Kỹ thuật biển ( dịch bởi Đinh Văn Ưu ) - Tập 1 Nhập môn về công trình bờ - Phần 6 ppt

Trong chương này, chúng ta sẽ xem xét các tác động của triều tại hạ lưu sông và những hậu quả gây nên đối với lưu thông và nạo vét cảng.. Hình 20.a Tương quan vận tốc trong kênh Những n

19 Sóng seiche

L.E van Loo

19.1 Định nghĩa

Nói một cách chính xác thì seiche là dao động sóng đứng tự do trong một thuỷ vực kín Nước dâng thường xẩy ra trong hồ Geneva là một thí dụ cho định nghĩa đó Loại hiện tượng này có thể do nguyên nhân biến đổi áp suất khí quyển, hay do có một lượng nước lớn rút nhanh hay đổ nhanh vào hồ

Danh từ seiche cũng được sử dụng để mô tả các tác động sóng đứng quan trắc thấy trong cảng Loại sóng này có chu kỳ tương đối dài và biên độ thấp so với các sóng mô tả trong chương 5 Tại các cảng không hoàn toàn khép kín, các lực tác

động khác có thể gây nên hiện tượng này Các tác động của triều và các sóng lừng chu kỳ dài trên các vùng biển kề cận có thể gây nên seiche trong cảng

Một từ khác “range action” cũng được sử dụng để chỉ các sóng seiche Từ này cũng được sử dụng để phản ánh chuyển động của tàu neo do seiche gây nên

19.2 Các trường hợp đơn giản

Sóng seiche đơn giản thực tế (trong các thuỷ vực kín) là sóng đứng với điểm nút nằm giữa bể và các phản nút tại hai đầu Độ dài bể bằng 1./2 độ dài sóng như

được thể hiện trên hình 19.1 Đối với sóng dài đó:

gh

trong đó: c là vận tốc sóng

g là gia tốc trọng trường, và

h là dộ sâu trung bình của nước

áp dụng công thức trên cho bồn nước thể hiện trên hình vẽ, chu kỳ sóng, T,

có thể tính như sau:

gh

L

T 2 (19.02) Xem hồ Geneva làm ví dụ, ta có thể tìm được, với

L = 90 km và h = 200 m có chu kỳ, T, khoảng 1 giờ 8 phút

Khi cảng nối liền với biển, điểm nút có thể nằm tại cửa vào và phản nút sẽ là cuối của cảng Trong trường hợp này, độ dài sóng bằng 4 lần độ dài bồn cảng và

được thể hiện trên hình 19.2 Trong trường hợp đó:

gh

L

T 4 (19.03)

Hình 19.1 Sóng đứng trong bể kín Hình 19.2 Sóng sseiche trong cảng

Tuy nhiên vẫn có thể tồn tại các khả năng khác Thông thường:

gh

i

L

T i

)

(

4

 (19.04)

trong đó i là số nguyên lẻ: 1,3,5, ; lưu ý rằng khi i tăng thì chu kỳ của thành

phần sóng điều hoà thứ i sẽ giảm Phương trình 19.03 cũng chính là phương trình

19.04 với i = 1; từ đây thu được thành phần sóng điều hoà thứ 1 hay là sóng sơ cấp Một ví dụ với i = 5 được thể hiện trên hình 19.3 Như vậy sóng seiche với một

số chu kỳ nhất định sẽ tồn tại cho từng cảng Trong thực tế, i trong phương trình 19.04 thường nhỏ và chủ yếu i =1

Hình 19.3 Sóng seciche có

năm sóng thành phần

19.3 Tác động của seiche

Thông thường biên độ của seiche ngay cả trên các phản nút đều có giá trị nhỏ Tuy nhiên ở tại điểm nút sự dịch chuyển điều hoà của nước có thể trở nên

đáng kể Vì các tàu neo bị giới hạn chuyển dịch ngang, nên có thể xẩy ra sự cố nếu neo gần điểm nút Một ảnh hưởng khác đối với các tàu lớn có thể do độ nghiêng của mặt nước gây nên

