Giáo trình Hình thái bờ biển

ll (1956) đã tiến hành những đo đạc sớm nhất về lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ, mối liên hệ giữa suất chuyển bùn cát dọc bờ và năng lượng sóng. Savage (1962) từ những số liệu đo đạc trên kết hợp với những số liệu đo đạc trong phòng thí nghiệm đã xây dựng nên công thức tính toán vận chuyển bùn cát dọc bờ. Công thức này sau đó đã được Hiệp hội Kỹ thuật của Quân đội Mỹ (U.S. Army Corps of Engineers) giới thiệu trong cuốn Sổ tay Thiết kế Bờ biển năm 1966, và từ đó được biết đến với tên là công thức “CERC”. Sau này 105 Inman và Bagnold (1963), Komar và Inman (1970), dựa trên các số liệu đo đạc thực địa, đã tiếp tục có những cải tiến công thức CERC ban đầu và công thức CERC cải tiến tiếp tục được sử dụng trong Cuốn Sổ tay Bảo vệ Bờ biển (Shore Protection Manual) xuất bản năm 1977 và 1984. Công thức CERC được phát triển trên cơ sở xem năng lượng sóng là động lực chính làm vận chuyển bùn cát dọc bờ, từ đó xem xét tương quan giữa lượng bùn cát được vận chuyển ở bờ biển và năng lượng sóng giải phóng trong quá trình sóng vỡ. Trong công thức chỉ xem xét vai trò của sóng đối với vận chuyển bùn cát mà không xét tới ảnh hưởng của dòng triều, độ dốc bãi biển, tính chất của bùn cát trên bãi biển. Dạng công thức cổ điển nhất của công thức CERC, chính là công thức của Munch- Peterson, biểu diễn lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ có tương quan với thông lượng sóng thành phần theo phương dọc bờ (PL), trong đó chỉ số “L” chỉ thành phần theo phương dọc bờ của thông lượng sóng đơn vị P = ECn = ECg (công thức 2.11) PL = (ECg)b sinαb cosαb (4.1a) Biểu thức (ECg)b còn được gọi là thông lượng sóng tại điểm sóng vỡ - hay năng lượng mạch động của sóng tại điểm sóng vỡ; Eb là năng lượng sóng tại điểm sóng vỡ và αb là góc sóng vỡ so với đường bờ, 21 8b b E gHρ= (4.1b) Cgb là vận tốc nhóm sóng tại điểm sóng vỡ, được tính theo công thức sau: 1 2 b gb b b HC gd g γ ⎛ ⎞= =⎜ ⎟⎝ ⎠ (4.1c) γb là giới hạn sóng vỡ (γb = Hb/hb), thường lấy bằng 0,78 đối với bãi biển phẳng Trọng lượng ướt của bùn cát vận chuyển theo phương dọc bờ (IL) có cùng thứ nguyên với thông lượng sóng thành phần theo phương dọc bờ (PL) là N/giây hoặc lbf/giây, và tương quan tuyến tính giữa hai đại lượng có cùng thứ nguyên này được biểu diễn bằng hệ số kinh nghiệm không thứ nguyên (A) IL = A × PL (4.1d) Lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ (QL) thường được biểu diễn dưới dạng thể tích bùn cát vận chuyển qua mặt cắt ngang bãi biển trong 1 đơn vị thời gian và có đơn vị là m3/ ngày; hoặc m3/năm; một dạng biểu diễn khác của QL chính là IL - Trọng lượng ướt của bùn cát vận chuyển theo phương dọc bờ IL = (ρs - ρ) g (1 - n) QL (4.1e) Trong đó ρs và ρ là trọng lượng riêng của bùn cát và nước, g là gia tốc trọng trường và n là độ rỗng của bùn cát trên bãi biển (n ≈ 0.4) Thế các công thức (4-1e,d,c,b) vào công thức (4-1a), ta có 106 ( )( ) ( ) 5 2 sin 2 16 1L bb s g Q A H n ρ bαγ ρ ρ ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟− −⎝ ⎠ (4.1) Rất nhiều tài liệu đưa ra các giá trị khác nhau của hệ số kinh nghiệm không thứ nguyên (A), tùy thuộc vào cách lấy chiều cao sóng vỡ là Hrms hay Hs. Trong Sổ tay Hướng dẫn Bảo vệ bờ biển năm 1984 (Shore Protection Manual, 1984) hệ số A lấy theo Hs là ASPM sig = 0.39. Hệ số A lấy theo Hrms là ASPM rms = 0.92; Komar và Inman (1970) thì đề nghị lấy hệ số AK&I rms = 0.77 Do hệ số A là hệ số kinh nghiệm, được xác định bằng cách tìm hệ số tương quan tuyến tính giữa IL và PL (hình 4.14a), nên tương ứng với chuỗi số liệu đo đạc tại các vùng biển có đặc tính khác nhau, ta sẽ thu được các giá trị A khác nhau. Hình 4.14a Tương quan tuyến tính giữa PL và IL , xác định từ chuỗi số liệu thực đo tại Mỹ, Canada, Nhật Bản (theo CEM -2002) Các nghiên cứu sau này về vận chuyển bùn cát dọc bờ đã cho thấy hệ số tương quan A không phải là hằng số mà là hàm của các yếu tố như góc sóng vỡ, loại sóng vỡ và đường kính trung bình của bùn cát trên bãi biển. Del Valle, Medina, và Losada (1993), dựa trên các số liệu đo đạc diễn biến bờ biển do vận chuyển bùn cát dọc bờ tại đồng bằng sông Adra, Tây Ban Nha, đã đưa ra công thức kinh nghiệm tính toán hệ số A là hàm của đường kính trung bình của bùn cát D50. Kết quả của Del Valle và cộng sự khá phù hợp với các số liệu đo đạc của Komar (1988) và được áp dụng cho trường hợp sóng vỡ Hb rms ( )502.51.4 DbrmsA e −= Khi tính toán vận chuyển bùn cát dọc bờ bằng công thức CERC cần lưu ý rằng, chỉ nên áp dụng công thức này cho các bờ biển thẳng và dài, bùn cát trên bãi biển là đồng 107 nhất, ít có sự khác biệt giữa chiều cao sóng vỡ tại các điểm trên bờ biển và không xét tới ảnh hưởng của dòng triều. CÔNG THỨC BIJKER (1967) Để xây dựng công thức tính toán vận chuyển bùn cát dọc bờ có xét tới ảnh hưởng của dòng triều và các dòng chảy gần bờ khác, thì công thức tính toán vận chuyển bùn cát cần phải kết hợp với mô hình dòng chảy dọc bờ. Bijker (1967) đã đề xuất một công thức tính toán sức tải của bùn cát đáy do tác dụng của sóng và dòng chảy trên cơ sở công thức tính toán sức tải bùn cát đáy dưới tác dụng của dòng chảy của Kalinske- Frijlink. Từ công thức của Kalinske, một công thức có xét tới sự gia tăng của ứng suất đáy do tác dụng của sóng đã được xây dựng. Sau này, Bijker (1968) đã bổ sung thêm hàm phân bố của sức tải bùn cát lơ lửng vào thành phần sức tải bùn cát đáy. Hàm phân bố này được xây dựng dựa trên các nghiên cứu về phân bố nồng độ bùn cát lơ lửng theo chiều sâu của Einstein-Rouse. Công thức Bijker cho tới nay vẫn đang được áp dụng rất rộng rãi và phổ biển trên thế giới. 2 50 50 2 2 0.27exp 11 2 b b D CvS D g C Uv v ξ ⎡ ⎤⎢ ⎥Δ⎢ ⎥= −⎢ ⎥⎧ ⎫⎪ ⎪⎛ ⎞⎢ ⎥+⎨ ⎬⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎪ ⎪⎩ ⎭⎣ ⎦ (4.2) Trong đó: Sb = sức tải của bùn cát đáy b = hằng số = 5 D50 = đường kính trung bình của hạt cát v = vận tốc dòng chảy C = Hệ số Chezy = 18 log (12d/r) d = độ sâu nước r = hệ số nhám ở đáy g = gia tốc trọng trường Δ = tỷ trọng riêng = (ρs- ρw)/ρw ρs = trọng lượng riêng của cát ρw = trọng lượng riêng của nước μ = (C/C90)1.5, với C90 = 18 log (12d/D90) ξ = C(fw/2g)0.5 với f w = exp{-6.0 + 5.2(ao / r)0.19} a0 = biên độ của quỹ đạo chuyển động tại đáy ub = biên độ của vận tốc chuyển động quỹ đạo