Động lực học cát biển - Chương 5: Kết hợp sóng và dòng chảy

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

81
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong hầu hết các khu vực biển ven bờ và thềm lục địa, cả sóng và dòng chảy đều đóng vai trò quan trọng trong động lực trầm tích. Việc xử lý trong trường hợp này rất phức tạp vì sóng và dòng chảy tương tác thuỷ động lực với nhau, do vậy trạng thái kết hợp của chúng không đơn giản là tổng tuyến tính của các trạng thái riêng biệt của chúng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Động lực học cát biển - Chương 5: Kết hợp sóng và dòng chảy

Ch¬ng 5. kÕt hîp sãng vµ Dßng ch¶y 5.1. Tæng quan Trong hÇu hÕt c¸c khu vùc biÓn ven bê vµ thÒm lôc ®Þa, c¶ sãng vµ dßng ch¶y ®Òu ®ãng vai trß quan träng trong ®éng lùc trÇm tÝch. ViÖc xö lý trong trêng hîp nµy rÊt phøc t¹p v× sãng vµ dßng ch¶y t¬ng t¸c thuû ®éng lùc víi nhau, do vËy tr¹ng th¸i kÕt hîp cña chóng kh«ng ®¬n gi¶n lµ tæng tuyÕn tÝnh cña c¸c tr¹ng th¸i riªng biÖt cña chóng. C¸c h×nh thøc mµ sãng vµ dßng ch¶y t¬ng t¸c bao gåm: - thay ®æi vËn tèc pha vµ bíc sãng bëi dßng ch¶y, dÉn tíi khóc x¹ sãng - t¬ng t¸c c¸c líp biªn sãng vµ líp biªn dßng ch¶y, dÉn tíi viÖc t¨ng cêng c¶ thµnh phÇn dao ®éng vµ thµnh phÇn æn ®Þnh cña øng suÊt trît t¹i ®¸y - ph¸t sinh dßng ch¶y do sãng, bao gåm dßng ch¶y däc bê, dßng sãng déi vµ dßng vËn chuyÓn khèi lîng (phun trµo). Hai c¬ chÕ ®Çu tiªn ®îc ®Ò cËp ë ®©y. 5.2. bíc sãng KiÕn thøc Sãng lan truyÒn khi cã mÆt dßng ch¶y sÏ bÞ biÕn ®æi, nÕu mét ngêi quan s¸t ®øng yªn sÏ nh×n thÊy, bëi v× c¸c ph¬ng tr×nh sãng ¸p dông trong mét khung tham chiÕu chuyÓn ®éng cïng víi vËn tèc dßng ch¶y. HiÖu øng Doppler lµm cho sãng cã bíc sãng cho tríc ph¶i cã chu kú ng¾n h¬n nÕu chóng ®îc dßng ch¶y mang vÒ phÝa ngêi quan s¸t ®øng yªn. §èi víi trêng hîp th«ng thêng h¬n, khi chu kú sãng ®îc cè ®Þnh (®Ó b¶o toµn tæng sè sãng), bíc sãng gi¶m khi sãng gÆp ph¶i dßng ch¶y theo híng ngîc l¹i, vµ ®é cao sãng t¨ng lªn (®Ó b¶o toµn møc ®é truyÒn n¨ng lîng). §iÒu ngîc l¹i x¶y ra khi dßng ch¶y theo híng sãng. Thµnh phÇn dßng ch¶y vu«ng gãc víi híng truyÒn sãng kh«ng cã hiÖu øng nµo ®èi víi sãng. Quan hÖ ph©n t¸n ®èi víi sãng cã tÇn sè gãc tuyÖt ®èi  vµ sè sãng k (xem môc 3.2) khi cã mÆt vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh ®é s©u U vµ hîp mét gãc víi híng lan truyÒn sãng lµ:   U k cos  2  gk tanh( kh) (68) trong ®ã g lµ gia tèc träng trêng vµ h lµ ®é s©u níc.   §¹i lîng   U k cos  ®îc gäi lµ tÇn sè sãng t¬ng ®èi. TÇn sè tuyÖt ®èi lµ khi ngêi quan s¸t ®øng yªn nh×n thÊy, trong khi tÇn sè t¬ng ®èi lµ khi ngêi quan s¸t chuyÓn ®éng cïng víi dßng ch¶y nh×n thÊy. 82
§èi víi dßng ch¶y b»ng kh«ng ( U =0), ph¬ng tr×nh (68) ®¬n gi¶n thµnh ph¬ng tr×nh (50). Híng  x¸c ®Þnh lµ  = 00 khi dßng ch¶y lan truyÒn cïng víi híng sãng,  = 1800 khi dßng ch¶y ngîc víi híng sãng. C¸c gãc kh¸c víi  = 00, 1800,  900 lµm cho sãng bÞ khóc x¹ bëi dßng ch¶y. Khi dßng ch¶y ngîc híng ®ñ lín U   / k , sãng kh«ng thÓ lan truyÒn. Quy tr×nh 1. Quan hÖ ph©n t¸n, ph¬ng tr×nh (68) cã thÓ gi¶i trªn m¸y tÝnh ®èi víi k, vµ do ®ã lµ bíc sãng L  2 / k , nh mét hµm cña   2 / T , U vµ  b»ng ph¬ng ph¸p lÆp Newton-Raphson, hoÆc b»ng ph¬ng ph¸p tÝnh to¸n hiÖu qu¶ do Southgate (1988) m« t¶. 2. C¸c tÝnh to¸n lan truyÒn sãng, biÕn ®æi sãng, bíc sãng vµ vËn tèc quü ®¹o ®ßi hái quan hÖ ph©n t¸n ®· bÞ dßng ch¶y lµm thay ®æi, ph¶i sö dông ph¬ng tr×nh (68). Tuy nhiªn khi tÝnh to¸n tr¹ng th¸i líp biªn, ph¶i sö dông tÇn sè sãng tuyÖt ®èi  (kh«ng ph¶i t¬ng ®èi). 5.3. øng suÊt trît t¹i ®¸y KiÕn thøc H×nh 16. S¬ ®å t¬ng t¸c phi tuyÕn cña øng suÊt trît t¹i ®¸y do sãng vµ do dßng ch¶y (in l¹i theo Soulsby vµ nnk (1993), Coastal Engineering, 21, 41-69, ®îc phÐp cña Elsevier Science Publisher, BV) øng suÊt trît t¹i ®¸y do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp sÏ hoµn thiÖn h¬n c¸c gi¸ trÞ ph¸t sinh mét c¸ch ®¬n gi¶n b»ng c¸ch céng tuyÕn tÝnh c¸c øng suÊt chØ do sãng 83
vµ chØ do dßng ch¶y (h×nh 16). §iÒu nµy lµ do t¬ng t¸c phi tuyÕn gi÷a c¸c líp biªn sãng vµ dßng ch¶y. Cã h¬n 20 lý thuyÕt vµ m« h×nh kh¸c nhau ®îc ®Ò xuÊt ®Ó m« t¶ qu¸ tr×nh nµy. Mét so s¸nh gi÷a c¸c dù b¸o øng suÊt trît trung b×nh  m  vµ lín nhÊt  max  t¹i ®¸y trong mét chu kú sãng theo 8 trong sè c¸c m« h×nh nµy ®îc cho trong h×nh 17. Sù kh¸c biÖt gi÷a c¸c m« h×nh nãi