Kỹ thuật biển Bộ giảng kỹ thuật bờ biển dành cho lớp đào tạo cán Viện Khoa học thuỷ lợi, Hà Nội Biên tập tiếng Anh: E van Meerendonk Delft Hydraulics TËp II Nh÷ng vấn đề cảng bờ biển Người dịch: Đinh Văn Ưu Hà Nội 2003 Lời gới thiệu Để phục vụ chương trình đào tạo chuyên ngành Hải dương học, đà lựa chọn sách giáo khoa chuyên khảo liên quan tới chuyên ngành Kỹ thuật biển, Quản lý tài nguyên môi trường biển đà xuất nước dịch tiếng Việt Bộ gi¶ng vỊ kü tht bê biĨn sư dơng cho líp đào tạo cán Viện Khoa học Thuỷ lợi Hà Nội E van Meerendonk biên soạn theo giảng từ Viện Delft Hydraulics, Hà Lan tài liệu tương đối hoàn chỉnh lĩnh vực Trong giáo trình có nhiều phần liên quan tới thuỷ động lực biển công trình bảo vệ bờ đà trình bày kỹ giáo trình hành tiếng Việt Chúng chọn tập I II sách để dịch đà trình bày tương đối đầy đủ tổng quan Kỹ thuật biển nhằm làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên năm thứ trước vào chuyên ngành Do tập III trình bày sâu khía cạnh kỹ thuật công trình bờ thuộc lĩnh vực thiết kế, xây dựng công trình tập IV tập chung cho vấn đề chuyên sâu thuỷ động lực bờ sóng thần không dịch hai tập Trên sở chng lấy tên cho dịch Kỹ thuật biển Để đảm bảo tính khoa học vấn đề biên dịch toàn phần mở đầu cho Bộ sách, nhiên không biên dịch tập, III IV nên có bổ sung định để sinh viên nắm đầy đủ yêu cầu nội dung môn học Lời nói đầu Bộ giảng kỹ thuật bờ biên soạn phục vụ Viện nghiên cứu khoa học thuỷ lợi Cộng hoà Xà hội Chđ ngi· ViƯt Nam Trong thêi gian tn tõ tháng 10 đến tháng 11 năm 1989 tập giảng E van Meerendonk từ Viện Delft Hydraulics sử dụng cho khoá đào tạo cán Viện khoa học thuỷ lợi Những giảng phần dự án hỗ trợ cho Viện nghiên cứu Khoa häc thủ lỵi Delft Hydraulics triĨn khai víi tài trợ UNDP Nữu Ước Bộ giảng kỹ thuật bờ bao gồm nội dung sau đây: Tập I: Mở đầu Tập II: Những vấn đề cảng, vịnh bÃi biển Tập III: Thiết kế công trình ngăn sóng Tập IV: Tsunami Những giảng cung cấp kiến thức chung nguyên lý, vấn đề phương pháp giải Ngoài loạt tập khác triển khai trình đào tạo Mở đầu W.W Massie Tập II giáo trình kỹ thuật biển xem phần mở rộng số chủ đề đà đề cập tập I Về cấu trúc cố gắng giữ thứ nhất; hai năm chủ đề sâu chi tiết: cảng địa mạo Những kiến thức liên quan tới ứng suất xạ trình bày ngắn gọn chương Những thông tin lấy từ tập I Một điểm lưu ý tập việc sử dụng từ ngữ theo tiếng Anh kiểu Mỹ từ kỹ thuật phức tạp tập trung thành danh sách từ ngữ kèm theo Các hình vẽ cố gắng trình bày theo tỷ lệ, ngoại trừ hình đà ghi chú, ký hiệu sư dơng theo mét hƯ thèng nhÊt cho toµn tËp sách theo bảng kèm theo Các tài liệu tham khảo dẫn theo tên tác giả năm công bố; tài liệu tham khảo liệt kê phần cuối sách