Động lực học cát biển - Hướng dẫn các ứng dụng thực hành - Chương 11 pdf

165

Chơng 11. động lực hình thái và xói lở
11.1. Mô hình hoá động lực hình thái
Kiến thức
Nghiên cứu các biến đổi theo thời gian của hình dạng đáy sông, cửa sông hoặc
biển gọi là động lực hình thái. Khi các biến đổi phát sinh do sự có mặt của một vật
thể hoặc công trình, quá trình nói đến xói lở. Lĩnh vực chủ yếu nói chung của động
lực hình thái và xói lở chỉ đề cập khái quát trong hớng dẫn này, vì đây là chủ đề lớn
và phức tạp, sẽ đợc thể hiện chi tiết hơn trong các tài liệu chuyên đề.
Một trong các lý do tổng quát nhất cần thiết đánh giá vận chuyển cát là cho
phép thực hiện dự báo các khu vực bồi tụ hoặc xói lở (và tốc độ của chúng) tại một
tuyến cửa sông hoặc bờ biển. Nó đợc thực hiện bằng phơng pháp phơng trình
nguồn trầm tích, mà đối với các ứng dụng một chiều có thể viết nh sau:













ED
x
q
x

B


1
1
(140)
trong đó

= cao độ đáy, so với mực quy chiếu
x = toạ độ ngang
t = thời gian


= độ xốp đáy
q
b
= suất vận chuyển thể tích trầm tích di đáy theo hớng x dơng
D = suất bồi tụ, đợc biểu thức bằng thể tích các hạt trầm tích lắng
đọng từ trạng thái lơ lửng xuống một đơn vị diện tích đáy trên đơn vị thời gian
E = suất xói lở, đợc biểu thị bằng thể tích các hạt trầm tích bị xói lên
trạng thái lơ lửng từ một đơn vị diện tích đáy trên đơn vị thời gian.
Quá trình biểu thị bằng phơng trình (140) đợc minh hoạ trong hình 32, đối với
trờng hợp chỉ có dòng di đáy. Trên một khoảng cách lớn (ví dụ 100m) và thời gian
lớn, lợng trữ của trầm tích lơ lửng thể hiện bằng hiệu số (E-D) trong phơng trình
(140) có thể biểu thị bằng cách thay thế suất dòng di đáy q
b
bằng suất vận chuyển
vận chuyển trầm tích tổng cộng q
t
, để có phơng trình sau đây:

x
q
x
t








1
1
(141)
trong đó q
t
= suất vận chuyển thể tích của trầm tích tổng cộng (di đáy và lơ lửng)
theo hớng x dơng.

166

Sự phụ thuộc của q
t
vào vị trí x và thời gian t có thể nhận đợc từ một trong các
công thức vận chuyển trầm tích cho trong Chơng 10.
Trong phạm vi 2 chiều ngang, phơng trình (141) có thể viết ở dạng:

y
q
x
q
x
ty
tx


1
1
(142)
trong đó q
tx
, q
ty

= các thành phần của suất vận chuyển trầm tích thể tích theo hớng
x, y dơng
y = toạ độ ngang trực giao với x.


Hình 32. Nguyên lý của động lực hình thái

Đối với các ứng dụng nh bồi lấp các luồng tàu nạo vét hoặc các rãnh để đặt
đờng ống và cáp ngầm, sự phát tán các đống đất đổ hoặc các đống trữ trầm tích, có
thể thực hiện các tính toán động lực hình thái bằng giải tích. Tuy nhiên đối với các
khu vực cửa sông và ven bờ lớn hơn cần sử dụng các mô hình tính toán. Điều cơ bản
của các mô hình này là hình dạng của đáy thay đổi theo từng khoảng thời gian đều
167

