Xem mẫu
- CHƯƠNG 6
MÔ HÌNH HÓA BÃI BIỂN VÀ ĐƯỜNG BỜ
6.1 GIỚI THIỆU CHUNG
Một trong những mục tiêu chính của kỹ thuật bờ biển là sử dụng các giải pháp công
trình hoặc phi công trình để giải quyết các vấn đề có liên quan tới bờ biển. Phương pháp
mô hình hóa có thể được sử dụng như một công cụ để đưa ra các dự báo đáng tin cậy về
sự phát triển của đường bờ trong các thời đoạn khác nhau. Trong các chương trước,
chúng ta đã xem xét sự vận chuyển bùn cát ở bờ biển và diễn biến bờ biển. chương này
sẽ giới thiệu các kiến thức cơ bản về mô hình hóa bãi biển, và đường bờ nhằm mô
phỏng và dự báo sự biến đổi của bãi biển và đường bờ dưới tác động của các điều kiện
tự nhiên. Một cách lý tưởng, các mô hình này, với các điều kiện biên của sóng, bùn cát
và địa hình thích hợp, sẽ cho phép dự báo diễn đường bờ trong một thời đoạn nhất định.
Hơn thế nữa, nếu các công trình bờ biển hoặc công trình nuôi bãi được xây dựng tại bờ
biển thì các mô hình sẽ có thể đánh giá được hiệu quả của công trình và ảnh hưởng của
công trình làm thay đổi bờ biển trong tương lai.
Có ba dạng mô hình hóa các diễn biến bờ biển là mô hình vật lý, mô hình giải tích và
mô hình toán. Trong đó, mô hình vật lý là các mô hình thực được xây dựng trong phòng
thí nghiệm với tỷ lệ thu nhỏ so với mô hình nguyên mẫu ngoài thực tế, các quá trình
diễn biến bờ biển xảy ra trong thực tế sẽ được khảo sát trên mô hình vật lý với các điều
kiện biên sóng, dòng chảy và mực nước được tái tạo lại trong phòng thí nghiệm giống
như xảy ra trong tự nhiên.
Dạng mô hình hóa thứ hai mô phỏng các hiện tượng vật lý diễn ra ở bờ biển hoàn
toàn bằng các phương trình toán học, nghiệm của hệ các phương trình trên sẽ cho biết
các diễn biến bờ biển. Tuy nhiên, các mô tả toán học các hiện tượng diễn ra trong tự
nhiên ở bờ biển không phải lúc nào cũng thực hiện được, mặt khác, hệ phương trình
được xây dựng có quá nhiều ẩn số và phụ thuộc vào nhiều biến ngẫu nhiên cũng không
thể giải được bằng phương pháp toán học thông thường. Do vậy, mà chỉ có những hiện
tượng chính, chi phối quá trình diễn biến bờ biển và hoàn toàn sáng tỏ về mặt bản chất
vật lý mới được mô tả toán học, và người ta cũng đơn giản hóa các phương trình mô tả
toán học này để có thể giải trực tiếp được chúng. Các mô hình hóa này được gọi là mô
hình giải tích, mặc dù đơn giản, nhưng chúng lại là các công cụ mạnh trong phân tích
và lý giải các hiện tượng tự nhiên diễn ra ở bờ biển.
Dạng mô hình hóa cuối cùng là mô hình số, hay mô hình toán. Mô hình này cũng
bao gồm các mô tả toán học các hiện tượng tự nhiên diễn ra ở bờ biển nhưng chi tiết hơn
nhiều so với mô hình giải tích và chủ yếu được giải trên các máy tính cá nhân. Với sự
164
- phát triển rất mạnh của máy tính cá nhân, với khả năng thực hiện hàng triệu phép tính
trong một giây thì các mô hình toán cũng ngày càng phức tạp hơn, cho phép mô phỏng
các hiện tượng tự nhiên ngày càng sát với thực tế hơn. Những hạn chế trước kia vì có
quá nhiều ẩn số hay số lượng bước tính quá lớn, không thể thực hiện bằng phương pháp
thủ công đã được giải quyết bằng mô hình toán.
Cho tới nay, vẫn chưa có một mô hình mô phỏng nào có khả năng tái tạo lại hoàn
chỉnh được những hiện tượng xảy ra trong tự nhiên vì bản thân các dạng mô phỏng nêu
ở trên đều có những hạn chế nhất định. Mặt khác, muốn mô phỏng được đúng với các
hiện tượng diễn ra trong tự nhiên thì trước tiên, cần phải hiểu và nắm rõ được bản chất
vật lý của các hiện tượng đó, điều mà không phải lúc nào cũng có thể thực hiện được.
Cho đến này, còn nhiều hiện tượng phức tạp ở bờ biển vẫn còn chưa hoàn toàn sáng tỏ
về mặt bản chất và quy luật, nhất là các hiện tượng thủy động lực và hình thái động lực
ở vùng sóng vỡ. Tuy nhiên, các mô hình nêu trên đã có những bước phát triển đáng kể
và trở thành những công cụ hữu hiệu, giúp chúng ta tìm hiểu thêm các hiện tượng diễn
ra trong tự nhiên ở bờ biển.
Hiện tại và trong tương lai, có thể nói rằng, mô hình toán là những công cụ mạnh và
cho kết quả mô phỏng tốt nhất và cũng là kinh tế nhất trong số các dạng mô hình hóa
nêu ở trên. Nó cho phép lựa chọn các điều kiện biên và điều kiện ban đầu một cách mềm
dẻo, đại diện được cho các lực ngẫu nhiên; các dạng mô hình này sẽ cho phép phát triển
các quá trình diễn biến đường bờ đang thay đổi rất nhanh khi những hiểu biết của chúng
ta về quá trình bờ biển ngày càng tăng. Ngay cả hiện nay, khi các phương trình mô tả
các đặc tính của đường bờ biển là quá phức tạp khi muốn mô tả chúng một cách đầy đủ
bằng một mô hình giải tích, hay mô hình vật lý thì đều bị cản trở bởi các ràng buộc về tỷ
lệ mô hình và thường đỏi hỏi các chi phí xây dựng mô hình ban đầu rất cao. Các mô
hình toán, đã giải quyết được các hạn chế trên bằng các khả năng tính toán ngày càng
nhanh của máy tính điện tử, bằng sự phát triển của các thuật giải trong phương pháp số
và bằng các mô hình hóa dựa vào kinh nghiệm trong thực tế và cho thấy nó sẽ mang lại
cho người sử dụng các dự báo có độ tin cậy cao.
Trong chương này, các mô hình toán, mô hình vật lý và mô hình giải tích mô phỏng
các diễn biến bờ biển và địa hình vùng ven bờ sẽ được xem xét. Các phương pháp đo
đạc diễn biến bờ biển ngoài hiện trường cũng sẽ được trình bày ở cuối chương này. Một
số nội dung trong chương này được tham khảo từ tập bài giảng Coastal Engineering,
của Trường Đại học Kỹ thuật Delft của Vander (1997 ); từ Komar (1998) và Dean
(2002).
