Kỹ thuật biển ( dịch bởi Đinh Văn Ưu ) - Tập 1 Nhập môn về công trình bờ - Phần 8 docx

144

23 Dòng chảy mật độ trong cảng
E.W. Bijker, J. de Nekker
23.1 Dòng triều trong cảng
Trong chơng này sẽ xem xét đến các ảnh hởng của dòng triều và dòng mật
độ lên các cảng đợc xây dựng dọc theo sông. Những thông tin trình bày ở đây
vẫn có thể sử dụng cho cả các cảng nằm dọc bờ biển xa các cửa sông cũng nh các
cảng không có các lu lợng nớc ngọt đổ vào.
Bảng 23.1 Triều trong cảng Rotterdam (Petroleumhaven II)
Thời gian
(giờ)
Mực triều
(m)
Dòng chảy sông
(m/s)
Dòng chảy trong
cảng

(cm/s)
0
1
2
3
4
5
6
7
8

9
10
11
12
-0,69
-0,50
-0,03
+0,52
+0,91
1.04
0,91
0,61
+0,25
-0,15
-0,47
-0,58
-0,62
-0,15
+0,08
0,60
0,75
0,44
+0,07
-0,44
-0,73
-1,03
-1,05
-0,85
-0,52
-0,30

0,9
2,2
3,2
2,1
1,1
0
-1,5
-2,1
-1,6
-1,1
-1,5
-0,8
0

Việc xây dựng các cảng dọc theo cửa sông thồng thờng làm tăng thể tích
triều của cửa sông. Chỉ có một số trờng hợp ngoại lệ khi có các công trình xây
dựng lớn, ảnh hởng bổ sung của sự gia tăng diện tích lên thể tích triều không đủ
lớn để làm thay đổi đáng kể đến cửa sông.
Chúng ta đã xem xét kỹ trong chơng 20 (hình 20.5) vai trò của quán tính đối
với việc kéo dài thời gian tồn tại dòng lên sau khi nớc cờng. Đối với cảng, các


145

thành phần quán tính không đủ lớn nên dòng chảy trong cảng sẽ dừng vào thời
điểm nớc cờng và nớc kiệt. Điều này sẽ đúng nếu nh dòng mật độ không có
đóng góp ảnh hởng của mình. Bảng 23.1 cho ta các số liệu đợc sử dụng để thể
hiện hình 23.1 cho ta thấy hiện tợng này đối với cảng Petroleumhaven II tại
Rotterdam. (Các ảnh hởng của dòng mật độ đã đợc loại trừ từ số liệu trên bảng
23.1). Do các dòng chảy có giá trị rất nhỏ, chúng đợc dẫn ra bằng cm/s.

Mực nớc
(m)





Dòng
chảy sông
(m/s)




Dòng
chảy cảng
(cm/s
)


Hình 23.1 Mực nớc và dòng chảy trong cảng Petroleumhaven II, Rotterdam

23.2 Dòng chảy mật độ trong cảng
Phân tầng mật độ tại các cửa ra vào của thuỷ vực cảng dựa vào trờng độ
muối đợc sơ đồ hoá trên hình 22.2 nh đã trình bày trong chơng trớc. Nh đã
phân tích, tại đây sự phân tầng không ổn định dẫn tới các thành phần dòng chảy
nh đợc trình bày trên hình 23.2. Dòng chảy của lớp mật độ cao có bậc đại lợng

ngang với dòng chảy từ thuỷ vực sông. Đờng cong của mặt phân cách này thỉnh
thoảng đợc gọi là đờng đáy khô. Đờng cong này bị uốn do ảnh hởng của ma
sát lên đáy.


146

Do khối lợng nớc trong cảng đợc giữ không đổi- bỏ qua phần tăng và rút-
nên dòng vào cảng phải cân bằng với dòng đi ra do chênh lệch mật độ. Với giả
thiết thông thờng dòng chảy theo mỗi hớng chiếm lĩnh một nửa độ sâu và hai
dòng này bằng nhau đối với kênh chữ nhật.

Hình 23.2 Các lực tác động của dòng chảy mật độ và chuyển động của nó
Theo lý thuyết ta có:
ghV
D
45,0

(23.01)

trong đó:
là mật độ tơng đối (chơng 22)
g là gia tốc trọng trờng,
h là độ sâu,
V
D
là vận tốc trên đờng đáy khô.
Trong thực tế, hệ số 0,45 đợc xem là quá lớn, thông thờng các giá trị trong
khoảng từ 0,3 đến 0,4 cho ta kết quả tốt hơn. Phơng trình 23.1 có thể so sánh
đợc, tuy không chính xác, với phơng trình 22.13 khi u

1
= u
2
= h/2.
Bảng 23.2 cho ta các giá trị độ muối của sông và cảng Rotterdam cùng với giá
trị đo đợc của dòng chảy mật độ. Giá trị trong bảng đợc tính theo số liệu độ
muối cho rằng nhiệt độ trong sông và trong cảng đồng nhất và bằng 16
o
C. Các
vận tốc dòng chảy mật độ đợc dẫn ra cho lớp mặt với hớng dơng chỉ dòng chảy
đi vào cảng. Bằng phép đối xứng, nh đã giải thích trên đây, dòng chảy trong lớp
dới đi theo hớng ngợc lại cũng với gía trị nh lớp trên. Một phần số liệu trong
bảng đợc dẫn ra trên hình vẽ 23.3.