đáy Công thức sức tải bùn cát lơ lửng được viết như sau: 108 bbs SQIr dISS 83.133ln83.1 21 =⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += (4.3) Trong đó : Ss = sức tải cát lơ lửng Sb = sức tải bùn cát đáy I1, I2 = các nguyên số của Einstein 1 1 1 c z r d yI R d y ⎡ ⎤−= ⎢ ⎥⎣ ⎦∫ y ; 1 2 1 c z r d yI R Ln y d y y ⎡ ⎤⎛ ⎞−= ⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦∫ Giá trị nằm trong ngoặc { } trong công thức (4.3) là hàm số giữa độ nhám tương đối của đáy r/h và giá trị của Z* = ω/κν*, với ω = là độ thô thủy lực của hạt cát trong nước tĩnh, κ = 0.4 và ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛+= 2 * 2 11 v u C gvv bξ (4.4) Nếu giá trị của tích (1.83 Q) được xác định thì tổng lượng bùn cát được vận chuyển theo công thức của Bijker sẽ là S = Sb+Ss = (1 + 1.83 Q) Sb Trong công thức (4.2), có nhiều ý kiến khác nhau về giá trị của hằng số (b) và nó có liên quan trực tiếp đến kết quả tính toán của công thức. Hầu hết các ứng dụng có sử dụng công thức của Bijker đều lấy giá trị của b =5, nhưng một số trường hợp lại lấy các giá trị khác của b, ví dụ như tại dải sóng vỡ b = 5 còn bên ngoài vùng sóng vỡ thì b=2. Các số liệu thực đo hiện có cho phép kiểm định công thức của Bijker rất ít, điều này cũng có nghĩa là có thể điều chỉnh giá trị của b cho các trường hợp mang tính địa phương. Công thức của Bijker, so với các công thức khác, đã xét tới ảnh hưởng của kích thước hạt bùn cát, độ dốc đáy và độ nhám ở đáy. Việc sử dụng công thức này, từ những sai số có thể xảy ra khi ước lượng các điều kiện trong thực tế sẽ dẫn tới sự khai khác rất nhỏ trong kết quả tính toán CÔNG THỨC KAMPHUIS (1991) Các tương quan kinh nghiệm giữa năng lượng mạch động sóng và lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ trình bày ở trên hầu hết đều được xây dựng trên cơ sở các số liệu đo đạc đồng thời năng lượng sóng và lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ. Trong đó lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ có thể đo đạc trực tiếp bằng các thiết bị đánh dấu bùn cát hoặc đo đạc gián tiếp thông qua lượng bùn cát bị chặn lại và gây bồi lấp ở thượng lưu các đê chắn sóng hoặc các đập phá sóng ngoài khơi như đã nêu ở phần trước. Kỹ thuật đo đạc trực tiếp lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ tới nay vẫn còn hạn chế, còn tính toán gián 109 tiếp lượng vận chuyển bùn cát qua thể tích bùn cát bồi lấp tại thượng lưu các đập chắn sóng thì có thế có sai số rất lớn, nhất là khi các tham số sóng trong tự nhiên lại không thể kiểm soát được. Điều này đã dẫn tới việc các nhà nghiên cứu chuyển sang làm các thực nghiệm và đo đạc vận chuyển bùn cát dọc bờ trong phòng thí nghiệm trên các "bể tạo sóng nhân tạo" . Một nghiên cứu vận chuyển bùn cát ven bờ điển hình trong phòng thí nghiệm sẽ bao gồm một bể sóng (wave basin) được lắp đặt máy tạo sóng dọc theo chiều dài của bể, bãi biển nhân tạo được bố trí ở phía đầu kia của bể sao cho khi sóng vỡ sẽ tạo với đường bờ một góc nghiêng. Dòng chảy dọc bờ trong bể sóng sẽ được hình thành khi sóng vỡ tạo với đường bờ một góc nghiêng, làm vận chuyển bùn cát dọc bờ biển, và thể