Bài giảng Động lực học sông biển

Trang 14 MỞ ĐẦU• Phương pháp nghiên cứu động lực học sơng tiếp• Phương pháp nghiên cứu trên mơ hình vật lý:• Xây dựng trong phịng thí nghiệm mơ hình thu nhỏ của nguyên hình đoạn sông thự

ĐỘNG LỰC HỌC SÔNG BIỂN

NỘI DUNG

• Dòng chảy trong sông

• Bùn cát sông ngòi

• Quá trình hình thành và diễn biến dòng sông

• Các đặc trưng hình thái sông ngòi

• Ảnh hưởng của các công trình trên sông đối với diễn biến dòng sông

• Thí nghiệm mô hình sông ngòi

• Động lực học cửa sông ven biển

• Tính toán biến hình lòng sông

TÀI LIỆU

• Pierre Y Julien: Erosion and Sedimentation; Cambridge University Press, 1995

• Leo C van Rijn: Principles of Sediment Transport in Rivers, Estuaries and Coastal Seas, 1993

• Pierre Julien: River mechanics; Cambridge University Press, 2002

MỞ ĐẦU

• Động lực học dòng sông: là môn khoa học nghiên cứu các quy luật cơ học cơ bản trong quá trình vận động và phát triển của các dòng sông ở trạng thái tự nhiên hoặc dưới tác dụng của các công trình và các hoạt động khác của con người.

MỞ ĐẦU

• Nghiên cứu động lực học sông ngòi được tiến hành bằng 2 cách:

• Về địa lý tự nhiên: Nghiên cứu sự phân bố địa lý và quá trình phát triển của dòng sông; mối liên hệ giữa nhân tố địa lý tự nhiên với diễn biến dòng sông Đồng thời, nghiên cứu về địa mạo lũng sông, về tác dụng giữa nhân tố động lực và hình thái lòng sông

• Về mặt cơ học: Nghiên cứu kết cấu động lực của dòng sông (nghiên cứu vấn

đề cơ học phức tạp giữa dòng chảy, bùn cát và lòng sông) Ứng dụng những phương pháp vật lý, cơ học và những công cụ toán học để phân tích, tìm ra quy luật diễn biến dòng sông

MỞ ĐẦU

• Các hướng nghiên cứu động lực học sông ngòi:

• Nghiên cứu động thái học của dòng nước trong sông, tức là nghiên cứu về kết cấu nội bộ của dòng chảy

• Nghiên cứu quy luật chuyển động của các chất di đẩy (bùn cát đáy) và các

chất lơ lửng trong sông ngòi

• Nghiên cứu động lực học của hình thái lòng sông, quan hệ giữa hình dạng

lòng sông và kết cấu của dòng chảy

MỞ ĐẦU

• Các hướng nghiên cứu động lực học sông ngòi (tiếp):

• Nghiên cứu quy luật biến hình lòng sông trong trạng thái tự nhiên cũng như sau khi xây dựng các công trình trên sông và phương pháp tính

• Nghiên cứu xây dựng các trạm đo đạc dòng sông và các phòng thí nghiệm

động lực học sông ngòi hiện đại Đo đạc sự biến hình lòng sông ở gần các

công trình trên sông

• Nghiên cứu nâng cao mức độ chính xác của các máy móc thiết bị đo đạc sông ngòi và chế tạo ra những máy móc hiện đại

MỞ ĐẦU

• Phương pháp nghiên cứu động lực học sông

• Phương pháp nghiên cứu trực tiếp trên sông thiên nhiên:

• Thu thập các tài liệu thực đo của đoạn sông cần nghiên cứu, đoạn sông mẫu hoặc đoạn sông tương tự

• Tiến hành phân tích các qui luật và quan hệ từ các dãy tài liệu thực đo để rút ra các kết luận cần thiết, xác định các giá trị thích hợp cho các hệ số kinh nghiệm trong các công thức lý thuyết, nghiên cứu xu thế phát triển của lòng sông

• Phân tích các ảnh vệ tinh của đoạn sông nghiên cứu qua các thời kỳ khác nhau cũng cho phép nghiên cứu, tìm ra qui luật diễn biến lòng sông

MỞ ĐẦU

• Phương pháp nghiên cứu động lực học sông (tiếp)

• Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý:

• Xây dựng trong phòng thí nghiệm mô hình thu nhỏ của nguyên hình (đoạn sông thực) dựa trên những tiêu chuẩn tương tự chặt chẽ

• Tiến hành các thí nghiệm và các đo đạc cần thiết phục vụ cho nghiên cứu trên mô hình

• Từ các kết quả thu được trên mô hình mà suy ra các yếu tố tương ứng trên nguyên hình.

