Ebook Động lực học cát biển - Hướng dẫn các ứng dụng thực hành

..................................................................52 Chương 3. Dòng chảy ..............................................................................53 6 3.1. Tổng quan ...................................................................................................53 3.2. Phân bố vận tốc dòng chảy .........................................................................53 Kiến thức........................................................................................................53 Quy trình........................................................................................................58 3.3. Ưng suất trượt ma sát lớp đệm do dòng chảy.............................................59 Kiến thức........................................................................................................59 Quy trình........................................................................................................62 3.4. Ưng suất trượt tổng cộng do dòng chảy......................................................63 Kiến thức........................................................................................................63 Quy trình........................................................................................................65 Chương 4. Sóng.........................................................................................67 4.1. Tổng quan ...................................................................................................67 4.2. Độ cao sóng và chu kỳ sóng.........................................................................67 Kiến thức........................................................................................................67 4.3. Bước sóng ....................................................................................................71 Kiến thức........................................................................................................71 Quy trình........................................................................................................72 4.4. Vận tốc quỹ đạo sóng ..................................................................................72 Kiến thức........................................................................................................72 Quy trình........................................................................................................75 4.5. Ưng suất trượt ma sát lớp đệm do sóng......................................................75 Kiến thức........................................................................................................75 Quy trình........................................................................................................78 4.6. Ưng suất trượt tổng cộng do sóng...............................................................79 Kiến thức........................................................................................................79 Quy trình........................................................................................................79 4.7. Sóng đổ........................................................................................................80 Kiến thức........................................................................................................80 Quy trình........................................................................................................81 Chương 5. Kết hợp sóng và dòng chảy ................................................82 5.1. Tổng quan ...................................................................................................82 5.2. Bước sóng ....................................................................................................82 Kiến thức........................................................................................................82 Quy trình........................................................................................................83 5.3. Ưng suất trượt tại đáy ................................................................................83 7 Kiến thức........................................................................................................83 Quy trình........................................................................................................87 Chương 6. Ngưỡng chuyển động...........................................................90 6.1. Tổng quan ...................................................................................................90 6.2. Ngưỡng vận tốc dòng chảy..........................................................................90 Kiến thức........................................................................................................90 Quy