Bảng ký hiệu đưa phần cuối sách Những khía cạnh kỹ thuật chủ đề trình bày sách tóm lược chương tiếp sau tập Các tác giả tham gia viết tập trình bày bảng 1.1 Những người chịu trách nhiệm hiệu đính cho chương ghi phần mở đầu chương Bảng 1.1 Các tác giả tập sách Gi¸o s­ TiÕn sü kü thuËt E.W Bijker, Gi¸o s­ Kü s­ J.J van Dijk, NCV chÝnh Kü s­ J van de Graaff, NCV Kü s­ L.E van Loo, NCV chÝnh Th¹c sü W.W Massie, NCV chÝnh Kü s­ P.J Visser, NCV Tất tác giả thành viên nhóm Kỹ thuật bờ, Đại học công nghệ Delft, Hà Lan Các sửa chữa lần tái toàn nhóm tác giả với trợ lý đào tạo P.J.M Lapidaire đảm nhận Một số thí dụ tính toán trình bày tập Những thí dụ nhằm mục đích minh hoạ trình tính toán, đồng thời dạng kết thu Đọc giả không cần chi tiết vào thủ tục tính toán, chúng dễ dàng diễn hiểu ®· cã Ýt nhiỊu kinh nghiƯm nghỊ nghiƯp Mơc tiªu tập sách phát triển trang bị kinh nghiệm cho đọc giả Những vấn đề trình bày W.W Massie 2.1 Mục tiêu Mục tiêu tập sách tập trung nghiên cứu số chủ đề kỹ thuật bờ liên quan trực tiếp đến lạch vào cảng địa mạo bờ Các lĩnh vực kỹ thuật biển đà định nghĩa cụ thể chương tập I Lạch tàu vào cảng địa mạo bờ tập trung xem xÐt ®ång thêi mèi phơ thc lÉn chúng Việc xây dựng cửa vào cảng, hay việc nạo vét lạch vào cảng đà dẫn đến biến dạng địa mạo khu vực dọc bờ dọc theo lạch Các nhà thiết kế cửa vào tối ưu cho cảng cần ý tới hai vấn đề lưu thông tàu địa mạo 2.2 Những vấn đề chi tiết Mặc dầu chủ đề gắn liền với nhau, cố gắng tách chúng thành vấn đề chi tiết Sáu chương đề cập chủ yếu tới kích thước lạch tàu vào cảng dựa chủ yếu vào yêu cầu lưu thông tàu; năm chương cung cấp thông tin chuyển động tàu thuyền cách sử dụng chúng thiết kế lạch tàu Trong chương khía cạnh khác thiết kế lạch tàu xem xét ®ång thêi nh»m ®­a c¸c thiÕt kÕ tèi ­u Các trình địa mạo dẫn đến việc vận chuyển trầm tích dọc bờ lạch tàu gây ảnh hưởng đáng kể tới việc thiết kế tối ưu Cơ chế chuyển động nước- dòng dọc bờ- chảy dọc bờ xem xét kỹ lưỡng từ chương đến chương 16 Các vật liệu chuyển động dọc bờ cát xem xét kỹ từ chương 17 đến chương 19 Các công thức xác định dòng vận chuyển tốt xây dựng dựa sở dòng dọc bờ trình bày kỹ chương 16 Các kết xác định dòng vận chuyển trầm tích sử dụng mô hình đơn giản dự báo biến động đường bờ trình bày chương 20 Mô hình đơn giản xem xét chứng minh chương từ 21 đến 23 Có hai ứng dụng cụ thể tính toán dòng vận chuyển trầm tích trình bày phần cuối tập Việc đánh giá công trình bảo vệ bờ trao đổi chương 24 việc dự báo xói lở bồi tụ lạch tàu đề cập chương 25 Chúng phần tổng kết toàn sách khép kín chu trình quay trở lại với vấn đề tối ưu hoá lạch vào cảng trình bày chương Còn có hai ứng dụng tính toán dòng