đặn, trờng sóng, dòng chảy và vận chuyển trầm tích đợc tính toán lại với địa hình
mới. Quá trình này đợc lặp lại cho đến hết thời gian yêu cầu.
Có 3 nhóm mô hình chính của mô hình số trị động lực hình thái:
Mô hình bãi phẳng, tính toán các biến đổi vị trí và hình dạng đờng bờ (ví dụ
mực nớc tĩnh trung bình dọc theo bãi) trong chu kỳ nhiều năm hoặc hàng chục
năm. Một chuỗi dài độ cao sóng và hớng sóng đợc sử dụng làm đầu vào. Chúng bị
khúc xạ từ nớc sâu đến đờng sóng đổ, dẫn đến công thức vận chuyển trầm tích dọc
bờ nh công thức CERC tại mỗi điểm lới dọc theo đờng bờ. Sự tiến hoặc lùi của
đờng bờ đợc tính toán tại mỗi bớc thời gian bằng cách tính toán nguồn trầm tích
(vận chuyển đến trừ đi vận chuyển đi) cho mỗi ô nằm giữa các điểm lới. Kết quả cho
một dạng mới của đờng bờ. Quá trình đợc lặp lại cho đến hết khoảng thời gian của
chuỗi sóng cho sẵn. Các cải tiến bao gồm: sử dụng công thức vận chuyển phức tạp
hơn, phân bố vận chuyển trên vùng sóng đổ và sử dụng nhiều tuyến dọc đờng bờ
thay vì chỉ một tuyến.
Mô hình mặt cắt ven bờ, mô tả mặt cắt bãi ngang bờ theo một đờng vuông góc
với đờng bờ thẳng hoặc hơi cong. Một lới điểm đợc lấy dọc theo đờng vuông góc,

sóng bị khúc xạ từ nớc sâu, bị vỡ theo chỉ tiêu sóng đổ, và tiếp tục lan truyền qua
vùng sóng đổ. Có sự xem xét nào đó về biến động ứng suất và vận tốc theo chiều
thẳng đứng. Tính toán thực hiện theo phân bố mặt cắt độ cao sóng, nớc dâng, ứng
suất trợt tại đáy, sự bất đối xứng sóng, vận tốc dòng sóng dội và suất vận chuyển
trầm tích tổng hợp ngang bờ (ví dụ công thức Bailard). Thay đổi hình dạng mặt căt
bãi tại mỗi bớc thời gian đợc tính toán theo nguồn trầm tích giữa các điểm lới. Nó
cho ta hình dạng mới của mặt cắt đáy thẳng góc với bờ. Quá trình lặp lại cho từng
điều kiện sóng tiếp theo. Các cải tiến bao gồm: sơ đồ sóng vỡ phức tạp hơn, công thức
vận chuyển trầm tích phức tạp hơn, xét đến vịêc dâng và rút mực nớc theo thuỷ
triều, xét đến dòng chảy thuỷ triều và xét cả vận chuyển trầm tích dọc bờ cũng nh
ngang bờ. Nói chung một doi cát chắn sóng hình thành do sự hội tụ của vận chuyển
trầm tích hớng vào bờ từ phía biển của điểm sóng vỡ do sự bất đối xứng sóng và sự
vận chuyển hớng ra biển từ phía đất của điểm sóng vỡ do dòng sóng dội. Các mô
hình mặt cắt ven bờ đòi hỏi tính toán nhiều hơn mô hình bãi phẳng, do đó thờng sử
dụng các chuỗi sóng ngắn hơn (vài tuần hoặc vài tháng), nhng chúng cũng đa dụng
hơn một cách đáng kể.
Các mô hình khu vực ven bờ tính toán trờng bồi tụ và xói lở trên một khu vực
biển hoặc cửa sông phức tạp về địa hình. Chúng gồm các modun liên kết với nhau
đối với sự lan truyền sóng, phân bố dòng chảy (thuỷ triều, sóng, gió) và vận chuyển
trầm tích kết quả trên một khu vực biển 2 chiều ngang. Sự tiến triển động lực hình
thái của đáy biển đợc tính toán bằng phơng trình nguồn trầm tích 2 chiều nh
phơng trình (142). Suất vận chuyển trầm tích 2 chiều đợc tính toán theo các
phơng pháp nh công thức Soulsby -Van Rijn hoặc mô hình STP của Đan Mạch (sơ
đồ hoá). Chúng thờng là trung bình độ sâu (2DH), hoặc chứa một thể hiện đơn giản
nào đó của các biến động theo hớng thẳng đứng (tựa 3D). Chúng đòi hỏi thời gian
tính toán nhiều hơn các nhóm mô hình khác và do vậy thờng không chạy với thời
168

