- Trang Chủ
- Địa Lý
- Động lực học cát biển - Chương 11: động lực hình thái và xói lở
Xem mẫu
- Ch¬ng 11. ®éng lùc h×nh th¸i vµ xãi lë
11.1. M« h×nh ho¸ ®éng lùc h×nh th¸i
KiÕn thøc
Nghiªn cøu c¸c biÕn ®æi theo thêi gian cña h×nh d¹ng ®¸y s«ng, cöa s«ng hoÆc
biÓn gäi lµ ®éng lùc h×nh th¸i. Khi c¸c biÕn ®æi ph¸t sinh do sù cã mÆt cña mét vËt
thÓ hoÆc c«ng tr×nh, qu¸ tr×nh nãi ®Õn xãi lë. LÜnh vùc chñ yÕu nãi chung cña ®éng
lùc h×nh th¸i vµ xãi lë chØ ®Ò cËp kh¸i qu¸t trong híng dÉn nµy, v× ®©y lµ chñ ®Ò lín
vµ phøc t¹p, sÏ ®îc thÓ hiÖn chi tiÕt h¬n trong c¸c tµi liÖu chuyªn ®Ò.
Mét trong c¸c lý do tæng qu¸t nhÊt cÇn thiÕt ®¸nh gi¸ vËn chuyÓn c¸t lµ cho
phÐp thùc hiÖn dù b¸o c¸c khu vùc båi tô hoÆc xãi lë (vµ tèc ®é cña chóng) t¹i mét
tuyÕn cöa s«ng hoÆc bê biÓn. Nã ®îc thùc hiÖn b»ng ph¬ng ph¸p ph¬ng tr×nh
nguån trÇm tÝch, mµ ®èi víi c¸c øng dông mét chiÒu cã thÓ viÕt nh sau:
1 q B
(140)
D E
1 x
x
= cao ®é ®¸y, so víi mùc quy chiÕu
trong ®ã
x = to¹ ®é ngang
t = thêi gian
= ®é xèp ®¸y
qb= suÊt vËn chuyÓn thÓ tÝch trÇm tÝch di ®¸y theo híng x d¬ng
D = suÊt båi tô, ®îc biÓu thøc b»ng thÓ tÝch c¸c h¹t trÇm tÝch l¾ng
®äng tõ tr¹ng th¸i l¬ löng xuèng mét ®¬n vÞ diÖn tÝch ®¸y trªn ®¬n vÞ thêi gian
E = suÊt xãi lë, ®îc biÓu thÞ b»ng thÓ tÝch c¸c h¹t trÇm tÝch bÞ xãi lªn
tr¹ng th¸i l¬ löng tõ mét ®¬n vÞ diÖn tÝch ®¸y trªn ®¬n vÞ thêi gian.
Qu¸ tr×nh biÓu thÞ b»ng ph¬ng tr×nh (140) ®îc minh ho¹ trong h×nh 32, ®èi víi
trêng hîp chØ cã dßng di ®¸y. Trªn mét kho¶ng c¸ch lín (vÝ dô 100m) vµ thêi gian
lín, ‘lîng tr÷’ cña trÇm tÝch l¬ löng thÓ hiÖn b»ng hiÖu sè (E-D) trong ph¬ng tr×nh
(140) cã thÓ biÓu thÞ b»ng c¸ch thay thÕ suÊt dßng di ®¸y qb b»ng suÊt vËn chuyÓn
vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng qt, ®Ó cã ph¬ng tr×nh sau ®©y:
1 qt
(141)
1 x
x
trong ®ã qt = suÊt vËn chuyÓn thÓ tÝch cña trÇm tÝch tæng céng (di ®¸y vµ l¬ löng)
theo híng x d¬ng.
165
- Sù phô thuéc cña qt vµo vÞ trÝ x vµ thêi gian t cã thÓ nhËn ®îc tõ mét trong c¸c
c«ng thøc vËn chuyÓn trÇm tÝch cho trong Ch¬ng 10.
