Những điều kiện nào làm xảy ra sạt lở đất?

Trong phân tích ổn định sườn dốc, cân bằng này thường được biểu diễn bằng hệ số an toàn FS = lực kháng / lực gây trượt. Trong mô hình giới hạn, FS lớn hơn 1 nghĩa là sức kháng còn lớn hơn lực gây trượt; khi FS tiến về khoảng 1, sườn tiến tới trạng thái giới hạn; nếu lực gây trượt vượt lực kháng thì phá hoại có thể xảy ra. Đây là cách định lượng cơ chế ổn định, không phải một ngưỡng cảnh báo thực địa duy nhất áp dụng cho mọi sườn tự nhiên.

Trọng lực tạo lực trượt, sức kháng đất đá giữ sườn dốc ổn định

Trọng lực là động lực nền của chuyển động khối xuống dốc. Trên một mặt nghiêng, trọng lượng của khối đất đá có thể được phân thành thành phần ép vuông góc với mặt dốc và thành phần kéo vật liệu dọc theo sườn. Thành phần dọc sườn tạo ứng suất cắt; sườn chỉ đứng vững khi ma sát, lực dính kết và các dạng sức kháng khác của đất đá đủ lớn để chống lại chuyển động đó. USGS mô tả cơ chế tổng quát theo cùng nguyên lý: chuyển động bắt đầu khi các lực hướng xuống dốc, chủ yếu do trọng lực, vượt độ bền của vật liệu tạo nên sườn.

Vì vậy, câu nói “trọng lực gây sạt lở” chỉ mô tả một nửa cơ chế. Trọng lực vẫn tác dụng khi sườn ổn định suốt hàng trăm hoặc hàng nghìn năm. Phần còn lại nằm ở sức kháng cắt: nếu đất đá còn đủ ma sát, liên kết và điều kiện ứng suất thuận lợi, trọng lực chưa thể làm khối vật liệu chuyển động. Chỉ khi cân bằng giữa hai phía thay đổi tới mức lực gây trượt thắng lực kháng thì phá hoại mới bắt đầu.

Cách nhìn này giúp liên kết các điều kiện tự nhiên khác với nhau. Nước có thể thay đổi cả trọng lượng và sức kháng; địa hình thay đổi hình học của lực; cấu trúc đất đá quyết định độ bền và nơi tồn tại những mặt yếu. Do đó, một sườn không thể được đánh giá chỉ qua việc nó trông “rất dốc” hay “rất ẩm”.

Nước làm giảm sức kháng và tăng tải trọng của sườn dốc

Nước đặc biệt quan trọng vì nó tác động trực tiếp đến trạng thái cơ học bên trong đất đá. Khi lượng nước trong đất tăng, khối vật liệu có thể nặng hơn. Quan trọng hơn, sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng làm giảm ứng suất hữu hiệu ép các hạt đất vào nhau. Khi ứng suất hữu hiệu giảm, phần sức kháng cắt do ma sát cũng giảm; cùng một lực trọng trường vì thế có thể trở nên đủ lớn để gây phá hoại. BGS nêu cả ba tác động liên quan của nước: tăng trọng lượng, làm yếu vật liệu và giảm ma sát. Các nghiên cứu về ổn định sườn của USGS cũng xác định sự biến đổi áp lực nước, hàm lượng nước và ứng suất hữu hiệu là những mắt xích quan trọng của sạt lở do mưa.

Mưa không làm mọi sườn phản ứng tức thời hoặc giống nhau. Nước phải thấm qua đất, di chuyển trong các lớp địa chất và làm thay đổi trạng thái thủy lực tại vùng có khả năng hình thành mặt trượt. Phản ứng này phụ thuộc vào cường độ và thời gian mưa, độ ẩm trước mưa, đặc tính thấm của vật liệu, địa tầng, chiều dày đất và hình học sườn. Vì thế, hai đợt mưa tương tự có thể gây hậu quả khác nhau nếu một sườn đã tích nước từ trước còn sườn kia vẫn tương đối khô.

Quan trắc tại một khối trượt giàu sét ở Honolulu cho thấy tính phụ thuộc vào điều kiện địa phương rất rõ. Khối trượt được ghi nhận chuyển động trong các thời kỳ mưa khi lượng mưa trung bình 10 ngày vượt khoảng 25 mm/ngày, đồng thời áp lực nước lỗ rỗng ở một phần khối trượt tăng khoảng 10–30 kPa. Đây là bằng chứng định lượng về liên hệ giữa nước và chuyển động, nhưng không phải “ngưỡng mưa gây sạt lở” dùng chung cho nơi khác; ngưỡng thực tế phụ thuộc vào cấu trúc địa chất và hệ thống nước ngầm của từng sườn.