gian lâu hơn 14 ngày. Phải sử dụng các kỹ thuật đặc biệt để mở rộng chu kỳ dự báo
đến vài năm hoặc hàng chục năm. Các mô hình 3 chiều đầy đủ cũng bắt đầu xuất

hiện, nhng hiện tại chúng tính toán quá lâu.
Các chi tiết đầy đủ hơn của các loại mô hình này và các sản phẩm động lực hình
thái liên quan có thể tìm trong các tập tóm tắt của Vriend (1993), Stive và nnk
(1995). Một cuốn sách dễ hiểu về chủ đề này đợc biên soạn bởi Vriend (đang chuẩn
bị).
Quy trình
1. Cho thông tin về địa hình và các đặc trng trầm tích của khu vực nghiên cứu.
2. Cho bức tranh và lịch sử của trờng sóng đo đạc, đánh giá (ví dụ dự báo lùi
theo số liệu gió) hoặc tính toán từ mô hình (ví dụ khúc xạ, nớc nông, nhiễu xạ) của
khu vực nghiên cứu.
3. Cho bức tranh và lịch sử của trờng dòng chảy đo đạc, đánh giá (ví dụ theo
êlíp thuỷ triều ở Bản đồ Hàng hải) hoặc tính toán từ mô hình của khu vực nghiên
cứu. Dòng chảy do sóng, gió và thuỷ triều có thể cần xét đến.
4. Tính toán bức tranh và lịch sử của suất vận chuyển trầm tích bằng cách sử
dụng một trong các công thức của Chơng 9 và 10.
5. Tính toán bức tranh bồi tụ và xói lở bằng các phơng trình (141) hoặc (142).
6. Các tính toán cho ta bức tranh mức bồi tụ và xói lở khởi đầu, có thể tích phân
theo thời gian để có địa hình mới. Tuy nhiên, nếu độ sâu thay đổi nhiều hơn 10%,
bức tranh dòng chảy và sóng sẽ thay đổi để phù hợp với trờng độ sâu này. Đối với
các tính toán chu kỳ dài hơn, quay lại bớc 1 với địa hình mới và tuân thủ các bớc
2-5. Việc lặp lại các chu kỳ này cho ta sự tính toán động lực hình thái đầy đủ của
phản ứng dài hạn trong khu vực nghiên cứu.
7. Đối với các thay đổi hình dạng và vị trí đờng bờ, sử dụng mô hình bãi phẳng,
đối với các thay đổi ngang bờ của mặt cắt bãi sử dụng mô hình mặt cắt ven bờ, đối
với bức tranh bồi tụ/ xói lở trong địa hình phức tạp và xa hơn ngoài khơi sử dụng mô
hình khu vực ven bờ. Tất cả các mô hình số này cần thực hiện bởi các chuyên gia có
kinh nghiệm sử dụng.
11.2. Xói lở
Kiến thức
Khi một vật thể đợc đặt trên đáy biển, dòng chảy tăng lên xung quanh nó, do

vậy nhiều trầm tích hơn đợc mang đi so với trầm tích đợc mang đến khu vực lân
cận vật thể. Điều này gây ra việc hình thành hố xói xung quanh vật thể.
Các hiệu ứng bổ sung nh hoàn lu thứ cấp và nghịch đảo dòng chảy cũng đóng
góp cho quá trình xói.
Xói là một dạng cục bộ của phản ứng động lực hình thái của đáy biển, nhiều
nguyên lý cho trong mục 11.1 đợc sử dụng. Tuy nhiên vì dòng chảy, do đó vận
169