147


Độ muối sông
(%o)



Độ muối cảng
(%o)




Dòng chảy mật

độ mặt
(m/s)



Hình 23.3. Độ muối và dòng chảy mật độ trong cảng (Petroleumhaven II, Rotterdam)
Chúng ta nhận thấy từ bảng 23.2 rằng biên độ của vận tốc dòng mật độ ít
nhiều phụ thuộc vào . Nếu nh lý thuyết và thực tế thống nhất với nhau thì ta
có thể tìm kiếm mối tơng quan giữa V
D
và

(từ phơng trình 23.01). Tuy
nhiên, hệ số tơng quan giữa V
D
và

đối với số liệu trên bảng 23.2 chỉ bằng
0,58. Điều này không có nghĩa là lý thuyết đã đảm bảo đúng, những so sánh sẽ
đợc tiến hành lại trong phần 23.4.
23.3 Tổng hợp các thành phần dòng chảy
Trong điều kiện tự nhiên của cảng có thuỷ triều, dòng chảy trong cảng sẽ là
tổng của các dòng đi vào và dòng chảy mật độ đi ra.
Trên hình 23.4 cho ta các phân bố lý tởng của dòng chảy và tổng hợp đối với
các thời gian khác nhau theo bảng 23.1 và 23.2.
Khi
fD
VV
thì sự hiện diện của dòng chảy mật độ không ảnh hởng tới thể
tích nớc tổng cộng đi vào cảng. Điều này đợc thể hiện trên hình 23.4 qua đờng

phân bố vận tốc cho các khoảng thời gian cách nhau 2 giờ. Quan trắc đồng thời
cho thấy các phân bố vận tốc có thể cộng với nhau theo lớp trong khi vận chuyển
trầm tích không thể làm tơng tự, ngoại trừ khi mật độ trầm tích không đổi trong
toàn lớp nớc. Điều này sẽ đợc trở lại trong phần tiếp theo của chơng này.
Bảng 23.2 Độ muối và dòng chảy tại Rotterdam

Thời gian Độ muối sông Độ muối cảng

V
D
trên mặt


148

(h) (%
o
) (%
o
) (cm/s)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

10
11
12
2,48
2,47
2,83
3,64
5,08
7,25
8,06
7,16
6,08
4,90
3,64
2,65
2,48
3,96
3,30
3.04
2,63
3,01
3,91
5,23
6,56
6,69
6,37
5,43
4,36
3,82
1,149 . 10

-3
5,952 . 10
-4

1,619 . 10
-4

7,830 . 10
-4

1,600 . 10
-3

2,567 . 10
-3

2,180 . 10
-3

4,616 . 10
-4

4,679 . 10
-4

1,128 . 10
-3

1,379 . 10
-3

1,325 . 10
-3

1,039 . 10
-3

3,0
4,0
1,2
-5,0
-8,0
-10,7
-10,3
-1,4
+2,1
2,5
2,5
2,1
2,1

Cho đến bây giờ chúng ta vẫn giả định rằng cảng có chiều dài vô hạn. Trong
phần tiếp chúng ta sẽ xem xét các điều kiện bổ sung đối với cảng có độ dài nhất
định.


149


Thêi

gian
(h)

Dßng vµo + Dßng mËt ®é = Dßng tæng céng




2









4







10


H×nh 23.4. Ph©n bè dßng ch¶y tæng hîp víi c¸c thêi gian kh¸c nhau

150

23.4 Dòng chảy trong các cảng bị giới hạn
Đờng cong đáy khô của lỡi mật độ đi vào cảng đợc thể hiện trên hình 23.2.
Phơng trình 23.01 mô tả vận tốc dịch chuyển đó. Vậy khoảng cách tối đa mà lỡi
mật độ có thể đạt đợc là bao nhiêu?


Hình 23.5. Sự biến đổi của dòng chảy mật độ trong cảng

Có hai điều kiện cần đáp ứng đối với lỡi mật độ đang tiếp tục đi vào thuỷ
vực cảng:
a. Cần có khu vực để tiếp tục xâm nhập,
b. Lực tác động (chênh lệch mật độ) còn tồn tại.
Trong đó điều kiện thứ nhất chỉ phụ thuộc vào hình thái của thuỷ vực, còn
điều kiện thứ hai lại phụ thuộc trực tiếp vào môi trờng nớc. Để có thể tách hai
điều kiện trên nhằm trao đổi chi tiết, chúng ta cho rằng ban đầu tất cả nớc
trong cảng và các vùng kề cận đều có mật độ bằng 1005 kg/m
3
. Trong một khoảng
nào đó mật độ nớc trong sông tăng lên đến 1015 kg/m
3
, và giữ nguyên không đổi,
nh vậy lực tác động (mục b vừa nêu) sẽ đợc giữ ổn định. Vùng biển đợc xem


151

xét không có triều. Cảng sẽ có dạng hình chữ nhật với độ sâu h = 7 m và dài L =
2500 m. (xem hình 23.5).
Sử dụng điều kiện 23.01 với các hệ số đã xác định, ta có thể tìm đợc vận tốc
dòng chảy mật độ:

)7)(81,9)(
1005
10051015
(35,0


D
V

(23.02)

= 0,289 m/s (23.03)

= 1042 m/h (23.04)


Với vận tốc nh trên, lỡi mật độ sẽ dịch chuyển hết toàn bộ chiều dài cảng
2500 m hết 2 giờ 24 phút. Sóng này sẽ phản xạ lại khi đạt đến bờ phía trong của
cảng tơng tự nh các sóng dài khác nó đi hết một khoảng thời gian đúng nh
vậy để quay lại đến cửa ra vào cảng sau 4 giờ 48 phút kể từ thời điểm sóng xuất
phát. Quá trình dịch chuyển của lỡi mật độ sau từng nửa giờ đợc thể hiện bằng
các đờng cong ngắt trên hình 23.5.
Sau 4 giờ 48 phút lỡi mật độ sẽ quay trở lại cửa ra vào cảng. Toàn bộ cảng
bây giờ đã bị nớc sông mặn hơn chiếm giữ, lúc này mật độ nớc ở đây bằng mật

