HÌNH THÁI BỜ BIỂN - CHƯƠNG 4 doc

Nếu áp dụng nguyên lý liên tục của dòng chảy, cho một thể tích khối chất lỏng được giới hạn từ đáy tới mặt nước, ta có thể tính toán được lượng vận chuyển bùn cát trên một vùng hay một đ

CHƯƠNG 4 VẬN CHUYỂN BÙN CÁT BỜ BIỂN

4.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VÂN CHUYỂN BÙN CÁT

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT

Vận chuyển bùn cát đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu các diễn biến

bờ biển nói riêng và trong kỹ thuật bờ biển nói chung Các vấn đề liên quan tới diễn

biến bờ biển thường gặp phải là hiện tượng thiếu hụt bùn cát dẫn tới bờ biển bị xói lở

ngoài mong muốn; hay hiện tượng dư thừa bùn cát gây nên những vấn đề phức tạp

như bồi lấp các cửa sông, giảm khả năng thoát lũ qua cửa, hay luồng tàu vào cảng,

đôi khi là bồi lấp cảng Trong nghiên cứu diễn biến bờ biển, việc tính toán vận

chuyển bùn cát ở vùng ven bờ là một nội dung hết sức quan trọng, vì bùn cát chính là

yếu tố trung gian trong quá trình gây nên hiện tượng xói lở hay bồi lấp ở bờ biển

Biết được lượng vận chuyển bùn cát ven bờ thì mới có thể dự báo được sự biến đổi

của đường bờ trong điều kiện tự nhiên cũng như đánh giá được ảnh hưởng của các

công trình xây dựng ở vùng ven bờ sau này

So với tính toán vận chuyển bùn cát trong sông thiên nhiên thì tính toán vận

chuyển bùn cát ở biển phức tạp hơn; đó là do quá trình vận chuyển bùn cát ở biển

không những chịu sự tác dụng của dòng chảy mà còn chịu ảnh hưởng của các dao

động mực nước do thủy triều, các tác động của sóng và vô số các lực tạo thành dòng

chảy khác nhau và liên tục biến đổi

Vận chuyển bùn cát được định nghĩa là số lượng hạt bùn cát bị dòng nước vận

chuyển, cuốn trôi theo dòng chảy (với một vận tốc nào đó) trên một đơn vị chiều

rộng mặt cắt ngang và trong một đơn vị thời gian Cụ thể hơn, vận chuyển bùn cát tại

một điểm trong dòng chảy (S đơn vị là g/m.s hay kg/m.s) được định nghĩa là tích số

giữa nồng độ bùn cát tại điểm đó (c- đơn vị là kg/m 3 hay g/m 3) và vận tốc trung bình

dòng chảy tại điểm xem xét (V- đơn vị là m/s) như sau:

Công thức (4.1) là công thức tính toán vận chuyển bùn cát tại một điểm Trong

thực tế, người ta thường quan tâm tới ảnh hưởng của vận chuyển bùn cát trên một

vùng hay một đoạn bờ biển nào đó Nếu áp dụng nguyên lý liên tục của dòng chảy,

cho một thể tích khối chất lỏng được giới hạn từ đáy tới mặt nước, ta có thể tính toán

được lượng vận chuyển bùn cát trên một vùng hay một đoạn bờ biển Khi đã biết

lượng bùn cát vận chuyển qua một các biên mặt cắt ngang của đoạn nghiên cứu, có

thể xác định được sự biến đổi đáy trong đoạn này Nếu lượng bùn cát đi vào lớn hơn

lượng bùn cát đi ra thì sẽ xảy ra bồi lắng, ngược lại, thì sẽ xảy ra xói lở Do vậy mà

cần xác định được sự dịch chuyển bùn cát theo phương ngang trên một đoạn cho trước tại một thời điểm xác định

Như đã nêu ở trên, vận chuyển bùn cát bờ biển được mô tả bằng tích phân của tích

giữa vận tốc (V), với nồng độ bùn cát lơ lửng (c), trên toàn bộ độ sâu của dòng chảy Trong sông thiên nhiên, cả (V) và (c) đều biến đổi tương đối chậm theo thời gian (t), cùng như theo phương ngang (x) Các đại lượng (V) và (c) đều là hàm độ sâu, do vậy

mà cần lấy tích phân trên toàn bộ chiều sâu dòng chảy Công thức tính toán vận

chuyển bùn cát lơ lửng trong sông có dạng như sau:

=h

o

dz z V z c

trong đó S : suất (mức) vận chuyển bùn cát lơ lửng [ g/m.s hay Kg/m.s]

h : độ sâu trung bình [m]

c(z) : nồng độ bùn cát lơ lửng [g/m 3 hay Kg/m 3 ]

V(z) : thành phần vận tốc theo phương x tại độ sâu z [m/s]

z : khoảng cách tính tới đáy sông [m]

Tại bờ biển, vấn đề trở nên phức tạp hơn Cả sóng và dòng chảy đều là những

nhân tố quan trọng đối với vận chuyển bùn cát Dòng chảy chủ yếu có ảnh hưởng tới tốc độ vận chuyển bùn cát, trong khi sóng lại chủ yếu ảnh hưởng tới lượng bùn cát bị vận chuyển Hình (4-1) minh họa bài toán vận chuyển bùn cát ở bờ biển Bài toán được được đặt ra như sau: cần xác định thể tích bùn cát được vận chuyển theo phương x qua một đơn vị chiều rộng của mặt phẳng (y-z) được giới hạn từ đáy (mặt phẳng

có z=0) tới mặt nước (z = h+η) Trong trường hợp tổng quát, coi sóng và dòng chảy có hướng không song song với phương ngang theo trục x và trục y

Do các yếu tố sóng (đại diện bằng chiều cao sóng η), vận tốc dòng chảy

(V), thậm chí là cả nồng độ bùn cát lơ lửng (c), liên tục biến đổi mạnh theo thời gian (trong một chu kỳ sóng) Đối

Hình 4-1 Sơ họa 1 đơn vị thể tích xét

có thể thấy rõ do có sự dao động của các chuyển động sóng

Sự biến thiên của nồng độ bùn cát lơ lử

ết, tại bờ biển, lượng bùn cát vận chuyển qua một mặt phẳng trên một đơ

ng được minh họa trên hình (4-2), mô tả

99 bảng ghi khác nhau của nồng độ bùn cát

c(t) được vẽ trên cùng 1 biểu đồ, tất cả đều

được đo tại một điểm cố định trong điều kiện sóng đều lý tưởng Trên hình vẽ có thể thấy được sự biến thiên theo thời gian của

(c) và cũng minh chứng được rằng không

thể (trong thời điểm hiện tại) xác định được quy luật biến đổi nồng độ bùn cát lơ lửng theo các hàm của không gian và thời gian

'

