Khi các công trình cảng bị ảnh hởng bởi hiện tợng dòng bùn cát ven bờ phải xác lập thoả đáng các giá trị đặc trng của dòng bùn cát ven bờ đối với cỡ hạt bùn cát, chiều sâu ngỡng của chuyển động bùn cát, tốc độ vận chuyển bùn cát dọc bờ, và hớng chủ đạo của vận chuyển bùn cát dọc bờ
[Chú giải ]
(1) Dòng bùn cát ven bờ là một hiện tợng mà các chất lắng đọng cấu thành bờ biển hoặc bờ hồ di chuyển do tác động của các lực nh sóng hoặc dòng chảy hoặc vật liệu bị dịch chuyển bởi quá trình trên (2) Tuy chuyển động của cát do gió và do đó cát bị chuyển động đợc coi là cát do gió thổi, theo nghĩa
rộng dòng bùn cát ven bờ cũng đợc xem nh bao gồm cả cát do gió thổi tại bờ biển
(3) Bùn cát tạo thành một bờ biển đợc cung cấp bởi các con sông gần đấy, các vách đá bờ biển và đờng bờ liền kề. Bùn cát bị tác động của sóng hoặc dòng chảy trong quá trình cung cấp hoặc sau khi nó tích tụ trên bờ biển. Đó là tại sao bùn cát cho thấy các đặc trung phản ánh các đặc tr ng của các ngoại lực nh sóng và dòng chảy. Điều này đợc xem là tác động phân loại bùn cát bởi các ngoại lực (4) Vì bờ biển thiên nhiên phải chịu lặp đi lặp lại quá trình bào mòn khi sóng bão tấn công và quá trình
phát triển trong các thời kì ôn hoà, nó tạo thành một địa hình tơng đối cân bằng qua một thời kỳ dài.
Sự cân bằng này sẽ mất nếu việc cung cấp cát giảm do chỉnh trị sông, do sự thay đổi điều kiện cung cấp cát sau khi xây dựng các kết cấu bờ biển, và do các sự thay đổi ngoại lực nh sóng và dòng chảy.
Sau đó sẽ xẩy ra biến dạng bờ biển thí dụ nh bờ biển chuyển động tới các điền kiện cân bằng mới.
Khi xây dựng các kết cấu nh đê chắn sóng, kè chắn sóng gián đoạn, và các kè hớng dòng, cần chú ý cẩn thận tới các sự thay đổi mà các công trình xây dựng sẽ mang lại cho sự cân bằng của bờ biển.
Các thay đổi địa hình mà một công trình xây dựng sẽ gây ra phải đ ợc nghiên cứu đầy đủ từ trớc.
Ngoài ra, phải chú ý cẩn thận tới các điều kiện biến dạng của bờ biển cả trong khi xây dựng và hoàn thành sau này của một kết cấu nào đó, phải có các biện pháp đối phó để bảo vệ bờ biển một cách thoả đáng bất kỳ lúc nào khi có lo ngại về khả năng có tai hoạ do việc xói mòn bờ biển gây ra
(5) Khi sóng từ ngoài khơi tiến vào một bờ biển, chuyển động của các hạt nớc gần đáy biển không đủ sức
để dịch chuyển bùn cát tại chỗ mà nớc đủ sâu. Tới một độ sâu nào đó, bùn cát bắt đầu chuyển động.