19.4 Cảnh báo seiche

Sóng seiche có chu kỳ dài và biên độ nhỏ Sóng này không bị đổ gần bờ và

có nhiều năng lượng nên có rất ít khả năng can thiệp làm suy yếu nó Mặt khác các tác dộng gây nên seiche cũng rất khó hạn chế vì đó thường là các thành phần sóng triều hay các sóng lừng Tuy nhiên chúng ta đang xem xét hiện tượng liên quan tới cộng hưởng nên có thể làm giảm hiệu ứng này Từ phương trình 19.04 ta thấy chu kỳ của seiche phu thuộc vào 2 yếu tố là độ sâu và khoảng cách ngang Như vậy nếu làm biến đổi hai tham số này thì mức độ cộng hưởng sẽ giảm theo Người ta có thể giải quyết vấn đề bằng cách thay đổi hình dạng của bồn cảng với

hy vọng làm giảm sóng phản xạ

20 Các sông có triều

E.W Bijker, L.E van Loo

20.1 Mở đầu

Như đã nhắc đến trong chương 14, phần lớn các cảng đều được xây dựng dọc theo bờ sông, nhiều khi nằm sâu trong đất liền Luân đôn, Anh, Portland, Oregon, Hoa kỳ, Antwerp, Bỉ, Rotterdam, Hà Lan, và Hamburg, Đức là những thí

dụ về các loại cảng này Trong một số trường hợp, khoảng cách lớn từ cảng đến biển đã gây khó khăn cho tàu vào ra cũng như sự phát triển chung của cảng Cảng Deventer của Hà Lan là một ví dụ như vậy

Trong chương này, chúng ta sẽ xem xét các tác động của triều tại hạ lưu sông

và những hậu quả gây nên đối với lưu thông và nạo vét cảng

20.2 Các cửa sông

Các cửa sông trên vùng bở phẳng chịu tác động không những của các dòng nước ngọt từ thuỷ vực sông đổ về và còn bị các dòng triều từ cửa sông đi lên Escoffier (1940) đã nghiên cứu độ ổn định của các cửa triều

Hình 20.a Tương quan vận tốc trong kênh

Những nghiên cứu định lượng chủ yếu của Escofier cũng đã dẫn đến các biểu

thức đối với vận tốc cực đại tại cửa, Vm, cho các loại cửa sông cụ thể như là một

hàm của bán kính thuỷ lực, R, tiết diện ngang, A, và biên độ triều, h Do công

thức đưa ra cho mỗi cửa sông nhất định nên các biến số khác như độ ghồ ghề đáy sông, độ dài sông, diện tích bề mặt và biên độ triều trên biển được cho là không

đổi

Escofier đã tổng hợp các biến đó đối với từng cửa sông thông qua một tham số duy nhất, x, cho rằng kích thước ngang x được đặc trưng cho mặt cắt ngang cửa

Một cách định lượng, ông đã dẫn ra rằng Vm biến đổi như một hàm của x được

dẫn ra trên hình 20.a

Trong khoảng từ A đến C trên đường cong, tiết diện cửa còn nhỏ nên không

có sự khác biệt do dòng triều, chênh lệch triều trong đó không lớn so với trên biển Trên đoạn từ C sang E, điều vừa nêu đã không còn đúng nữa và vận tốc cực

đại sẽ giảm khi tiết diện tăng lên

Bước tiếp theo của Escofier là đưa ra quan điểm về vận tốc tới hạn, Vcr, nếu vận tốc nhỏ hơn giá trị này sẽ không gây ra xói mòn Giá trị vận tốc tới hạn này ít nhiều không phụ thuộc vào kích thước cửa sông và được vẽ bằng đường thẳng trên hình 20.a (B-D)