MỞ ĐẦU

• Phương pháp nghiên cứu động lực học sông (tiếp)

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình toán:

• Trên cơ sở ứng dụng các lý thuyết cơ bản về chuyển động của chất lỏng, chuyển động của bùn cát và diễn biến lòng sông; tiến hành phân tích các tài liệu thực đo, đơn giản hoá một cách hợp lý điều kiện bài toán, lập thuật toán và tìm lời giải cho các vấn đề nghiên cứu.

• Lời giải có thể là lời giải giải tích (các quan hệ toán học) hoặc lời giải số trị (các dãy số trị tại các thời điểm và các vị trí xác định).

DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Phân loại dòng chảy trong sông

• Đặc điểm của dòng chảy trong sông

• Dòng chảy rối trong sông

• Dòng chảy vòng trong sông cong

PHÂN LOẠI DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Chảy tầng và chảy rối

• Chảy tầng là trạng thái chảy trong đó các phần tử chất lỏng chuyển động

theo những tầng lớp riêng biệt, không xáo trộn vào nhau

• Chảy rối là trạng thái chảy trong đó các phần tử chất lỏng chuyển động

một cách hỗn loạn, vô trật tự

• Chảy phân giới là trạng thái chảy quá độ từ chảy tầng sang chảy rối hay

từ chảy rối sang chảy tầng

PHÂN LOẠI DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Chảy tầng và chảy rối

Re =

PHÂN LOẠI DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Chảy tầng và chảy rối

• Dòng chảy trong sông thiên nhiên hầu hết thuộc trạng thái chảy rối

• Trạng thái chảy tầng chỉ xuất hiện tại một lớp rất mỏng sát biên sông gọi là

lớp mỏng chảy tầng sát vách.

PHÂN LOẠI DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Dòng chảy ổn định và không ổn định

• Căn cứ vào các yếu tố chuyển động có phụ thuộc vào thời gian hay không

mà dòng chảy được phân biệt thành hai loại:

• Dòng chảy không ổn định là dòng chảy trong đó các yếu tố chuyển

động thay đổi theo thời gian

• Dòng chảy ổn định là dòng chảy trong đó các yếu tố chuyển động

không đổi theo thời gian

PHÂN LOẠI DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Dòng chảy đều và không đều

• Căn cứ vào yếu tố chuyển động có phụ thuộc vào không gian (chiều dàidòng chảy) hay không mà dòng chảy được phân biệt thành hai loại:

• Dòng chảy không đều là dòng chảy trong đó các yếu tố chuyển động

thay đổi dọc theo chiều dài dòng chảy

• Dòng chảy đều là dòng chảy trong đó các yếu tố chuyển động không

thay đổi theo chiều dài dòng chảy

PHÂN LOẠI DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Chảy êm và chảy xiết

• Trạng thái chảy êm và chảy xiết thường được phân biệt căn cứ vào sốFroude:

• u: vận tốc dòng chảy

• g: gia tốc trọng trường

• h: độ sâu dòng chảy

h g

u Fr

.