chuyển trầm tích biến đổi nhanh theo không gian, các số hạng không cân bằng D và
E trong phơng trình (140) rất quan trọng.
Các ví dụ về xói bao gồm: trụ cầu, các kè có trụ chống, xói chân khay tờng chắn
sóng, tờng chắn sóng tại cửa cảng, đê chắn sóng ngoài khơi ; các trụ đỡ giàn khoan
ngoài khơi (lớp bảo vệ), các kết cấu trọng lực; các đờng ống dầu và khí; các đống
phoi do khoan; chôn lấp các vật thể nằm trên đáy biển; các hố xói kề bên khu vực
không xói.
Xói có thể tạo ra bởi dòng chảy đơn hớng, dòng chảy thuỷ triều hoặc sóng kết
hợp với dòng chảy.
Nhiều khía cạnh của xói tơng tự nh nhau đối với tất cả các vật thể và dòng
chảy nhng xử lý chi tiết cho mỗi loại sẽ khác nhau.
Quy trình
1. Theo các kiến thức hiện có có thể thực hiện trực tiếp dự báo xói cuối cùng sau
một chu kỳ dài của sóng hoặc dòng chảy xung quanh vật thể có dạng hình học xác
định đơn giản.
Hố xói xung quanh một cọc hình trụ thẳng đứng trong dòng chảy ổn định thờng
là hình nón, có mái dốc khoảng 28
0
, và độ sâu lớn nhất kề với cọc khoảng 1.4 lần
đờng kính cọc. Đờng kính tổng thể của hố xói khoảng 6 lần đờng kính cọc. Những
điều nói trên áp dụng cho các cọc có đờng kính lớn hơn 40 lần kích thớc hạt, và
nhỏ hơn khoảng 1/6 độ sâu nớc, trong dòng chảy có vận tốc vợt quá ngỡng chuyển

động của đáy không biến động.
Hố xói bên dới một đờng ống hình trụ đặt nằm ngang đợc cố định sao cho
mép dới nằm trên mực đáy biển ban đầu, trong dòng chảy ổn định, có độ sâu cuối
cùng lớn nhất khoảng 0,6 đờng kính ống.
Sự phát triển theo thời gian của độ sâu xói xảy ra nhanh lúc ban đầu, có xu
hớng tiệm cận tới giá trị cuối cùng của nó gần nh theo số mũ của thời gian đang
giảm dần.
2. Đối với dòng chảy có dạng đơn giản hơn, một kiểm nghiệm bằng mô hình vật
lý là lời giải tốt nhất. áp dụng định luật tỷ lệ sau đây:
- đảm bảo kích thớc hạt <1/40 kích thớc thật
- tỷ lệ độ sâu nớc theo tỷ lệ mô hình, trừ khi độ sâu nguyên mẫu lớn hơn 6 lần
kích thớc thật của vật thể, trong trờng hợp đó độ sâu mô hình chỉ cần lớn hơn 6
lần kích thớc vật thể
- vận tốc dòng chảy U/U
cr
phải giữ không đổi giữa mô hình và nguyên mẫu
- kích thớc hố xói tỷ lệ thuận với mô hình
- các quy luật tỷ lệ thời gian đợc cho trớc (xem Whitehouse, 1997).
3. Mô hình hoá số trị về xói chỉ mới bắt đầu đợc áp dụng, mặc dù một loạt vấn
đề cần đợc giải quyết, và thời gian tính toán còn lớn. Đối với vài năm sau, mô hình
vật lý có thể là cách giải quyết tốt nhất đối với hầu hết các vấn đề thực tiễn thay vì
170

mô hình số. Tuy nhiên trong tơng lai mô hình số có thể cung cấp lời giải hiệu quả
nhất đối với vấn đề xói.
Một chỉ dẫn toàn diện đối với xói xung quanh các công trình biển đợc cho bởi
White (1997).