Động lực học cát biển - Chương 10: vận chuyển trầm tích tổng cộng

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Thêm vào BST

Báo xấu

82
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Suất vận chuyển trầm tích tổng cộng là đại lượng đòi hỏi nhiều nhất để hướng đến các ứng dụng thực tiễn như bồi lấp các luồng tàu được nạo vét, phát tán các đống đất và phản ứng động lực hình thái của các khu vực ven bờ đối với các công trình xây dựng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Động lực học cát biển - Chương 10: vận chuyển trầm tích tổng cộng

Ch¬ng 10. vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng 10.1. Tæng quan SuÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng lµ ®¹i lîng ®ßi hái nhiÒu nhÊt ®Ó híng ®Õn c¸c øng dông thùc tiÔn nh båi lÊp c¸c luång tµu ®îc n¹o vÐt, ph¸t t¸n c¸c ®èng ®Êt vµ ph¶n øng ®éng lùc h×nh th¸i cña c¸c khu vùc ven bê ®èi víi c¸c c«ng tr×nh x©y dùng. C¸c thµnh phÇn trÇm tÝch ®¸y vµ trÇm tÝch l¬ löng ®èi víi suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng cã thÓ tÝnh to¸n riªng biÖt vµ céng l¹i (trong trêng hîp nµy, hai thµnh phÇn ph¶i t¬ng thÝch vµ øng víi ®é cao x¸c ®Þnh). Nãi chung, suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng cã thÓ tÝnh b»ng c«ng thøc kinh nghiÖm. Nguyªn lý chung ®Ó tÝnh to¸n suÊt vËn chuyÓn dßng l¬ löng qs lµ lÊy tÝch ph©n theo ®é s©u cña dßng trÇm tÝch U(z)C(z) t¹i ®é cao z, lóc ®Çu ®îc thiÕt lËp cho ph©n bè vËn tèc vµ nång ®é theo híng th¼ng ®øng U(z) (xem môc 3.2) vµ C(z) (xem Ch¬ng 8). Nh vËy: h q s   U  z C  z dz (130) za trong ®ã za= ®é cao tham chiÕu gÇn ®¸y, t¹i ®ã nång ®é tham chiÕu Ca ®îc tÝnh to¸n, vµ øng víi ®Ønh cña líp trÇm tÝch ®¸y h = ®é s©u níc. §èi víi sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp, U(z) vµ C(z) thêng lÊy b»ng gi¸ trÞ trung b×nh trong mét chu kú sãng, mÆc dï nÕu chÆt chÏ th× cßn cã thµnh phÇn do sù ®ång biÕn cña vËn tèc vµ nång ®é theo thêi gian. Thµnh phÇn ®ång biÕn cã thÓ rÊt lín, vµ thêng ngîc híng víi dßng ch¶y, do vËy vËn chuyÓn trÇm tÝch rßng gi¶m ®i hoÆc thËm chÝ lµ ©m. Thµnh phÇn nµy lín nhÊt trong trêng hîp sãng lín víi dßng ch¶y yÕu. Tuy nhiªn c¸c ph¬ng ph¸p tÝnh to¸n thµnh phÇn nµy vÉn cha ®îc thiÕt lËp tèt, vµ sÏ kh«ng ®îc xem xÐt trong cuèn s¸ch nµy. §é chÝnh x¸c cña c¸c c«ng thøc vËn chuyÓn trÇm tÝch thêng kh«ng cao (xem môc 1.6). Trong s«ng, c«ng thøc tèt nhÊt cho dù b¸o còng chªnh lÖch kho¶ng 2 lÇn so víi gi¸ trÞ quan tr¾c cña kh«ng qu¸ 70% sè mÉu. Trong biÓn t×nh h×nh cßn tÖ h¬n, cã lÏ sai sè kho¶ng 5 lÇn trong kh«ng qu¸ 70% sè mÉu. §é chÝnh x¸c cã thÓ c¶i thiÖn ®¸ng kÓ b»ng c¸ch ®o ®¹c ®Æc trng t¹i tuyÕn vµ hiÖu chØnh c¸c c«ng thøc cho hîp lý. SuÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng cã thÓ biÓu thÞ theo nhiÒu ®¬n vÞ: qt= suÊt vËn chuyÓn thÓ tÝch 143
= thÓ tÝch (m3) cña h¹t dÞch chuyÓn trªn ®¬n vÞ thêi gian (s) trªn ®¬n vÞ bÒ réng ®¸y (m); Nh vËy trong hÖ SI qt lµ m2s-1 Qt=  s qt= suÊt vËn chuyÓn khèi lîng (kgm-1s-1) it= suÊt vËn chuyÓn träng lîng ch×m (Nm-1s-1) qT = qt(1-) = thÓ tÝch vËt chÊt l¾ng ®äng xuèng ®¸y (kÓ c¶ níc xèp) trªn ®¬n vÞ thêi gian trªn ®¬n vÞ bÒ réng (m2s-1). Xem môc 9.1 ®Ó chuyÓn ®æi thµnh ®¬n vÞ kü thuËt. 10.2. vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do dßng ch¶y KiÕn thøc §èi víi dßng ch¶y thuû triÒu khi kh«ng cã sãng (vÝ dô trong cöa s«ng kÝn) thùc tÕ chung lµ sö dông c«ng thøc vËn chuyÓn trÇm tÝch ph¸t triÓn cho s«ng, ë d¹ng tùa æn ®Þnh. Cã kho¶ng h¬n 20 c«ng thøc lo¹i nµy (xem Sleath (1984) víi danh s¸ch ®Çy ®ñ h¬n) trong ®ã 3 c«ng thøc trÝch dÉn díi ®©y ®îc sö dông réng r·i nhÊt vµ phï hîp nhÊt ®èi víi biÓn. Khi sö dông cho biÓn chóng Ýt thÝch hîp so víi s«ng, bëi v× gi¶ thiÕt r»ng sãng c¸t/®ôn c¸t ë tr¹ng th¸i c©n b»ng víi vËn tèc dßng ch¶y tøc thêi lµ ®iÒu kh«ng thùc tÕ trong dßng ch¶y thuû triÒu. 1. Engelund vµ Hansen (1972) 0,04C D/ 2 U 2 3 qt  SC (131) gs  12 d50 trong ®ã hÖ sè ma s¸t CD ph¶i x¸c ®Þnh theo ph¬ng ph¸p ma s¸t båi tÝch Engelund (1966). Ph¬ng ph¸p nµy lóc ®Çu ®îc dÉn xuÊt b»ng c¸ch xem xÐt c©n b»ng n¨ng lîng ®èi víi dßng di ®¸y trªn c¸c ®ôn c¸t, nhng hiÖn nay ®îc sö dông réng r·i nh ph¬ng ph¸p trÇm tÝch tæng céng (vµ kh¸ chÝnh x¸c). Nã kh«ng kÓ ®Õn ®iÒu kiÖn ngìng chuyÓn ®éng. 2. Acker vµ White (1973) m n   FAW  AAW U     qt  C AW U d   SC (132a)   u  AAW  *   trong ®ã 1 n    n u* U   FAW  SC (132b)  2,46 ln 10h / d   g s  1d 1 / 2     vµ nÕu 1/ 3  g s  1  D*   d SC (132c)  2   th× ®èi víi 1 < D* < 60 (trÇm tÝch mÞn) 144
n = 1- 0,243lnD* 0,23  0,14 AAW= D* / 2 1 9,66 m  1,34 D*   C AW  exp 2,86 ln D*  0,434ln D* 2  8,13 SC (132d) vµ ®èi víi D* > 60 (trÇm tÝch th«) AAW  0,17 ; m =1,5; C AW  0,025 . n=0 ; SC (132e) H×nh 30. C¸c c«ng thøc vËn chuyÓn trÇm tÝch chØ do dßng ch¶y KÝch thíc h¹t d ph¶i lÊy b»ng d = d35. VËn tèc ma s¸t u* = C 1 / 2 U ph¶i x¸c ®Þnh D theo ph¬ng ph¸p ma s¸t båi tÝch White vµ nnk (1980). C«ng thøc vËn chuyÓn ®îc dÉn xuÊt b»ng c¸ch xÐt d¹ng quan hÖ vËn chuyÓn ®èi víi trÇm tÝch di ®¸y (trÇm tÝch th«) vµ trÇm tÝch l¬ löng (trÇm tÝch mÞn) riªng rÏ, liªn kÕt chóng l¹i th«ng qua sù chuyÓn tiÕp trong d¶i 1 < D*  60 b»ng c¸c hÖ sè kinh nghiÖm n, AAW, m vµ CAW ®· khíp víi tËp hîp lín sè liÖu. 145