Chiều sâu nớc ở đờng biên nơi mà bùn cát bắt đầu chuyển động đợc gọi là chiều sâu ngỡng cuả
chuyển động bùn cát. Sato 1) nghiên cứu chuyển động trầm tích bằng cách rải cát xilic phóng xạ trên
đáy biển và nghiên cứu sự phân bố chuyển động của chúng. Từ nghiên cứu này, ông xác định hai
điều kiện gọi là chuyển động lớp mặt và chuyển động tổng. Ông áp dụng điều kiện trớc vào tình trạng trong đó cát ở lớp mặt trên đáy biển chuyển động theo hớng của chuyển động sóng. Điều kiện sau ông áp dụng vào tình trạng cát chuyển động mạnh với sự thay đổi rõ rệt trong chiều sâu n ớc (xem [Chỉ dẫn kỹ thuật](4))
(6) Tốc độ vận chuyển bùn cát dọc bờ có liên quan tới tốc độ của dòng bùn cát ven bờ theo h ớng song song vói bờ biển gây ra bởi sóng tới xiên góc
(7) Bùn cát dọc bờ chuyển động theo huớng bên trái hay bên phải dọc theo bờ biển, tơng ứng với hớng của sóng tới. Hớng có lợng chuyển động lớn hơn trong một năm đợc gọi là hớng chủ đạo
(8) Dòng bùn cát ven bờ trong hớng song song với đờng bờ đợc gọi là vận chuyển bùn cát dọc bờ. Nó tham gia vào việc đờng bờ tiến lên hoặc lùi lại. Vì quá trình thờng là không thể đảo ngợc, nên luôn đi kèm theo nó là bờ biển bị xói mòn hoặc bồi đắp thêm qua một thời gian dài
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Địa hình bờ
(a) Thuật ngữ đối với các đoạn khác nhau của một mặt cắt bãi biển.
Các đoạn khác nhau của bãi biển cát đợc xác định theo thuật ngữ cho trong Hình T.10.1.1. Vùng
"biển khơi" là vùng phía đại dơng tại đây sóng thờng không vỡ và trong nhiều trờng hợp độ dốc
đáy tơng đối thoải. Vùng "ven bờ" (gần bờ) là vùng giữa vùng biển khơi và đờng bờ khi triều thấp, tại đây sóng vỡ và hình thành các bậc hoặc bãi ngầm dọc bờ. Vùng " trớc bờ" là vùng từ đờng bờ biển thấp tới vị trí tại đó sóng lên tới bình thờng, và vùng sau bờ là vùng từ đờng biên phía bờ của vùng trớc bờ tới bờ, tại đây sóng tới trong khi có bão với mực nớc dâng.
Hình T.10.1.1. Thuật ngữ một mặt cắt bãi biển
(b) Bãi biển dạng bậc (bãi biển thông thờng) và bãi biển dạng bãi ngầm (bãi biển bão)
Khi xây dựng một bãi biển mô hình, với cát tự nhiên trong một máng sóng và cho sóng tác động trong một thời gian dài, mặt cắt bãi biển sẽ đạt tới một điều kiện cân bằng tơng ứng với các sóng tác động lên nó. Điều kiền cân bằng này của bãi biển đợc phân loại rộng rãi thành hai dạng nh trong Hình T.10.1.2.(a) và (b) đợc gọi là bãi biển dạng bậc và bãi biển dạng bãi ngầm.
Hình T.10.1.2 Bãi biển loại bậc và loại bãi ngầm (2) Các đặc trng của trầm tích
Các đặc trng cỡ hạt của trầm tích thờng đợc biểu thị với các chỉ số cho dới đây
1) Đờng kính trung gian (d50): đờng kính tơng ứng với tỷ lệ phần trăm cộng dồn p = 50% trên đờng cong phân bổ cỡ hạt
2) Đòng kính hạt trung bình (dm)
3) Hệ số phân loại (so)
so = d75 / d25 (10.1.2)
4) Thông số đối xứng
sk = d75 . d25 / (d50)2 (10.1.3) trong đó :
p : tỷ lệ phần trăm cộng dồn (%)
∆p : độ tăng trong tỷ lệ phần trăm cộng dồn
