Nguyên nhân gây sụt lún mặt đất ở thôn Hậu Viên, Cam Lộ, tỉnh Quảng Trị

TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 17, 2003 NGUYÊN NHÂN GÂY SỤT LÚN MẶT ĐẤT Ở THÔN HẬU VIÊN, CAM LỘ, TỈNH QUẢNG TRỊ Nguyễn Văn Canh, Nguyễn Thanh Trường Đại học Khoa học Huế 1. Quá trình phát sinh và thực trạng hiện tượng sụt lún mặt đất trên lãnh thổ nghiên cứu: Thôn Hậu viên là một phần của huyện Cam Lộ, thị xã Quảng Trị, nằm trọn trong khúc uốn của đoạn sông Hiếu với diện tích khoảng 100.000m2., xưa là vùng đất hoang sơ, không có người ở. Quá trình tụ cư mới bắt đầu cách đây khoảng 70 - 80 năm về trước. Những năm gần đây xảy ra hiện tượng sụt lún bề mặt đất khá mạnh, với các hố sụt có có hình dạng và kích thước khác nhau, từ 1 -3m, sâu từ 2 -3m đến 4 -5m, thậm chí có hố diện tích đạt tới 10m2 (ảnh) hoặc lớn hơn và mật độ các hố sụt khá dày, tốc độ sụt lún khá nhanh, có những chỗ sụt lún hầu như tức thời. Các hố sụt thường xuất hiện trong những trận mưa rào lớn đầu mùa mưa bão, nhất là những mùa mưa xẩy ra ngay sau những tháng ngày hạn lớn. Ảnh một số hố sụt lún mặt đất Về đặc điểm địa chất, khu vực Cam Lộ nằm trong vùng có cấu trúc khá phức tạp, với các tầng đá gốc có tuổi từ Odovic - Silua đến các lớp đá trầm tích Đệ tứ. Các đá gốc chủ yếu thuộc hệ tầng Long đại (O3 - S1ld), bị uốn nếp, vò nhàu mạnh, phần trên thường bị nứt nẻ nhiều mà phủ bất chỉnh hợp trên chúng là các tầng đá thuộc hệ tầng Cù Bai (D2-3cb) với thành phần thạch học chủ yếu là đá vôi màu xám đen xen kẹp phiến sét bị castơ hoá mạnh, mái của tầng đá vôi không bằng phẳng. Đá của hệ tầng này phân bố chủ yếu trong phạm vi của địa hào Cam Lộ và thỉnh thoảng lộ ra dạng chỏm dọc sông Hiếu. Đá gốc thuộc hệ tầng Long Đại và Cù Bai được che phủ bởi các trầm tích Pleistoxen, Holoxen (QIV1-2) và (QIV3) mà thành phần thạch học chủ yếu là cát, sỏi, cuội đa khoáng, kết cấu rời rạc, có kích thước thay đổi nhiều, có khi đạt tới 200 - 250mm, độ chọn lọc kém, bề dày đạt tới 20 -30m Từ kết quả đo vẽ địa chất công trình, khoan thăm dò và thí nghiệm tính chất các mẫu đất cho thấy, trong phạm vi độ sâu đến 30m, từ trên xuống, các lớp đất đá phân bố như sau: - Sét nhiều bụi, sét pha nhẹ màu vàng sẫm, vàng xám và cát sỏi thuộc trầm tích sông Holoxen thượng dày 4-6m. - Sét, sét pha xám xi măng, xám trắng loang lổ, sét pha xám tro chứa hữu cơ, cát lẫn sỏi (lớp đất loại sét của trầm tích sông biển Holoxen hạ trung thường bị bào mòn hoàn toàn) dày 2-5m. - Cát cuội sỏi đa khoáng bồi tích (có thể cả lũ tích) Pleixtoxen thượng - Holoxen với bề dày có thể tới 2-5m. - Đá vôi hệ tầng Cà Bai bị nứt nẻ, castơ hoá mạnh với nhiều phễu, hang, động hút nước. Thành phần, kích thước hạt và các tính chất cơ lý của các lớp đất đá nêu trên được trình bày trong bảng 1 và 2. 