Mét tËp hîp gi¸ trÞ c¸c hÖ sè ®îc kiÓm tra dùa trªn c¸c sè liÖu gÇn ®©y nhÊt ®îc ®a ra vµo n¨m 1990. C¸c biÓu thøc ®èi víi n vµ AAW lµ kh«ng ®æi, nhng biÓu thøc ®èi víi m vµ CAW lµ: ®èi víi 1 D* 60 6,83  1,67 m= D*   C AW  exp 2,79 ln D*  0,426ln D* 2  7,97 SC (132f) vµ ®èi víi m = 1,78 ; C AW  0,025 . SC (132g) 3. Van Rijn (1984) Van Rijn dÉn xuÊt mét lý thuyÕt ®Çy ®ñ, dÔ hiÓu vÒ vËn chuyÓn trÇm tÝch trong s«ng dùa trªn mét hçn hîp cña vËt lý c¬ b¶n vµ c¸c kÕt qu¶ kinh nghiÖm. ¤ng tham sè ho¸ c¸c kÕt qu¶ cña ph¬ng ph¸p ®Çy ®ñ (®Õn 25%) thµnh c¸c c«ng thøc ®¬n gi¶n h¬n sau ®©y: qt  q b  q s SC (133a) 2,4     1, 2   U  U cr  d 50   qb  0,005U h SC (133b)   1/ 2   s  1gd 50   h   2, 4       U  U cr  d50    0,6   D*  qs  0,012 U h SC (133c)  1/ 2   s  1 gd50   h   víi   4h  U cr  0,19d 50 0,1 log10   d  víi 0,1 d50 0,5 mm (133d)   90    4h  U cr  8,5d 50 0,6 log10  d  víi 0,5 d50  2 mm. (133e)   90  Trong c¸c ph¬ng tr×nh (133d) vµ (133e) ph¶i sö dông hÖ SI. C¸c c«ng thøc hiÖu lùc ®èi víi c¸c tham sè trong ph¹m vi h = 1-20m, U = 0,5-5 ms , d50= 0,1-2 mm vµ ®èi víi níc ngät ë 15oC. -1 Ph¬ng tr×nh (133b) gièng nh ph¬ng tr×nh (119) ®èi víi dßng di ®¸y. §©y lµ d¹ng dÔ sö dông nhÊt trong biÓn. Ph¬ng ph¸p Van Rijn (1984) ®Çy ®ñ ®îc Van Rijn ®a ra ë d¹ng tõ bíc nµy ®Õn bíc kh¸c (1993, Phô lôc A), hoÆc bëi Fisher (1993) gåm nhiÒu tÝnh to¸n h¬n, kÓ c¶ ma s¸t båi tÝch b»ng ph¬ng ph¸p Van Rijn (1984). TÊt c¶ c¸c ph¬ng ph¸p nµy lóc ®Çu ®îc dÉn xuÊt ®Ó ¸p dông cho s«ng vµ Ýt ¸p dông h¬n cho biÓn v× ®é dèc mÆt níc thêng kh«ng lµ tham sè ®Çu vµo cho tríc, 146
còng kh«ng quan hÖ ®¬n trÞ víi ma s¸t ®¸y. øng suÊt trît t¹i ®¸y ph¶i tÝnh to¸n b»ng ph¬ng ph¸p kh¸c cho biÓn. Mét so s¸nh c¸c ph¬ng ph¸p Engelund vµ Hansen, Ackers vµ White (nguyªn b¶n) vµ Van Rijn (ph¬ng ph¸p ®Çy ®ñ) ®îc cho trªn h×nh 30, ®èi víi trêng hîp ®Æc trng cña c¸t th¹ch anh cã ph©n bè kÝch thíc h¹t ®· cho trong vÝ dô 10.1, trong níc ngät 20oC, ®é s©u 10m vµ vËn tèc dßng ch¶y 1,4ms-1. Ma s¸t ®¸y ®îc dù b¸o theo ph¬ng ph¸p Engelund; White, Paris vµ Bettes; Van Rijn, t¬ng øng. C¸c tÝnh to¸n thùc hiÖn b»ng c¸ch sö dông gãi phÇn mÒm SandCalc. C¶ 3 ph¬ng ph¸p ®Òu cho suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch rÊt nhá ®èi víi U < 0,5 ms-1, vµ vËn chuyÓn trÇm tÝch t¨ng nhanh theo vËn tèc dßng ch¶y khi dßng ch¶y vît qu¸ 0,5 ms-1. T¹i 1,4 ms- 1 , ph¬ng ph¸p Ackers vµ White dù b¸o xÊp xØ 2 lÇn, cßn ph¬ng ph¸p Engelund vµ Hansen xÊp xØ mét nöa c¸c gi¸ trÞ dù b¸o theo ph¬ng ph¸p Van Rijn. Cßn cã nhiÒu ph¬ng ph¸p kh¸c, nhng 3 ph¬ng ph¸p nµy thùc hiÖn kh¸ tèt khi so s¸nh víi mét sè lín sè liÖu thùc ®o, víi 60% ®Õn 70% dù b¸o n»m trong kho¶ng 2 lÇn c¸c gi¸ trÞ quan tr¾c. Cã ®iÒu lµ ®é chÝnh x¸c sÏ ®îc c¶i thiÖn ®¸ng kÓ, v× viÖc so s¸nh sè liÖu víi nhau tù nã cho thÊy c¸c gi¸ trÞ lµm ®Çu vµo còng biÕn ®éng ë møc ®é nµy. Quy tr×nh 1. VÝ dô 10.1. VËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do dßng ch¶y - §Ó tÝnh to¸n suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng qt (thÓ tÝch/thÓ tÝch) chØ do dßng ch¶y, cho c¸c gi¸ trÞ cña + cÊp phèi kÝch thíc trÇm tÝch ®¸y (c¸c c«ng thøc kh¸c nhau ®ßi hái c¸c phÇn tr¨m kh¸c nhau) d16 0,141m d35 0,175m d50 0,200m d65 0,230m d84 0,282m d90 0,315m + ®é s©u níc h 10m 1,0ms-1 + vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh U 2650kgm-3 s + mËt ®é trÇm tÝch 20oC + nhiÖt ®é + ®é muèi 0o/oo 9,81ms-2 + gia tèc träng trêng g - TÝnh to¸n ®é nhít ®éng häc  1,0 x 10-6m2s-1 (môc 2.1) 147
- TÝnh to¸n mËt ®é níc 1000kgm-3  (môc 2.1) - TÝnh to¸n tû lÖ mËt ®é trÇm tÝch s 2,65 2. C¸c vÝ dô thùc hiÖn chi tiÕt theo c¸c ph¬ng ph¸p Ackers vµ White vµ Van Rijn ®îc cho trong Híng dÉn vËn chuyÓn trÇm tÝch trong s«ng (Fisher,1993). C¸c gi¸ trÞ cho trong vÝ dô 10.1 cho ta suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch dù b¸o theo c¸c c«ng thøc kh¸c nhau, tÝnh to¸n b»ng SandCalc nh sau: 1,52 x 10-4 m2s-1 Engelund vµ Hansen qt 2,53 x 10-4 m2s-1 Ackers vµ White (nguyªn b¶n) qt 1,98 x 10-4 m2s-1 Ackers vµ White (söa ®æi) qt 1,40 x 10-4 m2s-1 Van Rijn (ph¬ng ph¸p ®Çy ®ñ) qt 2,75 x 10-4 m2s-1 Van Rijn (c«ng thøc) qt C¸c gi¸ trÞ dù b¸o lín nhÊt vµ nhá nhÊt chªnh lÖch nhau kho¶ng 2 lÇn, thÓ hiÖn møc ®é kh«ng ch¾c ch¾n trong tÝnh to¸n suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng trong dßng ch¶y æn ®Þnh. 10.3. vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do sãng KiÕn thøc Sãng g©y ra vËn chuyÓn trÇm tÝch rßng b»ng mét sè c¬ chÕ: - Sãng cuèn theo trÇm tÝch nhiÒu h¬n so víi dßng ch¶y, vµ khuÕch t¸n chóng th«ng qua líp biªn sãng. Khi cã mÆt dßng ch¶y, rèi do dßng ch¶y sinh ra lµm khuÕch t¸n trÇm tÝch l¬ löng lªn cao h¬n vµ mang chóng ®i víi dßng ch¶y rßng. - Khi bÞ vì trªn b·i sãng ph¸t sinh dßng ch¶y däc bê, dßng nµy vËn chuyÓn trÇm tÝch däc theo bê (bëi c¬ chÕ nãi trªn) - VËn tèc quü ®¹o díi ®Ønh sãng lín h¬n díi ch©n sãng vµ do ®ã cuèn theo nhiÒu trÇm tÝch h¬n. Chóng g©y ra vËn chuyÓn trÇm tÝch rßng theo híng lan truyÒn sãng (nãi chung híng vµo bê) - VËn chuyÓn khèi lîng (hoÆc phun trµo) níc theo híng lan truyÒn sãng ®îc s¶n sinh trong líp biªn sãng, mang trÇm tÝch theo híng sãng. - Trong vïng sãng ®æ sãng s¶n sinh vËn tèc dßng sãng déi s¸t ®¸y híng ra kh¬i, mang trÇm tÝch ra xa bê. Mét trong c¸c ph¬ng ph¸p ®îc sö dông réng r·i nhÊt lµ c«ng thøc cña Bailard (1981), trong ®ã vÐc t¬ vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng qt lµ tæng cña 4 sè h¹ng: qt  q bo  q bs  q so  q ss (134a) víi cfB 2 (134b) qbo  uu g s  1 tan  i 148