chung lµ 30%-40%, vµ sù kh¸c biÖt ®Õn 3 lÇn x¶y ra ®èi víi c¸c ®iÒu kiÖn sãng chiÕm u thÕ m¹nh. XÊp xØ ®¹i sè ®èi víi c¸c m« h×nh (víi ®é chÝnh x¸c  5% trong hÇu hÕt c¸c trêng hîp) ®îc Soulsby vµ nnk (1993) dÉn xuÊt vµ ®a ra díi ®©y. ViÖc kiÓm ®Þnh c¸c m« h×nh ®îc tham sè ho¸ b»ng mét tËp hîp lín d÷ liÖu cña 61 gi¸ trÞ thÝ nghiÖm vµ 70 gi¸ trÞ hiÖn trêng cña  m ®îc Soulsby thùc hiÖn (1995a). C¸c chØ tiªu ®Ó lµm khíp tèt nhÊt ®· ®îc sö dông vµ kh«ng mét m« h×nh nµo phï hîp tèt nhÊt ®èi víi mäi chØ tiªu. Bèn m« h×nh cho kÕt qu¶ kh¸ tèt vµ/hoÆc ®îc sö dông réng r·i lµ c¸c m« h×nh gi¶i tÝch cña Grant vµ Madsen (1979), Fredsoe (1984), m« h×nh sè cña Huynh Thanh vµ Temperville (1991), vµ Davies vµ nnk (1988). C¸c hÖ sè lµm khíp dïng lµm tham sè cho c¸c m« h×nh nµy ®îc cho trong b¶ng 9, ®Ó sö dông trong ph¬ng ph¸p ph¸c ho¹ díi ®©y. B¶ng 10. C¸c gi¸ trÞ cña hÖ sè ma s¸t fw vµ hÖ sè ma s¸t CD theo c¸c m« h×nh kh¸c nhau M« h×nh* Gi¸ trÞ cña fw 2 3 104 105 10 A/z0 10 GM79 0,1057 0,0316 0,0135 0,00690 F84 0,0592 0,0221 0,0102 0,0056 HT91 0,0750 0,0272 0,0121 0,0062 DSK88 0,0209 0,0120 0,00661 0,07013 0,1268 DATA13, DATA2 0,0383 0,0116 0,0035 Gi¸ trÞ cña CD 10-2 10-3 10-4 10-5 z0/h GM79, F84 DATA13, DATA2 0,01231 0,00458 0,00237 0,00145 HT91 - 0,00482 0,00237 0,00141 DSK88 - 0,00429 0,00222 0,00130 * GM79 = Grant vµ Madsen (1979), F84 = Fredsoe (1984), HT91 = Huynh Thanh vµ Temperville (1991), DSK88 = Davies vµ nnk (1988), DATA13, DATA2 theo ph¬ng tr×nh (62a). C¸c m« h×nh GM79, F84, DATA13 sö dông biÓu thøc ph©n bè l«garÝt ®èi víi CD, ph¬ng tr×nh (37). 84
 m  vµ lín nhÊt  max  H×nh 17. So s¸nh gi÷a 8 m« h×nh dù b¸o øng suÊt trît t¹i ®¸y trung b×nh do sãng kÕt hîp víi dßng ch¶y (in l¹i theo Soulsby vµ nnk (1993), Coastal Engineering, 21, 41-69, ®îc sù cho phÐp cña Elsevier Science Publishers, BV) 85
B¶ng 9. C¸c hÖ sè lµm khíp ®èi víi c¸c m« h×nh líp biªn do sãng vµ dßng ch¶y M« h×nh a1 a2 a3 a4 m1 m2 m3 m4 n1 n2 n3 n4 I * GM79 0,11 1,95 -0,49 -0,28 0,65 -0,22 0,15 0,06 0,71 -0,19 0,17 -0,15 0,67 F84 -0,06 1,70 -0,29 0,29 0,67 -0,29 0,09 0,42 0,75 -0,27 0,11 -0,02 0,80 HT91 -0,07 1,87 -0,34 -0,12 0,72 -0,33 0,08 0,34 0,78 -0,23 