trình........................................................................................................91 6.3. Ngưỡng độ cao sóng ....................................................................................93 Kiến thức........................................................................................................93 Quy trình........................................................................................................93 6.4. Ngưỡng ứng suất trượt tại đáy ...................................................................94 Kiến thức........................................................................................................94 Quy trình........................................................................................................98 Chương 7. Các thành tạo đáy ..............................................................100 7.1. Tổng quan .................................................................................................100 72. Các gợn cát và sóng cát do dòng chảy........................................................100 Kiến thức......................................................................................................100 Quy trình......................................................................................................105 73. Gợn cát do sóng..........................................................................................106 Kiến thức......................................................................................................106 Quy trình......................................................................................................108 74. Ma sát do đáy gồ ghề ................................................................................108 Kiến thức......................................................................................................108 Quy trình......................................................................................................111 Chương 8. Trầm tích lơ lửng................................................................113 8.1 Tổng quan..................................................................................................113 8.2. Chỉ tiêu lơ lửng và kích thước hạt ............................................................113 Kiến thức......................................................................................................113 8.3. Vận tốc chìm lắng .....................................................................................114 Kiến thức......................................................................................................114 Quy trình......................................................................................................117 8.4. Nồng độ dưới tác động dòng chảy.............................................................118 Kiến thức......................................................................................................118 Quy trình......................................................................................................123 8 8.5. Nồng độ dưới tác động sóng......................................................................124 Kiến thức......................................................................................................124 Quy trình......................................................................................................125 8.6. Nồng độ dưới tác động sóng và dòng chảy ...............................................127 Kiến thức......................................................................................................127 Quy trình......................................................................................................129 Chương 9. Dòng di đáy..........................................................................132 9.1. Tổng quan .................................................................................................132 9.2. Dòng di đáy do dòng chảy.........................................................................133 Kiến thức......................................................................................................133 Quy trình......................................................................................................136 9.3. Dòng di đáy do sóng..................................................................................137 Kiến thức......................................................................................................137 Quy trình......................................................................................................137 9.4. Dòng di đáy do sóng và dòng chảy ...........................................................139 Kiến thức......................................................................................................139 