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.1: Các mái dốc tự nhiên và nhân tạo 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. Mất ổn định mái dốc do tác động của nước mặt 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.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.