Đất cũng không nhất thiết phải bão hòa hoàn toàn mới có thể trượt. USGS từng quan trắc sạt lở nông xảy ra khi vật liệu vẫn ở trạng thái bão hòa một phần. Trong trường hợp đó, biến đổi độ ẩm, lực hút của đất và ứng suất hữu hiệu vẫn đủ để làm trạng thái ổn định thay đổi. Vì vậy, “nước gây sạt lở” cần được hiểu là một quá trình thủy–cơ, không đơn giản là đất chứa càng nhiều nước thì chắc chắn càng trượt.

Địa hình dốc làm thành phần lực kéo xuống lớn hơn

Độ dốc quyết định cách trọng lượng của khối đất đá được phân giải trên sườn. Khi góc dốc tăng, thành phần trọng lực hướng dọc xuống sườn tăng so với trường hợp địa hình thoải hơn, khiến vật liệu cần sức kháng lớn hơn để duy trì cân bằng. BGS vì thế xem độ dốc là một yếu tố quan trọng đối với khả năng sạt lở.

Tuy nhiên, địa hình không chỉ được mô tả bằng một con số góc dốc. Xói mòn của sông, sóng hoặc dòng chảy có thể lấy mất vật liệu ở chân sườn. Khi phần chống đỡ ở chân bị suy giảm, hình học của sườn thay đổi và khối phía trên dễ mất cân bằng hơn. BGS và USGS đều liệt kê xói chân hoặc rìa sườn trong số các quá trình tự nhiên có thể làm tăng khả năng mất ổn định.

Địa hình đồng thời ảnh hưởng đến cách nước di chuyển dưới mặt đất. Nghiên cứu về thủy văn và ổn định sườn cho thấy dòng nước ngầm, trạng thái bão hòa và trường ứng suất trong đất có liên hệ trực tiếp với hình dạng địa hình. Vì vậy, địa hình có thể tác động lên sạt lở qua cả hai con đường: thay đổi lực cơ học và điều khiển phân bố nước trong sườn.

Không tồn tại một góc dốc duy nhất mà vượt qua nó mọi sườn đều phải sạt. Một sườn đá rất dốc vẫn có thể đứng vững nếu khối đá có sức kháng cao, cấu trúc thuận lợi và điều kiện nước ổn định. Ngược lại, sườn thoải hơn có thể mất ổn định nếu có lớp yếu hoặc áp lực nước bất lợi. Trong phân tích kỹ thuật, độ dốc vì thế luôn được xét cùng sức kháng vật liệu, nước và hình học mặt trượt chứ không phải như một tiêu chí độc lập.

Cấu trúc đất đá quyết định nơi và cách mặt trượt hình thành

Hai sườn có cùng độ dốc và chịu lượng mưa tương tự vẫn có thể phản ứng rất khác nhau vì thành phần và cấu trúc bên trong không giống nhau. Sức kháng cắt phụ thuộc vào ma sát, lực dính kết, mức độ phong hóa và trạng thái ứng suất của vật liệu. Đất đá yếu, nhạy hoặc phong hóa mạnh thường dễ tiến tới phá hoại hơn vật liệu nguyên vẹn có sức kháng lớn.

Trong đá, các khe nứt, đứt gãy, mặt phân lớp hoặc các gián đoạn khác có thể trở thành những mặt yếu sẵn có. Hướng của chúng cũng quan trọng: một mặt phân lớp hoặc hệ khe nứt có phương và góc nghiêng bất lợi so với sườn có thể tạo hình học thuận lợi cho khối đá chuyển động. USGS liệt kê vật liệu bị cắt xé, nứt nẻ và các gián đoạn có định hướng bất lợi trong nhóm nguyên nhân địa chất của sạt lở; BGS cũng nhấn mạnh vai trò của khe nứt, hướng phân lớp và cách các lớp đá được sắp xếp.

Cấu trúc địa tầng còn quyết định cách nước tích tụ. Khi các lớp có độ thấm khác nhau nằm cạnh nhau, nước ngầm có thể bị cản hoặc tập trung ở một số vị trí, làm áp lực lỗ rỗng tăng cục bộ gần vùng yếu. Nghiên cứu của USGS cho thấy biến thiên độ dẫn thủy lực có thể thay đổi trường dòng ngầm, trường ứng suất hữu hiệu và vị trí sườn trở nên mất ổn định.

Do đó, “cấu trúc đất” không chỉ có nghĩa là đất cứng hay mềm. Đối với cơ chế sạt lở, cần hiểu rộng hơn gồm loại vật liệu, độ phong hóa, ma sát và liên kết giữa hạt, mặt phân lớp, khe nứt, mặt yếu và sự phân bố tính thấm. Chính cấu trúc này thường quyết định mặt trượt có thể hình thành ở đâu và nước có thể làm suy yếu sườn theo đường nào.