=

PHÂN LOẠI DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Chảy êm và chảy xiết

• Dòng chảy có Fr < 1 thuộc trạng thái chảy êm

• Dòng chảy có Fr > 1 thuộc trạng thái chảy xiết

• Dòng chảy có Fr = 1 thuộc trạng thái chảy phân giới

• Dòng chảy trong các sông đồng bằng thường thuộc trạng thái chảy êm Trạng thái chảy xiết thường xuất hiện ở các sông miền núi hoặc vùng lâncận các cấu trúc dốc đứng

PHÂN LOẠI DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Sự chuyển động thông thường

• Coi dòng chảy trong kênh hở và trong sông là một khối thống nhất đểnghiên cứu sự chuyển động

• Coi dòng nước chỉ vận động theo một hướng dọc, đó là phương vận động thông thường Sự chuyển động này thể hiện bằng sự thay đổi lưu tốc dòng chảy theo đường đi dọc theo chiều dòng chảy và đặc biệt là trị số và sự phân bố lưu tốc trên mặt cắt ngang

ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Sự chuyển động thông thường

R n

C =

ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Sự chuyển động nội bộ của dòng chảy

• Trong động lực học sông, ta cần phải nghiên cứu quy luật chuyển động củadòng chảy trong sông, quy luật vận động của bùn cát trong sông, quy luật

tự nhiên của dòng sông

→ Không thể chỉ nghiên cứu dòng chảy thông thường hoặc sự chuyển động theo một chiều của dòng chảy mà phải nghiên cứu sự chuyển động của từng chất điểm trong nội bộ dòng chảy theo các phương chiều khác nhau

ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Sự chuyển động nội bộ của dòng chảy

• Nghiên cứu sự chuyển động nội bộ tức là nghiên cứu sự chuyển động củatừng chất điểm

• Sự chuyển động nội bộ của dòng chảy theo 3 hình thế chủ yếu:

• Chảy rối

• Chảy vòng (chảy xoắn)

• Chảy xoáy

ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Chảy rối

• Vận tốc tại các điểm trên cùng một thuỷ trực của một mặt cắt ngang khônggiống nhau

• Vận tốc trên đường nằm ngang không giống nhau

• Vận tốc tức thời tại một điểm ở thời gian khác nhau thì khác nhau

ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Chảy vòng (chảy xoắn)

• Do dòng chảy di chuyển qua đoạn cong sinh ra lực quán tính ly tâm Dưới tác dụng của lực ly tâm, mặt nước hình thành một độ dốc ngang, do đó dòng chảy trên mặt hướng về phía bờ lõm, gây ra xói lở, ngược lại dòng chảy đáy hướng sang phía bờ lồi gây ra bồi lắng

ở đáy

ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Chảy vòng

• Trong sông thẳng cũng gây ra dòng chảy vòng yếu Hiện tượng này thường thấy ở vùng cửa sông chịu ảnh hưởng của triều

ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Chảy vòng

• Chảy vòng do lực Coriolis: do ảnh hưởng tự quay của quả đất mà mọi vật thể chuyển động trên mặt đất đều chịu tác dụng của lực

Coriolis Ở Bắc bán cầu, nều dòng chảy theo hướng kinh tuyến từ xích đạo đến Bắc cực thì mặt nước bờ phải dâng cao hơn bờ trái, do đó hình thành dòng chảy vòng Ở Nam bán cầu, hiện tượng sẽ ngược lại

ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

• Chảy xoáy

• Xoáy theo trục đứng: do mặt cắt ngang bị mở rộng hoặc thu hẹp đột ngột Thường xuất hiện ở chỗ mố cầu, trụ cầu gây xói lở lòng sông, bờ sông, trụ cầu

• Xoáy theo trục ngang: xuất hiện ở những nơi có thác ghềnh, bậc nước, sau đập, và có tốc độ lớn gây xói lở

DÒNG CHẢY RỐI TRONG SÔNG

• Dòng chảy trong sông nói chung là dòng chảy rối Dòng chảy rối là dòng chảy

mà các chất điểm nước ở trong lòng sông chuyển động luôn thay đổi về cả trị

số và hướng (phương chiều và độ lớn) Trong dòng chảy rối tồn tại rất nhiều xoáy chuyển động Cùng với sự chuyển động của các xoáy, các chất điểm

nước trong dòng chảy cũng chuyển động hỗn loạn

• Để phân biệt trạng thái chảy tầng và chảy rối có thể dùng hệ số Reynold

Re > [Re]: chảy rối

DÒNG CHẢY RỐI TRONG SÔNG

Đường quá trình lưu tốc tại một điểm trong dòng chảy

DÒNG CHẢY RỐI TRONG SÔNG

• Sự hình thành dòng chảy rối

• Dòng chảy rối sinh ra do sự tiếp xúc giữa thể nước và thể rắn

• Trên mặt phân giới giữa thể nước và thể rắn thường sinh ra một ứng lực tiếp (lực ma sát) rất lớn Do lực hút giữa các phân tử thể rắn, sự chuyển động của các dịch thể trên bề mặt thể rắn rất chậm, hình thành trạng thái chảy tầng (chảy tầng sát vách hoặc sát đáy sông)

