Kỹ thuật biển ( dịch bởi Đinh Văn Ưu ) - Tập 1 Nhập môn về công trình bờ - Phần 7 pptx

121 21 Đo đạc triều trên sông E.W. Bijker 21.1 Mở đầu Một trong những yêu cầu quan trọng nhất về số liệu điều tra, khảo sát các sông có triều là mực nớc. Việc quan trắc triều, độ sâu lạch và địa hình đáy đều liên quan tới vấn đề này. Những số liệu này có thể thu đợc dễ dàng từ các trạm tự ghi mực nớc, qua đó có thể xác định đợc mực nớc biển trung bình. Về nguyên tắc những số liệu tơng tự có thể tiến hành đối với các vùng trong đất liền dọc theo các cửa sông thông qua các kỹ thuật khác nhau, tuy nhiên công việc này thờng gặp rất nhiều khó khăn đặc biệt đối với các vùng biển nhiệt đới, tại đó hầu nh không có đợc các chuỗi quan trắc đảm bảo. Một cách khác để xác định các số liệu mực nớc tại những khu vực nêu trên sẽ đợc diễn giải trong phần tiếp theo. Cách này chủ yếu căn cứ vào chính đặc điểm của sông. Một trong những giả thiết quan trọng đợc sử dụng trong toàn chơng này là việc cho rằng dòng nớc ngọt từ sông đổ ra là không đáng kể. 21.2 Cách đặt vấn đề cụ thể Vấn đề đơn giản nếu chúng ta cần xác định mực biển trung bình tại cửa sông theo số liệu trạm đo mực nớc. Chúng ta cũng dễ dàng tiến hành đo mực nớc tại một điểm bất kỳ về phía thợng lu ( điểm A trên hình 21.1). Vấn đề đặt ra bây giờ là xác định số liệu mực nớc trên cho điểm thứ hai nằm trên điểm B. Cho rằng quy mô thời gian đo tại hai điểm nêu trên là đồng bộ. Bài toán bây giờ có thể dẫn đến việc xác định thời điểm mà tại đó mực nớc trên hai trạm A-B nh nhau không tạo nên độ nghiêng mặt nớc. Nh vậy giá trị tuyệt đối của mực nớc tại hai trạm hoàn toàn nh nhau. Vận tốc triều trên điểm C nằm giữa A và B cũng cần đợc xác định. Tất cả các loại số liệu nêu trên đợc dẫn ra trong bảng 21.1 và hình 21.1 đối với cửa sông nêu trên. 122 Hình 21.1 Sơ đồ sông 21.3 Ví dụ về phơng pháp giải đơn giản Chuyển động triều trên sông có thể mô tả bằng phơng trình sau: hC VgV x z q t V x V V 2 (21.01) trong đó: C là hệ số ma sát Chezy g là gia tốc trọng trờng h là độ sâu t thời gian V là vận tốc dòng x toạ độ dọc sông z mực nớc tuyệt đối. Phơng trình này hoàn toàn nh phơng trình 20.02 ở chơng trớc. Nếu nh các số hạng quán tính trong vế trái phơng trình 21.01 có thể bỏ qua, thì độ dốc mặt biển sẽ đạt đợc tại thời kỳ nớc đứng. Rất tiếc vì điều này quá đơn giản. Do vai trò quán tính khá quan trọng nên nớc tiếp tục chảy cho tới khi độ dốc theo hớng ngợc lại đợc hình thành. Điều đó có nghĩa rằng độ dốc sẽ bằng zero tại thời điểm trớc khi nớc đứng một khoảng t. Trong phần này ta cho rằng ảnh hởng của quán tính khi khi triều cao