5. Nội dung luận văn
4.4.4 Cơ sở lý thuyết của giải pháp nuôi bãi
4.4.4.1 Đặc điểm quá trình thủy động học ven bờ
Bùn cát hiện hữu ở bãi biển và bùn cát nuôi bãi là đối tượng chịu tác động liên tục của quá trình thủy động lực học ven bờ. Dưới ảnh hưởng của sóng và dòng chảy, bùn cát này sẽ được vận chuyển theo cả hai phương dọc bờ và ngang bờ và kết quả là bãi biển được nuôi bãi liên tục thay đổi hình dạng cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng. Do vậy trước hết cần hiểu quá trình thủy động lực học ven bờ trước khi đi vào thiết kế hay thi công một dự án nuôi bãi cụ thể. Quá trình thủy động lực học ven bờ thường được hiểu bao gồm hai quá trình là quá trình thủy động lực học và quá trình hình thái học. Sự tác động của quá trình này chịu sự tác động của gió và triều. Gió là tác nhân trực tiếp của sự vận chuyển bùn cát trên bãi biển khô và tạo ra sóng, dòng chảy ven bờ, trong khi triều chủ yếu gây ra do dòng chảy do triều theo từng chu kỳ nhất định. Chúng là các nhân tố gây vận chuyển bùn cát và làm thay đổi địa hình đáy cũng như vị trí đường bờ. Quá trình vận chuyển bùn cát
68
xảy ra mạnh mẽ nhất ở vùng có sóng vỡ vì năng lượng sóng vỡ sẽ chuyển thành năng lượng rối làm xới tung bùn cát đáy. Quá trình sóng vỡ tạo ra sự chuyển động vào bờ của khối nước trên mặt và đồng thời tạo ra sự chuyển động tách bờ của phần nước dưới đáy, dòng này thường gọi là dòng tách bờ. Dòng tách bờ là nhân tố chủ yếu vận chuyển bùn cát lơ lửng ra xa bờ trong quá trình sóng vỡ. Khi sóng tới xiên góc với bờ, sự chuyển động của khối nước trên mặt khi sóng vỡ tạo ra tiếp xúc với bờ và tạo ra dòng chảy dọc bờ.
Năng lượng rối của sóng vỡ và vận tốc quỹđạo hạt nước làm xới tung bùn cát đáy tạo thành bùn cát lơ lửng. Bùn cát lơ lửng này được vận chuyển đi bằng dòng chảy dọc bờ và dòng chảy ngang bờ. Ngoài việc vận chuyển bùn cát lơ lửng, bùn cát đáy cũng được vận chuyển hướng vào bờ tùy thuộc vào mức độ bất đối xứng của quỹ đạo vận động của sóng tới. Sự vận chuyển bùn cát dọc bờ trong vùng nước nông chịu tác động chủ yếu bởi dòng chảy do sóng gây ra. Bên ngoài vùng sóng vỡ, vận chuyển bùn cát dọc bờ cũng xảy ra nhưng nguyên nhân là do các dòng triều. Khi xảy ra sự mất cân bằng giữa lượng bùn cát vận chuyển đến và lượng bùn cát bị vận chuyển đi thì sẽ dẫn đến sự thay đổi về địa hình đáy và vị trí đường bờ. Sự mất cân bằng bùn cát có thể xảy ra ngắn hạn theo mùa hoặc xảy ra dài hạn. Trường hợp xói bồi theo mùa thực chất bùn cát không mất đi mà chỉ vận chuyển ra xa bờ trong mùa biển động và được vận chuyển vào bờ trong mùa sóng ôn hòa. Hiện tượng này là tác nhân chủ yếu là vận chuyển bùn cát dọc bờ gây ra. Trường hợp xói mãn tính gây ra bởi dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ. Quá trình vận chuyển bùn cát ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của dự án nuôi bãi.
4.4.4.2 Quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ
Vận chuyển bùn cát tại một điểm bất kỳ trong vùng ven bờ luôn bao gồm cả hai thành phần vận chuyển theo phương dọc bờ và ngang bờ. Vận chuyển bùn cát theo phương dọc bờ đã được nghiên cứu trong vòng 5-6 thập
69
kỷ cho tới nay. Khác với vận chuyển bùn cát dọc bờ thì vấn đề vận chuyển bùn cát ngang bờ mới được quan tâm nghiên cứu trong một vài thập kỷ gần đây và có rất nhiều vấn đề cần làm rõ.
Vận chuyển bùn cát ngang bờ bao gồm vận chuyển bùn cát theo hướng xa bờ và vận chuyển theo hướng vào bờ. Vận chuyển bùn cát theo hướng xa bờ xảy ra trong điều kiện sóng có chu kỳ nhỏ và chiều cao sóng lớn như điều kiện sóng bão, bùn cát này lắng đọng ở vị trí xung quanh biên sóng vỡ và hình thành các dải cát ngầm song song với bờ ( thường được gọi là các bar) và bờ biển có xu hướng xói. Vận chuyển bùn cát theo hướng vào bờ xảy ra trong điều kiện biển lặng vào mùa hè và chiều cao sóng nhỏ và chu kỳ sóng lớn. Trong điều kiện này, bùn cát tại bar sẽ được vận chuyển dần vào bờ và bờ biển có xu hướng bồi. Vận chuyển bùn cát ngang bờ liên quan đến một số khía cạnh kỹ thuật biển sau:
Sự thay đổi của bãi biển và đụn cát trong điều kiện bão.
