Chỉnh trị cửa sông ven biển phạm văn giáp, lương phương hậu

PHẠM VĂN GIÁP - LƯƠNG PHƯƠNG HẬU CHỈNH TRỊ CỬA SÔNG VEN BIỂN NHÀ XUẤT BẨN XÂY DỰNG HÀ NỘI - 1996 X - 6X7.5 129 - 95 XD-96 LÒI GIÓI THIỆU Chỉnh trị cửa sông ven biển vấn đề đặt từ yêu cầu khai thác tiềm kinh tế biển Dủng Nhà nước ta khuyến khích Cửa sông có liên.quan chặt chẽ mục tiêu thoát lũ, quai đê lấn biển đê phát triên câng, nông nghiệp, thủy sán, du lịch phổ biến lù việc tạo luông giao thông thủy sông - biển Vì vậy, luồng tầu qua cửa sông dối tượng dược dê cập sách Đây lả giáo trình cho sinh viên đại học ngành xây dựng cảng - đường thủy, đồng thời tài liệu tham khảo cho cán khoa học kỹ thuật có nhiệm vụ nghiên ọứu vấn dê cửa sông ven biển Chương mở đầu, chương ĩ chương II PGS, PTS Lương Phương Hậu biên soạn, ba chương lại PGS, PTS Phạm Văn Giáp phụ trách Chỉnh trị cửa sông ven biền có nội dung phức tạp, khố khăn, tài liệu tham khảo, trình biên soạn vù xuất chắn nhiêu thiếu sót, mong dược giúp dỡ, góp ý quý bạn đọc, để lần sau ấn hành dược tốt NHÀ XUẤT BẤN XÂY DựNG MỤC LỤC Trang Lời nối đầu Chương inở đâu 0.1 Định nghĩa - Đối tượng nghiên cứu 0.2 Phân loại cửa sông 0.3 Phân đoạn cửa sông 14 0.4 Cửa sông Việt Nam 15 0.4.1 Các cửa sông estuary 16 0.4.2 Các cửa sông delta 19 0.4.3 Các cửa sông phẳng miền Trung 22 Chương : CÁC YẾU Tố ĐỘNG Lực CỬA SÔNG VÙNG TRIỀU 24 1.1 Dòng chảy sông 24 1.2 Sóng gió 24 1.2.1 Hình thái phân vùng sóng gió 25 1.2.2 Sự lan truyền sóng vùngnước nông 28 1.2.3 Các đặc trưng thống kê sóng 37 1.2.4 Tính toán yếu tố sóng gió 39 1.3 Thủy triều 44 1.3.1 Hiện tượng thủy triều 44 1.3.2 Thủy triều Việt Nam 48 1.3.3 Phân tích mực nước đặc trưngcủa thủy triều 48 1.4 Nước dâng^nưóc hạ gió bão 50 1.4.1 Dự báo cực trị 51 1.4.2 Dự báo trình 52 1.5 Lực Coriolis Chương hai : DÒNG CHẨY VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN 2.1 Dòng chảy vùng ven biển ngoàicửa sông 2.1.1 Dòng triều ven bờ 53 55 55 56 2.1.2 Dòng chảy gió (dòng trôi) 61 2.1.3 Dòng chảy sóng (dòng ven bờ) 62 2.1.4 Sự tương tác, tổ hợp loại dòng chảy khu vực ven bờ cửa sông 65 2.2 Dòng chảy cửa sông 67 2.2.1 Đặc tính chung thủy triều sau vào cửa sông 67 2.2.2 Chuyển động sóng triều cửa sông sau giản hóa 67 2.2.3 Quá trình dòng chảy cửa sông 68 2.2.4 Biến hình sóng triều 69 2.2.5 Lưu lượng triều 72 2.3 Sự truyền triều cửa sông V iệt Nam 72 2.3.1 Sự tiết giảm biên độ sóng triều dọc sông 73 2.3.2 Tốc độ giới hạn truyền sóng triều 74 2.3.3 Thời gian triều dâng, triều rú t 74 2.3.4 Dòng triều 76 2.4 Tính toán dòng chảy cửa sông 76 