Bài giảng kỹ thuật bờ biển (đại học thủy lợi)

Chương 4: Hình thái bờ biển TS Mai Văn Cơng MaiVanCong@WRU.VN May 26, 2013 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển NỘI DUNG CHƯƠNG • • • • • Giới thiệu ệ chung g Các trình vùng sóng vỡ Vận chuyển bùn cát thay đổi hình thái đường bờ Cân bùn cát dọc bờ Cân bùn cát ngang bờ Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Giới thiệu chung • Hình thái bờ biển quan tâm: ngun nhân, diễn biến giải pháp cho vấn đề bồi, xói, ổn ổ định đường bờ • Kết tương tác trình thủy động lực học biển, khí tượng biển – địa hình, địa chất vùng bờ - hoạt động dân sinh Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Mơ hình tổng qt vận chuyển bùn cát (yếu tố tự nhiên) Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Mô hình tổng quát vận chuyển bùn cát (yếu tố tự nhiên) Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Các q trình vùng sóng vỡ • Vùng sóng vỡ: từ đường biên sóng vỡ vào đến bờ (Hs/h=0.45-0.65; hệ số sóng vỡ) – biên động! Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Các q trình vùng sóng vỡ • Sóng truyền vào bờ xiên góc sinh dịng ven bờ • Phân bố lưu tốc dịng ven bờ (sóng đều) Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Các trình vùng sóng vỡ • Phân bố lưu tốc dịng ven bờ ( sóng ngẫu nhiên) -lớp sóng sau gặp sóng phản xạ lớp sóng trước tạo ệ tượng ợ g rối vùng sóng vỡ - Thành phần lựợng sóng theo hướng vng góc với bờ=>nước dềnh sóng=> dịng ngược Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Vận chuyển bùn cát Vận chuyển bùn cát dọc bờ Dịng ven bờ (dọc) sóng Dịng ven bờ triều Dịng ven yếu tố khác • - • Vận chuyển bùn cát ngang bờ: Dịng ngang bờ (vng góc với bờ), thường xảy sóng bão 10 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Vận chuyển bùn cát • - Dịng tổng hợp: Triều sóng kết hơp Cùng hướng: tăng VCBC Ngược hướng: giảm VCBC - Kết hợp: cộng lực sinh dịng, khơng kết hợp vận tốc 11 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Cân bùn cát 1- Cơng thức CERC (1966) Chiều cao sóng biên sóng vỡ Vận tốc truyền sóng biến sóng vỡ Góc sóng tới biên sóng vỡ Số sóng biên sóng vỡ (nb=1) Điều kiện áp dụng: -Bãi cát, cỡ hạt khoảng 200 micro m -Baĩ trực diện với biển -Bãi khơng chịu tác động dịng triều -Bãi có độ dóc trung bình (>=1/100) -Đoạn bờ thẳng 12 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Cân bùn cát 1- Cơng thức CERC (1966) • Smax góc sóng tới 450 • S=0 góc sóng tời =0 13 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Cân bùn cát 2- Công thức QUEENS 14 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Cân bùn cát 3- Công thức Bijker (1967) • S=Sb+Ss • Sb; Bùn cát đáy; Ss: Bùn cát lơ lửng 15 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Cân bùn cát 3- Công thức Bijker (1967) • S=Sb+Ss • Sb; Bùn cát đáy; Ss: Bùn cát lơ lửng 16 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Cân bùn cát 4- Công thức Kamphuis (1991) 17 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Cân bùn cát 1- Công thức CERC (1966) 18 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Diễn biến đường bờ • Bồi, xói dọc bờ: độ dốc/ thay đổi ổ phân bố lực vận chuyển bùn cát • Nguyên nhân: - Hướng sóng đến thay đổi - Hướng độ dốc bãi thay đổi - Tự nhiên (đảo chắn) - Nhân tạo (cơng trình) 19 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Diễn