm dọc các tuyến. Bằng việc mở lộ, tháo mất các tầng nước và làm kiệt quệ nguồn dự trữ nước dưới đất, các mương xói gây thiệt hại lớn cho việc bảo vệ các nguồn cung cấp nước. Ngoài ra, chúng còn phá hoại chế độ ẩm của đới thông khí, 5 làm cho đất trồng trọt trở nên khô cằn và do đó làm giảm độ màu mỡ của đất trên những không gian rộng lớn. Do tạo địa hình chia cắt và tăng độ dốc bề mặt địa hình, mương xói làm cho quá trình phong hóa phát triển mạnh hơn, đất phủ bị rửa trôi mãnh liệt khỏi vùng đất canh tác. Xói mòn bề mặt còn gọi là xói mòn thổ nhưỡng làm giảm lượng chất hữu cơ, làm nghèo lượng nitơ và các nguyên tố chủ yếu khác thuộc nguồn dinh dưỡng khoáng của thực vật trong đất. Việc rửa trôi còn làm cho các tính chất vật lý và thủy lý của thổ nhưỡng xấu đi, phá hỏng cấu trúc hợp thể của đất. Lượng chất dinh dưỡng mất đi (thổ nhưỡng, kali, photpho, nitơ…) xấp xỉ bằng lượng phân khoáng được bón cho thổ nhưỡng dẫn đến thổ nhưỡng nghèo đi, sản lượng giảm rõ rệt và chi phí làm đất tăng lên. Những vật liệu moi chuyển do xói mòn bề mặt và theo tuyến còn gây tác hại lớn cho việc bảo vệ lãnh thổ và điều kiện khai thác công trình. Tại các địa hình trũng, các sản phẩm xói mòn phủ trên các đồng cỏ, vườn tược, đất nông nghiệp, lãnh thổ dân cư. Các sản phẩm moi chuyển của mương xói, các nón phóng vật làm tắc nghẽn đường sá, kênh đào, sông ngòi gây ra tình huống bất lợi cho đời sống và hoạt động của dân cư tại vùng (gây ngập lụt), lấp cạn hồ ao chứa nước,… Giai đoạn phát triển mương xói quyết định kích thước và mật độ của chúng. Theo A.X.Kôzimenkô, căn cứ thể tích (m3), chia các mương xói đang hoạt động ra các loại: rãnh xói: < 10; mương xói nhỏ: từ 10 ÷ 100; trung bình: tù 100 ÷ 1000; lớn: từ 1000 ÷ 10000; rất lớn: > 10000. Các nhân tố ảnh hưởng đến sự phát triển mương xói Cá nhân tố quyết định điều kiện phát triển quá trình xói mòn trên các sườn dốc, đỉnh phân thủy và hình thành mạng mương xói – rãnh xói là các nhân tố thiên nhiên như cấu trúc địa chất, địa hình, điều kiện khí hậu và thảm thực vật tại khu vực cũng như các hoạt động kinh tế của con người. 6 - Cấu trúc địa chất của khu vực: là nhân tố quan trọng nhất, các nhân tố khác có tác dụng thúc đẩy và làm tăng nhanh sự phát triển của các mương xói hoặc làm chậm lại, làm trì trệ sự phát triển đó. Nếu trên mặt các sườn dốc và đỉnh phân thủy không có đất đá dễ bị tan rã và rửa xói thì không thể hình thành mương xói. Trên các đất đá khác nhau, có thể phát triển quá trình sườn tích – rửa trôi bề mặt, có thể xuất hiện các rãnh xói (giai đoạn thứ nhất của sự phát triển mương xói), nhưng hiện tượng mương xói, rãnh xói chỉ phát triển đầy đủ trong những điều kiện địa chất nhất định, khi trên mặt đất có những đất đá với thành phần nhất định (thường là đất loại sét), với trạng thái nhất định (kém chặt) và tính chất nhất định (dễ tan rã và rửa xói). Nếu bề dày loại đất như vậy lớn thì hình thành mương xói sâu, mật độ mương xói cao, mức độ chia cắt địa hình lớn, còn khi diện phân