165
- 6.2 MÔ HÌNH HÓA BỜ BIỂN BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ
GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ MÔ HÌNH VẬT LÝ
Mô hình vật lý mô phỏng các quá trình diễn biến bờ biển trong tự nhiên sẽ gồm hai
dạng: mô hình lòng cứng (cố định) và mô hình lòng động. Mô hình lòng cứng là các mô
hình mô phỏng các hiện tượng diễn ra ở bờ biển mà không xét tới sự biến đổi địa hình
đáy trong quá trình mô phỏng, lòng dẫn trong mô hình được coi như là cố định trong
toàn bộ thời gian mô phỏng. Như vậy mô hình hoàn toàn không xét tới ảnh hưởng của
hiện tượng vận chuyển bùn cát ở bờ biển đối với địa hình đáy cũng như đối với các hiện
tượng cần nghiên cứu trong mô hình. Ngược lại, mô hình lòng động lại mô phỏng các
quá trình diễn biến bờ biển có xét tới tác dụng vận chuyển bùn cát ở ven bờ do tác động
của sóng và dòng chảy, như vậy lòng dẫn, hay địa hình đáy của mô hình sẽ thay đổi
trong quá trình mô phỏng, chính vì vậy mà người ta gọi nó là mô hình lòng động. Với
các đặc tính trên thì mỗi mô hình sẽ có phạm vi áp dụng và nghiên cứu riêng, tùy thuộc
vào tính năng của mô hình.
Ví dụ như để nghiên cứu các đặc trưng sóng ở lân cận một công trình bờ biển hoặc
công trình cảng hay khảo sát dòng chảy do sóng tạo ra thì mô hình vật lý lòng cứng (cố
định) sẽ là một công cụ được lựa chọn. Do nghiên cứu này không quan tâm tới hiện
tượng vận chuyển bùn cát nên ở một chừng mực nào đó, có thể bỏ qua những ảnh hưởng
bùn cát ven bờ tới hiện tượng nghiên cứu. Trường hợp cần mô hình hóa các đặc trưng
của một hình dạng mặt cắt ngang bờ biển, một cửa sông vùng triều hay một đoạn bờ
biển, thì mô hình vật lý lòng động lại là mô hình được sử dụng vì các quá trình tự nhiên
trong nghiên cứu có liên quan chặt chẽ tới sự vận chuyển bùn cát và sự biến đổi địa hình
đáy biển. Việc sử dụng các mô hình lòng động cho tới nay vẫn còn là một công việc
phức tạp, cần nhiều tới kinh nghiệm và kỹ năng hơn là kiến thức đơn thuần về các hiện
tượng nghiên cứu, bởi vì mô hình này có quá nhiều tham số có ảnh hưởng lớn tới sự sai
khác lệch giữa mô hình với thực tế. Trong khuôn khổ của môn học, chương này sẽ chỉ
đề cập một cách tóm tắt tới mô hình lòng cứng và một số chỉ tiêu tỷ lệ mô hình.
Để mô hình hóa 1 mặt cắt ngang bãi biển hoặc của một đoạn bờ biển bằng mô hình
vật lý, trước tiên, người ta phải chế tạo mô hình thu nhỏ của mô hình nguyên mẫu có
ngoài tự nhiên trong phòng thí nghiệm tại một máng sóng hay bể sóng. Việc chế tạo mô
hình vật lý thu nhỏ so với mô hình nguyên mẫu chỉ đơn giản là tính toán các kích thước
của mô hình thu nhỏ bằng cách nhân tất cả các kích thước của mô hình nguyên mẫu với
hệ số tỷ lệ được lựa chọn khi thiết kế xây dựng mô hình vật lý, hệ số này được gọi là tỷ
lệ mô hình. Sau đó, để bắt đầu thí nghiệm, người ta phải tái tạo lại các hiện tượng xảy ra
trong tự nhiên như tác động của sóng hay dòng chảy trong mô hình và cho nó tác động
lên mô hình thí nghiệm đã được xây dựng và tiến hành đo đạc các thông số qua tâm
trong quá trình thí nghiệm cũng như các kết quả cuối cũng về hình dạng sau khi kết thúc
166
- thí nghiệm. Trong quá trình thí nghiệm, các thông số cơ bản như sóng, mực nước, dòng
chảy và thời gian thí nghiệm sẽ được khống chế theo kịch bản thí nghiệm đã được xác
định từ trước.
Tuy vậy, bước đầu tiên khi xây dựng các mô hình thu nhỏ so với mô hình nguyên
mẫu cũng là công việc hết sức phức tạp, một phần vì phải bảo đảm các mô hình thí
nghiệm (trong điều kiện hạn chế về kích thước máng, hay bể sóng đã có) phải tái tạo lại
được các hiện tượng giống như đã xảy ra trong thực tế và một phần vì chúng ta chưa tái
tạo được cùng một loại trạng thái sóng theo mùa như nó xảy ra trong tự nhiên.
Vấn đề đầu tiên là tỷ lệ mô hình, phải lựa chọn như thế nào cho phù hợp. Nếu chế tạo
mô hình thí nghiệm bằng đúng với mô hình nguyên mẫu (tức là tỷ lệ mô hình sẽ là 1:1)
thì kích thước mô hình sẽ quá lớn, không phù hợp với kích thước của phòng thí nghiệm
hoặc chi phí để xây dựng mô hình sẽ tốn kém, khi thí nghiệm đòi hỏi phải có các thiết bị
tạo sóng, dòng chảy nhân tạo rất lớn, đấy là chưa kể tới những hạn chế về mặt chế tạo
thiết bị thí nghiệm, đồng thời chi phí vận hành đo đạc mô hình thí nghiệm cũng sẽ lớn
hơn rất nhiều so với thông thường. Tuy nhiên, có những trường hợp do sự ràng buộc về
mặt bản chất của hiện tượng mà bắt buộc phải thí nghiệm với tỷ lệ mô hình 1:1 (ví dụ thí
nghiệm xói mái đê có lớp phủ là cỏ trên nền đất tại máng sóng ở Viện Thủy lực Delft,
Hà Lan...). Nhưng thông thường, mô hình thí nghiệm được lấy nhỏ hơn so với mô hình
nguyên mẫu sao cho phù hợp và thuận tiện cho việc nghiên cứu. Tỷ lệ chiều dài theo
phương ngang của mô hình được ký hiệu là lr, được định nghĩa là tỷ số giữa chiều dài
đặc trưng trong mô hình (lm) với chiều dài của cùng đặc trưng đó ở nguyên mẫu (lp). Các
tỷ lệ đặc trưng của mô hình thường là lr = lm/lp = 1:10 đến 1:100. Vấn đề hay gặp phải
đối với mô hình có tỷ lệ thu nhỏ là một số lực trong mô hình thí nghiệm trở nên quá lớn
(hoặc quá nhỏ) so với thực tế và làm cho hiện tượng được tái tạo lại trong phòng thí
nghiệm sai khác hoàn toàn về mặt bản chất vật lý so với thực tế. Ví dụ như, chúng ta
biết rằng trong thực tế, trọng lực là một lực quan trọng giúp tạo nên hiện tượng tái tạo và
lan truyền sóng trong nước, nhưng trong phòng thí nghiệm, nếu mô hình có sử dụng các
sóng đặc biệt ngắn thì sẽ gặp phải vấn đề sai số do lực căng bề mặt, vì lúc này trong mô
hình, lực này trở nên lớn hơn và quan trọng hơn so với trọng lực, dẫn tới các tác động
sóng không còn đúng với thưc tế nữa.