d25 : cỡ hạt tơng ứng với 25% của tỷ lệ phần trăm cộng dồn
: Bờ biển : Vùng bờ : Vùng ven bờ : Vùng biển khơi
: Bờ dốc đứng
: Bãi dèc
Mùc níc cao trung b×nh
Mùc níc thÊp trung b×nh
§ êng bê § êng bê triÒu cao § êng bê triÒu thÊp
Vùng sau Vùng trớc
Bãi biển dạng bậc
(Bãi bình thờng) Bãi biển dạng bãi ngầm
(Bãi bão) Bãi trớc
BËc
Bãi trớc
Vực Bãi ngầm
Bùn cát ven bờ đợc phân làm hai loại: bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng tuỳ theo cách chuyển
động của bùn cát. Bùn cát đáy đáy gồm cả dòng chảy tầng
(a) Bùn cát đáy: dòng bùn cát ven bờ chuyển động bằng cách xáo trộn, trợt hoặc nhẩy chồm dọc bề mặt của đáy biển do tác động trực tiếp của sóng và dòng chảy
(b) Bùn cát lơ lửng: dòng bùn cát ven bờ lơ lửng trong nớc biển do sự chảy rối của sóng vỗ bờ và các sóng khác và bị dòng chảy vận chuyển
(c) Chảy tầng: dòng bùn cát ven bờ chuyển động nh một lớp dòng chảy tỷ trọng cao gần đáy biển Các vùng nớc nông có thể phân loại thành ba vùng nh trong hình T.10.1.3 tuỳ thuộc vào tính chất vật lý của sóng, nó cung cấp ngoại lực cho hiện tợng dòng bùn cát ven bờ. Phơng thức chủ yếu của chuyển động bùn cát ven bờ trong mỗi vùng nh sau :
1) Vùng ngoài khơi
Để cát có thể chuyển động bởi tác động của một chuyển động của chất lỏng (chuyển động dao động), vận tốc dòng chảy của chất lỏng phải vợt quá một giá trị nào đó. Điều kiện này th- ờng đợc gọi là ngỡng chuyển động. Đối với dòng bùn cát ven bờ, ngỡng chuyển động đợc xác
định với chiều sâu nớc (chiều sâu ngỡng của chuyển động bùn cát). Khi chiều sâu nớc nông hơn chiều sâu ngỡng của chuyển động bùn cát, trên bề mặt đáy biển sẽ tạo thành các đờng
địa hình có dạng sóng nhỏ đều đặn đợc gọi là các đờng cát gợn sóng. Khi các đờng cát gợn sóng tạo thành, chuyển động chất lỏng ở vùng lân cận của các đờng cát gợn sóng sẽ tạo ra các xoáy nớc, và chuyển động của bùn cát lơ lửng bị cuốn vào các xoáy nớc sẽ xẩy ra. Khi chiều sâu nớc trở nên nông hơn, các đờng cát gợn sóng tiêu tan, điều kiện dòng chẩy tầng xuất hiện trong đó bùn cát chuyển động trong các lớp phân tầng mở rộng ra thành nhiều lớp bên dới mặt đáy biển
2) Vùng sóng vỡ
Bên trong vùng sóng vỡ, bùn cát lơ lửng tỷ trọng cao đợc tạo thành bởi sự khuấy đảo mạnh và tác động của các xoáy nớc lớn do sóng vỡ sinh ra. Khối lợng cát chuyển động gần mặt đáy biển trong trạng thái bùn cát đáy cũng tăng lên. Để cho thuận tiện chuyển động cát trong vùng sóng vỡ đợc chia thành một thành phần chuyển động song song với đờng bờ (đợc gọi là vận chuyển bùn cát dọc bờ) và một thành phần vuông góc với đờng bờ (đợc gọi là vận chuyển bùn cát cắt ngang đờng bờ). Trong khi khung thời gian đối với biến dạng bãi biển do vận chuyển trầm tích dọc bờ thì dài, khung thời gian đối với vận chuyển trầm tích cắt lại t ơng đối ngắn (từ vài ngày tới khoảng một tuần), giống nh khung thời gian đối với các thời kỳ bão đi qua
3) Vùng sóng xô bờ
Chuyển động của cát trong vùng sóng xô bờ khác nhau đối với thời gian sóng leo và sóng rút.
