5 Dũng ven do súng to ra

Lượng động lượng do sóng tạo ra theo phương trục y đi vào G qua cạnh AD (vuông góc

với trục x) là S xy1δy , với chỉ số 1 có nghĩa là x = x1 . Lượng động lượng đi ra qua BC

là S xy 2δy . Lượng động lượng dư được đưa vào trong G (tức là lực do sóng tạo ra theo phương

trục y tác động lên nước ở trong G) do đó bằng với (S xy1 − S xy 2 )δy . Giá trị này có thể được

xấp xỉ là − (∂S xy / ∂x )δxδy , và do vậy lực do sóng tạo ra trên một đơn vị diện tích ( R y ) là:

∂S xy



∂

(En cosθ sin θ )

(8.25)

∂x

∂x

Để đánh giá độ lớn của lực này phụ thuộc vào khoảng cách từ bờ, ta sử dụng khái niệm

cân bằng năng lượng sóng có tính đến hiệu ứng nước nông, khúc xạ và tiêu tán. Cân bằng

năng lượng trong trường hợp được xem xét cho ta:

Ry = −



=−



∂Px

+D=0

(8.26)

∂x

trong đó Px là thành phần vận chuyển vào bờ của thông lượng năng lượng, và D là tốc độ tiêu



tán năng lượng trên một đơn vị diện tích. Giá trị của Px được cho bởi:

Px = P cosθ = Enc cosθ



(8.27)



trong đó θ được xác định theo định luật Snell về khúc xạ như sau:

sin θ

= constant

c



(8.28)



Thế (8.27) và (8.28) vào (8.25) cho ta:

sin θ ∂Px

c ∂x

Biểu thức này theo (8.26) có thể được viết là”



Ry = −



Ry =



sin θ

D

c



(8.29)



(8.30)



Vì vậy có thể thấy rằng lực tạo dòng chảy do sóng tỷ lệ với vận tốc tiêu tán năng lượng.

Điều này giải thích tại sao dòng chảy sóng chỉ tập trung trong đới sóng vỡ.

Bỏ qua sự tiêu tán năng lượng bên ngoài đới sóng vỡ cho ta:

Ry = 0



ngoài đới sóng nhào



(8.31)



Để có thể tìm được một biểu thức hiện cho R y bên trong đới sóng vỡ phụ thuộc vào

các thông số sóng và bãi, cần phải xác định rõ ràng tốc độ tiêu tán năng lượng do sóng vỡ.

Một phương pháp giống như trong mục 8.3 được dùng để đánh giá bậc đại lượng. Dùng

(8.15) thế vào (8.27) và (8.29) cũng như xấp xỉ nước nông n ≅ 1 , c ≅ ( gh )



1/ 2



178



và



cosθ ≅ 1 cho ta:



Ry = −



1 dh

5 2 sin θ 0

γ

ρ gh(gh ) 2

c0

16

dx



(8.32)



trong đới sóng vỡ.

Trong trường hợp được xem xét ở đây, gia tốc của dòng chảy theo hướng dọc bờ bằng

0 (vận tốc dòng chảy ổn định và đồng nhất) và do vậy có sự cân bằng giữa lực gây dòng chảy

và lực cản. Lực ứng suất cắt tại đáy là lực cản quan trọng nhất. Ký hiệu thành phần theo

phương trục y của ứng suất cắt tác dụng lên nước tại đáy τ y . Bỏ qua ứng suất cắt theo

phương x, cân bằng trung bình của thành phần động lượng y trở thành:

Ry = τ y



(8.33)



Để tính vận tốc dòng chảy V theo hướng dọc bờ từ công thức này, cần biết mối liên hệ

của τ y và V (và các tham số khác). Có thể tìm được một mô hình đơn giản bằng cách giả

thiết một lực cản tương tự trong dòng chảy ổn định khi không có sóng:



τy =λ ρ V2



(8.34)



Trong dòng chảy đều và ổn định, nhân tố cản λ phụ thuộc vào số Reynolds và độ ghồ

ghề tương đối, cả hai đại lượng này phụ thuộc vào độ sâu. Trong trường hợp đang xem xét,

λ bị ảnh hưởng bởi sóng. Một mô hình trước đây có tính đến ảnh hưởng này là mô hình

Bijker (1967).