trầm tích vận chuyển dự báo xói lở trụ móng công trình khơi ống dẫn dầu nằm đáy biển cần bạn đọc quan tâm nghiên cứu tập sách Chuyển động tàu, thuyền W.W Massie 3.1 Mở đầu Sự dịch chuyển (chuyển động) tương đối tàu so với vị trí ổn định nước tĩnh vấn ®Ị hÕt søc quan träng thiÕt kÕ cưa vào cảng Sự dịch chuyển theo phương thẳng đứng quan trọng xác định độ sâu lạch tàu, dịch chuyển ngang theo hướng sử dụng để xác định bề rộng lạch biện pháp tránh va tàu cảng 3.2 Các chuyển động thẳng đứng Dịch chuyển tương đối tàu theo phương thẳng đứng gây nên sóng, kết tàu chạy phía trước nước đứng yên Dạng dịch chuyển tách thành thành phần: hạ hạ mũi sóng tạo nên chuyển dịch lên thông qua mũi tàu nhào vắt đỉnh sóng hay lắc (quay) tàu Những thành phần chuyển dịch mô tả kỹ sau Hình 3.1 Các ảnh hưởng hạ hạ mũi tàu tàu chở hàng lớn Hạ Đây tượng bị hạ xuống- giống trọng tải tăng lên kết thay đổi áp suất nước bao quanh tàu Khi tàu chuyển động phía trước tạo nên dòng nước chảy ngược lại từ mũi đến đuôi tàu Theo định luật Becnui áp suất nước quanh tàu nhỏ áp suất nước đứng, mặt nước hạ xuống tàu hạ xuống theo Hiện tượng xuất nơi lạch tàu biển khơi Trong lạch tàu khối lượng nước chảy tiết diện hẹp nên vận tốc lớn so với biển khơi, dẫn đến hiệu ứng hạ mực nước kênh lớn Hình 3.3 Chuyển động thẳng đứng tàu sóng Hình 3.4 Chuyển động ngang tàu sóng Hạ mũi Đó tượng hạ mực nước (thân tàu) khác mũi tàu đuôi tàu Như tượng quay tàu xung quanh trục tâm ngang, hệ bất đối xứng dòng nước hai phần mũi tàu đuôi tàu Đối với tàu conteiner, tàu hàng nhanh, cánh quạt làm cho dòng đuôi tàu tăng lên dẫn đến đuôi tàu bị hạ sâu so với mũi Các tàu chở hàng khô tàu chở dầu lớn, ngược lại, hệ số khối lớn mũi rộng làm cho dòng chảy ngược tập trung đây, dẫn đến mũi tàu hạ sâu đuôi (Hệ số khối xác định tỷ số khối lượng nước bị chiếm tích độ dài, rộng trọng tải tàu) Trên hình 3.1 cho ta kết định lượng thí nghiệm mô hình tiến hành Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia Anh, công bố tạp chí The Motor Ship, tháng năm 1974 Các ®­êng cong cho ta thÊy sù phơ thc cđa ®é thoáng mũi tàu hàm vận tốc độ thoáng ban đầu tàu chở hàng lớn dài 300 m Các chuyển động sóng gây nên Trên hình 3.2 cho ta thấy có ba dạng chuyển động thẳng đứng tàu Tỷ lệ hình vẽ đà thay đổi nhằm thể rõ chụyển động Chuyển động thẳng đứng điểm xác định tổng tượng: vắt đỉnh sóng, nhào lắc quay Chuyển động thẳng đứng tàu phụ thuộc vào kích thước tương đối tàu so với sóng Về nguyên lý, ba chuyển động nêu xem tương ®­¬ng chun ®éng cđa mét hƯ ®éng lùc Chóng ta nhắc lại từ sở động lực học hệ có tần số tự nhiên hay tần số cộng hưởng, dịch chuyển tần số lớn nhiều so với lực tác động (sóng) Các tàu