Để hạn chế các ảnh hưởng do tỷ lệ mô hình gây ra, một số mô hình đã sử dụng hệ số
tỷ lệ của chiều dài theo phương nằm ngang khác với hệ số tỷ lệ của chiều sâu theo
phương thẳng đứng, người ta gọi mô hình loại này là mô hình biến dạng. Ví dụ, một
mô hình có thể có hệ số tỷ lệ chiều dài theo phương nằm ngang là 1:100 và tỷ lệ chiều
cao theo phương thẳng đứng là 1:10. Điều này có nghĩa là, độ sâu nước trong mô hình
sẽ lớn hơn trong một hình có tỷ lệ không bị biến dạng. Mô hình biến dạng nhằm đảm
167
- bảo rằng ảnh hưởng của ma sát đáy không trở thành yếu tố chi phối không mong muốn
đối với dòng chảy trong mô hình.
BỂ TẠO SÓNG VÀ MÁNG TẠO SÓNG
Một khía cạnh quan trọng khác khi tiến hành các thí nghiệm trên mô hình vật lý là
đưa các yếu tố nhân tạo vào một thực nghiệm bất kỳ sao cho giống như ngoài thực tế.
Muốn vậy, phải dựa vào các thiết bị có khả năng tái tạo lại các trạng thái tự nhiên ngoài
thực tế, như sóng và dòng chảy. Các thiết bị này được gọi là máng sóng, bể sóng hay
máng dòng chảy, hoặc tích hợp cả sóng và dòng chảy.
Trước kia, một chuỗi sóng đơn, có chu kỳ đều thường được dùng để tiến hành các thí
nghiệm. Việc tái tạo nên các chuỗi sóng loại này trong phòng thí nghiệm cần phải thực
hiện hết sức cẩn thận, do sự chuyển động hình sin của các cánh tay đòn tạo sóng tại một
đầu của máng sóng có thể tạo nên chuỗi sóng không như mong muốn do ảnh hưởng của
quá trình phi tuyến. Đối với các sóng có biên độ giới hạn với tỷ số kh > 1.36, thì theo
Benjamin-Feir, hiện tượng mất ổn định sóng sẽ xuất hiện. Các sóng với các tần số khác
biệt rất nhỏ khi đ ược tạo thành sẽ phát triển và trao đổi năng lượng với chuỗi sóng thiết
kế .
Một vấn đề khác nảy sinh khi tái tạo các sóng đơn trong máng sóng là sự hình thành
các sóng dài giới hạn dưới nhóm sóng (Ottesen Hansen et al. 1980), sự phản xạ sóng và
sự tổn thất năng lượng sóng tại các tường bên của máng sóng hay bể tạo sóng do hiện
tượng ma sát và độ nhám bề mặt thành bên.
Hiện tại, rất nhiều phòng thí nghiệm đang tiến hành các thực nghiệm với các thiết bị
tạo sóng ngẫu nhiên có phổ năng lượng sóng tương ứng như các sóng đo đạc được trong
tự nhiên. Các phương pháp số đã được phát triển để bảo đảm rằng phổ năng lượng sóng
trong bể sóng gần giống như trong tự nhiên, một số phương pháp thì sử dụng các thiết bị
lọc nhiễu trên hình dạng của phổ sóng, trong khi các phương pháp khác lại dựa trên tổng
số chuỗi sóng có các biên độ và pha khác nhau để tạo thành phổ sóng. Thêm vào đó,
người ta cũng chế tạo các thiết bị có khả năng hấp thu các sóng phản xạ hình thành trong
quá trình thí nghiệm và lắp đặt chúng lên các thiết bị tạo sóng hay ở phần cuới của máng
sóng để hấp thụ và giảm bớt tác dụng của các sóng phản xạ xuất hiện trong bể sóng.
Bể sóng cũng có thể tạo nên các chuyển động sóng không mong muốn do sự có mặt
của các sóng phản xạ từ các tường bên, từ thiết bị tạo sóng và từ bãi biển nhân tạo được
xây dựng trong bể hoặc do quá trình tạo sóng không tương ứng với các trạng thái trong
thực tế. Các ví dụ về các sóng này bao gồm các loại sau:
- Sóng ngang, là các sóng phi tuyến được tạo ra tại các cánh tay đòn tạo sóng có thể
lan truyền vào trong bể tạo sóng
168
- - Sóng có nguồn gốc từ các dao động cộng hưởng trong bể sóng, xuất hiện khi tần số
của các thiết bị tạo sóng tương ứng với tần số dao động riêng của m ực nước trong bể tạo
sóng.
- Sóng do sự cộng hưởng sinh ra các sóng dài, như hiện tượng tạo thành các sóng
đứng trong bể tạo sóng có bãi biển dốc.
- Các sóng giả triều là các sóng ngắn tạo ra do các thiết bị tạo sóng có hướng
MÔ HÌNH LÒNG CỨNG
Đối với các nghiên cứu sóng tại vùng lân cận một công trình bờ biển hoặc cảng biển
hoặc nghiên cứu dòng chảy do sóng tạo ra, người ta thường sử dụng các mô hình lòng
cứng (cố định) vì đây là công cụ phù hợp nhất cho thí nghiệm và trong nghiên cứu
không quan tâm tới hiện tượng vận chuyển bùn cát. Vì địa hình đáy của mô hình thì
nghiệm được xem như là cố định trong suốt quá trình thí nghiệm nên nó thường được
chế tạo bằng bê tông hoặc các bọt polyurethane có trọng lượng riêng cao (loại nhựa tổng
hợp dùng để chế tạo sơn) để tạo hình về phương diện hình học giống như nguyên mẫu
nhưng với kích thước nhỏ hơn.
Tỷ lệ mô hình theo phương thẳng đứng hr, được định nghĩa giống như tỷ lệ mô hình
theo phương nằm ngang được trình bày ở phần trước; đây là tỷ số giữa độ sâu theo
phương thẳng đứng giữa mô hình và nguyên mẫu.
Nếu tỷ lệ mô hình theo phương thẳng đứng lớn hơn tỷ lệ mô hình theo phương nằm
ngang thì mô hình được gọi là mô hình biến dạng.