) , ( ) , (

ng trong 1 đơn vị thời gian [m3/m.s]

t' : thời đoạn lấy tích phân

ng đáy sông được lấy giá trị trung bình Thời gian, t’, phải đủ dài để đưa đến giá trị

trung bình các ảnh hưởng bất thường của sóng và do vậy mà nó dài hơn nhiều so với

chu kỳ của một con sóng đơn

Nguyên tắc tính toán vận ch

y vậy vấn đề là việc ước tính các hàm c(z,t) và V(z,t) theo độ sâu và thời gian, như

đã minh họa trên hình (4-2), là hết sức khó Những hiểu biết về đặc tính của c(z,t)

dưới tác động của các sóng đều còn chưa đầy đủ và hơn thế nữa, đối với các sóng vỡ

không đều thì vấn đề này lại càng phức tạp hơn

Tính toán vận chuyển bùn cát theo hướng truyền sóng, dựa trên công thức (3.4),

do vậy sẽ trở nên rất khó khi những hiểu biết về c(z,t) là rất ít và giá trị trung bình

của V(z,t) gần như bằng 0, điều này làm cho các kết quả tính toán trở nên rất dễ mất

ổn định khi gặp các số liệu đầu vào có sai số lớn

Trong trường hợp tính toán vận chuyển bùn cát dọc bờ biển (hay còn gọi là vận

chuyển bùn cát song song với bờ), có thể đơn giản hóa công thức tính Bên trong

vùng sóng vỡ, góc sóng vỡ tác dụng với bờ ϕbr , thường nhỏ (thậm chí ngay cả khi

góc truyền sóng ban đầu ở vùng nước sâu ϕ 0 có giá trị lớn, thì sau khi bị khúc xạ ở

bên ngoài vùng sóng vỡ, góc sóng tới đường bờ sẽ giảm đi đáng kể Ví dụ, một sóng

có chiều cao sóng tại vùng nước sâu H 0 =2m, góc sóng tới ở vùng nước sâu ϕ 0 = 30°

và chu kỳ sóng là 7 giây, khi vỡ có góc sóng vỡ giảm xuống còn 13,3°) Điều này dẫn

tới tồn tại một trường vận tốc trong vùng sóng vỡ với độ lớn dòng chảy không đổi và

có hướng song song với đường bờ, và sóng cũng hầu như sóng song với đường bờ

này Nếu đặc biệt quan tâm tới hướng vận chuyển bùn cát dọc bờ, thì hiển nhiên có

thể thấy rằng, sóng chỉ gây ra sự biến đổi có chu kỳ nhỏ đối với vận tốc dòng chảy

dọc bờ và do vậy V(z,t) có thể rút gọn thành V(z) Vận tốc dòng chảy dọc bờ lúc này

có thể tương đương với vận tốc dòng chảy trong sông thiên nhiên (cũng không phụ

thuộc vào thời gian)

Nếu như vận tốc dòng chảy không phụ thuộc vào thời gian, như đã chỉ ra ở trên,

thì có thể sử dụng nồng độ bùn cát lơ lửng trung bình theo thời gian, c(z), để thay thế

cho nồng độ bùn cát lơ lửng phụ thuộc vào cả thời gian và độ sâu c(z,t) Điều này sẽ

làm đơn giản hóa đáng kể việc xác định các đại lượng trong công thức (4.3) bởi vì

chủ yếu các số liệu và hiểu biết về nồng đồ bùn cát đều là các giá trị nồng độ trung

bình chứ không phải là nồng độ tức thời tại một thời điểm nào đó có sự biến đổi

trong một chu kỳ sóng Rất nhiều nghiên cứu đã và đang được tiến hành với nồng độ

bùn cát lơ lửng phụ thuộc vào thời gian nhưng đây vẫn còn là một vấn đề chưa được

phát triển hoàn chỉnh Tuy vậy việc sử dụng giá trị trung bình thời gian làm cho bài

toán vận chuyển bùn cát trở nên đơn giản hơn so với việc sử dụng công thức tổng

quát (4.3) ban đầu

Bằng cách rút gọn và đơn giản hóa các đại lượng (c) và (V) như đã nêu ở trên,

lượng vận chuyển bùn cát lơ lửng tổng cộng được tính toán bằng cách lấy tích phân

lượng vận chuyển bùn cát tại mỗi giá trị độ sâu cụ thể:

) ( ) ( )

( ) (

η

(4.4)

η : cao trình mực nước tức thời [m]

Vận chuyển bùn cát có thể biểu diễn dưới dạng thứ nguyên của thể tích bùn cát trên một đơn vị chiều rộng trong một đơn vị thời gian [L3/LT] Nếu thể tích bùn cát được biểu diễn bằng thể tích có kể cả độ rỗng giữa các hạt bùn cát thì lượng vận chuyển bùn cát có thể liên kết trực tiếp tới hiện tượng bồi, xói Trường hợp nồng độ được biểu diễn là tỷ số (m3/m3) thì kết quả tính toán phải nhân với 1(1− p) (với p là

hệ số độ rỗng ≈ 40%) để có được thể tích nguyên dạng Nếu sử dụng nồng độ biểu diễn dưới các dạng khác như kg/m3 thì cần thêm hệ số hiệu chỉnh cho công thức (4.4)

CÁC HÌNH THỨC VẬN CHUYỂN BÙN CÁT

Phần này sẽ trình bày một cách tóm tắt các khái niệm cơ bản về cơ chế và hình thức vận chuyển bùn cát Những kiến thức chi tiết về cơ chế và hình thức vận chuyển bùn cát có thể tham khảo thêm tại giáo trình động lực học sông ngòi và các tài liệu tham khảo khác Các mô tả về sự vận chuyển bùn cát trong vùng sóng vỗ sẽ được trình bày ở phần tiếp theo

Thông thường bùn cát được vận chuyển dưới ba hình thức sau:

ƒ vận chuyển bùn cát đáy

ƒ vận chuyển bùn cát lơ lửng

ƒ vận chuyển bùn cát dưới dạng rửa trôi

Vận chuyển bùn cát dưới dạng rửa trôi bao gồm các hạt bùn cát rất mịn (hạt sét

hoặc hàn bùn, hay các hạt chất hữu cơ) nổi lơ lửng trong nước, được vận chuyển theo dòng nước Các hạt này thường xuyên ở trạng thái lơ lửng và không bao giờ lắng đọng ở đáy sông Do vậy, những hiểu biết về thành phần bùn cát đáy không thừa nhận bất kỳ một dạng vận chuyển bùn cát rửa trôi nào cả Vì thế khi sử dụng khái niệm “vận chuyển bùn cát tổng cộng” thì thành phần các hạt bùn cát rửa trôi sẽ được

bỏ qua

Trong vận chuyển bùn cát tổng cộng thường được phân thành hai loại: bùn cát đáy

và bùn cát lơ lửng (mặc dù đôi khi rất khó có thể phân biệt được rõ rệt giữa hai loại

bùn cát này) Rất khó có thể định nghĩa chính xác các thuật ngữ đã nêu nhưng cơ sở

phân chia bùn cát tổng cộng thành hai loại là dựa vào cơ chế và đặc điểm chuyển động chuyển động của các loại bùn cát này Thứ nhất là bùn cát chuyển động ở gần đáy

sông được gọi là vận chuyển bùn cát đáy, có sách gọi là bùn cát di đáy; thứ hai là vận chuyển bùn cát lơ lửng hay sức tải cát lơ lửng Trong thực tế, ranh giới giữa bùn cát lơ

lửng và bùn cát di đáy khó có thể phân chia một cách rõ ràng vì giữa 2 loại này trong cùng một điều kiện dòng nước những hạt tương đối nhỏ của bùn cát di đẩy và những hạt tương đối lớn của bùn cát lơ lửng có thể trao đổi lẫn nhau Do vậy mà việc phân biệt sự vận chuyển của bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng lại càng khó hơn và không thể phân biệt được chính xác Nhưng có thể nói rằng việc phân chia thành hai loại bùn cát này lại rất cần thiết vì trạng thái chuyển động và các quy luật cơ học của chúng là hoàn toàn khác nhau

