Động lực học cát biển - Chương 11: động lực hình thái và xói lở

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

87
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Động lực học cát biển - Chương 11: động lực hình thái và xói lở

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