0,12 -0,12 0,82 DSK88 0,05 1,62 -0,38 0,25 1,05 -0,72 -0,08 0,59 0,66 -0,25 0,19 -0,03 0,82 b1 b2 b3 b4 p1 p2 p3 p4 q1 q2 q3 q4 J GM79 0,73 0,40 -0,23 -0,24 -0,68 0,13 0,24 -0,07 1,04 -0,56 0,34 -0,27 0,50 F84 0,29 0,55 -0,10 -0,14 -0,77 0,10 0,27 0,14 0,91 0,25 0,50 0,45 3,0 HT91 0,27 0,51 -0,10 -0,24 -0,75 0,13 0,12 0,02 0,89 0,40 0,50 -0,28 2,7 DSK88 0,22 0,73 -0,05 -0,35 -0,86 0,26 0,34 -0,07 -0,89 2,33 2,60 -2,50 2,7 0,47 0,69 -0,09 -0,08 -0,53 0,47 0,07 -0,02 2,34 -2,41 0,45 -061 8,8 DATA13 DATA2 1,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 3,2 0,0 0,0 0,0 0,0 * GM79 = Grant vµ Madsen (1979), F84 = Fredsoe (1984), HT91 = Huynh Thanh vµ Temperville (1991), DSK88 = Davies vµ nnk (1988), DATA13, DATA2 = khíp víi 131 ®iÓm sè liÖu b»ng c¸ch sö dông hÖ sè 13, 2. 86
Ph¬ng ph¸p dùa trªn sè liÖu còng ®îc Soulsby (1995a) dÉn xuÊt b»ng c¸ch tèi u ho¸ 13 hÖ sè trong c¸c biÓu thøc ®îc tham sè ho¸ ®èi víi  m , ®îc sö dông ®Ó lµm khíp c¸c m« h×nh lý thuyÕt. Cïng mét tËp hîp sè liÖu cña 113 ®iÓm ®· ®îc sö dông. Ph¬ng ph¸p nµy cho sù khíp tèt h¬n ®¸ng kÓ víi sè liÖu so víi bÊt kú m« h×nh nµo (mÆc dï ®©y lµ sù cÇn thiÕt to¸n häc kh«ng thÓ kÐm h¬n). C¸c hÖ sè cña ph¬ng ph¸p nµy ®îc cho nh ‘DATA13’ trong b¶ng 9. Còng thÊy r»ng viÖc tèi u ho¸ 2 hÖ sè (DATA2) cho kÕt qu¶ hÇu nh khíp rÊt tèt víi sè liÖu, gièng nh c¸c m« h×nh lý thuyÕt tèt nhÊt. Ph¬ng ph¸p nµy ®a ®Õn mét ph¬ng tr×nh ®¬n gi¶n: 3,2   w     c 1  1,2       m (69)    c w   trong ®ã  vµ  w lµ øng suÊt trît t¹i ®¸y cã thÓ x¶y ra chØ do sãng hoÆc do dßng ch¶y, t¬ng øng. BiÓu thøc t¬ng øng ®èi víi  max (®èi víi nã kh«ng cã ®ñ sè liÖu ®Ó tèi u ho¸) sö dông trong c¸c ph¬ng ph¸p ‘DATA13’ vµ ‘DATA2’ ®îc cho b»ng vÐc t¬ bæ sung  m tõ ph¬ng tr×nh (69) vµ  w nhËn ®îc theo ph¬ng tr×nh (62a) vµ (57):  1/ 2  max   m   w f cos  2   w sin  2 . (70) C¸c tÝnh to¸n  max cÇn thiÕt ®Ó x¸c ®Þnh ngìng chuyÓn ®éng vµ møc cuèn theo cña trÇm tÝch, vµ  m ®Ó x¸c ®Þnh khuÕch t¸n trÇm tÝch. C¸c ph¬ng ph¸p cã thÓ ¸p dông b×nh ®¼ng ®Ó tÝnh to¸n øng suÊt trît tæng céng t¹i ®¸y vµ thµnh phÇn ma s¸t líp ®Öm. Trong trêng hîp ®Çu tiªn sö dông z0 tæng céng, trong khi trong trêng hîp thø 2 th× sö