Trong ph¹m vi 2 chiÒu ngang, ph¬ng tr×nh (141) cã thÓ viÕt ë d¹ng:
qtx qty
1
x y (142)
1
x
trong ®ã qtx, qty= c¸c thµnh phÇn cña suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch thÓ tÝch theo híng
x, y d¬ng
y = to¹ ®é ngang trùc giao víi x.
H×nh 32. Nguyªn lý cña ®éng lùc h×nh th¸i
§èi víi c¸c øng dông nh båi lÊp c¸c luång tµu n¹o vÐt hoÆc c¸c r·nh ®Ó ®Æt
®êng èng vµ c¸p ngÇm, sù ph¸t t¸n c¸c ®èng ®Êt ®æ hoÆc c¸c ®èng tr÷ trÇm tÝch, cã
thÓ thùc hiÖn c¸c tÝnh to¸n ®éng lùc h×nh th¸i b»ng gi¶i tÝch. Tuy nhiªn ®èi víi c¸c
khu vùc cöa s«ng vµ ven bê lín h¬n cÇn sö dông c¸c m« h×nh tÝnh to¸n. §iÒu c¬ b¶n
cña c¸c m« h×nh nµy lµ h×nh d¹ng cña ®¸y thay ®æi theo tõng kho¶ng thêi gian ®Òu
166
- ®Æn, trêng sãng, dßng ch¶y vµ vËn chuyÓn trÇm tÝch ®îc tÝnh to¸n l¹i víi ®Þa h×nh
míi. Qu¸ tr×nh nµy ®îc lÆp l¹i cho ®Õn hÕt thêi gian yªu cÇu.
Cã 3 nhãm m« h×nh chÝnh cña m« h×nh sè trÞ ®éng lùc h×nh th¸i:
M« h×nh b·i ph¼ng, tÝnh to¸n c¸c biÕn ®æi vÞ trÝ vµ h×nh d¹ng ®êng bê (vÝ dô
mùc níc tÜnh trung b×nh däc theo b·i) trong chu kú nhiÒu n¨m hoÆc hµng chôc
n¨m. Mét chuçi dµi ®é cao sãng vµ híng sãng ®îc sö dông lµm ®Çu vµo. Chóng bÞ
khóc x¹ tõ níc s©u ®Õn ®êng sãng ®æ, dÉn ®Õn c«ng thøc vËn chuyÓn trÇm tÝch däc
bê nh c«ng thøc CERC t¹i mçi ®iÓm líi däc theo ®êng bê. Sù tiÕn hoÆc lïi cña
®êng bê ®îc tÝnh to¸n t¹i mçi bíc thêi gian b»ng c¸ch tÝnh to¸n nguån trÇm tÝch
(vËn chuyÓn ®Õn trõ ®i vËn chuyÓn ®i) cho mçi « n»m gi÷a c¸c ®iÓm líi. KÕt qu¶ cho
mét d¹ng míi cña ®êng bê. Qu¸ tr×nh ®îc lÆp l¹i cho ®Õn hÕt kho¶ng thêi gian cña
chuçi sãng cho s½n. C¸c c¶i tiÕn bao gåm: sö dông c«ng thøc vËn chuyÓn phøc t¹p
h¬n, ph©n bè vËn chuyÓn trªn vïng sãng ®æ vµ sö dông nhiÒu tuyÕn däc ®êng bê
thay v× chØ mét tuyÕn.
