Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về chạy tàu trong luồng có bùn loãng. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết, số liệu và phương pháp nghiên cứu xác định lớp bùn loãng và đáy chạy tàu trong môi trường bùn loãng - Chương 3: Điều kiện áp dụng chạy tàu trên bùn loãng, phân tích Fourier và mô hình hồi quy đa biến xác định quy luật sa bồi và chiều dày lớp bùn loãng. - Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu. luan an 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CHẠY TÀU TRONG LUỒNG CÓ BÙN LOÃNG Do bồi lắng bùn cát, công việc nạo vét duy tu luồng lạch giao thông thủy phải tiến hành thường xuyên để đảm bảo các tàu thuyền hành hải an toàn thuận lợi.
Trong trường hợp đáy luồng cứng như đá, sét hay cát, đáy luồng cũng được lấy là đáy chạy tàu. Trường hợp đáy là bùn loãng, biên giữa nước và đáy khó có thể xác định, thì các khái niệm “Đáy luồng” và “Độ sâu luồng” được thay thế bằng “Đáy chạy tàu” và “Chiều sâu chạy tàu”. Trong luận án này, các thuật ngữ “bùn loãng”, “đáy chạy tàu”, “độ sâu chạy tàu” được hiểu như sau: - Bùn loãng (Fluid Mud) Theo William và cộng sự, bùn loãng là thuật ngữ dùng để chỉ loại dung dịch gồm nước, bùn sét hạt mịn lơ lửng (đường kính nhỏ hơn 62,5 µm), với hàm lượng bùn sét cao trong trạng thái kết bông, chưa đủ nặng để lắng đọng xuống đáy [51], [52]. - Đáy chạy tàu (nautical bottom) Trong tài liệu “Hướng dẫn thiết kế luồng vào Cảng” (1997, 2014) [37], [38], PIANC (Hiệp hội hạ tầng giao thông đường thủy thế giới) đưa ra khái niệm về đáy chạy tàu như sau:“Đáy chạy tàu là cao trình mà các tính chất vật lý của đáy luồng đạt tới giá trị tới hạn mà khi nó tiếp xúc với sống tàu sẽ làm hư hỏng tàu hoặc gây ảnh hưởng bất lợi (không thể chấp nhận) đến việc kiểm soát và chạy tàu”.
- Độ sâu chạy tàu (Nautical depth) Độ sâu luồng tàu dưới mực nước thiết kế bằng mớn nước đầy tải của tàu thiết kế (T) cộng với các độ sâu dự phòng khác (ΔT) được gọi là độ sâu chạy tàu, ký hiệu là H. Đối với luồng tàu có đáy cứng, độ dự phòng tối thiểu dưới sống tàu (minimum underkeel clearance - UKC) được tính toán để tránh va chạm với đáy địa hình khi tàu di chuyển. Trong các thành phần tạo thành ΔT, có z4 là độ dự phòng cho bồi lắng trở lại. luan an 7 Trong trường hợp đáy luồng cứng, như đá, sét hay cát, chiều sâu chạy tàu có thể được xác định bằng máy đo sâu hồi âm (Echo-sound) có tần số 200 kHz.
Trong trường hợp đáy luồng có lớp bùn loãng, với dung trọng nhỏ (1.300 kg/m3) và cường độ yếu (ứng suất tiếp nhỏ), đáy luồng và chiều sâu luồng sẽ không xác định được rõ ràng. Phương pháp đo sâu bằng thiết bị hồi âm sẽ có nhiều tín hiệu âm thanh với các tần số khác nhau có thể dẫn đến các giá trị độ sâu khác nhau. Thiết bị có sóng âm thanh tần số cao ứng với bề mặt lớp bùn, còn thiết bị có sóng âm thanh với tần số thấp (< 33kHz) lại xuyên qua lớp bùn loãng, phản xạ ở bề mặt bùn có mật độ cao hơn. Độ sâu chạy tàu lúc đó chỉ là khoảng cách từ mực nước chạy tàu đến cao trình đáy chạy tàu.
