Kỹ thuật biển ( dịch bởi Đinh Văn Ưu ) - Tập 1 Nhập môn về công trình bờ - Phần 5 docx

82 15 Các lạch tàu W.W. Massie 15.1 Mở đầu Chúng ta có thể đa ra kết luận từ chơng trớc rằng tất cả các công việc nạo vét nhằm mục đích tạo điều kiện thuận lợi cho các tàu to có thể đi lại trong các cảng và cửa sông. Một phần lớn các công việc nạo vét hiện nay liên quan ít nhiều tới vùng biển hở nhằm tạo ra các lối vào an toàn cho các tàu lớn. Ví dụ lạch tàu cảng Rotterdam đi xa về phía biển tới hơn 35 km, và đây cha phải là ví dụ tới hạn. Vậy hậu quả gì có thể gây nên trên biển đối với các lạch nêu trên? Sau đây là phần trả lời câu hỏi đó. 15.2 Các vấn đề liên quan Khi các lạch sông đợc nạo vét sâu nhằm cho phép các tàu lớn đi lại, chúng ta cần chú ý tới dòng chảy và vận chuyển trầm tích chủ yếu dọc theo các lạch đó. Mỗi khi có hiện tợng trầm tích thì thông thờng khi đạt tới lạch tàu chúng sẽ bị dòng chảy đa đến phần cuối của lạch. Các con tàu có thể gặp thuận lợi hay khó khăn khi đi trong điều kiện dòng chảy mạnh theo hớng thuận hay ngợc dòng. Vậy trạng thái trên có bị thay đổi khi ra tới biển không? Câu trả lời là có. Thông thờng dòng chảy và vận chuyển trầm tích đều tạo một góc với hớng trục lạch tàu. Dòng trầm tích theo hớng vuông góc với lạch tàu thờng rất cao khi lạch tàu đi qua vùng nông nhất của dải ven bờ. Nguyên nhân chủ yếu do dòng trầm tích do sóng đổ dọc các bờ biển kề cận. Các sóng đổ này cũng hình thành nên dòng cắt ngang kênh tại khu vực gần cửa, điều này rất nguy hiểm đặc biệt khi tàu chuyển động chậm. Đay là một lý do xây dựng các đê phá sóng từ bờ ra tại các cảng hay cửa sông với mục đích cắt ngang hoặc tối thiểu cũng giảm đợc hay làm phân tán dòng chảy và vận chuyển trầm tích dọc bờ. Về các công trình phá sóng sẽ đợc đề cập riêng trong chơng 18 của giáo trình này. Nguyên nhân và tác động của dòng dọc bờ và vận chuyển trầm tích sẽ đợc giới thiệu tổng quát trong chơng 26 và đợc trình bày chi tiết trong tập II. Xa hơn về phía biển, ngoài khu vực sóng đổ, các vấn đề liên quan trở nên đơn giản hơn. Tại đây chỉ còn có dòng chảy và vận chuyển trầm tích do triều nhng chúng không tạo nên vấn đề gì đặc biệt nh đối với khu vực ven bờ đã đợc trình bày trên đây. Tuy nhiên lại có thể xuất hiện những vấn đề nghiêm trọng ở ngoài khơi. Do vị trí và hệ thống điều khiển trở nên kém chính xác hơn; bề rộng của lạch cần đủ rộng để tàu không bị vấp vào cạn. Sóng ở đây cũng trở nên dữ dội hơn. Nh vậy 83 vấn đề đảm bảo lạch tàu an toàn cũng trở nên khó khăn hơn và việc nạo vét lạch tàu cũng gặp phải những khó khăn tơng tự. 15.3 Vấn đề tối u hoá Nh vậy trong khi lựa chọn các thiết kế cần quan tâm tới các lạch dẫn tàu. Giải pháp lựa chọn ở đây là các kích thớc rộng và độ sâu khác nhau. Và để có lời giải tốt chúng ta cần sử dụng phơng pháp tối u hoá. Quy trình tối u hoá sẽ đợc đề cập tới trong tập II. Vấn đề xây dựng và nạo vét đợc trình