Lời gới thiệu Để phục vụ chương trình đào tạo mới của các chuyên ngành Hải dương học, chúng tôi đã lựa chọn các sách giáo khoa và chuyên khảo liên quan tới các chuyên ngành mới như Kỹ th
Trang 1Kỹ thuật biển
Bộ các bài giảng về kỹ thuật bờ biển dành cho lớp
đào tạo các cán bộ Viện Khoa học thuỷ lợi, Hà Nội
Biên tập tiếng Anh: E van Meerendonk
Delft Hydraulics
Trang 2Tập I
Nhập môn về công trình bờ
Người dịch: Đinh Văn Ưu
Hà Nội – 2003
Trang 3Lời gới thiệu
Để phục vụ chương trình đào tạo mới của các chuyên ngành Hải dương học, chúng tôi đã lựa chọn các sách giáo khoa và chuyên khảo liên quan tới các chuyên ngành mới như Kỹ thuật biển, Quản lý tài nguyên và môi trường biển đã được xuất bản ở nước ngoài và dịch ra tiếng Việt
Bộ các bài giảng về kỹ thuật bờ biển sử dụng cho lớp đào tạo cán bộ Viện Khoa học Thuỷ lợi Hà Nội được E van Meerendonk biên soạn theo các bài giảng từ Viện Delft Hydraulics, Hà Lan là một tài liệu tương đối hoàn chỉnh về lĩnh vực này Trong giáo trình này có nhiều phần liên quan tới thuỷ động lực biển và các công trình bảo vệ bờ đã được trình bày kỹ trong các giáo trình hiện hành bằng tiếng Việt Chúng tôi chỉ chọn tập I và II của bộ sách này để dịch vì trong đó đã trình bày tương đối đầy đủ tổng quan về Kỹ thuật biển nhằm làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên năm thứ 3 trước khi đi vào các chuyên ngành Do tập III trình bày rất sâu về những khía cạnh kỹ thuật của công trình bờ thuộc lĩnh vực thiết kế, xây dựng công trình và tập IV chỉ tập chung cho một vấn đề chuyên sâu của thuỷ động lực bờ là sóng thần vì vậy chúng tôi không dịch cả hai tập này Trên cơ sở đó chng tôi lấy tên cho bản dịch này là Kỹ thuật biển
Để đảm bảo tính khoa học của vấn đề chúng tôi biên dịch toàn bộ phần mở đầu cho Bộ sách, tuy nhiên do không biên dịch các tập, III và IV nên sẽ có những bổ sung nhất định để sinh viên có thể nắm được đầy đủ yêu cầu nội dung của môn học này
Trang 4Lời nói đầu
Bộ bài giảng về kỹ thuật bờ được biên soạn phục vụ Viện nghiên cứu khoa học thuỷ lợi của Cộng hoà Xã hội Chủ ngiã Việt Nam Trong thời gian 7 tuần từ tháng
10 đến tháng 11 năm 1989 tập bài giảng này được E van Meerendonk từ Viện Delft Hydraulics sử dụng cho khoá đào tạo các cán bộ của Viện khoa học thuỷ lợi Những bài giảng này là một phần của dự án hỗ trợ cho Viện nghiên cứu Khoa học thuỷ lợi
do Delft Hydraulics triển khai với sự tài trợ của UNDP tại Nữu Ước Bộ bài giảng
về kỹ thuật bờ bao gồm các nội dung sau đây:
Trang 51 Mở đầu
1.1 Mục đích, yêu cầu
Tập bài giảng này được xây dựng ban đầu như phần bổ sung cho các bài giảng của giáo sư Bijker tại Delft đồng thời cho Đại học công nghệ cũng như lớp chuyên
đề quốc tề về Thuỷ công trình Thời gian giảng dạy dành cho việc giới thiệu, trao
đổi, bàn luận và trả lời các câu hỏi liên quan
Một số học viên có thể không cần lên lớp mà vẫn có thể nghiên cứu thông qua các tài liệu này Trong khi trình bày, các câu hỏi được lồng vào trong bài giảng, thông qua đó có thể gây chú ý và kiểm tra mức độ hiểu biết của người đọc
1.2 Các chuyên mục
Tất cả các tài liệu liên quan tới kỹ thuật bờ do giáo sư Beijker chuẩn bị tại Đại học Công nghệ Delft được chia thành ba chuyên mục chính hay ba môn học:
Nhập môn kỹ thuật bờ – cơ sở của toàn bộ các chuyên mục khác
