Động lực học cát biển - Chương 2: các thuộc tính của nước và cát

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

74
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mật độ nước biển nói chung giảm theo nhiệt độ và tăng theo độ muối. Nước ngọt có mật độ lớn nhất tại 4 độ. Mật độ nước biển lớn nhất thường ở -1,9 độ C. Mật độ được Chen ( 1973) và Myer ( 1969) lập bảng theo nhiệt độ và độ muối.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Động lực học cát biển - Chương 2: các thuộc tính của nước và cát

Ch¬ng 2. c¸c thuéc tÝnh cña níc vµ c¸t 2.1. MËt ®é vµ ®é nhít cña níc KiÕn thøc MËt ®é níc biÓn nãi chung gi¶m theo nhiÖt ®é vµ t¨ng theo ®é muèi. Níc ngät cã mËt ®é lín nhÊt t¹i 40C. MËt ®é níc biÓn lín nhÊt thêng ë -1,90C. MËt ®é ®îc Chen (1973) vµ Myer (1969) lËp b¶ng theo nhiÖt ®é vµ ®é muèi. C¸c b¶ng nµy sö dông ®Ó lËp ra c¸c ®êng cong mËt ®é theo nhiÖt ®é vµ ®é muèi (h×nh 2). H×nh 2. MËt ®é níc §é l¬ löng cña trÇm tÝch còng lµm t¨ng mËt ®é tæng hîp hiÖu qu¶ cña níc. HiÖu øng mËt ®é cña trÇm tÝch l¬ löng cã thÓ lµm yÕu rèi, hoÆc ph¸t sinh dßng ch¶y ®ôc trªn ®¸y nghiªng. §é nhít ®éng häc lµ mét thuéc tÝnh ph©n tö cña níc, ®îc x¸c ®Þnh cho dßng ch¶y ph©n tÇng b»ng quan hÖ: dU    (5) dz 37
 = øng suÊt trît híng ngang t¹i ®é cao z trong ®ã  = mËt ®é níc U = vËn tèc híng ngang t¹i ®é cao z z = to¹ ®é th¼ng ®øng. H×nh 3. §é nhít ®éng häc cña níc §é nhít ph©n tö     còng thêng gÆp, nhng  ®îc sö dông réng r·i h¬n cho c¸c môc ®Ých vËn chuyÓn trÇm tÝch. §é nhít ®éng häc cña níc gi¶m theo nhiÖt ®é vµ t¨ng theo ®é muèi. §é nhít ®éng häc ®îc Chen vµ nnk (1973) Meyrs vµ nnk (1969) lËp thµnh b¶ng theo ®é muèi vµ nhiÖt ®é. C¸c b¶ng nµy ®îc sö dông ®Ó t¹o ra c¸c ®êng cong ®é nhít theo nhiÖt ®é vµ ®é muèi trªn h×nh 3. TrÇm tÝch l¬ löng lµm t¨ng ®é nhít hiÖu qu¶ e cho dßng ch¶y tæng hîp cña níc (vÝ dô qua èng), theo mèi quan hÖ:  e  (6) 1  2,5C trong ®ã C lµ nång ®é thÓ tÝch. Tuy nhiªn, ®èi víi dßng ch¶y bao quanh h¹t riªng lÎ (vÝ dô ®Ó tÝnh to¸n vËn tèc ch×m l¾ng), cÇn ph¶i sö dông ®é nhít kh«ng söa ®æi. 38
Quy tr×nh TÝnh to¸n mËt ®é vµ ®é nhít ®éng häc cña níc : 1. §o hoÆc dù ®o¸n nhiÖt ®é vµ ®é muèi cña níc. Víi níc ngät, ®é muèi = 0. Víi níc biÓn tiªu biÓu, ®é muèi = 35 o/oo. 2. VÝ dô 2.1. MËt ®é vµ ®é nhít cña níc - NhiÖt ®é tÝnh b»ng ®é C 10 - §é muèi tÝnh b»ng phÇn ngh×n (o/oo) 35 - Néi suy mËt ®é sö dông nh÷ng ®êng cong 1027 kgm-3 trong h×nh 2 ®Ó nhËn ®îc mËt ®é níc - Néi suy ®é nhít sö dông nh÷ng ®êng cong 1,36 x 106m2s-1 trong h×nh 3 ®Ó nhËn ®îc ®é nhít ®éng häc 3. §èi víi nhiÒu môc ®Ých, mËt ®é cña níc biÓn cã thÓ lÊy gi¸ trÞ mÆc ®Þnh lµ 1027 kgm-3 (nhiÖt ®é = 10o C; ®é muèi = 35 o/oo). §iÒu nµy t¬ng øng xÊp xØ víi nhiÖt ®é vµ ®é muèi trung b×nh hµng n¨m t¹i ®¸y cña nh÷ng biÓn xung quanh V¬ng quèc Anh (MAFF, 1981). 4. §Ó tÝnh to¸n mËt ®é víi trÇm tÝch l¬ löng, tham chiÕu tíi môc 2.3. §Ó tÝnh to¸n ®é nhít tæng hîp hiÖu qu¶ víi trÇm tÝch l¬ löng, sö dông ph¬ng tr×nh (6). 