bày trong các chơng tiếp theo. 84 16 Các thiết bị nạo vét L.E. van Loo 16.1 Mở đầu Vấn đề nạo vét luôn đợc xem là cần thiết đối với các cảng sông và biển hiện đại. Vởy loại thiết bị nào đợc xem là tốt nhất? Sau khi giải thích nguyên lý chung của các thiết bị nạo vét chúng ta sẽ liệt kê và mô tả các loại thiết bị nạo vét hiện hành. Tuy nhiên những trình bày dới đây cha thể xem là đầy đủ đợc, vì vậy cần tham khảo thêm các giáo trình chuyên đề. 16.2 Các nguyên lý cơ bản Phần lớn các máy nạo vét đều dựa trên nguyên lý máy hút thuỷ lực. Những máy này đợc trang bị hệ thống bơm ly tâm cho phép hút hỗn hợp nớc và bùn cát. Bùn cát chuyển động tơng tự nh các chất lơ lửng trong dòng nớc. Tỷ lệ giữa bùn cát và nớc trong hỗn hợp đó là hết sức quan trọng tạo nên hiệu quả của công việc. Tỷ lệ này phụ thuộc vào bản thân máy cũng nh vật liệu đáy. Lợng hỗn hợp biến đổi từ 1 đến 2 đối với bùn và từ 3 đến 5 đối vơi cát trung bình (d 250 m). Đối với sỏi và đá thì tỷ lệ này thờng cao hơn vào khoảng từ 10 đến 12. Do các loại bơm và công suất của chúng đợc cố dịnh nên lợng hỗn hợp hút đợc hay sản lợng hút phụ thuộc mạnh vào các tỷ lệ nêu trên. Đầu ra của các ống dẫn thờng tăng lên khi kích thớc hạt tăng. Còn độ dài cực đại của ống dẫn lại giảm khi kích thớc hạt tăng bởi vì áp suất của đầu bơm gần nh không đổi. Một số công thức thực nghiệm cho phép tính toán kích thớc ống dẫn với độ chính xác cha thật cao đã đợc xây dựng, có thể xem thí dụ trong Furboter (1961). Về lý thuyết, có thể giảm tổn thất cột nớc bằng cách giảm vận tốc. Tuy nhiên điều này có những giới hạn nhất định, bởi vì vận tốc chỉ có thể giảm đến mức khi các vật liệu trong hỗn hợp vẫn giữ đợc trong trạng thái lơ lửng. Vận tốc tới hạn này sẽ tăng lên khi kích thớc và tỷ trọng hạt tăng cùng với đờng kính ống dẫn. 16.3 Máy hút phẳng Đây là một trong những loại máy hút phổ biến ở Hà lan. Trên hình 16.1 cho ta sơ đồ của chúng cho phép đổ qua các ống dẫn nổi. Trên hình 16.2 cho thấy một dạng khác đợc thiết kế kèm theo các ca- nô cặp mạn. 85 Hình 16.1. Máy hút dạng phẳng Những máy hút loại này thờng phát huy hiệu quả đối với các vật liệu cát. Nếu nh phần đầu của ống hút có lắp đặt vòi phun nớc mạnh thì có thể đạt tới các lớp cát sâu. 86 87 Các máy hút này đợc giữ bởi 6 neo và chuyển động từ từ theo neo trớc. Loại máy hút này làm việc tốt trong điều kiện địa hình đáy ghồ ghề vì vậy có thể sử dụng cho các yêu cầu san lấp. Giá cả vận chuyển một đơn vị bùn cát bằng loại máy hày thờng không cao. Năng suất của các máy hút này phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có kích thớc hạt, độ xốp cũng nh hình dáng hố đào. Nhằm mục đích tăng độ sâu hút ngời ta cố gắng đặt bơm sâu dới nớc. Thông thờng bơm đợc đặt trên ống hút khác với vị trí đợc thể hiện trên hình vẽ. Trong một số trờng hợp ngời ta sử dụng đồng thời 2 bơm: 1 trên tàu và 1 trên ống hút. Mối tơng quan giữa các yếu tố