Các mô hình lòng cứng (cố định) thường yêu cầu phải tái tạo lại hiệu ứng sóng nước
nông, khúc xạ sóng, nhiễu xạ sóng, phản xạ sóng và hiện tượng sóng vỡ đúng như trong
tự nhiên. Điều này có nghĩa là mô hình buộc phải không có sự biến dạng về tỷ lệ (lr =
hr), khi các sóng ngắn được dùng để thí nghiêm trong mô hình. Có thể giải thích vấn đề
này như sau. Đối với các chất điểm nước chuyển động trong sóng, người ta thường sử
U
F=
dụng hệ số tỷ lệ Frút, (6.1)
gh '
Trong đó vận tốc U là vận tốc có lên quan tới sóng, hay nói cách khác là vận tốc
chuyển động của các chất điểm nước, g là gia tốc trọng trường, h là đặc trưng của độ
sâu. Để đảm bảo tính chính xác của mô hình thu nhỏ thì số Frút trong mô hình phải bằng
với giá trị của số Frút ngoài thực tế, từ đó có thể suy ra rằng tỷ số giữa lực quán tính và
trọng lực phải giống nhau ở cả mô hình và nguyên mẫu. Tỷ lệ chiều dài (cả chiều rộng,
độ sâu, chiều cao) trong mô hình thường là đã xác định, ta cần xác định tương quan tỷ lệ
còn lại như tỷ lệ của vận tốc, thời gian và lực. Đối với mô hình tuân theo quy luật Frút
thì các tương quan tỷ lệ thời gian và vận tốc là
169
- Ur
Fr =1 = (6.2)
g r hr
Do trọng lực sẽ là như nhau ở cả trong mô hình lẫn ngoài nguyên mẫu (gr =1) nên từ
(6-2) ta có thể rút ra Ur = hr . Nếu chúng ta biểu diễn vận tốc dưới dạng tỷ số giữa
chiều dài theo phương ngang với thời gian, thì sẽ thu được
lr
tr = (6.3)
hr
Hay nói cách khác, chúng ta biết rằng chiều dài sóng của một con sóng thì phụ thuộc
vào chu kỳ sóng và độ sâu nước từ tương quan tiêu tán năng lượng có dạng sau
gT 2
L= (6.4)
tanh (kh)
2π
trong đó (k = 2πh/L), là số sóng. Đối với vùng nước sâu, tỷ lệ chiều dài sóng sẽ bằng
Lr = Tr2. Do đây là tỷ lệ chiều dài nên Lr = lr = T2. Giải công thức cho Tr, thu được Tr =
tr = l r . So sánh với biểu thức trước của tr, thì cần có hr = Lr = lr. Yêu cầu này đối với
một mô hình không biến dạng cũng được áp dụng cho vùng độ sâu chuyển tiếp do công
thức (6.4) có điều kiện áp dụng là (kh)r = 1, hay, thế vào số sóng, ta thu được hr = Lr =
lr. Do vậy, đối với các sóng ngắn, mô hình nhất thiết phải là mô hình không biến dạng.
Tuy vậy, đối với các sóng dài, điều kiện này là không bắt buộc vì vận tốc của pha
sóng được xác định từ độ sâu nước cục bộ chứ không phụ thuộc vào chu kỳ sóng như
trong công thức (6.4), chiều dài sóng thì được xác định bằng công thức L = gh T , và
công thức (6.3) được dùng để xác định tỷ lệ thời gian.
Đối với các mô hình thủy triều mô phỏng ở các cửa sông hình tam giác châu lớn,
thì bắt buộc mô hình phải sử dụng có tỷ lệ biến dạng. Ví dụ như mô hình vịnh hay
đầm phá được đặt trong phòng phí nghiệm có diện tích mặt bằng là 56,700 m2 với tỷ
lệ chiều dài theo phương ngang là 1:1000 và tỷ lệ độ sâu theo phương thẳng đứng là
1:100. Với tỷ lệ này thì độ sâu lớn nhất trong mô hình sẽ vào khoảng 0,4m. Nếu mô
hình không sử dụng tỷ lệ biến dạng thì độ sâu lớn nhất sẽ chỉ là 0.04m, và hầu như
mô hình sẽ chịu sự chi phối rất lớn do ảnh hưởng của độ nhớt chất lỏng và ma sát
đáy làm sai lệch các hiện tượng dòng chảy và sóng trong mô hình và đưa đến những
kết quả không đúng như trong thực tế. Một hệ quả khác của tỷ lệ biến dạng mô hình
là ma sát đáy thường xuyên quá nhỏ trong mô hình và so với các kiểm định chi tiết
với số liệu đo đạc tại hiện trường của vận tốc dòng chảy. Thông thường, để làm tăng
ma sát khi kiểm định mô hình, người ta có thể dùng các mẩu kim loại gắn ở đáy để
làm tăng độ nhám.
170
- 6.3 MÔ HÌNH HÓA ĐƯỜNG BỜ BẰng PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH
Mặc dù không mềm dẻo và có tính ứng dụng cao như mô hình toán, hay trực quan
như mô hình vật lý, nhưng phương pháp giải tích có thế mạnh là cho phép hiểu rõ bản
chất vật lý của hiện tượng được mô hình hóa và có lời giải rõ ràng. Các nghiên cứu bờ
biển sử dụng phương pháp giải tích thường đơn giản hóa các phương trình toán mô tả
các hiện tượng tự nhiên để có thể giải trực tiếp hệ phương trình và cho nghiệm giải tích.
Trong phần này, lý thuyết đường đơn của Pelnard-Considere (1956) mô phỏng sự
biến đổi đường bờ biển sẽ được trình bày. Mặc dù đây là một lý thuyết đơn giản, đã có
từ lâu và chỉ có thể áp dụng trong một số rất ít các trường hợp có trong tự nhiên và bản
thân lý thuyết cũng sử dụng rất nhiều giả thiết và có nhiều hạn chế, nhưng đây lại là cơ
sở để xây dựng nên nhiều mô hình tính hiện đại và cho phép hiểu rõ được bản chất vật
lý của hiện tượng được mô hình hóa, điều rất cần trong giảng dạy.
TOW (1980) đã chỉ ra rằng, cách
tính toán diễn biến bờ biển phụ thuộc
vào cách sơ đồ hóa đường đáy. Sơ đồ
hóa dạng đơn giản nhất được sử dụng
trước kia là bằng các đường đơn. Theo
lý thuyết này hình dạng bờ biển (đây là
phần hình dạng bãi biển có đóng góp
với sự biến đổi hình thái) được sơ đồ
Hình 6-1. Mô hình hóa mặt cắt ngang bờ hóa bằng một đường đơn như hình (6-
biển theo lý thuyết đường đơn. 1). Đặc tính của bờ biển (xói hay bồi)
có liên quan tới đặc tính của đường đặc
trưng này. Đường này, về nguyên tắc
có thể, mỗi đường độ sâu là một phần
“hoạt động” trong mặt cắt ngang.
Điểm có đặc tính phù hợp nhất tất
nhiên sẽ là giao điểm giữa mặt cắt
ngang và mực nước biển trung bình
(đường mép nước). Nếu đường mặt
nước phát triển trên một khoảng bằng
‘a’ tại tất cả các đường đồng mức của
độ sâu trong phần “hoạt động của mặt
cắt ngang” thì hình dạng mặt cắt cũng
phát triển trên một khoảng cách bằng
‘a’. Do vậy hình dạng của mặt cắt
ngang hầu như không thay đổi
Hình 6-2. Lý thuyết đường phức (2, 3 đường)
171
- Lý thuyết đường phức hợp được xây dựng trên cùng một nguyên tắc như lý thuyết
đường đơn, chỉ có điểm khác biệt là bờ biển là được sơ đồ hóa bởi nhiều đường hơn.
Mỗi đường đại diện cho một phần của mặt cắt ngang bãi biển (hay một vùng trên mặt
cắt ngang bãi biển). Hình dạng của mặt cắt ngang bãi biển lúc này sẽ “được phép” thay
đổi. Đối với mỗi vùng trên mặt cắt ngang, vận chuyển bùn cát dọc theo đường bờ được
giả thiết là được tập trung tại một điểm và có hướng song song với đường bờ biển (như
hình 6-2) và có phương vuông góc với đường bờ. Vận chuyển bùn cát theo phương
ngang có thể cũng được xét đến trong quá trình tính toán
Nếu các chi tiết đầy đủ hơn của sự biến đổi đáy được nghiên cứu, thì nó có thể sơ đồ
hóa vùng bờ biển bằng một lưới. Các ô
riêng biệt trên bề mặt đáy đều được xác
định rõ trong lưới (hình 6-3), mỗi ô có
đặc trưng riêng. Sự xói lở hay bồi tụ của
mỗi ô đáy có thể được tính toán bằng
phương pháp cân bằng khối lượng và thể
tích (phương trình liên tục và phương
trình chuyển động). Phương pháp lưới
Hình 6-3. Nguyên tắc tính toán ô lưới
hiển nhiên đòi hỏi số bước tính nhiều
hơn, thời gian tính lâu hơn và công cụ tính mạnh hơn .Các mô hình lưới mở rộng đều
không được xét tới trong phần này.