bố các loại đất như vậy có hạn và mỏng thì mương xói không có hoặc ít phát triển. Thành phần, tính chất đất đá còn quyết định đặc điểm hình thái của các mương xói. Chẳng hạn khối nứt hình trụ thẳng đứng tạo nên các mương xói có sườn rất dốc. - Địa hình: có ảnh hưởng rất mạnh đến sự phát triển mương xói vì quyết định lượng nước chảy và tốc độ của nước. Ta biết động năng của dòng nước tỷ lệ thuận với tích số giữa khối lượng nước với một nửa bình phương của tốc độ chảy, nên khi các điều kiện khác đều như nhau thì khối lượng nước chảy phụ thuộc diện tích tập trung nước, còn tốc độ chảy được quyết định bởi chiều cao và góc dốc của sườn (độ nghiêng); nếu các thông số ấy tăng lên thì tất nhiên tốc độ chảy cũng tăng lên. - Khí hậu địa phương: lượng nước chảy gây ra xói mòn phụ thuộc lượng mưa, dạng, cường độ và sự phân bố mưa trong năm. Nguy hiểm nhất là mưa rào – mưa tương đối ngắn với cường độ trên 0,5 – 1 mm/phút. Mưa rào nhanh chóng tạo ra những dòng chảy dữ dội, có động năng to lớn gây ra rửa 7 xói làm cho mương xói phát triển nhanh, với tốc độ 40 – 45 m/năm đôi khi 60 – 70 m/năm. Mưa dài ngày có cường độ vừa phải cũng thuận lợi cho xói mòn phát triển, loại mưa này làm cho lớp đất bở rời ở gần mặt đất trong diện góp nước nhanh chóng bị bão hòa rồi sau đó chỉ thấm xuống một cách chậm chạp, khi này lượng nước mưa lớn chủ yếu tạo dòng chảy trên mặt đất và gây ra rửa xói. - Thảm thực vật: có tác dụng kìm hãm và ngăn trở hiện tượng xói mòn dưới nhiều hình thức khác nhau. Cây gỗ và cây con, cây bụi có khả năng đặc biệt to lớn để chống lại hiện tượng xói mòn. Tán các cây gỗ, cây con chẳng những giữ lại được một lượng lớn nước mưa, tạo điều kiện cho chúng bốc hơn mà còn làm yếu đi tác dụng rơi rập – rửa xói mặt đất. Lớp cây lá mục ở mặt đất chẳng những có độ thấm nước lớn mà còn có độ chứa ẩm cao, đóng vai trò chống xói quan trọng. Thảm thực vật còn có tác dụng giữ chắc đất trên các sườn dốc và các đỉnh chia nước, cản trở sự rửa xói và rửa trôi đất. Vì vậy bảo vệ thảm thực vật ở các khu vực mương xói có thể phát triển là một trong những biện pháp chống xói mòn có hiệu quả. - Hoạt động kinh tế của con người: có ảnh hưởng đa dạng đến sự phát triển hiện tượng mương xói – rãnh xói. Hoạt động đó hoặc là tốt, nhằm ngăn chặn, chống lại hiện tượng rửa xói, khôi phục lại lãnh thổ đã bị phá hoại hoặc là xấu, gây lên và thúc đẩy hiện tượng mương xói – rãnh xói phát triển. Các biện pháp chống xói mòn - Trồng cây để cải tạo đất: xây dựng những dải rừng bảo vệ để điều tiết dòng chảy trên mặt đất, làm biến đổi chế độ ẩm của đất, gia cố trực tiếp các tầng thổ nhưỡng và đất đá trên mặt. Trồng những loại cỏ sống lâu năm trên sườn dốc vì loại cỏ này có hệ thống rễ khỏe và phần thân trên mặt đất cũng có khả năng củng cố tầng thổ nhưỡng tránh được rửa trôi đất. hiệu quả nhất là bố trí những dải cỏ đệm ở rìa các khoảnh đất, đôi chỗ phối hợp dải cây. 8 - Xây dựng các công trình góp nước, giữ nước và điều tiết nước để thâu tóm, giảm tốc độ dòng