Chuyển động của một vật nổi và lực neo có thể tính bằng một phơng pháp giải tích thích hợp hoặc bằng các thí nghiệm mô hình thuỷ lực, phù hợp với hình dạng của vật nổi và các đặc trng của ngoại lực và hệ thống neo
[Chú giải]
Chuyển động của một vật nổi có thể xác
định bằng cách giải phơng trình cân bằng
động lực, với các ngoại lực là các lực do gió và sóng, lực phục hồi vị trí của bản thân vật nổi và các phản lực của dây neo và thiết bị chống va. Nếu giả định vật nổi là một vật cứng, các chuyển động của nó gồm có 6 thành phần nêu trên Hình T- 8.3.1, cụ thể là tiến lên lùi xuống, đu đa , lắc đứng, lắc dọc, lắc ngang, đảo hớng.
Trong số đó, các kiểu đại diện cho chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang là tiến lên lùi xuống, đu đa (qua phải qua trái), xoay qua xoay lại có thể tạo ra các dao động chu kỳ dài một vài phút hoặc hơn nữa. Các dao đọng chu kỳ dài đó có
ảnh hởng lớn đến diện tích chiếm giữ của một tàu ở phao neo và việc thiết kế hệ thống neo. Do đó, ta có thể xem xét riêng các dao động chu kỳ dài, chỉ lấy lực trôi giạt do sóng và các thành phần dao động
chu kỳ dài của gió và sóng làm ngoại lực khi phân tích.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Phơng pháp giải phơng trình chuyển động
(a) Phơng pháp giải trạng thái ổn định đối với phơng trình chuyển động phi tuyến
Phơng trình chuyển động đối với một vật nổi là phi tuyến, có nghĩa là không dễ có lời giải. Tuy nhiên nếu gỉa định biên độ chuyển động là nhỏ và các phơng trình chuyển động đợc tuyến tính hoá bằng cách dùng các cách tính gần đúng tuyến tính cho các số hạng phi tuyến, có thể có
đợc các lời giải tơng đối dễ dàng. Ví dụ, với một vật nổi 3 chiều, ta hoàn tất với một hệ thống 6 phơng trình tuyến tính đồng thời liến quan đến các biên độ và pha của 6 cách chuyển động.
Chú ý rằng nếu vật nổi đợc giả định là vật cứng và chuyển động của nó là tuyến tính, khi đó chuyển động tỷ lệ với ngoại lực. Đặc biệt, nếu không có dòng chảy và gió, chuyển động sẽ tỷ lệ với chiều cao sóng.
(b) Mô phỏng số các chuyển động phi tuyến
Lực kéo do gió và lực kéo do dòng chảy nói chung là phi tuyến, hơn nữa các lực kìm chế của thiết bị neo cũng thờng là phi tuyến. Trong trờng hợp này, một phơng pháp giải hữu hiệu là dùng một mô phỏng số trong đó các phơng trình chuyển động đợc giải dần với nhiều bớc thời gian. Mô phỏng số nh vậy ngày nay là chuyện thờng. Đầu tiên, các dữ liệu chuỗi thời gian (sẽ dùng làm ngoại lực) sẽ có đợc đối với lực do sóng gây ra và vận tốc dòng chảy do sóng từ số liệu đa vào của phổ sóng tới, cũng nh vận tốc thay đổi của gió từ phổ gió. Ngoại lực có đợc từ dữ liệu chuỗi thời gian đó đợc đa vào các phơng trình chuyển động của vật nổi, và tính đợc dữ
liệu chuỗi thời gian đối với chuyển động của vật nổi và lực neo.
Mô phỏng số đợc dùng để phân tích chuyển động tất cả các loại vật nổi. Ví dụ, Ueda và Shiraishi đã tiến hành mô phỏng số về chuyển động của một tàu đang neo, và Suzuki và Moroichi đã phân tích chuyển động lắc l của một tàu neo ở một phao.
Chú ý rằng thờng giả định các vấn đề sau đây làm tiền đề trong một mô phỏng số: (1) chất lỏng là một chất lỏng lý tơng, (2) biên đôn chuyển động của vật nổi là nhỏ, (3) các sóng tới là tuyến tính và cho phép chúng đợc xếp chồng. Nếu không thể đảm bảo các giả định này, cần thí nghiệm mô hình thuỷ lực.