ảnh hởng lên mức độ hoàn thiện của tàu hút đợc mô tả thông qua phơng trình máy hút. Phơng trình này đợc rút ra từ việc xem xét sự biến đổi áp suất dọc bên trong ống hút từ đầu vào đến bơm. Có thể thấy điều đó trên hình 16.3. m s psws g V fZZZp 2 * 2 (16.01) trong đó: f hệ số tổn thất thuỷ lực từ đầu vào ống hút đến bơm, g gia tốc trọng trờng, V S vận tốc dòng trong ống hút, p* áp suất chân không tại đầu vào của bơm thể hiện qua độ cao cột nớc, Z 1p độ sâu đặt bơm, Z S độ sâu đầu vào ống hút, 1m trọng lợng riêng của hỗn hợp, và w trọng lợng riêng của nớc. Giá trị phổ biến của f nằm giữa 2,5 và 3,5. Nếu nh nồng độ của hỗn hợp đợc thể hiện trong thứ nguyên thể tích, c v , thì ta có: m = c V g + (1 c V ) W (16.02) trong đó g là trọng lợng riêng của cát khô. Tách c V ta thu đợc: Wg Wm V c (16.03) 88 Hình 16.3. Cơ sở xác lập phơng trình máy hút Kết hợp hai phơng trình 16.01 và 16.03 ta có: g V fZZ g V fZp c S pS S p Wg W V 2 2 * 2 2 (16.04) Công suất của tàu hút sẽ tăng nếu nh áp suất chân không, p*, và độ sâu đặt bơm, Z p , tăng lên. Việc tăng độ sâu đầu hút, Z S , và hệ số trở kháng, f, sẽ làm cho công suất giảm. Với các bơm đặt ngầm dới nớc, các tàu hút loại này có thể làm việc với độ sâu rất lớn (có thể đạt tới 70 mét nếu cần). Với một số thay đổi không cơ bản loại tàu hút chuẩn ta có đợc một loại canô hút đợc thể hiện trên hình 16.4. Nguyên lý hoạt động của chúng hoàn toàn không có gì thay đổi so với loại tàu hút nêu trên, chúng cũng đợc sử dụng rộng rãi ở Hà Lan. 16.4 Máy hút cắt Máy hút cắt là một trong những loại máy hút đa năng sơ đồ của nó đợc thể hiện trên hình 16.5. Nó có khả năng làm việc với các vật liệu từ bùn đến đá mềm. 89 §Êt ®¸ tríc ®Çu vµo m¸y hót ®îc cµy lªn. M¸y hót chuyÓn ®éng nhê c¸c têi neo. M¸y chuyÓn ®éng nhê mét têi vµ hót nhê mét têi kh¸c. 90 H×nh 16.5 S¬ ®å m¸y hót c¾t 91 Các phơng trình từ 16.01 đến 16.04 cũng áp dụng tốt cho các loại máy hút cắt. Tuy nhiên cần bổ sung và thay đổi một yếu tố nhất định. Trong số đó có khả năng cày, cắt và cờng lực cũng nh tốc độ chuyển động của các tời. Do máy hút chỉ lấy vật liệu từ một phạm vi hạn chế, điều này cho phép kiểm tra một cách chính xác. Có thể đạt đợc độ chính xác về độ sâu trong khoảng 0,25 m và độ dốc của bờ lạch có thể kiểm tra. Những dao cắt nhỏ thờng đợc sử dụng cho đáy cát và sét mềm với độ liên kết nhỏ hơn 3 x10 4 N/m 2 . Các dao cắt lớn với công suất cao đợc sử dụng đối với sét cứng hoặc đá mềm. Các loại đá với độ bền nén khoảng 5 x10 7 N/m 2 đều có thể nạo vét bằng các máy hút cắt. Các đá rắn hơn chỉ có thể nạo vét khi sử dụng chất nổ. Độ sâu cực đại sử dụng các máy hút bùn cắt giới hạn khoảng 25 mét. Giới hạn này chủ yếu phụ thuộc vào giới hạn của tời và cáp. Khả năng của các máy hút cắt cỡ lớn đợc trình bày trong bảng 16.1. Để kết thúc bảng công suất các máy hút có thể đa ra các chỉ số hoạt động của bơm sâu nh sau: độ sâu nạo vét : 20 m