Động lực học cát biển - Hướng dẫn các ứng dụng thực hành - Chương mở đầu docx

Những năm gần đây, việc nghiên cứu vận chuyển trầm tích và biến đổi địa mạo từ góc độ thuỷ động lực đã được thúc đẩy và nhận được một số kết quả khả quan.. Ngay cả ở những nước tiên tiến

trường đại học khoa học tự nhiên

Richard Soulsby

Động lực học cát biển

Hướng dẫn các ứng dụng thực hành

Biên dịch: Nguyễn Thọ Sáo

Hà Nội 2004

lời người dịch

Hầu như hàng ngày chúng ta đều nhận được các thông tin về sạt lở bờ sông, xói

lở bờ biển hoặc bồi lấp luồng lạch từ nhiều nơi trên đất nước Hiện tượng này xảy ra thường xuyên và có xu hướng ngày càng trở nên phức tạp, khó kiểm soát, đe doạ các mục tiêu kinh tế và quốc phòng, gây ảnh hưởng lớn đến đời sống của nhân dân Vấn

đề bồi tụ và xói lở bờ sông, bờ biển ở Việt Nam cùng những hậu quả kèm theo của nó

đang là mối thách thức đối với các nhà khoa học và các nhà quản lý Những năm gần

đây, việc nghiên cứu vận chuyển trầm tích và biến đổi địa mạo từ góc độ thuỷ động lực đã được thúc đẩy và nhận được một số kết quả khả quan Tuy nhiên đây là một lĩnh vực rất khó khăn bởi số liệu điều tra khảo sát còn ít, phương pháp và kỹ thuật tính toán chưa hoàn thiện nên các kết quả nhận được còn nhiều hạn chế Ngay cả ở những nước tiên tiến với trình độ khoa học cao và mô hình tính toán hiện đại, phương tiện kỹ thuật đầy đủ, các kết quả vẫn có sai số lớn và các kết luận vẫn được phát biểu một cách dè dặt

Để cung cấp thêm thông tin khoa học hiện đại và góp phần nâng cao kiến thức cho sinh viên, NCS và các kỹ sư thực hành ở lĩnh vực này, chúng tôi biên dịch cuốn

“Động lực học cát biển- Hướng dẫn các ứng dụng thực hành” của R Soulsby, NXB Thomas Telford, 1997 Richard Soulsby là nhà vật lý và hải dương học, chuyên sâu nghiên cứu vận chuyển trầm tích Ông đang đứng đầu nhóm Trầm tích biển tại Viện Nghiên cứu Thủy lực HR Wallingford, nước Anh HR Wallingford là cơ quan nghiên cứu và tư vấn về nước và công trình dân dụng nổi tiếng trên thế giới, cung cấp những giải pháp hợp lý trong các lĩnh vực: tài nguyên nước, thuỷ lợi, nước ngầm, tiêu nước

đô thị, cảng và bến cảng, thuỷ động lực sông, cửa sông, vùng ven bờ và xa bờ

Tác giả cuốn sách đã tổng quan các công trình nghiên cứu trong lĩnh vự này khá

đầy đủ, trình bày ngắn gọn về các tác nhân, cơ chế, các quan điểm và các phương pháp nghiên cứu vận chuyển trầm tích, bồi tụ và xói lở; đưa ra bức tranh vật lý của vấn đề vốn rất phức tạp và lý thú.Cuốn sách được chia thành các tiểu mục về Kiến

thức và Quy trình Nghiên cứu sinh có thể quan tâm chủ yếu đến Kiến thức, bổ sung

thêm những ví dụ trong Quy trình; sinh viên và kỹ sư thực hành có thể theo Quy

trình, và đọc thêm phần liên quan đến Kiến thức

Hy vọng cuốn sách sẽ có ích cho sinh viên và NCS ở các lĩnh vực hải dương học, thuỷ văn học, hàng hải, thuỷ lợi, xây dựng công trình biển, địa lý Người dịch cám ơn Khoa KT-TV-HDH, Trường Đại học KHTN đã tạo mọi điều kiện, cám ơn NCS Nguyễn Minh Huấn đã đọc và hiệu đính bản dịch Bản dịch chắc chắn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được góp ý của người đọc

Người dịch: Nguyễn Thọ Sáo

Mục lục

Mở đầu 10

Lời cảm ơn 12

Chú giải 13

Những minh họa 18

Các ví dụ 18

Các bảng 19

Các hình vẽ 19

Chương 1 Giới thiệu 21

1 1 Tổng quan 21

1.2 Gói phần mềm SandCalc 22

1.3 Trạng thái cát biển 23

1.4 Khái niệm về ứng suất trượt tại đáy 24

1.5 Quy trình tổng quát nghiên cứu trầm tích 29

1.6 Sai số và độ nhạy 35

Chương 2 Các thuộc tính của nước và cát 37

2.1 Mật độ và độ nhớt của nước 37

Kiến thức 37

Quy trình 39

2.2 Vật chất đáy 39

Kiến thức 39

Quy trình 43

2.3 Những hỗn hợp cát - nước 44

Kiến thức 44

Quy trình 46

2.4 Độ thấm và lỏng hoá 47

Kiến thức 47

Quy trình 52

Chương 3 Dòng chảy 53

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

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

8.5 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

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

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

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

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

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 s

g

D    

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

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

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

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



A

U

s = s/ tỷ lệ các mật độ của hạt và nước