(2) Thí nghiệm mô hình thuỷ lực
Thí nghiệm mô hình thuỷ lực là một kỹ thuật mạnh để xác định chuyển động của một vật nổi và lực neo. Tới nay, thí nghiệm mô hình thuỷ lực đã đợc tiến hành cho tất cả các loại vật nổi. Xem các ví dụ trong tài liệu tham khảo 5) và 6)
(3) Định luật tơng tự đối với hệ thống neo
Hình T-8.3.1. Các thành phần chuyển động của tàu Lắc đứng Đảo hớng Lắc
ngang
Tiến lên lùi xuống Lắc dọc
§u ®a
chỉ đơn thuần giảm xuống còn vẫn giữ nguyên hình dáng, nh vẫy định luật tơng tự không đợc giữ
đúng, mà cần phải hạ thấp mô đun đàn hồi của vật liệu dùng trong mô hình so với dùng trong nguyên mẫu. Trong thực tế, có thể không có khả năng tìm đợc vật liệu nh vậy, khi đó phải dùng
đến những giải pháp khác.
[Tài liệu tham khảo]
CH ƯƠ NG 9 Thuỷ lực cửa sông 9.1 Tổng quát (Điều 8 Thông báo)
Khi qui hoạch và thiết kế các công trình trong cảng ở một cửa sông đổ ra biển, phải
đánh giá thoả đáng các hiện tợng thuỷ lực cửa sông nh tình trạng dòng chảy ở các thời điểm nớc cao và nớc thấp trong sông, trầm tích đáy, các thay đổi thuỷ triều và các dòng chảy tỷ trọng, và sự cùng tồn tại của sóng và dòng chảy sông.
[Chú giải]
Ngoài ảnh hởng của lợng nớc ngọt chảy ra trong mùa lũ và mùa kiệt, sự vận tải phù sa từ các con sông, cửa sông cũng bị ảnh hởng bởi các sự thay đổi mực nớc thuỷ triều, sóng, các dòng triều, các dòng ven và dòng bùn cát ven bờ biển. Nh một kết quả, một số hiện tợng thuỷ lực xảy ra, ví nh các sự thay đổi theo chu kỳ trong mực nớc và tốc độ dòng chảy, sự hình thành các dòng chảy tỷ trọng, và sự lắng đọng phù sa. Các hiện tợng này có ảnh hởng lớn đến chế độ dòng chảy ở cửa sông và sự vận chuyển phù sa và các vấn đề khác. Do đó cần xem xét đến cả hai điều kiện sông và biển khi xử lý các vẫn đề thuỷ lực cửa sông.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Thuỷ triều trong sông
Cao độ mặt nớc trong một lòng sông có thể tính theo phơng trình (9.1.1) hoặc (9.1.2) (a) Khi cã thÓ bá qua thuû triÒu (Xem H×nh T-9.11)
(b) Khi phải xét đến thuỷ triều:
trong đó
∆h: chênh lệch chiều sâu nớc giữa hai tiết diện ngang (m)
h1: chiều sâu nớc tại điểm 1 (m) h2: chiều sâu nớc tại điểm 2 (m) z1: chiều cao lòng sông trên một cao độ chuẩn tuỳ ý tại tiết diện 1 (m)
z2: chiều cao lòng sông trên một cao độ chuẩn tuỳ ý tại tiết diện 2 (m)
z: chiều cao lòng sông trên một cao độ chuẩn tuỳ ý (m)
α : hệ số vận tốc α = 1,0
Q: lu lợng dòng sông (m3/s) A: diện tích tiết diện ngang (m2) K: công suất tải dòng chảy của
tiết diện ngang (m3/s)
R: bán kính thuỷ lực (m)
Hình T-9.1.1. Sơ đồ các đ ờng mặt nuớc
Trắc ngang 1 Trắc ngang 2
B: chiều rộng sông (m)
H: mực nớc từ cao độ chuẩn tuỳ ý (m) H = h + z i: độ dốc đáy sông
g: gia tốc trọng trờng (g = 9,81 m/s2)
Phơng trình (9.1.1) là một dạng biến đổi của phơng trình cơ bản đối với dòng không đều trong một luồng có tiết diện ngang tuỳ ý. Do đó, nó không thể áp dụng vào một cửa sông ở đó có ảnh h ởng triều mạnh và khi triều dâng, có một dòng chảy ngợc vào trong sông. Tuy nhiên, nó có thể áp dụng vào một cửa sông ở đó biên độ thuỷ triều nhỏ (ít hơn 20cm) và đoạn sông bị ảnh hởng thuỷ triều không dài (khoảng 3 đến 4km ngợc dòng). Cũng vậy, nó chỉ có thể dùng để ớc tính bậc của các đại lợng thuỷ lực trong giai đoạn qui hoạch, vì tính toán chỉ là tính gần đúng trong khi bỏ qua thuỷ triều.