tích bùn cát được vận chuyển theo hướng dọc bờ trong bể sóng sẽ được giữ lại bên trong bể lắng nằm ở hạ lưu của bãi biển thí nghiệm trong bể sóng. Nghiên cứu vận chuyển bùn cát ven bờ trong phòng thí nghiệm cho phép khống chế được các điều kiện biên và điều kiện ban đầu trong quá trình thực nghiệm, từ kích thước của bùn cát đáy tới chiều cao, chu kỳ và góc sóng vỡ, cũng như thời gian duy trì sóng, điều mà không thể làm được trong điều kiện tự nhiên. Tuy nhiên với những hạn chế nhất định khi chế tạo các mô hình vật lý tái tạo lại bãi biển trong phòng thí nghiệm với tỷ lệ thu nhỏ, sẽ rất khó mô tả sự vận chuyển bùn cát do các hiện tượng bất thường gây ra như gió, bão, và cũng như các biến đổi dị thường của địa hình đáy biển. Trong số các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm được mô tả ở trên có nghiên cứu của Kamphuis là tương đối hoàn chỉnh hơn cả. Ông đã thu thập và xây dựng được bộ số liệu vận chuyển bùn cát đo đạc trong phòng thí nghiệm và ngoài tự nhiên khá đầy đủ và sử dụng các số liệu này để thiết lập các tương quan giữa lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ với các điều kiện biên như sóng, đặc điểm bùn cát trên bãi biển và độ dốc bãi biển. Phương pháp xây dựng tương quan của Kamphuis là phương pháp phân tích thứ nguyên có sử dụng các tương quan kinh nghiệm và các tỷ số không thứ nguyên của nhiều thông số khác nhau, hơn là thông qua việc xem xét các quá trình vật lý của hiện tượng vận chuyển bùn cát dọc bờ và vai trò của chúng trong vận chuyển bùn cát dọc bờ. Theo như tổng kết của Kamphuis (1990), tương quan kinh nghiệm của vận chuyển bùn cát dọc bờ có dạng như sau: ( ) ( 1.25 0.25 0.75 0.6 3 0 50 0,0013 sin 2br brL b br H HQ S L DH T )αρ −⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (4.9) Trong đó S là độ dốc bãi biển, D50 là đường kính trung bình của bùn cát trên bãi biển, αb là góc sóng đổ, Hbr là chiều cao sóng đổ, L0 là chiều dài sóng ở vùng nước sâu Hình (4-14) vẽ các số liệu thí nghiệm, trình bày tương quan giữa số liệu thực đo và kết quả tính toán lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ theo công thức (4.9). Khi tiến hành 110 ngoại suy đường tương quan cho thấy sự phù hợp khá hợp lý với các số liệu thực đo, mặc dù nó chưa phải là kết quả tốt nhất. Hình 4-14 Tương quan giữa suất chuyển bùn cát tính toán (theo công thức 4.9) với suất chuyển bùn cát thực đạc, thu được từ các thực nghiệm trên bể sóng của Kamphuis và các cộng sự. Hơn thế nữa, một kết quả phân tích thứ nguyên khác của Kamphuis (1990) xuất phát từ các số liệu đo đạc độc lập đã dẫn tới một tương quan khác, như sau: ( ) ( 0.5 1.0 1.0 3 0 50 0,0006 sin 2br bsL b bs H HQ S L DH T )αρ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (4.10) tương quan này có dạng khác với tương quan trong công thức (4.9), đặc biệt là trong việc tìm ra một hệ số cân xứng sin(2ab) = 2sinαb×cosαb thay thế cho [sin(2αb)]0.6 , và cũng có sự khác biệt đáng kể trong nhiều hệ số mũ kinh nghiệm. Đóng góp chủ yếu từ các công thức kinh nghiệm của Kamphuis là ở chỗ chúng đưa ra những gợi ý về sự phụ thuộc của lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ với các tham số chính chi phối quá trình vận chuyển bùn cát dọc bờ như: thước hạt bùn cát (D50), góc sóng đổ (αb), độ dốc bãi biển (S), độ dốc sóng được biểu diễn bằng tỷ số (Hbs/L0). Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về vận chuyển bùn cát dọc bờ đã có bổ sung thêm những hiểu biết về quá trình vận chuyển của bùn cát ở ven bờ và xây dựng được bộ số liệu đo đạc vận chuyển bùn cát dọc bờ trong các trạng thái điều kiện biên đã được khống chế cẩn thận. Tuy vậy, nghiên cứu này vẫn còn những điểm không rõ ràng như mối liên quan giữa các đo đạc trong phòng thí nghiệm với các số liệu thu thập tại các bãi biển trong điều kiện tự nhiên, hay độ tin cậy của các đo đạc trong phòng thí nghiệm trong những trạng thái dòng chảy và điều kiện sóng bất thường. Do các mô hình thực nghiệm thường có tỷ 111 lệ nhỏ, nên hầu hết các số liệu đại diện cho hệ số Pl và suất chuyển bùn cát thường có độ lớn nhỏ hơn 2 lần so với kết quả thu được ngoài thực tế. Cần lưu ý rằng, đối với bờ biển sỏi cuội, thì các công thức (4.9) và (4.10) của Kamphuis cho kết quả tính toán thiên lớn vì chúng không xét tới thành phần ứng suất tới hạn (trong công thức giả thiết là các hạt bùn cát dịch chuyển kể cả trong điều kiện sóng nhỏ, điều này là đúng đối với hạt cát nhưng không đúng đối với hạt sỏi, dăm). Do vậy các kết quả tính toán này có thể chỉ mang tính chất tham khảo khi tiến hành các nghiên cứu vận chuyển bùn cát dọc bờ áp dụng cho các hạt có kích thước lớn hơn đường kính bình thường của hạt cát trên bãi biển, và cần hết sức thận trọng khi áp dụng các công thức trên cho những trường hợp này. VẬN CHUYỂN BÙN CÁT "TỊNH" VÀ "TỔNG CỘNG" DỌC BỜ Vận chuyển bùn cát "tịnh" dọc bờ được định nghĩa là tổng lượng bùn cát dịch chuyển dưới tác động của chuỗi tất cả các sóng đi tới bờ biển, có xét tới sự khác biệt về hướng truyền sóng. Ví dụ, trên một bờ biển có hướng bắc-nam, bùn cát ở bờ biển có thể dịch chuyển về hướng Bắc trong mùa hè, do tác dụng của các sóng có hướng từ Nam ra Bắc và sau đó dịch chuyển theo hướng ngược lại về hướng Nam trong mùa đông, do tác dụng của các sóng có hướng từ Bắc vào Nam. Vận chuyển bùn cát "tịnh" tại bờ biển dưới tác dụng của hai chuỗi sóng tới trên sẽ là hiệu số giữa lượng bùn cát vận chuyển từ Bắc vào Nam và từ Nam ra Bắc. Nhìn chung, lượng vận chuyển bùn cát "tịnh" nhỏ hơn nhiều so với tổng lượng bùn cát vận chuyển trên bãi biển tới từ hai hướng khác nhau, hay còn được gọi là "vận chuyển bùn cát tổng cộng ở vùng ven bờ". Một số bờ biển, vận chuyển bùn cát tổng cộng có thể rất lớn nhưng vận chuyển bùn cát tịnh lại có thể xấp xỉ bằng 0. Hướng vận chuyển bùn cát dọc bờ có thể thay đổi theo mùa. Việt Nam nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng rõ rệt của chế độ gió mùa, với sự khác biệt về hướng gió chính giữa mùa hè và mùa đông có thể tạo nên sự khác biệt về hướng sóng tới bờ biển theo cả hướng sóng và độ lớn sóng. Ví dụ, ở miền Bắc, hướng vận chuyển bùn cát chủ đạo vào mùa đông là hướng Nam và Tây Nam do tác dụng của các sóng hình thành khi gió mùa Đông Bắc thổi từ Bắc vào Nam. Vào mùa hè, do ảnh hưởng của