đờng kính ống dẫn: 0,8 m công suất: 5600 kW (7500 mã lực) Bảng 16.1. Sản lợng đặc trng của các máy hút Vật liệu (xem trong bài) Sản lợng (m 3 /h in situ) Khoảng cách đổ tối đa (km) cát sét mềm sét cứng đá mềm 1500 1750 750 400 từ 3 đến 6 6 3 1,5 16.5 Máy hút thùng Loại máy hút này đợc thể hiện trên hình 16.6, đó là một con tàu với các ống hút rắn. Các tàu này sẽ hút khi chuyển động chậm về phía trớc khoảng một vài hải lý trong một giờ. Với khả năng đó các máy hút này đợc sử dụng cho các lạch tàu có mật độ tàu thuyền đi lại cao. Không giống nh các máy hút cố định, loại máy hút này chỉ hoạt động tốt khi nớc lớn. Vì thế loại phơng tiện này đợc sử dụng cho các lạch dẫn và trên biển. Máy chỉ hút chủ yếu vật liệu bùn và cát. Thông thờng cần từ 1 đến 3 giờ để có thể hút đầy thùng tàu đối với cát. Tuy nhiên cũng còn phụ thuộc vào độ sâu, kích thớc hạt và độ xốp của lớp cát. Chỉ cần từ nửa giờ đến 1 giờ để hút đầy thùng tàu đối với bùn. Sau khi hút đầy thùng, tàu sẽ đi về khu vực đổ với vận tốc vào khoảng 11 hải lý trong 1 giờ (khoảng 22 km/h). Năng suất của loại máy hút này phụ thuộc vào [...]... sau đây: thể tích gầu : 0, 75 m3 độ sâu nạo vét: 15 m công suất: 3 75 kW (5 00 mã lực) 92 Hình 16 .6 Máy hút thùng 93 Hình 16 .7 Máy hút gầu Bảng 16 .2 Sản lượng đặc trưng cho loại máy hút gầu Vật liệu Sản lượng m3/h in situ bùn 10 00 sét 50 0 cát 350 đá vụn 75 đá mềm 50 94 Hình 16 .8 Máy hút biển Hình 16 .9 Máy hút dàn khung 16 .7 Các hướng phát triển mới Trên đây chỉ giới thiệu các phương tiện hút bùn thông... các tuyển tập Hội thảo quốc tế về nạo vét (WODCON) 96 17 Vấn đề thu đổ bùn cát J de Nekker 17 .1 Mở đầu Trong chương vừa qua đã giới thiệu các vật liệu thu được trong quá trình nạo vét Mỗi khi các vật liệu thu được phục vụ cho mục đích khai khẩn hoặc khai thác vật liệu sỏi cát thì thường không có vấn đề ghì đối với việc đổ bùn cát Cressard (1 97 5) đã mô tả một số hậu quả môi trường gián tiếp của công việc... vét và cũng có thể làm giảm yêu cầu nạo vét Tất nhiên các công trình bảo vệ này đôi khi cũng có thể sử dụng như một cầu cảng Các chi tiết của công trình bảo vệ sẽ là chủ đề của một tập sách riêng Trong phần này chúng ta chỉ giới hạn xem xét các vấn đề liên quan tới địa mạo 18 .2 Vai trò địa mạo của các công trình bảo vệ Làm thế nào để các công trình bảo vệ hỗ trợ giải quyết các vấn đề nạo vét lạch tàu?... khoảng 1 mét, đối với các máy khác kích thước cực đại chỉ vào khoảng 0,4 mét Độ sâu hoạt động cực đại của loại máy hút này khoảng 40 m Các gầu múc có dung tích khoảng 1 m3 và tốc độ dây chuyền gầu vào khoảng 30 gầu trong một phút Sản lượng đặc trưng cho phương tiện hút này được đưa ra trong bảng 16 .2 với các điều kiện tương ứng sau đây: thể tích gầu : 0, 75 m3 độ sâu nạo vét: 15 m công suất: 3 75 kW (5 00... nhất đên năm 19 75 khoảng 10 000 m3 Những máy hút loại này có thể làm việc với độ chính xác theo độ sâu vào