2.2. VËt chÊt ®¸y KiÕn thøc Nh÷ng h¹t trÇm tÝch ®îc ph©n lo¹i theo ®êng kÝnh cña chóng thµnh sÐt, bïn, c¸t, d¨m s¹n, ®¸ cuéi, sái vµ ®¸. SÐt vµ bïn gép l¹i ®îc gäi lµ bïn, vµ nh÷ng d¨m s¹n, ®¸ cuéi vµ sái gép l¹i ®îc gäi lµ cuéi sái. Sái trßn bÞ níc mµi mßn, thêng gäi lµ cuéi. C¸ch ph©n lo¹i thêng sö dông nhÊt lµ thang ph©n lo¹i Wentworth (h×nh 4). Nh÷ng h¹t c¸t ®«i khi ®îc ®o b»ng micr«ngmÐt (m) vµ ®«i khi b»ng milimÐt. Nh÷ng nhµ ®Þa chÊt sö dông thang phi ®îc ®Þnh nghÜa lµ:    log 2 d (7a) d  2  (7b) trong ®ã d lµ ®êng kÝnh h¹t b»ng milimÐt, vµ log2 lµ l«-ga c¬ sè 2. Sù chuyÓn ®æi tõ  thµnh d cho trong h×nh 4. C¸t tù nhiªn lu«n lu«n chøa ®ùng mét hçn hîp nh÷ng kÝch thíc h¹t, mét sè trong ®ã cã thÓ vît khái ph¹m vi c¸t. Ph¬ng ph¸p chung nhÊt ®Ó ®o ph©n bè kÝch thíc h¹t lµ b»ng c¸ch sµng, nhê sö dông mét chång sµng cã nh÷ng m¾t líi gi¶m dÇn kÝch thíc ®Õn mét tû lÖ x¸c ®Þnh, thêng t¬ng ®¬ng víi 1/2 phi hoÆc 1/4 phi. Kü thuËt chuÈn ®Ó röa, lµm kh« vµ sµng c¸t ®îc m« t¶ trong c¸c thuyÕt minh BSI (1967, 1986). Trong s¸ch nµy chóng ta sÏ sö dông c¸ch viÕt 'd’ ®Ó t¬ng øng víi kÝch thíc h¹t nhËn ®îc b»ng c¸ch sµng. 39
Ph©n bè kÝch thíc h¹t th«ng thêng ®îc thÓ hiÖn b»ng mét ®êng cong tÝch lòy phÇn tr¨m khèi lîng nh÷ng h¹t nhá h¬n d, theo d. Mét vÝ dô ®îc cho trong h×nh 5. TrÇm tÝch thêng ®îc ®Æc trng b»ng ®êng kÝnh sµng trung vÞ cña nã d50 (®êng kÝnh mµ 50 % khèi lîng cña h¹t mÞn h¬n). Tæng qu¸t h¬n, ký hiÖu dn chØ ra r»ng ®êng kÝnh h¹t cho n% khèi lîng cña h¹t mÞn h¬n. Nh÷ng phÇn tr¨m thêng sö dông nhÊt lµ (theo thø tù kÝch thíc t¨ng dÇn) lµ: d10, d16, d35, d50, d65, d84, d90. NÕu ®êng kÝnh h¹t ®îc biÓu thÞ ®¬n gi¶n b»ng d trong mét c«ng thøc dù ®o¸n, th«ng thêng nã cã thÓ ®îc coi nh d50 cña vËt chÊt ®¸y. Tuy nhiªn trong tÝnh to¸n ph©n bè th¼ng ®øng cña nång ®é trÇm tÝch l¬ löng, tèt h¬n c¶ lµ dùa trªn vËn tèc ch×m l¾ng cña h¹t d50 cña vËt chÊt l¬ löng, mµ thêng nhá h¬n nhiÒu d50 cña vËt chÊt ®¸y. B¶ng 2. Nh÷ng ký hiÖu sö dông trªn nh÷ng B¶n ®å Hµng h¶i V¬ng quèc Anh ®Ó m« t¶ ®¸y biÓn S C¸t F MÞn M Bïn C Th« Cy SÐt So MÒm G Cuéi sái H Cøng Sn Sái sf R¾n ch¾c P Cuéi bk Vì vôn St §¸ sm Nhá R §¸ t¶ng l Lín Bo §¸ khèi Wd Cá mäc Sh Vôn sß SM/R C¸t vµ bïn trªn ®¸ Sù tr¶i réng kÝch thíc ®îc chØ ra bëi kÝch thíc 10 vµ 90 phÇn tr¨m (d10 vµ d90), hoÆc (d16 vµ d84). Sè ®o thêng sö dông cho ®é chän läc trÇm tÝch lµ ®é lÖch chuÈn h×nh häc :  g  d 84 / d16 . (8) Nh÷ng mÉu trÇm tÝch ®îc xÕp lo¹i lµ chän läc tèt nÕu chóng chøa mét d¶i hÑp cña kÝch thíc h¹t vµ lµ hçn hîp tèt nÕu chóng chøa mét d¶i réng. Dyer (1986) ®a ra th¶o luËn chi tiÕt vÒ nhiÒu ph¬ng ph¸p m« t¶ tr¹ng th¸i cña trÇm tÝch hçn hîp. Nh mét híng dÉn th«, nÕu mét mÉu trÇm tÝch cã d84/ d16 < 2 (hoÆc d90/d10 < 2,4) sÏ ®îc chän läc tèt, trong khi nÕu d84/d16 > 16 (hoÆc d90>35) th× ®îc coi lµ hçn hîp tèt. VÝ dô trong h×nh 5 cã d10 = 0,23 mm vµ d90 = 2,6 mm, vËy lµ d90/d10 = 11, vµ nh vËy cã ®é chän läc trung b×nh. NhiÒu trÇm tÝch hçn hîp cã ph©n bè kÝch thíc h¹t xÊp xØ ph©n bè log chuÈn; tøc lµ l«-ga cña kÝch thíc h¹t cã ph©n bè tÇn sè xÊp xØ chuÈn (Gauss) theo träng lîng. 40
