Giáo trình cơ sở kỹ thuật bờ biển - Chương 10 doc

http://www.ebook.edu.vn Chơng 10: Hình thái học bờ biển 10.1 Mở đầu ở vùng ven biển, hải dơng học, địa chất, sinh thái v hình thái đờng bờ có mối quan hệ mật thiết với nhau. Có 3 quá trình chính ảnh hởng tới hình dạng đờng bờ. Đó l các quá trình vật lý, hóa học v sinh học. Trớc hết l quá trình vật lý bao gồm các yếu tố triều, sóng, gió v dòng chảy ảnh hởng một cách thờng xuyên liên tục lên đờng bờ từ khi nó xuất hiện do các hoạt động địa chất mang lại. Các quá trình ny có thể lm thay đổi hon ton đờng bờ ban đầu v chuyển từ dạng đờng bờ ny sang dạng khác. Sự chuyển động của các loại bùn cát bao gồm cát, hạt mịn v vỏ các động vật đáy đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thnh đờng bờ. Sự hình thnh các đờng bờ bị chắn, mũi đất, sự uốn lợn của bờ vịnh hay các hình dạng đoạn nối tiếp sông biển khác nhau l những đặc tính do tơng tác giữa các yếu tố vật lý v sự chuyển vận bùn cát mang lại. Quá trình biển tiến hay lùi l kết quả của quá trình vận chuyển bùn cát- nhân tố dễ nhận thấy v quá trình địa chất nhân tố khó nhìn thấy. Hình thái đờng bờ đợc hình dung v đợc xác định khi xem xét cân bằng bùn cát trong một hon cảnh xác định v trên vùng cân bằng xác định. Trong cân bằng nh vậy, tất cả các quá trình vận chuyển bùn cát phải đợc xem xét đến. Trong chơng ny, các quá trình sẽ đợc nghiên cứu cùng với sự tơng tác của chúng hình thnh nên đờng bờ. Phần lớn các quá trình ny xảy ra trong phạm vi sóng vỡ. Do vậy, phần 10-2 sẽ trình by những nội dung liên quan tới vùng sóng vỡ. Cơ chế vận chuyển bùn cát đợc trình by trong phần 10-3. Phần 10-4 trình by cân bằng động v sự thay đổi của đờng bờ. Phần 10-5 tính toán khối lợng bùn cát trong quá trình chuyển vận v cuối cùng các quá trình hình thái học kết hợp với các đặc điểm địa chất xác định hình thnh nên các dạng đờng bờ đã giới thiệu trong chơng 8. Các quá trình hình thái có quan hệ mật thiết với nhau. Bùn cát chuyển vận l do sóng, gió v dòng chảy, nhng bản thân các yếu tố lại có ảnh hởng tơng tác lẫn nhau. Hơn nữa, chuyển vận bùn cát l nguyên nhân thay đổi địa hình v ngợc lại địa hình lại lm thay đổi sự thay đổi của sóng, gió v dòng chảy. Hình 10-1 l sơ đồ logic của hệ thống hình thái. Đây l hệ thống phức tạp. Các thnh phần trong hệ thống (thông số đầu vo) bao gồm: Đờng bờ ban đầu Mực nớc Gió Thủy triều Các yếu tố ny l nguyên nhân gây ra chuyển động của bùn cát v cuối cùng l sự thay đổi của đờng bờ. Đó l một quá trình thay đổi theo thời gian. 238 http://www.ebook.edu.vn Hình 10-1: Hệ thống hình thái Khi nghiên cứu các quá trình hình thái, cần phải biết rằng, các nghiên cứu sẽ phải thực hiện ở các phạm vi khác nhau. Ví dụ, chúng ta nghiên cứu hiện tợng gì xảy ra ở lớp biên khi sóng tác dụng vo máng ở trong phòng thí nghiệm thì thời gian chỉ tính bằng giây, chiều di bằng mét, nhng khi nghiên cứu quá trình xói ở chân kè biển thì thời gian l tháng, thậm chí l năm v khoảng cách l hằng trăm mét v khi nghiên cứu sự ổn định của cả một đoạn bờ thì thời gian phải xem xét l hng chục năm, hoặc hng thế kỷ trên một không gian hng trăm