biến đường bờ • Xu bồi xói phụ thuộc nvào lượng bùn cát vào khỏi đoạn đường bờ ổ đ ổn định h Bồi Xói 20 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Diễn biến đường bờ • Đoạn bờ cong Thẳng ổn định Cong xói ó Thẳng ổn định 21 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển X Khoảng cachs 10 Dịng mật độ vùng cửa sơng c Hiện tượng phân tầng theo phương ngang Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển c Hiện tượng phân tầng theo phương ngang 10 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ vùng cửa sơng d Bồi lắng sơng • • • • • • • Dao động mực nước chu kỳ triều nguyên nhân làm cho nêm mặn chuyển động lên xuống xuống Sự di chuyển lên xuống nêm mặn vào sơng q trình bồi lắng cửa sông Phần đỉnh nêm mặn, dịng chảy có hướng biển; Phần dịng chảy có hướng chảy vào sơng với tốc độ nhỏ Vđáy = đỉnh nêm nên trình bồi lắng xảy khu vực Ở cửa sông thủy triều không lớn, nêm mặn mà bồi lắng làm đáy sông sô g nâng â g lên ê đáng đá g kể ể Sự khác nhiệt độ nước tạo nên thay đổi gặp thúc đẩy thêm trình bồi (Tại kênh xả nước nhà máy nhiệt điện) 11 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ vùng cửa sông d Bồi lắng sông • • • • • • Thành phần hóa học bùn cát lơ lửng có ảnh hưởng định đến lắng đọng: hạt điện tích khác dấu hút tạo hạt lớn lắng đọng (S= 3‰ giới hạn kết tủa lơ lửng hóa) Khi S tăng (triều lên): trình kết tủa mạnh Khi S giảm (triều xuống): lơ lửng hóa Chất lượng bùn cát đáy sông vùng không giống với bùn cát nguyên gốc ρ= 1100 - 1250 kg/m3 gọi bùn nhão, khó xác định khảo sát đáy sông phản xạ ễ dàng yếu Loại bùn lỏng đến mức tàu thuyền di chuyển dễ Q trình cố kết loại bùn xảy chậm chạp Lớp với độ dày tới 2.5m tồn dạng lỏng tới hàng nhiều tuần lễ dễ dàng trở lại trạng thái lơ lửng lưu tốc dòng chảy vượt giới hạn cho phép từ 0.2 đến 1.0 m/s 12 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ vùng cửa sông d Bồi lắng sông • Biện pháp thu gom loại bùn nhão: - Nếu khu vực nạo vét có độ dốc nên nạo vét phía cuối dốc để tác dụng trọng lực lớp bùn lỏng phía tự trượt xuống hố nạo vét • Dựa ứng suất trượt tồn nước chảy phía lớp bùn loãng tạo lực dẫn cho lớp bùn nhão chuyển y động ộ g • Lưu ý: Nếu lực trượt q lớn lớp bùn lỗng bị khuấy lên trở lại trạng thái lơ lửng 13 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ cảng • Truyền triều bồi lắng cảng • Bài tốn thực tế • Giải pháp giảm ảnh hưởng dòng mật độ cảng 14 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ cảng Phân bố áp lực thủy tĩnh cửa ngăn triều • Truyền ề triều ề vào cảng ả với quán tính í h nhỏ=> hỏ V=0 đỉnh đỉ h chân hâ triều • Do khác mật độ hai khối nước=> dịng mật độ • Tổng áp lực lên cửa ngăn = nào?  gh 12   gh 22 15 2 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dịng mật độ cảng • Khi mở cửa trường dịng chảy xuất hình vẽ: - Lớp dưới: tương tự chảy qua đập, mở đột ngột ê dò hiề ngược ượ llạii - Lớ Lớp ttrên: dòng th theo chiều h1  h2 2 1 16 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dịng mật độ cảng • Giả thiết kênh chữ nhật, mặt cắt đều, cửa mỏ đột ngột • Lưu tốc lớp lưu tốc trung bình theo độ sâu • Dị Dịng chảy ù hướ hướng ttạii nửa độ sâu â VD = 0.45 x  gh  = (D - ) /  h = chiều sâu nước 0.45: hệ số Simpson 17 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ cảng Hai trường hợp: 1- Có chênh lêch mực nước (khi triều lên