độ nớc sông vì vậy quá trình sẽ ngừng vì không còn lực tác động do chênh lệch
mật độ nữa.
Vậy điều gì đã xẩy ra đối với toàn bộ nớc nhạt trớc đây chứa trong cảng?
Khối nớc này đã lan truyền đến toàn khu vực rộng lớn của sông trong dạng một
lớp mỏng, nếu có sóng tác động lớp này bị xáo trộn với các lớp nớc sâu hơn.
Ví dụ này cũng có thể dẫn đến một số kết luận căn cứ vào số liệu trên bảng
23.2 và hình 23.3. Độ muối trung bình (nếu chênh lệch mật độ do độ muối gây
nên) trong cảng tăng tuyến tính theo thời gian trong khoảng 4 giờ 48 phút nh
trên thí dụ vừa nêu, song do dòng chảy mật độ giữ không đổi trong khoảng thời
gian đó, nó chỉ phụ thuộc vào chênh lệch mật độ tại cửa cảng. Nh vậy mối tơng
quan trực tiếp giữa

và
D
V
trong thực tế không chính xác khi

đợc xác
định theo độ muối trung bình.
Chính khoảng thời gian cần thiết để dòng mật độ đi vào cảng và trao đổi đã
giả thích cho sự lệch pha giữa cực đại độ muối trên sông và các vùng kề cận nh
dẫn ra trên hình 23.3. Vậy có thể diễn ra sự trao đổi nớc hoàn toàn hay không?
Khả năng là hoàn toàn có, nó xẩy ra khi cực đại độ muối trong cảng nhỏ hơn cực
đại trong sông. Theo thời gian, do trao đổi, độ muối cực đại của nớc sông sẽ
không còn giữ nh trớc nữa. Một điều hiển nhiên rằng quá trình trao đổi toàn bộ
đợc diễn ra do thay đổi đột biến dòng mật độ giữa 6.1/2 và 7 giờ nh trên hình
23.3. Do không có sự thay đổi đột biến của độ muối, sự suy giảm vận tốc có thể bị
gây nên bởi sự suy giảm của lực tác động thực.

152


Hình 23.6 Dòng chảy mật độ trong cảng.

Loại vấn đề thứ hai liên quan tới việc thời gian không đủ để quá trình trao
đổi toàn bộ có thể xẩy ra, điều này nhìn chung khá phức tạp. Có thể xem xét vấn
đề này thông qua một ví dụ sau đây.
Ví dụ này cũng giống nh ví dụ vừa xét cho rằng cảng ban đầu chứa nớc có
mật độ 1005 kg/m
3
và sông có sự biến đổi mật độ đột ngột từ 1005 lên 1015 kg/m
3
.
Tuy nhiên bây giờ lại cho rằng nớc có độ mặn cao trong sông chỉ giữ trong
khoảng 1 giờ 12 phút, sau đó nớc sông lại quay về mật độ 1005 kg/m
3
. Nh vậy
mọi vấn đề xẩy ra hoàn toàn tơng tự nh thí dụ trên trong khoảng 1 giờ 12 phút
đầu. Điều này có thể thấy trên hình 23.6A. Sau 1 giờ 12 phút lời giải đợc dẫn ra
trên hình 23.6B. Lực tác động cũng sẽ không tồn tại lâu hơn. Động lợng sẽ giữ
cho khối nớc mặn tồn tại song nó sẽ bị biến dạng do độ không ổn định. Đờng


153

cong đáy khô sẽ phát triển tại phần cuối của mép khối nớc và tại đây có sự lan
truyền theo đáy cảng của một lớp mỏng hơn. Có khả năng lớp mỏng này sẽ bị mất
trong tầng sâu của sông. Việc đánh giá định lợng những yếu tố này vợt ra
ngoài khuôn khổ của giáo trình và không thật sự quan trọng đối với mục đích của

chúng ta là xác định lợng bùn đi vào cảng cùng với dòng nớc mặn. Một dạng
kết quả về mặt phân cách giữa hai khối nớc sau một thời gian đợc thể hiện trên
hình 23.6C.
23.5 Vấn đề thực tiễn
Vấn đề vừa bàn luận trên đây chỉ đúng khi các giả thiết đa ra đợc thoả
mãn. Nhìn trên hình 23.3 ta có thể nhận thấy rằng giả thiết về sự biến đổi đột
ngột của mật độ nớc sông trong thực tế không thể có đợc. Mặt khác, rất nhiều
cảng không có dạng hình chữ nhật. Mối phụ thuộc giữa tính toán lý thuyết trao
đổi nớc trong cảng với điều kiện cụ thể của sông đòi hỏi rất nhiều thời gian. Vì lý
do đó, các mô hình vật lý đợc sử dụng để mô phỏng hiện tợng; Phòng thí
nghiệm Thuỷ lực Delft đã có đóng góp đáng kể trong mô hình hoá dòng chảy mật
độ do muối.
Cách tiếp cận thứ hai đối với bài toán này là phát triển các phơng trình bán
thực nghiệm đối với trao đổi nớc đa về bài toán xác định các hệ số thực nghiệm
trên căn cứ thí nghiệm đối với các cảng cụ thể. Những phơng trình nh vậy có
thể ứng dụng để xác định trao đổi nớc đối với các cảng có điều kiện tơng tự. Do
thể tích, V, có thể đợc thể hiện thông qua vận tốc nhân với tiết diện và thời gian,
ta sẽ chọn căn bậc hai của mật độ tơng đối nhân với độ sâu và kết hợp vận tốc và
tiết diện cả vào, A
E
trong phơng trình đó. Hằng số triều cũng nh các hệ số
khác có thể tổng hợp thông qua một hệ số chung. Cách tiếp cận này đợc áp dụng
cho cảng Rotterdam. Sử dụng kết quả đo đạc tại một số cảng lớn tại đây (Botek,
Petroleumhaven I và II) đã đa tới công thức sau:
hGAV
ED
'

(23.05)

trong đó:
A
E
là tiết diện cửa vào cảng tính theo m
2
,
G là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào cảng,
h
độ sâu trung bình của cảng, tính bằng m,
'

là mật độ tơng đối đợc xác định theo công thức sau:


minmax
'



(23.06)

với
min

là mật độ cực tiểu trong sông
max

là mật độ cực đại trong sông

là mật độ trung bình cho một chu kỳ triều, và

V
D
là thể tích nớc tổng cộng trao đổi do dòng chảy mật độ trong cả chu kỳ
triều.