kilomet. Thoạt nhìn thì khó có thể kết hợp v nối kết các nghiên cứu nh vậy. Tuy nhiên, đôi khi để hiểu đợc qui luật trên một phạm vi rộng hơn thì trớc hết phải biết sự thay đổi của nó trên phạm vi nhỏ. Chúng ta cũng cần nhớ rằng ngay cả với trình độ phát triển của kỹ thuật nh hiện nay thì gần nh khó m dự báo đợc chính xác sự thay đổi di hạn trên cơ sở tổng hợp các nghiên cứu trên mô hình nhỏ. 239 http://www.ebook.edu.vn 10.2 Các quá trình trong vùng sóng vỡ Trong vùng sóng vỡ, các quá trình động lực học xảy ra rất phức tạp. Một điều rõ rng nhất l sự tiêu tán năng lợng khi sóng vỡ. Có thể dễ dng thấy rằng năng lợng sóng khi vỡ đã chuyển sang dạng rối v nhiễu động, v một hiện tợng xảy ra nhng khó thấy hơn, nhng không kém phần quan trọng l hiện tợng thay đổi mực nớc trong vùng sóng vỡ. Bằng các tính toán thông qua các phơng trình toán học có thể xác định đợc vấn đề ny. Hiện tợng ny gây ra bởi ứng suất bức xạ. Các nghiên cứu chi tiết về vấn đề ny sẽ đợc trình by trong môn học sóng gió. Khi sóng tiến vo vuông góc với đờng bờ sẽ dẫn tới mực nớc ngay phía ngoi đờng sóng vỡ giảm thấp hơn so với xung quanh, nhng trong đờng sóng vỡ thì mực nớc cao dần vo bờ (hiện tợng nớc dâng do sóng). Giải thích về bản chất vật lý, tại đỉnh của sóng vỡ nớc đợc dồn nhanh hơn vo bờ dẫn tới quá trình dồn nớc cỡng bức lm mực nớc tăng lên. Tuy nhiên quá trình ny lại hình thnh đờng mặt nớc nghiêng ra biển v xuất hiện dòng đáy chảy ngợc ra, bù với quá trình trên mặt hớng vo bờ. Khi sóng tạo với bờ một góc xác định, sẽ hình thnh dòng chảy song song với bờ. Vì nớc dâng do sóng xảy ra trong vùng sóng vỡ, nên dòng ven bờ cũng chỉ có trong vùng sóng vỡ m thôi (xem hình 10-2) Hình 10-2: Dòng ven bờ Trong thực tế với trờng hợp sóng ngẫu nhiên, sóng phản xạ ngầm không phân bố đều theo dọc bờ biển. Dòng ngợc lại khi gặp dòng vo hình thnh nên dòng xoáy. Hình 10-3 v 10-4 mô tả các kiểu dòng chảy theo phơng ngang v phơng đứng trong vùng sóng vỡ. 240 http://www.ebook.edu.vn Hình 10.3: Phân bố theo phơng ngang của dòng xoáy Hình 10-4: Phân bố theo phơng đứng với dòng phản xạ 10.3 Chuyển vận bùn cát 10.3.1. Chuyển vận do sóng v dòng chảy Chuyển vận bùn cát l vấn đề rất đợc quan tâm trong nghiên cứu kỹ thuật bờ biển. Mục tiêu quan trọng của kỹ thuật bờ biển l hiểu đợc sự thay đổi hình thái tự nhiên do bùn cát vận chuyển, dự báo suất chuyển bùn cát ven bờ v xung quanh các công trình đã xây dựng tại khu vực nghiên cứu. Khi hiện tợng thiếu cát xảy ra thờng 241 http://www.ebook.edu.vn xuyên ở một vị trí no đó gọi l khu vực bị xói, trong khi các khu vực lợng cát mang đến nhiều hơn lợng mang đi l khu vực đợc bồi. Hiện tợng bồi trên lòng dẫn hay đờng vận tải thủy thì gây khó khăn cho việc đi lại, nhng nếu bồi vo bãi biển thì lại tốt trên quan điểm bảo vệ bờ. Khi thảo luận về chuyển vận của bùn cát, ngời ta phân thnh bùn cát đáy v bùn cát lơ lửng. Đối với bùn cát trong sông, đôi khi ngời ta gộp 2 loại bùn cát trên trong một công thức chung. Trong nhiều trờng hợp, điều ny có thể chấp nhận đợc vì hớng chuyển động của 2 dạng bùn cát trên có cùng một hớng. Dọc theo bờ biển , chúng ta phải thật chú ý vì hớng chuyển động của bùn cát đáy v bùn cát lơ lửng có khi khác nhau. Điều ny đợc mô tả nh trờng hợp sóng tiến vo vuông góc với bờ. Nó tạo ra lu tốc quĩ đạo vuông góc với bờ. Điều ny có nghĩa l bùn cát đáy chỉ chuyển động trên hớng duy nhất vuông góc với đờng 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 dới ảnh hởng yếu của dòng triều dọc bờ, ngay trong trờng hợp dòng triều yếu tới mức không thể mang theo bùn cát đáy. Có rất nhiều công thức tính toán tổng lợng bùn cát chuyển động. Phần lớn các công thức ny rất phức tạp v không có công thức no cho ta câu trả lời lý tởng cho vấn đề thực tế. Một vấn đề quan trọng cần nhận thức l cần thừa nhận một giá trị giới hạn cho ứng suất đáy do Shields đa ra. Ngoi ra, các công thức tính toán chuyển vận bùn cát trong sông, kênh tính chomột đơn vị di: S = m U n (10.2) Trong đó: S = lu lợng bùn cát trên một đơn vị di m 3 /s/m m = Hệ số U = Lu tốc dòng nớc 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 cờng đa bùn cát sang dạng lơ lửng v chuyển vận theo dòng nớc. Khi chuyển sang dạng lơ lửng, bùn cát mang theo dòng nớc, lu lợng bùn cát l tích số của lu tốc tức thời v nồng độ bùn cát. Vì vậy, chúng ta hy vọng rằng vùng sóng vỡ l 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 lu giảm xuống v ít bùn cát chuyển sang dạng lơ lửng. Cùng với quá trình ny dòng ven bờ do sóng cũng giảm yếu. Các bi 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 v dòng chảy đa chiều do các lực khác nhau gây ra lm tăng tính phức tạp của mẫu dòng chảy. Tính phức tạp l đặc tính không dừng của dòng nớc v bùn cát. Tính toán bùn cát lơ lửng trên thủy trực l tích số của lu tốc u v nồng độ bùn cát c. Cả 2 đại lợng ny phụ thuộc vo thời gian v độ sâu biểu diễn trong công thức (10-3). dztzutzctS h ),(),()( 0 (10.3) v: 242 http://www.ebook.edu.vn dtdztzutzc t S h h ),(),( 1 0 0 (10-4) giải phơng trình (10-3) v (10-4) rất phức tạp v dờng nh 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 nh l hm số của thời gian đối với phần lớn các ti liệu cụ thể. Hình 10-5: Hm số của bùn cát theo thời gian. Nếu hm lợng bùn cát c l hằng số cho trờng hợp dòng chảy dừng, khi đó phơng trình (10-3) có thể viết gọn thnh: dzzuzcStS 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 thờng chúng bị bỏ sót. Bùn cát chuyển động do gió đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thnh các đụn cát v hình dạng của đờng bờ. Quá trình phân tán do gió phụ thuộc vo hình dạng bề mặt v hệ thực vật trên nó v đợc biểu diễn trên hình 10-6 v bảng 10-1. 243 http://www.ebook.edu.vn 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) Lu lợng cát (10 -6 ) (m 3 /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 10.4 Sự thay đổi v trạng thái cân bằng của đờng bờ. Khi nghiên cứu chuyển vận bùn cát vùng bờ, cần phải phân chia bùn cát chuyển động vuông góc với bờ v bùn cát chuyển vận song song với đờng bờ (hình 10-7). Vận chuyển vuông góc hay dọc bờ đợc qui định bởi điều kiện thủy lực v hình thái. Chuyển động vuông góc với bờ chủ yếu do hiện tợng chảy xoáy v trong trờng hợp sóng vỡ l