Kỹ thuật biển ( dịch bởi Đinh Văn Ưu ) - Tập 1 Nhập môn về công trình bờ - Phần 7 pptx

Những số liệu này có thể thu được dễ dàng từ các trạm tự ghi mực nước, qua đó có thể xác định được mực nước biển trung bình.. Về nguyên tắc những số liệu tương tự có thể tiến hành đối vớ

Những số liệu này có thể thu được dễ dàng từ các trạm tự ghi mực nước, qua

đó có thể xác định được mực nước biển trung bình Về nguyên tắc những số liệu tương tự có thể tiến hành đối với các vùng trong đất liền dọc theo các cửa sông thông qua các kỹ thuật khác nhau, tuy nhiên công việc này thường gặp rất nhiều khó khăn đặc biệt đối với các vùng biển nhiệt đới, tại đó hầu như không có được các chuỗi quan trắc đảm bảo

Một cách khác để xác định các số liệu mực nước tại những khu vực nêu trên

sẽ được diễn giải trong phần tiếp theo Cách này chủ yếu căn cứ vào chính đặc

Bài toán bây giờ có thể dẫn đến việc xác định thời điểm mà tại đó mực nước trên hai trạm A-B như nhau không tạo nên độ nghiêng mặt nước Như vậy giá trị tuyệt đối của mực nước tại hai trạm hoàn toàn như nhau

Vận tốc triều trên điểm C nằm giữa A và B cũng cần được xác định Tất cả các loại số liệu nêu trên được dẫn ra trong bảng 21.1 và hình 21.1 đối với cửa sông nêu trên

Hình 21.1 Sơ đồ sông

21.3 Ví dụ về phương pháp giải đơn giản

Chuyển động triều trên sông có thể mô tả bằng phương trình sau:

h C

V gV x

z q t

Phương trình này hoàn toàn như phương trình 20.02 ở chương trước

Nếu như các số hạng quán tính trong vế trái phương trình 21.01 có thể bỏ qua, thì độ dốc mặt biển sẽ đạt được tại thời kỳ nước đứng

Rất tiếc vì điều này quá đơn giản Do vai trò quán tính khá quan trọng nên nước tiếp tục chảy cho tới khi độ dốc theo hướng ngược lại được hình thành Điều

đó có nghĩa rằng độ dốc sẽ bằng zero tại thời điểm trước khi nước đứng một

khoảng t Trong phần này ta cho rằng ảnh hưởng của quán tính khi khi triều

cao cũng tương tự như khi triều thấp và do đó:

Nói cách khác tại thời điểm trước khi nước đúng lên t f và trước khi nước

đứng rút t e, giá trị mực nước tuyệt đối trên hai đường cong triều là như nhau Giả thiết 21.02 sẽ đảm bảo nếu như không có dòng nước ngọt từ sông đổ ra Trong trường hợp lưu lượng nước sông lớn, sai số của phép xấp xỉ này sẽ trở nên

đáng kể Trong trường hợp đó, phương pháp chúng tôi trình bày trong phần sau

sẽ đưa ra kết quả tốt hơn Tuy nhiên những trường hợp lưu lượng lớn cũng làm biến đổi đáng kể các kết quả tính toán

Vấn đề được giải bằng toán đồ bằng cách dịch chuyển đường cong triều tại

điểm B theo hướng thẳng đứng qua đường cong A Khi vị trí được trùng với giá trị

t, mực nước tại A và B như nhau tương ứng với tỷ lệ trục thẳng đối với A cũng

như đối với B Hai đường cong triều trong vị trí mô tả trên đây được thể hiện trên hình 21.3

Trên hình này đường cong triều A được thể hiện bằng đường đậm liền đường cong của điểm được thể hiện bằng đường ngắt và thời điểm nước đứng cũng như trên hình 21.2 Giá trị thu được của t không có ý nghĩa đặc biệt nào Chúng ta thực sự quan tâm đến giá trị zero được sử dụng trong chuỗi mực nước tại B vì nó tương đương với – 0,53 m so với mực nước trung bình Như vậy chuỗi mực nước tại B có thể so sánh với mực nước trung bình bằng cách lấy giá trị trong bảng 21.1 trừ đi 0,53 mét