Mưa, xói chân dốc và động đất có thể đưa sườn qua ngưỡng phá hoại

Có sự khác biệt giữa điều kiện làm sườn nhạy cảm và tác nhân kích hoạt. Một sườn có thể đã dốc, chứa lớp yếu và có nước ngầm cao nhưng vẫn tạm thời duy trì cân bằng. Mưa kéo dài có thể làm áp lực lỗ rỗng tăng; xói chân dốc làm mất chống đỡ; rung chấn động đất đưa thêm tác động động lực vào hệ. Nếu sườn vốn đã gần trạng thái giới hạn, những biến đổi này có thể là phần cuối cùng khiến lực gây trượt vượt sức kháng.

USGS cho biết các sườn đã ở gần trạng thái chuyển động có thể bị kích hoạt bởi mưa, tuyết tan, biến đổi mực nước, xói mòn dòng chảy, thay đổi nước ngầm, động đất hoặc nhiều yếu tố phối hợp. Điều này giải thích vì sao sự kiện xảy ra ngay trước một vụ sạt lở không nhất thiết là nguyên nhân duy nhất của nó. Một trận mưa có thể là tác nhân kích hoạt, trong khi độ dốc, lớp đất yếu và cấu trúc nước ngầm đã tạo điều kiện mất ổn định từ trước.

Cũng vì vậy, cùng một tác nhân không tạo cùng kết quả ở mọi nơi. Mưa lớn không khiến mọi sườn trượt, và một mức rung chấn nhất định không làm mọi loại đá phản ứng giống nhau. Mức độ mất ổn định phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của cả hệ: sức kháng đất đá, độ dốc, cấu trúc địa chất, độ ẩm và đường truyền nước.

Sạt lở thường là kết quả của nhiều điều kiện tự nhiên cùng hội tụ

Các yếu tố trên liên kết thành một hệ thống chứ không hoạt động độc lập. Chẳng hạn, một lớp đất tương đối thấm nằm trên lớp ít thấm có thể tích nước gần ranh giới; nếu các lớp này nghiêng thuận chiều sườn, chúng đồng thời tạo một vùng có sức kháng thấp và hình học thuận lợi cho trượt. Khi chân sườn tiếp tục bị xói hoặc một đợt mưa làm áp lực nước tăng, trạng thái vốn gần giới hạn có thể chuyển sang phá hoại. Đây là lý do cùng một lượng mưa có thể không đáng kể đối với một sườn nhưng lại đủ để kích hoạt sạt lở ở sườn khác.

Vì thế, tổ hợp sườn dốc vật liệu hoặc mặt yếu bất lợi điều kiện nước bất lợi tác nhân kích hoạt thường có khả năng mất ổn định cao hơn khi chỉ xuất hiện riêng từng yếu tố. Tuy nhiên, đây không phải công thức tất định. Một số sườn có thể trượt khi vật liệu chưa bão hòa hoàn toàn; sườn không quá dốc vẫn có thể thất bại nếu cấu trúc địa chất yếu; còn một sườn rất dốc có thể duy trì ổn định nếu sức kháng của đá đủ lớn.

Cách hiểu chính xác nhất về sạt lở đất là xem nó như sự phá vỡ cân bằng của một hệ đất–đá–nước–địa hình. Trọng lực cung cấp lực kéo xuống; cấu trúc và độ bền vật liệu tạo sức kháng; nước điều chỉnh trọng lượng và ứng suất hữu hiệu; địa hình chi phối hình học lực và dòng nước. Sạt lở bắt đầu khi tương tác giữa những thành phần này khiến sức kháng không còn đủ để giữ khối vật liệu trên sườn.

Sạt lở đất xảy ra khi lực kéo xuống sườn, chủ yếu do trọng lực, vượt sức kháng cắt của đất đá. Trọng lực tạo động lực nền; nước có thể tăng tải và làm giảm ứng suất hữu hiệu; địa hình dốc làm tăng thành phần lực xuống sườn và có thể mất chống đỡ do xói chân; cấu trúc đất đá quyết định độ bền, mặt yếu và đường truyền nước. Mưa, biến đổi nước ngầm, xói mòn hay động đất thường trở thành tác nhân kích hoạt khi sườn đã tiến gần trạng thái giới hạn.

Không có một điều kiện tự nhiên đơn lẻ giải thích mọi vụ sạt lở. Bản chất của hiện tượng là sự tương tác giữa lực gây trượt, sức kháng, nước, hình học sườn và cấu trúc vật liệu; chỉ khi tương tác đó làm cân bằng cơ học bị phá vỡ thì sườn mới mất ổn định và chuyển động.