cũng tơng tự nh khi triều thấp và do đó: t f = t e (21.02) Nói cách khác tại thời điểm trớc khi nớc đúng lên t f và trớc khi nớc đứng rút t e , giá trị mực nớc tuyệt đối trên hai đờng cong triều là nh nhau. Giả thiết 21.02 sẽ đảm bảo nếu nh không có dòng nớc ngọt từ sông đổ ra. Trong trờng hợp lu lợng nớc sông lớn, sai số của phép xấp xỉ này sẽ trở nên đáng kể. Trong trờng hợp đó, phơng pháp chúng tôi trình bày trong phần sau 123 sẽ đa ra kết quả tốt hơn. Tuy nhiên những trờng hợp lu lợng lớn cũng làm biến đổi đáng kể các kết quả tính toán. Vấn đề đợc giải bằng toán đồ bằng cách dịch chuyển đờng cong triều tại điểm B theo hớng thẳng đứng qua đờng cong A. Khi vị trí đợc trùng với giá trị t, mực nớc tại A và B nh nhau tơng ứng với tỷ lệ trục thẳng đối với A cũng nh đối với B. Hai đờng cong triều trong vị trí mô tả trên đây đợc thể hiện trên hình 21.3. Trên hình này đờng cong triều A đợc thể hiện bằng đờng đậm liền. đờng cong của điểm đợc thể hiện bằng đờng ngắt và thời điểm nớc đứng cũng nh trên hình 21.2. Giá trị thu đợc của t không có ý nghĩa đặc biệt nào. Chúng ta thực sự quan tâm đến giá trị zero đợc sử dụng trong chuỗi mực nớc tại B vì nó tơng đơng với 0,53 m so với mực nớc trung bình. Nh vậy chuỗi mực nớc tại B có thể so sánh với mực nớc trung bình bằng cách lấy giá trị trong bảng 21.1 trừ đi 0,53 mét. Bảng 21.1 Số liệu mực nớc và dòng chảy Thời gian (h) Mực triều tại A (m) Mực triều tơng đối tại B (m) Dòng chảy tại C (m/s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 +0,15 -0,35 -0,75 -1,00 -1,00 -0,75 -0,20 +0,30 +0,72 +0,95 +0,98 +0,80 +0,37 -0,18 -0,68 +0,99 +0,69 +0,22 -0,06 -0,21 -0,13 +0,15 +0,49 +0,91 +1,14 +1,32 +1,31 +1,11 +0,77 +0,39 -0,10 -0,35 -0,52 -0,60 -0,57 -0,45 -0,24 +0,10 +0,38 +0,50 +0,50 +0,37 +0,07 -0,25 -0,44 124 Hình 21.2. Mực nớc nớc triều tại A (trên), B (giữa) và dòng chảy tại C (dới) Hình 21.3. Hiệu chỉnh các đờng cong triều 21.4 Lời giải chính xác hơn Giả thiết cơ bản đợc sử dụng trong phần trớc đó là các khoảng thời gian t f và t e nh nhau (phơng trình 21.02). Giả thiết này thờng không đợc đảm bảo, 125 đặc biệt trong trờng hợp khi đờng cong vận tốc tại điểm C trên hình 21.1 không đối xứng. Cơ sở lý thuyết vẫn dựa vào phơng trình 21.01 mà chúng tôi một lần nữa nhắc lại đây để tiện trình bày: hC VgV x z q t V x V V 2 (21.01) Đối với các bài toán triều: t V x V V (21.03) Điều này càng chính xác khi vận tốc trở nên bé gần điểm nớc đứng. Mặt khác tại thời điểm quan tâm: 0 x z (21.04) Nh vậy, khi thay 21.04 và bỏ qua các thành phần nhỏ không đáng kể trong phơng trình 21.01, sẽ có: h C VgV t V 2 (21.05) có