- Vận chuyển bùn cát đáy

Vận chuyển bùn cát đáy (S b) được định nghĩa là phần bùn cát được vận chuyển ở gần đáy và hầu như có sự tiếp xúc với đáy trong quá trình vận chuyển Các hình thức chuyển động chính của nó bao gồm trượt, lăn và nhảy vọt trên đáy Quá trình vận chuyển bùn cát đáy xảy ra trên một lớp dòng chảy mỏng bên trên đáy sông Do vậy vận chuyển bùn cát đáy cần xác định hầu hết ứng suất đáy tác dụng trực tiếp trên bề

mặt của hạt cát (hình 4-10 - Các lực tác dụng lên hạt cát)

- Vận chuyển bùn cát lơ lửng

Ngược với bùn cát đáy, vận chuyển bùn cát lơ lửng (S s) chỉ chịu tác động bởi ma sát giữa các hạt cát trong nước Suất chuyển bùn cát lơ lửng được xác định bằng cách lấy tích phân trên toàn bộ độ sâu dòng chảy (là khoảng cách từ đáy tới mặt nước) của tích số giữa vận tốc của hạt bùn cát lơ lửng và nồng độ của bùn cát trong nước

δ

)()(

trong đó δb : là chiều dày của lớp dòng chảy sát đáy

4.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA BÙN CÁT BỜ BIỂN

GIỚI THIỆU CHUNG

Bãi biển tự nhiên có thể bao gồm rất nhiều loại vật liệu có đường kính và hình dạng khác nhau Tuy vậy, hầu hết vật liệu của các bãi biển đều có dải đường kính

và hình dạng tương đối hẹp và chủ yếu là cát silic

THÀNH PHẦN BÙN CÁT

Hầu hết hạt cát ở bờ biển đều là sản phẩm của quá trình phong hóa do điều kiện thời tiết, do vậy mà thành phần của bùn cát sẽ phản ánh phần nào nguồn gốc tự nhiên

các sản phẩm của quá trình xói mòn phong hóa được vận chuyển từ sông ra biển dẫn tới một phần rất lớn (khoảng 70%) bùn cát bãi biển có thành phần là các hạt quarzt và khoảng 20% còn lại là fenspat Các vật liệu này rất cứng và chịu mài mòn tốt trên quá trình bị vận chuyển từ nơi nó hình thành ra tới bờ biển, còn lại những vật liệu mềm và chịu mài món kém đều bị tiêu biến do mài mòn trên quá trình chuyển động ra biển Sự xói lở các mũi đá, vách đá và quá trình vận chuyển bùn cát theo phương ngang của bùn ctá cũng là nguồn cung cấp bùn cát ra biển.

Ngoài cát hạt quarzt, trong cát còn có một số loại khoáng vật khác nữa như:

hornblende, garnet, magnetite, ilmenite, và tourmaline Các chất này thường được thấy

tích tụ thành một lớp vật chất có màu đen trên bề mặt bãi biển Các khoáng vật này được xem như là các khoáng vật nặng vì chúng có trọng lượng riêng lớn hơn trọng lượng

riêng (viết tắt là TLR) của các hạt quarzt Để phân biệt sự khác nhau giữa chúng, người

ta thường sử dụng đại lượng là tỷ trọng riêng, là mật độ - hay cong gọi là trọng lượng riêng (khối lượng/m3) của khoáng vật chia cho TLR của nước Đối với các khoáng vật nặng, tỷ trọng riêng của chúng thường lớn hoen 2,78 trong khi tỷ trọng riêng của các hạt quartz là 2.65 ( để có được khối lượng thực của các khoáng vật này, cần chia trọng lượng của khoáng vật cho trọng lượng của nước trên một đơn vị thể tích)

Ở những nơi mà đất đá tại vùng cục bộ này bao gồm các vật liệu khác nhau, và không chỉ có hạt quartz thì thành phần của bùn cát về cơ bản sẽ khác với những mô tả ở trên Tại vùng nhiệt đới, các sản phẩn của bùn cát có nguồn gốc từ các hoạt động của sinh vật

có thể bao trùm lên các sản phẩm phong hóa hay lắng đọng Cát Biogenous có thể là sản phẩm mài mòn thềm lục địa hoặc sự tàn phá của các rặng san hô

ĐƯỜNG KÍNH HẠT BÙN CÁT

Cát có thể có nhiều kích thước khác nhau, điều này có thể thấy rõ khi chúng ta xem xét một mẫu cát Hình (4-3) mô tả ảnh chụp một mẫu cát đại biểu với nhiều đường kính

và hình dạng khác nhau Để xác định kích thước của cát trong một mẫu, phải dùng đến phương pháp thống kê các mẫu cát Thông thường người ta dùng đường kính bình quân hay đường kính trung bình của hạt cát, biểu diễn bằng milimét Đường kính trung bình của các hạt cát ở bờ biển Việt Nam thường dao động từ 0.1 đến 0.35 mm

Hình 4-3 Ảnh chụp một mẫu cát

ể

Không phải tất cả thành phần trầm tích bãi biển đều là cát Các nhà địa chất đã

xây dựng bảng phân loại xác định loại trầm tích nào là cát, hay dăm, cuội , sỏi Một trong những cách phân loại phổ biến nhất là phân loại theo theo thước đo Wentworth, đây là cách phân loại dựa vào đường kính của hạt trầm tích (biểu diễn bằng mm) dựa trên hàm bậc 2, được mô tả trên bảng (4-1) Trên thước đo Wentworth, các hạt trầm tích

có kích thước từ 0.0625 đến 2 mm được phân loại là cát Các trầm tích mịn hơn chủ yếu

là hạt bùn và hạt sét, và các hạt lớn hơn nó là cuội, sỏi

Do cách phân loại kích thước hạt cát của Wentworth phụ thuộc vào hàm bậc 2,

Krumbein (1936) đã giới thiệu thước đo "phi" thay thế cho đường kính trung bình của

hạt cát, Kích thước của phi được biểu diễn theo kích thước của hạt bằng công thức sau

2

log d

Như vậy d= 2 -φ, trong đó d được biểu diễn bằng milimét (dạng biểu thức toán học

tương đương, sử dụng logarits tự nhiên, là φ=-lnd/ln2 = -log10 d/log 1 0 2.)