Những vấn đề cảng, vũng vịnh – nghiên cứu chi tiết các chuyên đề liên quan tới bờ, cảng và các lạch tàu vào cảng
Thiết kế công trình chắn sóng – nghiên cứu hai dạng công trình chắn sóng bằng khối liên kết mềm và bằng nguyên khối
Việc phân chia các chuyên mục này được chú trọng trong khi xây dựng tập bài giảng này và các nội dung được tập hợp theo từng tập riêng rẽ
Có thể tồn tại cách phân chia khác trong kỹ thuật bờ, trong đó các loại vấn đề
được tập hợp lại với nhau Theo cách đó có ba loại vấn đề sau: Cảng, Địa mạo và Biển khơi, chúng sẽ được đề cập tới trong chương 2 Việc phân chia này được chú trọng trong hai tập đầu của bộ sách này Trong từng tập các vấn đề được tập hợp theo nguyên lý vừa nêu Tuy nhiên nguyên lý phân chia trên không được chú trọng trong tập III bời vì các công trình chắn sóng chỉ là vấn đề riêng của lĩnh vực cảng Dạng thông tin thứ 4 liên quan tới những kiến thức cơ sở đã được trình bày trong các giáo trình khác, chúng có thể được nhắc lại ngắn gọn, hoặc là các nhận xét bổ sung hay lưu ý Tuy nhiên những kiến thức đó lại không thể thiếu được khi
Trang 6đi vào nghiên cứu các vấn đề thực sự của kỹ thuật bờ và đó là cơ sở của môn học này
1.3 Các tài liệu xuất bản định kỳ
Danh mục các tài liệu tham khảo được dẫn ra trong phần cuối của mỗi tập Đó
là những tài liệu cơ bản nhất cung cấp nền tảng nhưng không cho ta cập nhật những kết quả mới phát triển Các xuất bản định kỳ nhằm đáp ứng mục đích này Loại tài liệu này cho thể phân ra thành 5 nhóm được mô tả sau đây:
1.4 Tài liệu chung
Những tài liệu về kỹ thuật loại này thường có tính bao quát cao, trong đó thỉnh thoảng có thể tìm được một số vấn đề liên quan trực tiếp tới kỹ thuật bờ, song nhìn chung không có các chi tiết cụ thể Ví dụ về các loại tạp chí định kỳ này có thể là:
Engineering New Record, xuất bản hàng tuần do NXB McGraw Hill, N.Y Hoa Kỳ
De Ingenieur, xuất bản hàng tuần do Hội hoàng gia các kỹ sư, La Hay,
Ocean Industry, xuất bản hàng tháng do công ty Gulf Publishing, Houston, Texas, Hoa Kỳ
The Dock and Habor Authority, xuất bản hàng tháng do NXB Foxlow, London
1.6 Tạp chí kỹ thuật chuyên ngành
Loại tạp chí này cung cấp các chi tiết kỹ thuật chuyên ngành liên quan tới các vấn đề và cách giải quyết, có thể tìm được trong phần tài liệu tham khảo của các bài đăng trong các tạp chí thuộc hai loại trên Ví dụ về loại tạp chí này như sau:
Journal of Waterways, habors, and Coastal Engineering Division, xuất bản hàng quý do Hội kỹ sư xây dựng Mỹ, N.Y., Hoa Kỳ
Trang 7 Shore and Beach, xuất bản nửa năm do Hiệp hội bảo vệ bờ biển và bãi tắm Mỹ, Miami, Florida, Hoa Kỳ
Coastal Engineering in Japan, xuất bản hàng năm do Hội kỹ sư xây dựng Nhật bản, Tokyo, Nhật Bản
Tạp chí kỹ thuật chuyên đề
Loại tạp chí này cung cấp các thông tin như loại tạp chí kỹ thuật chuyên ngành song dành riêng cho một nhóm lĩnh vực hoàn toàn khác Đối với các nhà chuyên môn, muốn tìm được các thông tin cần thiết này, phải tìm kiếm hết sức công phu trong số các tài liệu dạng tổng quan tóm tắt được trình bày sau đây Có thể đưa ra làm ví dụ một số thông tin có thể tìm thấy trong loại tạp chí này:
Vấn đề áp lực sóng trong Journal of the Engineering Mechanics Division, xuất bản bởi Hội kỹ sư xây dựng Mỹ, N.Y Hoa Kỳ
Vấn đề tác động của sóng lên cảng trong Journal of the Acoustical Society of America, N.Y Hoa Kỳ
1.7 Tổng quan tóm lược