Ph©n bè kÝch thíc h¹t luü tÝch (% träng lîng mÞn h¬n) cña mét ph©n bè log chuÈn vÏ nh mét ®êng th¼ng trªn giÊy ®å thÞ x¸c suÊt nÕu hoµnh ®é b»ng ®¬n vÞ phi. Trong c¸c ®¬n vÞ phi, gi¸ trÞ trung b×nh cña ph©n bè chuÈn lµ -log2d50 vµ ®é lÖch chuÈn lµ log2(g). NÕu chØ cã d50 vµ mét sè ®o ®é chän läc, vÝ dô g ®îc biÕt t¹i mét vÞ trÝ, nh÷ng phÇn tr¨m kh¸c cã thÓ nhËn ®îc xÊp xØ b»ng gi¶ thiÕt ph©n bè log chuÈn. Cã thÓ sö dông c¸ch nµy theo kiÓu tõng bíc lµm biÖn ph¸p néi suy gi÷a c¸c phÇn tr¨m ®· biÕt. Ph¬ng ph¸p nãi trªn ®îc sö dông trong SandCalc-Edit-Bed Material- Derive. H×nh 4. BiÓu ®å chuyÓn ®æi nh÷ng ®¬n vÞ phi thµnh m vµ mm (thang kÝch thíc h¹t Wenlworth) Nh÷ng mÉu ChÊt lîng §¸y t¹i c¸c vÞ trÝ ®îc ®¸nh dÊu trªn B¶n ®å Hµng h¶i V¬ng quèc Anh. Chóng ®îc ®¸nh dÊu nhê sö dông nh÷ng ký hiÖu ®Ó m« t¶ kÝch 41
thíc h¹t, kho¸ng vËt, nh÷ng thuéc tÝnh sinh häc, kÕt cÊu vµ mµu cña ®¸y biÓn. Mét sè h÷u Ých nhÊt cho môc ®Ých vËn chuyÓn trÇm tÝch trong níc ë thÒm lôc ®Þa ®îc cho trong b¶ng 2. Nh÷ng mÉu chñ yÕu nhËn ®îc b»ng viÖc sö dông líp c¸t trªn ®¸y cña vÖt håi ©m sau vµi ngµy quÐt b»ng håi ©m, vµ tÝnh hîp lÖ cña chóng ®Õn nay cÇn ®îc xö lý thËn träng. Nh÷ng trÇm tÝch hçn hîp cã thÓ ph©n lo¹i phï hîp víi s¬ ®å Folk söa ®æi (BGS, 1987). T¹i ®©y, nh÷ng tØ lÖ cña bïn (d 2 mm) ®îc biÓu thÞ nh (a) tû lÖ cña c¸t/ bïn, vµ (b) phÇn tr¨m sái. Lo¹i trÇm tÝch næi bËt ®îc cho ë d¹ng viÕt t¾t b»ng ch÷ hoa (vÝ dô S = c¸t), ®îc ph©n biÖt nÕu cÇn thiÕt víi nh÷ng ch÷ thêng (vÝ dô m = pha bïn). Nh vËy c¸t pha bïn ®îc chØ ®Þnh lµ mS. Nh÷ng ph¹m vi kh¸c nhau thêng ®îc thÓ hiÖn b»ng h×nh tam gi¸c, nhng phiªn b¶n h×nh ch÷ nhËt cho trong h×nh 6 sÏ dÔ h¬n sö dông cho viÖc vÏ nh÷ng ®Æc trng trÇm tÝch ®o ®¹c ®îc. Sù ph©n lo¹i Folk söa ®æi ®îc C¬ quan Kh¶o s¸t §Þa chÊt Anh sö dông trong c¸c b¶n ®å ph©n bè trÇm tÝch biÓn cña hä. H×nh 5. VÝ dô ph©n bè kÝch thíc h¹t 42
Kho¸ng vËt häc c¸t vµ h×nh d¹ng cña h¹t x¸c ®Þnh nh÷ng thuéc tÝnh thñy lùc cña nã. §a sè c¸t trong vïng níc ë Ch©u ¢u chñ yÕu thuéc lo¹i th¹ch anh. Chóng thêng cã mËt ®é gÇn 2650 kgm-3 vµ cã d¹ng h×nh cÇu th« (tøc lµ trôc lín vµ trôc nhá cña chóng thêng kh«ng biÕn ®æi h¬n nhau 2 lÇn). Nh÷ng phÇn tr¨m biÕn ®éng cña vôn sß nguyªn vÑn hoÆc bÞ vì vôn cña sinh vËt biÓn thêng cã mÆt (tØ lÖ trong ph¹m vi 20 % ®Õn 70 % vôn sß lµ phæ biÕn xung quanh níc Anh). Vôn sß cã mËt ®é tiªu biÓu kho¶ng 2400 kgm-3, vµ c¶ vôn sß nguyªn vÑn lÉn nh÷ng m¶nh vôn lµ lo¹i dÑt, kh«ng ®Òu vµ cã gãc c¹nh. Nh÷ng kho¸ng vËt kh¸c, nh than ®¸ víi mËt ®é kho¶ng 1400 kgm-3, còng cã thÓ cã mÆt. Nh÷ng h¹t cã mét mËt ®é thÊp vµ/hoÆc h×nh d¹ng dÑt vÒ mÆt thuû lùc coi nh nh÷ng h¹t th¹ch anh cã ®êng kÝnh nhá h¬n, vµ nh kÕt qu¶ chän läc thñy lùc bëi dßng ch¶y thÞnh hµnh, chóng thêng ®îc coi lµ hçn hîp víi nh÷ng h¹t nh vËy. KÕt qu¶ ®ã lµ thùc tÕ chung cho nh÷ng tÝnh to¸n vËn chuyÓn trÇm tÝch ®Ó xö lý c¸c h¹t trong mét mÉu, nh thÓ tÊt c¶ chóng ®îc thÓ hiÖn b»ng c¸c h¹t th¹ch anh trªn c¬ së t¬ng tù thñy lùc, c¸ch tiÕp cËn ®ã sÏ ®îc tu©n thñ ë ®©y. Tuy nhiªn, trong mét vµi n¬i trªn thÕ giíi, c¸t cã nguån gèc kh¸c nhau cã thÓ tréi h¬n; vÝ dô, nh÷ng c¸t san h« vµ c¸t nói löa. Trong nh÷ng trêng hîp nµy nh÷ng thuéc tÝnh thñy lùc, nh vËn tèc ch×m l¾ng