c f  B tan  3 (134c) qbs  u i g s  1 tan  i2 cfB 3 (134d) q so  uu g s  1ws c f  s2 tan  5 (134e) u i q ss  g s  1w 2 s trong ®ã g = gia tèc träng trêng  s = mËt ®é trÇm tÝch s = s /   = mËt ®é níc cf = hÖ sè ma s¸t trong c«ng thøc =   c f u u  = vÐc t¬ øng suÊt trît t¹i ®¸y u = vËn tèc tæng céng s¸t ®¸y do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp  i = gãc ma s¸t néi cña trÇm tÝch (tan  i = 0,63) tan  = ®é dèc ®¸y i = vÐc t¬ ®¬n vÞ híng ngîc ®é dèc ws = vËn tèc ch×m l¾ng trÇm tÝch  B = 0,10 = hiÖu suÊt dßng di ®¸y  s = 0,02 = hiÖu suÊt dßng l¬ löng . = trung b×nh thêi gian trªn nhiÒu sãng. C¸c sè h¹ng thÓ hiÖn: qbo= vËn chuyÓn dßng di ®¸y trªn ®¸y n»m ngang, qbs = hiÖu øng ®é dèc lªn dßng di ®¸y, qso= dßng l¬ löng trªn ®¸y n»m ngang, qss= hiÖu øng ®é dèc ®¸y lªn dßng l¬ löng. C«ng thøc Bailard ph¸t triÓn tõ lý luËn ‘n¨ng lîng’ ®îc ®Ò xuÊt mét c¸ch thµnh c«ng bëi Bagnold, Inman vµ Bowen; c¸ch tiÕp cËn tæng qu¸t lµ ë chç c«ng thùc hiÖn khi vËn chuyÓn trÇm tÝch lµ mét tû lÖ cè ®Þnh cña tæng n¨ng lîng bÞ tiªu t¸n bëi dßng ch¶y. Dù ®Þnh ban ®Çu cña nã lµ cho vËn chuyÓn trÇm tÝch ngang bê vµ däc bê trong vïng sãng ®æ. C«ng thøc ¸p dông cho vËn chuyÓn t¹i mét ®iÓm: vÝ dô ®Ó nhËn ®îc suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng däc bê, suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch ph¶i ®îc tÝch ph©n trªn vïng sãng ®æ. §iÒu nµy kh¸ th«ng dông ®èi víi c¸c nhµ m« h×nh sè bëi hiÖu qu¶ tÝnh to¸n vµ v× nã xÐt ®Õn: - vËn chuyÓn dßng di ®¸y vµ dßng l¬ löng - sãng vµ dßng ch¶y, kÓ c¶ hiÖu øng bÊt ®èi xøng cña sãng 149
- ®é dèc ®¸y theo híng bÊt kú. Cã 2 khÝa c¹nh thùc hiÖn kh«ng ®îc nãi ®Õn trong c«ng thøc nguyªn b¶n: - ®é cao mµ t¹i ®ã vËn tèc tæng céng u ®îc ®o, ®é cao 0,05m dêng nh lµ phï hîp - d¹ng cña hÖ sè ma s¸t cf, Bailard dÉn xuÊt theo sè liÖu trªn c¬ së tõ trêng hîp nµy ®Õn trêng hîp kh¸c, nhng c¸c kh¶ n¨ng kh¸c lµ sö dông 0,5fw (xem môc 4.5), hoÆc tèt h¬n vÉn lµ d¹ng liªn quan ®Õn øng suÊt trît t¹i ®¸y do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp (xem môc 5.3). Soulsby (1995b) th«ng b¸o kÕt qu¶ mét ®ît kiÓm tra më réng c«ng thøc Bailard theo sè liÖu thÝ nghiÖm trong phßng vµ sè liÖu hiÖn trêng, vµ theo c¸c m« h×nh vËn chuyÓn trÇm tÝch phøc t¹p h¬n, thùc hiÖn theo nhiÖm vô b¾t buéc cho c¸c nhµ nghiªn cøu tõ 6 tæ chøc cña ch©u ¢u. Hä kh¶o s¸t tÝnh hiÖu lùc cña ph¬ng ph¸p ®Ó sö dông trong c¸c m« h×nh ®éng lùc h×nh th¸i bªn ngoµi còng nh bªn trong vïng sãng ®æ. Nh÷ng ph¸t hiÖn c¬ b¶n cña hä nh sau: - Cã mét ph¹m vi réng trong c¸ch ®Þnh nghÜa cña c«ng thøc Bailard, vµ c¸c th«ng b¸o tríc ®©y vÒ viÖc phï hîp tèt víi sè liÖu thêng n»m ë xö lý c¸ nh©n. - §èi víi ®¸y ph¼ng, c¸c ®iÒu kiÖn trong vïng sãng ®æ mµ c«ng thøc Bailard lóc ®Çu dÉn xuÊt, vËn chuyÓn trÇm tÝch dù b¸o nãi chung b»ng kho¶ng 5 lÇn vµ thêng lµ 2 lÇn gi¸ trÞ quan tr¾c. HÖ sè ma s¸t ph¶i dùa trªn ®é nh¸m liªn quan ®Õn h¹t trong trêng hîp nµy. - Trªn ®¸y gîn c¸t c¸c dù b¸o cã thÓ cã sai sè ®Õn 100 lÇn, thËm chÝ nÕu sö dông ®é nh¸m liªn quan ®Õn gîn c¸t. Tåi tÖ h¬n, c¶ ®o ®¹c thÝ nghiÖm lÉn ®o ®¹c hiÖn trêng thêng cho thÊy vËn chuyÓn ngîc híng víi dù b¸o. C¸c kÕt qu¶ tèt nhÊt cã thÓ nhËn ®îc b»ng c¸ch lÊy vËn tèc ë 1mm- 5mm trªn ®¸y vµ sö dông ®é nh¸m liªn quan ®Õn h¹t, mÆc dï ®iÒu nµy cã thÓ kh«ng thùc tÕ trong c¸c m« h×nh ®éng lùc h×nh th¸i. - §èi víi ®iÒu kiÖn sãng chiÕm u thÕ, sù phï hîp tèt h¬n so víi ®iÒu kiÖn dßng ch¶y chiÕm u thÕ. - So s¸nh víi c¸c m« h×nh to¸n kh¸c cho thÊy cã sù phï hîp tèt, gi¶ thiÕt r»ng c¸c m« h×nh phøc t¹p h¬n cã thÓ cã cïng khiÕm khuyÕt nh c«ng thøc Bailard vÒ kh¶ n¨ng dù b¸o chÝnh x¸c trªn mét ph¹m vi réng c¸c ®iÒu kiÖn. 10.4. vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do sãng kÕt hîp víi dßng ch¶y KiÕn thøc §iÒu chñ yÕu cña tÝnh to¸n vËn chuyÓn c¸t trong vïng bê vµ ngoµi kh¬i lµ coi c¶ sãng vµ dßng ch¶y nh c¸c lùc ®iÒu khiÓn. VÒ thùc chÊt, sãng (víi sù trî gióp nµo ®ã cña dßng ch¶y) khuÊy c¸t lªn vµ dßng ch¶y vËn chuyÓn nã ®i. ChÝnh sãng còng sinh ra dßng ch¶y, hoÆc lµ dßng ch¶y däc bê th«ng qua sù gi¶m øng suÊt ph¸t x¹ trong 150
qu¸ tr×nh sãng vì trªn b·i biÓn hoÆc lµ vËn chuyÓn khèi lîng (hoÆc phun trµo) gÇn ®¸y theo híng lan truyÒn sãng, nh kÕt qu¶ cña c¸c qu¸ tr×nh líp biªn. H×nh 31. VËn chuyÓn trÇm tÝch do sãng céng víi dßng ch¶y C«ng thøc Bailard (xem môc 10.3) cã thÓ sö dông cho sãng vµ dßng ch¶y, còng nh ®èi víi sãng bÊt ®èi xøng. C¸c ph¬ng ph¸p kh¸c dÉn xuÊt ®Æc biÖt cho sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp ®îc ®a ra díi ®©y. 1. Grass (1981) NÕu suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch qtc chØ do sãng ®îc cho b»ng n qtc  AG U (135a) th× suÊt vËn chuyÓn qt (thÓ tÝch/ thÓ tÝch) do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp ®îc cho b»ng 151