Quy trình......................................................................................................141 Chương 10. Vận chuyển trầm tích tổng cộng ..................................143 10.1. Tổng quan ...............................................................................................143 10.2. Vận chuyển trầm tích tổng cộng do dòng chảy.......................................144 Kiến thức......................................................................................................144 Quy trình......................................................................................................147 10.3. Vận chuyển trầm tích tổng cộng do sóng................................................148 Kiến thức......................................................................................................148 10.4. Vận chuyển trầm tích tổng cộng do sóng kết hợp với dòng chảy ............150 Kiến thức......................................................................................................150 Quy trình......................................................................................................157 10.5 Vận chuyển dọc bờ ...................................................................................159 Kiến thức......................................................................................................159 Quy trình......................................................................................................162 Chương 11. Động lực hình thái và xói lở...........................................165 11.1. Mô hình hoá động lực hình thái .............................................................165 Kiến thức......................................................................................................165 Quy trình......................................................................................................168 11.2. Xói lở .......................................................................................................168 9 Kiến thức......................................................................................................168 Quy trình......................................................................................................169 Chương 12. Xử lý trường dòng chảy - sóng.......................................171 12.1. Tổng quan ...............................................................................................171 12.2. Tiếp cận sóng và thủy triều thiết kế........................................................171 12.3. Tiếp cận xác suất ....................................................................................173 12.4. Tiếp cận tuần tự......................................................................................176 Chương 13. Những trường hợp nghiên cứu......................................178 13.1. Tổng quan ...............................................................................................178 13.2. Sự ổn định của việc chống xói................................................................178 13.3. Xâm thực trầm tích tại công trình lấy nước ...........................................180 13.4. Bồi lấp luồng dẫn nạo vét .......................................................................181 Tài liệu tham khảo ................................................................................186 10 Mở đầu ý nghĩa bao hàm về động lực học trầm tích theo nghĩa rộng nhất đáng ngạc nhiên là còn lâu mới đạt được. Tất nhiên, không quá cường điệu khi nói rằng sự ra đời của các nền văn minh trong các thung lũng đất bồi phì nhiêu của Mesopotamia, Ai Cập và Trung Quốc đã phụ thuộc vào vận chuyển trầm tích. Trong thời gian trước đây, bồi lắng trầm tích trong các thung lũng, hồ và biển chuyển thành các mặt cắt địa chất của đất đá trầm tích và hình thành cơ sở của nhiều khoa học về địa chất, cổ sinh học và khảo sát hyđrô-cacbon. Quá trình trầm tích, dẫn đến sự hoá thạch những cây cối và động vật, đôi khi cũng giữ lại những dấu vết gồ ghề phát sinh bởi sóng hoặc dòng chảy và các bằng chứng khác về những điều kiện thủy lực trong các kỷ nguyên trước đây. Trầm tích trẻ hơn cho thấy các bằng chứng lịch sử lắng đọng ở dạng phấn hoa hoặc trùng có vỏ, và giữ lại những tạo tác hình thành nguyên liệu thô cho khảo cổ. Từ quan điểm địa lý, cấu trúc địa mạo và các biển trên trái đất phần lớn được xác định bởi sự xói mòn đất đá, vận chuyển và bồi lắng chúng như những trầm tích. Thậm chí trên những hành tinh khác trầm tích có thể cung cấp những đầu mối, như việc giải thích những đặc tính giống các dòng sông là bằng chứng cho sự tồn tại trước đây của nước ở trạng thái lỏng trên sao Hoả. Phạm vi quyển sách này hạn chế hơn so với các phác họa ở trên, được giới hạn ở những trầm tích không kết dính và chủ yếu tới ngữ cảnh biển, mặc dù một