Bảng 4-1 Thước phân loại đường kính hạt bùn cát của Wentworth

Kích thước sàng tiêu chuẩn

Phân loại theo tính đồng nhất của hạt (USC)

Thước tỷ lệ phi được dùng khá rộng rãi, đặc biệt là trong nghiên cứu địa chất biển, vì

nó cho phép thể hiện một cách thuận tiện phân bố kích thước hạt cát Nhưng cũng có điểm bất lợi là trong thước tỷ lệ phi, nếu giá trị của phi càng lớn thù đường đướng tương ứng của hạt cát càng nhỏ vì trong công thức (4.5) có chỉ số âm ở phần mẫu số Ví dụ như đường kính phi 3.5 sẽ tương ứng với hạt cát rất mịn (0,088mm), còn phi của 1 có nghĩa là hạt cát thô trung bình (đường kính hạt bằng 0,5mm) còn bùn cát có phi = - 5 sẽ

là các hạt cuội sỏi (d=32mm)

Để xác định được dải kích thước của một mẫu hạt, cần phân tích được kích thước các hạt trong mẫu thông qua phương pháp sàng, một phương pháp khá phổ biến hiện nay Các sàng là hệ thống các rây có kích thước mắt đường kính mắt sàng khác nhau, chúng được sắp xếp sao cho các sàng có đường kính lớn ở trên và các sàng có đường kính nhỏ hơn ở dưới Mẫu cần xác định thành phần hạt được bỏ lên sàng trên cùng và sau đó người ta tiến hành sàng bằng máy cho đến khi các hạt cát rơi xuống hết các sàng từ trên xuống dưới, mỗi loại hạt được giữ lại ở một sàng có đường kính mắt sàng tương ứng Các máy sàng thường được sử dụng là loại Roto-tap Sau khi sàng, người

ta cân trọng lượng của cát được giữ lại trong mỗi sàng và tính phần trăm trọng lượng của mỗi sàng

Kích thước của bùn cát thường được biểu diễn dưới một số dạng Chúng có thể được vẽ thành biểu đồ đường kính hạt như hình 4-4, hoặc được biểu diễn dưới dạng thông thường là phần trăm trọng lượng của cát nằm giữa hai lớp sàng và đường kính mắt sàng tương ứng Dạng biểu diễn này cho thấy được phân bố của thành phần hạt trong mẫu Cách biểu diễn thứ hai khá phổ biến là phân bố đường kính lũy tích của mẫu, được minh họa tại hình (4-5), cho phép biểu diễn “phần

trăm các hạt thô hơn” Dạng biểu biễn này còn đường gọi là đường cấp phối của hạt bùn cát Trục tung biểu diễn phần trăm trọng lượng mẫu hạt và trục hoành biểu diễn

đường kính của hạt trong mẫu dưới dạng logarit (giảm dần từ trái sang phải)

Hình 4-4 Một ví dụ về biểu đồ đường kính hạt

Trong nhiều trường hợp, phân bố của hạt bùn cát được biểu diễn hầu như tuân theo luật phân bố xác xuất log-normal; do đó, nếu trên giấy xác xuất, trục tung được dùng để

mô tả phần trăm lũy tích trọng lượng của các hạt trong mẫu và trục hoành tỷ lệ phi được dùng để biểu diễn kích thước của bùn cát thì sẽ thu được một đường thẳng (e.g., Otto

1939) Hàm mật độ xác xuất dạng log-normal được biểu diễn bằng hàm của phi f (φ ), như sau:

2

2 1

( )

2

φ μφ σφ

Hình 4-5 Một ví dụ về đường cấp phối hạt bùn cát của một mẫu

BIẾN ĐỔI ĐƯỜNG KÍNH HẠT THEO KHÔNG GIAN VÀ THỜI GIAN

Đường kính của bùn cát ở bãi biển biến đổi dọc trên mặt cắt ngang bãi biển, theo phương thẳng đứng từ trên xuống dưới và dọc theo bãi biển Hình (4-6) biểu diễn đường kính hạt theo phương mặt cắt ngang từ điểm ở ngoại khơi (bên phải) tới điểm ở trong bờ (bên trái), có thể thấy rằng, bùn cát ở ngoài khơi thường mịn hơn bùn cát ở vùng gần bờ, nơi có yếu tố động lực mạnh hơn, thường xuyên chịu tác động của sóng vỡ

và hiệu ứng nước nông khi sóng chuyển động vào gần bờ Tại đường sóng vỡ, được ký

ngang, thì đường kính hạt đạt tới giá trị lớn nhất Ngang qua vùng sóng vỡ, đường kính của các hạt cát nhỏ dần cho tới vùng sóng vỗ bờ (nơi có hiện tượng sóng dâng và rút trên bề mặt bãi biển), tại đây đường kính hạt lại tăng Sự biến thiên của đường kính hạt bùn cát trên mặt cắt ngang của bãi biển phần không ngập nước có thể thay đổi do tác động của gió, tác dụng này có thể tuyển chọn và sàng lọc hết các hạt mịn khi gió cuốn chúng đi khỏi bãi biển, và sự xuất hiện bất thường của sóng bão Trên đỉnh của các đụn cát không có lớp phủ thực vật thường là các hạt thô hơn, và chúng cũng chịu tác dụng tuyển chọn sàng lọc của gió, tạo thành lớp vật liệu thô hóa trên đỉnh của đụn cát Sự phân loại của bùn cát biến đổi với đường kính trung bình Thông thường, tại những vùng rối động hỗn loạn cao thì bùn cát thường đều đặn

Hình 4-6 Biến thiên của đường kính hạt bùn cát dọc theo mặt cát ngang bờ biển

(Bascom 1951 Hiệp hội Địa vật lý Hoa Kỳ)

Sự biến thiên của bùn cát dọc theo bờ biển có thể do tính đa dạng của các quá trình không đồng nhất Bãi biển có dạng đỉnh nhọn với các cạnh của đỉnh nhọn đối mặt với sóng, nhìn chung thường tạo điều kiện cho quá trình tập hợp các vật liệu thô tại phần mỏm của đỉnh nhọn Sự biến thiên của năng lượng sóng tác động lên bãi biển có thể có ý nghĩa quan trọng đối với sự biến thiên của kích thước của bùn cát và độ dốc mặt bãi Hình (4-7) biển diễn sự giảm dần của kích thước đường kính hạt cát khi mức độ trực diện với sóng giảm dần và độ dốc mặt bãi giảm dần khi đường kính hạt cát giảm

Hình 4-7 Tương quan giữa đường kính hạt và độ dốc bãi biển (from Wiegel 1965)