Các tổng quan tóm lược phục vụ mục đích tìm kiếm nhanh các tài liệu cần thiết trong số nhiều lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên chúng không cung cấp các thông tin mới mà chỉ trình bày cô đọng các nội dung trình bày trong bài Trong số các tạp chí tổng quan tóm lược tốt nhất hiện nay có thể kể đến:
Documentation Data, do Phòng thí nghiệm thuỷ lực Delft, Hà Lan xuất bản
Engineering Index, do Thư viện các hội kỹ thuật, N.Y., Hoa Kỳ xuất bản
BHRA Fluid Engineering, dịch vụ tổng quan của Hiệp hội nghiên cứu thuỷ lực Anh, Bedford
Hiện nay các phương tiện máy tính đã và đang phát triển hệ thống tìm kiếm các tổng quan thông qua mạng Nhiều hệ tìm kiếm các tổng quan tổng lược có thể truy nhập với một phí không đáng kể giúp nhanh chóng đạt được kết quả mong muốn
1.8 Các sách tham khảo
Sau đây chúng tôi dẫn ra một số sách tham khảo về kỹ thuật bờ, các tài liệu này có thể đề cập tới một vấn đề quan tâm chứ không phải tất cả các chủ đề rộng lớn của bộ môn này
Per Bruun (1973): Port Engineering: Gulf Publishing Company, Houston, Texas, U.S.A
Trang 8 Arthur T Ippen (1966): Estuary and Coastline Hydrodynamics: McGraw-Hill, N.Y
H Lamb (1963): Hydrodynamics (6th edition) : Cambridge Univ Press
Muir Wood, A.M (1968): Coastal Hydraulics: Macmillan and Co Ltd., London, England
Robert L Wiegel (1964): Oceanographical Engineering : Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs N.J., U.S.A
1.9 Những đồng tác giả
Quyển sách này được tập thể nhóm kỹ thuật bờ Đại học công nghệ Delft chuẩn
bị Những tác giả ban đầu được liệt kê trong phần mở đầu mỗi chương, mục Nhiều người khác tham gia vào việc đọc và sửa chữa bổ sung, phần hiệu đính cuối cùng
và tập hợp thành sách do W.W Massie chịu trách nhiệm Trong bảng sau đây đưa
ra danh sách những đồng tác giả theo thứ tự vần chữ cái
Bảng 1.1 Những đồng tác giả của tập sách này
GS TS E.W Bijker Giáo sư kỹ thuật bờ, Đại học công nghệ Delft, Delft
KS C.J.P van Boven Giám đốc điều hành, Dịch vụ quốc tế về biển Smit, Rotterdam
KS J.J van Dijk Nghiên cứu viên chính, Nhóm kỹ thuật bờ, Đại học công nghệ Delft, Delft
KS J van de Graaff Nghiên cứu viên chính, Nhóm kỹ thuật bờ, Đại học công nghệ Delft, Delft
KS L.E van Loo Nghiên cứu viên chính, Nhóm kỹ thuật bờ, Đại học công nghệ Delft, Delft W.W Massie, P.E Nghiên cứu viên chính, Nhóm kỹ thuật bờ, Đại học công nghệ Delft, Delft
Trang 9Thay đổi lớn thứ hai liên quan tới mô tả quá trình vận chuyển cát trên các bãi biển Các chương 25 và 26 được viết lại hoàn toàn
Nhiều sửa đổi nhỏ được tiến hành trong chương 8 – các dạng công trình phá sóng, 12 – phát triển sóng, 16 – nạo vét ngoài khơi, 20 – ổn định kích thước lạch tàu, 22- lắng đọng trầm tích, 30- sửa cho phù hợp với các chương mới 25 và 26, và chương 32 được bổ sung
1.11 Một số điểm lưu ý
Tiếng Anh sử dụng trong sách này chủ yếu theo phong cách Mỹ
Để đọc giả dễ hiểu các ký hiệu phức tạp, chúng được giải nghĩa khi lần đầu tiên
được đưa vào trong mỗi chương và cuối mỗi tập có dẫn ra một bảng các ký hiệu sử dụng trong sách
Tài liệu tham khảo dẫn theo tên tác giả và thời gian Bảng mục lục tài liệu tham khảo đầy đủ dẫn ra cuối mỗi quyển sách
Các hình vẽ nhìn chung được thể hiện theo tỷ lệ cho phép Nhiều hình vẽ trong sách này được trình bày theo tỷ lệ bằng 80% kích thước hình vẽ gốc Kích thước gốc
