Hiện t~ợng xô đẩy tầu trong các cảng vμ vùng cảng

Mức độ đ‡ợc che chắn sóng của vùng n‡ớc cảng lμ tiêu chí cơ bản về độ tin cậy đỗ tầu, lμ bộ phận cấu thμnh những điều kiện chung đảm bảo an toμn hμng hảị Theo S. Pogosov, xét về ph‡ơng diện nμy tất cả các cảng có thể phân chia thμnh bốn nhóm: 1)đoợc bảo vệ hoμn toμn (đó lμ những thủy vực riêng biệt kiểu nh‡ các âu

t

ng vùng n‡ớc các cảng nμy giống nh‡sóng ở các khu vực biển lân cận).

Tuy nhiên, nh‡ thực tế đã cho thấy, thậm chí trong các cảng “đ‡ợc bảo vệ tốt” vẫn quan trắc thấy những chuyển động tịnh tiến thuận nghịch mạnh của n‡ớc, lμm di động vμ gây h‡ hại tầu, lμm đứt neo vμ dây giữ, phá hủy cầu cập [11, 46, 84]. Trong sách báo ở Nga hiện t‡ợng nμy đ‡ợc gọi lμ sự xô đẩy tầu (trong sách báo tiếng Anh ở ngoại quốc đôi khi ng‡ời ta dùng chuyên từrange [345, 349].

V. S. B‡chkov vμ S. S. Strekalov [8] nhận xét rằng sự xô đẩy tầu th‡ờng thấy ở các vùng bờ sâu, những nơi mμ công trình cảng đối diện với biển khơi (Tuapse, Batumi, Korsakob, Neapol, Toulon, Cape Town, Đaka, Kasha-blanka, các cảng bờ Thái Bình D‡ơng của Nhật Bản, Mỹ v.v...). Tuy nhiên, cũng có những tr‡ờng hợp ngoạ

u của Ị Kh. Điasamidze [21‡, ở cảng Batumi trong các

i lệ với quy tắc nμy (nh‡ cảng Ilichevsk).

Sự xô đẩy tầu có thể gặp vμo thời gian bất kỳ trong năm, nh‡ng th‡ờng vμo mùa hoạt động cực đại của các quá trình synop. Ví dụ, ở vùng bờ Kavkazơ thuộc Hắc Hải hiện t‡ợng xô đẩy th‡ờng gặp thấy vμo mùa đông. Độ lặp lại của nó theo các năm rất không đều: trong một số năm hầu nh‡ không xuất hiện sự xô đẩy tầu, một số năm khác − rất th‡ờng xuyên. Xét theo c‡ờng độ vμ mức nguy hiểm có thể phân chia hiện t‡ợng xô đẩy tầu thμnh một số kiểu (bảng 4.3).

Hiện t‡ợng xô đẩy gây thiệt hại lớn cho ngμnh hμng hảị Thật vậy, theo dữ liệ

năm 1951−1970 do hiện t‡ợng xô đẩy đã ghi nhận đ‡ợc 6308 giờ cảng không thể hoạt động, 619 tầu phải đ‡a ra vũng tầu bên

http://www.ebook.edụvn ngoμi (tức trung bình 314 giờ vμ 31 tầu trong một năm).

Nghiên cứu một cách hệ thống về hiện t‡ợng xô đẩy đã bắt đầu sau Thế chiến thứ haị ở Liên Xô các công trình chính theo h‡ớng nμy đã đ‡ợc Viện Nghiên cứu Thiết kế biển Hắc Hải cộng tác với Viện Vật lý Thủy văn biển vμ các cơ sở khác thực hiện (thoạt đầu ở Tuapse, sau đó ở Batumi, Sochi, Poti v.v...) [4, 60, 90, 93].

Bảng 4.3.xớc loợng trực giác coờng độ xô đẩy theo điều kiện đỗ tầu ở cầu cảng

Cấp Mức phát triển

hiện toợng xô đẩy Các dấu hiệu xô đẩy

0 Không có Tầu đỗ ở bến toơng đối yên lặng. Không thấy

chuyển động thẳng đứng vμ ngang tuần hoμn. Đầu dây giữ có độ căng không đổi hoặc giật nhẹ do sóng trong cảng

1 Rất yếu (những

dấu hiệu ban đầu)

Quan trắc thấy đầu dây giữ căng vμ giãn có nhịp yếu, hơi cảm thấy chuyển động tuần hoμn của tầu, Cầu thang rê troợt, nghe thấy tiếng cót két của cầu cập