rút): tồn dòng triều dòng mật độ 2- MN không chênh lêch mực nước (khoảng dừng triều): tồn dòng mật độ 18 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ cảng • Trường hợp 1: • V=Vtr+Vmđ 19 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dịng mật độ cảng • Trường hợp 2: thời khoảng dừng triều 20 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 10 Dòng mật độ cảng Xem xét ví dụ - Cảng có kích thước (hình) h 7m - Mặt cắt chữ nhật, h=7m - Tại t=0, mật độ cảng sông ρ =1005 kg/m3 - Tại t=t1, triều tiến vào sông, ρ = 1015 kg/m3 =>Xuất dòng mật độ vào cảng - Nước sông chảy vào cảng theo lớp đẩy nước cảng dưới, sông theo lớp 21 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ cảng - Lưu tốc trung bình dịng mật độ VD=0.45*((10151005)/1015)*g*h)^0.5= 0.298m/s VD=1042 m/giờ 22 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 11 Dịng mật độ cảng • Nêm mặn tiến vào điểm cuối cảng thời gian 2giờ 24 phút (L/VD) • sóng tiến bị phản xạ phía cuối cảng phía cửa cảng với tốc độ truyền sóng tương tự sóng tiến • sau 48 phút nước cảng hồn tồn giống với ngồi sơng có ρ = 1015 kg/m3 23 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dịng mật độ cảng • Sau 4h48 phút, nước cảng sơng có mật độ ρ = 1015 kg/m3 • Điều xảy tiếp??? Thời gian trì bao lâu? • Phụ thuộc vào khoảng thời gian dừng triều tốc độ trình triều lên, triều rút 24 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 12 Dòng mật độ cảng • Giả sử nước cảng có mật độ  = 1005 kg/m3 mật độ nước sơng phía ngồi cửa cảng thay đổi từ 1005 lên 1015 kg/m3 Thời gian trì mật độ 1015 kg/m3 1giờ 12 p phút,, sau mật ậ độ ộ nước sông giảm trở lại giá trị 1005 kg/m3 25 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ cảng • Khi nước sơng trở lại mật độ mật độ nước cảng trình vào kết thúc, phần phía nêm có dịng chảy tốc độ • Sau lưu tốc giảm dần, phần nêm “chảy” dần sông mỏng dần kết thúc sau thời khoảng → Q trình chuyển vận dịng chảy vào cảng gây tượng bồi xói cảng 26 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 13 Dòng mật độ cảng Nhận xét chung tốn ví dụ: (chỉ tốn lý tưởng) - Nồng độ nước thay đổi từ từ khơng có trường hợp thay đổi đột ngột ví dụ - Đặc trưng hình học cảng: mặt cắt, dốc đáy => Dịng mật độ q trình bồi diễn biến phức tạp! Để xác định dòng mật độ thực tế: - Mơ hình vật lý (thí nghiệm) - Khảo sát, đo đạc, xây dựng công thức kinh nghiệm - Mơ hình tốn (thủy động lực học + lan truyền chất) 27 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ cảng • Công thức kinh nghiệm qua tài liệu khảo sát cảng Rotterdam ' Vd  G Ae  h • Hệ số cảng xác định khác áp dụng • Mơ hình mơ phỏng: chiều, chiều 28 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 14 Dịng mật độ cảng Ví dụ thực tế: Cảng bố trí sơng, bán nhật triều, có hàm lượng bùn cát ρ=77mg/l Cảng có L=2000m, mặt cắt hình thang với m = B=400 m đáy; Htr=1.7 m chiều sâu mực nước triều thấp 13.5 m Sơng có độ ộ muối lớn 8.06 (‰) ( ) nhỏ 2.47 (‰) ( ) Tại nhiệt ệ độ ộ nước t = 160C, mật độ nước sông lớn 1005.18 kg/m3 nhỏ 1000.85 kg/m3 Y/c: Xác định lượng bùn cát bồi lắng cảng năm Giả thiết: -Bùn cát lơ lửng 10 (g/m3) -Hệ số cảng G = 8000 29 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ cảng Nội dung chính: • Xác định tham số Ae, P, B, rho … • Xác định lượng bùn cát bồi lắng dòng triều (lượng nước trao đổi cảng