Động lực học cát biển Chương 11. Động lực hình thái và xói lở

165 Chương 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 hướng dẫn này, vì đây là chủ đề lớn và phức tạp, sẽ được 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 được thực hiện bằng phương pháp phương trình nguồn trầm tích, mà đối với các ứng dụng một chiều có thể viết như 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 qb= suất vận chuyển thể tích trầm tích di đáy theo hướng x dương D = suất bồi tụ, được 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, được 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 phương trình (140) được minh hoạ trong hình 32, đối với trường hợp chỉ có dòng di đáy. Trên một khoảng cách lớn (ví dụ 100m) và thời gian lớn, ‘lượng trữ’ của trầm tích lơ lửng thể hiện bằng hiệu số (E-D) trong phương trình (140) có thể biểu thị bằng cách thay thế suất dòng di đáy qb bằng suất vận chuyển vận chuyển trầm tích tổng cộng qt, để có phương trình sau đây: x q x t         1 1 (141) trong đó qt = suất vận chuyển thể tích của trầm tích tổng cộng (di đáy và lơ lửng) theo hướng x dương. 166 Sự phụ thuộc của qt vào vị trí x và thời gian t có thể nhận được từ một trong các công thức vận chuyển trầm tích cho trong Chương 10. Trong phạm vi 2 chiều ngang, phương trình (141) có thể viết ở dạng:                y q x q x tytx   1 1 (142) trong đó qtx, qty= các thành phần của suất vận chuyển trầm tích thể tích theo hướng x, y dương y = toạ độ ngang trực giao với x. Hình 32. Nguyên lý của động lực hình thái Đối với các ứng dụng như bồi lấp các luồng tàu nạo vét hoặc các rãnh để đặt đường 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, trường sóng, dòng chảy và vận chuyển trầm tích được tính toán lại với địa hình mới. Quá trình này được 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 đường bờ (ví dụ mực nước tĩnh trung bình dọc theo bãi) trong chu kỳ nhiều năm hoặc hàng chục năm. Một chuỗi dài độ cao sóng và hướng sóng được sử dụng làm đầu vào. Chúng bị khúc xạ từ nước sâu đến đường sóng đổ, dẫn đến công thức vận chuyển trầm tích dọc bờ như công thức CERC tại mỗi điểm lưới dọc theo đường bờ. Sự tiến hoặc lùi của đường bờ được tính toán tại mỗi bước thời gian bằng cách tính toán nguồn trầm tích (vận chuyển đến trừ đi vận chuyển đi) cho mỗi ô nằm giữa các điểm lưới. Kết quả cho một dạng mới của đường bờ. Quá trình được 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 đường bờ thay vì chỉ một tuyến. Mô hình mặt cắt ven bờ, mô tả mặt cắt bãi ngang bờ theo một đường vuông góc với đường bờ thẳng hoặc hơi cong. Một lưới điểm được lấy dọc theo đường vuông góc, sóng bị khúc xạ từ nước 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, nước dâng, ứng suất trượt 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 bước thời gian được tính toán theo nguồn trầm tích giữa các điểm lưới. 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 nước theo thuỷ triều, xét đến dòng chảy thuỷ triều và xét cả vận chuyển trầm tích dọc bờ cũng như ngang bờ. Nói chung một doi cát chắn sóng hình thành do sự hội tụ của vận chuyển trầm tích hướng vào bờ từ phía biển của điểm sóng vỡ do sự bất đối xứng sóng và sự vận chuyển hướng 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 thường sử dụng các chuỗi sóng ngắn hơn (vài tuần hoặc vài tháng), nhưng chúng cũng đa dụng hơn một cách đáng kể. Các mô hình khu vực ven bờ tính toán trường 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 được tính toán bằng phương trình nguồn trầm tích 2 chiều như phương trình (142). Suất vận chuyển trầm tích 2 chiều được tính toán theo các phương pháp như công thức Soulsby -Van Rijn hoặc mô hình STP của Đan Mạch (sơ đồ hoá). Chúng thường là trung bình độ sâu (2DH), hoặc chứa một thể hiện đơn giản nào đó của các biến động theo hướng thẳng đứng (tựa 3D). Chúng đòi hỏi thời gian tính toán nhiều hơn các nhóm mô hình khác và do vậy thường 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, nhưng 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 được biên soạn bởi Vriend (đang chuẩn bị). Quy trình 1. Cho thông tin về địa hình và các đặc trưng trầm tích của khu vực nghiên cứu. 2. Cho bức tranh và lịch sử của trường sóng đo đạc, đánh giá (ví dụ dự báo lùi theo số liệu gió) hoặc tính toán từ mô hình (ví dụ khúc xạ, nước nông, nhiễu xạ) của khu vực nghiên cứu. 3. Cho bức tranh và lịch sử của trường 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 Chương 9 và 10. 5. Tính toán bức tranh bồi tụ và xói lở bằng các phương 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 trường độ sâu này. Đối với các tính toán chu kỳ dài hơn, quay lại bước 1 với địa hình mới và tuân thủ các bước 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 đường 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 được đặt trên đáy biển, dòng chảy tăng lên xung quanh nó, do vậy nhiều trầm tích hơn được mang đi so với trầm tích được 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 như hoàn lưu 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 được 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 phương trình (140) rất quan trọng. Các ví dụ về xói bao gồm: trụ cầu, các kè có trụ chống, xói chân khay tường chắn sóng, tường 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 đường 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 hướng, dòng chảy thuỷ triều hoặc sóng kết hợp với dòng chảy. Nhiều khía cạnh của xói tương tự như nhau đối với tất cả các vật thể và dòng chảy nhưng 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 thường là hình nón, có mái dốc khoảng 280, và độ sâu lớn nhất kề với cọc khoảng 1.4 lần đường kính cọc. Đường kính tổng thể của hố xói khoảng 6 lần đường kính cọc. Những điều nói trên áp dụng cho các cọc có đường kính lớn hơn 40 lần kích thước hạt, và nhỏ hơn khoảng 1/6 độ sâu nước, trong dòng chảy có vận tốc vượt quá ngưỡng chuyển động của đáy không biến động. Hố xói bên dưới một đường ống hình trụ đặt nằm ngang được cố định sao cho mép dưới nằm trên mực đáy biển ban đầu, trong dòng chảy ổn định, có độ sâu cuối cùng lớn nhất khoảng 0,6 đường kính ống. Sự phát triển theo thời gian của độ sâu xói xảy ra nhanh lúc ban đầu, có xu hướng tiệm cận tới giá trị cuối cùng của nó gần như 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 thước hạt <1/40 kích thước thật - tỷ lệ độ sâu nước theo tỷ lệ mô hình, trừ khi độ sâu nguyên mẫu lớn hơn 6 lần kích thước thật của vật thể, trong trường hợp đó độ sâu mô hình chỉ cần lớn hơn 6 lần kích thước vật thể - vận tốc dòng chảy U/Ucr phải giữ không đổi giữa mô hình và nguyên mẫu - kích thước hố xói tỷ lệ thuận với mô hình - các quy luật tỷ lệ thời gian được cho trước (xem Whitehouse, 1997). 3. Mô hình hoá số trị về xói chỉ mới bắt đầu được áp dụng, mặc dù một loạt vấn đề cần được 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 tương 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 được cho bởi White (1997).