vµ ngìng chuyÓn ®éng, cÇn ph¶i ®o trong phßng thÝ nghiÖm. Quy tr×nh 1. Nh÷ng mÉu trÇm tÝch cã thÓ nhËn ®îc tõ khu vùc nghiªn cøu bëi mét hoÆc c¸c kü thuËt sau • lÊy mÉu b»ng gµu hoÆc mÉu thu thËp b»ng lÆn s©u ë kho¶ng 20 tíi 80 mm trªn ®¸y biÓn • lÊy lâi b»ng èng phãng cho nh÷ng mÉu ®Æc cã diÖn tÝch xÊp xØ 0,2 x 0,3 m ë ®é s©u kho¶ng 0,3m • lâi träng lùc hoÆc lâi rung cho nh÷ng mÉu ®êng kÝnh xÊp xØ 75mm ë ®é s©u 1- 10 m • h×nh trô hè khoan • mÉu trÇm tÝch l¬ löng b¬m trong cét níc, lÊy qua c¸c vßi t¹i nh÷ng ®é cao trªn ®¸y gi÷a kho¶ng 50 mm vµ mÆt níc, läc trªn líi thÊm (tiªu biÓu) 40 m . Nh÷ng ph¬ng ph¸p thu thËp trÇm tÝch kh¸c (vÝ dô nh÷ng mÉu lÊy b»ng chai vµ bÉy, phun qua líi) ®«i khi còng ®îc sö dông trong biÓn (xem môc 2.3). 2. Thùc hiÖn ph©n tÝch b»ng sµng nhê sö dông kü thuËt chuÈn (BSI, 1967; 1986). 3. VÏ ®êng ph©n bè kÝch thíc h¹t cña n% mÞn h¬n theo ®êng kÝnh (h×nh 5). §äc sè d50, d10 vµ d90 (hoÆc d16 vµ d84). 4. VÏ tû lÖ cña bïn: c¸t: cuéi sái trªn h×nh 6 ®Ó x¸c ®Þnh ph©n lo¹i Folk. 43
2.3. Nh÷ng hçn hîp c¸t - níc KiÕn thøc Nh÷ng hçn hîp c¸t - níc thÓ hiÖn theo c¸c tû lÖ trong ph¹m vi tõ mét ®¸y c¸t bÊt ®éng æn ®Þnh, qua nh÷ng chÊt sÖt vµ nh÷ng chÊt l¬ löng, cho ®Õn níc s¹ch. HiÖn c¸ch sö dông c¸c sè ®o cho tû lÖ nµy rÊt ®a d¹ng, c¸ch dïng phô thuéc vµo lo¹i hçn hîp vµ kiÕn thøc hµn l©m cña ngêi dïng. Nh÷ng ®Þnh nghÜa cña mêi sè ®o nµy ®îc cho trong b¶ng 3. Mét vµi trong sè chóng cã nh÷ng tªn gäi kh¸c nhau cho cïng mét ®¹i lîng, do vËy c¸c sè ®o kh¸c nhau gi¶m xuèng cßn n¨m. C«ng thøc chuyÓn ®æi gi÷a n¨m ®¹i lîng ®îc cho trong b¶ng 4. H×nh 6. Ph©n lo¹i nh÷ng mÉu trÇm tÝch trªn s¬ ®å Folk ch÷ nhËt Sè ®o c¬ b¶n nhÊt lµ nång ®é thÓ tÝch, vµ thêng lµ ®¬n gi¶n nhÊt ®Ó sö dông trong ph©n tÝch lý thuyÕt. Nh÷ng kÕt qu¶ thÝ nghiÖm thêng nhËn ®îc b»ng viÖc 44
c©n trÇm tÝch, do vËy nång ®é khèi lîng lµ thÝch hîp nhÊt ë ®©y. Tuy nhiªn, kü thuËt thÓ tÝch, quang häc, ©m häc, vµ trë kh¸ng, chñ yÕu ®o nång ®é thÓ tÝch. Trong c¸c th¶o luËn vÒ ®¸y æn ®Þnh, ®é xèp thêng ®îc sö dông nhÊt. Khi xÐt nh÷ng hiÖu øng ®é næi, mËt ®é tæng hîp lµ thÝch hîp nhÊt. B¶ng 3. Nh÷ng sè ®o cho c¸c hçn hîp c¸t - níc §¹i lîng Sö dông trong §Þnh nghÜa Ký hiÖu Nång ®é thÓ tÝch C L¬ löng (lý thuyÕt) ThÓ tÝch cña h¹t/ ThÓ tÝch cña hçn hîp MËt ®é nÐn §¸y (c¬ häc ®Êt) Nhãm h¹t nÐn §¸y (c¬ häc ®Êt) Nång ®é khèi lîng L¬ löng (thùc nghiÖm) Khèi lîng cña h¹t/ CM ThÓ tÝch cña hçn hîp MËt ®é kh« §¸y (kÕt dÝnh)  §é xèp §¸y (kh«ng kÕt dÝnh) ThÓ tÝch cña níc/ ThÓ tÝch cña hçn hîp Tû lÖ xèp §¸y (c¬ häc ®Êt) ThÓ tÝch cña níc/ VR ThÓ tÝch cña h¹t B MËt ®é l¬ löng L¬ löng (thuû ®éng lùc) Khèi lîng cña hçn hîp/ ThÓ tÝch cña hçn hîp MËt ®é tæng hîp §¸y (kh«ng kÕt dÝnh) MËt ®é ít §¸y (kÕt dÝnh) §é xèp cña nh÷ng ®¸y c¸t æn ®Þnh phô thuéc vµo møc ®é chän läc vµ møc ®é nÐn. Mét tËp hîp vÒ ®é xèp trung b×nh ®o ®¹c trong nh÷ng ®¸y c¸t tù nhiªn ®îc cho trong b¶ng 5. Gãc nghØ  i (hoÆc chÝnh x¸c h¬n, gãc ma s¸t néi) lµ gãc víi híng n»m ngang mµ mét ®¸y ph¼ng cã trÇm tÝch nghiªng dÇn dÇn víi mÆt n»m ngang ®Õn gãc ®ã th× c¸c h¹t b¾t ®Çu l¨n. Gi¸ trÞ cña  i ®èi víi