do dòng rút dới đáy. Trọng lực dọc theo mặt bãi đóng vai trò chính. Dòng chảy song song với bờ hay còn gọi l dòng ven bờ l dòng hình thnh do bức xạ sóng tới tạo góc xác định so với đờng bờ. Chuyển động vuông góc với đờng bờ thông thờng bao gồm tổng hợp của dòng đáy v dòng lơ lửng. 244 http://www.ebook.edu.vn Hình 10-7: Dòng ven bờ v dòng vuông góc với bờ Bản thân chuyển động của bùn cát không hề gây nên thay đổi về địa hình vùng bờ. Chỉ khi xuất hiện gradient theo hớng dọc hoặc hớng ngang ( ySxS wwww /,/ ) thì sẽ có hiện tợng xói hoặc bồi. Nếu xuất hiện gradient hớng ngang thì bãi hoặc dốc hơn hoặc thoải hơn, còn gradient hớng dọc sẽ xảy hiện tợng bồi hoặc xói của bờ biển. Trong chơng 6, chúng ta đã thấy hiện tợng sóng không vỡ trong vùng nớc nông thể hiện dạng đối xứng của các xoáy nớc gần đáy. Lu tốc gần bờ thờng cao hơn ngoi xa. Mặc dù, thời gian duy trì lu tốc gần bờ ngắn, nhng quan hệ năng lợng giữa bùn cát vận chuyển v lu tốc (xem phơng trình 10-4) l nguyên nhân gây ra lợng bùn cát vận chuyển hớng ngang. Sóng vỡ l nguyên nhân gây ra khối nớc vận chuyển hớng ngang tạo nên hiện tợng nớc dâng do sóng trong vùng sóng vỡ. Quá trình ny cuối cùng dẫn tới hiện tợng dòng rút dới đáy hớng ra xa bờ. Vì có một khối lợng lớn bùn cát lơ lửng trong vùng sóng vỡ do dòng rối gây ra, dòng đáy mang đi một khối lợng lớn bùn cát ra xa bờ. Hình dạng mặt cắt ngang l kết quả của hiện tợng cân bằng động theo hớng ngang. Hình dạng mặt cắt đợc đặc trng bằng độ dốc bãi biển. Độ dốc ny phụ thuộc vo chiều cao sóng, cỡ hạt v khoảng cách đến mép nớc. Sóng lớn, hạt bùn cát mịn sẽ cho bãi biển thoải, ngợc lại sóng nhỏ, hạt thô sẽ cho bãi biển dốc hơn. Dựa trên một khối lợng lớn các số liệu quan trắc, Wiegel (1964) đã xây dựng quan hệ giữa độ dốc bãi với đờng kính hạt trung bình với các điều kiện sóng khác nhau (hình 10-8). 245 http://www.ebook.edu.vn Hình 10-8: Quan hệ độ dốc bãi với đờng kính hạt trung bình Wiegel (1964) Dean (1983) đa ra phơng trình mô tả cắt ngang động bãi biển nh sau: h = A y m (10.6) trong đó h l độ sâu nớc ở khoảng cách y từ đờng bờ. Rất nhiều nh nghiên cứu đã cải tiến công thức trên v đa thêm vo các đại lợng A v m đặc trng cho đờng kính hạt, sóng khí hậu, mực nớc v dòng triều. Giá trị của m = 2/3, trong khi giá trị A = B d 1/3 , với d l đờng kính hạt. Vellinga (1984) đa ra công tính độ dốc bãi biển chịu ảnh hởng tự nhiên của gió bão (xem trên hình 10-9): 2]18) 0268.0 () 6.7 [(4714.0) 6.7 ( 5.056.028.1 x w H y H soso .0 (10-7) trong đó: H so = Chiều cao sóng hiệu quả ngoi nớc sâu (m) w = Tốc độ lắng chìm của cát biển khi nhiệt độ nớc ở 5 C (m/s) x = Khoảng cách ngang bờ biển y = Độ sâu liên quan đến mặt cắt cân bằng động. 246 http://www.ebook.edu.vn Hình 10-9: Mặt cắt bãi khi bị xói mòn các đụn cát Phơng trình 10-8 biểu diễn mặt cắt ngang từ mép nớc (x=0, y=0) tới điểm tại đó chuyển từ độ dốc bãi sang độ dốc đáy biển dốc hơn với m > 12.5. Tọa độ đó tính nh sau: 56.028.1 ) 0268.0 () 6.7 (250 w h x (10-8) H H y 75.0) 6.7 (717.5 Trong thực tế, đờng cong của Dean có thể thay bằng đáy dốc thẳng tính từ mép nớc tới điểm có sự