Nhiều quốc gia lấy tiêu chuẩn đáy chạy tàu ở cao trình mà mật độ bùn loãng đạt giá trị khoảng 1.200kg/m3, do đó máy đo sâu có tần số 33 kHz thường được sử dụng như một trong các tiêu chí để xác định đáy chạy tàu. Băng đo sâu ở các tần số 210 kHz và 33kHz [24] 1. Tổng quan các nghiên cứu về bùn loãng Về việc tận dụng lớp bùn loãng để chạy tàu, đã có những nghiên cứu từ những năm 80 của thế kỷ trước. Nhiều quốc gia trên thế giới đã sử dụng phương thức chạy tàu này.
Việt Nam cũng đã đề cập nội dung này khi giải quyết vấn đề của luồng vào cảng Hải Phòng vào các năm 1998÷2004. Đây là nội dung có tính thực tiễn và ứng dụng cao nhưng cũng khá phức tạp về khoa học, công nghệ, liên quan đến một loạt những vấn đề khó của cơ học lưu chất, lý thuyết về bùn cát, sa bồi, thủy hải văn, chỉnh trị cửa sông ven biển… luan an 8 Trong phần này, luận án sẽ trình bày tổng quan về các vấn đề nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và các kết quả cơ bản của một số số công trình khoa học, dự án nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam đã đạt được, được thừa nhận và áp dụng trong thực tế. Các vấn đề nghiên cứu Để đánh giá tính khả thi và sử dụng phương pháp chạy tàu trong luồng có bùn loãng, các nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu các vấn đề sau: (1) Các đặc trưng của bùn loãng và các tiêu chí để xác định bùn loãng trong thực tế; (2) Khái niệm về đáy chạy tàu và phương pháp xác định đáy chạy tàu trong luồng lạch có bùn loãng; (3) Nội hàm khoa học và phương pháp xác định độ sâu chạy tàu trong môi trường bùn loãng; (4) Tính khả thi chạy tàu trong môi trường bùn loãng; (5) Phương pháp xử lý bùn loãng. Phƣơng pháp nghiên cứu 1.
Nghiên cứu hiện trƣờng và phân tích số liệu thực đo Trong nghiên cứu lớp bùn loãng ở tầng gần đáy, các phép đo tại hiện trường rất quan trọng vì các hỗn hợp bùn kết dính lơ lửng và lớp bùn đáy mềm cố kết dễ bị xáo trộn. Việc lấy mẫu, vận chuyển và công tác đo lường trong phòng thí nghiệm có thể ảnh hưởng đến các đặc tính vật lý. Các phương pháp nghiên cứu thường được sử dụng bao gồm phương pháp đo đạc ngoài hiện trường, phương pháp thí nghiệm trong phòng và phương pháp mô hình hóa. Phương pháp đo đạc ngoài hiện trường thường sử dụng thiết bị đo đa tần.
Phương pháp này sử dụng đồng thời các tần số khác nhau để tách các lớp vật chất bởi mỗi một tần số sẽ có khả năng xuyên qua các lớp vật chất với các đặc điểm cơ lý khác nhau. Hiện nay trên thế giới cũng như tại Việt Nam, đo sâu hồi âm là kỹ thuật phổ biến nhất để xác định độ sâu hành hải cho tàu biển, độ sâu luồng tàu, khu nước, vũng quay tàu, bể cảng. Kỹ thuật đo sâu hồi âm (Echo sounding) sử dụng một Sonar chủ luan an 9 động công suất nhỏ, xác định độ sâu nước, bằng cách phát xung siêu âm vào nước và thu nhận tín hiệu phản xạ từ đáy nước, từ đó xác định ra độ sâu. Tín hiệu từ đầu thu hiện trên màn hình hoặc in băng ghi có dạng một đường ghi có mã hóa cường độ tín hiệu theo thang độ xám hoặc thang màu.