nh÷ng trÇm tÝch kh«ng kÕt dÝnh phô thuéc vµo h×nh d¹ng, ®é chän läc vµ ®é nÐn c¸c h¹t. Nång ®é (hoÆc ®é xèp) cña ®¸y còng phô thuéc vµo cïng nh÷ng yÕu tè ®ã, vµ theo thÝ nghiÖm  i t¨ng theo nång ®é ®¸y (gi¶m theo ®é xèp). ViÖc xÐt nh÷ng lùc kÌm theo cho thÊy r»ng gi¸ trÞ cña  i ph¶i kh«ng phô thuéc vµo ®êng kÝnh h¹t hoÆc mËt ®é, mÆc dï mét vµi b¶n vÏ cò vµ b¶n vÏ thêng vÏ l¹i (kh«ng cã lý gi¶i) cho thÊy cã sù phô thuéc vµo ®êng kÝnh ®èi víi h×nh d¹ng h¹t ®· cho. Chóng cã lÏ kh«ng tin cËy. §èi víi nh÷ng môc ®Ých tÝnh to¸n hiÖu øng ®é dèc lªn ngìng chuyÓn ®éng, hoÆc suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch, mét gi¸ trÞ thÝch hîp cho môc ®Ých chung ®èi víi gãc nghØ lµ  i = 320 . Gãc nghØ cuèi cïng r (hoÆc gãc trît d) lµ gãc nghiªng cuèi cïng sau khi sù dån h¹t dõng l¹i. Gãc sên khuÊt cña nh÷ng gîn c¸t, ®ôn c¸t vµ sãng c¸t, vµ gãc nghiªng cña hè xãi h×nh nãn bao quanh mét cét th¼ng ®øng h×nh trßn, ®îc cho 45
b»ng r . Gi¸ trÞ cña r lu«n nhá h¬n  i , víi gi¸ trÞ tiªu biÓu ®èi víi c¸t tù nhiªn trong níc lµ kho¶ng 28o. B¶ng 4. ChuyÓn ®æi gi÷a c¸c sè ®o ®èi víi nh÷ng hçn hîp c¸t - níc  B Tõ C CM VR Thµnh 1-  1 CM/  s B   C - 1  VR s    s 1    s s ( B   ) C s CM - s   1  VR  s  B 1- CM/  s VR 1-C - s   1  VR  1 C  s  CM s  B VR - 1 C B   CM  1  C    s C    s 1    B V R   s -  s      CM    s  1  VR    = mËt ®é cña níc (tiªu biÓu lµ l000kgm-3 cho níc ngät, 1027 kgm-3 ®èi víi níc biÓn).  s = mËt ®é cña vËt chÊt h¹t (tiªu biÓu lµ 2650 kgm-3 ®èi víi th¹ch anh). Xem b¶ng 3 ®èi víi ý nghÜa cña nh÷ng ký hiÖu. VÝ dô : ChuyÓn ®æi tõ ®é xèp sang nång ®é khèi lîng C M   s 1    . B¶ng 5. §é xèp cña nh÷ng ®¸y c¸t tù nhiªn Chän läc tèt Trung b×nh Hçn hîp tèt NÐn láng 0,46 0,43 0,38 NÐn trung b×nh 0,42 0,40 0,33 NÐn chÆt 0,40 0,37 0,30 Nguån: Terzaghi vµ Peck (1967), Shepard (1963), Sleath (1984), Dyer (1986); nh÷ng ®o ®¹c t¹i HR. Quy tr×nh 1. Nång ®é c¸t cã thÓ ®o b»ng mét trong c¸c kü thuËt sau: • lÊy mÉu b»ng chai hoÆc bÉy hoÆc phun qua líi • mÉu níc ®îc b¬m 46
• suy gi¶m hoÆc t¸n s¾c quang häc (hoÆc hång ngo¹i), hoÆc nhiÔu x¹ laze • suy gi¶m hoÆc t¸n x¹ ©m thanh • nh÷ng ®Çu dß va ®Ëp (vÝ dô ®Çu dß vËn chuyÓn c¸t) • kü thuËt ®iÖn trë (vÝ dô bé ®Õm Coulter, nh÷ng ®Çu dß dÉn ®iÖn) • hÊp thô tia gam-ma • kü thuËt thÓ tÝch (vÝ dô x¸c ®Þnh ®é xèp ®¸y, x¸c ®Þnh thÓ tÝch nh÷ng mÉu b¬m). 2. Tõ mêi sè ®o lùa chän cho nh÷ng hçn hîp c¸t - níc, kiÕn nghÞ chØ sö dông nång ®é thÓ tÝch, nång ®é khèi lîng, ®é xèp vµ mËt ®é tæng hîp, u tiªn nång ®é thÓ tÝch cho nh÷ng môc ®Ých lý thuyÕt hoÆc nh÷ng ®o ®¹c b»ng kü thuËt thÓ tÝch, quang häc, ©m häc, trë kh¸ng, nång ®é khèi lîng cho nh÷ng mÉu trÇm tÝch ®îc c©n, vµ nh÷ng ®Çu dß va ®Ëp. 3. NÕu ®o ®¹c nhËn ®îc tõ nh÷ng nguån kh¸c cña mét trong c¸c sè ®o Ýt ®îc kiÕn nghÞ h¬n, chuyÓn ®æi b»ng c¸ch sö dông b¶ng 4. 4. §é xèp cña mét mÉu ®¸y kh«ng rêi r¹c cã thÓ nhËn ®îc b»ng c¸ch ®o mËt ®é tæng hîp cña nã vµ chuyÓn ®æi b»ng c¸ch sö dông b¶ng 4. NÕu kh«ng s½n cã mét mÉu kh«ng rêi r¹c, sö dông b¶ng 5 dùa trªn ®o ®¹c hoÆc xö lý møc ®é chän läc vµ nÐn chÆt cña trÇm tÝch ®¸y. Khi thiÕu mäi th«ng tin kh¸c, sö dông gi¸ trÞ mÆc ®Þnh  = 0 40. 