MÔ HÌNH HÌNH THÁI ĐƯỜNG BỜ DẠNG ĐƯỜNG ĐƠN
Như đã đề cập ở phần đầu, mô hình đường đơn là mô hình đường đồng mức đơn giản
nhất và nó có thể được sử dụng để mô phỏng diễn biến đường bờ dọc bờ biển theo thời
gian. Mô hình đường đơn lần đầu tiên được Pelnard-Considere (1956) trình bày, ông đã
khảo sát đặc tính của các đập mỏ hàn trên bãi biển. Từ thời điểm đó, phương trình
‘khuyếch tán’, do ông xây dựng, đã được ứng dụng trong rất nhiều trường hợp khác
nhau. Để đơn giản hóa bài toán, thì các phương trình cần phải được đơn giản hóa. Ông
đã khảo sát sự biến thiên của Ql , là kết quả duy nhất do sự biến thiên góc sóng vỡ
(∂αb/∂x) theo hướng dọc bờ gây ra, với giả thiết rằng (ECn)b và chiều cao sóng vỡ Hb tại
một điểm bất kỳ đều có giá trị bằng hằng số.
Một giả thiết quan trọng được sử dụng trong lý thuyết đường đơn là coi hình dạng bờ
biển dịch chuyển theo phương ngang trên toàn bộ của mặt cắt, dẫn tới dẫn tới hiện tượng
bồi tụ và xói lở đường bờ. Độ dốc bãi biển, do vậy, sẽ không thay đổi (hình 6-4). Hình
dạng mặt cắt ngang mới được dịch chuyển theo phương ngang và được sơ đồ hóa (dưới
dạng đường) trong thực tế là song song với nhau. Trong thực tế, hình dạng mặt cắt này
thường kéo dài về phía biển bên ngoài vùng sóng vỡ và bao gồm toàn bộ vùng ven bờ.
172
- Chân của mặt cắt ngang được xác định tại điểm nơi độ dốc bãi biển chuyển thành gần
như nằm ngang
Các đặc trưng sóng trong phần nằm ngang (H, T, ϕ') cần có để tính toán các thay đổi
trong bờ biển đã sơ đồ hóa. Các đặc trưng này thường khác với các đặc trưng sóng ở
vùng nước sâu khi độ sâu tại phần đáy có độ dốc gần như nằm ngang không tương
đương với độ sâu “vùng nước sâu”. Nếu quá trình diễn biến bờ biển trong vùng nước
sâu trước khi trở thành gần như nằm ngang, thì khối lượng bùn cát “ không có giới hạn”
sẽ cần có để tạo nên sự bồi tụ một cách chắc chắn. Trong trường hợp này, phương pháp
trên có thể không thể sử dụng được.
Nếu sự bồi tụ hoặc xói lở xuất
hiện, một phần của hình dạng mặt cắt
ngang sẽ tự điều chỉnh và thích nghi,
từ phần mặt cắt có độ dốc gần như
nằm ngang tới một số điểm bên trên
độ dốc trên đường mặt nước. Bùn cát
bị cuốn lên lên bãi biển, ở bên trên cả
mực nước. Chiều cao, d, tại nơi bùn
cát bị cuốn lên bờ, cần được mô tả
Hình 6-4 Sơ đồ hóa mặt cắt ngang bãi trong công thức, được lấy bằng với
biển theo lý thuyết đường đơn độ sâu nước h, cộng với chiều cao
sóng leo (hình 6-4)
Lý thuyết đường đơn cho phép tính toán sự biến đổi đường bờ biển bằng phương
pháp tính toán thủ công. Để làm được điều này cần sử dụng công thức tính vận chuyển
bùn cát trong đó lượng vận chuyển bùn cát sẽ là hàm phi tuyến của góc sóng tới so với
đường bờ. Ngoài ra để dự báo được sự biến đổi đường bờ, thì cần phải giải thêm hai
phương trình khác là phương trình chuyển động và phương trình liên tục. Dưới đây sẽ
xem xét các phương trình này
PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC
Xét một đoạn bờ biển đang bị biến đổi, (có thể là biến đổi gây bồi hoặc xói). Nếu
chúng ta khảo sát một đoạn bờ biển có chiều dài dx trong khoảng thời gian dt, có thể
thấy rằng đường bờ biển bị dịch chuyển một khoảng bằng dy về phía đất liền hoặc về
phía biển. Từ hình (6-5), có thể thấy, nếu chiều cao lớp bên trên, nơi có sự biến đổi bờ
biển bằng d, như hình (6-4) thì
S x dt − ( S x + dS x ) dt = d d x d y (6.5)
Trong đó:
d : độ dày của lớp bên trên nơi xảy ra sự biến đổi
173
- Sx : lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ biển tại vị trí x
Sx+dSx : lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ biển tại vị trí x+dx
Phương trình này có thể diễn giải bằng lời như sau : cân bằng giữa lượng bùn cát vào
và lượng bùn cát đi ra khỏi đoạn bờ biển sẽ bằng lượng bùn cát lũy tích lại trong đoạn
bờ biển đó.
Ngoài ra cũng có thể biểu diễn giá trị dSx dưới dạng như sau:
∂S x
dS x = (6.6)
dx
∂x
∂y
dy = dt
và : (6.7)
∂t
Thế 2 phương trình trên vào phương trình (6.5), và đơn giản hóa hai vế của phương
trình, ta được
∂S x ∂y
+d =0 (6.8)
∂x ∂t
Phương trình này được gọi là phương trình liên tục bùn cát.
Hình 6-5 Biểu diễn tương quan
của phương trình liên tục bùn cát
Trong thực tế, mối quan tâm chính vẫn là sự biến đổi của đường bờ biển theo thời
gian diễn ra như thế nào, do vậy nó được biểu diễn dưới dạng không trực tiếp là ∂y/∂t.
Nếu xác định được tỷ số (∂Sx/∂x) trong phương trình (6.8), thì hoàn toàn có thể xác định
sự biến đổi của đường bờ sau khi lấy tích phân phương trình (6.8). Thành phần Sx trong
công thức (6.8) có thể được xác định bằng phương trình chuyển động bùn cát.
PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG
Phương trình chuyển động bùn cát phụ thuộc vào sự biến đổi lượng bùn cát vận
chuyển dọc bờ biển (∂Sx/∂x). Những sự thay đổi nào dọc bờ biển sẽ gây nên sự biến đổi
vận chuyển bùn cát dọc bờ Sx ? Hầu hết các biến quan trọng, là các biến có thể thay đổi
khi xét quá trình diễn biến dọc bờ biển, như chiều cao sóng và góc sóng tác dụng tới
174
- đường bờ. Ở đây sẽ giới hạn trong sự biến đổi góc sóng tác dụng tới đường bờ và giả
thiết các trạng thái sóng nước sâu được coi như không thay đổi dọc theo bờ biển.