thể đợc thay bằng đạo hàm toàn phần trong 21.05: h C VgV dt dV 2 (21.06) Các biến có thể tách: hC gdt VV dV 2 (21.07) Tích phân biểu thức này cho ta: g hC tV 2 (21.08) Phơng trình 21.08 cho ta mối tơng quan giữa V và t gần thời điểm nớc đứng, khi 0 x z . Một cách tơng tự nh trên ta có thể cho ta tơng quan đối với t V . Do độ sâu nớc, h, tại cả hai điểm A và B có thể đo đợc vào thời điểm nớc đứng cục bộ, chúng ta chỉ cần đánh giá hệ số ma sát Chezy để sử dụng phơng trình 21.08. Sau khi thu đợc các giá trị cần thiết có thể xây dựng toán đồ đối với g hC consttV 2 cho điểm đứng triều cao tại B và điểm đứng triều thấp tại A. Các đờng cong này có thể kết hợp với đờng đo vận tốc tại C với điểm gốc toạ độ trùng nhau. Đờng V-t từ phơng trình 21.08 chuyển dịch dọc trục thời gian nhằm tìm ra các điểm trên đó nó là tiếp tuyến của các đờng cong mực nớc. Thời 126 điểm trên trục thời gian liên quan tới các điểm cắt đó chính là thời điểm tơng ứng 0 x z và nh vậy các đờng cong triều A và B sẽ cắt nhau. Các thủ tục tiến hành vừa trình bày sẽ đợc chi tiết hoá trong ví dụ giả định sau. 21.5 Ví dụ Ví dụ này áp dụng cho cùng đối tợng sông nh đã trình bày trên hình 21.1. Lần này số liệu đợc dẫn ra trong bảng 21.2 và hình 21.4. Hệ số Chezy đợc chọn bằng 60 m 1/2 /s. Bảng 21.2. Số liệu triều và dòng chảy Thời gian (h) Mực nớc tại A (m) Mực nớc tơng đối tại B (m) Dòng chảy tại C (m/s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 +0,45 0.00 -0.33 -0,67 -0,90 -0,98 -0,79 -0,30 +0,40 +0,83 +1,00 +0,87 +0,60 +0,25 -0,15 0,75 +0,33 -0,04 -0,35 -0,55 -0,62 -0,47 -0,15 +0,35 +0,75 +0,98 +1,05 +0,87 +0,55 +0,15 +0,21 +0,07 -0,08 -0,21 -0,37 -0,50 -0,60 -0,62 -0,20 +0,40 +0,50 +0,42 +0,32 +0,14 -0,05 Độ sâu, h, tại điểm B trong khi nớc đứng cao là 8 mét và tại B khi nớc đứng thấp là 7 mét. Nh vậy, đối với điểm A: 2568 81,9 )7()60( 22 g hC m (21.09) và điểm B: 2935 81,9 )8()60( 22 g hC (21.10) 127 Các đờng cong hình 21.08 sử dụng các hằng số xác định từ hai phơng trình trên đợc dẫn ra trên hình 21.05. Hình 21.4 Số liệu triều và dòng chảy Mỗi đờng cong trên hình 21.5 đợc trích riêng từ hình 21.4. đờng V-t đợc dịch chuyển ngang dọc theo trục toạ độ của đờng vận tốc cho đến khi hai đờng này tiếp tuyến với nhau. Điểm này đợc chiếu lên đờng cong triều A. Tơng tự có thể tiến hành đối với đờng V-t thứ hai đối với đờng cong triều A. 128 Hình 21.5 Các đờng cong vận tốc Hình 21.6 Phơng án giải bằng toán đồ Nếu nh tất cả các giả thiết đa ra là chính xác, thì đờng cong triều B có thể đặt lên đờng cong triều A và từ đó xác định các điểm cắt nhau nh vừa tiến hành. Thông thờng