n 1 / 2   2 0,08 2  qt  AG U  U  U rms  (135b)   CD   trong ®ã AG,n= hÖ sè kinh nghiÖm nhËn ®îc b»ng c¸ch lµm khíp ph¬ng tr×nh (135a) víi sè liÖu ®Æc trng t¹i tuyÕn U = vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh ®é s©u Urms= vËn tèc quü ®¹o sãng c¨n bËc hai trung b×nh b×nh ph¬ng CD= hÖ sè ma s¸t chØ do dßng ch¶y. C«ng thøc ®îc dÉn xuÊt cho dßng l¬ löng b»ng viÖc cho r»ng ®éng n¨ng rèi ®îc ®îc s¶n sinh bëi c¸c líp biªn do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp. §iÒu nµy ®Æc biÖt h÷u Ých, n¬i c¸c ®o ®¹c ®Æc trng t¹i tuyÕn cña suÊt vËn chuyÓn dßng l¬ löng ®îc thùc hiÖn trong ®iÒu kiÖn yªn lÆng ®Ó nhËn ®îc c¸c gi¸ trÞ AG vµ n, nh mét quy tr×nh ngo¹i suy ®Ó dù b¸o cho c¸c ®iÒu kiÖn cã b·o. Tuy nhiªn, chØ nªn sö dông nã ®èi víi c¸c ®iÒu kiÖn Urms < U , vµ ®èi víi ®¸y gîn c¸t, øng víi sè liÖu hiÖn trêng, theo ®ã hÖ sè hiÖu chØnh lÊy b»ng 0,08. 2. Soulsby - Van Rijn 2, 4 1/ 2   2  0,018 2    U    U cr  1  1,6 tan   qt  As U U rms SC (136a)    CD      trong ®ã 0,005hd 50 / h 1,2 Asb  SC (136b) s  1gd50 1,2 0,012d 50 D* 0,6  Ass  SC (136c) s  1gd50 1,2 As  Asb  Ass SC (136d) U = vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh ®é s©u Urms= vËn tèc quü ®¹o sãng c¨n bËc hai trung b×nh b×nh ph¬ng 2   0,40   hÖ sè ma s¸t chØ do dßng ch¶y CD=   ln( h / z 0 )  1 U Cr= ngìng vËn tèc dßng ch¶y theo ph¬ng tr×nh (133d,e)  = ®é dèc ®¸y theo híng phun trµo, lµ ©m nÕu dßng ch¶y ch¶y ngîc h = ®é s©u níc d50= ®êng kÝnh h¹t trung vÞ z0= 0,006mm ®é dµi nh¸m ®¸y 152
s = mËt ®é t¬ng ®èi cña trÇm tÝch g = gia tèc träng trêng  = ®é nhít ®éng häc cña níc 1/ 3 g ( s  1)  D*=  d 50 .  2    C«ng thøc ¸p dông cho vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng (trÇm tÝch ®¸y céng víi trÇm tÝch l¬ löng) do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp trªn ®¸y ngang vµ ®¸y dèc. Sè h¹ng Asb cho ta dßng di ®¸y, vµ sè h¹ng Ass cho ta dßng l¬ löng. Ph¬ng ph¸p dù kiÕn cho ®iÒu kiÖn ®¸y gîn c¸t, vµ z0 ph¶i lÊy b»ng 6mm. Nã ®îc dÉn xuÊt b»ng viÖc ¸p dông nguyªn lý ®îc Grass sö dông cho c«ng thøc chØ do dßng ch¶y cña Van Rijn (xem ë trªn), vµ söa ®æi ®Ó xÐt ®Õn sè h¹ng ngìng vµ sè h¹ng ®é dèc. HÖ sè 0,018 kh¸c víi gi¸ trÞ 0,08 trong ph¬ng tr×nh (135b), vµ nhËn ®îc b»ng c¸ch hiÖu chØnh theo c¸c ®êng cong do Van Rijn (1993, phô lôc A) vÏ, cho ta suÊt vËn chuyÓn tÝnh to¸n b»ng c¸ch sö dông ch¬ng tr×nh TRANSPORT cña «ng. Nã cã lîi thÕ so víi c«ng thøc Grass ë chç: cho gi¸ trÞ hÖ sè As khi kh«ng cã ®o ®¹c ®Æc trng t¹i tuyÕn, xÐt ®Õn trÇm tÝch ®¸y vµ hiÖu øng ®é dèc; vµ kÓ ®Õn vËn tèc ngìng. So s¸nh c«ng thøc Soulsby -Van Rijn vµ ch¬ng tr×nh TRANSPORT cña Van Rijn thÓ hiÖn trªn h×nh 31 víi mét d¶i vËn tèc dßng ch¶y vµ ®iÒu kiÖn sãng. Sù t¨ng m¹nh suÊt vËn chuyÓn do t¸c ®éng sãng lµ hiÓn nhiªn. Sè h¹ng ®é dèc ®¸y (1-1,6tan  ) lµ h×nh thøc ®îc c¸c nhµ m« h×nh sè vµ to¸n häc sö dông réng r·i, nhng l¹i lµ quy tr×nh kÐm chÝnh x¸c h¬n so víi viÖc söa ®æi vËn tèc ngìng cho hiÖu øng ®é dèc (xem môc 6.4). 3. Van Rijn (1989) Van Rijn sö dông c«ng thøc Van Rijn chØ do dßng ch¶y b»ng c¸ch xÐt m« h×nh gi¶i tÝch b¸n kinh nghiÖm cho khuÕch t¸n trÇm tÝch qua líp biªn sãng. Nã kh¸ phøc t¹p ®Ó tr×nh bµy ®Çy ®ñ ë ®©y (xem Van Rijn, 1993 ®Ó cã ®Çy ®ñ chi tiÕt), vµ dÔ ¸p dông nhÊt b»ng c¸ch sö dông ch¬ng tr×nh m¸y tÝnh TRANSPORT trªn ®Üa kÌm theo cuèn s¸ch cña Van Rijn. C¸c nguyªn lý kÓ ®Õn bao gåm: - Dßng di ®¸y ®îc tÝnh to¸n t¹i mçi thêi ®iÓm th«ng qua mét chu kú sãng bÊt ®èi xøng, dùa trªn vËn tèc tøc thêi gÇn ®¸y do sãng cïng dßng ch¶y, ¸p dông cho c«ng thøc trÇm tÝch ®¸y, vµ lÊy trung b×nh trong chu kú sãng. - Ph©n bè nång ®é trÇm tÝch l¬ löng suy luËn theo ®é khuÕch t¸n rèi kh«ng ®æi theo thêi gian, vµ nhËn ®îc b»ng tÝch ph©n sè gradien nång ®é theo híng th¼ng ®øng, xÐt ®Õn hiÖu øng nång ®é cao vµ ph©n tÇng mËt ®é. - Ph©n bè vËn tèc ®îc tÝnh to¸n nh 2 ph©n bè l«garÝt víi c¸c ®é dèc kh¸c nhau bªn trong vµ bªn ngoµi líp biªn sãng, t¹i mÐp líp biªn. - SuÊt vËn chuyÓn dßng l¬ löng ®îc tÝnh to¸n b»ng tÝch ph©n sè theo híng th¼ng ®øng tÝch sè cña nång ®é trung b×nh theo thêi gian vµ ph©n bè vËn tèc. 153
- SuÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng lµ tæng cña suÊt vËn chuyÓn dßng di ®¸y vµ dßng l¬ löng, vµ cã thµnh phÇn theo híng sãng còng nh thµnh phÇn theo híng dßng ch¶y. MÆc dÇu ph¬ng ph¸p kh«ng ph¶i lµ mét m« h×nh sè theo kh¸i niÖm quy íc, nã chØ cã thÓ thùc hiÖn trong thùc hµnh th«ng qua sö dông ch¬ng tr×nh m¸y tÝnh. Nã ®îc hç trî tèt b»ng c¸ch so s¸nh víi sè liÖu. 4. Ph¬ng ph¸p STP cña §an M¹ch Ph¬ng ph¸p nµy dùa trªn m« h×nh sè cña líp biªn sãng vµ dßng ch¶y víi khuÕch t¸n trÇm tÝch. M« h×nh sè sö dông viÖc thÓ hiÖn ®éng n¨ng rèi víi líi ®iÓm theo chiÒu th¼ng ®øng vµ bao gåm hiÖu øng sãng ®æ. Ph¬ng ph¸p STP gåm 2 phÇn: modul thuû ®éng lùc vµ modul vËn chuyÓn trÇm tÝch. Modul thuû ®éng lùc m« t¶ líp biªn rèi do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp, sö dông lý thuyÕt cña Fredsoe (1984). Modul vËn chuyÓn trÇm tÝch tÝnh to¸n trÇm tÝch ®¸y vµ ph©n bè nång ®é trÇm tÝch biÕn ®æi theo thêi gian theo øng suÊt trît t¹i ®¸y vµ ph©n bè khuÕch t¸n rèi còng biÕn ®æi theo thêi