2.4.1 Phương pháp sai phân hữu hạn, lưới hình thoi giải toán không ổn định chiều 77 2.4.2 Mô số chuyển động không ổn định hai chiều phương pháp phân rã toán tử 81 2.5 Sự xáo trộn nước mặn nước - dòng dị trọng 85 2.5.1 Các loại hình xáo trộn 85 2.5.2 Lưu trình dòng ưu 87 2.5.3 Ấnh hưởng dòng dị trọng nêm mặn phân bố lưu tốc dòng chảy cửa sông 88 2.5.4 Điểm nước đứng 88 2.5.5 Ước tính khoảng cách xâm nhập mặn 89 2.5.5.1 Trường hợp xáo trộn nhẹ 2.5.5.2 Trường hợp xáo trộn vừa Chương ba : DIỄN BIẾN CỬA SÔNG 94 3.1 Sự hình thành phát triền cửa sông 94 3.2 Nguồn bùn cát cửa sông 97 3.2.1 Nguồn bùn cát từ sông 97 3.2.2 Nguồn bùn cát từ biển 98 3.3 Chuyển động bùn cát từ dòng sông 101 3.4 Chuyển động bùn cát dòng ven (từ biển) 106 3.4.1 Tốc độ xói 106 3.4.2 Di chuyển bùn cát theo phương ngang 109 3.4.3 Di chuyển bùn cát theo phương dọc 111 3.4.4 Xác định độ đục, nồng độ, lưu lượng bùn cát 114 3.5 Đánh giá chuyển động bùn cát dọc bờ 116 3.6 Xác định chiều sâu giới hạn xói đáy 118 3.7 Sự hình thành diễn biến yếu tố địa hình cửa sông 120 3.8 Sự xuất hình thành ngưỡng cạn cửa sông 124 3.9 Đặc điểm tính toán biến dạng ngưỡng cạn tác dụng sóng gió 128 3.10 Sự ổn định cửa sông 129 Chương bốn : THIẾT KẾ QUY HOẠCH LUỒNG TÀU QUA CỬA SÔNG 132 4.1 Xác định khả thông qua luồng tàu 132 4.2 Chọn tuyến luồng tàu qua cửa sông 133 4.3 Mực nước thiết kế luồng tàu qua cửa sông 134 4.4 Xác định chuẩn tắc luồng tàu 135 4.4.1 Chiều rộng luồng 135 4.4.2 Chiều sâu luồng 138 4.4.3 Mái dốc luồng 143 4.4.4 Bán kính cong luồng tàu 144 4.5 Tốc độ giới hạn chạy tàu 4.5.1 Các công thức tính Vm cho tàu chạy kênh 146 147 4.5.2 Các công thức tính Vm cho tàu chạy không gian nước phía dải vô hạn 149 4.5.3 Tính tốc độ giới hạn chạy tàu theo qui trình thiết kế 4.6 Báo hiệu hàng hải 150 153 4.6.1 Giới thiệu chung báo hiệu hàng hải 153 4.6.2 Báo hiệu dẫn luồng hàng hải 154 4.6.3 Giới thiệu cấu tạo báo hiệu dẫn luồng hàng hải 156 4.6.4 Tính toán công trình phao tiêu tín hiệu 159 4.7 Giới thiệu kênh biển lớn giới Chương năm : CÔNG TRÌNH KHƠI LUỒNG VÀ ỔN ĐỊNH LUỒNG TÀU 162 167 5.1 Phương hưứng biện pháp làm ổn định luồng tàu 167 5.2 Thiết kế nạo vét luồng đào 170 5.3 Các thiết bị phục vụ nạo vét vùng cửa sông 174 5.4 Ý nghĩa phân loại công trình làm ổn định luồng tàu cửa sông 181 5.5 Các sơ đồ bố trí công trình làm ổn định luồng tàu cửasông 182 5.6 Kết cấu đê ngăn cát, đê dẫn dòng, kè bờ, đập đinh, đập khóa 5.6.1 Kết cấu đê ngăn cát, đê dẫn dòng 191 5.6.2 Kết cấu tường giữ bãi đập đinh 194 5.6.3 Kết cấu kè bờ 194 5.6.4 Kết cấu đập