CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DÒNG PHẢN HỒI DO SÓNG VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN 1.1 Giới thiệu chung Chuyển động của các phần tử nước trong sóng làm khuấy động bùn cát, dịch chuyển theo dòng chảy và lượng vận chuyển bùn cát tăng lên do sự có mặt của sóng. Chương này trình bày tổng quan các nghiên cứu đã thực hiện về sóng, dòng phản hồi và vận chuyển bùn cát, xói bồi trước chân đê biển. Từ đó đưa ra những vấn đề nghiên cứu tiếp theo trong Luận án.1 Dòng phản hồi và các quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ Có rất nhiều yếu tố chi phối sự hình thành dòng chảy ven bờ nói chung và dòng phản hồi nói riêng cũng như vận chuyển bùn cát gồm thủy triều, sóng, gió, đặc điểm thủy vực, đặc điểm của bão, đặc điểm bùn cát… Trong phần này giới thiệu tổng quát về cơ chế vật lý hình thành dòng phản hồi và vận chuyển bùn cát ngang bờ dẫn đến xói chân đê biển do sóng.1 Dòng phản hồi Dòng phản hồi là dòng chảy trung bình hướng ra biển, ở phía dưới mực nước chân sóng trong vùng sóng vỡ [7]. Dòng phản hồi được xem như là một trong những lực chính chi phối vận chuyển bùn cát ra xa bờ, hình thành các cồn cát, xói lở bãi biển và xói lở đê kè biển khi có bão.
Để giải thích cơ chế hình thành dòng này cần xuất phát từ các lực làm dịch chuyển các phần tử nước trong chuyển động sóng như dưới đây. Theo Stive and Wind (1996) và Svendsen (1984), dòng phản hồi được hình thành do sự mất cân bằng theo phương thẳng đứng giữa thông lượng động lượng biến đổi theo độ sâu và gradient áp suất đồng nhất theo độ sâu do sự dâng nước bởi sóng. Hay nói cách khác thì dòng phản hồi là dòng chảy hướng ra biển ở phần dưới cột nước khi đền bù cho thông lượng khối lượng hướng vào bờ ở phía trên mực nước chân sóng [8] [9] [10]. Trước khi vào vùng sóng vỡ, các phần tử nước chuyển động tiến và lui theo chuyển động quỹ đạo sóng, năng lượng sóng bị tiêu tán ít, nhưng đến độ sâu nước bằng nhỏ hơn hoặc bằng khoảng 1,25 lần chiều cao sóng thì quá trình sóng vỡ diễn ra làm tiêu hao 8 năng lượng sóng rất nhiều, thông lượng năng lượng sóng chuyển thành năng lượng rối và nhiệt [11].
Các loại sóng vỡ gồm vỡ cuộn (spilling), vỡ đổ (plunging) và vỡ dâng (surging) xuất hiện và dịch chuyển tùy thuộc vào đặc trưng quan trọng nhất đó là độ dốc của sóng tới và của bãi biển [12] [13]. Một phần năng lượng sóng vỡ sẽ chuyển hóa thành động lượng gia tăng gọi là ứng suất bức xạ của sóng và tạo thành sóng cuộn (sóng cồn) nhiễu loạn có mặt sóng gần như dốc đứng vận chuyển nước vào bờ [14]. Lượng nước do sóng cuộn mang vào khu vực ven bờ sẽ làm cho mực nước trung bình ven bờ dâng cao và sinh ra dòng chảy ngang bờ do sự cân bằng về khối lượng. Cho đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu được phát triển nhằm tính toán định lượng dòng phản hồi do sóng bằng mô hình mô phỏng.