gian nhËn ®îc tõ modul thuû ®éng lùc. KÕt qu¶ dßng di ®¸y vµ dßng l¬ löng ®îc lÊy trung b×nh tõ c¸c gi¸ trÞ tøc thêi. Modul vËn chuyÓn trÇm tÝch dùa trªn c«ng tr×nh cña Fredsoe vµ nnk (1985) vµ Englund vµ Fredsoe (1976). §èi víi sãng m¹nh vµ dßng ch¶y m¹nh, ®¸y ®îc coi nh ph¼ng, nhng ®èi víi sãng yÕu vµ dßng ch¶y yÕu cã thÓ tuú chän ®Ó ®¸nh gi¸ kÝch thíc gîn c¸t vµ hiÖu øng cña chóng lªn khuÕch t¸n rèi. Dù b¸o gîn c¸t dùa trªn c¸c quan hÖ kinh nghiÖm chñ yÕu nhËn ®îc tõ c¸c kÕt qu¶ cña Nielsen (1979). §Ó dÔ dµng sö dông, cã thÓ thùc hiÖn c¸c lÇn ch¹y m« h×nh ®èi víi c¸c ®Çu vµo rêi r¹c cho mét vÊn ®Ò ®Æc trng ®Ó lËp ra mét b¶ng ®èi chiÕu ®a tham sè dùa trªn m¸y tÝnh. Cã thÓ nhËn ®îc suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch ®èi víi c¸c ®Çu vµo kh¸c víi hiÖu qu¶ t¬ng ®èi b»ng quy tr×nh néi suy ®a tham sè. M« h×nh STP võa ®a n¨ng võa phøc t¹p ®èi víi c¸c qu¸ tr×nh vËt lý mµ nã xÐt ®Õn. Nã ®îc n©ng cÊp thêng kú ®Ó ®a vµo c¸c qu¸ tr×nh vµ ®Æc ®iÓm míi. M« h×nh STP chØ lµ mét vÝ dô cña lo¹i c¸c m« h×nh sè dùa trªn m¸y tÝnh ®îc ph¸t triÓn trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y ®Ó tÝnh to¸n thuû ®éng lùc, ®éng lùc trÇm tÝch vµ vËn chuyÓn trÇm tÝch do t¸c ®éng kÕt hîp cña sãng vµ dßng ch¶y t¹i mét ®iÓm trªn ®¸y (gi¶ sö tùa ®ång nhÊt). Bèn trong sè c¸c m« h×nh nµy ®îc Davies vµ nnk (1997) m« t¶ lµ c¸c m« h×nh cña Davies, Ribberink, Temperville vµ STP. TÊt c¶ ®Òu sö dông mét líi ®iÓm theo híng th¼ng ®øng (mÞn h¬n ë gÇn ®¸y), mét líi ®iÓm mÞn theo thêi gian ®îc chia theo chu kú sãng, mét d¹ng nµo ®ã cña s¬ ®å khÐp kÝn rèi ®Ó tÝnh to¸n ®é nhít rèi vµ ph©n bè khuÕch t¸n thay ®æi theo thêi gian, lý thuyÕt khuÕch t¸n ®èi víi trÇm tÝch l¬ löng, c¸c møc ®é t¬ng t¸c dßng ch¶y - trÇm tÝch kh¸c nhau vµ s¬ ®å gi¶i sai ph©n h÷u h¹n. Hai trong sè c¸c m« h×nh sö dông øng suÊt trît tÝnh to¸n t¹i ®¸y ®Ó dÉn xuÊt c«ng thøc vËn chuyÓn dßng di ®¸y trªn c¬ së thêi ®iÓm nµy sang thêi ®iÓm kh¸c. Davies vµ nnk (1997) so s¸nh viÖc thùc hiÖn 4 m« 154
h×nh víi tËp hîp sè liÖu thÝ nghiÖm chi tiÕt trong mét tuynel níc dao ®éng chØ víi sãng ®Òu, chØ víi sãng bÊt ®èi xøng vµ c¸c sãng ®Òu chång tuyÕn tÝnh lªn dßng ch¶y, trong ®iÒu kiÖn dßng trÇm tÝch s¸t ®¸y trªn ®¸y ph¼ng cã c¸t mÞn. KÕt qu¶ so s¸nh víi ph©n bè nång ®é ®o ®¹c ®îc tæng kÕt trong môc 8.6. Khi so s¸nh víi suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch ®o ®¹c trung b×nh thêi gian, tÊt c¶ c¸c m« h×nh ®Òu cho suÊt dù b¸o n»m trong kho¶ng 2 lÇn c¸c gi¸ trÞ ®o ®¹c. Cã lÏ c¸c m« h×nh sè lo¹i nµy thÓ hiÖn c¸ch tèt nhÊt híng tíi viÖc ph¸t triÓn c¸c ph¬ng ph¸p dù b¸o suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tin cËy, chÝnh x¸c vµ tiªn tiÕn h¬n. Chóng cã thÓ sö dông nh mét c«ng cô nghiªn cøu ®a n¨ng ®Ó phèi hîp c¸c qu¸ tr×nh bæ sung nh sãng ®æ, sãng kh«ng ®Òu bÊt ®èi xøng, vËn tèc vËn chuyÓn khèi lîng, ®é dèc ®¸y, ph©n tÇng mËt ®é, trÇm tÝch hçn hîp...vv. Tuy nhiªn chóng t¬ng ®èi kh«ng thÝch hîp cho ngêi sö dông thùc hµnh, yªu cÇu nhiÒu thêi gian m¸y tÝnh ®Ó m« h×nh ho¸ ®éng lùc h×nh th¸i, vµ trong nhiÒu trêng hîp dùa trªn n¨ng lùc cña ngêi ph¸t triÓn ®Ó nhËn ®îc kÕt qu¶ tin cËy, cã chÊt lîng. Chóng còng ®a c¸c mèi phô thuéc vµo c¸c tham sè ®Çu vµo kh«ng s©u s¾c nh so víi c¸c thÓ hiÖn gi¶i tÝch. §iÒu thó vÞ lµ, mét so s¸nh cña Deigaard (1998) gi÷a m« h×nh STP vµ c«ng thøc ®¬n gi¶n cña Bailard (ph¬ng tr×nh (134)) ®èi víi mét d¶i réng tæ hîp c¸c tham sè ®Çu vµo l¹i cho sù phï hîp tèt mét c¸ch ®¸ng ng¹c nhiªn (trong kho¶ng 3 lÇn) gi÷a 2 ph¬ng ph¸p víi mét sè lín c¸c tæ hîp ®Çu vµo. Ngo¹i lÖ x¶y ra ®èi víi c¸c ®iÒu kiÖn trong ®ã c«ng thøc Bailard kh«ng hîp lÖ, ®ã lµ gÇn hoÆc díi ngìng chuyÓn ®éng, vµ ®èi víi ®iÒu kiÖn dßng ch¶y chiÕm u thÕ. §iÒu nµy cho thÊy r»ng trong nhiÒu øng dông thùc tÕ c¸c m« h×nh sè phøc t¹p h¬n kh«ng nhÊt thiÕt ®a ra nh÷ng kÕt qu¶ chÝnh x¸c ®¸ng kÓ h¬n so víi c¸c ph¬ng ph¸p c«ng thøc ®¬n gi¶n. Mét c¸ch ®Çy høa hÑn ®Ó sö dông tèi u c¸c m« h×nh sè lµ sö dông chóng ®Ó hiÖu chØnh c¸c ph¬ng ph¸p gi¶i tÝch nh c«ng thøc Bailard, hoÆc c«ng thøc Soulsby - Van Rijn (ph¬ng tr×nh (136)), hoÆc mét phiªn b¶n ®a dông h¬n vµ tiªn tiÕn h¬n cña mét c«ng thøc nh vËy. Nã ph¶i kÕt hîp c¸c chi tiÕt vËt lý nhËn ®îc b»ng m« h×nh sè víi hiÖu qu¶ tÝnh to¸n cña c«ng thøc gi¶i tÝch. TÊt c¶ c¸c c«ng thøc tr×nh bµy trong ch¬ng nµy ®îc cho ë d¹ng ®¬n híng. Trong biÓn, ph¶i xÐt ®Õn to¹ ®é ngang 2 chiÒu. Bëi v× vËn chuyÓn trÇm tÝch ®îc coi nh gÇn víi híng dßng ch¶y (mÆc dï hiÖu øng sãng cã thÓ lµm lÖch híng vËn chuyÓn trÇm tÝch ®Õn 15o so víi híng dßng ch¶y), vÐc t¬ vËn chuyÓn trÇm tÝch qt, cã thÓ viÕt ë d¹ng: U Uy  qt  qtx , q ty    qt x , qt  (137)  U U   trong ®ã qtx, qty= c¸c thµnh phÇn cña suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch theo c¸c híng trùc giao x, y U = (Ux, Uy) = vÐc t¬ vËn tèc dßng ch¶y Ux, Uy= c¸c thµnh phÇn dßng ch¶y theo híng x, y 155