điều này khó có thể thành hiện thực, chúng ta có thể thu đợc kết quả cuối cùng bằng cách dịch chuyển đờng cong triều B theo hớng thẳng đứng cho đến khi khoảng thời gian giữa các điểm cắt nhau theo lý thuyết và thực tế nh nhau. Hình 21.6 cho ta đờng cong vận tốc đợc đặt với các đờng V-t. Các điểm cắt nhau đợc chiếu lên các đờng cong triều. Hai khoảng thời gian bằng nhau cũng đợc đa ra. Các số liệu của đờng cong B đợc giảm đi 0,21 mét so với mực nớc trung bình. 129 21.6 Phân tích đánh giá Cũng cần nhắc lại rằng phơng pháp vừa trình bày tuy thuộc loại tốt nhất, nhng cũng chỉ đa ra các kết quả gần đúng. Những kết quả này cũng chỉ mới đảm bảo cho các khảo sát ban đầu. Khoảng cách dọc theo sông giữa các điểm A và B có thể biến đổi từ vài kilômét đến hàng trăm kilômét. Điều quan trọng là việc đo đạc dòng chảy cần tiến hành tại điểm giữa A và B. Khi độ sâu trở nên nhỏ, số hạng ma sát trong phơng trình 21.01 tăng lên đến các giá trị tơng đơng số hạng quán tính. Đối với độ sâu đủ nhỏ, số hạng quán tính có thể bỏ qua và mặt nớc có thể trở nên ngang đúng nh vào thời điểm nớc đứng. Trong trờng hợp này các đờng cong triều ngang và thẳng đứng lệch pha 1/4 chu kỳ. Các ảnh hởng của sự khác biệt mật độ trên các cửa sông sẽ đợc trình bày trong chơng tiếp theo. 130 22 Dòng chảy mật độ trong sông E.W. Bijker, L.E. van Loo, J. de Nekker 22.1 Mở đầu Trong hai chơng trớc chúng ta đã xem xét triều ảnh hởng đến sông nhng không để ý đến một thực tế rằng nớc sông nhạt và nớc biển mặn. Vai trò của chênh lệch độ muối đó lên các quá trình cửa sông sẽ đợc xem xét trong chơng này. Chơng 23 sẽ đợc xem nh một chơng bổ sung về ảnh hởng của các cảng nằm dọc sông. Cách tiếp cận sử dụng trong chơng này xuất phát hoàn toàn từ yêu cầu thực tiễn. Các phơng pháp dẫn dắt tới những phơng trình sử dụng trong chơng này có thể tìm đợc từ các tài liệu tham khảo cũng nh các sách chuyên đề về các loại dòng chảy mật độ. 22.2 Biến đổi độ mặn theo triều Nớc biển sẽ đi vào các cửa sông khi triều lên ngoại trừ trờng hợp nớc sông đổ ra quá nhiều và chiếm lĩnh toàn bộ thể tích triều trong pha triều lên. Có rất ít sông thờng xuyên đảm bảo lu lợng nớc để không cho phép nớc biển xâm nhập ít ra là trong một thời kỳ ngắn. Độ muối tại nhiều điểm trên sông biến đổi tuân theo chu kỳ triều. Cũng do nớc từ biển xâm nhập vào sông nên độ muối trong sông đạt cực đại vào kỳ nớc đứng cao. Điều này đợc minh hoạ bằng bảng 22.1 và hình 22.1 đối với Rotterdam. Số liệu dòng chảy hoàn toàn giống nh trong bảng 20.1. Cũng nh lần trớc, dòng chảy khi triều lên đợc xem là dơng. Trong ví dụ này, độ muối cực đại đạt đợc ngay