Phơng trình (9.1.2) đại diện cho các phơng trình chuyển động và tính liên tục đã đợc biến đổi từ các phơng trình cơ bản đối với dòng chảy không ổn định trong một dòng sông, trong đó lu tốc và mực n- ớc là các biến số. Để ớc tính mực nuớc mặt và lu tốc do tác động của triều và sự lan truyền của sóng thần vào cửa sông, có thể có đợc các lời giải đồng thời bằng phơng trình (9.1.2) với các điều kiện biên thích hợp. Tuy nhiên, với một luồng có tiết diện ngang thay đổi, không dễ giải các phơng trình (9.1.2) bằng số.
(2)Sóng đi vào một cửa sông
Sau khi đi vào một cửa sông, sóng bị biến dạng bởi dòng chảy. Ngoài vấn đề khúc xạ do chiều sâu nớc, khúc xạ do sự khác nhau về hớng đi giữa sóng và dòng chảy làm cho chiều cao sóng giảm dần. Tuy nhiên, khi hớng của sóng ngợc hẳn với hớng của dòng chảy, chiều cao sóng có thể tăng lên do sự trao đổi năng lợng thông qua tác động hãm lại của dòng chảy trong sông hoặc ứng suất bức xạ. Khi sóng với chiều cao đã tăng thêm đi sâu vào trong sông, chiều cao sóng giảm dần do tác động của ma sát ngoài và ma sát trong và sự chảy rối của dòng chảy. Các tác động ng ợc nhau này liên quan tới tính chất của dòng chảy trong sông và của sóng, và cơ chế của sự thay đổi chiều cao sóng rất phức tạp.
(a) Biến dạng của sóng do dòng chảy Nh đã thấy trong Hình T-9.1.2, khi sóng lan truyền đi qua đờng biên gián đoạn thẳng theo một góc giữa vùng I có n - ớc yên tĩnh và vùng II có nớc chảy với một vận tốc đều, khúc xạ sẽ xảy ra ở đ- ờng biên, làm thay đổi tốc độ và chiều cao sóng. Nếu có thể coi sóng là sóng nớc sâu (nghĩa là nớc đủ sâu so với chiều dài sóng ở cả hai vùng I và II) ph-
ơng trình tốc độ sóng C = gL 2 dẫn
đến các phơng trình (9.1.3) và (9.1.4)
Sự biến dạng của sóng nớc sâu lan truyền theo hớng ngợc hẳn với dòng chảy đợc cho bởi ph-
ơng trình (9.1.5)
trong đó:
: góc giữa đờng biên và đỉnh sóng (0)
u: tốc độ dòng chảy đều trong vùng II (m/s) (dơng khi dòng chảy theo hớng lan truyền sóng,
âm khi ngợc lại)
Hình T-9.1.2. Khúc xạ sóng do dòng chảy của sông
Híng sãng
Vùng I: nớc tính W = 0 Vùng II: nớc chảy
W Dòng chảy đều
Đỉnh sóng sãng
Đỉnh sóng sãng
L: chiêu dài sóng (m) C: tốc độ sóng (m/s) H: chiÒu cao sãng (m)
Chú ý rằng ký hiệu 1 chỉ vùng I (nớc tĩnh) còn ký hiệu 2 chỉ vùng II (nớc chảy). Phơng trình (9.1.3) là do Johnson 1) kiến nghị, còn phơng trình (9.1.4) do Longuet-Higgín và Stewart2) giới thiệu. Phơng trình (9.1.5) là quan hệ do Yu3) có đợc. Theo phơng trình (9.1.5) chiều cao sóng sẽ tăng trong dòng chảy ngợc hẳn, và sự vỡ của sóng sẽ xảy ra theo lý thuyết khi u = -C/4. Tuy nhiên, theo các thí nghiệm của Yu, các sóng sẽ vỡ một phần lân cận u = -C/7, và chiều cao sóng giảm. Nhân đây, cần nói rằng phơng trình (9.1.5) không thể áp dụng sau khi sóng đã vỡ.
