Động lực học cát biển - Hướng dẫn các ứng dụng thực hành - Chương 7 pptx

Các thành tạo tương tự được hình thành do dòng chảy thuỷ triều trong cửa sông và trong biển, nơi trạng thái dao động của thuỷ triều liên tục làm thay đổi bức tranh gợn cát, và có thể làm

Chương 7 Các thành tạo đáy

7.1 Tổng quan

Một đặc trưng phổ biến của dòng chảy trong sông, cửa sông và biển là xu hướng của đáy cát tự hình thành một trong nhiều loại thành tạo đáy Loại thành tạo (hoặc

đáy gồ ghề) phụ thuộc vào cường độ và trạng thái dòng chảy: dòng chảy ổn định, dòng chảy thuỷ triều, sóng, hoặc kết hợp của chúng Một vài loại đáy gồ ghề được thể hiện trên hình 23 Dòng chảy ổn định trong sông hình thành các gợn cát nhỏ, các

đụn cát lớn và đôi khi là các gợn cát trên sườn các đụn cát Các thành tạo tương tự

được hình thành do dòng chảy thuỷ triều trong cửa sông và trong biển, nơi trạng thái dao động của thuỷ triều liên tục làm thay đổi bức tranh gợn cát, và có thể làm cho hình dạng của đụn cát hoặc sóng cát đối xứng hơn

Tên gọi các thành tạo lớn hơn trong biển vẫn chưa được xác lập đầy đủ Tên sóng cát được nhiều nhà hải dương học sử dụng cho các thành tạo lớn về bề ngang, kể cả các thành tạo tương tự như những thứ được gọi là đụn cát trong sông, và cách định danh này được tuân thủ trong cuốn sách này Tuy nhiên các kỹ sư thuỷ lực thường giữ lại cái tên sóng cát đối với các thành tạo lớn nhất (độ dài bước sóng vài trăm hoặc vài nghìn mét) thấy trong biển Các tên sóng cát và sóng đáy đôi khi cũng được sử dụng để chỉ bất kỳ loại nhiễu động nào có dạng sóng của đáy, kể cả gợn cát

Một phạm vi rộng của các thành tạo khác, cả ngang và dọc theo dòng chảy, cũng thấy trong biển Nơi sóng là yếu tố thuỷ động lực nổi trội, gợn cát do sóng hình thành theo một hình dạng đặc biệt khác với các gợn cát hình thành bởi dòng chảy Sóng cũng có thể tạo ra các thành tạo đáy rất lớn, như các doi cát ngăn sóng trong vùng sóng đổ (xem hình 23d)

Các ứng dụng kèm theo các thành tạo đáy bao gồm sự bồi lấp các công trình lấy nước, làm xói các đường ống dẫn đến việc ‘dãn rộng ra’ và có thể làm gãy chúng Các thành tạo đáy cũng có ảnh hưởng thống trị lên các đặc trưng ma sát và hình thành rối trong dòng chảy, và có cả hiệu ứng trực tiếp (dịch chuyển đáy gồ ghề) lẫn gián tiếp (làm tăng độ lơ lửng) lên vận chuyển trầm tích

72 Các gợn cát và sóng cát do dòng chảy

Kiến thức

Đối với dòng chảy vượt quá ngưỡng chuyển động, một đáy phẳng ban đầu có thể biến dạng thành nhiều loại đáy gồ ghề, xếp theo kích thước từ gợn cát nhỏ đến các bờ cát lớn Khi vận tốc dòng chảy tăng cao, và nơi nguồn cung cấp cát hạn chế, cát có

thể bị giữ lại thành các đụn cát hình răng cưa và/hoặc thành các lớp cát mỏng

chuyển động trên lớp cuội sỏi Với vận tốc ôn hoà hơn, các đáy gồ ghề có hướng ngang

với dòng chảy, và có thể tạo ra các gợn cát, đụn cát và/hoặc sóng cát Các bờ cát hình

thành khi thích nghi với bức tranh dòng chảy quy mô lớn

Hình 23 Các loại đáy gồ ghề: a) gợn cát do dòng chảy b) gợn cát do sóng c) sóng cát / đụn cát d) doi

ngăn sóng

Các gợn cát là những thành tạo đáy nhỏ, độ cao và bước sóng của chúng rất nhỏ

so với độ sâu nước Chúng hình thành trên đáy cát với cỡ kích thước hạt đến 0,8mm,