gió mùa Tây Nam, tác dụng sóng lại có hướng ngược lại. Vận chuyển bùn cát có hướng từ Nam ra Bắc do vậy sẽ chiếm ưu thế trên bãi biển trong suốt mùa hè. Tuy vậy, vận chuyển bùn cát theo hướng Nam vào mùa đông vẫn chiếm ưu thế so với vận chuyển bùn cát vào mùa hè, do vậy, vận chuyển bùn cát tịnh sẽ có hướng từ Bắc vào Nam. Các bằng chứng về sự biến đổi hình dạng đường bờ như mô tả trong hình (4-15) thường được sử dụng để xác định hướng vận chuyển bùn cát "tịnh" dọc bờ. Hầu hết các biến đổi đường bờ này đều phản ánh hướng vận chuyển bùn cát "tịnh", và là kết quả của 112 một quá trình vận chuyển bùn cát có thời đoạn dài, là tập hợp của nhiều sự kiện vận chuyển bùn cát đơn lẻ. Tác dụng chắn giữ bùn cát của các công trình ven bờ như đê phá sóng, đập mỏ hàn , đập chắn sóng liền bờ ngoài cảng, có thể cung cấp những dấu hiệu rõ ràng nhất về hướng vận chuyển bùn cát dọc bờ. Sự bồi tích gần các đập mỏ hàn thường nhỏ và đôi khi phản ánh hướng hướng vận chuyển bùn cát ngược với hướng vận chuyển bùn cát tịnh trong đoạn ngắn, trong khi đối với các đê phá sóng và các đập chắn sóng ngoài khơi, thì dấu hiệu này thường phản ảnh tốt hơn hướng vận chuyển tịnh trong thời đoạn dài. Đối với những bờ biển mà vận chuyển bùn cát ven bờ có tính mùa rõ rệt như ở bờ biển miền Trung Việt Nam thì khi phân tích các dấu hiệu biến đổi đường bờ, cần phải xem xét thêm các số liệu sóng trong quá khứ, đặc điểm địa hình đường bờ ở lân cận vùng nghiên cứu và ảnh hưởng của nguồn bùn cát sông tới biến đổi đường bờ. Sự lệch hướng của dòng chảy khi đổ ra biển hoặc sự lệch hướng của dòng triều do ảnh hưởng của dòng chảy dọc bờ và sự dịch chuyển của đường bờ tại các mũi đất (có tác dụng như một đập chắn sóng liến bờ), cho thấy những dấu hiệu rất rõ về hướng vận chuyển bùn cát dọc bờ chủ đạo theo mùa và trong thời kỳ nhiều năm. Hình 4-15 Các dấu hiệu chỉ hướng vận chuyển bùn cát dọc bờ thịnh hành ở vùng duyên ven bờ. Bờ biển thường bị bồi lấp ở thượng lưu và xói lở ở hạ lưu của công trình theo hướng vận chuyển bùn cát chính. Ngoài ra, để xác định hướng vận chuyển bùn cát, cũng như xác minh nguồn bùn cát, người ta hay sử dụng sử dụng phương pháp dò tìm đường đi của các hạt khoáng vật kim loại nặng dị có bên trong các mẫu bùn cát trên bãi biển. Trask (1952,1955) sử dụng các hạt khoáng vật nặng augite làm vật đánh dấu sự dịch chuyển của bùn cát theo hướng dọc bờ trên bờ biển nam California ở Mỹ, và qua đó đã chứng minh rằng, bùn cát gây bồi lấp 113 cảng Santa Barbara có nguồn gốc ở thượng lưu cách cảng 160km, được hình thành từ đá núi lửa tại vùng vịnh Morro. Sự biến đổi kích thước trung bình của hạt bùn cát trên bãi biển và thành phần cấu tạo theo hướng dọc bờ thường được diễn giải như những bằng chứng về hướng vận chuyển bùn cát dọc bờ "tịnh". Thông thường thì đường kính trung bình của hạt bùn cát sẽ giảm dần theo hướng vận chuyển bùn cát dọc bờ. Tuy nhiên, có rất nhiều lý do gây biến đổi kích thước hạt cát, kể cả sự biến đổi năng lượng sóng dọc bờ do ảnh hưởng của địa hình bờ biển và sự mất cân xứng về cường độ năng lượng sóng tại các cung phần tư ngược nhau ở trong vịnh, hoặc do sự trao