Sự biến đổi mang tính tạm thời xảy ra theo nhiều bước thời gian khác nhau, từ một vài ngày đến 1 mùa hay 1 vài năm Sự biến đổi hàng năm có thể nhận thấy rất rõ, khi vào thời kỳ mùa hè, bề mặt bãi biển được bao phủ bởi cát, nhưng khi sóng mạnh lên vào mùa đông, cát bị cuốn trôi trên bề mặt bãi biển để lộ ra bên dưới một bờ biển cuội sỏi Cát sau khi bị cuốn trôi khỏi bờ biển sẽ nằm lại trên các dải cát ngầm ngoài khơi và được đưa trở lại phần thềm trước của bãi nhờ tác dụng của các sóng nhẹ hơn xuất hiện vào mùa hè tiếp sau đó, và một lần nữa, nó lại che phủ lên trên mặt bãi cội sỏi

HÌNH DẠNG

Hình dạng của hạt cát có ảnh hưởng nhất định tới đặc tính của nó trong môi trường biển Hạt cát dẹt hoặc hình đĩa chắc chắn sẽ có tốc độ chịu lắng trong nước khác với một hạt cát hình cầu Đồng thời hình dạng của một hạt cát cũng phản ánh độ tuổi của nó Những hạt cát có bề mặt trơn nhẵn thường trải qua các tác động mãnh liệt của sóng trong một thời gian tương đối dài so với những hạt cát có bề mặt sắc cạnh

Một số đo đạc đã được đề xuất để mô tả hình dạng của hạt bùn cát Phương pháp phổ biến nhất là phân loại của Zingg (1935) dựa trên các quan trắc của độ dài ba trục chính của một hạt cát (được ký hiệu là a,b và c) với kích thước giảm dần Nếu độ dài của tất cả

ba trục này là như nhau, thì hạt cát sẽ có hình cầu Nếu chúng có hình dạng khác thì sẽ phụ thuộc vào tỷ số của b/a và c/a được trình bày ở hình 4.8

Một hình thức phân loại khác là sử dụng hệ số hình dạng Co của Corey (Corey 1949), trong đó hệ số Co được định nghĩa là tỷ số của Co = c/ ab Hệ

số hình dạng Corey đạt giá trị lớn nhất khi hạt cát là đồng nhất, tương ứng với hạt cát hình cầu, và nhỏ nhất bằng 0, tương ứng với hạt cát có hình đĩa Một hạt cát tiêu chuẩn thường có giá trị Co = 0,7

Tuy vậy, ở thời điểm này, các tiêu chuẩn hình dạng của bùn cát ít được sử dụng trong tính toán kỹ thuật bờ biển, đối với những dự đoán chưa chắc chắn của lượng bùn cát vận chuyển thì việc không sử dụng các hệ số phức tạp trong lý thuyết vận chuyển bùn cát bao nhiêu càng tốt bấy nhiêu

Hình 4-8 Phân loại hình dạng theo

phương pháp Zingg

ĐỘ RỖNG

Hình dạng của hạt cát có ảnh hưởng tới độ chặt của cát trên bãi biển Giữa mỗi hạt cát với cát hạt xung quanh nó là các khoảng trống cho phép nước thấm qua

Độ rỗng (p) được định nghĩa là thể tích của khoảng trống có trong một đơn vị thể

tích của mẫu cát Đối với cát, độ rỗng thường có giá trị bằng từ 0,3 đến 0,4 Nó có thể biến đổi dọc theo bờ biển do có sự thay đổi của đường kính hạt cát cũng như mức độ tuyển chọn của các bùn cát Bùn cát mới được bồi tích, lắng đọng thường có độ rỗng cao, nhưng nó sẽ giảm dần dưới tác dụng của sóng và dòng chảy, và các hạt bùn cát sẽ được xắp xếp lại tới trạng thái ổn định hơn Điển hình là phần bên trên của bãi trước thường rất xốp, và phần giới hạn của vùng sóng dồn là vùng có độ rỗng cao Vùng này cho phép nước do sóng dồn lên mặt bãi nhanh chóng thấm xuống dưới và theo dòng hồi quy chảy ngầm bên dưới bãi cát ra phía biển Vì khối lượng nước do sóng dồn lên mặt bãi bị thấm mất nên khi sóng quay trở lại sẽ giảm khả năng mang bùn cát ra ngoài khơi, điều này tạo nên cơ chế chắn giữ cát trên bề mặt bãi biển

Để xác định trọng lượng thực của một thể tích bùn cát xác định, thì phải biết được độ

rỗng của thể tích Ví dụ, trọng lượng thực của một khối cát có thể tích V có tỷ trọng

riêng là ρs được xác định như sau:

V p g

W = ρs (1− )

ĐỘ THÔ THỦY LỰC CỦA BÙN CÁT

Một trong những đặc tính thủy lực quan trọng của hạt cát là độ thô thủy lực (ký kiệu

là ω), nó biểu thị tốc độ chìm đều trong nước tĩnh mà hạt bùn cát có thể đạt tới dưới tác dụng của trọng lực (hay nói cách khác, đây chính là tốc độ chìm tới hạn) Theo định

nghĩa trong động lực học thì độ thô thủy lực là tốc độ chìm đều của hạt bùn cát trong nước tĩnh, điều này không có mâu thuẫn gì so với khái niệm độ thô thủy lực được giới

thiệu ở trên Kích thước tới hạn của hạt bùn cát lơ lửng có trong cột nước, tại một độ sâu cho trước phụ thuộc vào tốc độ chìm đều của hạt bùn cát, đối với hạt bùn cát lớn thì tốc

độ chìm nhanh và tất nhiên là không phù hợp với trạng thái lơ lửng trong cột nước khi

so sánh với các hạt mịn hơn

Độ thô thủy lực của hạt cát có thể được tính toán theo lý thuyết trong môi trường nước tĩnh thông qua tính toán cân bằng lực tác dụng lên một hạt bùn cát riêng lẻ rơi tự

do, trong đó các lực có liên quan tới trọng lượng của hạt cát là W, lực đẩy nổi của nước

FB, và lực kéo FB D Viết phương trình cân bằng lực cho hạt cát hình cầu (coi lực dương có hường từ trên mặt nước xuống dưới đáy)

trong ρs và ρ là trọng lượng riêng của cát và TLR của nước, (πd3 /6) là thể tích của

hạt cát (giải thiết hạt cát có hình cầu), CD là hệ số cản của hạt cát ở trạng thái chìm, nó là một hàm của số Reynolds, và là tham số không thứ nguyên, được định nghĩa bằng Re = ωd/v Hệ số nhớt động học của nước v có tương quan với hệ số nhớt động lực μ và

trọng lượng riêng của nước, và nó được biểu diễn qua biểu thức, v = μ/ρ Hầu hết sách

tham khảo và các giáo trình về cơ học chất lỏng đều mô tả tương quan giữa hệ số nhớt

động học với nhiệt độ nước và lập thành các bảng tra hay đồ thị Thông thường, v =1.0 x