Có hai loại máy hồi âm phổ biến được sử dụng cho các mục đích khác nhau là máy hồi âm đơn tần và máy hồi âm sử dụng đa tia, đa tần. Những máy này làm việc ở hai dải tần số: tần số thấp (15- 33 kHz), và tần số cao (100- 210 kHz). Phương pháp đo sâu hồi âm đưa ra một dấu hiệu định tính để xác định sự hiện diện lớp bùn loãng. Các tín hiệu tần số cao (100 - 210 kHz) ghi rõ bề mặt nước - bùn, trong khi mức tần số thấp (15 - 33 kHz) đi sâu hơn vào các lớp bùn và thường được phản xạ từ đáy cố kết.
Tuy nhiên, hạn chế của việc đo sâu sử dụng tần số thấp là phản xạ của các tín hiệu tần số sóng âm thấp trong bùn trong một số điều kiện cụ thể còn bị ảnh hưởng bởi nhiều thông số (bong bóng khí, tầng cát, biến thiên dung trọng, kinh nghiệm của người vận hành, vv.), đôi khi phản ánh ở nhiều cấp độ, không rõ ràng. Ngoài việc đo đạc xác định độ dày lớp bùn loãng sử dụng thiết bị đa tần, các nghiên cứu còn được bổ sung bằng các đo đạc nhằm xác định đặc điểm bùn và các đặc trưng về động lực [32]. Về thí nghiệm xác định lớp bùn ở hiện trường: để mô tả đặc điểm và phân loại bùn loãng, các thí nghiệm về quan hệ giữa lưu biến của bùn loãng tự nhiên với các thông số khác như dung trọng, độ nhớt là căn cứ xây dựng các mô hình nghiên cứu số hoá. Một nghiên cứu đã được triển khai tại cửa sông Ems ở Đức để đo cường độ và áp suất lỗ rỗng của cả bùn đặc và bùn loãng [26].
Đồng thời với việc thí nghiệm xuyên CPTU ở biển Baltic là việc lấy mẫu trầm tích nhằm nghiên cứu đặc tính trầm tích, phân tích các đặc tính địa kỹ thuật cũng như mức độ phản ánh của các thiết bị hồi âm tại các vị trí được lựa chọn. Kết quả cho thấy nồng độ trầm tích lơ lửng có thể được xác định bằng cả phép đo độ áp lực lên mặt đĩa thiết bị xuyên và đo áp suất lỗ rỗng. Kết quả đo còn cho thấy quá trình chuyển hoá từ bùn loãng sang bùn đặc khi luan an 10 nồng độ bùn tăng lên. Đối với các nghiên cứu đặc tính lớp bùn loãng, thí nghiệm CPTU động là phương pháp linh hoạt để kiểm tra nhanh đặc tính của bùn.
Tùy thuộc vào tính chất vật lý của bùn loãng, bùn hữu cơ hiếu khí và các lớp bán trầm tích và trầm tích, các đặc tính về kháng cố kết và áp suất lỗ rỗng cho phép xác định và đánh giá nhanh các lớp trầm tích này. Ngoài kiểm tra tại chỗ bằng thí nghiệm CPTU, các hỗn hợp bùn loãng từ cửa sông Ems được lấy mẫu và thí nghiệm (nồng độ trầm tích lơ lửng (SSC), phân bố cỡ hạt, hàm lượng hữu cơ (TOC) và thành phần khoáng chất. Để phục vụ công tác so sánh, mẫu được lấy từ hai địa điểm khác nhau, từ sông Ems và từ cảng liền kề của Emden. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sự phân bố kích cỡ hạt và thành phần khoáng chất là các thông số không ảnh hưởng nhiều đến trạng thái lưu biến.
Sự thay đổi độ mặn, loại chất hữu cơ và độ bền của khối chất rắn hình thành do phản ứng sinh hoá là các thông số có ảnh hưởng nhiều nhất đến trạng thái lưu biến của bùn loãng. Nghiên cứu thí nghiệm trên mô hình vật lý Thí nghiệm mô hình tàu dầu tiếp xúc với các lớp bùn được mô phỏng bằng hỗn hợp parafin clo hóa và dầu lửa được thực hiện năm 1976, tại Marin (Wageningen, the Netherlands: Sellmeijer et al.