Sự biến đổi của cửa sông có thể được dự báo thông qua đường cong ACE

tương quan với vận tốc tới hạn Vcr Trong trường hợp nếu Vm thường xuyên nhỏ

hơn Vcr đối với mọi giá trị x, thì trầm tích lắng đọng trên cửa sẽ được giữ lại và cửa sông sẽ chịu nguy cơ bị đóng lại Trong trường hợp ngược lại, nếu ta có hiện

tượng cắt nhau của đường cong V m (x) với đường Vcr ví dụ tại hai điểm B và D trên hình vẽ, sẽ có một số hậu quả khác nhau có thể xẩy ra Nếu như kích thước lạch tương ứng trong đoạn A-B của đường cong 20.a, tương ứng trường hợp lạch quá nhỏ để tồn tại, nên sẽ bị bồi lấp do các quá trình tự nhiên Nếu như kích thước lạch tương ứng trong đoạn D-E, vận tốc cực đại cũng nhỏ nhưng quá trình lắng

đọng vẫn tiếp tục cho đến tận điểm D Cuối cùng, nếu kích thước tương ứng đoạn B-D thì hiện tượng xói mòn sẽ xẩy ra cho đến tận điểm D, như vậy tại điểm D ta

có trạng thái cân bằng ổn định

Với những căn cứ như vậy, chúng ta có thể gây các tác động lên sự biến đổi tại các cửa sông Do điểm D cho ta trạng thái ổn định tự nhiên, ta có thể thấy rằng đại bộ phận các cửa sông đều có xu thế đạt đến điểm này Một trận bão lớn

có thể lấp đầy cửa sông và đột ngột dẫn về trạng thái tương ứng đoạn A-B, trong trường hợp đó cần tiến hành nạo vét để không dẫn đến hiện tượng bị lấp hoàn toàn Chúng ta không nhất thiết phải tái tạo lại trạng thái cũ mà chỉ cần đưa về trạng thái tương ứng đoạn B-C-D và tự nhiên sẽ tự tiếp tục phần việc của mình trong một khoảng thời gian tương đối dài

Yêu cầu lưu thông tàu có thể dẫn đến yêu cầu mở rộng cửa vào cảng Nếu như quá trình mở rộng dẫn đến việc chuyển về đoạn D-E, thì công việc nạo vét sẽ thu được lợi nhuận lâu dài Trong trường hợp này việc nạo vét và mở rộng phái tính toán thông qua các giải pháp công trình sao cho tiết diện ngang của cửa được giữ ổn định Trên cơ sở đường cong hình 20.a, công việc phải tiến hành theo

hướng tăng giá trị V m đối với cùng một giá trị x Trong trường hợp đó, điểm cân bằng D sẽ chuyển dịch về bên phải theo trục x

Một trong những câu hỏi quan trọng nhất cần trả lời khi sử dụng mối tương quan của Escofier, đó là: ‘điều kiện ổn định của một cửa sông được xác định ra sao?’ hay nói cách khác: ‘khi nào thì đạt được điểm D trên hình 20.a?’ Các nhà nghiên cứu như O’Brien (1969), Jarrett (1976) và Shigemura (1980) đã chú ý nhiều đến việc xác định tiến diện ổn định cho một cửa sông Các kết quả đối với các bờ cát không có sự khác biệt nhiều so với kết quả của O’Brien (1969) Ông đã

xác định rằng tiết diện ngang tối ưu của cửa , A, phụ thuộc tuyến tính vào thể tích triều Biểu thức được viết trong dạng sau:

A = 6.56.10-5 P

trong đó A là tiết diện ngang tối thiểu ổn định của cửa (tính bằng m2) và P là

thể tích triều (tính bằng m3)