số vật chất cũng có thể áp dụng được cho cửa sông và sông. Tiêu điểm chính của nó là về những khía cạnh của động lực học trầm tích liên quan chủ yếu tới những kỹ sư dân dụng, các nhà hải dương học, những nhà khoa học trái đất và những nhà khoa học môi trường. Chuyển động của trầm tích trong các dòng sông, những cửa sông và biển là một chủ đề có tầm quan trọng thực tiễn lớn đối với những ứng dụng công trình, và đó cũng là một lĩnh vực thử thách và hấp dẫn cho nghiên cứu hàn lâm. Tuy nhiên, người kỹ sư thực hành đang tìm kiếm một giải pháp khẩn cấp cho một dự án liên quan đến trầm tích thường thấy rằng không dễ gì nắm bắt được những kết quả nghiên cứu hàn lâm nổi bật được xuất bản bằng một ngôn ngữ xa lạ trong các tạp chí và tuyển tập hội thảo. Ngược lại, nhà nghiên cứu hàn lâm có thể tiếp xúc chưa đầy đủ với những ứng dụng thực tiễn để quyết định những con đường nghiên cứu nào là cần thiết nhất để theo đuổi. Mục tiêu của tôi trong quyển sách này là bắc cầu qua chỗ trống giữa nghiên cứu hàn lâm và những ứng dụng thực hành, bằng việc tổng kết những kết quả nghiên cứu trong một dạng hợp nhất, bằng cách giới thiệu những ví dụ đã thực hiện và các trường hợp nghiên cứu, và bằng việc nêu bật những khu vực mà việc hiểu biết còn hạn chế và những sai sót lại lớn. Để làm điều này, đôi khi tôi thực hiện các đơn giản hóa mà người theo chủ nghĩa thuần túy có thể phản đối, và trong một vài trường hợp tôi mạn phép tính lại những kết quả nghiên cứu trong một dạng tổng quát, những tác giả nguyên bản có thể cảm thấy lệch so với những quy ước của họ ở mức độ nào đó một cách chính đáng. Tôi hy vọng rằng lợi ích đạt được ở sự đồng nhất và tính khả dụng sẽ có giá trị hơn sự kém chính xác nào đó. 11 Hầu hết các mục của quyển sách được chia thành các tiểu mục về Kiến thức và Quy trình. Nghiên cứu sinh có thể tập trung chủ yếu vào Kiến thức, có thể bổ sung thêm những bài tập dựa vào những ví dụ trong Quy trình, trong khi kỹ sư thực hành có thể chỉ muốn theo Quy trình, có thể bổ túc bằng việc đọc những phần liên quan đến Kiến thức. Một vài điều được chủ tâm nhắc lại, và những ký hiệu thường được định nghĩa trong mỗi mục, để các chuyên đề riêng lẻ được khép kín hợp lý. Tham khảo mở rộng được lưu ý tại những chỗ không thể trình bày kỹ. Tôi hy vọng rằng bằng cách này quyển sách mang lại sự trình bày tiện lợi và khả dụng đối với những quá trình trầm tích ở một dạng dễ tiếp cận đến rộng rãi độc giả. Richard Soulsby nhận học vị về vật lý và hải dương học trước khi chuyên sâu 11 năm trong nghiên cứu vận chuyển trầm tích tại Viện các Khoa học Đại dương. Từ 1985 ông nghiên cứu và tư vấn trong lĩnh vực này tại Viện Nghiên cứu Thủy lực Wallingford, nơi ông đang đứng đầu Nhóm Trầm tích Biển. 12 Lời cảm ơn Quyển sách này ra đời từ một báo cáo trước đây có nhan đề 'Hướng dẫn về cát biển'. Khi thực hiện sự chuyển đổi này tôi cám ơn nhóm người thẩm định được mời của phiên bản trước gồm: ông B. H. Rofe, TS C. A. Fleming, GS K. R. Dyer, TS J. Nicholson, TS Ping Dong, các ông C. W. Frith, P. D. Hunter, K. W. Bunker, C. T. Erbrich, P. D. Crews, M. W. Owen, R. Runcie, D. Richardson và P. B. Woodhead. Ngoài ra, những đồng nghiệp của tôi ở HR Wallingford là TS R. J. S. Whitehouse, các ông N. P. Bunn và J. S. Damgaard đã có những đóng góp giá trị. Tôi muốn chuyển lời cảm ơn của tôi tới tất cả những nhà khoa học và những kỹ sư nói trên vì những bình luận sâu sắc và kỹ lưỡng của họ mà dẫn đến những cải tiến đáng kể trong quyển sách. Tôi cũng cám ơn June Clarkson và Ruth Smith do sự kiên nhẫn của họ và cẩn thận đánh máy bản thảo. Nhiều chủ đề nghiên cứu của riêng tôi trích dẫn trong quyển sách thoạt tiên được khích lệ bằng một đợt đi sáu tháng như một thành viên được mời đến Trường đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy (NTNU) tại Trondheim. Tôi cám ơn Hội đồng vì Nghiên cứu Công nghiệp và Khoa học Na Uy (NTNF) và GS Dag Myrhaug để điều này có thể thực hiện. Quyển sách được xuất bản thay mặt Cục Môi trường, Giao thông và Các khu vực, cơ quan đã cấp một phần vốn để chuẩn bị nó. Những cảnh quan và thông tin giới thiệu trong sách là của HR Wallingford và không nhất thiết là của cơ quan cấp vốn. HR Wallingford là một cơ quan nghiên cứu chuyên gia độc lập, tư vấn, phần mềm và đào tạo, đã phục vụ công nghiệp nước và công trình dân dụng tại hơn 60 nước trên toàn thế giới trong hơn 50 năm. Chúng tôi nhắm tới mục đích cung cấp những giải pháp hợp lý cho những kỹ sư và những nhà quản lý làm việc trong các lĩnh vực: • tài nguyên nước • thuỷ lợi • nước ngầm • tiêu nước đô thị • sông • thủy triều • cảng và bến cảng • ven bờ • xa bờ. 13 Chú giải a, b, A, B những hệ số phi thứ nguyên trong các công thức A = UwT/(2) biên độ quỹ đạo của chuyển động sóng tại đáy *kU w b s số Rouse (tham số lơ lửng) C nồng độ thể tích của trầm tích (thể tích/ thể tích) C100 hệ số ma sát áp dụng cho dòng chảy tại cao độ1 m Ca nồng độ trầm