154

Phơng pháp vừa trình bày phụ thuộc vào các cảng có triều nằm dọc sông.
Cần nói rằng kích thớc và hình dáng các cảng đang thiết kế không có sự tơng
thích với các cảng đã tồn taị. Trong trờng hợp đó sơ đồ vừa đa ra khó có thể hỗ
trợ đợc ghì nhiều, do hệ số G hoàn toàn không xác định.
Dòng mật độ có thể có vai trò quan trọng nhất đối với hiện tợng lắng đọng
cảng dẫn đến yêu cầu cao đối với nạo vét. Do đó việc đánh giá đợc dòng chảy mật
độ có tính sinh tử đối với các nghiên cứu khả thi. Trong trờng hợp đó thì ngay cả
những đánh giá thô nhất cũng có thể có ích. Cách tiếp cận sau đây đợc đa ra
trong tài liệu vô danh của Phòng thí nghiệm Thuỷ lực Delft (1960). Độ chính xác
tơng đối của phơng pháp có thể vào khoảng

50%.
Các tác giả vô danh- thực tế là Gersie và Bijker- đã tiếp cận vấn đề thông qua
xác định hệ số

thể hiện tỷ số giữa tổng thể tích nớc trao đổi và thể tích cảng.
Căn cứ vào hai nguyên nhân của hiện tợng, ngời ta đã tách hệ số này thành
hai thành phần:
Df

(23.07)

trong đó:

là tỷ số giữa thể tích nớc đi vào cảng trong một chu kỳ triều và thể tích
cảng,
f

là thành phần do tốc độ dâng đầy, và
D

là thành phần do dòng mật độ.
f

có thể đợc đánh giá bằng cách so sánh thể tích triều của cảng với thể
tích tổng cộng của cảng.
h
h
V
p
H
f




(23.08)

trong đó:
h

là độ sâu trung bình của cảng,
V
H
là thể tích tổng cộng của cảng dựa trên độ sâu trung bình
h
,
P là thể tích triều của thuỷ vực.
D

không phải không phụ thuộc vào quá trình lấp đầy - xem mục 23.3
nhng phụ thuộc vào tốc độ đầy.
L
TVV
DfD
D
2










(23.09)

trong đó:
V

D
là vận tốc dòng chảy mật độ,
V
f
là tốc độ lấp đầy,
L là độ dài cảng, và
T
D
là khoảng thời gian tồn tại sự chênh lệch về mật độ.
Bây giờ một số vấn đề khác lại xuất hiện, đó là Làm thế nào để sử dụng tỷ số
mật độ,

, phục vụ tính toán V
D
? Xác định T
D
nh thế nào? Hiểu và xác định thế
nào giá trị L đối với một cảng phức tạp?


155

Chúng ta bắt đầu từ câu hỏi cuối cùng bằng việc xem xét một cảng có hình
chữ nhật với tiết diện ngang nh nhau và tiết diện cửa vào. Độ dài theo sơ đồ
chính bằng khoảng cách dài nhất từ cửa cảng đến đầu cuối cảng. Có rất nhiều
kinh nghiệm để tiến hành phép sơ đồ hoá trên đây.
T
D
là khoảng thời gian tồn tại dòng mật độ. Nó chỉ liên quan duy nhất đến
yếu tố mật độ qua đờng cong mật độ-thời gian và không nhất thiết liên quan

trực tiếp đến mực nớc triều. Mặt khác T
D
có thể khác nhau đối với thời kỳ tăng
mật độ trong cảng và thời kỳ giảm mật độ.
Vấn đề khó nhất là làm sao xác định đợc giá trị V
D
. Cách tiếp cận sau đây
yêu cầu:
a. Tính V
D
dựa trên

tơng ứng các cực trị của mật độ trên sông đợc
sơ đồ hoá bằng phơng trình 23.01.
b. Sử dụng giá trị V
D
vừa thu đợc để tính
D

và

.
c. Nếu nh

< 1 thì giá trị mật độ cực đại trong cảng sẽ nhỏ hơn cực
đại trong sông và giả thiết chúng ta đề ra bị phá vỡ. Trong trờng hợp
đó lặp lại các bớc a và b sử dụng các giá trị mới của

lớn hơn gấp
rỡi so với giá trị ban đầu.

Trong phơng trình 23.09 giá trị tuyệt đối của tốc độ lấp đầy của dòng chảy
thờng kỳ đợc lấy trunbg bình theo thời gian T
D
. Cần nhắc lại rằng giá trị tuyệt
đối đã đợc lấy trớc khi tiến hành phép trung bình. Giá trị của V
f
trong thí dụ
này cần xác định theo dao động triều trong sông.
dt
dh
A
A
V
E
H
f


(23.10)

trong đó:
A
H
là diện tích mặt cảng,
A
E
là tiết diện cửa vào.
Đến đây phơng trình 23.09 không cho ta những kết quả đầy đủ. Bất đẳng
thức sau đây cũng cần đợc thoả mãn:
10

D


(23.11)

Nh vậy ảnh hởng của dòng mật độ không thể là âm đợc nhng nó có thể
bằng zero. Giới hạn trên của nó đợc xác định bởi đờng cong sơ đồ mật độ thời
gian.
Giá trị của tỷ số này có thể hiệu chỉnh theo các tỷ lệ giữa diện tích mặt cảng
thực so với diện tích đã đợc sơ đồ hoá.
Thể tích nớc đi vào cảng trong một chu kỳ triều đầy đủ có thể xác định bằng
tổng các thành phần.
Tốc độ dâng đầy cảng đóng góp đối với thể tích nớc thông qua tích
f

với
thể tích cảng. Nó chính bằng thể tích nớc đi ra khi triều xuống. Trong thời gian
khi mật độ nớc sông cao thì một lợng nớc bằng
D

lần thể tích cảng đợc chảy
vào cảng. Khi mật độ nớc sông thấp sẽ có một lợng nớc bằng
D

lần thể tích
cảng bị chảy ra khỏi cảng.