qt , U = ®é lín cña suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch, vËn tèc dßng ch¶y. Gi¸ trÞ cña qt lÊy theo qt tõ c¸c c«ng thøc ë c¸c môc tríc. C«ng thøc cho qt cã thÓ ¸p dông cho d¹ng tùa æn ®Þnh, tõ thêi ®iÓm nµy ®Õn thêi ®iÓm kh¸c, trong chu kú thêi gian (vÝ dô chu kú thuû triÒu, kú triÒu cêng- yÕu, hoÆc n¨m cã nhiÒu b·o), vµ vËn chuyÓn rßng nhËn ®îc b»ng c¸ch tÝch ph©n theo thêi gian. ThÊy r»ng, v× suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tû lÖ víi sè mò lín cña vËn tèc dßng ch¶y (3- 5), vËn chuyÓn trÇm tÝch rßng kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i theo dßng ch¶y d. TÊt c¶ c¸c ph¬ng ph¸p tÝnh to¸n suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch ®Òu dùa trªn gi¶ thiÕt r»ng c¸c ®iÒu kiÖn lµ ®ång nhÊt theo híng ngang, æn ®Þnh theo thêi gian, vµ cã nguån cung cÊp trÇm tÝch v« tËn. §ã lµ nh÷ng ph¬ng ph¸p ®Ó tÝnh to¸n vËn chuyÓn trÇm tÝch c©n b»ng, hoÆc b·o hoµ. Tuy nhiªn c¸c ®iÒu kiÖn trong biÓn vµ cöa s«ng thêng vi ph¹m mét trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nµy: vËn tèc dßng ch¶y, ®é cao sãng hoÆc ®é s©u níc cã thÓ biÕn ®éng nhanh theo kh«ng gian xung quanh c¸c mò ®Êt hoÆc bê c¸t, hoÆc më réng cöa s«ng ®ét ngét; dßng ch¶y cã thÓ lµ theo thuû triÒu chø kh«ng æn ®Þnh, hoÆc dßng ch¶y cã thÓ ch¶y qua khu vùc ®¸ hoÆc cuéi sái kh«ng xãi. Dßng di ®¸y ph¶n øng nhanh víi nh÷ng thay ®æi nh vËy, do ®ã c¸ch tiÕp cËn dùa trªn vËn chuyÓn tùa c©n b»ng ®îc chÊp nhËn. Nhng vËn chuyÓn dßng l¬ löng ph¶n øng chËm h¬n nhiÒu bëi v× nã cÇn thêi gian vµ kho¶ng c¸ch h÷u h¹n ®Ó trÇm tÝch míi trªn ®¸y ®îc khuÕch t¸n lªn dßng ch¶y vµ ®Ó trÇm tÝch ®ang l¬ löng s½n sÏ l¾ng xuèng ®¸y. Trong nh÷ng trêng hîp nh vËy suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch cã thÓ nhá h¬n (díi b·o hoµ) hoÆc lín h¬n (trªn b·o hoµ) gi¸ trÞ c©n b»ng. C¸c hiÖu øng thÓ hiÖn râ nhÊt ®èi víi h¹t mÞn, thêi gian ng¾n hoÆc ®é ph©n gi¶i kho¶ng c¸ch. Mét chØ tiªu th« ®èi víi tÇm quan träng, hoÆc nãi c¸ch kh¸c cña hiÖu øng kh«ng c©n b»ng, lµ so s¸nh quy m« ®é dµi ph©n gi¶i LR, mµ trªn ®ã c¸c biÕn ®éng lµ mèi quan t©m, víi ®é dµi 2 2 hiÖu chØnh LA lÊy b»ng LA= 0,005 U h / ws . NÕu LR  LA, th× hiÖu øng kh«ng c©n b»ng ph¶i ®îc xÐt ®Õn, cßn khi LR >> LA, chóng cã thÓ bá qua. LÊy vÝ dô h = 4m, U = 1ms- 1 , vµ ws= 0,02ms-1, ®é dµi hiÖu chØnh LA= 50m. Nh vËy, ®Ó gi¶i quyÕt chi tiÕt vËn chuyÓn trÇm tÝch trªn sãng c¸t cã bíc sãng = 25m, víi kÝch thíc líi LR= 1m, ph¶i sö dông ph¬ng ph¸p kh«ng c©n b»ng, nhng ®èi víi m« h×nh khu vùc ven bê cã líi t¬ng ®èi th« víi kÝch thíc líi 200m, m« h×nh c©n b»ng sÏ thÝch hîp. Ph¬ng ph¸p tÝnh to¸n vËn chuyÓn trÇm tÝch kh«ng c©n b»ng ®· ®îc ®a ra, nhng m« t¶ ®Çy ®ñ n»m ngoµi ph¹m vi cuèn s¸ch nµy. Chóng thÓ hiÖn tõ viÖc s¬ ®å ho¸, hiÖu qu¶ tÝnh to¸n, c¸c ph¬ng ph¸p nh cña Miles (1981), cho ®Õn lêi gi¶i sè ®Çy ®ñ c¸c ph¬ng tr×nh khuÕch t¸n - ®èi lu. Mét vÝ dô ¸p dông cña nã cho dßng ch¶y vµ vËn chuyÓn trÇm tÝch trªn sãng c¸t ®îc Johns vµ nnk (1990) ®a ra. §Ó n©ng cao ®é chÝnh x¸c cña dù b¸o vËn chuyÓn trÇm tÝch ®èi víi c¸c øng dông thùc tiÔn, thêng kiÕn nghÞ ®o ®¹c hiÖn trêng trong khu vùc nghiªn cøu vµ hiÖu chØnh l¹i c«ng thøc vËn chuyÓn trÇm tÝch t¹i tuyÕn. Ph¬ng ph¸p ®o ®¹c trÇm tÝch bao gåm: 156
- ®èi víi trÇm tÝch ®¸y, ®o ®¹c møc dÞch chuyÓn thµnh t¹o ®¸y vµ chuyÓn ®æi thµnh suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch ®¸y (xem môc 7.2). T¬ng tù, thùc hiÖn ®o ®¹c b»ng c¸ch sö dông chÊt chØ thÞ phãng x¹ hoÆc ph¸t quang (Crickmore vµ nnk ,1990). - ®èi víi trÇm tÝch l¬ löng, ®o ®¹c ®ång thêi ph©n bè vËn tèc b»ng lu tèc kÕ vµ nång ®é trÇm tÝch l¬ löng b»ng hÖ thèng lÊy mÉu b»ng b¬m (Crickmore vµ Teal, 1983). SuÊt vËn chuyÓn dßng l¬ löng cã thÓ tÝnh to¸n b»ng c¸ch lÊy tÝch ph©n sè cña tÝch sè vËn tèc víi nång ®é trªn toµn bé cét níc. - ®èi víi vÊn ®Ò båi lÊp luång tµu, ®µo mét r·nh thö nghiÖm ng¾n vµ ®o ®¹c møc båi lÊp b»ng håi ©m liªn tôc. C¸c tham sè ®Çu vµo t¬ng øng, nh ®é s©u níc, vËn tèc dßng ch¶y, ®iÒu kiÖn sãng vµ c¸c ®Æc trng trÇm tÝch còng ph¶i ®îc ®o ®¹c. Ph¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt ®Ó hiÖu chØnh l¹i mét c«ng thøc vËn chuyÓn trÇm tÝch lµ hiÖu chØnh c¸c hÖ sè chñ ®¹o trong c«ng thøc; t¬ng tù, vµ cã thÓ c«ng b»ng h¬n, cã thÓ hiÖu chØnh ®é nh¸m ®¸y. C¸c hÖ sè kh¸c, nh sè mò ®èi víi vËn tèc dßng ch¶y hoÆc hÖ sè khuÊy sãng, còng cã thÓ lÊy theo gi¸ trÞ t¹i tuyÕn, nhng ph¶i c©n nh¾c xem cã hÖ sè hiÖu chØnh l¹i nµo kh¸c biÖt qu¸ lín so víi c¸c gi¸ trÞ chuÈn kh«ng. §iÒu nµy cã thÓ do sai sè ®o ®¹c, hoÆc c«ng thøc vËn chuyÓn trÇm tÝch ®îc chän kh«ng phï hîp. Quy tr×nh 1. §Ó tÝnh to¸n suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch qt (thÓ tÝch/thÓ tÝch) do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp bªn ngoµi vïng sãng ®æ, cho c¸c gi¸ trÞ cïng ®¹i lîng nh chØ ®èi víi dßng ch¶y (xem môc10.2 ) vµ bæ sung c¸c ®¹i lîng sau ®©y: ®é cao sãng H chu kú sãng T . gãc gi÷a sãng vµ dßng ch¶y Quy tr×nh ®îc minh ho¹ b»ng c¸ch sö dông c¸c gi¸ trÞ ®Çu vµo lÊy tõ h×nh A.3 cña Van Rijn (1993), ®a ra c¸c vÝ dô sö dông ch¬ng tr×nh TRANSPOR cña Van Rijn. Cïng ®Çu vµo nh vËy, díi ®©y sö dông c«ng thøc Soulsby -Van Rijn, vµ kÕt qu¶ ®îc so s¸nh víi gi¸ trÞ theo TRANSPOR. VÝ dô 10.2. VËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do sãng vµ dßng ch¶y - Cho c¸c gi¸ trÞ cña c¸c tham sè sau ®©y + ®é s©u níc h 5m + ®êng kÝnh h¹t trung vÞ d50 0,250mm + ®êng kÝnh h¹t d90 0,500mm 2650kgm-3 s + mËt ®é trÇm tÝch 15oC + nhiÖt ®é + ®é muèi 0o/oo 0,6ms-1 + vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh U + ®é cao sãng cã nghÜa Hs 1m 157