(b) Biến dạng của sóng do dòng chảy (chiều sâu nớc hữu hạn)
Gần một cửa sông, nơi chiều sâu nớc tơng đối nông so với chiều dài sóng của sóng tới, sự biến dạng của sóng phụ thuộc vào tính chất của cả sóng và dòng chảy, cùng với sự tơng tác không tuyến tính giữa chúng. Do đó không dễ ớc tính chiều cao sóng
Arthur 4) đã tiến hành các tính toán trong đó ông chỉ rõ độ sâu đáy biển và sự phân bổ vận tốc dòng chảy. ông giả định các sóng dài tuyến tính, trong đó vận tốc pha của sóng so với dòng chảy đợc cho bằng gh và không bị ảnh hởng bởi dòng chảy của sông. Tuy nhiên, vận tốc của sóng thờng bị
ảnh hởng của dòng chảy và khác với trờng hợp không có dòng chảy
Đối với biến dạng của sóng gần cửa sông, Iwagaki và các cộng sự đã kiến nghị một phơng pháp
để tính khúc xạ sóng trong một trờng dòng chảy trên đáy không bằng phẳng. Tuy nhiên, vì vận tốc pha và vận tốc nhóm của sóng liên quan tới dòng chảy không thể cho trớc, nên không thể có bất kỳ thảo luận định lợng nào.
Sakai 5) và các cộng sự đã kiến nghị một phơng pháp tính toán bằng số để có đợc phổ hớng sóng của sóng không đều gần một bờ biển có chiều sâu nớc thay đổi và có dòng chảy. Ông nêu một vài trờng hợp tính toán. Ví dụ có một xu hớng là sự thay đổi trong các hớng sóng chính bị ảnh hởng chủ yếu bởi chiều sâu nớc và các thành phần sóng với tần số cao hơn tần số đỉnh bị ảnh h- ởng bởi dòng chảy. Tuy nhiên, có nhiều vấn đề cần nghiên cứu thêm trong đó đã cho các điều kiện sãng vì
Về tính chất của sóng ngay sau khi chúng tiến vào một cửa sông và đi ngợc với dòng chảy, Hamada đã xác định các sự thay đổi mà các sóng nớc nông ổn định đã phải trải qua trong khi đi ngợc cửa sông cho cả hai trờng hợp sự phân bố vận tốc theo chiều thẳng đứng là đồng đều và parabôn.
Theo các tính toán của Hamada, khi h = 15cm, T = 1,2s và u = 20cm/s, với cả hai trờng hợp phân bố chiều cao sóng tăng khoảng 5% so với trờng hợp không có dòng chảy của sông. Tuy nhiên, mức độ chiều cao sóng tăng lên và chiều dài sóng giảm đi theo dòng chảy trong sông, phân bố vận tốc parabol hơi lớn hơn so với phân bố đều
(3) Sa bồi và việc duy tu luồng sông (a) Sa bồi
Khi xây dựng một cảng, thờng cần phải tiến hành nạo vét, nghĩa là đào đáy biển để làm sâu đáy biển, tạo ra luồng hàng hải, vụng neo tầu và các vụng tàu nhỏ. Ngay với một cảng đã có, nếu các tầu tới cảng sẽ tăng về kích thớc, cần tiến hành nạo vét để tăng thêm chiều sâu nớc của luồng hàng hải và vụng neo tàu. Sa bồi trên đáy biển thờng chịu các ngoại lực nh dòng chảy và sóng.