sau khi nớc đứng cao. Việc giải thích hiện tợng này sẽ đợc trình bày trong phần 6 của chơng này. Từ chơng 3 chúng ta đã biết rằng độ muối nớc biển vào khoảng 35%o, nh vậy nớc biển thực không bao giờ đạt tới Rotterdam. Các quá trình xáo trộn đã khuyếch tán nớc biển vào nớc sông và hình thành nên nớc lợ. Nếu điểm quan trắc đợc tiến hành tại khu vực gần biển hơn thì có thể thu đợc độ muối cực đại cao hơn. Càng đi sâu vào trong sông thì giá trị cực đại này sẽ trở nên thấp hơn. [...]... dày 3 m ( ộ muối 5%o, nhiệt độ 2C) và lớp dưới dày 7 m ( ộ muối 36 %o, nhiệt độ 4C) Vậy con tàu có thể đạt tới vận tốc cực đại bằng bao nhiêu? Từ bảng 3.3, chương 3 ta có: t1 4,00; t 2 28 ,70 ; 1 10 04,00 kg m3 kg 2 10 28 ,70 3 m (2 2 .1 6) Với 1 =3 m, 2 = 7 m, sử dụng 22 .13 ta có: c (1 028 ,7 10 04 )( 9 , 81 )( 3 )( 7 ) 0 ,70 9 (1 004 )( 7 ) (1 028 ,7 )( 3 ) m/ s (2 2 .1 7) Chỉ có một cách để tàu có thể chạy nhanh hơn sóng...Hình 22 .1 Dòng chảy và độ muối tại Rotterdam Bảng 22 .1 Số liệu triều tại Rotterdam Thời gian Dòng chảy Độ muối sông (h) (m/s) (% o) 0 -0 ,15 2,48 1 +0,08 2, 47 2 +0,60 2,83 3 +0 ,75 3,64 4 +0,44 5,08 5 +0, 07 7,25 6 -0 ,44 8,06 7 -0 ,73 7 ,16 8 -1 ,03 6,08 9 -1 ,05 4,90 10 -0 ,85 3,64 11 -0 ,52 2,65 12 -0 ,30 2,48 13 1 Mức độ xáo trộn nước trên khu vực cửa sông có thể... của các lớp với các chỉ số 1, 2 tương ứng Trên hình 22.3 các mũi tên chỉ hướng chuyển động của nước Phương trình 22 .13 sẽ chuyển về dạng 5.05b khi 1 =0 Do 1 gần như bằng 2 trong phương trình 22 .13 , nên có thể lấy gần đúng trong dạng sau đây: c ( 2 1 ) g1 2 1h (2 2 .1 4) c g1 2 h (2 2 .1 5) trong đó: 2 1 là mật độ tương đối của các khối nước và h là độ sâu tổng cộng: 1 h = 1 + 2 Hình 22.3 Sóng nội Các... suất trên cửa âu tàu Lực tổng cộng tác động lên cửa sẽ bằng zero, vì vậy: 1 1 2 1 gh12 2 gh2 2 2 (2 2 .1 1) trong đó: g là gia tốc trọng trường, h là độ sâu, là mật độ nước, các chỉ số 1 và 2 trong 22 .11 tương ứng các khối nước khác nhau Hình 22.2 áp suất lên mặt phân cách thẳng đứng Khi 2 > 1 thì 22 .11 có dạng: h1 h2 2 1 (2 2 .1 2) Khi lực tổng cộng tác động bằng zero, hình 22.2 chỉ ta thấy momen tổng... cân bằng nhau nên ta có: Q1 = Qr + Qw (2 2.2 1) trong đó: Qw là lưu lượng đi vào, Qr là lưu lượng nước ngọt từ sông đổ ra, Q1 là lưu lượng thực đi qua mặt cắt Do cân bằng lưu lượng muối cũng phải được bảo đảm Cho nên: Q 1 S 1 = Qw S 2 (2 2.2 2) trong đó S1 và S2 là độ muối tương ứng của hai khối nước Nếu thay các giá trị khác nhau của Vr vào phương trình 22 .18 (thông qua 22.2 0) có thể nhận thấy rằng Lw... gian 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 60 58 68 90 11 6 95 61 54 77 90 93 81 66 (h) Vật liệu lơ lửng (mg/l) Thậm chí trong điều kiện không có sự kết dính trầm tích tại chỗ, vẫn có thể quan trắc thấy lớp bùn đáy Những lớp như vậy có thể thấy tại khu vực Rotterdan Europoort, mặc dù độ muối ở đây luôn lớn hơn 5 %o Về các lớp này, nguyên nhân hình thành và vận chuyển chúng sẽ được xem xét trong mục 27. 