156

Cả hai kỹ thuật tính toán vừa nêu trong phần này sẽ đợc minh hoạ trong
mục 23.7.
23.6 Những ảnh hởng khác của dòng chảy
Thành phần dòng chảy tại cửa cảng có thể phức tạp hơn so với những gì vừa
mô tả trên đây. Sự phức tạp này tồn tại trong dạng xoáy rối xung quay một trục
đứng tại cửa cảng. Lợng nớc trao đổi giữa cảng và xoáy cũng nh giữa sông và
xoáy sẽ làm tăng lợng muối cũng nh lợng trầm tích lơ lửng đi vào cảng.
Trong trờng hợp cảng nhỏ, dòng mật độ thờng có thể mang toàn bộ lợng
nớc trao đổi một cách nhanh chóng và sau đó làm ngừng vận chuyển trầm tích
đi vào cảng. Mặt khác xoáy sẽ tiếp tục quá trình trao đổi trầm tích với nớc sông
dẫn tới việc làm sạch cảng. Nguyên nhân này có thể rất quan trọng trong số ba
nguyên nhân vận chuyển trầm tích vào cảng.
Các xoáy hình thành tại cửa các cảng lớn là một điều hiển nhiên. Tuy nhiên
chúng có xu thế suy yếu bởi các thành phần dòng chảy khác tại cửa cảng hơn là
do dòng chảy sông. Nh vậy chúng ít gây ảnh hởng đến dòng trầm tích đi vào
cảng.
Một thử nghiệm đợc trình bày trong các phần tới nhằm xác định lợng bùn
cát mang vào cảng. Trớc khi làm việc đó, chúng ta xem xét các ảnh hởng của
sự tồn tại cảng lên giao thông trên sông.
Không khó khăn lắm có thể nhận thấy rằng tại khu vực gần cửa cảng, nơi các
xoáy, các dòng mật độ, dòng chảy sông và dòng đầy cảng luôn tác động với nhau
làm cho bức tranh dòng chảy trở nên phức tạp. Chỉ có các thuyền và tàu nhỏ chỉ
chịu tác động của dòng chảy trên mặt. Các tàu lớn do xâm nhập đến lớp nớc sâu
sẽ chịu tác động của các lực khác nhau. Bên cạnh đó hiện tợng nớc chết đã đợc
mô tả ở các phần trớc cũng có thể xuất hiện làm cho các thuỷ thủ phải để ý đến
khi đi qua khu vực này. Do sự đa dạng về tác động lên các tàu thuyền khác nhau
nên khó có thể trình bày đầy đủ về chúng trong giáo trình này. Chúng ta chỉ cần
xác định các vấn đề có thể xuất hiện đối với khả năng chuyển động của tàu để
các thuỷ thủ biết và xử lý khi có những biến đổi của cảng.
23.7 Lắng đọng trong cảng

Các quá trình lắng đọng bùn tơng tự đã đợc mô tả đối với cửa sông có triều
trong chơng trớc cũng tồn tại đối với các cảng lân cận. Sự biến đổi của độ muối
gây nên kết tủa và dẫn đến sự lắng động nhanh của các vật liệu mịn trong cảng
cũng nh trong sông. Hơn nữa quá trình lắng đọng trong cảng xẩy ra mạnh hơn
do sự yên tĩnh tơng đối của nớc tại khu vực cảng. Tóm lại mọi quá trình gây
nên trao đổi nớc giữa cảng và sông đều dẫn đến việc cung cấp trầm tích cho
cảng.
Sự lắng đọng bùn trong cảng có thể tính toán bằng cách nhân thể tích của
nớc trao đổi trong một chu kỳ triều tại cảng với hiệu số mật độ trầm tích của
nớc đi vào và đi ra. Về vai trò của các loại dòng chảy khác nhau sẽ đợc xem xét
trong ví dụ tiếp theo.


157

Mật độ trầm tích lơ lửng trung bình trong cảng nằm dọc sông là 77 mg/lít
(tơng ứng số liệu trong bảng 22.3). Cảng có chiều dài 2000 mét và có mặt cắt
ngang dạng nêm với độ dốc là 1:4. Độ lớn triều là 1,7 mét và độ sâu của cảng khi
nớc kiệt là 13,5 mét. Trên hình 23.7 thể hiện cho ta thấy sơ đồ cảng đó với bề
ngang đáy là 400 mét. Một lần nữa sử dụng số liệu tại Rotterdam, sông có độ mặn
cực đại là 8,06 %o và độ mặn cực tiểu là 2,47 %o. (bảng 22.1). Nhiệt độ nớc là
16C và từ bảng 3.3 ta có mật độ cực đại trên sông là 105,18 kg/m3 và mật độ cực
tiểu là 1000,85 kg/m3. Nh vậy ta có:
3
1032,4
02,1003
85,100018,1005
'

x

(23.12)


Độ sâu trung bình của nớc trong cảng là:
35,14)7,1)(
2
1
(5,13 h
m
(23.13)


Từ đây ta thu đợc bề rộng trên là:
400 + (14,35)(8) =515 m (23.14)

Tiết diện trung bình tại cửa cảng sẽ là:

A
E
= (1/2)(400 + 515) (14,35) = 6565 m
2
(23.15)




158

Hình 23.7 Sơ đồ cảng trong thí dụ
Thể tích triều, P, của cảng là thể tích nớc cung cấp trong một chu kỳ triều
bằng dòng dâng đầy:
P = (515)(2000)(1,7) = 1,75 x 10
6
m
3
(23.16)