có thể được thiết lập theo tỷ lệ 1 : 1250
Nhiều thuật ngữ sử dụng trong sách được liệt kê trong bảng từ vựng kèm theo Vì các đơn vị đo theo hệ Anh vẫn được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn công nghiệp biển vì vậy một số bảng chuyển đổi đơn vị cũng được dẫn ra
Những công việc liên quan tới các sửa đổi vất vả này đều do bà G.M van Koppen và R.E.A.M Boeters thành viên của nhóm kỹ thuật bờ, Đại học công nghệ Delft, Delft đảm nhiệm
Trang 102 Tổng quan về kỹ thuật bờ
Môt vấn đề phức tạp đối với kỹ thuật bờ là ở chỗ các biến liên quan đều mang tính ngẫu nhiên Những phép tính toán thống kê tạo nên cơ sở cho kỹ thuật tối ưu hoá được ứng dụng rộng rãi cho nhiều vấn đề kỹ thuật bờ
2.2 Các nghiên cứu cơ sở
Trong số những vấn đề cơ bản mà kỹ thuật bờ thường gặp phải có sự chuyển
động của nước dọc bờ, tương tác giữa nước chuyển động và vật liệu bờ và đáy và các lực thuỷ động do sóng và dòng chảy tác động lên các công trình Đó chỉ là một số ví
dụ cụ thể về các hiện tượng cơ bản; những hiện tượng khác sẽ được đề cập sau Việc nghiên cứu những hiện tượng này chính là cơ sở của nghiên cứu kỹ thuật bờ
2.3 Các chuyên ngành
Việc phân chia kỹ thuật bờ được chia thành những chuyên ngành cơ bản đã
được trình bày trong phần mở đầu Chúng ta lần lượt trình bày các khía cạnh kỹ thuật của các chuyên ngành đó trong các mục tiếp sau
2.4 Các vũng vịnh và cảng
Các cảng biển được phát triển theo yêu cầu sử dụng tàu thuyền để vận chuyển hàng hoá của con người Điều quan trọng ở đây là cần phải đáp ứng một lúc cả yêu cầu về tiện lợi lẫn yêu cầu kinh tế Nhiều khi người ta cần tìm một giải pháp dung hoà giữa hai yêu cầu trên Những khía cạnh cụ thể của vấn đề này được đề cập một
Trang 11cách cơ bản trong tập II Sự hợp tác giữa các nhà thiết kế hàng hải lẫn các nhà hàng hải thường có hiệu quả nếu như vấn đề tối ưu hoá được coi trọng
Do nhiều cảng biển nằm ngay trên các cửa sông, vì vậy vấn đề hình thành các bãi và lạch triều thường được xem xét đến trong kỹ thuật bờ Thông thường vấn đề này được nghiên cứu kỹ trong kỹ thuật sông Vấn đề đặc biệt được quan tâm ở đây liên quan tới ảnh hưởng của dòng chảy mật độ và sự biến động của độ muối lên các
đặc trưng của bùn trong cảng Trong giáo trình này sẽ có các tiếp cận khác nhau về dòng chảy mật độ căn cứ vào các yêu cầu thực tiễn; cơ sở lý thuyết của vấn đề này
được trình bày kỹ trong các sách và giáo trình chuyên đề Các đặc trưng của bùn trong cảng và sông có thể trở nên hết sức quan trọng vì chúng gắn kết với yêu cầu nạo vét trong cảng và có lúc còn mang tính quyết định đối với địa mạo bờ trên một khoảng cách khá xa cảng Những vấn đề thiết kế cảng thường gắn kết chặt chẽ với các vấn đề địa mạo bờ, và cũng rất khó tách rời các vấn đề này Trong số các vấn đề
địa mạo có ý nghiã quan trọng đối với cảng đó là các lạch tàu vào cảng và ảnh hưởng của các công trình phá sóng lên các quá trình bờ
2.5 Địa mạo bờ
Địa mạo bờ là một khoa học nghiên cứu tương tác giữa sóng, dòng chảy và bờ Phần lớn bờ biển được hình thành từ các vật liệu cát vì vậy chúng chịu sự biến động
do sóng và dòng chảy Các bờ đá thường biến đổi rất chậm đối với các quá trình sóng và dòng chảy vì vậy chúng liên quan với các nhà địa chất nhiều hơn là đối với các kỹ sư kỹ thuật bờ Vì sao các vùng bờ nhiều bùn lại chịu biến động ít hơn khi có sóng và dòng chảy tác động? Chúng ta sẽ trả lời câu hỏi này trong chương 27