chảy trên mặt đất cũng như tăng lượng nước mặt thấm xuống đất. chẳng hạn như các hệ thống rãnh và máng đón nước trên sườn và đỉnh đồi và tiêu tháo nước đi, các bờ ngăn giữ nước và các bậc đê, bậc đập ngăn nước và thấm tiêu nước được bố trí trong phạm vi lưu vực. - Gia cố những chỗ bị rửa xói nhiều bằng cách lấp các rãnh xói; đồng thời xây lát, củng cố chúng bằng các rọ đá, tấm bê tông, đá đổ, các hàng cọc, trồng lớp cỏ bảo vệ. - Tuân theo các quy chế sử dụng đất và kỹ thuật canh tác. Xác định phạm vi cần bảo hộ, ở đó cấm chặt cây, đào xới đất khai mỏ và xây dựng, chăn thả súc vật… Khai khẩn đất theo các dạng bậc thang, luống chạy theo đường đồng mức địa hình nhằm giảm bớt dòng chảy trên mặt đất và làm yếu hẳn tác dụng rửa xói thổ nhưỡng. 1.2.2. Hiện tượng lũ bùn đá Khái niệm Lũ bùn đá là những trận lũ xảy ra ở các sông miền núi và các dòng chảy tạm thời, mang theo nhiều vật liệu hòn mảnh cứng (tảng sắc cạnh, tảng tròn cạnh, dăm, cuội, cát) và đất mịn loại hạt sét. Cũng giống như những trận lũ bất kỳ nào, lũ bùn đá xảy ra đột ngột và nhanh chóng, có tốc độ chảy lớn và tương đối lớn trong mấy giờ, kèm theo những đợt sóng do dòng bị tắc nghẽn, nhưng sau đó được khai thông dưới sức ép của khối vật chất mang theo mỗi lúc một nhiều. Lượng chứa vật liệu rắn trong dòng lũ bùn đá thay đổi từ 10 – 15% đến 40 – 60%. Theo các nghiên cứu, dòng lũ bùn đá có mật độ lớn hơn 1,12 – 1,2 T/m3, có thể đạt tới 1,5 – 1,9T/m3. Tùy theo thành phần vật liệu rắn chiếm ưu thế mà lũ bùn đá có thể gồm đá với nước bùn với đá và bùn. Trong thực tế chủ yếu là hai loại lũ đá – nước và đá – bùn. Lũ đá – nước có thành phần rất 9 không đồng nhất gồm đá tảng tròn và sắc cạnh, dăm cuội, cát và chứa ít đất hạt mịn loại sét, dễ bị cuốn mất khỏi khối lũ bùn đá trong quá trình dịch chuyển và tuyển chọn. Mật độ vật chất dòng lũ bùn đá này thay đổi từ 1,15 đến 1,55 T/m3. Dòng lũ đá – bùn có thành phần hạt thô rất không đồng nhất, nhưng lại chứa nhiều hạt mịn loại sét hơn. Dòng lũ đá – bùn chẳng những có mật độ cao hơn 1,2 – 1,3 đến 1,7 – 1,9 T/m3 mà còn có độ nhớt nhất định. Các dòng lũ bùn đá tạo nên lũ tích – nón vật phóng, vạt gấu và lớp phủ lũ tích ở các cửa sông miền núi, cửa suối và các dòng chảy tạm thời, ở các đồng bằng trước núi và các hố trũng giữa núi. Tai họa của dòng bùn đá Lũ bùn đá là hiện tượng địa chất xảy ra ở miền núi. Do điều kiện hình thành, lũ bùn đá có động năng rất lớn nên phá hủy tất cả những gì trên đường tuôn chảy: cầu, đường, đường dây thông tin và tải điện, đường ống, đập, trạm thủy điện, đất canh tác, nhà cửa, vườn… nhiều làng mạc, thành phố nằm trong phạm vi tác dụng của lũ bùn đá và bị uy hiếp thường xuyên. Nhiều tai họa đã xảy ra do lũ bùn đá – vào đêm 17 rạng ngày 18-81891 ở Tirôl, từ một khe hẻm của dãy Alpơ phía nước Áo, sóng của dòng lũ bùn đá đạt đến độ cao 18m đã tạo một lớp bùn và đá dày phủ trên một miền rộng lớn. Trận lũ bùn đá năm 1938 ở Los Angeles (Mỹ) đã mang theo 11 triệu m3 bùn và đá, với lưu lượng trung