Cứ mỗi lít nớc mang vào có 77 gam trầm tích khô đi vào cảng. Có khả năng
không phải tất cả lợng trầm tích đó sẽ lắng xuống vì thời gian không đủ lớn. Mật
độ nớc đi ra cũng đợc xác định bằng thực nghiệm tơng tự nh trong cảng.
Trong ví dụ này cho rằng nớc đi ra có nồng độ trung bình là 10 mg/lít bùn khô.
Nh vậy sẽ có 67 mg/lít còn đợc giữ lại trong cảng.
Lợng trầm tích đợc vận chuyển vào cảng bởi dòng dâng, do thành phần
dòng mật độ chiếm u thế, dòng này chiếm lĩnh lớp dới của cảng, sẽ là
S
f
= (1,75 x 10
6
) (67)(10
-3
) = 1,17 x 10
5
kg/ (1 chu kỳ
triều)
(23.17)

159

ảnh hởng của dòng mật độ đợc tính toán thông qua sử dụng công thức
23.05. Thể tích tổng cộng của nớc trao đổi do dòng chảy mật độ trong một chu kỳ
triều sẽ là:
)35,14)(1032,4()6565)(800(
3

D
V
(23.18)

5
1031,1
D
V
kg/(1 chu kỳ triều)

(23.19)

Ta đã sử dụng hệ số G = 8000
m
1/2
/ (1 chu kỳ triều).

Một nửa trong số lợng nớc đó, 6,53 x 106 m
3
/(1 chu kỳ triều), sẽ đi vào cảng

trong lớp sát đáy trong dạng lỡi mặn và mang theo lợng trầm tích:
536
1
1038,4)10)(67)(1053,6(

D
S
kg/(1 chu kỳ triều)

(23.20)

Một nửa khác của trao đổi nớc do dòng đi vào trên lớp mặt cũng nh lỡi
mặn lùi ra. Thông thờng nớc trên mặt có nồng độ trầm tích nhỏ hơn các lớp
dới, chúng mang vào cảng một lợng trầm tích không lớn lắm. Đối với
Rotterdam, có thể cho rằng dòng chảy mặt chỉ mang khoảng 20% so với lợng
trầm tích do các dòng chảy khác mang tới. Mặt khác lợng trầm tích này cũng
mịn hơn các loại trầm tích khác đi vào cảng, chúng sẽ bị lắng động chậm hơn. Ta
có thể cho rằng 10 mg/lít sẽ đi ra khỏi cảng. Từ các giả thiết đó ta có:


)10()10770)(2,0()1053,6(
36
2


D
S

(23.21)

4
2
1053,3
D
S

kg/(1 chu kỳ triều)

(23.22)

Hiện tợng lắng đọng trầm tích đợc so sánh trong bảng 23.3. Chúng ta thấy
rằng hơn 80% lợng bùn lắng đọng là do dòng mật độ.
Bảng 23.3 Tổng hợp lắng đọng trầm tích trong cảng
Thành phần Lợng trầm tích

(kg/1 chu kỳ triều)
Phần trăm so với tổng
Dòng dâng
Dòng muối vào
Dòng muối ra
Tổng dòng mật độ
Tổng cộng
1,17 x 10
5
4,18 x 10
5

3,53 x 10
5

4,73 x 10
5

5,90 x 10
5

19,8
74,2
6,0
80,2
100

Một vấn đề thực tiễn đặt ra liên quan tới chế độ khai thác cảng. Đó là: trong
một năm cảng sẽ bị cạn đi bao nhiêu mét? Điều này có thể trả lời đợc nếu nh ta
biết đợc mật độ khô của trầm tích và mật độ trầm tích in situ. Trong thực tế có
thể cho các đại lợng đó những giá trị tơng ứng sau: 2650 kg/m3 và 1200 kg/m3.
Nh vậy, nếu ký hiệu V
V
là khối lợng nớc trong một mét khối trầm tích thì:
1200 = (2650)(1-V
V
) + (1000)(V
V
) (23.23)

từ đó ta có V
V
=0,88. Nh vậy mỗi mét khối trầm tích chứa đựng
(1- 0,88)(2650) = 318 kg (23.24)

160

trầm tích khô. Và 5,9.10
5
kg trầm tích khô chiếm một thể tích:
1855
318
109,5
5


m
3

(23.25)

Tổng thể tích trầm tích này đợc tích tụ trong một chu kỳ triều. Trong một
năm ta có:
706
42,12
)24)(25,365(


(23.26)

chu kỳ triều. Nh vậy lợng trầm tích tổng cộng tích tụ trong cảng sẽ là:
(1885)(706) = 1,31.10
6

m
3
/năm (23.27)

Lợng trầm tích này sẽ phân bổ trên đáy cảng một lớp có độ dày:
64,1
)400)(2000(
1031,1
6


m
(23.28)

Điều này cho thấy rằng sẽ không kinh tế nếu chỉ nạo vét một lớp ít hơn 2,5
mét. Vì trong trờng hợp đó ta cần tiến hành nạo vét theo chu kỳ 1,5 năm.
Hình cuối cùng này cho ta thấy vai trò đặc biệt của dòng chảy mật độ. Nếu
nh có thể loại trừ dòng chảy mật độ trong cảng, chu kỳ nạo vét bây giờ có thể
kéo dài lên 5 lần (theo bảng 23.3) hay khoảng 7,5 năm. Hiển nhiên sẽ thu đợc
hiệu quả kinh tế lớn lao.
Để kiểm tra, những tính toán vừa tiến hành có thể lặp lại theo hớng thứ 2
đã đợc trình bày trong mục 23.5.
Hệ số

f
có thể tính theo công thức 23.08:
133,0
)2000)(6565(
1075,1
6

f


(23.29)

Để tính

D
ta cần sơ đồ hoá đờng biến đổi độ muối trong sông. Chúng ta
thử sử dụng sơ đồ trên hình 23.3 đối với độ muối sông cho S = 2,5 %o từ t = 0 đến
t = 3 giờ và từ t = 10 đến t = 12,4 giờ. Từ t = 4,5 đến t = 7,5 giờ, S đợc lấy bằng
7,5 %o. Theo đó ta có T
D
= 3 giờ để làm tăng độ muối cảng và T
D
= 5,4 giờ để làm
giảm độ muối. (Chúng ta cho rằng không có điều ghì khác xẩy ra trong khoảng
thời gian còn lại của chu kỳ triêù). Sơ đồ diễn biến đó đợc thể hiện trên hình
23.8.