2 Yếu Sự căng vμ giãn tuần hoμn của dây giữa tăng

lên. Số dây giữ tăng, nhong tầu đứng không bị rê rời vμ không bị ho hạị Có thể tiến hμnh công tác bốc dỡ, nhong đã có khó khăn

3 Trung bình Đầu dây giữ có thể căng đến đứt. Đỗ tầu bên

cầu cập trở nên nguy hiểm. Công tác bốc dỡ ngừng trệ, phải đoa tầu ra khỏi cầu cập

4 Mạnh Không thể tiến hμnh công tác bốc dỡ. Đầu dây

giữ liên tục bị đứt. Phải lập tức đoa tầu ra xa cầu cập vμ đoa tầu ra vũng tầu bên ngoμi

5 Rất mạnh Rê tầu theo phoơng ngang rất mạnh, tầu sẽ bị

sự cố

Có thể phân chia ba giai đoạn phát triển các công trình về vấn đề xô đẩy tầu:

1) nghiên cứu bản chất hiện t‡ợng xô đẩy, cơ chế hình thμnh của nó;

2) xây dựng các ph‡ơng pháp dự báo;

3) tìm giải pháp thực tế khắc phục hiện t‡ợng nμỵ

Nhiều nhμ nghiên cứu đã xác định đ‡ợc rằng hiện t‡ợng xô đẩy thực tế luôn đi kèm với sóng bão hay sóng lừng mạnh ở cửa vμo vùng cảng [11, 46, 145]. Các quan trắc dao động của tầu đỗ ở cảng [296

a xô đẩy với các dao động lắc. Tuy nhiên thậm chí nếu tính

] vμ dao động mực n‡ớc biển trong vùng cảng [90, 145, 303, 348] đã cho thấy rằng chu kỳ đặc tr‡ng của sự xô đẩy bằng 0,5−4 phút, mặc dù ở một số tr‡ờng hợp gặp thấy các chu kỳ lớn hơn: 6−8 vμ thậm chí 20 phút [209, 348]. Các tính toán cho thấy những chu kỳ nμy rất trùng hợp với các chu kỳ riêng của các vùng n‡ớc t‡ơng ứng.

Nh‡ vậy dễ dμng nhận thấy hai sự kiện thực nghiệm: 1) sự liên quan của xô đẩy với tr‡ờng sóng gió − sóng lừng; 2) sự liên hệ phát sinh củ

tới những thực tế đó thì bản chất của xô đẩy một thời gian dμi vẫn ch‡a rõ. Thật vậy, Wilson [348] đã cho rằng sóng bão vμ sóng lừng có phổ năng l‡ợng rộng vμ hiện t‡ợng xô đẩy đ‡ợc gây nên bởi những thμnh phần tần thấp của phổ nμỵ

Sự phát hiện của Munk về các mạch động vỗ bờ [263] vμ những công trình nghiên cứu tiếp theo về quá trình nμy [333, 243] đã giúp chúng ta hiểu cơ chế vật lý hình thμnh hiện t‡ợng xô đẩy (hình 4.20). Chúng ta thấy rõ rằng chính các mạch động vỗ bờ (nói chính xác hơn các sóng ngoại trọng lực) gây nên hiện t‡ợng xô đẩy khi chu kỳ của chúng trùng hay gần với các chu kỳ riêng của vùng n‡ớc cảng. Các khối n‡ớc ở thủy vực bên trong tựa nh‡ chọn lọc những tần số để cộng h‡ởng. Nếu nh‡ không có những tần số nh‡

http://www.ebook.edụvn vậy thì không tạo thμnh các dao động lắc đáng kể vμ do đó không

xuất hiện hiện t‡ợng xô đẩy trong cảng.