Điều đó có nghĩa là ngay cả sau khi việc xây dựng cảng đã hoàn thành, cần tiếp tục nạo vét để duy trì các chức năng của cảng vì xẩy ra sa bồi.
Sa bồi trong phần cửa sông của vịnh thờng gồm có các hạt mịn nh sét và bùn (dới đây gọi là bùn). Hiện tợng mà các chất lắng đọng mịn đợc thu gom, vận chuyển và tích tụ lại ở đáy biển đợc gọi là sa bồi . ở Nhật bản, cảng Kumamoto và cảng Miike ở biển Ariake và vài cảng ở biển Suo“ ”
cả sóng và dòng chảy tồn tại đồng thời, và việc kết tụ đợc xúc tiến trong vùng trộn lẫn nớc mặn và n- ớc ngọt.
Sự khác nhau chính giữa sa bồi và dòng bùn cát ven bờ (chủ yếu là cát) là từ các cỡ hạt khác nhau. Bùn dẫn đến sa bồi có xu hớng kết tụ do sự xáo trộn nớc sông và nớc biển trong cửa sông. Sự kết tụ tạo ra các sự thay đổi lớn trong các đặc điểm lắng đọng của sa bồi mịn. Các hạt mịn của bùn lắng đọng trên đáy biển trải qua một quá trình khử nớc và tạo thành lớp sa bồi đáy, sau đó cờng độ của nó tăng dần qua một khoảng thời gian dài cô kết. Do đó, đặc điểm độ bền của bùn chống lại sự bào mòn bởi ngoại lực nh sóng và dòng chảy thay đổi, nói một cách chặt chẽ, phụ thuộc vào các đặc
điểm đặc trng của bùn (thời gian đã qua sau khi lắng (mức độ cô kết) cấu trúc, hàm lợng nớc, hàm l- ợng chất hữu cơ vv...). Đấy là sự khác nhau chính giữa sa bồi và bùn cát ven bờ, trong đó cát thờng đ- ợc xem nh hạt riêng lẻ.
Gần đáy biển tỷ trọng của bùn thờng thay đổi theo chiều sâu. Trong cảng bị sa bồi nhiều, phải nỗ lực nhiều trong việc đo đạc, duy tu và kiểm tra độ sâu nớc, kể cả trong luồng. Với các nơi mà sa bồi
đặc biệt rõ ràng, chiều sâu nớc của luồng có thể thay đổi hoàn toàn, do đó cần kiểm tra cao độ đáy thờng xuyên. Nếu chiều sâu nớc cần thiết không đủ cho việc chạy tàu an toàn, sa bồi đáy cần đợc nạo vét ngay.
Trong phần lớn các cảng trên thế giới bị sa bồi nhiều, đáy biển trong các luồng vào cảng bị phủ một lớp bùn lỏng, tỷ trọng bằng 1,05 ~ 1,30 g/cm2. Trong trờng hợp nh vậy, việc quan trọng là xác
định chiều sâu nớc đảm bảo tàu chạy an toàn, vì việc xác định này ảnh hởng trực tiếp đến thời gian và khối lợng nạo vét. Việc đo chiều sâu bằng cách thả dây dọi hoặc máy siêu âm phải đợc tiến hành trong thời gian dài nhằm quản lý và duy tu luồng chạy tàu. Trong việc siêu âm, một lớp bùn có thể bị phát hiện bằng cách dùng các tần số khác nhau. Hai tần số thờng dùng là 210 kHz (sóng âm ở tần số này đợc phản xạ từ bề mặt lớp bùn ) và 33 kHz (sóng âm ở tần số này đi qua lớp bùn lỏng song bị phản xạ lại khi gặp cát hoặc bùn có tỷ trọng cao hơn). Trong một số cảng châu Âu lớn nh Rotterdam, Teebrugge Dunkirk, Bordeaux và Nantes, cũng nh ở các cửa sông ở Brasil, Venezuela và Indonesia, bề mặt bị phát hiện bởi sóng âm 210 kHz và bề mặt bị phát hiện bởi sóng âm 33 kHz có thể chênh nhau vài mét. Tuy nhiên, chú ý rằng, nh vậy cha thực sự đủ để ấn định chiều sâu nớc cho việc chạy tàu chỉ đơn giản bằng việc sử dụng thiết bị này. ở Châu Âu, tại đó nhiều luồng tàu có vấn đề sa bồi nặng (đặc biệt trong cảng Rotterdam) chiều sâu nớc an toàn đợc quy định là chiều sâu tại đó tỷ trọng của vật liệu đáy không quá 1,2 g/cm3 7)