Hình 23.8 Sơ đồ biến trình độ muối


161

Vì chúng ta không yêu cầu độ chính xác cao cho tính toán, nên có thể tính V
D

dựa trên cơ sở phơng trình 3.22. Nh vậy:
3
10.74,3
)5,275,0(1000
)5,25,7(75,0







(23.30)

Ta có thể rút ra giá trị V
D
từ phơng trình 23.01 với hệ số tơng ứng:
)35,14)(81,9)(10.74,3(35,0
3

D
V
(23.31)

254,0
D
V
m/s
(23.32)

V
f
có thể tính trên cơ sở sử dụng số liệu từ bảng 20.1.

Khoảng thời gian
(h)
h

(m)
t


(h)
0 3
10 12,4
4,5 7,5
1,21
0,22
0,55
3
2,4
3

Đồng thời, từ hình 23.7 diện tích của cảng sẽ là:
A
H
= (2000)(515) = 10,3 x 10
5
m

2

(23.33)

và
A
E
= 6565 m
2
(23.34)

Nh vậy, sử dụng 23.10 đối với mật độ tăng:
5,41
4,5
43,1
6565
103,10
5



V
f
m/h
(23.35)

2
1015,1

V
f
m/s
(23.36)

Cả hai giá trị của

D
bây giờ có thể tính theo công thức 23.09, trong đó lấy
L = 2000 m. Đối với mật độ tăng:
664,0
)2000)(2(
)3600)(3)(108254,0(
3





D

(23.37)

và đối với pha mật độ giảm:
179,1
)2000)(2(
)3600)(3)(1015,1254,0(
2

D

(23.38)

Vì một giá trị của

D
nhỏ hơn 1, giả thiết ban đầu của chúng ta cho rằng có
sự trao đổi toàn bộ theo hai hớng (dẫn tới hiệu mật độ tới hạn nêu trên) là không
thoả mãn. Theo yêu cầu đặt ra trong mục 23.5 chúng ta có thể tính lại V
D
và

D
với giá trị delta giảm. Nếu giảm delta 50% ta sẽ thu đợc:


162

)35,14)(81,9)(1087,1(35,0
3

V
D
(23.39)

180,0

V
D
m/s
(23.40)

Do giá trị V
f
vẫn giữ nguyên, chúng ta có thể tiến hành tính trực tiếp thông
qua

D
.
Đối với trờng hợp độ muối tăng:
464,0
)2000)(2(
)3600)(3)(108180,0(
3





D

(23.41)

và khi độ muối giảm:

819,0

)2000)(2(
)3600)(4,5)(1015,1180,0(
2





D

(23.42)

Điều này có vẻ hợp lý.
Tổng thể tích cảng, V
H
, đợc tính nh sau:
V
H
= (6565)(2000) = 1,31.10
7
m
3
(23.43)

Sử dụng các nồng độ bùn cát nh ở phần trên, dòng bùn cát đợc mang vào
cảng bởi dòng chảy dâng sẽ là:
S
f
= (0,133)(1,31 x 10
7

)(67)(10
-3
) = 1,17.10
5

kg/( 1 chu kỳ triều)

(23.44)

Dòng chảy mật độ trong thời kỳ tăng độ muối sẽ là:



537
1
10.07,4)10)(67()10.31,1)(464,0(

D
S

kg/( 1 chu kỳ triều)

(23.45)

và đối với trờng hợp độ muối giảm, sử dụng mật độ thấp giống nh trong thí
dụ trớc:


)10(10)77)(2,0()1031,1)(819,0(
37

2


D
S

(23.46)

4
2
10.79,5
D
S

kg/( 1 chu kỳ triều)

(2.47)

Các giá trị này đợc dẫn ra để so sánh trong bảng 23.4.
Vấn đề còn lại là xác định lợng lắng đọng, do quá trình tính toán hoàn toàn
tơng tự nh phần trên nên chúng tôi không lặp lại nữa.
Sự thống nhất tơng đối của các kết quả chỉ mang tính may mắn hơn là mức
độ chính xác của phơng pháp tính.
Bảng 23.4 Tổng hợp lắng đọng bùn trong cảng
Thành phần Khối lợng

(kg/(1 chu kỳ triều))
Tỷ lệ phần trăm
Dòng chảy dâng
Dòng muối vào

Dòng muối ra
Tổng dòng mật độ
Tổng chung
1,17 . 10
5
4,07. 10
5

5,79. 10
4

4,65. 10
5

5,82 . 10
5

20,1
69,9
10,0
79,9
100,0


163

Những phơng pháp nhằm giảm hoặc loại trừ ảnh hởng của dòng mật độ
trong cảng sẽ đợc trình bày trong phần tiếp theo.
23.8
Các phơng pháp khắc phục dòng chảy mật độ

trong
cảng
Vì không nhất thiết phải cho dòng chảy đi qua cửa cảng cho nên có nhiều giải
pháp kỹ thuật đợc đa ra nhằm giảm ảnh hởng của dòng chảy mật độ.
Một trong những phơng pháp đơn giản nhất để giảm sự trao đổi nớc của
dòng mật độ tại một cảng nhất định đó là việc làm nhỏ cửa ra vào cảng. Nh đợc
chỉ ra trong công thức 23.05, thể tích nớc trao đổi tỷ lệ trực tiếp với tiết diện ra
vào cảng, A
E
. Nh vậy làm giảm bề rộng cửa sẽ giảm trực tiếp thể tích nớc trao
đổi. Trong thực tế, cách làm nh vậy không phải lúc nào cũng có hiệu quả. Dòng
chảy mật độ đi vào cảng sẽ phân tán theo hai phía ngang trên toàn bề rộng cảng;
nó sẽ có xu thế làm tăng lực tác động do tăng độ dốc của mặt phân cách giữa hai
khối nớc. Dòng mật độ sẽ chảy mạnh hơn so với giá trị mong muốn. Tuy nhiên
ảnh hởng này rất khó đánh giá.