2. Nguyên nhân gây ra sụt lún mặt đất ở thôn Hậu Viên Qua khảo sát thực tế và theo kết quả thí nghiệm, các lớp đất có trong mặt cắt địa chất chịu ảnh hưởng của sụt lún, nhất là lớp cát cuội sỏi, được lắng đọng trong điều kiện và chế độ sông lũ nên có độ chọn lọc thấp, độ rỗng ban đầu cao. Mặt khác, các nhóm hạt nhỏ (cát, bụi, sét) xen lẫn cành lá cây ( dễ bị phân huỷ) rất dễ bị dòng ngầm mang ra khỏi tầng cát cuội sỏi, do đó, độ rỗng của cát cuội sỏi càng tăng lên theo thời gian tồn tại của thành tạo này. Trong lúc đó, lớp sét loang lổ, cách nước tốt amQIV1-2 lại bị bào mòn, tạo điều kiện cho sự ngấm nhanh nước mưa xuống sâu tạo ra áp lực thuỷ động lên cát cuội sỏi vào mùa mưa lũ hoặc hạ thấp độ ẩm và tăng khả năng tan rã đất sét pha, cát pha khi mùa mưa đến. Sự tồn tại tầng đá vôi bị nứt nẻ castơ hoá mạnh với nhiều phễu, giếng, động hút nước, nằm lót đáy các thành tạo cát cuội sỏi dày, có độ thấm nước lớn (K=40m/ngđ), càng đẩy nhanh quá trình sụt lún mặt đất phía trên. Ngoài ra, yếu tố có ảnh hưởng rất quan trọng với quá trình đang xét là chế độ khí hậu địa phương, nhất là vào những năm thời tiết khô nóng bất thường và kéo dài, rồi tiếp đến là những trận mưa lớn và cũng chính vì vậy mà sụt lún mặt đất thường phát sinh vào tháng 8, tháng 9 hàng năm. Do nắng hạn kéo dài, tầng sét cách nước giữ ẩm bên dưới bị bào mòn nên độ ẩm trầm tích đất loại sét aQIV3 ở phía trên suy giảm nhanh, đất trở nên khô ngót, nứt nẻ nhiều và mực nước dưới đất lại hạ thấp (có thể đến 7-8m so với mặt đất), càng làm cho đất dễ bị tan rã, sụt lún khi đột ngột có mưa lũ. Như vậy, quá trình sụt lún mặt đất đã phát sinh, phát triển trong môi trường địa chất, điều kiện khí hậu rất thuận lợi và trong môi trường đó, nguyên nhân chú yếu gây ra hiện tượng sụt lún mặt đất là quá trình xói ngầm và di chuyển trọng lực của vật liệu ở phía dưới. Tuy nhiên, ở đây cần xem xét cơ chế và vai trò của quá trình xói ngầm theo phương vận động ngang và vận động thẳng như thế nào. Để làm rõ điều đó chúng tôI đã tiến hành kiếm toan theo cả hai phương: nằm ngang và thẳng đứng. 2.1. Kiểm toán xói ngầm theo phương vận động ngang. Để tiến hành kiểm toán, chúng tôi giả định độ rỗng các cuội sỏi n = 45%, đồng thời chỉ xét kích thước lỗ rổng giữa các hạt bụi, sét lấp, nhét trong cát, cuội, sỏi. Còn Gradient dòng ngầm theo kết quả quan trắc mực nước tĩnh ở các lỗ khoan khảo sát và trong giếng nước của nhân dân, được tính theo biểu thức sau: Trong đó: HH- là cao trình mực nước ở mép sông Hiếu lúc khảo sát là 6m, H6 là chiếu sâu mực nước tĩnh trong lỗ khoan GHV6 là 4,5m, lúc kiệt nhất đến độ sâu 5m, LH-6 là khoảng cách từ lỗ khoan GHV6 đến mét nước sông Hiếu lấy bằng 500m Theo I.S. Istomina đường kính trung bình của lỗ rỗng đất cát bụi sét do và đường kính các hạt đất