10-6 m2/s đối với nước ngọt ở nhiệt độ 20°C Do ρ =1000 kg/m3 đối với nước ngọt và bằng 1035 kg/m3 đối với nước mặn, μ ≈ 1.0 x 10-3 N s/m2

Giải phương trình cân bằng lực theo công thức (4.14), sẽ thu được biểu thức xác định

độ thô thủy lực của bùn cát như sau:

43

s

D

gd C

ρ ρω

μ

−

Công thức này còn được gọi là công thức Stock Từ tương quan trên, được áp dụng cho các hạt cát chìm lắng chậm dần, có thể thấy rằng độ thô thủy lực tăng dần khi kích thước và trọng lượng riêng của hạt bùn cát tăng dần Khi nhiệt độ nước tăng, sẽ dẫn tới

hệ số nhớt động học tăng, và do đó mà tốc độ chìm của hạt bùn cát sẽ lớn hơn khi nhiệt độ nước ấm hơn

Theo sửa đổi của Oseen, đối với số Reynolds lớn hơn 1 nhưng nhỏ hơn 100, thì hệ số cản sẽ bao gồm ảnh hưởng của lực quán tính, như sau

Hình 4-9 Độ thô thủy lực của hạt cát hình cầu dưới dạng hàm của đường kính hạt

và nhiệt độ nước (Rouse 1937)

Tại vùng sóng vỡ, khi không còn ở trạng thái nước tĩnh nữa và có mức độ xáo trộn

và hỗn loạn cao, vận tốc và gia tốc dòng chảy do sóng tạo ra và dòng chảy trung

bình Thêm vào đó, hàng triệu hạt cát bị đẩy nổi lơ lửng dưới tác dụng của sóng Do vậy, từ kết quả trên, áp dụng cho hạt cát đơn lẻ trong nước tĩnh, như một hướng dẫn, trong điều kiện tự nhiên, tốc độ chìm đều sẽ bị chi phối thêm bởi các ảnh hưởng khác của chuyển động chất lỏng, nồng độ bùn cát và đặc tính của hạt bùn cát cũng như hình dạng của chúng

4.3 TỐC ĐỘ KHỞI ĐỘNG /ỨNG SUẤT TIẾP TỚI HẠN

Trước khi có hiện tượng vận chuyển bùn cát đáy thì trước tiên hạt bùn cát ở đáy phải bị dịch chuyển ra khỏi vị trí ban đầu Bùn cát ở đáy, chỉ có thể bị dịch chuyển nếu lực đẩy do chuyển động của nước đủ mạnh để nâng hoặc cuốn các hạt bùn cát ra khỏi đáy Quan điểm này về chuyển động ban đầu được mô tả thông quan vận tốc tới hạn hay ứng suất tiếp tới hạn Chuyển động ban đầu của hạt cát sẽ phụ thuộc vào các lực tác dụng lên từng hạt cát riêng biệt (hình 4-10)

F c ⎛ρ ⎞ ⎛π

Trong đó:

FD : lực kéo V: Vận tốc dòng chảy

CD : hệ số kéo

ρ :Trọng lượng riêng của nước

D: đường kính trung bình của hạt cát ( đường kính đẳng dung)

Lực nâng (FL) luôn tác dụng theo phương vuông góc với lực kéo Lực nâng xuất hiện khi mặt trên của hạt cát chịu áp lực nhỏ hơn so với vùng lân cận Vùng áp lực nhỏ này xuất hiện khi bó dòng chảy ở mặt trên của hạt cát bị thu hẹp lại dọc theo hạt bùn cát, theo định luật Benulli, khi vận tốc tăng thì áp lực giảm Lực nâng được tính như sau:

từ trên mặt xuống dưới đáy sông Đối với hạt cát hình cầu thì trọng lực hữu hiệu FG

được xác định như sau:

trong đó ρs : là trọng lượng riêng của bùn cát

Hạt bùn cát sẽ chuyển động nếu mô men lực đẩy tại điểm tiếp xúc giữa hạt bùn cát với đáy sông (điểm A trong hình 4-10) có dấu dương (trong hình 4-10 là có hướng sang phải) Giả thiết độ dài cánh tay đòn của lực tại điểm A là bằng hàm của đường kính hạt (D), có thể thấy lực mô men đối với hạt cát ở trạng thái không ổn định sẽ là

FR × aD - FG × bD > 0 (4.22)

Tại điểm tới hạn của mô men, ta có

FR × aD = FG × bD (4.23) Biến đổi công thức (4.32) thành :

Δ : trọng lượng riêng tương đối [= (ρs -ρ)/ρ ]

Lực tổng hợp FR cũng có thể được viết dưới dạng hàm (theo phương ngang) của

ứng suất tiếp tại đáy, (τ)

FR = c’ τ (π/4) D2 (4.25) trong đó

τ : ứng suất tiếp = ρgV2 / C2 (4.26) c' : hệ số hằng số [= (C2c)/(2g)]

V : vận tốc trung bình trên toàn bộ chiều sâu của dòng chảy

C : Hệ số Chezy (Sêdi)

Thế vào các phương trình trên, thu được :

2 3

Vế phải của cả hai công thức (4.24) và (4.27) biểu diễn giá trị tới hạn mà hạt bùn

cát không chuyển động Nó đã được Shields [1936] trình bày dưới dạng hàm của số

Reynold, như hình (4.13)

f gD

C

τρ

V: Vận tốc dòng chảy trung bình

Từ công thức 4.28, có thể thấy rằng ứng suất tiếp tới hạn có thể xác định được qua

quá trình lặp (vì ứng suất tiếp có ở cả hai vế của công thức) Trong hình (4-13), các

đường gạch chéo biểu thị giới hạn của trạng thái chuyển động của hạt bùn cát theo

như công thức (4.28) Từ hình trên có thể dễ dàng tìm được giá trị giới hạn tương

ứng với các kích thước trung bình của hạt và trạng thái chảy (một số phần trên đồ thị cho thấy rang rới không rõ rệt giữa trạng thái chuyển động hay đứng yên

Hình 4-13 Đường cong Shields biểu thị trạng thái đứng yên hay chuyển động của

Với D50 =500 μm và các thông số khác giữ nguyên

tra được hệ số Shields = 0.034

cấu tạo là cát, độ nhám đáy có liên quan tới đường kính hạt; trong trường hợp đáy có sóng cát (như ví dụ ở trên) thì độ nhám của đáu sẽ phụ thuộc vào kích thước của các sóng cát ở đáy

Khi ứng suất tiếp tới hạn (hay vận tốc giới hạn) bị vượt qua thì hạt bùn cát sẽ chuyển động, lăn, trượt , và tham gia vào quá trình lơ lửng trong dòng chảy và quá trình vận chuyển của bùn cát