M« h×nh mÆt c¾t ven bê, m« t¶ mÆt c¾t b·i ngang bê theo mét ®êng vu«ng gãc
víi ®êng bê th¼ng hoÆc h¬i cong. Mét líi ®iÓm ®îc lÊy däc theo ®êng vu«ng gãc,
sãng bÞ khóc x¹ tõ níc s©u, bÞ vì theo chØ tiªu sãng ®æ, vµ tiÕp tôc lan truyÒn qua
vïng sãng ®æ. Cã sù xem xÐt nµo ®ã vÒ biÕn ®éng øng suÊt vµ vËn tèc theo chiÒu
th¼ng ®øng. TÝnh to¸n thùc hiÖn theo ph©n bè mÆt c¾t ®é cao sãng, níc d©ng, øng
suÊt trît t¹i ®¸y, sù bÊt ®èi xøng sãng, vËn tèc dßng sãng déi vµ suÊt vËn chuyÓn
trÇm tÝch tæng hîp ngang bê (vÝ dô c«ng thøc Bailard). Thay ®æi h×nh d¹ng mÆt c¨t
b·i t¹i mçi bíc thêi gian ®îc tÝnh to¸n theo nguån trÇm tÝch gi÷a c¸c ®iÓm líi. Nã
cho ta h×nh d¹ng míi cña mÆt c¾t ®¸y th¼ng gãc víi bê. Qu¸ tr×nh lÆp l¹i cho tõng
®iÒu kiÖn sãng tiÕp theo. C¸c c¶i tiÕn bao gåm: s¬ ®å sãng vì phøc t¹p h¬n, c«ng thøc
vËn chuyÓn trÇm tÝch phøc t¹p h¬n, xÐt ®Õn vÞªc d©ng vµ rót mùc níc theo thuû
triÒu, xÐt ®Õn dßng ch¶y thuû triÒu vµ xÐt c¶ vËn chuyÓn trÇm tÝch däc bê còng nh
ngang bê. Nãi chung mét doi c¸t ch¾n sãng h×nh thµnh do sù héi tô cña vËn chuyÓn
trÇm tÝch híng vµo bê tõ phÝa biÓn cña ®iÓm sãng vì do sù bÊt ®èi xøng sãng vµ sù
vËn chuyÓn híng ra biÓn tõ phÝa ®Êt cña ®iÓm sãng vì do dßng sãng déi. C¸c m«
h×nh mÆt c¾t ven bê ®ßi hái tÝnh to¸n nhiÒu h¬n m« h×nh b·i ph¼ng, do ®ã thêng sö
dông c¸c chuçi sãng ng¾n h¬n (vµi tuÇn hoÆc vµi th¸ng), nhng chóng còng ®a dông
h¬n mét c¸ch ®¸ng kÓ.
C¸c m« h×nh khu vùc ven bê tÝnh to¸n trêng båi tô vµ xãi lë trªn mét khu vùc
biÓn hoÆc cöa s«ng phøc t¹p vÒ ®Þa h×nh. Chóng gåm c¸c modun liªn kÕt víi nhau
®èi víi sù lan truyÒn sãng, ph©n bè dßng ch¶y (thuû triÒu, sãng, giã) vµ vËn chuyÓn
trÇm tÝch kÕt qu¶ trªn mét khu vùc biÓn 2 chiÒu ngang. Sù tiÕn triÓn ®éng lùc h×nh
th¸i cña ®¸y biÓn ®îc tÝnh to¸n b»ng ph¬ng tr×nh nguån trÇm tÝch 2 chiÒu nh
ph¬ng tr×nh (142). SuÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch 2 chiÒu ®îc tÝnh to¸n theo c¸c
ph¬ng ph¸p nh c«ng thøc Soulsby -Van Rijn hoÆc m« h×nh STP cña §an M¹ch (s¬
®å ho¸). Chóng thêng lµ trung b×nh ®é s©u (2DH), hoÆc chøa mét thÓ hiÖn ®¬n gi¶n
nµo ®ã cña c¸c biÕn ®éng theo híng th¼ng ®øng (tùa 3D). Chóng ®ßi hái thêi gian
tÝnh to¸n nhiÒu h¬n c¸c nhãm m« h×nh kh¸c vµ do vËy thêng kh«ng ch¹y víi thêi
167
- gian l©u h¬n 14 ngµy. Ph¶i sö dông c¸c kü thuËt ®Æc biÖt ®Ó më réng chu kú dù b¸o
®Õn vµi n¨m hoÆc hµng chôc n¨m. C¸c m« h×nh 3 chiÒu ®Çy ®ñ còng b¾t ®Çu xuÊt
hiÖn, nhng hiÖn t¹i chóng tÝnh to¸n qu¸ l©u.
C¸c chi tiÕt ®Çy ®ñ h¬n cña c¸c lo¹i m« h×nh nµy vµ c¸c s¶n phÈm ®éng lùc h×nh
th¸i liªn quan cã thÓ t×m trong c¸c tËp tãm t¾t cña Vriend (1993), Stive vµ nnk
(1995). Mét cuèn s¸ch dÔ hiÓu vÒ chñ ®Ò nµy ®îc biªn so¹n bëi Vriend (®ang chuÈn
bÞ).