thuyền nhỏ bị phản ứng mạnh với sóng biên độ 0,5 mét chu kỳ giây so sánh với tàu chở hàng lớn Nhìn chung tàu bị dao động nhẹ phần đầu Tại phần giữa, ngược lại, vai trò lắc quay ảnh hưởng đến trọng tải cực đại tàu Điều phụ thuộc vào kích thước ngang tàu Ví dụ, tàu chở dầu lớn với bề rộng 60 mét bị lắc quay mét gãc tíi 3, mím n­íc mét bªn cã thĨ tăng lên đến: 60 sin 1,6m 3.3 (3.01) Các chuyển động ngang Có ba thành phần chuyển động ngang tàu sóng gây nên, chúng minh hoạ hình 3.3 Mặt khác khác với việc sử dụng bánh lái chuyển động nước tĩnh tạo tượng đảo hướng, xoay lộn xuay lắc Tác động cuối thể rõ tàu lớn, trọng tâm chúng thường cao tâm trở kháng ngang Gia tốc ly tâm kết hợp với trở kháng thuỷ lực ngang làm cho tàu bị xoay lắc Các thành phần chuyển động ngang đảo hướng xuay lộn gây nên tác động khác bánh lái hay sóng quan trọng cho việc xác định diện tích đảm bảo độ rộng lạch tàu Các thành phần lao phía trước, đảo hướng xuay quan trọng ảnh hưởng đến lực neo xoay lắc trở thành nhân tố bổ sung lên vị trí đậu tàu bên cầu cảng 3.4 Tần số vượt sóng Khi tàu vào đầu sóng (ngược với hướng truyền sóng) gặp nhiều sóng đơn vị thời gian so với trường hợp quan trắc điểm cố định Mặt khác, như, tàu ngang sóng ta gặp số sóng đơn vị thời gian Trường hợp tổng quát sơ đồ hình 3.4 Công thức tính tần số sóng vượt thu từ hình vẽ thông qua nguyên lí động học:    e   1  vS  cos c (3.02) c vận tốc sóng vS tốc độ tàu, 10 góc hướng dương vS c, tần số sóng, e tần số sóng vượt tàu chuyển động Hình 3.4 Sơ đồ xác định tần số vượt sóng Có thể thấy từ hình 3.4 lớn 90 cos có giá trị âm Chu kỳ sóng vượt Te tính từ công thức chung: Te (3.03) e Tuy nhiên, thông thường phân tích động lực học đưa tần số tham số độc lập 3.5 Xác định chuyển động tàu thuyền sóng Vào khoảng năm 1860, bá tước William Froude đà phân tích chuyển động chiến thuyền vào thời kì cho chuyển động thuyền tương tự chuyển động thể tích nước tương đương biển lặng Dạng tương đương giả thiết cho áp lực lên thành tàu tương tự áp suất điểm sóng Nhiều vấn đề thực tế giải nhờ việc chấp nhận giả thiết đơn giản thô Tuy nhiên, độ thoáng (sống) đáy tàu bị hạn chế hay tàu rộng so với bước sóng, tán xạ sóng tới tàu trở nên quan trọng bỏ qua Các nhà thiết kế tàu thuỷ đà phát triển mô hình lí thuyết tốt nhằm tính toán chuyển động tàu thời kỳ hậu Froude Lí thuyết gọi strip thường sử dụng để tính lắc đứng lắc dọc sóng đều; phương pháp ghi nhận hiệu chỉnh Comstock (1967) Những phương pháp sau cho phép kể đến ảnh hưởng tán xạ sóng sóng tàu chuyển động tạo nên 11 Hình 3.5a Băng sóng ghi phổ sóng Hình 3.5b Phổ chuyển hoá Khi thành phần chuyển động tàu tuyến tính (phụ thuộc trực tiếp vào độ cao