CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC GIỮA SÓNG VÀ BỜ ĐẢO 1.1 Tổng quan về sóng biển và các quá trình lan truyền sóng 1.1 Sự hình thành sóng biển và các thuật ngữ liên quan Sóng biển chủ yếu được tạo ra do tác động của gió trên mặt nước. Các sóng được hình thành ban đầu bởi một quá trình cộng hưởng lực tiếp giáp bề mặt phức tạp, trong đó các sóng có chiều cao, chiều dài, chu kỳ khác nhau được tạo ra và di chuyển theo nhiều hướng khác nhau (Hình 1-1). Ñöôøng ñænh soùng löøng Höôùng phaân taùn soùng Soùng taïo trong baõo Gioù Hình 1-1: Sự tạo ra sóng và phân tán sóng biển Trong khu vực phát sinh bão, năng lượng sóng tần số cao (Ví dụ: Sóng có chu kỳ nhỏ) vừa bị tiêu tán và chuyển sang tần số thấp hơn. Các sóng có tần số khác nhau di chuyển với tốc độ khác nhau và do đó bên ngoài khu vực tạo bão, trạng thái biển bị thay đổi khi các thành phần tần số khác nhau tách biệt.
Các sóng tần số thấp di chuyển nhanh hơn các sóng tần số cao dẫn đến trạng thái biển lừng trái ngược với điều kiện biển bão. Quá trình này được gọi là sự phân tán. Do đó, sóng gió có thể được đặc trưng là không đều, đỉnh ngắn và dốc chứa một dải tần số và hướng lớn. Mặt khác, sóng lừng có thể có đặc điểm là khá đều đặn, đỉnh dài và không dốc lắm, chứa một dải tần số và hướng thấp.2 Sóng biên độ nhỏ Sóng biên độ nhỏ là sóng có độ cao sóng nhỏ so với bước sóng và độ sâu của nước.
Mô tả toán học sớm nhất về sóng tuyến tính là do Airy đưa ra vào năm 1845, thường gọi là lý thuyết sóng Airy. Sóng Airy được hình thành bằng cách sử dụng các khái niệm về dòng chất lỏng lý tưởng hai chiều. Đây là điểm xuất phát hợp lý của sóng biển, không bị ảnh hưởng nhiều bởi độ nhớt, sức căng bề mặt hay sự nhiễu loạn. Hình 1-2 cho thấy một sóng hình sin có bước sóng L, chiều cao H và chu kỳ T, lan truyền trên mặt nước với độ sâu h không bị xáo trộn.
Sự thay đổi của độ cao bề mặt theo thời gian, từ mực nước tĩnh, được ký hiệu là η và được cho bởi: (1.1) Trong đó: x là khoảng cách đo dọc theo trục hoành và t là thời gian. Vận tốc của sóng chuyển động theo phương x được cho bởi công thức c = L / T. L y h Möïc nöôùc tónh H x d Hình 1-2: Mô tả định nghĩa một sóng hình sin Phương trình (1.1) đại diện cho nghiệm bề mặt của phương trình sóng Airy. Sự suy ra của các phương trình sóng Airy bắt đầu từ phương trình Laplace đối với dòng chuyển động của một chất lỏng lý tưởng.3 Các quá trình biến đổi và suy giảm năng lượng sóng Khi sóng tiếp cận bờ biển, chiều cao và bước sóng của chúng bị thay đổi bởi các quá trình khúc xạ và chuyển động trước khi vỡ vào bờ.
Khi sóng đã vỡ, chúng đi vào vùng được gọi là vùng sóng vỡ. Tại đây xảy ra một số quá trình biến đổi và suy giảm phức tạp 6 luan an nhất, bao gồm việc tạo ra các dòng chảy ngang và dọc bờ, thiết lập mực nước trung bình và vận chuyển trầm tích mạnh mẽ của vật liệu bãi biển. Ở những nơi có các công trình ven biển, trên đường bờ biển hoặc trong vùng gần bờ, sóng cũng có thể bị nhiễu xạ và phản xạ dẫn đến sự phức tạp thêm trong chuyển động của sóng Hình 1-3 cho thấy một khái niệm đơn giản về quá trình biến đổi và suy giảm sóng chính mà các kỹ sư ven biển phải xem xét khi thiết kế các sơ đồ bảo vệ bờ biển. Sự tồn tại của các nhóm sóng cũng tạo ra các dạng sóng thứ cấp có tần số và biên độ thấp hơn nhiều được gọi là sóng dài liên kết.