đổi bùn cát ở bờ biển với vùng ngoài khơi khi bùn cát bị dịch chuyển theo phương vuông góc với đường bờ. Do vậy, nhiều khi trường phân bố biến đổi kích thước hạt bùn cát dọc theo chiều dài bờ biển có thể không phải là bằng chứng rõ ràng nhằm chỉ hướng vận chuyển bùn cát tịnh dọc bờ. SUẤT CHUYỂN BÙN CÁT DỌC BỜ THỰC TẾ Các công thức tính toán vận chuyển bùn cát dọc bờ giới thiệu ở trên mới chỉ tính toán khả năng vận chuyển bùn cát của dòng chảy dọc bờ chứ không phải là lượng bùn cát thực tế được vận chuyển theo hướng dọc bờ. Giả sử lượng bùn cát có trên bãi biển và vùng ven bờ là không hạn chế thì lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ thực tế sẽ chính là khả năng vận chuyển bùn cát dọc bờ tính toán. Nhưng nếu bờ biển này có cấu tạo hoàn toàn là đá, không có bùn cát thì lượng bùn cát thực tế vận chuyển dọc bờ sẽ bằng 0. Ở đây, khi tính toán lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ theo các công thức đã nêu ở trên thì cần phải phân biệt rõ ràng giữa khả năng vận chuyển bùn cát dọc bờ - thường là kết quả tính toán theo công thức với lượng bùn cát thực tế được vận chuyển dọc bờ. Lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ thực tế được xác định bằng cách tính toán cân bằng bùn cát giữa lượng bùn cát vào, lượng bùn cát ra, nguồn bùn cát bổ sung (source) và lượng bùn cát mất đi (sink). Tính toán này được gọi là tính toán cân bằng bùn cát. “Sources” được xem là các nguồn cung cấp cát cho bờ biển từ sông, hoặc từ các đụn cát, bờ biển dốc đang bị xói lở, đi kèm với hiện tượng suy thoái của đường bờ biển. Các điểm gây mất bùn cát (sink) thường là các điểm lấy bùn cát ra khỏi "hệ thống bờ biển" , như các vực biển, các lạch triều, các điểm khai thác cát có quy mô lớn ven biển. Gió, thổi từ biển vào đất liền cũng là tác nhân gây mất bùn cát ra khỏi hệ thống bờ biển. Các hoạt động của con người ở ven biển cũng là một tác nhân quan trọng làm mất bùn cát, ví dụ như nạo vét cát ở các lạch triều, luồng tàu, khai thác cát ven biển để xây dựng công trình, khai thác khoáng sản...vv. Để minh họa cho các khái niệm trên, một ví dụ đơn giản về khả năng vận chuyển bùn cát và lượng bùn cát vận chuyển thực tế sẽ được xem xét, trong đó xét tới sự tương tác của sóng, và thể tích bùn cát hiện có trên bãi biển. Xét quá trình vận chuyển 114 bùn cát dọc bờ tại một đoạn bờ biển cát, nằm trong thể tích khống chế bùn cát như hình (4-16). Bùn cát được đưa tới "thể tích khống chế" với tốc độ vận chuyển bùn cát thực tế, lượng bùn cát ra khỏi thể tích khống chế là hàm của lượng bùn cát hiện có với tương tác giữa sóng và bùn cát tại đoạn bờ biển, theo lý thuyết có thể đạt tới tốc độ vận chuyển bùn cát tiềm năng. Nếu lượng bùn cát đi ra khỏi thể tích khống chế lớn hơn lượng bùn cát đi vào, hiện tượng xói lở bờ biển sẽ xuất hiện tại đoạn bờ biển này dẫn tới sự suy thoái đường bờ. Sự suy giảm lượng bùn cát trên bãi biển và ở bãi trước, đồng nghĩa với việc lượng bùn cát có ở bãi biển, trực tiếp tham gia vào quá trình tương tác giữa sóng và bùn cát sẽ ít đi. Điều này sẽ làm giảm lượng bùn cát thực tế đi ra khỏi đoạn bờ biển nghiên cứu. Xét trong