khóa 197 5.6.5 Các loại kết cấu khác làm ổn định luồng tàu cửa sông 198 5.7 Tính toán ổn định công trình 201 5.8 Xác định sa bồi luồng tàu qua cửa sông cho nạo vét tu 209 5.8.1 Xác định lượng sa bồi theo lượng sóng 209 5.8.2 Xác định lượng sa bồi theo chiều cao sóng 210 5.8.3 Tính toán sa bồi theo chiều sâu hố đào 211 5.8.4 Xác định sa bồi theo thời gian 211 5.8.5 Tính sa bồi có kể đến đặc thù theo mùa 211 5.8.6 Tính lượng sa bồi theo phương pháp bán kinh nghiệm Án Độ 212 TÀI LIỆU THAM KHẤO 191 213 Chương mở đâu 0.1 ĐỊNH NGHĨA - ĐỐI TƯỘNG NGHIÊN c ứ u Cửa sông đoạn giao giáp sông vùng tập trung nước (biển, hồ, vịnh chịu ảnh hưởng tổng hợp yếu tố động lực ra, vào từ hai phía Trong môn học này, chủ yếu nghiên cứu cửa sông đổ vùng biển có thủy triều, gọi tắt cửa sông vùng triều "Chỉnh trị cửa sông ven biển" môn khoa học chuyên ngành, tìm hiểu quy luật học tác động dòng nước lòng dẫn đoạn cửa sông có ảnh hưởng triều, nghiên cứu biện pháp công trình để chỉnh trị cửa sông phục vụ cho yêu cầu khai thác tiềm kinh tế sông, biển, trọng sâu mục tiêu khơi luồng giao thông vận tải thủy Đối tượng chủ yếu môn học : - Các yếu tố động lực học kết cấu dòng chảy vùng cửa sông, sâu vào sóng gió dòng triều - Chuyển động bùn cát điều kiện tự nhiên có biện pháp công trình - Công trình nạo vét luồng tầu công trình ngăn cát, giảm sóng bảo vệ luồng tàu Cửa sông thường vùng hoạt động kinh tế tấp nập, có tầm quan trọng lớn giao thông thủy, đường thủy quốc tế, thoát lũ, nông nghiệp, thủy sản, quân sự, môi trường Hiện nay, chiến lược khai thác, phát triển tiềm kinh tế biển, phục vụ đại hóa công nghiệp hóa đất nước, nghiên cứu chỉnh trị cửa sông nhiệm vụ xúc Đảng Nhà nước trọng Tất nhiên, môn khoa học tổng hợp, tượng vật lý riêng biệt đặ phức tạp, lại tập trung vào chỗ, tác động lẫn nhau, nên phức tạp, khó khăn Các thành tựu nghiên cứu trình bày sách phần lớn nước ngoài, công tác Việt Nam giai đoạn bắt đầu 0.2 PHÂN LOẠI CỬA SÔNG Xuất phát từ góc độ, quan điểm khác ngưòi ta phân chia cửa sông thành nhiều loại để thuận tiện nghiên cứu Từ biên độ triều, có cửa sồng triều mạnh (Ah > 4m), cửa sông triều trung bình (Ah = - 4m) cửa sông triều yếu (Ah < 2m) Từ đặc điểm khối bồi lắng chia thành sông có cồn chắn cửa cửa sông có ngưõng cát ngầm, Căn vào loại hình xáo trộn nước mặn nước phân sông xáo trộn nhẹ, sông xáo trộn vừa cửa sông xáo trộn mạnh Nhưng phổ biến cách phân loại theo hình thái địa mạo : cửa sông tam giác châu ịdelta) cửa sông hình phễu (Estuary) Sau gọi delta estuary Thông qua tác động tự điều chỉnh dòng