Tất cả các nghiên cứu đều cho rằng dòng phản hồi được tạo ra do sự chênh lệch cục bộ giữa ứng suất bức xạ biến đổi theo độ sâu gây ra bởi sóng và gradient áp suất đồng nhất theo độ sâu do độ dốc bề mặt nước (Hình 1-1 (A) ) hoặc do sự mất cân bằng lực giữa thông lượng động lượng sóng và nước dềnh do sóng [15]… Chính sự mất cân bằng lực này đã cung cấp lực tạo ra hoàn lưu theo phương thẳng đứng. Hình 1-1 (A) Sơ họa về phân bố gradient ứng suất bức xạ (Sxx/x) và áp lực (/x), (B) kết quả phân bố theo phương đứng của dòng chảy ngang bờ [16] Khi dòng phản hồi ổn định được thiết lập chính là sự cân bằng của ba lực quan trọng gồm ứng suất bức xạ, gradient áp lực do nước dềnh và ứng suất rối được tạo ra bởi sự biến đổi theo phương thẳng đứng của vận tốc dòng phản hồi kết hợp với chuyển động 9 rối xuất hiện do sóng vỡ. Các yếu tố chi phối cân bằng động lượng gồm: a) bảo toàn khối lượng cục bộ theo phương thẳng đứng, b) ứng suất tiếp tại vị trí chân sóng, c) ứng suất tiếp tại đáy, d) biến đổi của hệ số nhớt rối (turbulence) theo phương thẳng đứng. Trong số những yếu tố này thì bảo toàn khối lượng cục bộ xác định đến độ lớn của dòng phản hồi trong sóng vỡ.
Thông lượng khối lượng hướng về phía bờ do sóng trong vùng từ đỉnh sóng đến chân sóng, bao gồm cả sự đóng góp của sóng vỡ cuộn (breaking wave rollers), được bù bởi dòng phản hồi tổng cộng hướng ra xa bờ. Ba nhân tố còn lại quyết định đến cấu trúc của dòng phản hồi theo phương thẳng đứng trên mặt cắt. Thông lượng khối lượng tịnh của dòng hướng bờ thường cân bằng với dòng phản hồi hướng ra biển, tuy nhiên trong trường hợp sóng tràn trong bão, cân bằng khối lượng này bị thay đổi do lượng nước tràn mất trong đất liền. Ảnh hưởng này thường được tính gộp với sóng phản xạ trong quá trình tính toán bằng các mô hình.2 Các quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ Vận chuyển bùn cát phụ thuộc rất nhiều yếu tố gồm chuyển động của các phần tử nước dao động dưới điều kiện sóng, lực tạo dòng chảy, đặc điểm thủy vực và bùn cát [1].
Quá trình dịch chuyển của các phần tử bùn cát bao gồm 3 giai đoạn: (1) Các hạt bùn cát đáy bị khuấy động và mang lên khỏi đáy ở trạng thái lơ lửng; (2) Những thành phần hạt này bị dịch chuyển theo phương ngang theo dòng nước; (3) Các hạt bùn cát bị lắng đọng xuống. Theo Dean (1973), nếu vận tốc lắng chìm cao, hạt sẽ chìm xuống trước khi chân sóng xuất hiện và sẽ dịch chuyển hướng vào bờ, trong khi nếu vận tốc lắng chìm thấp, nó vẫn sẽ lơ lửng và bị dịch chuyển ra xa bờ. Điều này dẫn đến kết quả là các hạt thô hơn bị lọc về phía bờ. Diễn biến của mỗi giai đoạn tùy thuộc vào sự dịch chuyển của nước/ dòng chảy và đặc điểm của hạt cát.
Vận chuyển bùn cát được xác định là lượng bùn cát (S) bị dịch chuyển đi theo dòng chảy trên đơn vị diện tích trong đơn vị thời gian, nghĩa là giả định rằng vận tốc chuyển động của hạt bùn cát tương ứng với vận tốc của hạt chất lỏng và công thức tổng quát để tính vận chuyển bùn cát ngang bờ bằng tích của nồng độ bùn cát (c) với vận tốc (u) [17]. Như vậy để tính toán vận chuyển bùn cát ngang bờ trong bão cần phải xác định được phân bố theo phương thẳng đứng của cả nồng độ bùn cát và dòng chảy. Hình 1-2 trình bày sơ họa mô phỏng phân bố vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát trong sóng vỡ. Có 10 thể thấy rằng dòng vận chuyển bùn cát đi vào bờ ít hơn dòng vận chuyển bùn cát ra xa bờ bởi rõ ràng rằng nồng độ bùn cát phân bố theo độ sâu chịu ảnh hưởng của hiện tượng rối loạn và nhiễu động ở mức độ mạnh do hiện tượng sóng vỡ, kích thước hạt cát, tốc độ lắng chìm.