sóng) có khả xác định phản hồi chung sóng cách tổng hợp phản hồi riêng rẽ Thật may mắn vấn đề phản hồi tàu nghiên cứu sử dụng mô hình tuyến tính kích thước tàu thường đủ lớn so với độ dài sóng Nguyên lí tổng hợp tạo khả xác định phản hồi tàu lên phổ sóng thông qua phương pháp hàm phổ phản hồi, tương tự nhiều toán động lực học khác Chúng ta nhắc lại từ sở động lực học hàm phản hồi cần thiết để chuyển hoá phổ lực (sóng) phổ phản hồi (chuyển động) xác định việc xem chuyển động tàu tổ hợp nhiễu động (sóng) tần số khác Chúng thường xác định thông qua thử nghiệm mô hình thu theo cách này, ngoại trừ nước sâu Khi độ sâu trở nên nhỏ 50% độ mớn nước, phản hồi tàu điều kiện sóng cho trước phụ thuộc vào độ thoáng sống đáy tàu Khi độ thoáng sống đáy tàu trở nên nhỏ, dòng chảy bao quanh tàu bị nhiễu so với điều kiện nước sâu Thông thường dẫn đến giá trị hàm phản hồi thấp chuyển động ngang chuyển động thẳng đứng; thuyền chuyển động phản ứng lực cho trước 12 Hình 3.5c Hàm phản hồi Hình3.5d Phổ tổng hợp chuyển động thân tàu Tính toán phản hồi trạng nước nông thực tế trở nên khó khăn; thử nghiệm mô hình đưa số liệu phản hồi chưa thật đáp ứng Ví dụ sau làm cho nguyên lí trở nên rõ ràng Hình 3.5a thể cho ta thấy băng ghi sóng phổ tương ứng, A() Trên hình vẽ này: A( ) mật độ lượng sóng (tốc độ biến đổi lượng sóng đơn vị độ dài đỉnh sóng tương ứng với tần số), tần số sóng, mực nước thời điểm Thông thường phổ này, A(), thu từ kết quan trắc điểm cố định, thể lại với trục toạ độ ngang sở tần số sóng vượt, e, sử dụng phương trình 3.02 trình bày hình 3.5b Hình 3.5c cho ta thấy hàm phản hồi R( ) tàu xác định theo thử nghiệm mô hình với hàng loạt sóng có chu kỳ khác Phổ tổng hợp đặc trưng cho chuyển động tàu trình bày hình 3.5d rút cách nhân tung độ phổ hình 3.5b với bình phương tung độ tương ứng hình 3.5c Một nhiều khả ghi nhận chuyển động tàu tương ứng để xác định phổ Do giá trị cực trị phổ sóng gốc thoả mÃn phân bố Rayleigh, cực trị chuyển động tàu, s, xem thoả mÃn phân bố Các hàm phản hồi sử dụng hai chương nhằm tính toán chuyển động tàu cần thiết để xác định độ sâu bề rộng lạch 3.6 Một số định nghĩa phép xấp xỉ Thông thường người ta mong muốn đánh giá gần kích thước số tàu nhằm mục đích thiết kế sơ cảng Các định nghĩa quan hệ xấp xỉ 13 sau phù hợp với công việc đó; nhiên, thiết kế chi tiết cần dựa số liệu xác Trọng tải toàn phần (DWT- deadweight tonnage) tàu khả tải tổng cộng hàng hoá người Nó bao gồm đội tàu, hành khách, trữ, nhiên liệu, thiết bị nội thất di động thiết bị khác với hàng hoá Lượng choán nước không tải (lightweight tonnage) tàu bao gồm khối lượng tàu điều kiện rỗng hoàn toàn khoang chứa hàng rỗng Lượng choán