Trong biểu thức trên, thể tích triều P là chênh lệch lượng nước mà cửa sông

chứa được đối với hai mực nước cao và thấp triều Nó thường được xác định theo tích của diện tích mặt nước của cửa sông và biên độ triều trong cửa Do lưu lượng sông cũng đóng vai trò hình thành nên thể tích triều, vì vậy thể tích này không nhất thiết phải bằng tích phân của dòng vào và dòng ra tương ứng triều cao và triều thấp Hệ số trong biểu thức 20.01 có thứ nguyên 1/L, trong hệ thứ nguyên

lb.s hệ số này bằng 2.10-5, với A tính bằng ft2 và P tính bằng ft3

Thể tích triều đươc O’Brien đánh giá từ 1,4.107 m3 (5.108 ft3) đến khoảng 3.109 m3 ( 1,1.1011 ft3) Có thể thấy rằng phương trình 20.01 cho giá trị hơi lớn đi qua tiết diện ngang đối với thế tích triều nhỏ

O’Brien đã tìm thấy có sự ảnh hưởng không lớn lắm của kích thước trầm tích

đáy đối với công thức 20.01 Công thức này có thể áp dụng đồng thời cho các cửa sông rộng cũng như các vũng, vịnh và đầm phá có triều Một hạn chế đối với công thức này là chỉ áp dụng đối với khu vực bán nhật triều áp đảo Những thông tin trong thời gian sau này liên quan tới tính toán cho trường hợp nhật triều với thời gian biến đổi của thể tích triều là 12h 25m, dẫn đến giá trị vận tốc dòng không

đổi, nhưng không rút ra được sự khác biệt so với kết luận hơn 30 năm trước Hình dạng của cửa có thể ảnh hưởng đến quá trình nêu trên thông qua nhiều yếu tố khác nhau Chúng ta tạm thời chuyển phần tranh luận này tới chương 29

20.3 Các lòng sông

Về hình thái tự nhiên và độ nông sâu của sông được trình bày trong các giáo trình về thuỷ văn công trình Câu hỏi đặt ra ở đây liên quan đến vai trò của triều lên sự hình thành và biến đổi của độ sâu do uốn khúc của lòng sông và bờ

Khi dòng chảy thuận nghịch chảy trên kênh nông thì tác động làm tăng cường độ sâu đáy thường xảy ra tại những nơi mà lòng sông uốn khúc trùng với

bờ Tại trí này có sự thoả hiệp giữa dòng chảy khi triều cao và khi triều kiệt Thí

dụ về sự phát triển này có thể tìm thấy trên hình 20.1 được thể hiện cho một

đoạn sông Schelde tại vùng Antwerp, Bỉ

Trên các khu vực nơi có bề rộng không cố định, thì sự phát triển đáy có thể xẩy ra hoàn toàn khác nhau Loại sông có triều này thường có hai hệ lạch độc lập với nhau Dòng triều lên thường đi vào theo mội nhánh và khi triều rút lại đi theo nhánh khác Những nhóm các lạch này xuất hiện gần các khu vực có uốn khúc Hình 20.2 cho ta thấy rõ hơn các dạng lạch tại một đoạn khác của sông Schelde khoảng 50 km cách Antwerp về phía hạ lưu

Các lạch triều lên thường phân biệt theo các nét đặc trưng sau đây:

a Chúng thường nông hơn so với các lạch triều rút

Hình 20.1 Sơ đồ sông Schelde tại Antwerp

b.Chúng có thể bị cạn: có xu thế cạn dần và cuối cùng tạo nên các bãi cạn

Đối với các lạch triều rút, chúng có xu thế sâu dần Nguyên nhân của sự khác biệt này sẽ được trình bày và giải thích trong phần tiếp theo

Hình 20.2 Sông Schelde phía đông Hansweert

20.4 Dòng triều

Một trong số các yếu tố cho phép xác định sự khác nhau chủ yếu giữa lạch triêu lên và lạch triều rút đó là lưu lượng nước khi triều rút thường lớn hơn so với lượng nước vào kỳ triều lên Điều này được giải thích bởi tổng lượng nước sông và nước biển đi vào khi triều lên sẽ tham gia vào chu kỳ triều rút Điều này cũng dẫn tới việc dòng triều rút mạnh hơn dòng triều lên và từ đó dẫn tới lạch triều trở nên sâu hơn Một thí dụ về vấn đề này được thể hiện trên bảng 20.1 và hình 20.3 cho ta số liệu dòng chảy tại Rotterdam