thay đổi đột biến của đáy biển. Vì chiều cao sóng thay đổi theo mùa, nên mặt cắt ngang cũng thay đổi theo mùa v nó có tên l mặt cắt mùa đông v mùa hè. Với các con bão lớn gây nên hiện tợng nớc dâng sẽ tạo nên mặt bãi khá thoải do lợng cát tại các đụn cát ven biển bị lôi xuống bãi. Nếu nh không có hiện tợng mất cát thì mặt cắt trớc bão sẽ đợc thiết lập lại sau một khoảng thời gian di sau đó. Theo cách ny, trong một khoảng thời gian ngắn mặt cắt ngang bị thay đổi rất lớn v đó l sự thay đổi cục bộ không giống với hiện tợng xói do các công trình bảo vệ bờ biển gây ra hiện tợng xói do dòng ven bờ gây ra. Tuy nhiên không thấy sự khác nhau giữa xói công trình v xói cục bộ nếu nhìn trên mặt nớc. Mặt cắt ngang v hiện tợng xói ngang sẽ trình by kỹ hơn trong phần 10-4. Chênh lệch độ dốc dọc bờ do sóng đến với các hớng khác nhau gây ra, chiều cao sóng, bùn cát trên bãi biển, gió v dòng do gió gây ra (hình 10-10) 247 [...]...Hình 1 0-1 0: Nguyên nhân gây độ dốc cho vận chuyển cát ven bờ 10. 5 Tính toán l ợng bùn cát ven bờ Chuyển động ven bờ chủ yếu do sóng tới tạo một góc xác định với bờ Do sóng vỡ, tạo ra một vùng có hiện t ợng dòng chảy rối đã mang bùn cát đáy chuyển sang dạng lơ lửng v những hạt lơ lửng ny sẽ đ ợc dòng n ớc mang đi Hiện t ợng bùn cát vận chuyển ven bờ chỉ xảy ra trong vùng sóng... thời gian di, l ợng cát vận chuyển ny đ ợc tính toán bằng công thức phát triển bởi trung tâm nghiên cứu biển Coastal Engineering Research Centre (CERC) của quân đội Mỹ v còn gọi l công thức CERC S 0.020 H s20 c 0 K r2 sin Trong đó: S b cos b = L ợng bùn cát di chuyển (m 3/s) 248 http://www.ebook.edu.vn (10. 9) c0 b Hso Kr = Tốc độ truyền sóng trong n ớc sâu (m/s) = Góc giữa đ ờng cùng độ sâu v đ ờng đỉnh... sóng khí hậu của ton năm, đ ợc chia thnh các thời đoạn ngắn hơn Nh ng cuối cùng thì trên một đoạn bờ bùn cát chỉ có thể vận chuyển theo 2 h ớng ng ợc nhau Tổng hợp bùn cát của 2 h ớng ta sẽ đ ợc l ợng bùn cát vận chuyển qua một năm Mặc dù, biểu diễn nh trên l khá phức tạp khi tính toán bùn cát vận chuyển ven bờ, nh ng công thức CERC không cho độ chính xác cao vì các đại l ợng H v rất khó xác định chính... rất khó xác định chính xác Trong công thức CERC cũng không có đ ờng kính hạt, không xét tới ảnh h ởng của dòng triều do vậy kết quả tính toán theo công thức chỉ cho ta hình ảnh về chuyển vận bùn cát ven bờ m thôi Cũng theo công thức trên khi vận chuyển lớn nhất xảy ra khi = 900, l ợng bùn cát vận chuyển bằng 0 v l ợng 0 b = 45 b 249 http://www.ebook.edu.vn . phần 1 0-2 sẽ trình by những nội dung liên quan tới vùng sóng vỡ. Cơ chế vận chuyển bùn cát đợc trình by trong phần 1 0-3 . Phần 1 0-4 trình by cân bằng động v sự thay đổi của đờng bờ. Phần 1 0-5 . xạ 10. 3 Chuyển vận bùn cát 10. 3.1. Chuyển vận do sóng v dòng chảy Chuyển vận bùn cát l vấn đề rất đợc quan tâm trong nghiên cứu kỹ thuật bờ biển. Mục tiêu quan trọng của kỹ thuật bờ biển. diễn trong công thức (1 0-3 ). dztzutzctS h ),(),()( 0 (10. 3) v: 242 http://www.ebook.edu.vn dtdztzutzc t S h h ),(),( 1 0 0 (1 0-4 ) giải phơng trình (1 0-3 ) v (1 0-4 ) rất phức tạp v dờng