Hình 4.20. Sơ đồ cơ chế hình thμnh hiện toợng xô đẩy tầu

Công trình của Miles vμ Munk [254] đã có vai trò quan trọng trong nghiên cứu những đặc điểm của hiện t‡ợng nμy (cũng nh‡ khắc phục nó). Đã phát hiện ra rằng các công trình cảng, đặc biệt các đê chắn sóng che chắn cửa vμo vùng n‡ớc cảng, rất có tác dụng thúc đẩy hình thμnh sự xô đẩy, vì chúng lμm tăng hệ số chất l‡ợng của thủy vực. Những chuyển động tịnh tiến thuận nghịch của n‡ớc liên quan tới hμi Helmholtz có lẽ giữ vai trò chính trong quá trình nμỵ

M. M. Usenkov trong luận án của mình [93] đã nêu ra một loạt hiệu ứng cộng h‡ởng thúc đẩy sự hình thμnh vμ khuếch đại hiện

dẫn nhằm giảm thiểu ảnh h‡ởng của sự xô

ộ

ại sóng khác nhaụ

Do đó, theo dữ liệu của công trình [93], những đây lμm tăng sự xô đẩy tầu:

1) Hội tụ năng l‡ợng sóng do kết quả khúc xạ; 2) Cộng h‡ởng thềm;

3) Cộng h‡ởng trong vùng n‡ớc cảng.

Ngoμi ra, còn có thể nêu iểu cộng h‡ởng có thể dẫn tới tạo thμnh các sóng ngoại trọng lực mạnh ở vùng n

vμ bằng cách đó lμm khuếch đại những chuyển động xô đẩy trong cảng;

g thềm bên ngoμi (cơ chế Gallagher vμ Bowen− Guza);

t‡ợng xô đẩy tầụ

Sự cộng h‡ởng trên vùng thềm vμ sự cộng h‡ởng ở trong chính vùng n‡ớc cảng nếu kết hợp lại sẽ dẫn tới khuếch đại mạnh các dao

động vμ ng‡ợc lạị Những đặc điểm hình thái đáy tại cửa vμo cảng có ảnh h‡ởng đặc biệt mạnh tới c‡ờng độ xô đẩy (sự khuếch đại các sóng phát xạ đã đ‡ợc xem xét ở các mục 2.5, 3.8), điều nμy cho phép đề xuất những chỉ

đẩy bằng cách lμm thay đổi các đặc tr‡ng của cảng một cách có căn cứ.

M. M. Usenkov nhận xét rằng tại cửa vμo của đa số các cảng có hiện t‡ợng xô đẩy tồn tại những điều kiện tập trung năng l‡ợng sóng trong dải tần số r ng. Việc chọn các địa điểm xây dựng các cảng mới vμ thiết kế chúng phải tiến hμnh có tính tới những chỉ tiêu định l‡ợng về sự ảnh h‡ởng của các đặc điểm hình thái của vùng thềm tới các lo

quá trình sau

ra một số k

‡ớc bên ngoμi

4) Kích thích cộng h‡ởng các sóng ven ngoại trọng lực ở vùn 5) Sự trùng hợp của một trong những chu kỳ riêng của vùng n‡ớc bên ngoμi (vũng, vịnh) vμ vùng n‡ớc bên trong (cảng, vùng cảng).

Dễ dμng nhận thấy rằng giữa sự hình thμnh các dao động lắc cực trị trong các vũng vịnh (abiki, rissaga v.v...) mμ chúng ta đã xét ở mục 3.12 vμ sự xuất hiện hiện t‡ợng xô đẩy trong một số cảng có một sự t‡ơng tự rõ rệt. Thấy rõ lμ sự xô đẩy biểu lộ rõ chỉ ở

http://www.ebook.edụvn trong những vùng n‡ớc nơi có những điều kiện cộng hoởng kép (vμ

thậm chí cộng hoởng nhiều lần).

Còn có một kiểu cộng h‡ởng quan trọng nữa lμm tăng sự tác động tiêu cực của hiện t‡ợng nμy đối với tầu đỗ trong bến: dao

động cộng hoởng của bản thân tầu. Các thí nghiệm của Sawaragi

vμ Kubo [296] đã cho thấy những chu kỳ dao động riêng của những tầu chở hμng vμ chở dầu lớn gần giống chu kỳ của dao động lắc trong vịnh vμ vùng cảng. Những tr‡ờng hợp khi chu kỳ dao động riêng của tầu trùng với những dao động mực n‡ớc thủy vực lμ những tr‡ờng hợp nguy hiểm nhất [345]. Các tầu khác nhau có những chu kỳ cộng h‡ởng riêng khác nhau, vì vậy th‡ờng thấy những tình huống trong đó một số tầu bị dịch chuyển mạnh (đôi khi rất tai hại), còn một số khác chỉ dao động không đáng kể.