+ chu kú ®Ønh sãng Tp 6s 90o  + gãc gi÷a sãng vµ dßng ch¶y 0o  + ®é dèc ®¸y 1000kgm-3  - TÝnh to¸n mËt ®é níc  1,0 x 10-6m2s-1 - TÝnh to¸n ®é nhít ®éng häc - TÝnh to¸n tû lÖ mËt ®é trÇm tÝch s   s /  s 2,65 - TÝnh to¸n Tz theo Tp, gi¶ sö phæ JONSWAP, ph¬ng tr×nh (48b) Tz 4,67s - TÝnh to¸n vËn tèc quü ®¹o RMS 0,262ms-1 (xem vÝ dô 4.3) Urms - §èi víi ®iÒu kiÖn sãng vµ dßng ch¶y t¬ng ®èi «n hoµ nµy, ®¸y ®îc dù kiÕn cã gîn c¸t, vµ do ®ã ®é nh¸m ®¸y lÊy b»ng z0 0,006m - TÝnh to¸n hÖ sè ma s¸t chØ do dßng ch¶y, ph¬ng tr×nh (37) CD 0,00488 - TÝnh to¸n ngìng vËn tèc dßng ch¶y sö dông ph¬ng ph¸p Van Rijn, 0,382ms-1 (ph¬ng tr×nh (71) ) U cr 1,28 x 10-4 ®¬n vÞ - TÝnh to¸n Asb ph¬ng tr×nh (136b) Asb - TÝnh to¸n D* 5,80 -4 - TÝnh to¸n Ass ph¬ng tr×nh (136c) Ass 7,78 x 10 ®¬n vÞ 9,06 x 10-4 ®¬n vÞ - TÝnh to¸n As=Asb+Ass As - TÝnh to¸n suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng, 60,6 x 10-6m2s-1 ph¬ng tr×nh (136a) qt 0,161 kgm-1s-1 - HoÆc ë ®¬n vÞ khèi lîng  s qt Qt So s¸nh c¸c gi¸ trÞ Asb vµ Ass, thÊy r»ng trÇm tÝch ®¸y vµ trÇm tÝch l¬ löng ®ãng gãp 14% vµ 86% cho suÊt vËn chuyÓn tæng céng, t¬ng øng. Còng víi ®Çu vµo nh vËy, nhng kh«ng cã sãng Hs= 0m, cho ta qt= 14,1 x 10-6m2s-1, do vËy sù bæ sung cña sãng lµm t¨ng vËn chuyÓn trÇm tÝch kho¶ng 4 lÇn trong trêng hîp nµy. Gi¸ trÞ tÝnh to¸n theo ch¬ng tr×nh TRANSPOR cña Van Rijn víi cïng ®Çu vµo lµ qt= 69,5 x 10-6m2s-1. 2. TÝnh to¸n t¬ng tù nh trong vÝ dô 10.2 b»ng c¸ch sö dông SandCalc cho ta kÕt qu¶ cña q theo vËn tèc dßng ch¶y ®èi víi 3 ®iÒu kiÖn sãng: Hs= 0; Hs=1m; Tp= 6s; vµ Hs= 3m, Tp= 8s. 158
Khi thùc hiÖn c¸c tÝnh to¸n nµy ®Ó ®a ra h×nh 31, cã 2 h¹n chÕ ®îc lo¹i bá: a) tÊt c¶ c¸c sãng ®îc gi¶ thiÕt kh«ng ®æ; b) sö dông zo= 6mm trong tÊt c¶ c¸c trêng hîp, kÓ c¶ trêng hîp c¸c gîn c¸t cã thÓ bÞ tr«i röa. H×nh 31 cho thÊy khi vËn tèc dßng ch¶y yÕu, sù cã mÆt cña sãng lµm t¨ng suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch ®Õn 100 lÇn hoÆc h¬n, nhng dÇn dÇn nhá h¬n khi vËn tèc dßng ch¶y lín lªn. Víi vËn tèc dßng ch¶y thÊp h¬n ngìng chuyÓn ®éng, sù bæ sung cña sãng cho phÐp x¶y ra vËn chuyÓn trÇm tÝch ®¸ng kÓ. C¸c kÕt qu¶ theo ph¬ng ph¸p TRANSPOR còng ®îc Van Rijn tr×nh bµy. Chóng cho thÊy tr¹ng th¸i rÊt t¬ng tù víi c«ng thøc Soulsby- Van Rijn, mÆc dï ph¶i nhí r»ng mét hÖ sè trong trêng hîp nµy ®îc hiÖu chØnh theo ph¬ng ph¸p TRANSPOR. Sù kh¸c biÖt gi÷a 2 ph¬ng ph¸p khi cã mÆt cña sãng nãi chung trong kho¶ng 2 lÇn, vµ kh«ng lín h¬n nhiÒu ®èi víi trêng hîp Hs= 0m, t¬ng øng víi sù kh¸c biÖt gi÷a c«ng thøc Van Rijn chØ do dßng ch¶y vµ ph¬ng ph¸p ®Çy ®ñ. C«ng thøc Soulsby - Van Rijn (ph¬ng tr×nh (136)) ®îc kiÕn nghÞ do tÝnh ®¬n gi¶n cña nã so víi ch¬ng tr×nh TRANSPOR, mÆc dï ph¶i cÈn thËn khi sö dông trong trêng hîp ®¸y kh«ng bÞ gîn c¸t. NÕu nghi ngê, tÝnh to¸n  max, s (xem vÝ dô 5.1) vµ kiÓm tra nã cã nhá h¬n 0,8 kh«ng (xem ph¬ng tr×nh (85a)). 10.5 vËn chuyÓn däc bê KiÕn thøc Khi sãng vì trong vïng sãng ®æ, chóng gi¶m ®éng lîng, g©y ra øng suÊt ph¸t x¹. Thµnh phÇn ngang bê cña øng suÊt ph¸t x¹ ®Èy níc vµo bê vµ t¹o ra sù d©ng mùc níc, mùc níc t¨ng vÒ phÝa bê so víi møc níc tÜnh. §é dèc mÆt níc do nã g©y ra c©n b»ng víi gradien ngang bê cña thµnh phÇn vu«ng gãc víi bê cña øng suÊt ph¸t x¹. §èi víi sãng ®Õn xiªn mét gãc víi bê, cßn cã thµnh phÇn däc bê cña øng suÊt ph¸t x¹, gradien cña nã t¹o nªn dßng ch¶y däc bê bªn trong vïng sãng ®æ (vµ ngay s¸t bªn ngoµi), c©n b»ng víi ma s¸t ®¸y. Dßng ch¶y däc bê ®Õn lît nã vËn chuyÓn trÇm tÝch däc bê nh mét dßng trÇm tÝch däc bê. SuÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch däc bê QLS thÓ hiÖn dßng trÇm tÝch däc bê ®i qua mÆt c¾t vu«ng gãc víi ®êng bê. BiÕn ®éng cña QLS däc ®êng bê t¹o ra sù tiÕn hoÆc lïi cña ®êng bê; ®Æc biÖt, nÕu cã vËt c¶n nh kÌ, cöa vµo c¶ng, hoÆc têng chØnh trÞ s«ng x©y dùng ngang qua b·i, vËn chuyÓn däc bê sÏ lµm cho trÇm tÝch tô l¹i phÝa ®ãn vµ xãi mßn ë phÝa khuÊt. Ph¬ng ph¸p tÝnh to¸n QLS cho nh díi ®©y. C«ng thøc CERC lµ ph¬ng ph¸p ®îc sö dông réng r·i nhÊt ®Ó tÝnh to¸n vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng QLS ®îc tÝch ph©n qua bÒ réng vïng sãng ®æ. C«ng thøc lóc ®Çu ®îc ®a ra trong Híng dÉn B¶o vÖ Bê (CERC, 1984) ë hÖ US, cã thÓ chuyÓn ®æi thø nguyªn thµnh d¹ng thÝch hîp (vÝ dô Fredsoe vµ Deigaard (1992)). Mét lo¹t c¸c phiªn b¶n ®îc sö dông bëi c¸c thùc hµnh viªn, kh¸c nhau chñ yÕu ë viÖc xö lý vËn tèc nhãm sãng cg vµ chØ tiªu sãng ®æ. LÊy chóng b»ng cg= (gh)1/2 vµ Hbr= 0,8h trong vïng sãng ®æ, víi Hs= 2 H rms , dÉn ®Õn c«ng thøc ®¬n gi¶n: 159