nước lòng sông khoảng cách dài, dòng sông đồng trầm tích, thích ứng nước bùn cát xác lập Khi vào đoạn cửa sông, thay đổi hình thái lòng sông, chịu ảnh hưởng yếu tố động lực biển xáo trộn nước mặn nước ngọt, phần lớn bùn cát bồi lắng tập trung làm cho cửa sông kéo dài, khối bồi tích phát triển dần thường gọi tam giác châu (châu thổ) Do khác tổ hợp điều kiện dòng chảy sông yếu tố động lực biển dẫn đến khác hình thái, cáu trúc mức độ phát triển tam giác châu, hình thành cửa sông có hình thái đa dạng, muôn hình, muôn vẻ Hình 0.1 (a) biểu thị cửa sông delta hình mỏ chim Loại cửa sông chủ yếu lạch thoát nước, tháo cát, yếu tố động lực biển cửa tương đổi mạnh, lạch mũi tiến công trung tâm sông lấn biển ; tạo thành hình mỏ chim Cửa sông Trường Giang (Trung Quốc), cửa Lạch Giang (sông Ninh Cơ), cửa Đáy (sông Đáy), cửa Định An (sông Hậu) nước ta thuộc loại (a) (b) (c) (d) Hình 01 : Các loại cửa sông a - Cưa ông dtìlta hình mỏ chim c - Cửa sông đelta hình quạt b - Cửa S c n g delta hinh chân chim đ - Cửa sông estuary Hình 0.1 (b) biểu tlụ cửa sông delta hình chân chim Loại cửa sông xuất vùng mà yếu tố động lực biển tương đối yếu, lạch sông lấn nhanh biển, vùng lạch không bồi đắp, nên cửa sông có hình chân chim Cửa sông Mississippi Mỹ ví dụ điển hình loại sông 10 Hình 0.1 (c) biểu thị cửa sông delta hình quạt Loại cửa sông có nguồn bùn cát lưu vực tương đối phong phú, yếu tố động lực biển lại tương đối yếu, châu thổ tồn nhiều lạch thay phiên suy, thịnh đổ biển theo kiểu tia phát xạ, cửa sông lấn biển cách toàn diện Cửa sông Hoàng Hà (Trung Quốc) cửa sông tam giác châu hình quạt điển hình Cửa Ba Lạt nước ta tạm xếp vào loại Hình 0.1 (d) biểu thị loại cửa sông estuary Đây loại cửa sông vùng thung lũng sông không bồi đắp hoàn chinh lần biển dâng cuối Nguyên nhân bồi đắp không hoàn chỉnh bùn cát lưu vực mà yếu tố động lực biển lớn, bãi cát ngầm phát triển đầy đủ Để thích ứng với điều kiện vào thủy triều với lưu lượng lớn, cửa sông phải mở rộng ngoài, tạo hình phễu Cửa sông Bạch Đằng cửa sông vùng vịnh Hạ Long, vịnh Gềnh Rái xếp vào loại Nhưng cách phân loại chi ý đến hình dạng mặt cửa sông mà chưa đề cập đến nguyên nhân hình thành nó, có nhiều người đề cách phân loại khác - G M Fridman J E Sanders từ số liệu 29 cửa sông giới, đề xuất cách phân loại theo hàm lượng bùn cát P c dòng chảy cửa sông sau : - Nếu Pc < 0,16 ks/m23 thuộc loại estuary - Nếu pc > 0,20 ks/m3, thuộc loại delta - Trường hợp 0.16 k‘7m3 ^ Pc ^ 0,20 ks/m3, thuộc loại độ Nhưng chi dựa vào tiêu để phân loại cửa song, xác được, yếu