DÒNG CHẢY RỐI TRONG SÔNG

• Sự hình thành dòng chảy rối

• Độ dày của tầng chảy sát vách phụ thuộc vào hệ số nhớt và lưu tốc dòng chảy phía trên Dòng chảy có tính nhớt tương đối lớn thì tầng sát vách tương đối dày Nếu lưu tốc dòng nước bên trên tương đối lớn thì tầng này mỏng hơn

• Theo giải thích của Prandtl, do một tác động nào đó mà mặt phân giới sẽ thành gợn sóng Nơi lưu tuyến của dòng chảy bị ép chặt, lưu tốc sẽ lớn; nơi lưu tuyến rời thưa ra, lưu tốc sẽ nhỏ

DÒNG CHẢY RỐI TRONG SÔNG

• Sự hình thành dòng chảy rối

(a) Chảy tầng (b) Mặt phân giới bị gợn sóng

DÒNG CHẢY RỐI TRONG SÔNG

• Sự hình thành dòng chảy rối

• Theo Bernoulli, khi lưu tốc nhỏ, áp lực sẽ lớn, khi lưu tốc lớn, áp lực sẽ nhỏ Cho nên ở nơi lưu tuyến dày áp lực sẽ giảm, ở nơi lưu tuyến thưa áp lực tăng Do chênh nhau về áp lực, lưu tuyến sẽ cong gấp khúc dẫn đến tình trạng mặt phân giới bị phá vỡ sinh ra xoáy khuếch tán

• Xoáy truyền từ dưới đáy lên phía trên và truyền ra toàn bộ dòng chảy Những xoáy này có thể hợp lại thành xoáy lớn hơn hoặc phân thành các xoáy nhỏ hơn trong quá trình di chuyển lên phía trên

DÒNG CHẢY RỐI TRONG SÔNG

• Sự hình thành dòng chảy rối

(c) Các lưu tuyến cong và sự chênh áp lực (d) Lưu tuyến cong gấp, xoáy hình thành

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• Chênh lệch mực nước giữa 2 bờ: Gần đỉnh cong, mực nước

phía bờ lõm là cao nhất, phía bờ lồi mực nước là thấp nhất

• Đường mặt nước thay đổi: Đường mặt nước hướng dọc ở 2

bờ ngược nhau, bờ lõm có đường mặt nước lồi và bờ lồi có

đường mặt nước lõm

• Cường độ dòng chảy vòng hướng ngang tăng dần kể từ nơi

bắt đầu vào đoạn cong và lớn nhất tại gần đỉnh (dịch về phía

hạ lưu), sau đó giảm dần khi ra khỏi đoạn cong

• Do ảnh hưởng của dòng chảy vòng hướng ngang mà bờ lõm

không ngừng bị sạt lở, bờ lồi không ngừng được bồi, sông

cong càng phát triển trở nên cong gấp hơn

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• Nghiên cứu dòng chảy vòng trong đoạn sông cong ta thấy nguyên nhân chủ yếu là do lực quán tính ly tâm gây nên sự chênh lệch về áp lực Lớp nước trên mặt chịu áp lực hướng sang bờ lõm, lớp nước phía dưới đáy hướng ngược lại

từ bờ lõm sang bờ lồi

• Hai yếu tố đặc trưng cho dòng chảy vòng hướng ngang là độ dốc hướng ngang

và lưu tốc hướng ngang

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• Xét cột nước thẳng đứng có chiều dài và chiều rộng bằng 1 đơn vị