Ngoài yêu cầu về tỷ trọng này, phải thoả mãn hai tiêu chuẩn sau:
1. Ngay cả khi mớn tàu xấp xỉ bằng chiều sâu hàng hải, không đợc xẩy ra h hại nào cho thân tàu
2. Lực cản nhớt do đáy tàu đang chạy gây ra (nghĩa là đặc trng lu biến học) và sóng bên trong phát sinh tại biên bùn và nớc không gây ra một sự thay đổi bất kỳ nào trong chiều sâu nớc Tiêu chuẩn nêu trên đây có thể đợc xem nh chiều sâu nớc đã đợc xác định từ quan điểm vật lý. Mặc dù mong muốn cuối cùng là tiến hành đánh giá trực tiếp bằng một máy đo độ nhớt, có thể coi nh ở qiai đoạn kỹ thuật hiện tại, chiều sâu nớc đợc xác định bằng cách dùng giá trị tỷ trọng, đáng tin cậy nhất về kỹ thuật đo đạc. ở châu Âu8) đã phát triển loại thiết bị mới để đo tỷ trọng sa bồi trong các luồng chạy tàu sử dụng tia . ở Nhật Bản Ishizuka và Nemoto 9) đã phát triển một thiết bị đo đạc tỷ trọng sử dụng tia .
(b) Sự hình thành bùn lỏng
Lớp bùn lỏng thờng tìm thấy ở các cửa sông hoặc trên thềm lục địa gần bờ biển. Lớp này chứa bùn dày đặc ở điều kiện lỏng và dễ chuyển động. Nồng độ bùn trong lớp bùn lỏng ở trong khoảng 10.000 ~ 300.000 mg/l 9). Trong thực tế Kronel 9) định nghĩa lớp bùn lỏng phải có nồng độ bùn ít nhất 10.000 mg/l. Kirby và Parkerl 10) đã có sự phân bố theo chiều thẳng đứng của tỷ trọng bên trong một lớp bùn lỏng bằng cách dùng một thiết bị đo tỷ trọng sử dụng tính chất phát tán của tia . So sánh với kết quả đo bằng máy siêu âm, các ông đã kết luận rằng tỷ trọng của bùn lỏng
nằm trong phạm vi 1,05 ~ 1,3 g/cm3 (c) Tác dụng của đê ngầm
ở cảng Kumamoto, cảng này đợc xây dựng trên một bãi phẳng bùn rất mịn ở biển Ariake, ngời ta dự đoán luồng chạy tàu và vụng neo tàu sẽ bị sa bồi. Do đó, đã tiến hành quan sát hiện trờng quy mô lớn để nghiên cứu quá trình sa bồi trong khu vực này và đã nghiên cứu các dự án về các biện pháp đối phó. Trớc khi bắt đầu xây dựng, nghĩa là khi cha có gì trên biển, ngời ta cho làm ba cái hào để thí nghiệm sa bồi. Hào số một nằm ở vị trí có chiều sâu nớc 4m, còn hào số 2 số 3 cách nhau 100m nằm nơi nớc sâu 2m. Tất cả ba hào có cùng một kích thớc, nhng hào số 3 khác hai hào kia ở chỗ nó đợc bao quanh bởi một con đê cao 1,0m ngập trong nớc . Vị trí của các hào đợc nêu trong Hình T.9.1.3
Hình T.9.1.4 cho biết chuỗi thời gian của bùn lắng đọng trong mỗi hào, đo tại tâm của mỗi hào. Trong hai cơn bão lớn năm 1987, hào số một và hào số hai bị lấp rất nhanh, trên 90cm bùn lắng đọng trong đúng một ngày. Trong hào số 3, do có đê vây quanh, hầu nh không có bùn lắng
đọng. Cũng không có dấu vết của bất cứ một sự tập trung bùn đáng kể nào dọc phía ngoài đê