tố ảnh hưởng cửa sông rát phức tạp - Tiền Ninh số tác giả khác phân tích số liệu 22 cửa sông Trung Quốc va vùng khác phát vị trí bồi lắng bùn cát cửa sông có quan hệ mật thiết đến tỷ lệ dòng chảy sông biển, biểu thị qua hệ số a a đại lượng đo tỷ số lưu lượng tạo lòng dòng chảy sòng Qi lưu lượng tạo lòng dòng triều Q Quan hệ Qi Q sau : J Q" m =1 (0-1) dó n : - số ngày thống ké ; m : - số mũ công thức tải cát Gs = KQm ; Q : - lưu lượng trung bình thời kỳ triều dâng 11 Hình 5.32 : Sơ đò tính ổn định trượt cung tròn Bảng 5-5 Xác định độ X, y tâm trượt ban đầu :m t ĨĨ X y H H : 0,25 1,5 0,75 0,50 0,25 0,25 0,13 0,25 0,25 1,5 0,55 0,60 0,50 0,35 0,20 0,50 0,25 1,5 0,60 0,40 0,40 1,15 0,60 0,50 1 :2 :3 Trong tải trọng tác động lên công trình làm ổn định luồng tầu, tải trọng sóng chiếm vai trò quan trọng Vì công trình có tuyến dọc trục hợp với bờ góc vuông gần vuông ; áp lực sóng xác định tương tự áp lực sóng lên đập mỏ hàn (hoặc lên đập đinh) (hình 5-33) Giá trị lớn hình chiếu theo phương Px, ext > Px, int (KN) hình chiếu theo phương đứng Pz (KN) hợp lực tải trọng sóng đoạn đê diễn tả hình 5-33 với công thức sau : Pext(int) = K« p g _ ^>ext *7ext “ 202 pg h (l p*nt ĩ í/int — pg , + cosra) (5-10) „ I N (5-11) Trong : h - Chiều cao sóng tính toán (m) ; X - Bước sóng (m) ; g - Gia tốc tự 9,81 m/s2 ; p - Tỷ trọng nước t/m3 ; a - Góc tới tuyến sóng (hoặc đầu sóng) tiến vào đê có chiều rộng b (m) chiều dài đoạn đê (m) ; Kar- Hệ số lấy theo bảng 5-6 LL Hình 5.33 : Các biểu đồ áp lực sóng tác động lên dê ngăn cát, dê hướng dòng (có chiều dài ngân) đập dinh 203 Bảng 5-6 Hệ số Ka Mặt đê Ka J giá trị Mái dốc «: 0,03 0,05 0,1 ỈS 0,2 Mặt - 1,0 0,75 0,65 0,60 Mặt khuất 0,2 0,5 1,0 1,0 0,45 0,18 0,00 0,75 0,45 0,22 0,00 0,65 0,45 0,30 0,00 0,60 0,45 0,35 0,00 Trường hợp tuyến công trình đặt song song với bờ có cao trình đỉnh thấp mực nước tính toán biểu đồ áp lực sóng diễn tả hình 5- 34 với giá trị phụ thuộc vào độ dốc đáy biển - Khi độ dốc đáy i ^ 0,04 Pl = pg(Zi Pi = p2, z4), Zi > Zi < z2 (5-12) z2 p2 = p g h ( 0,015* + 0,23 (5-13) ” ‘) - p g Z P = K o p2, Z = d độ sâu nước (5-14) (5-15) Khi độ dốc đáy i > 0,04 Pi xác định theo công thức (5-12) P2 = pg(Z2- z4) (5-16) (5-17) p3 = p2 Trong cốc công thức từ (5-12) đến (5-17) ý nghĩa giá trị : z1 - khoảng cách ngập từ đỉnh công trình tới MNTT ; z - độ sâu từ MNTT tới chân sóng ; Z - độ sâu chân công trình Z = d.