Darbyshire [145] cho biết rằng d‡ới tác động của ma sát của cửa cảng hẹp, các hiệu ứng phi tuyến vμ những hiệu ứng khác, mạch động vỗ bờ bên trong vùng cảng bị suy yếu đối với tất cả các tần số, ngoμi các tần số cộng h‡ởng. Tại những tần số cộng h‡ởng diễn ra sự khuếch đại mạnh dao động vμ điều đó gây nên sự xô đẩy tầu

Dự báo hiện t y dựng trên cơ

sở d .

‡ợng xô đẩy tầu chủ yếu đ‡ợc xâ

ự báo sóng lớn (hay sóng lừng từ ngững nguồn phát sinh từ xa) đi tới vùng n‡ớc cảng trên một h‡ớng nhất định. Ví dụ, theo dữ liệu của Wilson [348] vμ Darbyshire [145], sóng lừng tây tây bắc gây nên xô đẩy rất mạnh trong cảng Cape Town, còn sóng lừng các h‡ớng nam (thậm chí rất mạnh) không gây nên trong cảng nμy một dao động sóng dμi nμọ ở các cảng biển Hắc Hải thuộc vùng Kapkazơ (Tuapse, Batumi, Sochi) thì các gió mạnh cung h‡ớng tây lμ nguy hiểm nhất, chúng th‡ờng kèm theo sóng lớn cùng h‡ớng đó [64].

Hình 4.21. Các đặc trong tần số tính toán cho các điểm bên trong vùng cảng No 2 (a) vμ No 3 (b) so với điểm 1 nằm tại

cửa vμo vùng cảng (từ công trình [124])

1− đối với cảng hiện tại, 2− đối với cảng thiết kế; c− sơ đồ vùng cảng hiện tại vμ những thay đổi dự kiến

http://www.ebook.edụvn Mặc dù hiện t‡ợng xô đẩy tầu rất nguy hiểm, hiện nay ng‡ời

ta ch‡a tính toán hết hiện t‡ợng nμy khi thiết kế các cảng. Miles vμ Munk [254] nêu ra những biện pháp tốt nhất khắc phục sự xô đẩy nh‡ sau: 1) lμm thay đổi các đặc tr‡ng của vùng n‡ớc cảng sao cho loại trừ khả năng trùng hợp các chu kỳ của ngoại lực (hay các chu kỳ cộng h‡ởng thềm) vμ các chu kỳ dao động riêng của vùng n‡ớc cảng; 2) mở rộng cửa vμo cảng để lμm giảm hệ số chất l‡ợng của nó vμ bằng cách đó lμm suy yếu các dao động lắc. M. M. Usenkov [93] cũng đ‡a ra những kiến nghị t‡ơng tự, chỉ có khác lμ ông không nói về hệ số chất l‡ợng, mμ nêu lên những hiệu ứng khúc xạ bất lợi có thể có cần tránh.

Cần nhấn mạnh rằng thậm chí những thay đổi t‡ơng đối nhỏ về hình dạng cảng có thể gây nên những biến đổi đáng kể về cấu trúc các dao động riêng. Với t‡ cách lμ ví dụ, trên hình 4.21 dẫn những tính toán của Botes vμ nnk. [124] đối với vùng n‡ớc cảng ở vịnh Mossel. Theo các tính toán của họ, việc thiết kế cảng đã dự định phải gây nên sự thay đổi đáng kể các dao động vμ đặc biệt lμm xuất hiện những dao động cộng h‡ởng mạnh với chu kỳ 25 s.

Đôi khi những thay đổi nμy có thể dẫn tới sự xuất hiện xô đẩy trong các cảng, nơi tr‡ớc đó ch‡a từng thấy hiện t‡ợng nμy, hoặc ng‡ợc lại, triệt tiêu (hay lμm suy giảm đáng kể) hiện t‡ợng nμy ở nơi mμ tr‡ớc đây nó đã từng lμ mối nguy hiểm. Ị S. Điasamidze [21] đã mô tả một ví dụ rất lý thú kiểu đó. Ông dẫn lời thông báo của thuyền tr‡ởng viễn d‡ơng Ẹ S. Gotidze: “Năm 1939 tôi có dịp tới thμnh phố Havr của n‡ớc Pháp. Nhân viên hoa tiêu dẫn tầu chúng tôi vμo cảng đã răn đe rằng để đỗ tầu an toμn cần tăng số dây giữ hơn bình th‡ờng, vì rất có thể có sự xô đẩy mạnh. Rồi lần đó chúng tôi đã bị tác động của hiện t‡ợng xô đẩỵ Khi đó tôi nhớ lại cảng Batumị Sau khi Chiến tranh Vệ quốc Vĩ đại kết thúc (năm 1958), tôi lại có dịp tới cảng Havr, chuyên chở khách du lịch ngoại quốc trên một chiếc tầu khách của Liên Xô. Trong lúc cập cầu cảng tôi đã hỏi hoa tiêu về số l‡ợng dây giữ cần thiết để đỗ tầu