đối với vận tốc dòng chảy vượt quá ngưỡng chuyển động nhưng không lớn đến mức làm trôi rửa các gợn cát

Các hạt thô hơn 0,8mm không tạo nên các gợn cát, cho dù các sóng cát có thể hình thành với mọi kích thước hạt, kể cả cuội sỏi, lúc đó chúng được gọi là sóng cuội Với vận tốc dòng chảy rất lớn (ví dụ U >1,5ms-1 đối với d = 0,2mm) các gợn cát bị rửa trôi để trở thành một đáy phẳng với dòng trầm tích sát đáy vận chuyển trầm tích mạnh Với vận tốc dòng chảy thấp, dưới ngưỡng chuyển động, các thành tạo đáy giữ nguyên hình dạng mà chúng có vào lúc dòng chảy có giá trị dưới ngưỡng Hình dạng

này nói chung không biết được khi thực hiện tính toán cho một điểm riêng biệt theo

thời gian mà không xét đến lịch sử dòng chảy trước đó, do vậy để xác định nó thường

giả định rằng đáy là phẳng đối với các điều kiện dưới ngưỡng Tuy nhiên, trong thực

tế, thường thấy rằng bức tranh gợn cát sẽ vẫn như vậy nếu vận tốc dòng chảy giảm

chậm hợp lý, do đó phỏng đoán tốt nhất để tính toán độ nhám đáy cho dòng chảy

dưới ngưỡng là coi chúng như gợn cát Mặt khác, trong các khu vực có các hoạt động

sinh học mạnh, đáy gợn cát có thể hình thành bởi các động vật cày xới chỉ trong vài

giờ

Gợn cát do dòng chảy sinh ra thường có mặt cắt bất đối xứng, với mái dốc hơn ở

sườn phía sau đỉnh (xem hình 23a) Chúng tạo ra bức tranh không đều, thiên về 3

chiều khi nhìn từ trên xuống, với độ dài đỉnh của một gợn cát riêng lẻ tiêu biểu

khoảng 1-3 lần bước sóng Bước sóng r của gợn cát thường lấy xấp xỉ 1000 đường

kính hạt, độ cao rcó thể đến 1/7 bước sóng:

r  1000d50 (81a)

7

/ r

r  

Một đánh giá trung bình cho tất cả các kích thước hạt dựa trên quan trắc tại đáy

biển, trên đáy cát phẳng chịu tác động nội thuỷ triều, và trong các máng thí nghiệm,

cho thấy gợn cát do dòng chảy sinh ra có bước sóng khoảng 0,14 m và độ cao khoảng

0,016 m.Các gợn cát chuyển động xuống hạ lưu rất chậm theo hướng dòng chảy

Trong dòng chảy thuỷ triều mạnh (triều cường) các gợn cát sẽ bất đối xứng, hướng và

độ dịch chuyển thay đổi theo sự biến đổi hướng dòng chảy

Các đụn cát và sóng cát là các thành tạo lớn hơn phát sinh do dòng chảy, thường

có bước sóng khoảng vài chục mét và có độ cao vài mét (xem hình 23c) Độ cao và

bước sóng được khống chế bởi độ sâu nước và ứng suất trượt tại đáy Một chỉ dẫn thô

đối với bước sóng của chúng là bằng 6 lần độ sâu nước Có nhiều công thức kinh

nghiệm đối với độ cao s và bước sóng s cho các sóng cát, các công thức đáng tin cậy

nhất trong số chúng gồm có:

Yalin (1964):

s  0 với 0s  cr SC (82a)



















s

cr s

h

0

1

6 



với cr  0s  17 , 6 cr SC (82b) s  0 với 0s  17 , 6 cr SC (82c) s  2  h SC (82d)

Van Rijn (1984):

s  0 với 0s  cr SC (83a)

T s

h

d













3 , 0

0 50

 với cr  0s  26 cr SC (83b)

s  0 với 0s  26 cr SC (83c) s  7 , 3 h SC (83d)

trong đó s = độ cao sóng cát

s

 = bước sóng cát

h = độ sâu nước

s

0

 = ứng suất trượt tại đáy do ma sát lớp đệm

cr

 = ngưỡng ứng suất trượt đối với chuyển động trầm tích

cr

cr s s T





 0

d50= kích thước hạt trung vị

Các công thức này được minh hoạ trong hình 24 Công thức Van Rijn được kiến

nghị sử dụng do nó được hiệu chỉnh theo tập hợp số liệu lớn nhất Chú ý rằng Van

Rijn sử dụng ks= 3d90 để tính toán0s, cho giá trị hơi lớn hơn so với nhận được bằng