Bên trong vùng sóng vỡ, những con sóng này tách ra khỏi sóng 'ngắn' và đã được chứng minh là có ảnh hưởng lớn đến sự vận chuyển trầm tích và hình thái bãi biển tạo ra các biến thể dài và xuyên bờ trong trường sóng vùng sóng vỡ. Soùng nöôù c saâu Phoå â soùng nöôù c saâu ñoä phoå S(f) h Hs ,Ts ,q Taà n soá (f) Soá lieäu maãu Ñieå m soá lieäu maãu Vuøng nöôù c saâu Vuø ng nöôùc Coâ ng trình ñöôïc chuyeån tieáp thieát keá trong ñieàu kieä n cöïc ñoan Phaûn xaï Nhieãu xaï Vuø ng soù ng vôõ Doøng chaû y doïc Vaä n chuyeån buø n caùt , baõi Hình 1-3: Các quá trình biến đổi và suy giảm sóng chính 7 luan an v Khúc xạ sóng Tốc độ lan truyền sóng c và bước sóng L có liên quan với chu kỳ sóng (Chu kỳ sóng là tham số duy nhất không đổi đối với một sóng riêng lẻ): (1.2) Để tìm gia tốc sóng và bước sóng ở độ sâu h bất kỳ, hai phương trình này phải được giải đồng thời. Giải pháp luôn luôn sao cho c < c0 và L < L0 cho h < h0 (trong đó chỉ số “o” dùng để chỉ điều kiện nước sâu). Xét sóng nước sâu tiến tới giới hạn độ sâu chuyển tiếp (h/L0 = 0,5), như trong Hình 1-4a.
Một sóng truyền từ A đến B (ở vùng nước sâu) truyền một khoảng cách L0 trong một chu kỳ sóng T. Tuy nhiên, sóng truyền từ C đến D truyền một khoảng cách nhỏ hơn, L, trong cùng một thời gian, vì nó ở trong vùng sâu chuyển tiếp. Do đó, mặt trước của làn sóng mới bây giờ là BD, đã xoay đối với AC. Đặt góc α đại diện cho góc của mặt trước sóng so với đường đẳng sâu, thì sinα = L/BC và sinα0 = L0/BC.3) Khi c < c0 thì α < α0, thể hiện sóng tiếp cận bờ biển từ một góc xiên, các mặt trước của sóng có xu hướng tự sắp xếp với các đường đẳng sâu.
Hình 1-4b cho thấy sự biến thiên của c/c0 với h/L0 và α/α0 với h/L0 (trường hợp sau là cụ thể cho trường hợp các đường đẳng sâu song song). Đại lượng L0 được sử dụng phổ biến hơn L vì nó là một đại lượng cố định cho mỗi con sóng xem xét, trong khi L biến đổi trong quá trình truyền sóng.3 a (degrees) 90 90 80 a0 (degrees) 70 60 Vuøng nöôùc saâu C a0 a0 60 50 45 a B h/L0 =0.5 40 30 30 Vuøng nöôùc chuyeån tieáp D c 20 10 0 a b 0.5 Hình 1-4: (a)Mô tả sự khúc xạ sóng; (b) Sự thay đổi của tốc độ lan truyền sóng và góc sóng tới theo độ sâu nước 8 luan an v Phản xạ sóng Sóng tới thông thường gặp các công trình thẳng đứng cứng (Như tường bến cảng và tường biển) sẽ bị phản xạ, theo đó sóng phản xạ có cùng pha nhưng ngược hướng và về cơ bản cùng biên độ với sóng tới. Điều này thỏa mãn điều kiện biên cần thiết là vận tốc ngang luôn bằng không. Kết quả tạo nên dạng sóng mới được gọi là sóng đứng, như trong Hình 1-5.