5. Gãc nghØ cña mét mÉu trÇm tÝch cã thÓ nhËn ®îc b»ng c¸ch ®o gãc nghiªng cña mét cét h×nh nãn trÇm tÝch h×nh thµnh b»ng viÖc rãt mÉu tõ mét ®é cao nhá trong níc. Khi thiÕu gi¸ trÞ ®o ®¹c, sö dông gi¸ trÞ mÆc ®Þnh  i = 320. 6. TrÇm tÝch ®îc n¹o vÐt th«ng thêng ®îc ®o b»ng tÊn sµ lan. Mét tÊn sµ lan = (mËt ®é tæng hîp) x (thÓ tÝch cña hçn hîp trÇm tÝch - níc). Nh÷ng gi¸ trÞ tiªu biÓu cña mËt ®é tæng hîp lµ 1,7 tÊn/m3 cho c¸t vµ 1,2 tÊn/m3 cho bïn. Nh÷ng chuyÓn ®æi thµnh träng lîng kh« cña trÇm tÝch hoÆc thÓ tÝch ®îc n¹o vÐt ë hiÖn trêng (gi¶ thiÕt ë hiÖn trêng  = 0,40) cã thÓ thùc hiÖn nhê sö dông b¶ng 4. 2.4. §é thÊm vµ láng ho¸ KiÕn thøc Dßng ch¶y cña níc qua mét m«i trêng xèp nh mét ®¸y c¸t, phô thuéc vµo ®é thÊm cña m«i trêng. NÕu dßng ch¶y ph©n tÇng, nh nãi chung sÏ lµ trêng hîp cho nh÷ng kÝch thíc h¹t c¸t nhá h¬n kho¶ng 1mm, mèi quan hÖ cña vËn tèc dßng ch¶y víi gradien ¸p suÊt ®ang ®iÒu khiÓn dßng ch¶y tu©n thñ ®Þnh luËt Darcy. §Þnh luËt nµy cã thÓ viÕt ë hai d¹ng t¬ng ®¬ng: K p dp VB  (9)  dz VB  K I I (10) VB = vËn tèc tæng hîp trong ®ã 47
dp / dz = gradien ¸p suÊt I = ®é dèc thñy lùc  = mËt ®é cña níc  = ®é nhít ®éng häc cña níc KP = ®é thÊm ®Æc trng (m2) Ki = hÖ sè thÊm (ms-1). VËn tèc tæng hîp VB lµ lu lîng níc trªn ®¬n vÞ diÖn tÝch ®¸y vu«ng gãc víi híng dßng ch¶y. Nh vËy lµ mét vËn tèc nhá h¬n (bëi mét hÖ sè  ) vËn tèc cña níc ch¶y gi÷a c¸c h¹t. Gradien ¸p suÊt ®îc viÕt lµ dp/dz, thÝch hîp víi mét dßng ch¶y th¼ng ®øng, nhng ph¬ng tr×nh (9) cã thÓ ¸p dông cho bÊt kú híng nµo. §é dèc thñy lùc lµ sè ®o cña gradien ¸p suÊt trong ®ã ¸p suÊt ®îc biÓu thÞ nh cét níc, vµ do ®ã I lµ phi thø nguyªn. Gradien ¸p suÊt vµ ®é dèc thñy lùc liªn quan víi nhau th«ng qua: dp  gI . (11) dz Do ®ã hai sè ®o thay thÕ cña ®é thÊm liªn hÖ víi nhau th«ng qua: gK P KI  . (12)  Lùa chän ph¬ng tr×nh (9) hoÆc (10), vµ do ®ã lµ sö dông Kp hoÆc KI, kh«ng thµnh vÊn ®Ò. Nh÷ng nhµ vËt lý cã xu híng sö dông ph¬ng tr×nh (9) vµ nh÷ng kü s c¬ häc ®Êt/ ®Þa kü thuËt cã xu híng sö dông ph¬ng tr×nh (10). Ph¬ng tr×nh (9) ®îc kiÕn nghÞ do biÓu thøc tæng qu¸t h¬n, v× nã kh«ng ®a ra ®¹i lîng kh«ng x¸c thùc g, mµ kh«ng cã vai trß trùc tiÕp trong dßng thÊm. Ngoµi ra, ®é thÊm ®Æc trng Kp ®îc a dïng v× nã chØ phô thuéc vµo nh÷ng thuéc tÝnh cña m«i trêng xèp (®¸y c¸t trong trêng hîp cña chóng ta), trong khi KI phô thuéc vµo nh÷ng thuéc tÝnh cña c¶ m«i trêng xèp lÉn chÊt láng. §èi víi nh÷ng h¹t lín h¬n kho¶ng 1 mm, dßng ch¶y gi÷a c¸c h¹t cã thÓ trë thµnh rèi, vµ lùc t¸c ®éng lªn h¹t lµ sù kÕt hîp cña lùc nhít (tuyÕn tÝnh theo vËn tèc) vµ lùc rèi (b×nh ph¬ng theo vËn tèc). §Þnh luËt Darcy ë d¹ng ph¬ng tr×nh (10) ®îc thay thÕ bëi ph¬ng tr×nh Forchheimer: I = aIVB + bIVB2 (13) trong ®ã aI = l/KI ®Ó liªn kÕt víi ph¬ng tr×nh (10). Nh vËy, ph¬ng tr×nh (13) cã thÓ viÕt ë mét d¹ng t¬ng tù víi ph¬ng tr×nh (9):   dp  a p 2 V B  b p V B2 . (14) dz d d Nh÷ng hÖ sè liªn quan tíi nh÷ng ph¬ng tr×nh (9) vµ (11): d2  1 , ai  a p , bi  bp . Kp  (15) 2 gd gd ap 48