d1 bị xói ngầm tương ứng với gradient thực tế của dòng ngầm tại khu vực nghiên cứu sẽ là: Trong đó: K - là hệ số thấm cát cuội sỏi 50m/ngđ hay 0,06cm/s g - là hệ số nhớt động ở nhiệt độ 20 - 300C lấy bằng 0.01cm2/s n - là độ rỗng thập phân của cát cuội sỏi. G- là gia tốc trọng trường = 980cm/s2 i - là gradient thuỷ lực dòng ngầm, lấy cao hơn thực tế và bằng 0,005 h - là hệ số nhớt động lực lấy tương đương g và bằng 0,01cm2/s Ds - là khối lượng riêng trung bình của các hạt đất và lấy bằng 2,67g/cm3 Từ kết quả tính toán trên, rõ ràng rằng với đường kính trung bình của lỗ rộng do và gradient thuỷ lực thấp (đã lấy i = 0,005 chứ không phải 0,003) dòng ngầm vận động theo phương nằm ngang chỉ có thể mang ra khỏi tầng cát cuội sỏi các hạt bụi bé, hạt sét, hạt keo. Như vậy, hoạt động xói ngầm theo phương vận động ngang không đáng kể, không thể tạo nên khoảng trống ngầm trong thành tạo cát cuội sỏi để có thể phát sinh sụt lún mặt đất như đã xảy ra. 2. 2. Kiểm toán xói ngầm theo phương vận động thẳng đứng. Vận động vật liệu theo phương thẳng đứng từ trên xuống dưới do tác động tổng hợp cả trọng lực, lẫn áp lực thuỷ động của dòng ngầm với điều kiện thuận lợi sẽ mạnh mẽ hơn nhiều. Quá trình xói mòn theo phương thẳng đứng diễn ra trong thời gian dài kể từ khi vừa kết thúc quá trình lắng đọng trầm tích và cũng được bắt đầu từ hiện tượng mang ra khỏi tầng cát, cuội sỏi những hạt bé (hạt bụi, hạt sét) và kích thước các hạt được mang đi ngày càng tăng lên cùng với quá trình xói ngầm, tạo lỗ rỗng và đường kính lỗ rỗng trong tầng cát cuội sỏi được mở rộng đáng kể. Ngoài ra, sự tồn tại các phễu, hang, động hút nước castơ trong đá vôi hệ tầng Cùbai có thể xem như những “thùng không đáy” trong vận chuyển cát cuội sỏi ở phía trên rơi xuống, tạo môi trường thuận lợi cho quá trình xói ngầm và dịch chuyển trọng lực các thành tạo đất đá theo phương thẳng đứng được diễn tiến liên tục cho đến khi xảy ra hiện tượng sụt lún mặt đất. Sơ đồ mặt cắt khu vực sụt lún . - Mực nước sông Hiếu ở độ cao Hn+2 - Mực nước ngầm dâng đến độ cao Hn+5 - Đất phủ trên tầng cuội sỏi cùng với hệ thống giếng nước có đáy ở cốt cao +1 và được xem như là “cột nước” nằm trên tầng cuội sỏi trong mô hình khảo nghiệm xói ngầm từ cuội sỏi. - Tầng đất cuội sỏi dày trung bình 15m và có đáy nằm ở độ cao - 14. - Đá vôi D2-3cb bị castơ hoá với nhiều phễu, động hút nước đóng vai trò duy trì dòng ngầm vận động thẳng đứng từ trên xuống được liên tục (xem sơ đồ). Để kiểm toán khả năng vậng chuyển theo chiều thẳng đứng chúng tôi xây dựng mô hình với các thông số sau: Với mô hình đã xây dựng và giá trị các thông số được chọn nói trên gradient dòng ngầm vận động theo phương thẳng đứng và đường kính d các hạt đất bị xói ngầm lôi đi khỏi tầng đất cuội sỏi như sau: Từ kết quả