Quy tr×nh
1. Cho th«ng tin vÒ ®Þa h×nh vµ c¸c ®Æc trng trÇm tÝch cña khu vùc nghiªn cøu.
2. Cho bøc tranh vµ lÞch sö cña trêng sãng ®o ®¹c, ®¸nh gi¸ (vÝ dô dù b¸o lïi
theo sè liÖu giã) hoÆc tÝnh to¸n tõ m« h×nh (vÝ dô khóc x¹, níc n«ng, nhiÔu x¹) cña
khu vùc nghiªn cøu.
3. Cho bøc tranh vµ lÞch sö cña trêng dßng ch¶y ®o ®¹c, ®¸nh gi¸ (vÝ dô theo
ªlÝp thuû triÒu ë B¶n ®å Hµng h¶i) hoÆc tÝnh to¸n tõ m« h×nh cña khu vùc nghiªn
cøu. Dßng ch¶y do sãng, giã vµ thuû triÒu cã thÓ cÇn xÐt ®Õn.
4. TÝnh to¸n bøc tranh vµ lÞch sö cña suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch b»ng c¸ch sö
dông mét trong c¸c c«ng thøc cña Ch¬ng 9 vµ 10.
5. TÝnh to¸n bøc tranh båi tô vµ xãi lë b»ng c¸c ph¬ng tr×nh (141) hoÆc (142).
6. C¸c tÝnh to¸n cho ta bøc tranh møc båi tô vµ xãi lë khëi ®Çu, cã thÓ tÝch ph©n
theo thêi gian ®Ó cã ®Þa h×nh míi. Tuy nhiªn, nÕu ®é s©u thay ®æi nhiÒu h¬n 10%,
bøc tranh dßng ch¶y vµ sãng sÏ thay ®æi ®Ó phï hîp víi trêng ®é s©u nµy. §èi víi
c¸c tÝnh to¸n chu kú dµi h¬n, quay l¹i bíc 1 víi ®Þa h×nh míi vµ tu©n thñ c¸c bíc
2-5. ViÖc lÆp l¹i c¸c chu kú nµy cho ta sù tÝnh to¸n ®éng lùc h×nh th¸i ®Çy ®ñ cña
ph¶n øng dµi h¹n trong khu vùc nghiªn cøu.
7. §èi víi c¸c thay ®æi h×nh d¹ng vµ vÞ trÝ ®êng bê, sö dông m« h×nh b·i ph¼ng,
®èi víi c¸c thay ®æi ngang bê cña mÆt c¾t b·i sö dông m« h×nh mÆt c¾t ven bê, ®èi
víi bøc tranh båi tô/ xãi lë trong ®Þa h×nh phøc t¹p vµ xa h¬n ngoµi kh¬i sö dông m«
h×nh khu vùc ven bê. TÊt c¶ c¸c m« h×nh sè nµy cÇn thùc hiÖn bëi c¸c chuyªn gia cã
kinh nghiÖm sö dông.
11.2. Xãi lë
KiÕn thøc
Khi mét vËt thÓ ®îc ®Æt trªn ®¸y biÓn, dßng ch¶y t¨ng lªn xung quanh nã, do
vËy nhiÒu trÇm tÝch h¬n ®îc mang ®i so víi trÇm tÝch ®îc mang ®Õn khu vùc l©n
cËn vËt thÓ. §iÒu nµy g©y ra viÖc h×nh thµnh hè xãi xung quanh vËt thÓ.
C¸c hiÖu øng bæ sung nh hoµn lu thø cÊp vµ nghÞch ®¶o dßng ch¶y còng ®ãng
gãp cho qu¸ tr×nh xãi.