nước( displacement) tàu khối lượng nước bị chiếm chỗ tàu Do nguyên lí Archimedes ứng dụng cho vật nổi, lượng choán nước khối lượng tổng tải tàu: tổng trọng tải toàn phần lượng choán nước tàu không tải Tiếp theo sử dụng mối tương quan sau : lượng choán n­íc =  CB L B D (3.04) ®ã B độ rộng tàu, CB hệ số khối, D độ mớn nước tàu (draft), L độ dài tàu, mật độ nước Thông thường giá trị hệ số khối tàu buôn biến đổi từ 0,4 cho chiến hạm nhanh 0,9 cho tàu chở dầu siêu lớn Trọng tải đăng kí toàn phần (gross register tonnage) cđa tµu tÝnh theo thĨ tÝch – víi mét số ngoại lệ định, xem ví dụ Baker (1952) theo đơn vị 100 phít khối (2,83 m3) Trọng tải đăng kí tịnh tàu tính theo thể tích có khả chứa hàng hoá sinh lợi Đơn vị 100 phít khối sử dụng Chú ý trọng tải mô tả qua khối lượng thực, cần đưa đơn vị thể tích Đối với phần lớn tàu, DWT thường lớn 1,5 lần trọng tải đăng kí toàn phần khoảng hai lần trọng tải đăng kí toàn phần tàu chở hàng lớn (VLCC) Các mối tương quan có thứ nguyên cho DWT đơn vị trọng tải đăng kí đơn vị thông dụng Thông thường lượng choán nước tàu chở đầy hàng vào khoảng 1,3 đến 1,4 lần DWT Hơn trọng tải đăng kí toàn phần biến đổi từ 1,7 chiến hạm đến 1,3 lần VLCC so với trọng tải đăng kí tịnh Đối với phần lớn chiến hạm, tỷ lệ ®é dµi vµ réng biÕn ®ỉi tõ ®Õn Tỷ lệ lớn tìm tàu cao tốc Tỷ số độ rộng độ mớn nước thường Độ mớn nước tàu lớn bị giới hạn dẫn đến tỷ lệ lớn, ®èi víi chóng tû lƯ lµ phỉ biÕn nhÊt 3.7 Ví dụ Những thông tin phần trước sử dụng để đánh giá kích thước tàu Ví dụ đánh giá mớn nước tàu chở dầu 250.000 Lượng choán nước vào khoảng 1,3 lần DWT 14 lượng choán nước = 1,3 x 250.000 = 325.000 (3.05) Hệ số khối chọn vào khoảng 0,9 Do tàu có độ mớn nước bị giới hạn, chiều rộng vào khoảng lần lớn độ mớn nước: B 3D (3.06) Các tàu chở dầu thường không thuộc loại cao tốc; chiều rộng thường vào khoảng 1/5 chiều dµi : L  5B  15D (3.07) Thay tất đại lượng với = 1,030 tấn/m vào (3.04) ta thu được: 325.000 (1,030)(0,9)(15D)(30D)(D) (3.08) (3.09)  41,72D hay: D  19,8 m (3 10) nói độ mớn nước vào khoảng 20 mÐt 15 ... thường vào khoảng 1/ 5 chiều dài : L 5B 15 D (3 .0 7) Thay tất đại lượng với = 1, 030 tấn/m vào (3 .0 4) ta thu được: 325 .000  (1 ,030 )( 0 ,9 )( 1 5D )( 3 0D)(D) (3 .0 8) (3 .0 9)  41, 72D hay: D  19 ,8 m (3 1 0). .. lạch vào cảng đà dẫn đến biến dạng địa mạo khu vực dọc bờ dọc theo lạch Các nhà thiết kế cửa vào tối ưu cho cảng cần ý tới hai vấn đề lưu thông tàu địa mạo 2. 2 Những vấn đề chi tiết Mặc dầu chủ đề. .. tập sách phát triển trang bị kinh nghiệm cho đọc giả Những vấn đề trình bày W.W Massie 2. 1 Mục tiêu Mục tiêu tập sách tập trung nghiên cứu số chủ đề kỹ thuật bờ liên quan trực tiếp đến lạch vào