Nh÷ng hÖ sè phi thø nguyªn ap vµ bp lµ nh÷ng hµm cña ®é xèp, vµ h×nh d¹ng h¹t, ®é nÐn, ®Þnh híng, vµ cÊp phèi. B¶ng 6. §é thÊm cña nh÷ng ®¸y c¸t Nguån Kp ap bp 1, 75 1    3 2 2 1501    Ergun(1952) d 3 2 1501     3  2d 2 2 , 8 1    3 10001    Engelund (1953) 3 3 1000 1     2 1, 4  3d 2 2 2901    Koenders(1985) 5  2 2901    3 2,2  3d 2 2 1601    Del Adel(1987) 2 2 1601    3 4 ,7 d2 0 , 956 1    19 , 8 1     Soulsby 4 ,7 4 ,7 19 , 8 1      NhiÒu biÓu thøc ®· ®îc ®Ò xuÊt ®Ó biÓu thÞ ®é thÊm cña c¸t, sái vµ ®¸ díi d¹ng ®êng kÝnh h¹t d vµ ®é xèp  . Mét trong sè ®ã ®îc tæng kÕt vµ thÈm ®Þnh bëi Van Gent (1993). Chóng ®îc viÕt l¹i díi d¹ng nh÷ng hÖ sè KI, ap vµ bp trong b¶ng 6, vµ ®îc vÏ trong h×nh 7. Mét phiªn b¶n míi (Soulsby) còng ®îc kÓ ®Õn, tu©n theo cïng c¸ch dÉn xuÊt nh ph¬ng tr×nh (103) ®èi víi vÊn ®Ò liªn kÕt vËn tèc ch×m l¾ng cña h¹t qua nh÷ng chÊt l¬ löng dÇy ®Æc. TÊt c¶ c¸c ph¬ng ph¸p cho ta sù t¨ng m¹nh cña ®é thÊm phi thø nguyªn Kp/d2 theo ®é xèp  (xem h×nh 7), nhng kh¸c nhau 2 lÇn gi÷a nh÷ng ph¬ng ph¸p. Ph¬ng tr×nh cña Engelund (1953) ®îc sö dông réng r·i. Tuy nhiªn, d÷ liÖu ®èi víi c¸t theo Wallingford vµ Sleath HR (1970) cho thÊy gi¸ trÞ cña Kp/d2 t¬ng ®èi kh«ng ®æi, trung b×nh kho¶ng 1,1 x 10-3. Nh vËy, nÕu cã sai lÖch nµo ®ã vÒ gi¸ trÞ cña  ®Ó sö dông trong mét nghiªn cøu ®Æc biÖt, th× sù lùa chän an toµn h¬n lµ sö dông c«ng thøc sau ®©y, thÝch hîp víi nh÷ng h¹t nhá h¬n 1- 2 mm: KP = 0,0011d2 . (16) Nh÷ng biÓu thøc ®èi víi KI, aI vµ ap cã thÓ dÉn xuÊt tõ ph¬ng tr×nh (16) nhê sö dông nh÷ng chuyÓn ®æi cho tríc ®ã. §é thÊm còng biÕn ®æi theo h×nh d¹ng h¹t, ®é nÐn vµ ®Þnh híng, vµ ph©n bè kÝch thíc h¹t cña chóng. C¸c biÓu thøc cho trong b¶ng 6 vµ ®îc vÏ trªn h×nh 7 dùa trªn c¸c gi¸ trÞ trung b×nh lÊy tõ ph¹m vi ®îc c«ng bè bëi nhiÒu t¸c gi¶ (biÕn thiªn quan tr¾c ®îc nãi chung trong kho¶ng 2 lÇn) vµ ®èi víi kÝch thíc h¹t ®ång ®Òu. §èi víi trÇm tÝch hçn hîp d ®îc thay b»ng d15 (Koenders vµ Den Adel), hoÆc ®êng kÝnh h×nh cÇu t¬ng ®¬ng (Engelund, 1953). 49
Nh÷ng ®iÒu nãi trªn ¸p dông cho dßng ch¶y æn ®Þnh. Trong dßng ch¶y dao ®éng, mét sè h¹ng bæ sung tû lÖ víi gia tèc chÊt láng ®îc thªm vµo ph¬ng tr×nh Forchheimer (13). §iÒu nµy quan träng ®èi víi c¸c kÝch thíc h¹t lín h¬n 10mm. Th¶o luËn ®Çy ®ñ vÒ c¸c hiÖu øng nµy ®îc Van Gent (1993) ®a ra. §èi víi c¸c h¹t nhá h¬n kho¶ng 10mm, ph¬ng tr×nh (14) cã thÓ sö dông ë d¹ng tùa æn ®Þnh cho dßng ch¶y dao ®éng. H×nh 7. §é thÊm theo ®é xèp §é thÊm rÊt quan träng trong c¸c øng dông sau ®©y: - t¾t dÇn n¨ng lîng sãng, do níc cã ®é nhít ch¶y qua ®¸y (vÝ dô xem Sleath, 1970). - sù cuèn theo trÇm tÝch do sãng, v× viÖc b¬m níc vµo ra ®¸y sÏ lµm t¨ng vµ gi¶m t¬ng ®èi träng lîng hiÖu qu¶ cña h¹t - sù æn ®Þnh b·i do tiªu níc nh©n t¹o - lan truyÒn chÊt « nhiÔm vµo vµ ra ®¸y - thÊm qua b·i cuéi sái 50