Nếu như toán đồ được xây dựng cho dòng chảy trên một khoảng cách xa về thượng lưu, thì dòng chảy trở nên mạnh hơn nhiều Tại một số điểm dòng chảy có thể thường xuyên theo hướng đi xuống với giá trị vận tốc biến đổi theo triều Vậy khoảng cách tối đa mà triều còn gây ảnh hưởng lên dòng chảy là bao nhiêu? Về lý thuyết thì hầu như rất lớn, ngoại trừ những nơi có dòng chảy quá mạnh

Một hiện tượng khác đối với các sông có triều đó là sự biến đổi theo triều của mực nước

Bảng 20.1 Số liệu triều và dòng tại Rotterdam

Thời gian

(h)

Dòng trung bình (m/s)

Mực cao triều (m)

Hình 20.3 Dòng chảy tại Rotterdam

Dòng chảy và mực nước được liên hệ với nhau thông qua phương trình mô tả sóng dài Trong trường hợp đó, quy luật bảo tồn động lượng sẽ cho ta:

h C

V V g x

z g t

V

x

V

V

2





















(20.02)

trong đó:

C là hệ số ma sát Chezy

g là gia tốc trọng trường

h là độ sâu

t là thời gian

V là vận tốc dòng

x là toạ độ theo dọc sông

z là mực mặt nước tuyệt đối

Trong phương trình đó, đã giả thiết rằng độ dốc của sông là nhỏ và dòng chảy sông không đáng kể Nếu như ma sát – thành phần cuối của phương trình- cũng bị bỏ qua (tương ứng trường hợp sóng ngắn trên mặt hoặc triều trên đại dương sâu), thì triều theo hướng thẳng đứng (mực nước) và theo hướng ngang (dòng chảy) có cùng pha và được thể hiện trên hình 20.4

Hình 20.4 Tương quan lý tưởng vận tốc – mực nước

Hình 20.5 Triều ngang và dọc tại Rotterdam

Trong thực tế, thành phần ma sát trong phương trình 20.02 có thể trở nên

đáng kể nếu so sánh với các thành phần quán tính Do một phần động lượng bị mất để chống lại ma sát nên vận tốc bị suy giảm Hình 20.05 cho ta kết quả so sánh giữa triều theo phương thẳng đứng và theo phương ngang tại Rotterdam

Đường dòng chảy hoàn toàn tương tự như trên hình 20.3 Phần bên phải của hình

đã cho thêm vào một chu kỳ triều (12 h 25 m) so với số liệu trong bảng 20.1 Thời gian triều cao và triều thấp được đánh dấu cùng với thời gian nước đứng (dòng chảy bằng zero)

Cần nói thêm rằng sự lệch pha giữa giờ dòng triều và mực nước đối với triều thấp thường lớn hơn so với triều cao

Điều này một phần do nước sông chảy vào lấp đầy các phần trên của thế tích triều trong giai đoạn triều lên Sự chuyển đổi trong chênh lệc mực nước sẽ làm cho sóng triều bị trễ, trong khi đối với nước thấp quá trình xẩy ra ngược lại, dòng sông có xu thế kéo dài dòng chảy

Nguyên nhân thứ hai vì sao lạch triều rút sâu hơn và liên tục hơn được dẫn

ra trên hình 20.5 Dễ dàng nhận thấy rằng dòng chảy triều rút đạt cực đại khi khi mực nước triều có giá trị thấp hơn so với mực nước lúc dòng chảy triều lên đạt cực đại Tổng hợp hiệu ứng của vận tốc lớn của triều thấp và độ kéo dài của dòng chảy đó đã làm tăng vận tốc và tăng quá trình xói mòn đối với lạch triều rút