6 22.9... mặt biển Vai trò của nêm mặn sẽ được xem xét kỹ trong các phần tiếp theo Schijf và Schonfeld (1 95 3) đã rút ra một biểu thức đối với độ dài nêm mặn cho trường hợp lý tưởng đối với kênh hình chữ nhật, nước đổ vào biển không giới hạn và không có triều Trong trường hợp không có xáo trộn qua mặt phân cách, biểu thức có dạng: Lw 2h 1 6 2 3F 2 / 3 F 4 / 3 f1 5 F 2 5 (2 2 .1 8) f1 8 l V1 V 2 V1 V2 (2 2 .1 9). .. kết của các phần tử với một lượng nước đáng kể Thể tích của trầm tích (các phần tử rắn và nước) có thể lớn hơn thể tích các phần tử từ 5 đến 10 lần ( Trong thuật ngữ cơ học đất, độ xốp ở đây cao hơn 1 0) Thông thường với lượng nước lớn như vậy, mật độ trầm tích thường nhỏ, chỉ vào khoảng từ 11 00 đến 12 50 kg/m3 Vật liệu này giống như một chất lỏng nhớt với độ nhớt lớn hơn nước từ 10 0 đến 10 00 lần; có... 0 13 3 Tại x = - B và D = quá trình xáo trộn dẫn tới độ muối không đổi (Các công thức 22.04 và 22.05 đã được lược bỏ trong lần hiệu đính này) Thay 20.06 vào 20.05 và lấy tích phân ta có: ln S S cons tan t V r x B)2 2 D0 B (2 2.0 7) Hằng số tích phân được xác định theo định nghĩa B: SS x B S 0 độ muối đại dương (2 2.0 8) Theo đó công thức 22. 07 trở thành: V SS exp r x B 2 S0 2 D0 B (2 2.0 9). .. giữa D0 và B đối với Vr Điều này có thể thu được như ví dụ sau đây đối với sông Chao Phya, Thái lan Phương trình thu được đối với nước đứng thấp có dạng: S S S 0 exp (1 8 )( 1 0 6)Qr x 2 0,045Qr 1/ 2 (2 2 .1 0) Trong phương trình 22 .10 , Qr có thứ nguyên m3/s và có giá trị dương, x thứ nguyên km 22.4 Tương quan độ mặn mật độ Biến đổi của độ muối sẽ dẫn tới sự biến đổi của mật độ, điều này cũng giống . 3 22 3 11 70 ,10 28 ;70 ,28 00 ,10 04;00,4 m kg m kg t t (2 2 .1 6) Với 1 =3 m, 2 = 7 m, sử dụng 22 .13 ta có: smc /70 9,0 )3 )( 7 ,10 2 8 () 7 )( 1 00 4( )7 )( 3 )( 8 1, 9 )( 1 00 47 ,10 2 8( (2 2 .1 7) Chỉ có một cách. 10 11 12 13 14 +0 ,15 -0 ,35 -0 ,75 -1 ,00 -1 ,00 -0 ,75 -0 ,20 +0,30 +0 ,72 +0,95 +0,98 +0,80 +0, 37 -0 ,18 -0 ,68 +0,99 +0,69 +0,22 -0 ,06 -0 , 21 -0 ,13 +0 ,15 +0,49 +0, 91 +1, 14. 6 7 8 9 10 11 12 13 14 +0,45 0.00 -0 .33 -0 , 67 -0 ,90 -0 ,98 -0 ,79 -0 ,30 +0,40 +0,83 +1, 00 +0, 87 +0,60 +0,25 -0 ,15 0 ,75 +0,33 -0 ,04 -0 ,35 -0 ,55 -0 ,62 -0 , 47 -0 ,15 +0,35