triều) • Xác định lượng bùn cát bồi dịng mật (lượng nước trao đổi cảng dòng mật độ) 30 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 15 Dòng mật độ cảng • Các thơng số - Tỉ trọng tương đối TB '  1005.18  1000.85  4.32 x10 3 1003.02 - Độ sâu nước trung bình cảng h  13.5  x 1.7  14.35  - Độ rộng mực nước TB: B= 400+(14.35 x 8)=515m - Diện tích m/c ướt vào: Ae  ( 400  515)(14.35)  6565m 2 31 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Bồi lắng triều vào cảng - Khối nước triều: P = (515)(2000)(1.7) = 1.75 x106 m3 - Tổng lượng bụn cát lắng đọng: Sf = (1.75 x106)x(77-10)x(10-3)= 1.17x105 kg/chu kỳ triều 32 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 16 Dòng mật độ cảng Bồi lắng dòng mật độ (lớp dưới, nêm mặn) - Tổng lượng nước trao đổi dòng mật độ chu kỳ triều Vd  8000 x6565 x ( 4.32 x10 3 )(14.35)  1.31x10 m / tide - Lượng nước vào cảng phía đáy dạng nêm: 0.5*Vd - Tổng lượng bụn cát vào cảng dòng mật độ: Sd1= (6.53x106) (67) (10-3) = 4.38 x 105 kg/chu kỳ triều 33 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ cảng Bồi lắng dòng mật độ (lớp nước mặt) • Giả sử lớp nước phía di chuyển sông đem theo 20% lượng bùn cát mịn, phần lại lắng ắ đọng cảng Lượng bùn cát lớp trên: • Sd2 = (6.53x106)(0.2x77-10)(10-3) = 3.53x104 kg/chu kỳ triều 34 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 17 Dòng mật độ cảng Tổng hợp Thành phần Số lượng(kg/chu kỳ % so với tổng số triều) Dòng chảy lưu 1.17 x 105 19.8 Nước mặn vào 4.38 x 105 74.2 Nước mặn 3.53 x 104 6.0 Tổng dòng mật độ 4.73 x 105 80.2 Tổng cộng 5.90 x 105 100.0 tốc dòng triều 35 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ cảng Tổng lượng bùn cát bồi lắng năm • Số lượng lần nước vào cảng năm: (365.25)x (24) / (12.42) = 706 (lần) • Lượng bùn cát bồi lắng năm (1855) (706) = 1.31x106 m3/năm =>Độ dày lắng đọng (giả thiết???) (1 31 x 106) / (2000)(400) = 64 m (1.31 1.64 Lưu ý: Độ sâu nạo vét hiệu chiều dày lớp bùn cát > 2.5m 36 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 18 Dòng mật độ cảng Giải pháp hạn chế dòng mật độ 1- Thu hẹp cửa: Giảm trao đổi nước, nhiên hạn chế giao thông 2- Lắp đặt hệ thống cửa khống chế cửa vào cảng, mở mực nước - Dòng vào = 0, bùn cát =0 - Dòng mật độ khống chế hạn chế thời gian mở ! Thuận tiện cho việc bốc xếp cảng/ Không thuận tiện vào cảng 37 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Dòng mật độ cảng Giải pháp hạn chế dòng mật độ 3- Sử dụng âu thuyền/ âu thuyền đa 4- Sử dụng cửa bọt khí cửa vào: tăng mức độ xáo trộn 5- Bố trí mố nhám mềm đáy cho toàn chiều rộng cửa 38 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 19 ... 13 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Hệ thống kinh tế xã hội tác động 14 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Hệ thống kinh tế xã hội tác động 15 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Sự... kích)) Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Các loại ô nhiễm giải pháp kiểm soát Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Các loại ô nhiễm giải pháp kiểm soát Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 3... biến đường bờ • Đoạn bờ cong Thẳng ổn định Cong xói ó Thẳng ổn định 21 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển X Khoảng cachs 10 Diễn biến đường bờ 22 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Diễn