Một kỹ thuật khác đó là dựng một loạt các cánh cửa trên vùng cửa ra vào
cảng. Mực cảng sẽ đợc giữ nguyên vì dòng dâng đầy đã đợc loại trừ. Mực nớc
trong cảng đợc giữ nguyên sẽ có ảnh hởng đến quá trình lu thông hàng hoá
trong cảng. Vậy trao đổi nớc có dẫn tới dòng chảy mật độ không? Điều này hoàn
toàn không. Nếu nh các cửa chỉ mở một lần trong một chu kỳ triều và vào cùng
một thời điểm khi các mực nớc nh nhau, nh vậy mật độ trong cảng cũng giữ
nguyên nh mật độ sông và không còn vấn đề gì đáng lo cả. Tuy nhiên việc chỉ
mở cửa một lần trong một chu kỳ triều hoàn toàn không chấp nhận đợc, vì phải
bắt các tàu thuyền chờ đợi rất lâu để ra vào cảng.
Điều gì sẽ xẩy ra nếu nh mở cửa hai lần trong một chu kỳ triều, một lần khi
nớc lên và một lần khi nớc xuống, với mực nớc cân bằng? Trong trờng hợp
này sẽ không có dòng chảy dâng đầy, song không có ghì đảm bảo là độ muối trên
sông đợc giữ nguyên trong mọi lúc. Trong thực tế điều này không thể có cho nên
dòng chảy mật độ vẫn xuất hiện trong thời kỳ mở cửa. Nh vậy giải pháp này có ý

nghĩa rất ít, ngoại trừ khi biến đổi mực triều rất cao có thể giúp tàu thuyền đi ra
vào dễ dàng hơn.
Nếu nh các bộ cửa đợc thay bằng âu chuyển tàu, trong trờng hợp này tàu
thuyền có thể ra vào bất cứ lúc nào không phụ thuộc vào dao động mực nớc. Tuy
nhiên khi sử dụng âu chuyển tàu cũng sẽ có trao đổi nớc. Song do thể tích các âu
tàu không lớn lắm nên quá trình xẩy ra tơng đối nhanh, ví dụ đối với âu tàu
Ijmuinden thì mỗi lần chuyển tàu chỉ diễn ra trong vòng 27 phút. Tại âu tàu này
ngời ta sử dụng một thiết bị nhằm giữ các nớc muối xâm nhập lại và sau đó trả
chúng về sông. Các thiết bị đặc biệt này bao gồm một hầm sâu dới gầm âu nối
liền với lạch sâu ra cửa. Khi nớc muối đi vào qua cửa trong của âu chúng sẽ chảy
xuống hầm. Sau đó vào thời kỳ triều thấp lợng nớc này đợc thải ra theo lạch.




164



H×nh 23.9 Tæng s¬ ®å c¸c sè liÖu ®èi víi Rotterdam



165

Một kỹ thuật khác đợc áp dụng tại Ijmuinden nhằm giảm xâm nhập muối,
đó là các chuỗi bọt khí. Đó là dòng bọt khí nổi lên từ các ống dẫn ngầm đặt ở phần
cuối âu tàu nơi gần cửa. Dòng bọt khí làm tăng chuyển động rối và quá trình xáo
trộn. Xáo trộn rối làm giảm các lực tác động do lỡi mặn sinh ra và giảm xâm
nhập mặn.

Kỹ thuật này có thể đợc sử dụng kết hợp với hệ thống các cửa nh đã trình
bày trên đây. Việc sử dụng cho trờng hợp cảng mở thờng xuyên không đa lại
hiệu quả kinh tế vì năng lợng mà hệ thống bơm khí tiêu thụ là đáng kể.
Nhiều kỹ thuật khác đã đợc đề xuất nhằm chống lại dòng mật độ đi vào các
cảng. Ví dụ có loại rào chắn giống nh một bàn chải lớn bằng cao su đặt dới đáy
cửa ra vào. Cấu trúc này cho phép tàu có thể qua lại đợc. Một số kỹ thuật khác
cũng đợc đề xuất và sử dụng tại nơi này hay nơi khác trên thế giới.
23.9 Tổng quan
Tồn tại các mối tơng quan giữa các hiện tợng diễn ra trong sông và cảng đã
đợc trình bày trong chơng này và 3 chơng trớc. Những vấn đề đó có thể trình
bày trên một toán đồ. Điều này có thể thấy trên hình 23.9.
Tất cả các số liệu ngoại trừ số liệu triều tại Hook of Holland, đã đợc đề cập
đến trong các chơng trên. Số liệu triều tại Hook of Holland đợc thể hiện trên
bảng 23.5 nhằm hoàn chỉnh tập hợp các số liệu.
Bảng 23.5 Số liệu triều tại Hook of Holland
Thời
gian

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Mực
nớc

-0,53

-0,21

0,40 0,80 0,88 0,67 0,19 -0,25

-0,58

-0,58

-0,63

-0,69

-0,62


Dòng
trung
bình


0,13

0,80

1,17

1,43

0,80

0,26

-0,44


-0,94

-1,16


-1,13


-0,93


-0,62


-0,08