độ sâu nước ; Z - độ sâu từ mặt nước sau đê (nước dâng đê) tới MNTT z4 = -Krd(Zi - z5) - Zi Zs - độ sâu từ lưng sóng trước đê ngập nước tới MNTT 204 (5-18) ■ -Biển Kto - hệ Số Bở phụ thuộc vào độ thoải sóng xác định theo bảng 5-7 Bảng 5-7 Hệ số K(0 X h Kít, Các đại lượng 10 15 20 25 30 35 ,7 ,7 ,8 0,85 ,9 ,9 z2; Zs hệ số Krd xác định theo bảng 5-8 Bảng 5-8 Bảng xác định Z2 ; Zõ Krd h d z2 d Zs T Krd 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,14 0,17 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 -0,13 0,76 -0,16 0,73 -0,20 0,69 -0,24 0,66 -0,28 0,63 -0,32 0,60 -0,37 0,57 Dạng phổ biến công trình làm ổn định luồng tầu cửa sông kết cấu mái nghiêng vật liệu địa phương khối bêtông bêtông cốt thép Vì việc xác định ổn định độ bền mái tác dụng tổng hợp yếu tố : sóng, áp lực đất, dòng chảy, độ thô thủy lực Dưới xét riêng yếu tố 205 5.7.1 Mái chịu tác dụng sóng Nếu mái nghiêng g i a c ố khối đá khối bêtông thường, khối bốn ngạnh hay khối phức hình khác phạm vi độ sâu không sâu z = 0,7h (h chiều cao sóng tính toán) khối lượng M khổi đươc xác định đinh theo công thức : * khối 3,16.KKfr fr./9m 3,16 •p m •.hh3 M Ị P ™ \ ( p ~ 1) Ỏ độ sâu z Ị Y [ — » (5 -1 ) 11 ỵ + ctga > 0,7h khối lượng khối gia cố tính theo : , 7,5 z , Mz = M e l h i (5-20) ) Với : p m - dung trọng vật liệu chế tạo khối gia cố t/m3 ; p - tỷ trọng nước t/m3 ; Kfr - hệ số lấy theo bẵng 5-9 X Khi 7" > 15 phu thuộc vào phương pháp thi công khối h Bảng 5-9 Hệ số Kfr Kfr Kết cấu gia cố mái Đá hộc Khối bêtông thường Khối Tétrapode khối phức hợp khác Đổ tự Xếp 0,025 0,021 0,008 0,006 Ngoài xác định trọng lượng khối gia cố mái theo công thức (5-19) (5-20), ò m ột số nưóc Châu Âu người ta chọn M trực tiếp từ chiều cao sóng h theo bảng 5-10 Sau tùy thuộc vào hình dạng khối gia cố : hình hộp, hình khổi vuông, khối chóp, khối ba chân, khối Tétrapode khối phức hợp khác v.v mà xác định kích thước cùa loại khối cụ thể Bảng 5-10 Chọn khối lượng M trực tiếp qua h (m) 206 h (m) 3,5 - 4,5 + 5,5 M (t) 30 35 40 45 50 Ỏ Nhật Bản mái công trình mái nghiêng làm ổn định luồng tầu, công trình đê chắn sóng mái nghiêng công trình củng cố bờ hay sử dụng loại khối bêtông điểm tựa (hohlquader) (hình 5-35) Trọng lượng khối bốn điểm tựa chọn theo đồ thị hình 5-36 207 5.7.2 Mái chịu tác dụng áp lực ũ ắ t Ỏ số đoạn mái còng trình che phủ lớp vật liệu cứng cho lõi phía cấu tạo đất sỏi cát Trong trường hợp mái che chịu tác dụng áp lực đất, áp lực lớp lát mặt điểm có ký hiệu p tạo nên ổn định mái (hình 5- 37) : p = Kn.a (5-21) Kn - hệ số ổn định ; Kn > 1,0 ; a - cường độ áp lực đất điểm xét Nếu biểu thị chiều dầy lớp lát mặt t, dung trọng vật liệu lớp gia cố ỵ mái có góc nghiêng a >