Động lực hình thái và sói lở

165 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:              ED x q x B   1 1 (140) trong ®ã  = cao ®é ®¸y, so víi mùc quy chiÕu 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: x q x t         1 1 (141) trong ®ã qt = suÊt vËn chuyÓn thÓ tÝch cña trÇm tÝch tæng céng (di ®¸y vµ l¬ löng) theo h­íng x d­¬ng. 166 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:                y q x q x tytx   1 1 (142) 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 167 ®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 168 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 169 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 <1/40 kÝch th­íc thËt - tû lÖ ®é s©u n­íc theo tû lÖ m« h×nh, trõ khi ®é s©u nguyªn mÉu lín h¬n 6 lÇn kÝch th­íc thËt cña vËt thÓ, trong tr­êng hîp ®ã ®é s©u m« h×nh chØ cÇn lín h¬n 6 lÇn kÝch th­íc vËt thÓ - vËn tèc dßng ch¶y U/Ucr ph¶i gi÷ kh«ng ®æi gi÷a m« h×nh vµ nguyªn mÉu - kÝch th­íc hè xãi tû lÖ thuËn víi m« h×nh - c¸c quy luËt tû lÖ thêi gian ®­îc cho tr­íc (xem Whitehouse, 1997). 3. M« h×nh ho¸ sè trÞ vÒ xãi chØ míi b¾t ®Çu ®­îc ¸p dông, mÆc dï mét lo¹t vÊn ®Ò cÇn ®­îc gi¶i quyÕt, vµ thêi gian tÝnh to¸n cßn lín. §èi víi vµi n¨m sau, m« h×nh vËt lý cã thÓ lµ c¸ch gi¶i quyÕt tèt nhÊt ®èi víi hÇu hÕt c¸c vÊn ®Ò thùc tiÔn thay v× 170 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).