Trong thời gian sóng leo, cát bị lơ lửng do sự khuấy đảo ở phía trớc một con sóng và bị vận chuyển bởi nớc leo vào bờ, còn trong khi nớc rút, cát bị vận chuyển theo phơng thức bùn cát
đáy
Hình T.10.1.3. Các sự thay đổi của phơng thức vận chuyển cát trong hớng cắt ngang đờng bờ (4) ý nghĩa vật lý của công thức ớc tính chiều sâu ngỡng của chuyển động bùn cát
Để xác định phạm vi của đê chắn sóng (chiều sâu nớc ở đầu) và chiều sâu ngỡng cần thiết của chuyển động bùn cát khi tìm đờng biên ngoài khơi của biến dạng bãi biển, cần tiến hành khảo sát hiện trờng bằng cách dùng cát xilic phóng xạ để đánh dấu. Dựa vào các kết quả quan sát đợc, ngời ta xác định đợc các điêù kiện chuyển động bùn cát ven bờ nh sau:
(a) Chuyển động lớp mặt
Nh đã cho trong Hình T.10.1.4 (a) các đờng đẳng lợng cho biết sự phân bố của cát xilic phóng xạ sau khi sóng tác động lên chúng ở trên đáy biển chứng tỏ rằng tất cả cát đã chuyển động theo h - ớng của sóng. Nhng vị trí của điểm đếm cao nhất nằm tại điểm đa cát vào, cho thấy không có chuyển động. Điều này tơng ứng với tình trạng trong đó cát mặt chuyển động tập thể do bị kéo, song song víi híng sãng
(b) Chuyển động tổng
Nh đã thấy trong Hình T.10.1.4(b), ở đây nêu tình trạng trong đó các đờng đẳng lợng và phần
đếm cao nhất chuyển động theo hớng sóng. Điều này tơng ứng với tình trạng chuyển động cát rõ ràng với kết quả của sự thay đổi hiển nhiên trong chiều sâu nớc. Chiều sâu ngỡng của chuyển
động tổng của bùn cát thờng đợc tính khi chiều sâu ngỡng của chuyển động bùn cát đợc nghiên cứu nhằm mục đích kỹ thuật
ChiÒu cao sãng H
Biên độ tốc độ dòng chay ở mặt đáy
Vùng sóng đập vào bờ Vùng sóng vỡ Vùng ngoài khơi
Chuyển động trong vùng sóng leo Khuấy động do sóng vỡ Bùn cát lơ lửng trên các sóng cát Dòng đối l u đáy Dòng chảy gần bờ Bùn cát lơ lửng do sóng vỡ Dòng chảy tẩng Bùn cát lơ lửng trên các sóng cát Chuyển động bùn cát đáy Độ sâu ng ờng của chuyển động bùn cát đáy
Hình T.10.1.4 Sự lan toả của cát xilic phóng xạ trong chuyển động lớp mặt và chuyển động tổng
Dựa trên dữ liệu hiện trờng, kiến nghị hai phơng trình để ớc tính chiều sâu ngỡng của chuyển động bùn cát lớp mặt và của chuyển động tổng
(c) Chiều sâu ngỡng của chuyển động bùn cát lớp mặt
(d) Chiều sâu ngỡng của chyển động tổng của bùn cát
trong đó :
Lo : chiều dài sóng nớc sâu (m)
Ho : chiều cao sóng nớc sâu tơng đơng (m) L : chiều dài sóng tại chiều sâu nớc hi (m) H : chiều cao sóng tại chiều sâu nớc hi (m)
d : cỡ hạt bùn cát (cỡ hạt trung bình hoặc đờng kính giữa) (m) hi : chiều sâu ngỡng của chuyển động trầm tích (m)
Cần lặp lại các tính toán để ớc tính chiều sâu ngỡng bằng cách sử dụng phơng trình (10.1.4) và (10.1.5). Đã chuẩn bị các đồ thị tính toán giống nh trong Hình T.10.1.5(a) và (b) để có thể tính dễ dàng các chiều sâu đó. Khi tìm đợc d/Lo và Ho/Lo, có thể xác định đợc h/ Lo
(5) Vận chuyển bùn cát dọc bờ
Hớng chủ đạo của vận chuyển bùn cát dọc bờ đợc xác định bằng cách sử dụng các thông tin sau : (a) Địa hình bờ biển tự nhiên và của các kết cấu bờ biển xung quanh (xem Hình T.10.1.6)
(b) Phân bổ dọc bờ của các đặc trng bùn cát (đờng kính giữa, cấu tạo khoáng chất) (c) Hớng chuyển động của cát phóng xạ đánh dấu