bình 2000 m3/s. Ngày 8-7-1921, sau trận mưa rào dữ dội, dòng lũ bùn đá từ trên núi Alatau, Zailiy đã mang vào phố Almata (Nga) hơn 3,5 triệu m3 bùn đá. Để bảo vệ thành phố Almata, đã xây một đập đất đá cao 115m tại địa khu Mêđêô. Lũ bùn đá năm 1970 ở Pêru đã làm chết 50 nghìn người và 800 nghìn người khác không còn nhà cửa. Các biện pháp chống lũ bùn đá Dự đoán lũ bùn đá 10 Dự đoán lũ bùn đá nhằm dự đoán thời gian chuyển động và lũ của khu vực. Theo S.P.Kavetxki và V.P.Gulina, tốc độ chuyển động trung bình phần lớn khoảng 2,5-3,5 m/s, thời gian chuyển động trên các sông không dài lắm vào khoảng hàng chục phút, ít khi đạt 1 – 2 giờ. Dự đoán nguy cơ lũ là đánh giá môi trường mà trong đó xác suất phát sinh lũ tăng lên đột ngột. Dự đoán nguy cơ lũ dựa trên cơ sở phân tích các dấu hiệu nguy cơ lũ sau đây: - Với lũ do mưa rào: điều kiện mưa và hình thành dòng chảy mặt trên khu vực hoạt động của dòng mặt; - Với lũ có nguồn gốc hỗn hợp đánh giá khả năng trùng hợp độ nhả nước cao nhất. Nghiên cứu các nhân tố địa chất, địa mạo và địa chất công trình phát sinh và phát triển lũ. - Lập bản đồ vùng nguy hiểm do lũ bùn đá - Bố trí các thiết bị quan trắc để có thể cảnh báo sớm, kịp thời. Các biện pháp chống lũ bùn đá Mục đích: ngăn chặn và giảm nhẹ tai họa do lũ bùn đá bao gồm: - Ngăn không cho các tàn tích vụn di chuyển; - Giảm số lần xảy ra lũ bùn đá; - Giảm tối thiểu thể tích vụn được vận chuyển; - Bảo đảm đường di chuyển của lũ bùn đá không gây tai họa; - Nâng cao ý thức về hiểm họa cho cư dân địa phương; - Chuẩn bị các biện pháp đối phó với tình trạng khẩn cấp khi xảy ra lũ bùn đá. Các biện pháp ngăn chặn được chia ra làm hai loại: - Các biện pháp công trình. - Các biện pháp phi công trình. 11 Các biện pháp công trình Các biện pháp công trình thường đắt vì còn phải mất thêm chi phí bảo dưỡng công trình. Có thể xây dựng công trình độc lập hay tập hợp các công trình tùy theo điều kiện tự nhiên của mỗi vùng. Vị trí các công trình phòng chống lũ bùn đá được phân loại như sau: Vị trí A: Mái dốc với các vật liệu có khả năng di động; Vị trí B: thung lũng hay hẻm núi, dòng lũ bùn đá di chuyển; Vị trí C: Nón và quạt bồi tích, nơi vật liệu dòng lũ bùn đá tích đọng. Mục đích của các biện pháp công trình tại các vị trí A, B, C được thấy trong bảng sau: Bảng 1.1: Mục đích của các công trình phòng chống theo vị trí Loại Tên a) Trước khi lũ bùn đá a 1 Mục đích Vị trí Hạn chế đất đá vụn di chuyển A a2 Hạn chế đất đá vụn di chuyển B a3 Giảm số lần xảy ra A và B hoạt động b) Sau khi lũ bùn đá b 1 Giảm bớt lưu lượng và loại bỏ B bắt đầu hoạt động vật liệu kích thước lớn b2 Loại bỏ đất đá vụn trôi nổi b3 Giảm thể tích vận chuyển và lưu B và C B và C lượng cực đại b4 Bảo đảm đường thoát lũ bùn đá B và C không bị nguy hiểm 12 Các biện pháp phi công trình Các biện pháp công trình phải được hỗ trợ bởi các biện pháp phi công trình nhằm giảm thiểu tổn thất về sinh mạng và tài sản của các trận lũ bùn đá trong tương lai. Mục đích của các biện pháp