Xãi lµ mét d¹ng côc bé cña ph¶n øng ®éng lùc h×nh th¸i cña ®¸y biÓn, nhiÒu
nguyªn lý cho trong môc 11.1 ®îc sö dông. Tuy nhiªn v× dßng ch¶y, do ®ã vËn
168
- chuyÓn trÇm tÝch biÕn ®æi nhanh theo kh«ng gian, c¸c sè h¹ng kh«ng c©n b»ng D vµ
E trong ph¬ng tr×nh (140) rÊt quan träng.
C¸c vÝ dô vÒ xãi bao gåm: trô cÇu, c¸c kÌ cã trô chèng, xãi ch©n khay têng ch¾n
sãng, têng ch¾n sãng t¹i cöa c¶ng, ®ª ch¾n sãng ngoµi kh¬i...; c¸c trô ®ì giµn khoan
ngoµi kh¬i (líp b¶o vÖ), c¸c kÕt cÊu träng lùc; c¸c ®êng èng dÇu vµ khÝ; c¸c ®èng
phoi do khoan; ch«n lÊp c¸c vËt thÓ n»m trªn ®¸y biÓn; c¸c hè xãi kÒ bªn khu vùc
kh«ng xãi.
Xãi cã thÓ t¹o ra bëi dßng ch¶y ®¬n híng, dßng ch¶y thuû triÒu hoÆc sãng kÕt
hîp víi dßng ch¶y.
NhiÒu khÝa c¹nh cña xãi t¬ng tù nh nhau ®èi víi tÊt c¶ c¸c vËt thÓ vµ dßng
ch¶y nhng xö lý chi tiÕt cho mçi lo¹i sÏ kh¸c nhau.
Quy tr×nh
1. Theo c¸c kiÕn thøc hiÖn cã cã thÓ thùc hiÖn trùc tiÕp dù b¸o xãi cuèi cïng sau
mét chu kú dµi cña sãng hoÆc dßng ch¶y xung quanh vËt thÓ cã d¹ng h×nh häc x¸c
®Þnh ®¬n gi¶n.
Hè xãi xung quanh mét cäc h×nh trô th¼ng ®øng trong dßng ch¶y æn ®Þnh thêng
lµ h×nh nãn, cã m¸i dèc kho¶ng 280, vµ ®é s©u lín nhÊt kÒ víi cäc kho¶ng 1.4 lÇn
®êng kÝnh cäc. §êng kÝnh tæng thÓ cña hè xãi kho¶ng 6 lÇn ®êng kÝnh cäc. Nh÷ng
®iÒu nãi trªn ¸p dông cho c¸c cäc cã ®êng kÝnh lín h¬n 40 lÇn kÝch thíc h¹t, vµ
nhá h¬n kho¶ng 1/6 ®é s©u níc, trong dßng ch¶y cã vËn tèc vît qu¸ ngìng chuyÓn
®éng cña ®¸y kh«ng biÕn ®éng.
Hè xãi bªn díi mét ®êng èng h×nh trô ®Æt n»m ngang ®îc cè ®Þnh sao cho
mÐp díi n»m trªn mùc ®¸y biÓn ban ®Çu, trong dßng ch¶y æn ®Þnh, cã ®é s©u cuèi
cïng lín nhÊt kho¶ng 0,6 ®êng kÝnh èng.
Sù ph¸t triÓn theo thêi gian cña ®é s©u xãi x¶y ra nhanh lóc ban ®Çu, cã xu
híng tiÖm cËn tíi gi¸ trÞ cuèi cïng cña nã gÇn nh theo sè mò cña thêi gian ®ang
gi¶m dÇn.
2. §èi víi dßng ch¶y cã d¹ng ®¬n gi¶n h¬n, mét kiÓm nghiÖm b»ng m« h×nh vËt
lý lµ lêi gi¶i tèt nhÊt. ¸p dông ®Þnh luËt tû lÖ sau ®©y:
- ®¶m b¶o kÝch thíc h¹t
- m« h×nh sè. Tuy nhiªn trong t¬ng lai m« h×nh sè cã thÓ cung cÊp lêi gi¶i hiÖu qu¶
nhÊt ®èi víi vÊn ®Ò xãi.
Mét chØ dÉn toµn diÖn ®èi víi xãi xung quanh c¸c c«ng tr×nh biÓn ®îc cho bëi
White (1997).
170
nguon tai.lieu . vn