Trong phần trước, chúng ta đã tiến hành khảo sát tương quan giữa sự biến đổi góc
sóng tới so với đường bờ và từ đó dẫn tới vận chuyển bùn cát Sx. Tại phần này, chúng ta
sẽ khảo sát sự vận chuyển bùn cát Sx với các giá trị khác nhau của góc sóng tác dụng tới
một đường bờ cố định. ( ở đây trong thức tế, chỉ có thể khảo sát sự vận chuyển bùn cát
cho các sóng có hướng cố định tác dụng lên các đoạn bờ biển có hướng khác nhau so
với góc sóng tới). Như vậy, bằng cách biến đổi các giá trị nhỏ của góc sóng tới, ϕ, trong
công thức vận chuyển bùn cát, chúng ta có thể xác định được giá trị của ∂Sx /∂ϕ theo
kinh nghiệm. (Điều này có thể thực hiện được bằng bất kỳ một công thức vận chuyển
bùn cát dọc bờ nào).
Hình 6-6 Hình dạng mặt
bằng của bờ biển có mô tả
∂y/∂x và góc ϕ'.
Cũng tương tự như vậy, nếu chúng ta giới hạn trong phạm vi các biến đổi nhỏ của
góc sóng tác dụng tới đường bờ, chúng ta có thể giả thiết rằng ∂Sx /∂ϕ là hằng số ( điều
này có nghĩa là coi như giống với giả thiết một đoạn bờ biển hoàn toàn là hàm tương
quan của Sx theo ϕ được thay thế bằng một đoạn bờ biển thẳng, lúc này góc ϕ là hằng
số, giả thiết này là tương đối hợp lý khi mà sự biến đổi của góc ϕ là tương đối nhỏ). Từ
đó rút ra phương trình chuyển động bùn cát có dạng sau:
∂S x
Sx = 6.9
∂ϕ
Có thể biến đổi hàm ∂Sx/∂ϕ đã biết về dạng hàm ∂Sx/∂x thông qua chuỗi biến đổi
sau:
∂S x ∂S x ∂ϕ
= 6.10
∂ϕ ∂x
∂x
Nếu như theo giả thiết, ∂ϕ là nhỏ, thì ∂ϕ sẽ tương đương với tỷ số (-∂y/∂x) và :
∂ϕ ∂2 y
=− 2 6.11
∂x ∂x
175
- Dấu âm trong công thức thể hiện một thực tế là khi ∂y/∂x có giá trị dương (tăng lên)
thì sẽ dẫn tới góc ϕ giảm.
Góc được xét tới trong phương trình chuyển động bùn cát là góc tạo giữa đường đỉnh
sóng tại độ sâu h và đường bờ tức thời tại thời gian t. Như vậy, cũng từ hình vẽ (6-6), có
thể xác định góc ϕ như sau:
∂y
ϕ =ϕ ' − 6.12
∂x
Lượng bùn cát vận chuyển sẽ được xác định tại chiều cao sóng bằng bao nhiêu ? (là
chiều cao sóng được đưa vào trong một công thức tính toán vận chuyển bùn cát bất kỳ
nào đó). Cũng giống như với góc sóng tác dụng, sẽ là an toàn nhất khi đánh giá chiều
cao sóng (hoặc các chiều cao sóng) trong vùng nơi định dự báo sự biến đổi của đường
bờ. Sử dụng số liệu sóng ở vùng nước sâu sẽ thu được các kết quả không đúng nếu hiện
tượng sóng vỡ xáy ra trên các dải cát ngầm ngoài khơi tại vùng chuyển tiếp.
GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC & PHƯ Ơ NG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG
Phương trình chuyển động (6.9) và phương trình liên tục bùn cát (6.8) có thể được
viết lại thành một phương trình bằng cách thế phương trình (6.9),(6.11) vào phương
trình (6.10)
∂S x ∂2 y
= − Sx 2 (6.13)
∂x ∂x
Thế phương trình trên vào phương trình liên tục bùn cát (6.8), thu được
∂2 y ∂y
− Sx +d = 0 (6.14)
∂x ∂t
2
Phương trình này có thể được rút gọc thành một dạng chuẩn
∂ 2 y ∂y
− =0 (6.15)
a
∂ 2 x ∂t
S S
a= x =
Trong đó: (6.16)
d ϕ 'd
Để giải phương trình (6.15) cho một bài toán cụ thể, thì điều đầu tiên cần làm là phải
xác lập được điều kiện biên và điều kiện ban đầu. Điều kiện ban đầu là hình dạng bờ
biển tại thời điểm t=0 và điều kiện biên là hàm vận chuyển bùn cát theo thời gian tại hai
biên của đoạn bờ mô phỏng thường là được xác định ở đầu bài toán.
ÁP DỤNG MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG BỒI LẮNG Ở TRƯỚC ĐẬP PHÁ
SÓNG
Bài toán được đặt ra như sau: Giả sử việc xây dựng một đập phá sóng (như hình 6-7)
để bảo vệ luồng tàu đi vào cảng chống tác dụng của sóng sẽ gây ra sự biến đổi vận
176
- chuyển bùn cát dọc bờ biển. Yêu cầu đánh giá diễn biến đường bờ sau khi xây dựng
công trình
Hình 6-7 mô tả sơ họa mặt bằng của một đập chắn sóng trong bài toán. Đường bờ tại
các thời điểm khác nhau, t, được minh họa trong hình vẽ.
Hình 6-7 Hiện tượng
bồi tích xuất hiện tại
đoạn bờ gần đập phá
sóng
- Điều kiện ban đầu là hình dạng của đường bờ tại thời điểm t = 0,
⇒
t=0 y=0 với tất cả các giá trị của x (6.17)
- Điều kiện biên thứ 1 được lấy tại điểm không chịu ảnh hưởng của đập phá sóng, tại
x = -∞, tại biên này, lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ có độ lớn không đổi và bằng với
lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ trước khi xây dựng đập phá sóng.
x = -∞ Sx = S cho tất cả các giá trị thời gian t (6.18)
- Điều kiện biên thứ 2 được lấy ngay tại đập phá sóng, do đập có tác dụng chặn không
cho bùn cát chuyển động vượt qua, nên điều kiện biên thứ 2 sẽ là:
x=0 Sx = 0 cho tất cả các giá trị thời gian t > 0 (6.19)
Lưu ý rằng: Điều kiện biên thứ hai chỉ đúng với (t>0), nếu đập phá sóng có chiều dài
vô hạn, tất nhiên đây chỉ là trường hợp giả thiết. Tuy nhiên trong thực tế, khi sự bồi
lắng phát triển tới đầu đập mỏ hàn thì điều kiện biên này sẽ không còn đúng nữa.
- Điều kiện biên cuối cùng có thể được dùng là công thức (6.12), nhưng cần nhớ rằng
Sx là đại lượng phụ thuộc vào góc sóng tới so với đường bờ (ϕ):
∂y
= ϕ ' cho tất cả các giá trị thời gian t > 0
x=0 → (6.20)
∂x
Hay nói cách khác, khi quá trình bồi tích trên bãi biển phát triển về phía biển nó sẽ
luôn tạo ra góc sóng ϕ' so với trục x tại đập phá sóng, điều này có nghĩa là Sx = 0 (sóng
tác dụng song song với đường bờ biển). Đường bờ và độ sâu đường đồng mức có xu
hướng trở nên song sóng với góc sóng tới.