0,023g 1 / 2 H sb/ 2 sin 2 b  5 QLS  SC (138) s  1 trong ®ã QLS= suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch m3s-1 tÝch ph©n qua vïng sãng ®æ, lµ thÓ tÝch trÇm tÝch trªn ®¬n vÞ thêi gian (kh«ng kÓ trõ ®é xèp) g = gia tèc r¬i tù do Hsb= ®é cao sãng cã nghÜa t¹i dêng sãng ®æ b= gãc gi÷a ®Ønh sãng vµ ®êng bê t¹i ®êng sãng ®æ s = mËt ®é t¬ng ®èi cña trÇm tÝch. Ph¬ng tr×nh (138) lµ d¹ng ®¬n gi¶n nhÊt cña ph¬ng tr×nh CERC, nhËn ®îc b»ng c¸ch ¸p dông lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh níc n«ng víi biÓu thøc ®Çy ®ñ. CÇn chØ ra r»ng, suÊt vËn chuyÓn QLS kh«ng phô thuéc vµo kÝch thíc h¹t vµ ®é dèc b·i. C¸c söa ®æi ph¬ng tr×nh (138) ®îc nhiÒu nhµ nghiªn cøu ®Ò xuÊt (vÝ dô Kamphui, 1991; Ozasa vµ Brampton, 1980) ®Ó xÐt ¶nh hëng cña: - kÝch thíc h¹t trÇm tÝch (hÖ sè 0,023 trë thµnh hµm sè gi¶m cña kÝch thíc h¹t) - ®é dèc ®¸y (hÖ sè t¨ng theo ®é dèc ®¸y) - c¸c lý thuyÕt sãng bËc cao h¬n - biÕn ®éng däc bê cña ®é cao sãng (vËn chuyÓn trÇm tÝch tõ khu vùc sãng lín ®Õn khu vùc sãng nhá). C¸c hÖ sè chñ ®¹o trong c«ng thøc cña CERC ®îc hiÖu chØnh theo sè liÖu vËn chuyÓn däc bê lÊy tõ mét lo¹t c¸c c¸c b·i pha c¸t cã kÝch thíc h¹t nhá h¬n kho¶ng 0,6mm, ®èi víi chóng phÇn lín vËn chuyÓn trÇm tÝch ph¶i ®îc mang ®i nh trÇm tÝch l¬ löng. NÕu c«ng thøc chuÈn cña CERC ®îc ¸p dông cho c¸c h¹t lín h¬n, nh c¸c b·i nhiÒu cuéi chñ yÕu ®îc vËn chuyÓn nh trÇm tÝch ®¸y, thÊy r»ng c¸c gi¸ trÞ dù b¸o kho¶ng 20 lÇn lín h¬n c¸c gi¸ trÞ quan tr¾c (Brampton vµ Motyka, 1984). Nh vËy cÇn thiÕt hiÖu chØnh l¹i c«ng thøc CERC, hoÆc sö dông mét trong c¸c phiªn b¶n söa ®æi, hoÆc sö dông c«ng thøc dÉn xuÊt ®Æc biÖt cho c¸c kÝch thíc h¹t th«. Damgaard vµ Soulsby (1997) dÉn xuÊt c«ng thøc dùa trªn c¬ së vËt lý ®èi víi dßng di ®¸y däc bê. Lóc ®Çu c«ng thøc nµy dù ®Þnh sö dông cho c¸c b·i cuéi, mÆc dï còng ¸p dông ®îc cho thµnh phÇn trÇm tÝch ®¸y trªn c¸c b·i c¸t. Nguyªn lý chung lµ øng suÊt trît trung b×nh t¹i ®¸y ®îc tÝnh to¸n theo gradien cña øng suÊt ph¸t x¹ trong vïng sãng ®æ vµ øng suÊt trît dao ®éng t¹i ®¸y ®îc tÝnh to¸n theo vËn tèc quü ®¹o sãng b»ng c¸ch sö dông hÖ sè ma s¸t sãng øng víi gi¸ trÞ cùc ®¹i ®èi víi dßng rèi nh¸m nhê sö dông ph¬ng tr×nh (62b) vµ ®èi víi dßng trÇm tÝch s¸t ®¸y nhê sö dông mét biÓu thøc ®îc Wilson (1989b) dÉn xuÊt. øng suÊt trît kÕt qu¶ t¹i ®¸y ®îc ¸p dông trùc tiÕp trong c«ng thøc Soulsby cho dßng di ®¸y do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp (ph¬ng tr×nh (129a-d)), kh«ng cÇn bíc trung gian tÝnh to¸n ph©n bè dßng ch¶y däc bê. Mét lo¹t c¸c gi¶ thiÕt ®¬n gi¶n ®îc thùc hiÖn cho thuû ®éng lùc sãng trong vïng sãng ®æ, ®Ó liªn kÕt víi to¸n häc. C¸c sai sè do c¸c gi¶ thiÕt nµy g©y 160
ra sau ®ã ®îc hiÖu chØnh b»ng c¸ch ®iÒu chØnh l¹i hÖ sè chñ ®¹o trong c«ng thøc, theo tËp hîp sè liÖu ®o ®¹c hiÖn trêng trong 3 n¨m cña vËn chuyÓn däc bê trªn b·i cuéi t¹i phÝa Nam níc Anh. C«ng thøc kÕt qu¶ lµ: QLS=max(QLS1, QLS2) ^ 5 0,19 g tan  1 / 2 sin 2 b 3 / 2 H b / 2 1   cr       1 QLS1  SC (139a) cr 12s  1   cr  1 QLS 1  0 SC (139b) 0,24 f  b g 3 / 8 d 50 4 H b / 8 1/ 19  wr   wsf SC (139c) QLS 2  12s  1T 1 / 4 0,046 f  b g 2 / 5 H b / 5 13  wr   wsf SC (139d) QLS 2  12s  16 / 5 T 1 / 5  max   cr Q LS 2  0 SC (139e) trong ®ã  16,7 cr ( s  1)d50  cr  Hb (sin 2 b )(tan  ) f ( b )  ( 0,95  0,19 cos 2 b )(sin  b ) 0,15 Hb / 4 3  wr  s  1g1 / 4 Td50 1 / 2 0,0040 H b / 5 6  wsf  s  17 / 5 g1 / 5T 2 / 5d50  w gi¸ trÞ lín nhÊt cña  wr vµ  wsf 0,1H b (sin 2 b )tan   m  ( s  1)d 50  1/ 2  max   m   w sin  b 2   w cos b 2  cr = ngìng tham sè Shields (ph¬ng tr×nh (77)) Hb= ®é cao sãng t¹i ®êng sãng ®æ T = chu kú sãng d50= kÝch thíc h¹t trung vÞ tan  = ®é dèc b·i vµ c¸c ®¹i lîng kh¸c ®îc x¸c ®Þnh theo ph¬ng tr×nh (138). So víi c«ng thøc CERC (ph¬ng tr×nh (138)), c«ng thøc Damgaard vµ Soulsby cã øng dông réng r·i h¬n v× nã cã c¬ së vËt lý v÷ng ch¾c vµ xÐt ®Õn mèi phô thuéc vµo kÝch thíc h¹t, ®é dèc b·i vµ 161
chu kú sãng mµ c«ng thøc chuÈn cña CERC kh«ng cã. Tuy nhiªn c«ng thøc CERC cã xÐt ®Õn vËn chuyÓn dßng l¬ löng vµ thùc sù ®¬n gi¶n. Quy tr×nh 1. §Ó tÝnh to¸n vËn chuyÓn trÇm tÝch däc bê cho c¸c h¹t cã kÝch thíc mÞn (vÝ dô nhá h¬n 0,5mm), vËn chuyÓn ë tr¹ng th¸i l¬ löng còng nh di ®¸y, sö dông c«ng thøc CERC (ph¬ng tr×nh (138)). §èi víi kÝch thíc h¹t th« (> 0,5mm), chñ yÕu vËn chuyÓn nh trÇm tÝch ®¸y, sö dông c«ng thøc Damgaard vµ Soulsby (ph¬ng tr×nh (139)). 2. Trong trêng hîp kh¸c ph¶i sö dông ®é cao sãng ®¹i biÓu. §èi víi c«ng thøc CERC, hÖ sè chñ ®¹o trong ph¬ng tr×nh (138) lµ phï hîp víi ®Çu vµo cña ®é cao sãng cã nghÜa Hs. §èi víi c«ng thøc Damgaard vµ Soulsby, sö dông Hb= Hrms= H s / 2 vµ T = Tp, trong ®ã Hrms lµ ®é cao sãng c¨n bËc hai trung b×nh b×nh ph¬ng vµ Tp lµ lµ chu kú ®Ønh sãng (xem môc 4.2). 3. Quy tr×nh tÝnh to¸n suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch däc bê trªn b·i cuéi sái ®îc minh ho¹ nhê sö dông ph¬ng ph¸p Damgaard vµ Soulsby. VÝ dô 10.3. VËn chuyÓn däc bê - Cho gi¸ trÞ cña c¸c tham sè sau ®©y: + kÝch thíc h¹t trung vÞ d50 10mm + ®é cao sãng cã nghÜa t¹i ®êng sãng ®æ Hsb 1m + chu kú ®Ønh sãng Tp 6s + gãc gi÷a ®Ønh sãng vµ ®êng bê 100 b t¹i ®êng sãng ®æ + mËt ®é t¬ng ®èi cña trÇm tÝch s 2,58 tan  + ®é dèc b·i 1/10 2,860  - TÝnh to¸n ®é cao sãng RMS t¹i chç sãng ®æ Hb 0,707m - LÊy chu kú sãng hiÖu qu¶ = Tp T 6s - TÝnh ngìng tham sè Shields sö dông c«ng thøc Soulsby  cr (xem vÝ dô 6.3) 0,0553 1,67  0,05532,58  1  0,01 ˆ   cr - TÝnh to¸n tham sè ngìng 0,603 0 0,707 sin 20  1 / 10  (0,95 - 0,19cos200) - TÝnh to¸n tham sè híng sin200= f(  b ) 0,264 - TÝnh to¸n tham sè Shields cña dßng ch¶y nh¸m do sãng 162