4.4 TỔNG QUAN VỀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VEN BỜ

Vận chuyển bùn cát ở vùng ven bờ thường được phân thành hai hình thức vận chuyển

bùn cát riêng biệt, đó là vận chuyển bùn cát theo phương song song với đường bờ hay còn gọi là vận chuyển bùn cát dọc bờ; và vận chuyển bùn cát theo phương vuông góc với đường bờ, hay còn gọi là vận chuyển bùn cát ngang bờ Nhìn chung, vận chuyển

bùn cát dọc bờ và cụ thể là gradient của vận chuyển bùn cát dọc bờ là nguyên nhân

chính gây nên sự diễn biến của đường bờ trong thời đoạn dài; nhưng ngược lại, vận

chuyển bùn cát theo phương ngang trên mặt cắt ngang bãi biển thường gây nên những

diễn biến bờ biển trong thời đoạn ngắn Nếu những diễn biến theo phương ngang diễn ra

lặp lại trong nhiều năm thì nó cũng có thể là nguyên nhân gây nên hiện tượng bồi xói bờ biển trong thời đoạn dài, tuy nhiên, cũng rất khó có thể nhận thấy được điều này vì bản thân các quá trình vận chuyển bùn cát trong tự nhiên rất đa dạng và bản chất tự nhiên của chúng cũng khác nhau

Vận chuyển bùn cát dọc bờ thường xuất hiện trong một vùng tương đối hẹp dọc theo

bờ biển và có hướng, độ lớn vận chuyển bùn cát chủ yếu được xác định từ độ cao, chu

kỳ và hướng sóng (ở đây không xét tới ảnh hưởng của dòng triều) Sự hiện diện của dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ có thể nhận thấy rất dễ khi quan sát sự phát triển của đường bờ cũng như địa hình ở gần các cửa sông, các mũi đất nhô ra biển, các đập mỏ hàn, các đê chắn sóng ngoài cảng, vv Các ảnh hưởng của vận chuyển bùn cát theo phương ngang trên bãi biển trong thời đoạn ngắn cũng có thể nhận thấy một cách dễ dàng từ sự thay đổi độ lớn và vị trí của các dải cát ngầm tạo thành khi sóng vỡ, xói lở các đụn cát do nước dâng do bão, vv Thông thường, ảnh hưởng do sự biến đổi mang tính mùa của trường sóng đối với bờ biển và địa hình đáy biển đều được xem như là các

ảnh hưởng mang tính ngắn hạn

Thông thường lượng bùn cát tịnh vận chuyển dọc bờ sẽ lớn hơn rất nhiều so với lượng bùn cát tịnh vận chuyển theo phương ngang trên một mét bề ngang của bờ biển Tuy vậy, lượng bùn cát tổng cộng vận chuyển theo phương ngang lại lớn hơn rất nhiều

so với phương dọc bờ Về nguyên tắc, mỗi lần sóng lên, bùn cát bị vận chuyển từ ngoài biển vào trong bờ và mỗi khi sóng rút, bùn cát lại bị vận chuyển theo hướng ngược lại

Do vậy lượng vận chuyển bùn cát tổng cộng theo phương ngang có thể bằng với lượng vận chuyển bùn cát tổng cộng theo phương dọc Do không thể trực tiếp đo đạc được vận chuyển bùn cát dọc bờ trong điều kiện tự nhiên và lượng vận chuyển bùn cát tịnh có thể

có trong thời đoạn dài Nếu như diễn biến trong thời đoạn dài của đường bờ biển không thể giải thích được bằng gradient của lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ thì có thể đi đến một kết luận là, còn có thành phần vận chuyển bùn cát tịnh theo phương ngang

có mặt tại khu vực nghiên cứu, tuy rằng rất khó có thể đưa ra được những bằng chứng thuyết phục

4.5 VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DỌC BỜ

GIỚI THIỆU CHUNG

Sóng kết hợp với dòng chảy ở vùng gần bờ là các nhân tố động lực có tác dụng vận chuyển bùn cát ở ven bờ Trong một số trường hợp, vận chuyển bùn cát ở ven bờ chỉ mang tính cục bộ, khi bùn cát được xắp xếp lại trên bãi biển, tạo thành các doi cát, cồn ngầm trên bãi trước Trong trường hợp khác, xuất hiện sự vận chuyển bùn cát dọc bờ, tại mỗi thời điểm có hàng trăm hàng mét khối bùn cát được vận chuyển dọc bờ biển Sự

dịch chuyển bùn cát dọc bờ này được gọi với chỉ thuật ngữ “vận chuyển bùn cát vùng ven biển” hoặc là vận chuyển bùn cát dọc bờ Còn lượng bùn cát thực tế vận chuyển dọc

bờ được gọi là lượng “bồi tích ven biển”

Vận chuyển bùn cát dọc bờ tại một bãi biển có thể thấy rất rõ khi dòng vận chuyển bùn cát tự nhiên bị cản trở bởi các công trình xây dựng ở ven bờ, như đập chắn sóng, đập phá sóng và mỏ hàn Các công trình này có đóng vai trò như một con đập, có tác dụng chặn bùn cát, ngăn không cho chúng dịch chuyển theo hướng dọc bờ, gây nên hiện tượng bồi tụ bùn cát ở phía thượng lưu của công trình và xói lở bùn cát một cách tương ứng ở phần hạ lưu của công trình Việc xây dựng các công trình ở ven bờ, do vậy, có thể gây ra những hậu quả rất nghiêm trọng, không mong muốn, do bờ biển, nhà cửa, cơ sở

hạ tầng ở bờ biển bị xói lở, trong một số trường hợp có thể làm mất đi cả một khu vực dân cư, làng xóm ven biển Để có thể ứng phó với những ảnh hưởng bất lợi trên, cũng như chống bồi lấp tại cửa vào của các cảng biển, cần phải dự báo được lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ trong các các điều kiện khác nhau của sóng và dòng chảy ở gần bờ, cũng như đánh giá được sự chi phối điều kiện biên tới sự vận chuyển bùn cát như kích thước của bùn cát, địa hình đường bờ và hình thái bờ biển

Chính vì vậy, đã có hàng loạt nghiên cứu cơ bản liên quan tới lĩnh vực vận chuyển bùn cát từ những năm 50-60 của thế kỷ trước Các nghiên cứu trên chủ yếu được tiến hành trong điều kiện bãi biển tự nhiên hoặc trong các phòng thí nghiệm Tuy, các nghiên cứu này đã đạt được những kết quả rất đáng kể trong trường hợp tính toán tổng lượng vận chuyển bùn cát ven biển bằng các công thức đơn giản và chủ yếu mới đề cập tới các

quá trình vận chuyển của bùn cát ven bờ Các nghiên cứu này chủ yếu khảo sát mối tương quan giữa vận chuyển bùn cát lơ lửng và với bùn cát đáy; phân bố vận chuyển bùn cát dọc bờ trên chiều rộng của vùng sóng vỡ