dông z0 = z0s= d50/15 liªn quan ®Õn h¹t. Quy tr×nh 1. VÝ dô 5.1. øng suÊt trît tæng céng do sãng vµ dßng ch¶y §Ó tÝnh to¸n øng suÊt trît t¹i ®¸y cùc ®¹i max vµ trung b×nh m trong mét chu kú sãng, ®èi víi sãng h×nh sin cã: 0,5ms-1 - biªn ®é vËn tèc quü ®¹o gÇn ®¸y Uw - chu kú T 12,6s 300  - gãc lan truyÒn - víi dßng ch¶y æn ®Þnh 1ms-1 U cã vËn tèc trung b×nh ®é s©u 87
- trªn ®¸y nh¸m vÒ thuû ®éng lùc víi ®é dµi nh¸m z0 0,001m - trong níc cã ®é s©u h 10m 1027kgm-3  - vµ mËt ®é Sö dông m« h×nh Grant vµ Madsen (1979): - TÝnh to¸n hÖ sè ma s¸t CD cña dßng ch¶y æn ®Þnh khi kh«ng cã sãng b»ng c¸ch néi suy theo b¶ng 10. 104 h/z0 = 10/0,001 CD 0,00237 - TÝnh to¸n hÖ sè ma s¸t sãng fw ®èi víi sãng khi kh«ng cã dßng ch¶y b»ng c¸ch néi suy theo b¶ng 10. 103 A/z0= 0,5 x 12,6/(2   0,001 ) fw 0,0316 - TÝnh to¸n øng suÊt trît t¹i ®¸y chØ do dßng ch¶y  c  C DU 2 2,43Nm-2 - TÝnh to¸n øng suÊt trît lín nhÊt t¹i ®¸y chØ do sãng 1 f wU w 2 4,06Nm-2 w  2 - TÝnh to¸n X   c /  c   w  0,374 - Theo b¶ng 9 ®èi víi m« h×nh ®îc chän, tÝnh to¸n hÖ sè a, m vµ n, trong ®ã   a  log I I  f w / CD  a  a1  a 2 cos  a 4 cos 3 10 - Víi c¸c biÓu thøc t¬ng tù cho m vµ n: a 1,04 m 0,680 n 0,575 - Theo b¶ng 9 ®èi víi m« h×nh ®îc chän, tÝnh to¸n hÖ sè b, p vµ q, trong ®ã   b  b cos  log J J  f w / CD  b  b1  b2 cos 3 4 10 - Víi c¸c biÓu thøc t¬ng tù cho p vµ q: 88
b 0,592 p -0,362 q 0,619 - TÝnh to¸n Z = 1 + aXm (1-X)n 1,41 vµ Y = X[1 + bXp (1-X)q] 0,611 - TÝnh to¸n  max  Z  c   w  9,15Nm-2 vµ  m  Y  c   w  3,97Nm-2 §Ó so s¸nh, ph¬ng ph¸p Fredsoe (1984), Huynh Thanh vµ Temperville (1991), vµ DATA13 cho gi¸ trÞ t¬ng øng lµ  max = 7,94, 8,27, 7,90Nm-2 vµ  m = 2,91, 3,04, 3,26Nm-2. C¸c gi¸ trÞ nhËn ®îc theo ph¬ng ph¸p DATA2 ph¬ng tr×nh (70) vµ (69) lµ  max =7,89Nm-2 vµ  m =3,24Nm-2. 2. Ph¬ng ph¸p Huynh Thanh vµ Temperville (1991), Grant vµ Madsen (1979), Fredsoe (1984), vµ DATA13 (Soulsby 13 theo tr×nh ®¬n) dÔ dµng tÝnh to¸n nhÊt b»ng c¸ch sö dông SandCalc theo Hydrodynamics- Waves & Currents- Total Shear Stress. SandCalc sö dông quy tr×nh néi suy tr¬n dùa trªn b¶ng 10 ®Ó tÝnh to¸n CD vµ fw ®èi víi ph¬ng ph¸p øng suÊt trît tæng céng do sãng vµ dßng ch¶y. 89