- sù æn ®Þnh cña c¸c ®ª ch¾n sãng b»ng ®¸ ®æ vµ c¸c c«ng tr×nh cøng ho¸ b»ng ®¸. Dßng ch¶y híng lªn cña níc qua mét ®¸y c¸t sö dông mét lùc ma s¸t híng lªn t¸c ®éng trªn c¸c h¹t, øng víi søc c¶n ®ang kiÓm so¸t dßng thÊm. NÕu lùc nµy lín h¬n träng lîng ®Èy næi cña h¹t, ®¸y bÞ láng ho¸. Träng lîng h¹t kh«ng cßn ®îc hç trî bëi viÖc n»m trªn nh÷ng h¹t kh¸c, mµ bëi c¸c lùc chÊt láng, vµ ®¸y thÓ hiÖn nh mét chÊt láng, ®Ó mét vËt nÆng ®Æt trªn ®¸y ch×m xuyªn qua nã. Gradien ¸p suÊt th¼ng ®øng tèi thiÓu cÇn thiÕt ®Ó ®¹t ®îc sù láng ho¸ ®¬n gi¶n lµ c©n b»ng víi träng lîng cña h¹t:  dp     g   s   1    . (17)  dz  mf VËn tèc láng ho¸ tèi thiÓu wmf t¬ng øng cña níc ch¶y híng lªn trªn cÇn thiÕt ®Ó ®¹t ®îc sù láng ho¸ lµ:     1/2 (18) 10 , 36 2  1 , 049  4 , 7 D *3 w mf   10 , 36 d víi  = ®é nhít ®éng häc cña níc d = ®êng kÝnh h¹t  = ®é xèp cña ®¸y 1/ 3  g s  1  D*   d  2   g = gia tèc träng trêng s = tû lÖ c¸c mËt ®é cña h¹t vµ níc. Ph¬ng tr×nh (18) t¬ng thÝch víi ph¬ng tr×nh (14) víi nh÷ng biÓu thøc cña Soulsby cho ap vµ bp ®èi víi ®é thÊm, ph¬ng tr×nh (103) ®èi víi sù ch×m l¾ng h¹t trong chÊt l¬ löng dµy ®Æc, vµ ph¬ng tr×nh (102) ®Ó cho h¹t ®¬n lÎ ch×m l¾ng trong níc s¹ch. Wen vµ Yu (1966) ®a ra c«ng thøc sau ®©y, t¬ng tù vÒ d¹ng víi ph¬ng tr×nh (18), nhng kh«ng bao gåm sù phô thuéc vµo ®é xèp: 33 ,7    1/ 2 2 3  33 , 7 . (19) w mf   0 , 0408 D * d ThÝ nghiÖm t¹i HR Wallingford vÒ sù láng ho¸ cña ®¸y c¸t cho thÊy sù phô thuéc yÕu vµo ®é xèp (t¬ng tù nh kÕt qu¶ ®èi víi ®é thÊm nãi ë trªn), vµ cho mét gi¸ trÞ trung b×nh (thÝch hîp víi h¹t nhá h¬n h¬n 0,8 mm): 2 gd 50 . w mf  5,75  10  4 s  1 (20)  Sù láng ho¸ quan träng trong c¸c khu vùc, n¬i cã dßng ch¶y híng lªn tù nhiªn hoÆc nh©n t¹o cña níc xuyªn qua ®¸y. Nã cã thÓ g©y ra sù h háng th¶m h¹i hoÆc mÊt ®i mét vËt thÓ hoÆc c«ng tr×nh ®Æt trªn ®¸y. Sù láng ho¸ còng cã thÓ ®îc g©y ra 51
bëi t¸c ®éng sãng, mÆc dÇu nh÷ng c¬ chÕ cha hoµn toµn hiÓu ®îc. øng dông tùa æn ®Þnh cña ph¬ng tr×nh (17) chØ ra r»ng gradien ¸p suÊt th¼ng ®øng do sãng díi t¸c ®éng cña sãng kh«ng ®æ lµ cha ®ñ ®Ó g©y ra 'láng ho¸’. Tuy vËy láng ho¸ ®¸y biÓn do sãng ch¾c ch¾n xuÊt hiÖn vµ cã thÓ lµ mét nh©n tè quan träng trong viÖc lu ®éng trÇm tÝch. Nh÷ng gi¶i thÝch bao gåm: gradien ¸p suÊt cao h¬n díi sãng ®æ hoÆc c¸c ®ît sãng ph¶n x¹ hoÆc giao thoa vµ hiÖu øng b¬m cña mét ®ît sãng t¹o nªn nh÷ng gradien ¸p suÊt bªn trong ®¸y. Quy tr×nh 1. NÕu s½n cã mét mÉu chÊt ®¸y, ®o ®é thÊm cña nã b»ng c¸ch sö dông mét thÊm kÕ. §©y lµ mét h×nh trô th¼ng ®øng trong ®ã ®Æt mÉu trÇm tÝch, xuyªn qua ®ã cã thÓ t¹o nªn mét dßng ch¶y híng lªn cña níc, ®îc ®o ®¹c vµ kiÓm so¸t nhê sö dông mét thïng chøa cã cét níc kh«ng ®æi. Nh÷ng ®Çu ra ¸p lùc cho phÐp ®o ®îc gradien ¸p suÊt th¼ng ®øng. 2. C¸ch kh¸c, nÕu ®é xèp ®îc biÕt chÝnh x¸c, sö dông c«ng thøc Engelund tõ b¶ng 6 víi ph¬ng tr×nh (14) ®Ó tÝnh to¸n thÊm. NÕu yªu cÇu liªn kÕt láng ho¸ víi vËn tèc ch×m l¾ng, h·y sö dông c«ng thøc cña Soulsby thay vµo ®ã. NÕu ®é xèp kh«ng biÕt chÝnh x¸c, sö dông ph¬ng tr×nh (16). 3. §é láng ho¸ còng cã thÓ ®o ®îc nhê sö dông mét thÊm kÕ, nÕu s½n cã mÉu ®¸y. Mét träng lîng nhá ®Æt trªn bÒ mÆt ®¸y sÏ ch×m ngay khi ®¸y ho¸ láng, khi vËn tèc dßng ch¶y dÇn dÇn t¨ng. 4. NÕu kh«ng, tÝnh to¸n gradien ¸p suÊt tõ ph¬ng tr×nh (17), vµ vËn tèc tèi thiÓu tõ ph¬ng tr×nh (18), cÇn thiÕt ®Ó s¶n sinh láng ho¸. NÕu ®é xèp kh«ng biÕt, hoÆc kh«ng ch¾c ch¾n, th× sö dông ph¬ng tr×nh (20). 52