ks= 2,5d50

Hình 24 Các công thức đối với độ cao sóng cát

Các phương trình (82) và (83) áp dụng cho dòng chảy ổn định đơn hướng như

trong sông Trong các điều kiện thuỷ triều, nơi vận tốc dòng chảy luôn thay đổi, đáy

gồ ghề không thể hoàn toàn đáp ứng dòng chảy, và công thức ít tin cậy Trong dòng

chảy đơn hướng, các thành tạo đáy dịch chuyển chậm về hạ lưu Trạng thái tương tự

quan trắc được trong các cửa sông và biển nếu có dòng chảy mạnh thống trị theo

hướng triều lên và xuống Một ví dụ được cho trong hình 25, trong đó các sóng cát có

độ dài 15m và độ cao 0,8m dịch chuyển 1m/ngày trong một phần cửa sông Taw, Tây Nam nước Anh, với dòng triều lên mạnh chiếm ưu thế

Thuật ngữ đụn cát có xu hướng được sử dụng đối với các thành tạo đáy lớn trong sông, trong khi thuật ngữ sóng cát được sử dụng trong biển Không hoàn toàn rõ ràng chúng có đồng nhất về mặt hình thái học hay không, nhưng trong biển các sóng cát (có thể có độ dài vài trăm mét) thường có thành tạo đáy với kích thước trung bình chồng lên chúng, và do vậy chúng được coi là đụn cát Ngoài ra, các gợn cát có thể cùng tồn tại với các đụn cát và/hoặc sóng cát

Hình 25 Dịch chuyển sóng cát trong cửa sông Taw - khảo sát đáy hàng ngày; trục tung =10x

Độ dịch chuyển thành tạo đáy có thể sử dụng như một phương pháp đo đạc suất vận chuyển dòng di đáy Nếu giả thiết rằng tất cả các hạt di động lăn trên đáy gồ ghề, ngược lên mái thượng lưu (theo sườn đón) và xuôi xuống mái hạ lưu (theo sườn khuất), và nằm lại tại chỗ trũng, thì suất vận chuyển thể tích dòng di đáy qb có thể tính toán theo phương trình:

q b a mV mig (84) trong đó am= hằng số

 = độ cao đáy gồ ghề

Vmig = vận tốc dịch chuyển

Hằng số am là tích số của (1-) trong đó  là độ xốp (xem mục 2.3) với một hệ số mô tả hình dạng của thành tạo đáy Nếu = 0,4 và có dạng hình tam giác, thì am= 0,60 x 0,5 = 0,30 Các giá trị quan trắc nói chung nằm trong phạm vi 0,22 < am<

0,37 Sử dụng giá trị am= 0,32 nếu hình dạng và độ xốp không được biết (Jinchi, 1992)

Phương pháp nói trên có thể sử dụng hoặc đối với gợn cát hoặc đối với đụn cát/ sóng cát

Giả thiết mà phương trình (84) dựa trên đó có thể không hoàn toàn hiệu lực, bởi vì nhiều hạt không nằm lại ở chỗ trũng, mà chỉ tiếp tục lăn dọc theo đáy, hoặc được mang vào trạng thái lơ lửng Do đó các đo đạc suất vận chuyển dòng di đáy theo sự dịch chuyển thành tạo đáy có thể thiên lớn, đến 2 lần

Với vận tốc dòng chảy lớn, các gợn cát và đụn cát bị trôi rửa, và đáy trở nên phẳng với vận chuyển trầm tích mạnh xảy ra giống như dòng sền sệt hoặc dòng trầm tích sát đáy trong bề dày khoảng vài mm trên đáy Điều kiện này xảy ra phù hợp với chỉ tiêu xấp xỉ:

s  0 , 8 (85a) hoặc

0s  0 , 8 g   s  1  d (85b) trong đó 0s= ứng suất trượt tại đáy do ma sát lớp đệm

s = tham số ma sát lớp đệm Shields

g = gia tốc trọng trường  = mật độ nước

s = mật độ tương đối của trầm tích

d = đường kính hạt

Trong biển, sự rửa trôi các gợn cát xảy ra trong nước nông với dòng chảy mạnh hoặc dưới tác động sóng mạnh như trong vùng sóng đổ