Lời giải của công thức (6.15) là :
177
- 4at ⎡ ⎤
y =ϕ ' ⎣ e − u − uθ π ⎦ (6.21)
2
π
x
u =−
trong đó (6.22)
4at
x: là khoảng cách dọc bờ biển
∞
2
π∫
−u 2
θ= (6.23)
e du
u
θ được biểu biến dưới dạng tích phân của một hàm xác suất:
2 ⎡ −u 2 ⎤
∞ u
⎢∫ e du − ∫ e − u du ⎥
2
θ= (6.24)
π ⎣0 ⎦
0
u
2
π∫
−u 2
θ =1 − (6.25)
e du
0
Tham số này có thể được xác định từ các bảng phân phối xác xuất thông thường. Một
số giá trị của θ và [exp(-u2)-uθ π ] được trình bày ở hình (6-8).
Đối với u > 2,5, θ ≈ 0 và [exp(-u2)-uθ π ] < 10-4 (lượng bồi lắng nhỏ hơn 0.01% đối
với thể tích bồi lắng ở gần đập phá sóng. Từ công thức (6.22), có thể đi đến kết luận
rằng, đập phá sóng có ảnh hưởng rất nhỏ tới đoạn bờ cách nó khoảng lớn hơn 5 at về
phía thượng lưu (x = -5 at ).
Hình 6-8 Các thông số biểu diễn sụ bồi tích bờ biển
178
- Sự phát triển ra phía ngoài của đường bờ tại vị trí đập phá sóng, L(t), tại x = 0 được
xác định từ phương trình (6.21), kết hợp sử dụng phương trình (6.16):
ϕ 'S
4at
L(t ) = ϕ ' =2 (6.26)
t
π πd
Sự diễn biến bờ biển gần với đập phá sóng có tỷ lệ với căn bậc hai của thời gian, tất
cả các thông số khác trong công thức (6.26) là hằng số trong một số trường hợp cụ thể.
Ngoài ra còn có một số tương quan hình dạng rất hữu ích khác có giá trị khi góc ϕ' đủ
nhỏ. Chúng được liệt kê dưới đây với ký hiệu bằng các khoảng cách được minh họa
trong hình (6-9)
K.ca'ch OB
≈ϕ ' (6.27)
K.ca'ch OC
K.ca'ch OA
≈ 2.5 π = 4.43 (6.28)
K.ca'ch OC
Trong thực tế thì hiện tượng bồi tụ sẽ không xảy ra bên ngoài điểm A
Diện tích bề mặt của OCB là:
2 St
OCB → (6.29)
πd
Cũng hiển nhiên như vậy, từ phương trình liên tục, tổng diện tích về mặt OAB là:
St
OAB → (6.30)
d
Do vậy , 64% tổng lượng bồi tích sẽ được giữ lại ở phần diện tích được gạch chéo
trên hình (6-9), diện tích của OCB.
Hình 6-9. Hình
dạng hình học của
miền bồi tích.
Vừa rồi, chúng ta mới chỉ xem xét diễn biến bờ biển ở phần thượng lưu của đập phá
sóng. Tất nhiên là ở phần khuất của đập phá sóng cũng sẽ có sự thay đổi tương ứng. Về
179
- nguyên tắc, thì trạng thái ở phần
thượng lưu của đập phá sóng sẽ
ngược với phần hạ lưu (như
hình 6-10). Sự khác nhau giữa
hai phía của đập phá sóng là do
tác dụng của sóng. Tại phần hạ
lưu của đập phá sóng, một phần
của bờ biển sẽ được đập phá
sóng bảo vệ khỏi tác dụng của
sóng. Trong vùng này sẽ xuất
Hình 6-10 Sự phát triển của đường bờ tại mặt hiện hiện tượng nhiễu xạ sóng.
khuất của đập phá sóng Do hiện tượng nhiễu xạ sóng
mà chiều cao nước dâng do
sóng thay đổi dọc theo bờ biển và hình thành nên một hệ thống trường dòng chảy phức
tạp. Điều này bao gồm cả việc gia tăng thêm các trường vận chuyển bùn cát. Thậm chí
sự vận chuyển bùn cát theo hướng của đập phá sóng cũng có thể xảy ra. Kết quả phát
triển đường bờ được sơ họa trong hình (6-10)
Tại phía thượng lưu, hiện tượng bồi lắng L(t) ở đập phá sóng sẽ tăng dần theo thời
gian. Do vậy mà sẽ là không kinh tế khi xây dựng một đập phá sóng có chiều dài quá
lớn, một đập phá sóng có chiều dài xác định chỉ có thể ngăn được vận chuyển bùn cát
dọc bờ trong khoảng thời gian nhất định. Có hai câu hỏi quan trọng được đặt ra là: “Đập
phá sóng sẽ chặn được bùn cát vận chuyển dọc bờ trong thời gian bao lâu ? ” và “Sau
đó sẽ xảy ra hiện tượng gì ?”.
Hình vẽ (6-11) mô tả hình dạng một mặt cắt ngang tức thời ở thượng lưu của đập phá
sóng. Sau khi phần chân của mặt cắt ngang bãi biển phát triển tới phần đầu phía biển của
đập phá sóng, thì bùn cát sẽ vượt qua phần đầu đập phá sóng và tạo thành một vùng hình
nón bao quanh lấy đầu đập phá sóng. Nói một cách chính xác là cho đến khi vùng bồi tụ
hình nón này không gây cản trở cho đường vào của luồng tàu thì không có vấn đề gì xảy
ra. Khi phần lớn lượng bùn cát vận chuyển trong phạm vi vùng sóng vỡ và đập phá sóng
có chiều dài vươn ra bên ngoài dải sóng vỡ thì sẽ không có hiện tượng vận chuyển bùn
cát ở phía đầu đập. Điều này có nghĩa là, như trong hình (6-11), sự vận chuyển bùn cát ở
quanh đầu đập có thể bắt đầu xảy ra khi độ sâu trên phần bãi được bồi tụ tại đầu đập phá
sóng giảm dần tới giá trị hb, là độ sâu ở rìa ngoài của vùng sóng vỡ.
180
- Hình 6-11 Hình
dạng mặt cắt tại
điểm bùn cát bắt
đầu vượt qua phần
mũi đập phá sóng
Sự bồi tụ như được mô tả trên hình (6-11) tại độ sâu lớn hơn
hb được vận chuyển dọc bờ biển ở phạm vi bên trong (hoặc rất gần với) vùng sóng vỡ và
sau đó được dịch chuyển xuống bên dưới mái dốc bờ biển cho tới chân đập (dưới dạng
vận chuyển theo phương ngang)
Khoảng cách bồi tụ, L, trong hình vẽ có thể được tính toán từ độ sâu sóng vỡ đã biết
và độ dốc của bãi biển và độ dốc của đập phá sóng. Nếu biết chiều dài L này thì thời
gian t1, là thời gian trước khi bùn cát bắt đầu thoát ra đầu mũi đập, có thể tính toán theo
công thức
π L2 d L2 d
t1 = = 0.785 (6.31)
4 Sϕ ' Sϕ '
Kết quả tính toán sẽ trả lời cho câu hỏi đã nêu ra ở phần đầu, “ Đập phá sóng đã có sẽ
chắn giữ hoàn toàn sự vận chuyển bùn cát dọc bờ trong thời gian bao lâu ? ”
Lưu ý rằng, trước thời điểm t1, thì phần chân của mái dốc được bồi tích đã kéo dài ra
bên ngoài ra bên ngoài mũi đập rồi. Tuy nhiên do lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ là
rất nhỏ đối với phần bên dưới (phần dưới sâu) của mặt cắt ngang, nên lượng bùn cát vận
chuyển quanh mũi đập phá sóng là không đáng kể.