tích tham chiếu (thể tích/ thể tích) tại độ cao za CD hệ số ma sát áp dụng cho dòng chảy trung bình độ sâu CM nồng độ khối lượng của trầm tích (khối lượng/ thể tích) C0 nồng độ tham chiếu (thể tích/ thể tích) tại đáy biển (z = 0) cos hàm lượng giác côsin d đường kính sàng của hạt 50 3/1 2* )1( d sg D          kích thước hạt phi thứ nguyên dn đường kính hạt mà n% hạt có khối lượng mịn hơn, ví dụ d10, d90 d50 đường kính hạt trung vị d50,b đường kính hạt trung vị tại đáy biển d50,s đường kính trung vị của hạt lơ lửng dcr đường kính hạt chỉ bất động đối với một dòng chảy cho trước e = 2,718281828 exp(x) = ex hàm số mũ cơ số tự nhiên f tham số Coriolis fw hệ số ma sát sóng fwr hệ số ma sát sóng đáy nhám fws hệ số ma sát sóng đáy trơn g = 9,81 ms-2 gia tốc trọng trường h độ sâu nước H độ cao sóng nước Hbk độ cao sóng đổ 14 H0 độ cao sóng nước sâu Hrms độ cao sóng căn bậc hai trung bình bình phương Hs độ cao sóng có nghĩa I độ dốc mặt nước (gradien thủy lực) k = 2/L số sóng của sóng nước ks độ nhám hạt cát tương đương Nikuradse Kl hệ số thấm Kp độ thấm đặc trưng L bước sóng của sóng nước Lp bước sóng tại đỉnh của phổ sóng ngoài khơi L0 bước sóng nước sâu ln lô-ga tự nhiên (cơ số e) log10 lô-ga cơ số 10 p áp suất pc phân bố xác suất của vận tốc dòng chảy pcw xác suất tổ hợp của vận tốc dòng chảy và vận tốc quỹ đạo sóng pH phân bố xác suất độ cao sóng pw phân bố xác suất vận tốc quỹ đạo sóng qb suất vận chuyển thể tích của trầm tích đáy, trên thời gian đơn vị, trên chiều rộng đơn vị qB = qb(1-) thể tích vật chất chìm lắng xuống đáy (kể cả nước xốp), được vận chuyển trên thời gian đơn vị, trên chiều rộng đơn vị Qb = sqb suất vận chuyển khối lượng của trầm tích qbx thành phần qb lan truyền theo hướng dòng chảy qby thành phần qb lan truyền vuông góc với dòng chảy, theo cùng cách với góc  qb1/2 suất vận chuyển thể tích của trầm tích đáy trong nửa chu kỳ sóng QLS suất vận chuyển trầm tích dọc bờ tích phân qua vùng sóng đổ, ở dạng thể tích trầm tích (không tính độ xốp) trên thời gian đơn vị qs suất vận chuyển thể tích của trầm tích lơ lửng qt suất vận chuyển thể tích của trầm tích tổng cộng qtc suất vận chuyển trầm tích chỉ do dòng chảy qtx, qty những thành phần suất vận chuyển thể tích của trầm tích tổng cộng theo các hướng x,y  AU R ww  số Reynolds sóng s = s/ tỷ lệ các mật độ của hạt và nước 15 sin sin sinh sin hypécbol T chu kỳ của sóng nước Tm chu kỳ trung bình của sóng nước Tn = (h/g) 1/2 chu kỳ tỷ lệ của sóng Tp chu kỳ tại đỉnh của phổ sóng Ts = (os - cr)/cr tham số vận chuyển Tz chu kỳ cắt qua không của sóng nước t thời gian tanh tang hypécbol U thành phần ngang của vận tốc nước U vận tốc dòng chảy trung bình độ sâu u* = (0/) 1/2 vận tốc ma sát u*f vận tốc ma sát do sức cản hình dạng u*m = (m/) 1/2 vận tốc ma sát trung bình u*max = (max/) 1/2 vận tốc ma sát cực đại u*s vận tốc ma sát lớp đệm u*t thành phần vận chuyển trầm tích của vận tốc ma sát U10 vận tốc tại độ cao 0,1 m U100 vận tốc dòng chảy tại độ cao 1 m trên đáy a U và bU giá trị cực đại và cực tiểu của vận tốc dòng chảy trung bình độ sâu trong một chu kỳ thủy triều crU ngưỡng vận tốc dòng chảy trung bình độ sâu Urms vận tốc quỹ đạo sóng căn bậc hai trung bình bình phương tại đáy biển Uw biên độ vận tốc quỹ đạo sóng tại đáy biển Uwc vận tốc quỹ đạo đáy dưới đỉnh sóng Uwcr ngưỡng vận tốc quỹ đạo sóng Uwt vận tốc quỹ đạo đáy dưới chân sóng Ux, Uy thành phần dòng chảy theo các hướng x, y VB vận tốc toàn bộ của nước qua đáy wmf vận tốc lỏng hoá cực tiểu ws vận tốc chìm lắng của các hạt trầm tích tách biệt wsC vận tốc chìm lắng của các hạt lơ lửng dày đặc x tọa độ nằm ngang X = c/(c + w) cường độ dòng chảy tương đối 16 y toạ độ nằm ngang trực giao với x Y = m/(c + w) ứng suất trượt trung bình phi thứ nguyên Z = max/(c + w) ứng suất trượt cực đại phi thứ nguyên z độ cao trên đáy biển za độ cao tham chiếu gần đáy biển, tại đó nồng độ tham chiếu Ca được tính toán z0 độ dài nhám tại đáy b góc giữa đỉnh sóng và đường bờ tại đường sóng đổ  góc nghiêng của đáy với mặt nằm ngang x góc nghiêng của đáy với mặt nằm ngang theo hướng dòng chảy y góc nghiêng của đáy với mặt nằm ngang theo hướng vuông góc với dòng chảy  bề dày lớp biên r độ cao gợn cát s độ cao sóng cát  độ xốp đáy  cao độ đáy so với mực quy chiếu dg s )( 0      tham số Shields cr ngưỡng tham số Shields f tham số Shields sức cản hình dạng m giá trị trung bình của  trên một chu kỳ sóng max giá trị cực đại của  trên một chu kỳ sóng s tham số Shields ma sát lớp đệm t thành phần vận chuyển trầm tích của tham số Shields w biên độ thành phần dao động  do sóng k = 0,40 hằng số Von Karman r bước sóng của gợn cát s bước sóng của sóng cát  độ nhớt phân tử  = / độ nhớt động học của nước  = 3,141592654  mật độ của nước B mật độ toàn bộ của đáy hoặc chất lơ lửng s mật độ của hạt trầm tích  tần số góc của thủy triều 17 g = (d84/d16) 1/2 độ lệch chuẩn hình học của kích thước h