Quy trình

1 ví dụ 7.1 Kích thước sóng cát

- Để tính toán kích thước sóng cát

đối với điều kiện dòng chảy cho trước,

cho các giá trị của:

+ vận tốc dòng chảy thuỷ triều cực đại U 1,0ms-1

- Tính toán ngưỡng

ứng suất trượt tại đáy (ví dụ 6.3) cr 0,176Nm-2

- Tính toán ứng suất trượt tại đáy

thực tế do ma sát lớp đệm từ

phương trình (34) 0s 0,952Nm-2

Sử dụng phương pháp Van Rijn

- Tính toán Ts = 0s  cr cr 4,41

- Vì cr  0s  26cr , sử dụng

- Độ dài sóng

cho bởi phương trình (83d) là s 73m

- Công thức Yalin phương trình (82)

cho lời giải tương ứng là s = 1,36m

2 Để đo đạc vận chuyển trầm tích di đáy theo mức dịch chuyển sóng cát, đo lặp nhiều lần bằng máy hồi âm dọc theo hướng dòng chảy ưu thế, hoặc trong vùng có thuỷ triều, khảo sát lặpđi lặp lại bằng cọc thuỷ chí dọc theo đường vuông góc với các

đỉnh sóng cát Trong cả hai trường hợp, đòi hỏi độ chính xác cao khi cố định vị trí

Đối với thuỷ triều bán nhật, một chu kỳ 12,5 hoặc 25 h giữa các đợt khảo sát là phù

hợp

Ví dụ 7.2 Dịch chuyển các sóng cát

- Phân tích bản ghi để nhận được :

+ vận tốc dịch chuyển trung bình,

bằng cách xếp chồng liên tiếp các mặt cắt

và xê dịch để nhận được sự khớp nhất Vvig 1,0m/ngày

- Sử dụng phương trình (84) với am=0,32

để nhận được suất vận chuyển thể tích

qb= 0,32 x 0,8 x 1,0 = 0,26m2/ngày

- Suất vận chuyển trung bình,

73 Gợn cát do sóng

Kiến thức

Gợn cát do sóng thường đối xứng qua đỉnh trong mặt cắt ngang, với đỉnh tương

đối nhọn (xem hình 23b) Đỉnh của chúng thẳng hàng với đỉnh sóng nước, và khi nhìn từ trên xuống, tạo nên bức tranh đều đặn các đường gần như song song với chiều dài nối đỉnh rất dài, đôi chỗ bị gián đoạn do chập với gợn cát khác Bước sóng của chúng r nói chung bằng 1-2 lần biên độ quỹ đạo A = UwT/(2) của chuyển động

sóng tại đáy, trong đó Uw là biên độ vận tốc quỹ đạo và T là chu kỳ sóng Độ cao

r

 của chúng thường giữa 0,1 và 0,2 lần bước sóng của chúng

Gợn cát do sóng bị trôi rửa bởi vận tốc quỹ đạo rất lớn, làm cho đáy phẳng với dòng trầm tích nhiễu động sát đáy Chỉ tiêu để trôi rửa gợn cát được cho ở dạng tham

số ma sát lớp đệm Shields ws, với giá trị tới hạn tiêu biểu khoảng 0,8 (phương trình (85a)), hoặc ở dạng số sóng di động  với giá trị tiêu biểu khoảng 150, trong đó:

g s

ws cr











d ) s ( g

Uw

1

2





Các phương pháp khác nhau được đề xuất để tính toán r và r

1 Grant và Madsen (1982)

Đối với ws  cr

r  r  0 (hoặc các giá trị có từ trước) SC (88a)

Đối với cr  ws  B

r  0 , 22 ( ws / cr)0,16A SC (88b)  0 , 04

) / ( 16 , 0



Đối với ws  B

r  0 , 48 ( D*1,5/ 4 )0,8( ws / cr)0,15A SC (88d)  1 , 5 0 , 6 0 , 04

* / 4 ) ( / ) (

28 , 0



với

B  1 , 8 cr( D1*,5/ 4 )0,6 SC (88f)

3 1 2

1

d ) s ( g D

/





 





2 Nielsen (1992) đưa ra công thức đối với các sóng (đều) trong phòng thí nghiệm

Đối với ws  cr, r  r  0 (hoặc các giá trị đã có từ trước) SC (89a) r 0,2750,0220,5A với 156 SC (89b)  1 , 5

24 , 0 128 , 0

r

    ws  0 , 831 SC (89c)