Longuet-Higgins (1970) cho một công thức hiện với giả thiết là sin θ << 1 (trong đới

ˆ

ˆ

sóng vỡ) và V << u b , trong đó u b là biên độ của dao động sóng gần đáy

ˆ

( u b = u z = − h = ωa / sinh kh) . Kết quả của ông cho:



τy =



2



π



ˆ

C r ρ u bV



(8.35)



trong đó C r là nhân tố lực cản không thứ nguyên, được đưa vào trong (7.2). Kết hợp

ˆ

(8.32), (8.33) và (8.35), và thế xấp xỉ nước nông của u b vào (8.35), ta có:

V =−



sin θ 0

5π

dh

gh

γ C r−1

c0

16

dx



(8.36)



cho dòng chảy trong đới sóng vỡ. Ngoài đới sóng vỡ, V = 0 .

Dường như ở trong phép xấp xỉ ở trên thì V biến đổi đột ngột từ một giá trị 0 ngoài đới

sóng vỡ thành một giá trị khác 0 ngay trong đới sóng vỡ và sau đó giảm dần tới 0 tại đường

bờ. Sự biến đổi đột ngột này là không thực tế, do hai phép đơn giản hoá trong mô hình:

(a) Giả thiết thay đổi đột ngột của tốc độ tiêu tán năng lượng tại đường sóng vỡ.

(b) Bỏ qua trao đổi động lượng theo hướng dọc bờ (do ứng suất rối ngang trên một mặt

đứng).

Giả thiết (a) là phổ biến cho các sóng chu kỳ. Mô hình sử dụng giả thiết này có thể cho



179



một profile dòng chảy liên tục và mềm mại chỉ trong trường hợp có tính đến ứng suất cắt rối

ngang (Bowen, 1969; Longuet-Higgins, 1970). Phần lớn những nghiên cứu này sử dụng một

số giả thiết cho trước không cho mối liên hệ giữa rối và sóng vỡ. Battjes (1975) đã xây dựng

một lý thuyết trong đó cường độ rối liên hệ với tốc độ tiêu tán năng lượng địa phương do

sóng vỡ. Lý thuyết này được Visser (1984) áp dụng để tính profile vận tốc dòng ven.



8.6 Nước dâng sóng gây ra do sóng vỡ

Có thể tính nước dâng sóng tại đường bờ gây ra do sóng ngẫu nhiên vỡ theo phương

pháp của Goda (2000). Trong mô hình này, mực nươc trung bình ζ trên một bãi biển đồng

nhất theo hướng dọc bờ có thể được xác định bằng cách tích phân số trị phương trình vi phân

sau từ nước sâu tới bờ:

dζ

1

d ⎡1 2 ⎛ 1

4π h / L

=−

⎢ H ⎜ +

⎜ 2 sinh 4π h / L

(ζ + h) dx ⎣ 8 ⎝

dx



(



)



⎞⎤

⎟⎥

⎟

⎠⎦



(8.37)



với H 2 ký hiệu trung bình bình phương của độ cao sóng ngẫu nhiên. Bản thân độ cao sóng

bị ảnh hưởng bởi sự dâng mực nước trung bình gây ra do quá trình sóng vỡ, và do vậy những

biến đổi của phân bố mực nước trung bình và độ cao sóng phải được xem xét đồng thời.

Lượng nước dâng tại một vùng bờ biển có độ dốc đồng nhất đã được Goda (1975) tính toán

bằng cách sử dụng một mô hình sóng ngẫu nhiên vỡ. Kết quả tính toán được trình bày trên

Hình 8.6. Hình này cho kết quả tính lượng nước dâng do sóng tại một vùng bờ có độ dốc

đồng nhất bằng 1/100. Lượng nước dâng tăng lên khi mà bãi dốc hơn và độ dốc sóng nhỏ hơn.