Quá trình đạt đến trạng thái cân bằng khi nuôi bãi được thực hiện tại mặt cắt dốc hơn mặt cắt ngang cân bằng.
Nuôi bãi xa bờ với mong muốn vật liệu nuôi bãi sẽ được vận chuyển dần vào bờ.
Sự thay đổi đường bờ trong điều kiện nước biển dâng.
Sự thay đổi đường bờ theo mùa.
Sóng tràn trong điều kiện nước dâng và thủy triều cao gây nên sự phá vỡ đụn cát và vận chuyển khối lượng lớn bùn cát vào khu vực phía trong bờ.
Vận chuyển bùn cát sát biên công trình cứng do dòng ngang bờ được tạo ra bởi sự kết hợp giữa dòng dọc bờ và công trình cứng.
Nguyên lý cơ bản của việc nuôi bãi chính là mặt cắt cân bằng. Theo R. Dean (1977), mặt cắt cân bằng là mặt cắt bãi biển mà ở đó lượng bùn cát do
70
sóng và dòng chảy mang đến bằng với lượng bùn cát mang đi. Theo Bruun và Dean, mặt cắt cân bằng được xác định bởi công thức (*). Nếu mặt cắt ngang bãi biển khác với dạng mặt cắt ở trạng thái cân bằng thì mức tiêu tán năng lượng sóng trên chiều rộng vùng sóng vỡ sẽ khác không. Khi đó, bồi-xói sẽ xảy ra.
d=A*x2/3 (*)
Trong đó, là hệ số tỷ lệ bùn cát: A= 0,21*D0,48, với D là đường kính hạt; x là khoảng cách từ bờ ra biển và d là độ sâu mực nước tại điểm x. Hình 4.15 là ví dụ minh họa cho công thức (*) của Bruun và Dean. [10]
Hình 4.15. Ví dụ minh họa mặt cắt cân bằng
Theo Moore (1982) và Dean (1987), hệ số kinh nghiệm A trong công thức (*) có tương quan với đường kính trung bình của hạt bùn cát trên bãi biển, và độ thô thủy lực hay là tốc độ lắng chìm tương ứng của hạt bùn cát.
Hình 4.16 cho thấy, khi giá trị của A là hàm số của đường kính hạt cát hay độ thô thủy lực của hạt cát. Kết quả của xu thế này phản ánh vai trò chi phối của A đối với độ dốc trung bình bãi biển và tương quan với đường kính hạt.
71
Hình 4.16. Sự phụ thuộc hệ số tỷ lệ bùn cát trong công thức của Dean
Do đó, để giảm tốc độ xói lở đối với bùn cát được bổ sung trên bãi biển, kích thước của hạt cát sử dụng nuôi bãi cần phải bằng hoặc lớn hơn kích thước của hạt cát tại nơi nuôi bãi. Tuy nhiên sự khác biệt giữa hai kích thước hạt cát trước và sau khi nuôi bãi không nên quá lớn, vì nó có thể tạo thành các mái dốc vượt quá mức cho phép hoặc gây hiện tượng xói lở ở hạ lưu của bãi cát được nuôi dưỡng do các hạt cát thô bị giảm sự di động.
Hình 4.17 là mặt cắt cân bằng bãi biển Đồi Dương tương ứng với đường kính hạt D50=0,25mm.
72
Đối với khu vực Đồi Dương, nguồn bùn cát cung cấp có thể lấy từ các đồi cát trên lục địa hoặc tại các vùng nước được che chắn (các cửa sông), bảo vệ. Bên cạnh đó, nguồn cát bổ sung có thể được lấy từ các điểm khai thái Titan tại các khu vực lân cận hoặc từ các dự án nạo vét tuyến luồng sông...
Giải pháp nuôi bãi nhân tạo là giải pháp thực tế và có nhiều ưu điểm. Sau khi nuôi bãi, bờ biển được tái tạo lại ngay. Đây cũng là giải pháp có ảnh hưởng ít nhất tới các vùng lân cận. Ngoài ra phải kể đến một ưu điểm đáng chú ý khác nữa đó là chi phí nuôi bãi, nó thường nhỏ hơn so với chi phí xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển khác. Nhưng giải pháp này cũng có điểm hạn chế, đó là nó chỉ có tính tạm thời, quá trình nuôi bãi, một là phải tiến hành liên tục, hoặc phải lặp lại sau một vài năm.
Để đảm bảo độ chắc chắn cho công trình nuôi bãi sau khi hoàn thành, cần có những công trình kết hợp hoặc các biện pháp ổn định nguồn vật liệu trầm tích cung cấp cho bãi.
Như đã đề cập ở chương 3, việc xây dựng đê chắn sóng tại các cửa sông đã làm gián đoạn nguồn vận chuyển trầm tích dọc theo đường bờ. Do đó, để phục hồi nguồn vận chuyển trầm tích, cần có những biện pháp rút ngắn chiều dài các đê chắn sóng. Tuy nhiên, việc rút ngắn chiều dài đê chắn sóng là không thể vì điều này sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của các tàu trú bão bên trong cửa sông.