• Giả thiết: dòng chảy vòng là dòng chảy ổn định

và đều; ở phía thượng lưu và hạ lưu của cột nước đều không có ma sát trong; áp lực nước tác dụng vào 2 bên cột nước theo quy luật áp lực thủy tĩnh

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

R

U J

H F

2

0

2 2

=

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• : trọng lượng riêng của nước

• H: chiều sâu của dòng nước

• : khối lượng riêng của nước

• 0: hệ số phân bố lưu tốc

• Ubq: lưu tốc bình quân theo chiều dòng chảy

• Rc: bán kính cong

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

(2

12

y

R

U J

H J

H



DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• Do trị số Jy tương đối nhỏ, nên Jy2càng nhỏ, có thể bỏ qua không tính Mặt khác, có thể lấy 2H + Jy  2H Phương trình (2) có thể viết thành:

0

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• Hệ số phân bố lưu tốc 0 có thể xác định bằng công thức:

• : chiều sâu tương đối,  = Z/H

• Z: khoảng cách từ điểm tính toán đến đáy

• Ux: lưu tốc hướng dọc

) 4 (

1 1

0

2 2

Ubq x

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

CK

g U

=

0

2 1

0

2 2

CK

g d

U

U bq x

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

0 1

K C

g

+

=



DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• Thay kết quả tính 0 vào công thức (3) ta có:

• Ubq: lưu tốc bình quân hướng dọc

gR

U K

C

g J

2 2

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• Phương pháp đồ giải:

• Xét sự phân bố áp lực nước P1, P2 và lực quán tính ly tâm F trên cột nước.

Phân bố lực tác dụng trên cột nước vàvận tốc hướng ngang trên thủy trực(a) Phân bố áp lực thủy tĩnh P1, P2(b) Phân bố lực quán tính ly tâm F(c) Tổng hợp lực của 3 lực P1, P2, F(d) Phân bố lưu tốc hướng ngang

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• Phương pháp giải tích

• Lấy một chất điểm nước hình hộp có các cạnh lần lượt là x, y, z trong đoạn sông cong để xét tình hình chịu lực theo hướng ngang

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

trực

• Phương pháp giải tích:

• Các lực tác dụng lên chất điểm nước:

• Áp lực nước tác dụng lên mặt ABCD: Py.x.z

• Áp lực nước tác dụng lên mặt EFGH

• Lực ma sát của mặt dưới: y.x.y

• Lực ma sát của mặt trên

• Lực ly tâm của khối nước F

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• Phương pháp giải tích

• Viết phương trình cân bằng động lực theo phương y ta có:

(1) - (2) + (3) - (4) + (5) = 0

0 )

( )

− +

y R

U z y x y

x

y y

P P

P y y y       x  y  y  y   

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG





−

c R x

U z

y y

y

P





DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• Phương pháp giải tích

• Ta có:

• Thay vào (6) ta có:

) (H Z

y

J y

H y

−

c

x y

y

R

U z

c

x y

y

R

U J

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

.

1

K C

g U

( 1

[





+ +

U J

bq y

2

)] ln

1 ( 1

HU HJ

c

bq y

y

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

2 2

2

2 2

2

) 2 ln

2 ln

(

1 )

ln ( 1

2

1

C K

CK

g g

K

C g

C CK g

U

J R C R

C

HU

bq

y c c

−



DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• Phương pháp giải tích

• Đặt:

• Công thức tính y trở thành:

) 2 ln

2 ln

(

1 )

ln ( 1

2

1 )

2 2

−

=

K CK

g g

K

C g

C CK g

U

J R

C F

bq

y c

1 2

2

)

F R

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• Phương pháp giải tích

• Tại mặt nước ( = Z/H = 1) thì lực ma sát y = 0 nên:

1 2

2

1 = −  F()=

R C

HU C

c bq

HU

c bq y

DÒNG CHẢY VÒNG TRONG SÔNG CONG

• Phương pháp giải tích

• Lực ma sát y còn gọi là ứng suất tiếp trong dòng chảy rối:

• y: hệ số truyền động lượng theo hướng ngang

• Ay: hệ số hỗn hợp rối động theo phương ngang

)9(

y

U H

A Z

U A

Z U