Bảng 21.1 Số liệu mực nước và dòng chảy

Thời gian

(h)

Mực triều tại A (m)

Mực triều tương đối tại B

(m)

Dòng chảy tại C (m/s)

+0,99 +0,69 +0,22 -0,06 -0,21 -0,13 +0,15 +0,49 +0,91 +1,14 +1,32 +1,31 +1,11 +0,77 +0,39

-0,10 -0,35 -0,52 -0,60 -0,57 -0,45 -0,24 +0,10 +0,38 +0,50 +0,50 +0,37 +0,07 -0,25 -0,44

Hình 21.2 Mực nước nước triều tại A (trên), B (giữa) và dòng chảy tại C (dưới)

Hình 21.3 Hiệu chỉnh các đường cong triều

21.4 Lời giải chính xác hơn

Giả thiết cơ bản được sử dụng trong phần trước đó là các khoảng thời gian tf

và te như nhau (phương trình 21.02) Giả thiết này thường không được đảm bảo,

đặc biệt trong trường hợp khi đường cong vận tốc tại điểm C trên hình 21.1 không

đối xứng

Cơ sở lý thuyết vẫn dựa vào phương trình 21.01 mà chúng tôi một lần nữa nhắc lại đây để tiện trình bày:

h C

V gV x

z q t

h C

V gV

V gV

gdt V

Do độ sâu nước, h, tại cả hai điểm A và B có thể đo được vào thời điểm nước

đứng cục bộ, chúng ta chỉ cần đánh giá hệ số ma sát Chezy để sử dụng phương trình 21.08 Sau khi thu được các giá trị cần thiết có thể xây dựng toán đồ đối với

g

h C

trùng nhau Đường V-t từ phương trình 21.08 chuyển dịch dọc trục thời gian

nhằm tìm ra các điểm trên đó nó là tiếp tuyến của các đường cong mực nước Thời

điểm trên trục thời gian liên quan tới các điểm cắt đó chính là thời điểm tương ứng 0





x

z

và như vậy các đường cong triều A và B sẽ cắt nhau

Các thủ tục tiến hành vừa trình bày sẽ được chi tiết hoá trong ví dụ giả định sau

21.5 Ví dụ

Ví dụ này áp dụng cho cùng đối tượng sông như đã trình bày trên hình 21.1 Lần này số liệu được dẫn ra trong bảng 21.2 và hình 21.4 Hệ số Chezy được chọn bằng 60 m1/2/s

Bảng 21.2 Số liệu triều và dòng chảy

Thời gian

(h)

Mực nước tại A (m)

Mực nước tương đối tại B (m)

Dòng chảy tại C (m/s)

0,75 +0,33 -0,04 -0,35 -0,55 -0,62 -0,47 -0,15 +0,35 +0,75 +0,98 +1,05 +0,87 +0,55 +0,15

+0,21 +0,07 -0,08 -0,21 -0,37 -0,50 -0,60 -0,62 -0,20 +0,40 +0,50 +0,42 +0,32 +0,14 -0,05

Độ sâu, h, tại điểm B trong khi nước đứng cao là 8 mét và tại B khi nước

đứng thấp là 7 mét Như vậy, đối với điểm A:

256881

,9

)7()60

,9

)8()60

Các đường cong hình 21.08 sử dụng các hằng số xác định từ hai phương trình

trên được dẫn ra trên hình 21.05

Hình 21.4 Số liệu triều và dòng chảy

Mỗi đường cong trên hình 21.5 được trích riêng từ hình 21.4 đường V-t được dịch chuyển ngang dọc theo trục toạ độ của đường vận tốc cho đến khi hai đường này tiếp tuyến với nhau Điểm này được chiếu lên đường cong triều A Tương tự

có thể tiến hành đối với đường V-t thứ hai đối với đường cong triều A

Hình 21.5 Các đường cong vận tốc

Hình 21.6 Phương án giải bằng toán đồ

Nếu như tất cả các giả thiết đưa ra là chính xác, thì đường cong triều B có thể đặt lên đường cong triều A và từ đó xác định các điểm cắt nhau như vừa tiến hành Thông thường điều này khó có thể thành hiện thực, chúng ta có thể thu

