Chương 10: HÌNH THÁI HỌC BỜ BIỂN
10.3. Chuyển vận của bùn cát
10.3.1. Chuyển vận do sóng và dòng chảy
Chuyển vận bùn cát là vấn đề rất được quan tâm trong nghiên cứu kỹ thuật bờ biển.
Mục tiêu quan trọng của kỹ thuật bờ biển là hiểu được sự thay đổi hình thái tự nhiên do bùn cát vận chuyển, dự báo suất chuyển bùn cát ven bờ và xung quanh các công trình đã xây dựng tại khu vực nghiên cứu. Khi hiện tượng thiếu cát xảy ra thường xuyên ở một vị trí nào đó gọi là khu vực bị xói, trong khi các khu vực lượng cát mang đến nhiều hơn lượng mang đi là khu vực được bồi. Hiện tượng bồi trên lòng dẫn hay đường vận tải thủy thì gây khó khăn cho việc đi lại, nhưng nếu bồi vào bãi biển thì lại tốt trên quan điểm bảo vệ bờ.
Khi thảo luận về chuyển vận của bùn cát, người ta phân thành bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng. Đối với bùn cát trong sông, đôi khi người ta gộp 2 loại bùn cát trên trong một công thức chung. Trong nhiều trường hợp, điều này có thể chấp nhận được vì hướng chuyển động của 2 dạng bùn cát trên có cùng một hướng. Dọc theo bờ biển , chúng ta phải thật chú ý vì hướng chuyển động của bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng có khi khác nhau. Điều này được mô tả như trường hợp sóng tiến vào vuông góc với bờ.
Nó tạo ra lưu tốc quĩ đạo vuông góc với bờ. Điều này có nghĩa là bùn cát đáy chỉ chuyển động trên hướng duy nhất vuông góc với đường bờ. Vật chất từ trạng thái bùn cát đáy trở lại dạng bùn cát lơ lửng. Tuy nhiên, trong vùng sóng vỡ bùn cát chuyển động dọc bờ dưới ảnh hưởng yếu của dòng triều dọc bờ, ngay trong trường hợp dòng triều yếu tới mức không thể mang theo bùn cát đáy.
Có rất nhiều công thức tính toán tổng lượng bùn cát chuyển động. Phần lớn các công thức này rất phức tạp và không có công thức nào cho ta câu trả lời lý tưởng cho vấn đề thực tế. Một vấn đề quan trọng cần nhận thức là cần thừa nhận một giá trị giới hạn cho ứng suất đáy do Shields đưa ra. Ngoài ra, các công thức tính toán chuyển vận bùn cát trong sông, kênh tính cho một đơn vị dài:
S = m Un (10.2)
Trong đó:
S = lưu lượng bùn cát trên một đơn vị dài m3/s/m m = Hệ số
U = Lưu tốc dòng nước trung bình (m/s) n = số mũ thay đổi từ 3 đến 5
Từ lý thuyết vận chuyển bùn cát, chúng ta biết rằng dòng rối tăng cường đưa bùn cát sang dạng lơ lửng và chuyển vận theo dòng nước. Khi chuyển sang dạng lơ lửng, bùn cát mang theo dòng nước, lưu lượng bùn cát là tích số của lưu tốc tức thời và nồng độ bùn cát. Vì vậy, chúng ta hy vọng rằng vùng sóng vỡ là vùng rất năng động, vùng bùn cát chuyển động. Sự gián đoạn hoặc suy yếu của quá trình sóng vỡ dẫn đến quá trình đối lưu giảm xuống và ít bùn cát chuyển sang dạng lơ lửng. Cùng với quá trình này dòng ven bờ do sóng cũng giảm yếu.
Các bài toán kỹ thuật tính toán bùn cát vùng ven biển khó khăn hơn nhiều so với tính toán bùn cát trong sông. Chuyển động dạng sóng của dòng chảy do sóng gây ra và dòng chảy đa chiều do các lực khác nhau gây ra làm tăng tính phức tạp của mẫu dòng chảy. Tính phức tạp là đặc tính không dừng của dòng nước và bùn cát.
Tính toán bùn cát lơ lửng trên thủy trực là tích số của lưu tốc u và nồng độ bùn cát c.
2 đại lượng này phụ thuộc vào thời gian và độ sâu biểu diễn trong công thức (10-3).
dz t z u t z c t S
h
) , ( ) , ( ) (
∫0
−
= (10.3)
và:
dt dz t z u t z t c S
h t
) , ( ) , 1 0 (
0
−∫∫
= (10-4)
giải phương trình (10-3) và (10-4) rất phức tạp và dường như không có nghiệm giải tích vì bùn cát chuyển động một phần do sóng. Ví dụ, trong hình 10-5 biểu diễn nồng độ bùn cát như là hàm số của thời gian đối với phần lớn các tài liệu cụ thể.
Hình 10-5: Hàm số của bùn cát theo thời gian
Nếu hàm lượng bùn cát c là hằng số cho trường hợp dòng chảy dừng, khi đó phương trình (10-3) có thể viết gọn thành:
dz z u z c S t S
h
) ( ) ( )
(
∫0
−
=
= (10-5)
10.3.2. Cát vận chuyển do gió
Dọc bờ biển, cát do gió cũng phải tính đến mặc dù thông thường chúng bị bỏ sót.
Bùn cát chuyển động do gió đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành các đụn cát và hình dạng của đường bờ.
Quá trình phân tán do gió phụ thuộc vào hình dạng bề mặt và hệ thực vật trên nó và được biểu diễn trên hình 10-6 và bảng 10-1.
Hình 10.6: Gió thổi trên các đụn cát có cây cỏ
Bảng 10-1: Vận chuyển cát do gió
Cấp gió (Beaufort) Tốc độ gió (m/s) (gần đúng) Lưu lượng cát (10-6) (m3/s/m)
3 4.5 -
4 7.0 1
5 10.0 3
6 12.5 14
7 15.5 31
8 19.5 86
9 22.5 165
10 26.5 310
11 31.0 408