an toμn. Nhân viên hoa tiêu đã trả lời rằng chỉ cần 4 dây từ mũi vμ đuôi lμ đủ. Sau khi thấy tôi phân vân lo ngại rằng có thể sẽ có sự xô đẩy trong cảng, hoa tiêu đã kể cho tôi câu chuyện nh‡ sau: trong thời gian chiến tranh với n‡ớc Đức phát xít một tầu ngầm của Đức đã nhận dạng sai đê chắn sóng thμnh tầu đang đỗ vμ phóng lôị Một quãng đê khảng 22−25 m bị phá vμ trở thμnh một cửa cảng thứ haị Hoa tiêu nói: “ở chỗ chúng tôi mọi thứ không đ‡ợc khôi phục nhanh nh‡ ở n‡ớc các ông, vμ một thời gian dμi chúng tôi không hiểu sự xô đẩy đã biến đi đâu mất, ngay cả khi bão lớn cũng chẳng thấỵ Chỉ về sau chúng tôi mới hiểu ra rằng sự xô đẩy đã bị mất đi nhờ chính cái cửa thứ hai đó, cái cửa do tầu ngầm Đức tạo rạ Vμ chúng tôi đã không sửa chữa chỗ h‡ đó”.

Vậy lμ những thay đổi ngẫu nhiên của đê chắn sóng ở cảng Havr đã lμm thay đổi những dao động sóng trong vùng n‡ớc cảng vμ loại trừ hiện t‡ợng xô đẩỵ Mong sao những thay đổi nh‡ vậy đ‡ợc lμm có chủ định. Đáng tiếc lμ những nghiên cứu vμ tính toán sơ bộ về cơ cấu dao động riêng vμ khả năng thay đổi chúng khi cải tạo các cảng t‡ơng tự nh‡ những gì mμ Botes vμ nnk. [124, 125] đã lμm ch‡a đ‡ợc thực hiện th‡ờng xuyên. Vì vậy, ở nhiều cảng vμ vùng cảng việc bố trí các công trình chắn sóng lμ không đạt về ph‡ơng diện khắc phục sự xô đẩỵ

Một điều quan trọng nữa nên tính tới khi thiết kế các cảng vμ bến đỗ tầụ C‡ờng độ dao động sóng dμi tại các điểm khác nhau trong thủy vực bên trong phân bố rất không đềụ Trong các công trình của Botes vμ nnk. [124, 125] dẫn những kết quả tính toán biến dạng tr‡ờng sóng khi đi vμo một số vùng n‡ớc cảng vùng bờ Nam Phi, từ đó thấy rằng đối với một số khu vực các sóng đi vμo không khuếch đại, ng‡ợc lại đối với một số điểm khác xuất hiện nhữ

ứ

ng dao động rất mạnh, nhiều lần v‡ợt trội tín hiệu ở cửa vμọ ng với đặc điểm biến thiên phức tạp của mực n‡ớc lμ chế độ dòng chảy phức tạp. ở gần các đ‡ờng nút dao động mực n‡ớc cực tiểu,

http://www.ebook.edụvn còn dòng chảy − cực đại, ở các điểm bụng − tình hình ng‡ợc lạị

Їơng nhiên, những khu vực cảng với chuyển động ngang mạnh lμ rất bất lợi cho việc đỗ tầu, còn những khu vực chuyển động đó t‡ơng đối yếu thì tầu đỗ sẽ an toμn hơn.

Tình hình t‡ơng tự quan trắc đ‡ợc ở cảng Poti [21]. Do cảng nμy phân chia thμnh nhiều nhánh nên tại mỗi phần của cảng phát triển những hệ thống dao động lắc độc lập với chu kỳ khác nhau, chúng cộng với nhau vμ triệu tiêu lẫn nhaụ Vì vậy sự xô đẩy tầu trong toμn thủy vực không xảy ra, ngoại trừ ở ngay lân cận cửa vμo cảng.

ữ liệu quan trắc [145, 348] cho thấy, thậm chí ở những cảng