được kết quả cuối cùng bằng cách dịch chuyển đường cong triều B theo hướng thẳng đứng cho đến khi khoảng thời gian giữa các điểm cắt nhau theo lý thuyết

21.6 Phân tích đánh giá

Cũng cần nhắc lại rằng phương pháp vừa trình bày tuy thuộc loại tốt nhất, nhưng cũng chỉ đưa ra các kết quả gần đúng Những kết quả này cũng chỉ mới

đảm bảo cho các khảo sát ban đầu

Khoảng cách dọc theo sông giữa các điểm A và B có thể biến đổi từ vài kilômét đến hàng trăm kilômét Điều quan trọng là việc đo đạc dòng chảy cần tiến hành tại điểm giữa A và B

Khi độ sâu trở nên nhỏ, số hạng ma sát trong phương trình 21.01 tăng lên

đến các giá trị tương đương số hạng quán tính Đối với độ sâu đủ nhỏ, số hạng quán tính có thể bỏ qua và mặt nước có thể trở nên ngang đúng như vào thời

điểm nước đứng Trong trường hợp này các đường cong triều ngang và thẳng

đứng lệch pha 1/4 chu kỳ

Các ảnh hưởng của sự khác biệt mật độ trên các cửa sông sẽ được trình bày trong chương tiếp theo

Cách tiếp cận sử dụng trong chương này xuất phát hoàn toàn từ yêu cầu thực tiễn Các phương pháp dẫn dắt tới những phương trình sử dụng trong chương này có thể tìm được từ các tài liệu tham khảo cũng như các sách chuyên

đề về các loại dòng chảy mật độ

22.2 Biến đổi độ mặn theo triều

Nước biển sẽ đi vào các cửa sông khi triều lên ngoại trừ trường hợp nước sông

đổ ra quá nhiều và chiếm lĩnh toàn bộ thể tích triều trong pha triều lên Có rất ít sông thường xuyên đảm bảo lưu lượng nước để không cho phép nước biển xâm nhập ít ra là trong một thời kỳ ngắn

Độ muối tại nhiều điểm trên sông biến đổi tuân theo chu kỳ triều Cũng do nước từ biển xâm nhập vào sông nên độ muối trong sông đạt cực đại vào kỳ nước

đứng cao Điều này được minh hoạ bằng bảng 22.1 và hình 22.1 đối với Rotterdam Số liệu dòng chảy hoàn toàn giống như trong bảng 20.1 Cũng như lần trước, dòng chảy khi triều lên được xem là dương

Trong ví dụ này, độ muối cực đại đạt được ngay sau khi nước đứng cao Việc giải thích hiện tượng này sẽ được trình bày trong phần 6 của chương này

Từ chương 3 chúng ta đã biết rằng độ muối nước biển vào khoảng 35%o, như vậy nước biển thực không bao giờ đạt tới Rotterdam Các quá trình xáo trộn đã khuyếch tán nước biển vào nước sông và hình thành nên nước lợ Nếu điểm quan trắc được tiến hành tại khu vực gần biển hơn thì có thể thu được độ muối cực đại cao hơn Càng đi sâu vào trong sông thì giá trị cực đại này sẽ trở nên thấp hơn

§é muèi s«ng (%o)

2,48 2,47 2,83 3,64 5,08 7,25 8,06 7,16 6,08 4,90 3,64 2,65 2,48

Mức độ xáo trộn nước trên khu vực cửa sông có thể đánh giá gần đúng thông qua tỷ số giữa thể tích triều và lưu lượng sông Trong bảng 22.2, tham số xáo

T là chu kỳ triều, tính bằng giây (s)

Trên các sơ đồ mặt cắt dọc sông, ta xem biển nằm về bên trái, các đường đẳng

Ghi chú: Các sơ đồ không trình bày theo tỷ lệ,

Trên mỗi sơ đồ độ muối tăng về phía trái

Một hướng nghiên cứu cơ bản hơn để giải quyết vấn đề này đã được Ippen và Harleman (1961) áp dụng đối với các quá trình xáo trộn thông qua tham số phân tầng không thứ nguyên Tham số này được xác định theo tỷ số sau:

22.3 Năng lượng tản mát / phần dư của thế năng

được tính cho một đơn vị khối lượng chất lỏng Năng lượng tản mát thực tế là phần suy giảm năng lượng triều trong cửa sông, còn phần dư của thế năng là phần thế năng thu được khi nước tăng mật độ (độ muối) trong quá trình chảy xuôi dòng

Harleman và Abraham (1966) đã cho rằng tham số phân tầng chỉ phụ thuộc duy nhất vào tham số không thứ nguyên của cửa sông, được định nghĩa theo hệ thức sau:

M

F T

'

trong đó: F là số Froude tính theo vận tốc triều lên cực đại tại cửa sông

Do có thể xác định đễ dàng hơn nên tham số cửa sông tiện lợi hơn trong sử dụng so với tham số phân tầng Ngược với tham số xáo trộn, quá trình xáo trộn cửa sông tăng lên cùng với sự gia tăng của tham số cửa sông Cửa sông sẽ được xem là xáo trộn mạnh nếu như tham số cửa sông lớn hơn 0,15

Một vấn đề khác liên quan tới cửa sông là việc xác định phân bố độ muối trong cửa sông Harleman và Abraham (1966) đã thử giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng mô hình lý thuyết 1 chiều đối với phân bố độ muối trong cửa sông Trong mô hình trục toạ độ x được lấy theo hướng ngược dòng tính từ cửa vào theo trục lạch Với mô hình 1 chiều, độ muối chỉ được xem biến đổi theo một hàm của thời gian và vị trí dọc theo trục lạch Hơn nữa họ cho rằng phân bố độ muối được xác định bởi sự cân bằng giữa khuyếch tán đi vào và bình lưu đi ra đối với dòng nước ngọt từ sông

Do các trạng thái tới hạn của phân bố độ muối (xâm nhập cực đại và cực tiểu) xuất hiện vào các thời điểm nước đứng (tương ứng nước đứng cao và nước đứng thấp) chúng ta có thể nghiên cứu các trạng thái này sử dụng phương trình đạo hàm thường đơn giản:

dx

dS D

x là trục toạ độ (dương theo chiều ngược dòng),

D là hệ số khuyếch tán thực bao gồm tất cả các quá trình xáo trộn

Để giải được phương trình này, hệ số D cần được xem như một hàm của x Biểu thức sau đây đã được sử dụng:

Tại x = - B và D =  quá trình xáo trộn dẫn tới độ muối không đổi (Các công

thức 22.04 và 22.05 đã được lược bỏ trong lần hiệu đính này)

Thay 20.06 vào 20.05 và lấy tích phân ta có:

B D

B) x V t cons

0

2

2tan

S S r

(22.09)

S S sẽ giảm khi x tăng, do V S có giá trị âm

Đối với từng cửa sông, hai ẩn số trong 22.09 là B và D0, có thể xác định được nếu như SS được xác định – từ số liệu quan trắc tại hai điểm khác nhau Đôi khi

có thể biến đổi 22.09 bằng cách sử dụng mối tương quan giữa D0 và B đối với Vr

Điều này có thể thu được như ví dụ sau đây đối với sông Chao Phya, Thái lan Phương trình thu được đối với nước đứng thấp có dạng:

độ

Sự chênh lệch của mật độ trong thuỷ vực sẽ được xem như một biến độc lập trong những phần trao đôỉ tiếp sau đây Các chênh lệc này có thể do nhiệt độ hoặc độ muối gây nên Tuy nguyên nhân của sự biến đổi mật độ có thể sẽ quan trọng đối với các bài toán nhiệt động học hoặc ô nhiễm nhưng không quan trọng nếu xét từ góc độ hình thành dòng chảy Vì lý do đó trong các phần sau chúng ta

sẽ ít chú ý tới nguyên nhân của biến đổi mật độ, ngoại trừ một số trường hợp riêng