khoảng 0 ,5 m với độ sâu cực đại là 35 m 16 .6 Máy hút gầu Không giống như các máy hút đã trình bày trên đây, đây là một phương tiện cơ khí hoàn toàn Công việc đào và vận chuyển bùn cát đều do hệ thống dây chuyền các gầu nối nhau liên tục Có thể thấy mô tả loại máy hút này trên hình 16 .7 Từ đỉnh... sẽ đi đâu? Một phần trong đó sẽ lắng đọng tại vùng biển sâu 99 ngoài khơi, một số có thể được mang lên phía sông Thực tế cho thấy rằng sông sẽ được kéo dài khi ta xây công trình bảo vệ, độ dốc sông sẽ giảm nhẹ và vấn đề bồi tụ sẽ hướng về phía thượng lưu Mặt khác các vật liệu này cũng có thể được nạo vét trong điều kiện tốt: không có sóng và số tàu đi lại ít Một ví dụ về xây dựng công trình bảo vệ cửa... đổ, các công trình bảo vệ có thể làm gián đoạn dòng bùn cát vận chuyển dọc bờ mà trước đó có thể gây lắng đọng tại các lạch tàu Bằng cách ngăn chặn dòng vật liệu do sóng, lượng bùn cát cần nạo vét được giảm đi đáng kể Thông thường chúng ta cần xem xét kỹ việc ngăn chặn các dòng trầm tích đó Dòng vận chuyển dọc bờ trước khi xây dựng kênh bây giờ bị công trình bảo vệ chắn lại, hiện tượng xói lở bờ có thể... mục đích sử dụng như nông nghiệp hay khai khẩn 98 18 Các công trình bảo vệ J.J van Dijk 18 .1 Mở đầu Như chúng ta đã thấy trong 3 chương vừa rồi khi các tàu trở nên lớn hơn thì vấn đề nạo vét cảng cũng trở nên lớn hơn Thông thường việc nạo vét có thể phải mở rộng ra các vùng biển khơi Do tác động của sóng tại các khu vực biển hở có thể làm phức tạp quá trình nạo vét nên có thể kinh tế hơn nếu triển khai... Hình 18 .1 Cửa vào sông Columbia bờ tây Hoa Kỳ Tuy nhiên các công trình bảo vệ sẽ làm biến dạng các cảng Sự thay đổi này cũng sẽ làm biến đổi chu kỳ cộng hưởng tự nhiên của sóng đứng trong cảng Nếu như chu kỳ cộng hưởng mới của cảng tương ứng chu kỳ sóng triều hay sóng lừng thì sẽ xuất hiện một số vấn đề phức tạp mới cho cảng Về hiện tượng cộng hưởng, hay seiche, sẽ được đề cập tới trong chương sau 10 0... về xây dựng công trình bảo vệ cửa vào cảng được thể hiện trên hình 18 .1 Kênh nạo vét được thể hiện bằng các đường chấm chấm Đây là trường hợp sông Columbia đổ ra Thái Bình Dương trên bờ tây Hoa Kỳ 18 .3 Những vấn đề khác Một vấn đề đáng chú ý khác đó là: Thế nào là độ sâu tối ưu đối với lạch dẫn? Đó là một chủ đề sẽ được đề cập trong tập II Bằng cách làm giảm tác động sóng trong lạch, dao động của tàu . ống dẫn: 0,8 m công suất: 56 00 kW (7 50 0 mã lực) Bảng 16 .1. Sản lợng đặc trng của các máy hút Vật liệu (xem trong bài) Sản lợng (m 3 /h in situ) Khoảng cách đổ tối đa (km) cát sét mềm. m = c V g + (1 c V ) W (1 6.0 2) trong đó g là trọng lợng riêng của cát khô. Tách c V ta thu đợc: Wg Wm V c (1 6.0 3) 88 Hình 16 .3. Cơ sở xác lập phơng trình máy hút. bảng 16 .2 với các điều kiện tơng ứng sau đây: thể tích gầu : 0, 75 m 3 độ sâu nạo vét: 15 m công suất: 3 75 kW (5 00 mã lực) 93 H×nh 16 .6. M¸y hót thïng 94 Hình 16 .7.