'

Sóng có độ dốc nhỏ có thể tạo ra sự hạ thấp mực nước (nước hạ) trong khoảng h / H 0 = 2 tới



4.

'

Như đã chỉ ra trên Hình 8.6, độ cao nước dâng tại bờ có bậc 0.1H 0 . Có thể được phát



hiện lượng nước dâng này nhờ các marigrams. Cục xây dựng cảng địa phương I, Nhật bản

'

(NID, 1971) đã kiểm chứng sự về độ cao nước dâng có giá trị 0.1H 0 bằng cách so sánh



đường mực nước ghi được nhờ triều ký với số liệu sóng. Các vùng bờ có độ dốc lớn thường

cho giá trị độ cao nước dâng lớn.

Hình 8.7 giải thích kết quả tính toán nước dâng sóng được Goda (1975) tiến hành có

dùng một mô hình sóng vỡ của sóng ngẫu nhiên. Độ chính xác của các giản đồ trên hình 8.7

đã được khẳng định bằng các kết quả đo đạc của Yanagishima và Katoh (1990). Họ phân tích

các số liệu mực nước trung bình 1 năm đo tại một cầu quan trắn tại Hazaki, Ibaraki, Nhật Bản.

Mực nước thuỷ triều thiên văn cũng như những biến đổi mực nước do thay đổi áp suất không

khí và nước dâng do gió được khử. Mối liên hệ giữa độ cao nước dâng còn lại với độ cao và

chu kỳ sóng có nghĩa tại một trạm ngoài khơi còn lại được thiết lập. Độ dốc đáy biển trung

bình tại điểm quan trắc là 1/60, và độ dốc sóng tại nước sâu thay đổi từ 0.01 tới 0.04. Trong



180



'

'

giới hạn các số liệu này, độ cao nước dâng do sóng đã được chuẩn hoá ζ / H 0 ( H 0 là độ cao



(



'

sóng tại nước sâu tương đương) tỷ lệ một cách gần đúng với H 0 / L0



)



−2



và độ cao nước



Quan hệ với mực nước trung bình, η/H0



dâng quan trắc được phù hợp tốt với giá trị tìm được từ hình 8.7. Độ cao nước dâng do sóng

bão cũng được quan trắc tại trạm quan trắc Cảng Kashima, cách Hazaki khoảng 15 km về

phía bắc. Tuy nhiên, độ cao nước dâng ở đây chỉ vào khoảng nửa độ cao nước dâng tại

Hazaki. Sự dâng của mực nước trong cảng dường như chịu ảnh hưởng của địa hình xung

quanh, đập chắn sóng v.v.



đáy biển dốc 1:100



Quan hệ với độ sâu, h/H0



Hình 8.6 Biến đổi của mực nước trung bình do ảnh hưởng của nước nông và

sự vỡ của sóng ngẫu nhiên



Hình 8.7 Độ cao nước dâng tại một vùng bờ có độ dốc đáy đồng nhất (Goda, 1975)



8.7 Dòng ven do sóng ngẫu nhiên gây ra trên một bãi phẳng

Dự báo lý thuyết về sự thay đổi đột ngột của vận tốc dòng chảy dọc bờ xuất phát từ việc

các sóng điều hoà vỡ tại một vị trí cố định và tạo nên sự thay đổi đột ngột của gradient ứng

suất bức xạ. Trong một chuỗi sóng phi điều hoà, các sóng đơn vỡ trong một khoảng rộng

trong đới sóng vỡ. Độ lớn của ứng suất bức xạ vì vậy mà thay đổi từ từ, và vận tốc dòng chảy

dọc bờ thay đổi đều đặn trong đới sóng vỡ. Battjes (1974) là người đầu tiên tính vận tốc dòng



181