Dưới tác dụng của sóng và dòng chảy, bùn cát ở ven bờ bị dịch chuyển theo một số

hình thức sau: vận chuyển dưới hình thức di đáy, là hình thức dịch chuyển của bùn cát dưới dạng lăn hoặc trượt tạo thành một lớp bùn cát ở sát đáy; vận chuyển dưới dạng lơ lửng, bùn cát nổi lơ lửng trong nước và bị dòng chảy dọc bờ cuốn đi; và cuối cùng là hình thức rửa trôi, trong đó bùn cát được dịch chuyển trên mặt bãi dưới tác dụng của

sóng vỗ bờ Thông thường, rất khó phân biệt được rõ ràng dạng vận chuyển bùn cát nào chiếm ưu thế trong 3 dạng vận chuyển bùn cát kể trên, với các điều kiện sóng, loại bùn cát và vị trí của mặt cắt ngang khác nhau

Vận chuyển bùn cát có xảy ra theo 2 chiều ngược nhau dọc bờ biển, tùy thuộc vào hướng sóng tác dụng với đường bờ Theo quy ước, khi một người đứng hướng mặt ra phía biển, thì vận chuyển bùn cát từ trái sang phải được quy ước là vận chuyển bùn cát mang dấu dương, và ngược lại Vận chuyển bùn cát dọc bờ điển hình tại một điểm sẽ bao gồm vận chuyển bùn cát dọc bờ theo hướng dương trong 1 mùa, còn thời gian còn lại trong năm sẽ là các dịch chuyển bùn cát theo hướng âm

Lượng bồi tích tịnh (nét) là hiệu số giữa lượng bồi tích bồi tích hướng dương và

lượng bồi tích theo hướng âm Do vậy mà nó có thể có giá trị dương, giá trị âm hoặc

bằng 0 Lượng bồi tích tổng cộng (gross) là lượng bồi tích tổng cộng theo cả 2 hướng,

không xét tới hướng của dòng bồi tích

Hai tham số trên đều rất quan trọng khi phân tích diễn biến bờ biển Ví dụ, khi phân tích diễn biến hình thái đối với một lạch triều hay luồng tàu vào cảng không có đê

chắn sóng, người ta thường quan tâm tới lượng bồi tích “tổng cộng”, vì nó đại diện cho lượng bùn cát cần nạo vét tại cửa hay luồng tàu Lượng bồi tích “tịnh” tại vùng

này, trong thực tế, có thể bằng không, khi lượng bồi tích vận chuyển theo 2 hướng dương và âm cân bằng nhau, nhưng tổng lượng bồi tích cần nạo vét ở cửa vào của lạch triều hay luồng tàu có thể là rất lớn khi lượng “bồi tích tổng cộng” có giá trị lớn

Cho tới nay, các thiết bị đo đạc lượng bùn cát vận chuyển ven bờ vẫn còn nhiều hạn chế và chưa đạt tới mức độ hoàn hảo như mong muốn Do vậy vận chuyển bùn cát tổng cộng thường được ước lượng thông qua lượng bùn cát lắng đọng ở thượng lưu đê chắn sóng hay tại các đập chắn sóng ngoài khơi hoặc từ các lượng bồi tích tại các lạch triều và cửa vào của các cảng, hoặc từ tốc độ xói lở đường bờ tại đoạn bờ biển nghiên cứu Việc ước tính không trực tiếp lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ ít nhiều cho ta biết được bức tranh vận chuyển bùn cát ở ven bờ, với mức độ chính xác tương đối Tuy nhiên, cần hết sức thận trọng khi đánh giá lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ căn

trình phụ thuộc rất nhiều vào khả năng chắn giữ bùn cát của bản thân công trình, chứ

nó không phản ánh lượng bùn cát thực tế vận chuyển dọc bờ Hơn nữa quá trình bồi tích này lại có tương quan rất chặt chẽ với các điều kiện sóng cục bộ trong khu vực nghiên cứu Khi muốn đánh giá sự vận chuyển bùn cát thực tế trong thời đoạn dài thì rất cần các số liệu sóng này, mà trong thức tế, các số liệu này thường lại chỉ có rất ít Các số liệu về lượng bùn cát nạo vét tại lạch triều hay luồng tàu vào cảng, cũng có thể phản ánh không chính xác lượng vận chuyển bùn cát thực tế Ví dụ như lượng bùn cát dọc bờ ước tính từ lượng bùn cát nạo vét sẽ là thiên nhỏ so với lượng bùn cát thực

tế khi chỉ có một phần bùn cát vận chuyển dọc bờ bị giữ lại ở các lạch triều hay luồng tàu, phần còn lại có thể vẫn được vận chuyển qua các lạch triều hay luồng tàu dưới tác

dụng của hiện tượng by-passing (hiện tượng chuyển cát qua cửa biển, lạch triều)

Hoặc lượng bùn cát ước tính lại là thiên lớn so với lượng bùn cát thực tế khi lượng bồi tích ở các lạch triều hay luồng tàu là lượng bồi tích tổng cộng của các vận chuyển bùn cát theo cả hai hướng dương và âm Hơn nữa, khi hướng vận chuyển bùn cát biến đổi theo mùa có thể dẫn tới lượng vận chuyển tịnh có giá trị rất nhỏ, có thể là do sự chênh lệch giữa hai lượng vận chuyển bùn cát khá lớn từ hai hướng khác nhau, cũng dẫn tới kết quả ước tính có sai số lớn so với thực tế

Chính vì vậy, các ước tính về lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ cần phải căn cứ trên các nghiên cứu phân tích về diễn biến đường bờ cũng như chế độ sóng và dòng chảy ở vùng tính toán trong thời đoạn đủ dài Các ước tính cũng cần đồng nhất với xu thế diễn biến chung của đường bờ ở vùng nghiên cứu

TÍNH TOÁN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DỌC BỜ

CÔNG THỨC CERC (1966)

Một trong những công thức cổ điển nhất và cũng là công thức tính toán vận chuyển bùn cát dọc bờ được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới là công thức CERC được giới thiệu trong Sổ Tay Hướng dẫn Bảo vệ Bờ biển của Mỹ (1966, 1974 và 1984)

Munch-Peterson, một kỹ sư Đan Mạch, là người đầu tiên khảo sát sự tương quan giữa lượng bùn cát vận chuyển ven bờ với năng lượng sóng ở vùng nước sâu, từ những nghiên cứu liên quan tới cảng biển ở Đan Mạch (Munch-Peterson 1938) Sau này, từ những nghiên cứu của Peterson, Watts (1953) và Caldwell (1956) đã tiến hành những

đo đạc sớm nhất về lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ, mối liên hệ giữa suất chuyển bùn cát dọc bờ và năng lượng sóng Savage (1962) từ những số liệu đo đạc trên kết hợp với những số liệu đo đạc trong phòng thí nghiệm đã xây dựng nên công thức tính toán vận chuyển bùn cát dọc bờ Công thức này sau đó đã được Hiệp hội Kỹ thuật của Quân đội Mỹ (U.S Army Corps of Engineers) giới thiệu trong cuốn Sổ tay Thiết kế

Bờ biển năm 1966, và từ đó được biết đến với tên là công thức “CERC” Sau này