Sự phản xạ cũng có thể xảy ra khi sóng xâm nhập vào bến cảng hoặc cửa sông. Điều này có thể dẫn đến hiện tượng cộng hưởng khi các sóng được khuếch đại. Tại các điểm nút sóng không có chuyển động thẳng đứng theo thời gian. Ngược lại, ở các cạnh, đỉnh và bụng sóng xuất hiện xen kẽ.
Đối với trường hợp sóng lớn ở vùng nước nông và nếu sóng phản xạ có biên độ tương tự với sóng tới, thì các đỉnh tiến và lùi va chạm nhau một cách ngoạn mục, tạo thành một chùm gọi là một chùm tia (xem Hình 1-6). Điều này thường được quan sát thấy ở các bức tường biển. Sóng đứng có thể gây ra thiệt hại đáng kể cho các công trình biển và gây ra xói đáy đáng kể. Buï ng soù ng h s(x,0) Nuùt soùng Nuùt soùng hi(x,0) h r(x,0) hs(x,T/4) h i(x,T/2) h r(x,T/2) L/2 L/4 hs(x,T/2) Soù ng ñöù ng Vaä n toác phaàn töû nöôùc taï i buïng soùng Soù ng toù i vaø soùng phaûn xaï Vaän toác phaàn töû nöôùc taïi nuù t soùng Hình 1-5: Mô tả sóng đứng 9 luan an Hình 1-6: Sóng đứng được quan sát tại bờ biển v Nhiễu xạ sóng Đây là quá trình mà sóng bẻ cong xung quanh các vật cản tròn bằng bức xạ năng lượng sóng.
Hình 1-7 cho thấy một sự lan truyền sóng xiên tại một đầu đê chắn sóng. Có ba vùng riêng biệt: + Vùng bóng tối diễn ra hiện tượng nhiễu xạ - Vùng (1). + Vùng sóng đỉnh ngắn trong đó sóng tới và sóng phản xạ tương tác với nhau – Vùng (2). + Một vùng sóng tới không bị ảnh hưởng – Vùng (3).
Trong vùng (1) các sóng nhiễu xạ với mặt sóng tạo thành các cung tròn có tâm ở điểm đầu đê chắn sóng. Khi sóng nhiễu xạ, độ cao của sóng giảm dần do năng lượng của sóng tới lan truyền trong vùng. Tuy nhiên, tình hình thực tế phức tạp hơn những gì được trình bày trong Hình 1-7. Các sóng phản xạ trong vùng (2) sẽ nhiễu xạ vào vùng (3) và do đó kéo dài vùng sóng đỉnh ngắn vào vùng (3).
Soùng nhieãu xaï Ñaäp phaù soùng Soùng tôùi Soùng phaûn xaï Hình 1-7: Sự nhiễu xạ sóng lý tưởng xung quanh một đê chắn sóng không thấm nước 10 luan an v Sóng vỡ Có hai tiêu chí dùng để xác định thời điểm sóng sẽ vỡ. Đầu tiên là giới hạn về độ dốc của sóng (H/L) và thứ hai là giới hạn về tỷ lệ giữa chiều cao sóng và độ sâu của nước (H/h). Giới hạn lý thuyết bắt nguồn từ lý thuyết sóng đơn, là một sóng đơn có đỉnh và không có đáy. Một loại sóng như vậy được Russell quan sát lần đầu tiên vào năm 1840, được tạo ra bởi một chiếc xà lan trên kênh Forth và Clyde.
Hai tiêu chí được đưa ra bởi: (1) Độ dốc H/L < 1/7. Điều này thường giới hạn độ cao của sóng nước sâu. (2) Tỷ số giữa chiều cao sóng và độ sâu nước: Chỉ số sóng vỡ γ = H/h = 0,78. Trong thực tế, γ có thể thay đổi từ khoảng 0,4 đến 1,2 tùy thuộc vào độ dốc của bãi biển và loại sóng vỡ.
Sóng vỡ có thể được phân chia thành một trong ba loại như Hình 1-8. Soùng nhaøo Baõi bieån raát phaúng Soùng ñoå Baõ i bieå n doác Soùng noå Baõ i bieå n raát doác Hình 1-8: Các dạng chính của sóng vỡ 11 luan an (a) Sóng nhào tại bờ biển thoải. (b) Sóng đổ tại bờ biển dốc Hình 1-9: Hình ảnh sóng vỡ tại bờ biển (http://www.