phi công trình là nâng cao ý thức về mối nguy hiểm và sẵn sàng đối phó của các cư dân và chính quyền địa phương. Một số biện pháp phi công trình quan trọng như sau: - Đánh giá và phân tích tai biến và mối nguy hiểm; - Lập bản đồ sử dụng đất và phân đới nguy hiểm; - Lập kế hoạch phòng chống thảm họa lũ bùn đá; - Cảnh báo sớm; - Di tản kịp thời; - Đối phó thảm họa; - Thông tin và huấn luyện cộng đồng. Các biện pháp phi công trình cũng bao gồm các biện pháp kỹ thuật chuyên môn hiệu quả sau đây: - Quản lý lưu vực sông, bao gồm trồng rừng và các bụi cây ở mái dốc để giảm bớt sự xói mòn đất. - Điều tiết dòng nước mặt và dòng ngầm. 1.3. Mất ổn định mái dốc do tác động của trọng lực 1.3.1. Hiện tượng trượt Khái niệm Trượt đất đá là hiện tượng di chuyển của các khối đất đá thường là đất đá loại sét, với các đất đá nằm trên nó, theo một mặt trượt nào đó ở sườn dốc. Sự di chuyển đó xảy ra với tốc độ khác nhau từ vài mm/ngđ đến vài m/giờ, rất ít khi hàng chục m/giờ. Khối đất đá bị dịch chuyển gọi là khối trượt. Chiều rộng khối trượt có thể tới hàng trăm mét, thể tích có thể tới hàng triệu m3 hoặc 13 hơn nữa. Trượt đất đá có thể phá hoại đường giao thông, nhà ở, đập dân nước, nhà máy thủy điện,… đặt ở trên sườn dốc hay dưới chân dốc trượt. Ý nghĩa nghiên cứu Trượt là một hiện tượng địa chất làm biến đổi hẳn địa hình mặt đất, làm mất ổn định công trình, nhà ở, đường sá, kênh đào, cả hệ thống công trình, thành phố, kể cả phá hủy hoàn toàn, gây ra tai họa về người và thiệt hại của cải rất lớn. Ngày 09 tháng 10 năm 1963, khối trượt lớn 270 triệu m3 xảy ra ở phía thượng lưu đập vòm Vajont (cao 265,5m) trong thung lũng sông Piave ở Ý. Trong khoảng thời gian 15-30 giây, một đoạn dài 2km ở lòng hồ bị đất đá trượt xuống lấp đầy và dâng cao trên mực nước hồ 175m với tốc độ dịch chuyển 15 đến 30m/s. Trượt gây chấn động lớn lan tới Áo và Bỉ, tạo đợt sóng cao hơn đỉnh đập 100m, các thành phố Lonjerone, Pirago, Villanora Rivalta và Fax đã bị cuốn đi. Gần 3000 người chết. Nguyên nhân trượt là điều kiện địa chất công trình bất lợi trong lòng hồ. Thung lũng sông Piave bị phân cắt sâu dạng hẻm vực, được cấu tạo bởi tập đá vôi phân lớp dày Jura giữa (J 2 Doger) và đá vôi, đá macnơ phân lớp mỏng, xen nhiều lớp kẹp sét Jura trên (J 3 -Malm) và Krêta dưới (K 1 ). Các thành tạo trầm tích trên nằm dưới lớp phủ trầm tích Đệ Tứ Q mỏng phân bố ở phần trên của sườn và vùng chia nước. Đá vôi bị biến vị mạnh, hướng cắm dốc về lòng hồ, có nhiều hệ thống khe nứt chia cắt, nhiều đới vụn nát kiến tạo và đới giảm yếu. Các yếu tố kiến trúc – kiến tạo định hướng bất lợi trên quyết định sự dịch chuyển khối lượng đất đá lớn theo mặt trượt có dạng hình cốc. Ngoài ra còn do bờ hẻm vực rất dốc, tạo điều kiện phát sinh trọng lực lớn, mực nước trong lòng hồ dâng cao và hạ thấp định kỳ và sự giảm độ bền đất đá khi bị ẩm ướt. Trượt không những làm khu vực mất ổn định, phá hoại công trình, bờ mỏ mà còn làm biến đổi điều kiện tự nhiên và phát sinh nhiều hiện tượng địa