Điều may mắn ở chổ phần lớn vật liệu bờ đều là cát Vì cát có thể dễ dàng nạo vét và sự biến đổi của các bờ cát cũng có thể dự báo một cách tương đối chính xác bằng các mô hình toán học Những mô hình này sé được trình bày tóm tắt trong tập này, những thông tin chi tiết hơn có thể tìm thấy trong tập II
Cũng dễ hiểu rằng trước hết cần hiểu rõ chuyển động của nước (tác động của sóng và các loại dòng chảy) dọc bờ trước khi dự báo biến đổi địa mạo Từ đó yêu cầu hiểu biết nhiều nguyên lý thuỷ động lực học; một số nguyên lý này sẽ được ôn lại trong các chương tiếp sau đây
Tác động của sóng và dòng chảy lên bãi biển cho đến nay vẫn còn nhiều điểm chưa rõ Vận chuyển cát theo hướng dọc bờ và vuông góc bờ là những chủ đề quan trọng trong nghiên cứu kỹ thuật bờ Các kết quả nghiên cứu theo hướng này sẽ
được tiếp tục sử dụng để kiểm chứng các mô hình toán học dự báo biến đổi đường
bờ
Vì không phải tất cả sự biến đổi của bờ đều theo ý muốn vì vậy công tác bảo vệ
bờ cũng hết sức cần thiết Công tác bảo vệ cho phép làm chậm các quá trình tự nhiên hoặc trong một số trường hợp làm vô hiệu hoá các tác động không mong muốn Ví dụ, các mỏ hàn xây dựng vuông góc hoặc song song với bờ làm cho quá
Trang 12trình xói lở bị hạn chế Có một sự lựa chọn khác bằng cách chuyển nhân tạo cát từ vùng bồi tụ đến vùng bị xói Các vấn đề bảo vệ bờ biển sẽ được đề cập muộn hơn trong tập này
Không chỉ có các công trình phá sóng và các lạch vào cảng mới làm cho địa mạo
bị biến đổi; các sông tự nhiên và các cửa sông cũng cũng có thể làm điều đó Điều này sẽ được bàn chi tiết trong phần cuối của tập này
2.6 Kỹ thuật biển khơi
Cho đến thời gian gần đây, các cảng và địa mạo bờ là các chủ đề chính của kỹ thuật bờ truyền thống Hiện nay ý muốn của con người làm việc trên biển đã ngày càng tăng lên Một lĩnh vực biển khơi cũng đã phát triển nhanh và các nhà kỹ thuật bờ làm việc dọc theo các bờ nước nông đã được yêu cầu giải quyết các vấn đề mới mẻ cho vùng biển sâu Từ đó một lĩnh vực tiếp theo của hải dương học đã được
đưa vào do những yêu cầu hiểu biết các quá trình trong vùng biển sâu Một trong những thúc đẩy đầu tiên phát triển kỹ thuật biển khơi xuất phát từ các công ty dầu khí
Thuật ngữ kỹ thuật biển khơi ở đây có thể hiểu như kỹ thuật liên quan tơi các công việc không có liên kết trực tiếp với đất liền Một số người còn gọi là kỹ thuật
đại dương, tuy nhiên đây là một lĩnh vực mới nên khó có thể bàn đến một thuật ngữ thống nhất Sự thống nhất thuật ngữ có thể bắt đầu từ các kết quả, ví dụ, một số ký sư hàng hải thiết kế các công trình ngoài khơi, trong khi một số khác lại thiết kế các trạm phát điện cho tàu
Ta đều biết các con tàu chuyển động không có liên kết trực tiếp với đất liền nhưng chúng không thuộc lĩnh vực kỹ thuật biển khơi mà thuộc lĩnh vực các kỹ sư
đóng tàu Mặt khác các tác động của tàu lên các công trình lại rất quan trọng đối với chúng ta
Những người làm việc trong lĩnh vực kỹ thuật biển khơi cần phải có những kiến thức về một số lĩnh vực riêng Những nhà thiết kế tàu, các kỹ sư cơ khí có thể có
đóng góp đáng kể cùng các các kỹ sư xây dựng trong lĩnh vực kỹ thuật biển khợi Hiện tại ở Delft, những chuyên ngành này đang có sự hợp tác chặt chẽ trong chương trình liên ngành kỹ thuật biển khơi