động của nước Sự phân tầng này do chênh lệch nhiệt độ và độ muối có thể tồn tại trong các đại dương và trong các hồ

Trong trường hợp thứ hai, tồn tại một mặt phân cách thẳng đứng không ổn

định Những mặt phân cách như vậy có thể quan trắc thấy tại cửa ra vào các âu chuyển tàu Trên hình 22.2 cho ta thấy sự phân bố của áp suất trên cửa âu tàu Lực tổng cộng tác động lên cửa sẽ bằng zero, vì vậy:

2 2 2 2

1

1

2

12

Dạng phân tầng mật độ như trên có thể xem như một dạng lý tưởng hoá một hiện tượng tự nhiên có thực khi trên cửa sông vào cảng có sự biến đổi đột ngột trong chu kỳ triều Hiện tượng này, bao gồm lý thuyết về nó và các hệ quả sẽ được xem xét trong chương 23

22.6 Sóng nội

Khi có sự tồn tại của mặt phân tầng ngang trong chất lỏng sẽ xuất hiện sóng

mặt phân cách giữa nước và không khí Tuy nhiên đối với sóng nội trên mặt phân cách giữa hai lớp nước thì mật độ lớp nước trên không khác nhiều so với mật độ lớp nước dưới Sự khác biệt không lớn về mật độ này có thể gây ảnh hưởng đáng

kể đến các hiện tượng liên quan, nếu như chúng ta đem so sánh với sóng gió trên mặt biển

Sóng nội có thể xuất hiện từ nhiễu động do tàu chạy, động đất hay lở đất Chúng cũng có thể xuất hiện khi hai lớp nước này chuyển động tương đối với nhau

Vận tốc của sóng trên mặt phân cách này có thể thu được từ biểu thức:

2 1 1 2

2 1 1

 là độ dày của các lớp với các chỉ số 1, 2 tương ứng

Trên hình 22.3 các mũi tên chỉ hướng chuyển động của nước Phương trình 22.13 sẽ chuyển về dạng 5.05b khi 1 =0

Do 1 gần như bằng 2 trong phương trình 22.13, nên có thể lấy gần đúng trong dạng sau đây:

h

g c

1

2 1 1

xỉ bậc nhất tỷ số giữa độ cao sóng mặt và sóng nội có thể xem bằng 

Các loại sóng này có khả năng hấp thụ đại bộ phận năng lượng của “nước chết” do tàu tạo ra Điều này có thể lý giải thông qua ví dụ

Một con tàu có mớm nước 4 m chuyển động trên cảng có phân tầng với lớp nước trên dày 3 m (độ muối 5%o, nhiệt độ 2C) và lớp dưới dày 7 m (độ muối 36

%o, nhiệt độ 4C) Vậy con tàu có thể đạt tới vận tốc cực đại bằng bao nhiêu?

Từ bảng 3.3, chương 3 ta có:

3 2

2

3 1

1

70,1028

;70

,

28

00,1004

;00

,

4

m kg m kg

)3)(

7,1028()7)(

1004

(

)7)(

3)(

81,9)(

10047,1028

22.7 Nêm mặn “tĩnh”

Nêm mặn xuất hiện khi nước ngọt từ sông đổ ra biển gặp nước mặn Nước biển xâm nhập vào đáy sông nằm ngay dưới lớp nước ngọt đó Độ dài của nêm nước mặn xâm nhập được xác định dựa vào sự cân bằng giữa ma sát 1 trên mặt phân cách và gradien áp suất tổng cộng do độ nghiêng của bề mặt Khi sự cân bằng này được đảm bảo thì nêm mặn được giữ vị trí ổn định và nước ngọt chảy từ sông ra sẽ lan truyền trong dạng một lớp mỏng trên mặt biển Vai trò của nêm mặn sẽ được xem xét kỹ trong các phần tiếp theo

Schijf và Schonfeld (1953) đã rút ra một biểu thức đối với độ dài nêm mặn cho trường hợp lý tưởng đối với kênh hình chữ nhật, nước đổ vào biển không giới hạn và không có triều Trong trường hợp không có xáo trộn qua mặt phân cách, biểu thức có dạng:

25

12

F F

F f