một thời đoạn dài, kích thước bãi biển và khối lượng cát sẽ điều chỉnh tới trạng thái gần như cân bằng với các sóng tới theo mùa và suất chuyển bùn cát đến (thực tế) sao cho lượng bùn cát đi vào sẽ cân bằng với lượng bùn cát đi ra khỏi thể tích khống chế. Hình 4-16 "Thể tích khống chế" bùn cát ở vùng 4.6 VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG GIỚI THIỆU CHUNG Không giống như các nghiên cứu vận chuyển bùn cát dọc bờ, vận chuyển bùn cát theo phương vuông góc với bờ biển mới được quan tâm trong khoảng 10 năm gần đây. Các nghiên cứu về vận chuyển bùn cát ngang bờ vẫn còn nhiều vấn đề chưa được làm sáng tỏ và do vậy, nó đang là hướng nghiên cứu thu hút rất nhiều các nhà khoa học trong lĩnh vực kỹ thuật bờ biển cả trong nghiên cứu thực nghiệm lẫn lý thuyết. Vận chuyển bùn cát theo phương ngang là hình thức vận chuyển bùn cát rất quan trọng vì hình dạng mặt cắt ngang được tạo nên do hiện tượng xói lở/ bồi lấp có liên quan tới vận chuyển bùn cát theo phương ngang. Như đã mô tả ở phần trước, một mô hình chi tiết của dòng chảy dọc bờ hình thành do sóng và vận chuyển bùn cát dọc bờ được xem như số liệu đầu vào cho mô hình diễn biến bờ biển. Hình dạng của bãi biển cát thay đổi liên tục và nó có thể có những thay đổi đáng kể trong thời gian xảy 115 ra bão. Về nguyên tắc, sẽ không thể thực hiện các mô tả chi tiết sự vận chuyển bùn cát dọc bờ nếu không có mô hình vận chuyển bùn cát theo phương ngang và mô hình mô phỏng sự phát triển hình dạng mặt cắt ngang. Cũng cần phải lưu ý rằng trong thực tế mô hình phát triển hình dạng mặt cắt ngang bãi biển vẫn chưa đạt tới trình độ có thể được tích hợp với các mô hình vận chuyển bùn cát dọc bờ trong thời đoạn ngắn và do vậy mà các mô phỏng trên thường dựa trên các hình dạng mặt cắt ngang bãi biển trung bình. Giả thiết rằng, trường hợp được coi là hai chiều hoàn chỉnh sẽ không có dòng chảy trung bình theo phương ngang. Trường hợp này mô tả các trạng thái thực nghiệm được xét tới trong một máng sóng thông thường, tuy nhiên, trong tự nhiên giả thiết dòng chảy trung bình theo phương ngang có giá trị bằng 0, trong nhiều trường hợp, là không phù hợp. Các biến thiên nhỏ trên một mặt cắt ngang bãi biển đồng nhất có thể tạo thành các dòng chảy tuần hoàn theo phương ngang và thậm chí trạng thái hoàn toàn đồng nhất có thể không ổn định, dẫn tới một loạt các dòng chảy tuần hoàn theo phương ngang và dòng tiêu. Tuy nhiên, trạng thái hai chiều hoàn chỉnh được quan tâm một cách đáng kể khi nó được dẫn chứng bằng tư liệu một cách đầy đủ và do tất cả các cơ chế trên cũng rất hoạt động trong trường hợp dòng chảy ba chiều phức hợp. Trạng thái mạch động theo phương ngang bằng không thực sự phức tạp hơn rất nhiều so với dòng chảy trung bình có vận tốc lớn, do rất nhiều các cơ chế khác nhau sẽ tham gia vào việc hình thành vận chuyển bùn cát mà không kể tới khả năng loại trừ của một trường hợp bất kỳ cho trước. Với một dòng chảy có vận tốc lớn, ảnh hưởng của ứng suất tiếp trung bình sẽ có vai trò chủ đạo đối với dòng chảy trung bình và đối với vận chuyển bùn cát. Cơ chế vận chuyển bùn cát theo phương ngang sẽ được mô tả cù