Đối với 156 hoặc ws  0 , 831, r  r  0 SC (89d)

Điều kiện trôi rửa  = 156 vàws = 0,831 không hoàn toàn tương thích với nhau

Phương pháp chi tiết hơn, dựa trên một khối lượng số liệu được đề xuất bởi Mogride và nnk (1994)

Quy trình

1 Để tính toán độ cao, bước sóng của gợn cát trên đáy cát thạch anh trong nước biển tại 10oC và 35o/oo, lúc đầu cho độ cao H và chu kỳ T sóng Các sóng được giả

thiết đơn điệu

Ví dụ 7.3 Gợn cát do sóng

- Tính toán vận tốc quỹ đạo,

sử dụng hình 14, (sóng đơn điệu) Uw 0,310ms-1

- Tính toán biên độ quỹ đạo 0,310 x 6/2 A 0,296m

- Tính toán ngưỡng tham số Shields (xem ví dụ 6.3)

- Tính toán hệ số ma sát sử dụng

- Tính toán tham số Shields

- Tính toán tham số di động sóng

- Tính toán độ cao gợn cát

sử dụng phương pháp

- Tính toán độ dài gợn cát

2 Để so sánh, phương pháp Grant và Madsen cho r =0,0579m,r = 0,373m

74 Ma sát do đáy gồ ghề

Kiến thức

Khi có mặt gợn cát, đụn cát hoặc sóng cát, chúng phát sinh sức cản hình dạng bởi trường phân bố áp suất động lực trên bề mặt của chúng Đây là sức cản cả khối,

tương tự như sức cản của gió lên một cái ôtô Sức cản hình dạng có thể lớn hơn nhiều lần ma sát lớp đệm tác động lên các hạt cát và thường là nguyên nhân thống trị của sức cản mà sông hoặc dòng chảy thuỷ triều trong cửa sông và biển cảm nhận được

Đối với mục đích vận chuyển trầm tích, ma sát lớp đệmos có bổn phận đối với vận chuyển dòng di đáy và sự cuốn theo cát từ đáy, trong khi sức cản hình dạng

f

0

 liên quan đến rối mạnh, làm khuếch tán trầm tích lơ lửng vào dòng chảy Các thảo luận tiếp theo về osvà 0f , và sự bổ sung của của chúng để nhận được ứng suất tổng cộng được cho trong mục 1.4, mục 3.4 và phương trình (39)

Đối với gợn cát do dòng chảy, ứng suất tổng cộng thường nhận được bằng cách

lấy độ dài nhám z0, hoặc độ nhám Nikuradse ks, trong đó ks= 30z0 Bảng 7 đưa ra giá trị trung bình từ các đo đạc trên đáy gợn cát trong biển có z0= 6mm Như vậy, thành phần sức cản hình dạng zof có thể liên quan đến độ cao rvà bước sóng r của gợn cát:

r

r r

f a z



2 0



 SC (90)

trong đó các khảo sát khác nhau cho ta ar trong phạm vi 0,3 < ar < 3, với giá trị tiêu biểu ar= 1,0

Độ dài nhám tổng cộng z0 nhận được bằng cách sử dụng phương trình (43), trong

đó thành phần vận chuyển trầm tích zot có thể phù hợp

Ma sát trên gợn cát do sóng có thể dẫn xuất theo cách tương tự Phương trình

(90) được sử dụng với giá trị phù hợp của ar để nhận được z0r, và có thể bổ sung thành phần vận chuyển trầm tích Một vài phương pháp được đề xuất

1 Grant và Madsen (1982) sử dụng ar= 0,923 trong phương trình (90) với r và

r

 được tính toán bằng phương pháp riêng của họ (phương trình (88)), cộng với thành phần vận chuyển trầm tích:

2 5

, 0 50



































cr

ws cr

z





 SC (91)

2 Nielsen (1992) sử dụng ar=0,267 trong phương trình (90) với rvàrđược tính toán bởi phương pháp riêng của ông (phương trình (89)), cộng với thành phần vận chuyển trầm tích:

z0t  5 , 67 ( ws  0 , 05 )0,5d50 SC (92)

3 Raudkivi (1988) sử dụng ar= 0,533 trong phương trình (90) với r vàrđược tính toán bởi phương pháp Nielsen (phương trình (89)), cộng với thành phần vận chuyển trầm tích:

z0t  0 , 00533 Uw2,25 SC (93) trong đó z0t tính bằng mét và Uw bằng ms-1