ĐÁNH GIÁ CÁC HẠN CHẾ CỦA LÝ THUYẾT ĐƯỜNG ĐƠN
Lý thuyết đường đơn của Pelnard-Considere, như đã trình bày ở trên, có một điểm
mạnh, đó là nó rất thuận tiện cho việc tính toán sự biến đổi hình dạng mặt cắt ngang bờ
biển một cách đơn giản bằng phương pháp thủ công. Nó có thể dùng để tính toán sự bồi
tụ, như đã trình bày trong ví dụ đối với đập phá sóng ở trên, và cũng có thể tính toán xói
lở ở mặt khuất cho một công trình chắn giữ bùn cát ven biển. Khi áp dụng trong các
trường hợp này sẽ thu được một hình dạng mặt cắt ngang ngược với hình ảnh bồi tụ so
với mặt cắt ban đầu.
Các giả thiết đã áp dụng khi xây dựng phương trình chuyển động là rất đáng kể. Sự
biến đổi chiều cao sóng và hướng sóng dọc bờ biển, ảnh hưởng của thủy triều và rất
nhiều các thành phần phức tạp khác nữa trong công thức tính toán vận chuyển bùn cát
dọc bờ của Bijker đã được bỏ qua. Giả thiết về góc sóng tác dụng tới bờ , ϕ', có giá trị
nhỏ là giả thiết rất hạn chế, đặc biệt là khi phần chân của vùng sóng vỡ chịu ảnh hưởng
181
- chủ yếu của vận chuyển bùn cát dọc bờ, trong đó ϕ' có giá trị nhất định nào đó, có thể là
giả thiết rất phù hợp nhưng chỉ có giá trị ở bên ngoài vùng sóng vỗ.
Việc tính đến một hình dạng đường bờ ngẫu nhiên trong điều kiện ban đầu, ngược
với việc sử dụng các đường bờ dưới dạng đường thẳng đã áp dụng ở trên, là rất khó, nếu
không nói là không thể được (đối với phương pháp giải tích). Điều này làm cho việc mô
hình hóa trở nên “thực” hơn. Quả thực là ở trên chúng ta đã giả thiết một đoạn bờ thẳng
có chiều dài bằng (4,43/ϕ') lần chiều dài của đập phá sóng (như công thức 6.28). Nếu
như, ví dụ rằng, ϕ' = 10° = 0.175 rad và đập phá sóng có chiều dài bằng 1000 m, thì
đoạn bờ thẳng theo giả thiết mà chúng ta đưa ra sẽ kéo dài đến 25km !!
Một vấn đề khác trong giả thiết cần được xem xét là độ dốc bãi biển được coi như
không đổi trong suốt quá trình tính toán diễn biến của đường bờ biển. Ở vùng bồi hoặc
xói, sự thay đổi xuất hiện
trước tiên trong vùng sóng
vỡ (ở phần trên của hình
dạng bãi biển). Quá trình
vận chuyển bùn cát theo
phương ngang sẽ phân phối
lại các vật liệu trên toàn bộ
mặt cắt ngang. Để bắt đầu
mô hình vận chuyển này,
mặt cắt ngang bãi biển, nói
chung, cần phải có các dạng
mặt cắt ngang cân bằng
Hình 6-12. Sự phân bố lại bùn cát do tự tăng /giảm độ khác nhau (như hình 6-
dốc bãi biển. 12).
Dọc theo bờ biển (phía thượng lưu của đập phá sóng), gần về phía đập phá sóng,
dòng chảy ven bờ giảm dần và thậm chí trở nó có vận tốc gần bằng không tại đập phá
sóng. Do hiện tượng suy giảm vận tốc dòng chảy dọc bờ mà lượng bùn cát vận chuyển
theo hướng dọc bờ cũng giảm dần. Sự chênh lệch về lượng bùn cát vận chuyển theo
hướng dọc bờ sẽ dẫn tới hiện tượng bồi lắng trên bãi biển. Tuy nhiên điều này làm xuất
hiện hiện tượng dòng chảy ở trong vùng sóng vỡ đi ra ngoài vùng nước sâu. Dọc theo
khu vực có vận tốc dòng chảy giảm, xuất hiện các dòng chảy có hướng ra ngoài vùng
nước sâu (như hình 6-13). Mặc dù dòng chảy này có vận tốc nhỏ, nhưng nó cũng góp
phần làm phân bố lại các vật liệu trên bãi biển theo phương ngang, điều mà không được
xét tới trong mô hình.
182
- Hình 6-13 Hiện tượng phân bố lại vật liệu do dòng chảy đi ra vùng nước sâu
Nếu xét tới ảnh hưởng
của thủy triều thì vấn đề sẽ
khác đi vì dòng triều
không chỉ hoạt động giới
hạn trong vùng sóng vỡ
mà nó bao trùm lên trên
một diện tích rộng hơn rất
nhiều (có thể là toàn bộ
vùng ven bờ). Toàn bộ
Hình 6-14 Dòng triều vượt qua đập phá sóng.
nước được vận chuyển do
dòng triều sẽ vượt qua đập phá sóng và do vậy mà vận tốc dòng chảy sẽ không bị giảm
khi nó tới gần đập (như hình 6-14).
6.4 MÔ HÌNH TOÁN DIỄN BIẾN ĐƯỜNG BỜ
Như Komar (1989) đã đề cập, mô hình toán là công cụ mô phỏng có khả năng xem
xét một cách đầy đủ hơn các quá trình diễn biến của đường bờ trong tự nhiên, cả về
không gian và thời gian. Có hai phương pháp được sử dụng khi phát triển các mô hình
toán mô tả hình thái đường bờ. Phương pháp đầu tiên là sử dụng các mô hình đường
đồng mức, phương pháp này cho phép xác định vị trí của các đường đồng mức ở vùng
ngoài khơi theo thời gian. Phương pháp thứ hai là xây dựng một lưới tính toán cho toàn
vùng nghiên cứu và xác định sự biến đổi địa hình, mực nước và dòng chảy cho mỗi ô
lưới theo thời gian. Trong phần này, chúng ta sẽ chỉ xem xét tới mô hình các đường
đồng mức. “Mô hình dạng đường” đơn giản nhất nhưng vẫn có thể dùng để mô phỏng
sự biến đổi hình dạng của đường bờ theo sự biến thiên của các điều kiện biên và điều
kiện ban đầu như: trạng thái sóng ở vùng nước sâu; sự khúc xạ và nhiễu xạ sóng ở vùng
nước sâu; sự thay đổi nguồn cung cấp bùn cát hoặc do việc bố trí xây dựng công trình
bên trong vùng ven bờ. Các mô hình dạng đường đơn đã nhận được sự quan tâm nhiều
nhất, trong thiết lập và ứng dụng mô hình, do vậy mà phần này sẽ chủ yếu dành để trình
bày về mô hình toán dạng đường đơn. Mô hình này đã được phát triển ở mức cao nhất,
183
nguon tai.lieu . vn