(d) Hớng của luồng năng lợng sóng tới
Để ớc tính khối lợng vận chuyển trầm tích dọc bờ, phải chuẩn bị và điều tra đầy đủ các dữ liệu sau
®©y :
(a) Dữ liệu quan sát liên tục sự thay đổi khối lợng bùn cát trong khu vực xung quanh một kết cấu bê biÓn
(b) Dữ liệu về thành phần dọc bờ của luồng năng lợng sóng
(c) Dữ liệu liên quan đến tốc độ dòng bùn cát ven bờ ở vùng bờ biển xung quanh (d) Dữ liệu khối lợng nạo vét trớc đây
(e) Dữ liệu quan sát liên tục về khối lợng lắng đọng tại vị trí nạo vét thí nghiệm
(a) Chuyển động lớp mặt (a) Chuyển động tổng
Sãng Sãng
Điểm đa vào Điểm đa vào
Điểm đếm cao nhất
Điểm đếm cao nhất
Đờng đẳng lợng Đờng đẳng lợng
(f) Dữ liệu về khối lợng chuyển động của cát huỳnh quang đánh dấu rải trong khu vực sóng vỡ Có thể dùng nhiều phơng trình khai thác để ớc tính một giá trị gần đúng của lu lợng vận chuyển bùn cát dọc bờ. Phơng trình ớc tính bùn cát dọc bờ thờng đợc cho trong biểu thức nêu trong phơng trình (10.1.6), với hệ số α cho các phơng trình khác nhau đợc cho trong Bảng T.10.1.1
Hình T.10.1.5(a) Đồ thị tính chiều sâu ngỡng cuả chuyển động bùn cát lớp mặt
Hình T.10.1.5(b) Đồ thị tính chiều sâu ngỡng của chuyển động tổng của bùn cát
trong đó :
Qx : lu lợng vận chuyển bùn cát dọc bờ (m3/s)
Ex : thành phần dọc bờ của luồng năng lợng sóng (kN. m/m/s) Kr : hệ số khúc xạ giữa điểm quan sát sóng và điểm sóng vỡ nA :tỷ số giữa vận tốc nhóm và tốc độ sóng tại điểm quan sát sóng wo : = ρog
ρo : tỷ trọng nớc biển (t/m3) (1030 kg/m3) g : gia tốc trọng trờng (m/s2) (9,81 m/s2) HA : chiều cao sóng tại điểm quan sát sóng (m) LA : chiều dài sóng tại điểm quan sát sóng (m) T : chu kú sãng (s)
αb :góc sóng tới tại điểm sóng vỡ (O)
Bảng T.10.1.1. Hệ số α cho phơng trình lợng vận chuyển trầm tích dọc bờ
Savage Sato và Tanaka Đoàn kỹ s quân đội Mỹ
0,022 0,03 0,04
(6) Hiện tợng trôi giạt dọc bờ trong vùng sóng vỡ.
Trong vùng sóng vỡ, các khối lợng cát lớn đợc đa vào chuyển động do sự tăng tốc độ hạt nớc gần
đáy, do dòng chảy rối gây ra bởi sóng vỡ, và do sự tồn tại của các dòng gần bờ. Chuyển động trầm tích khi phù sa lơ lửng nổi trôi có thể xem xét đợc bằng cách chia chuyển động thành hai loại:
(a) Quá trình lơ lửng của bùn cát do các xoáy nớc có hệ thống đợc tạo thành bởi sóng vỡ gây ra (b) Quá trình lắng mà trầm tích bị đập liên tục bởi những ngoại lực hỗn loạn sau khi các xoáy nớc có
tổ chức bị phá vỡ thành các xoáy lốc nhỏ. Hình T.10.1.7 cho các kết quả quan sát liên tục của mật độ bùn cát lơ lửng và tốc độ dòng nớc nằm ngang do Katoh tiến hành, trong vùng sóng vỡ ở hiện trờng. Mũi tên trắng trong hình chỉ các sóng bị phá vỡ ở về phía ngoài khơi của điểm quan sát và mũi tên đen chỉ các sóng đã đi qua điểm quan sát và vỡ ở phía gần bờ. Rõ ràng là mật độ Hình T.10.1.6. Địa hình bờ biển điển hình cho hớng chủ đạo của dòng bùn cát ven biển
Hớng chủ đạo Hớng chủ đạo
KÌ
Hớng chủ đạo
Hớng chủ đạo Dòng chảy của sông
Hớng chủ đạo Hớng chủ đạo
Bên trong cảng Bờ biển đang xói mòn đợc
bảo vệ bởi lớp ốp mặt Bãi biển hẹp
Tích tụ của dòng bùn cát ven biển Bãi biển rộng
Đê chắn sóng gián đoạn
Bãi biển hẹp Bãi biển rộng
Doi cát