Do tác động của yếu tố trọng lực mà nồng độ bùn cát ở phía dưới sẽ cao hơn phía trên mặt nước, dẫn tới vận chuyển bùn cát tịnh sẽ có hướng ra phía ngoài khơi với sự có mặt của dòng phản hồi. Hình 1-2 Sơ họa phân bố dòng chảy và nồng độ bùn cát vùng sóng vỡ [18] Khi tính toán các quá trình vận chuyển ngang bờ thường được chia thành các lớp khác nhau: trên mặt nước là dòng trôi do sóng tiến vào bờ (surface drift), tiếp xuống dưới đó là dòng phản hồi và phía đáy là dòng biên sát đáy (streamming). Vận chuyển bùn cát cũng được chia thành vận chuyển bùn cát lơ lửng (suspended load) và vận chuyển bùn cát đáy (bed load). Trong điều kiện bão, ở vùng sóng vỡ gần bờ, vận chuyển bùn cát lơ lửng chiếm ưu thế [19] [1] [20].2 Xói chân đê biển Xói chân đê biển là các hiện tượng chỉ sự hạ thấp cao độ đáy khu vực chân đê dưới tác dụng của các yếu tố thuỷ lực biển.
Sự thay đổi mặt cắt ngang, các hố xói hay các cồn cát ngầm dọc bờ biển có thể được hình thành và các cồn cát ngầm có thể bị di chuyển vị trí hoặc bị phá hủy tùy thuộc vào gradient vận chuyển bùn cát ven bờ. Hình dạng mặt cắt ngang trước chân đê biển có thể biến đổi trong một trận bão, một mùa hay một năm và nhiều năm. Các yếu tố ảnh hưởng đến hố xói chân đê gồm hiện tượng dâng lên của mực nước biển trong thời kì bão, tác động của sóng lớn trong bão, dòng chảy ven bờ, tác động thường xuyên của thủy triều, đặc biệt triều cường, địa hình 11 phía trước chân đê thoải hay dốc, ngoài ra cần kể đến sự gia tăng xói lở do các sóng phản xạ từ kết cấu công trình đê, sự gia tăng năng lượng sóng do thềm bãi bị hạ thấp, do ảnh hưởng của quá trình vận chuyển bùn cát dọc bờ, do sự gia tăng bão biển (khi liên tiếp xảy ra bão trong thời gian ngắn thì tình hình xói lở trở nên nghiêm trọng, do cơn bão thứ hai và cơn bão kế tiếp xảy ra trên bãi biển chưa kịp phục hồi do xói lở sau trận bão đầu tiên. Ví dụ trên mặt cắt (Hình 2) ở bãi biển Nam Định năm 2005 là một ví dụ điển hình, sau ba trận bão liên tiếp, chiều sâu hố xói tại chân đê lên đến khoảng 1m).
Dưới tác dụng của các yếu tố trên, bùn cát trước chân đê biển bị tác động làm lỏng ra và dịch chuyển đi theo dòng chảy. Kết quả mặt cắt thay đổi như thế nào ở các vị trí khác nhau trên mặt cắt là xói hay bồi tùy theo chênh lệch giữa lượng bùn cát được vận chuyển đi và đến vị trí đó. Trong điều kiện bão, mực nước biển dâng cao, sóng lớn tạo ra nước dềnh do sóng cao, gió mạnh, sóng vỡ gần chân đê hơn dẫn đến dòng phản hồi ra biển lớn hơn làm cho lượng vận chuyển bùn cát ra khỏi chân lớn hơn bùn cát đến (do phía trên mái đê được kiên cố hóa, lượng vận chuyển bùn cát không có trong khi suất chuyển cát lớn, nó sẽ đào bới lấy bùn cát đáy đem đi ra xa bờ) gây xói chân đê.