tính toán trên, chúng ta thấy vận động dòng ngầm phát sinh khi mưa rào đầu mùa lũ theo phương thẳng đứng từ trên xuống có gradient thuỷ lực i = 1,07 (lớn hơn 200 lần gradient dòng ngầm vận động theo phương nằm ngang). Cũng do vậy, dòng ngầm lôi ra khỏi tầng cuội sỏi cả những hạt cát với đường kính lớn gấp 15 lần các hạt bị xói ngầm theo phương nằm ngang. Như vậy, xói ngầm theo phương thẳng đứng là nguyên nhân chủ yếu gây ra sụt lún mặt đất tại khu vực nghiên cứu. 3. Dự báo khả năng phát triển quá trình sụt lún mặt đất. Như đã biết, các yếu tố ảnh hưởng cơ bản về địa chất và khí hậu khu vực đã hỗ trợ cho quá trình sụt lún mặt đất phát sinh trong các năm gần đây ở Hậu Viên vẫn sẽ tiếp diện trong tương lai. Tuy nhiên, quy mô, cường độ sụt lún mặt đất sẽ phụ thuộc rất nhiều vào thời gian, đặc điểm diễn biến của khí hậu địa phương liên quan nhiều đến điều kiện địa chất thuỷ văn. Những năm có hạn hán kéo dài hơn và tiếp đến có trận mưa rào đầu mùa với cường độ mưa lớn hơn so với trị số trung bình nhiều năm cũng như so với chế độ khí hậu đã hình thành trong các năm 1996, 1997 và 1998 thì quá trình sụt lún mặt đất mạnh hơn có nhiều khả năng phát sinh. Ngược lại, trong những năm ít hạn hán, lượng mưa phân bố đều trong năm và mưa với cường độ thấp, nhất là mưa đầu mùa thì hiện tượng sụt lún mặt đất sẽ không xảy ra hoặc nếu có phát sinh thì cũng với cường độ và quy mô hạn chế so với hiện tại. TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Canh. Xác định nguyên nhân gây sụt lún và biến dạng công trình tại Bệnh viện Cam Lộ, Quảng Trị. Đề tài cấp tỉnh (1993) Nguyễn Thanh, Nguyễn Văn Canh, Nguyễn Văn Sau và nnk. Xác định nguyên nhân gây nứt đất tại khu vực Hương Hồ tỉnh Thừa Thiên Huế (1993) Nguyễn Thanh, Nguyễn Văn Canh, Nguyễn Văn Sau. Xác định đứt gãy và ảnh hưởng của nó đến Nhà máy xi măng 8,2 vạn tấn/năm Đông Hà, Quảng Trị. Đề tài cấp tỉnh (1994) Nguyễn Thanh, Nguyễn Văn Canh. Xác định nguyên nhân gây sụt lún đất và xói lở bờ sông ở thôn Hậu Viên, huyện Cam Lộ Quảng Trị (1998) FACTORS OF LAND SURFACE DEPRESSION IN HAU VIEN VILLAGE, CAM LO DISTRICT, QUANG TRI PROVINCE Nguyen Van Canh, Nguyen Thanh College of Sciences, Hue University SUMMARY Land surface depression in Hau Vien village is a geological phenomenon happened in Quatennary sedimental layer which has high descrepancy and pority. The results of the study on the field and labratorical works show that the land depression was developing under very farourable hydrogeological and clime-metorological conditions. The results of the study also show that the horizontal and vertical transport of sedimental materials under layer are factors of land depression in this research region but vertical transport of sedimental materials is more factor important.