Động lực học cát biển - Chương 7: các thành tạo đáy

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

83
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Động lực học cát biển - Chương 7: các thành tạo đáy

Ch¬ng 7. C¸c thµnh t¹o ®¸y 7.1. Tæng quan Mét ®Æc trng phæ biÕn cña dßng ch¶y trong s«ng, cöa s«ng vµ biÓn lµ xu híng cña ®¸y c¸t tù h×nh thµnh mét trong nhiÒu lo¹i thµnh t¹o ®¸y. Lo¹i thµnh t¹o (hoÆc ®¸y gå ghÒ) phô thuéc vµo cêng ®é vµ tr¹ng th¸i dßng ch¶y: dßng ch¶y æn ®Þnh, dßng ch¶y thuû triÒu, sãng, hoÆc kÕt hîp cña chóng. Mét vµi lo¹i ®¸y gå ghÒ ®îc thÓ hiÖn trªn h×nh 23. Dßng ch¶y æn ®Þnh trong s«ng h×nh thµnh c¸c gîn c¸t nhá, c¸c ®ôn c¸t lín vµ ®«i khi lµ c¸c gîn c¸t trªn sên c¸c ®ôn c¸t. C¸c thµnh t¹o t¬ng tù ®îc h×nh thµnh do dßng ch¶y thuû triÒu trong cöa s«ng vµ trong biÓn, n¬i tr¹ng th¸i dao ®éng cña thuû triÒu liªn tôc lµm thay ®æi bøc tranh gîn c¸t, vµ cã thÓ lµm cho h×nh d¹ng cña ®ôn c¸t hoÆc sãng c¸t ®èi xøng h¬n. Tªn gäi c¸c thµnh t¹o lín h¬n trong biÓn vÉn cha ®îc x¸c lËp ®Çy ®ñ. Tªn sãng c¸t ®îc nhiÒu nhµ h¶i d¬ng häc sö dông cho c¸c thµnh t¹o lín vÒ bÒ ngang, kÓ c¶ c¸c thµnh t¹o t¬ng tù nh nh÷ng thø ®îc gäi lµ ®ôn c¸t trong s«ng, vµ c¸ch ®Þnh danh nµy ®îc tu©n thñ trong cuèn s¸ch nµy. Tuy nhiªn c¸c kü s thuû lùc thêng gi÷ l¹i c¸i tªn sãng c¸t ®èi víi c¸c thµnh t¹o lín nhÊt (®é dµi bíc sãng vµi tr¨m hoÆc vµi ngh×n mÐt) thÊy trong biÓn. C¸c tªn sãng c¸t vµ sãng ®¸y ®«i khi còng ®îc sö dông ®Ó chØ bÊt kú lo¹i nhiÔu ®éng nµo cã d¹ng sãng cña ®¸y, kÓ c¶ gîn c¸t. Mét ph¹m vi réng cña c¸c thµnh t¹o kh¸c, c¶ ngang vµ däc theo dßng ch¶y, còng thÊy trong biÓn. N¬i sãng lµ yÕu tè thuû ®éng lùc næi tréi, gîn c¸t do sãng h×nh thµnh theo mét h×nh d¹ng ®Æc biÖt kh¸c víi c¸c gîn c¸t h×nh thµnh bëi dßng ch¶y. Sãng còng cã thÓ t¹o ra c¸c thµnh t¹o ®¸y rÊt lín, nh c¸c doi c¸t ng¨n sãng trong vïng sãng ®æ (xem h×nh 23d). C¸c øng dông kÌm theo c¸c thµnh t¹o ®¸y bao gåm sù båi lÊp c¸c c«ng tr×nh lÊy níc, lµm xãi c¸c ®êng èng dÉn ®Õn viÖc ‘d·n réng ra’ vµ cã thÓ lµm g·y chóng. C¸c thµnh t¹o ®¸y còng cã ¶nh hëng thèng trÞ lªn c¸c ®Æc trng ma s¸t vµ h×nh thµnh rèi trong dßng ch¶y, vµ cã c¶ hiÖu øng trùc tiÕp (dÞch chuyÓn ®¸y gå ghÒ) lÉn gi¸n tiÕp (lµm t¨ng ®é l¬ löng) lªn vËn chuyÓn trÇm tÝch. 72. C¸c gîn c¸t vµ sãng c¸t do dßng ch¶y KiÕn thøc §èi víi dßng ch¶y vît qu¸ ngìng chuyÓn ®éng, mét ®¸y ph¼ng ban ®Çu cã thÓ biÕn d¹ng thµnh nhiÒu lo¹i ®¸y gå ghÒ, xÕp theo kÝch thíc tõ gîn c¸t nhá ®Õn c¸c bê c¸t lín. Khi vËn tèc dßng ch¶y t¨ng cao, vµ n¬i nguån cung cÊp c¸t h¹n chÕ, c¸t cã thÓ bÞ gi÷ l¹i thµnh c¸c ®ôn c¸t h×nh r¨ng ca vµ/hoÆc thµnh c¸c líp c¸t máng 100
chuyÓn ®éng trªn líp cuéi sái. Víi vËn tèc «n hoµ h¬n, c¸c ®¸y gå ghÒ cã híng ngang víi dßng ch¶y, vµ cã thÓ t¹o ra c¸c gîn c¸t, ®ôn c¸t vµ/hoÆc sãng c¸t. C¸c bê c¸t h×nh thµnh khi thÝch nghi víi bøc tranh dßng ch¶y quy m« lín. H×nh 23. C¸c lo¹i ®¸y gå ghÒ: a) gîn c¸t do dßng ch¶y b) gîn c¸t do sãng c) sãng c¸t / ®ôn c¸t d) doi ng¨n sãng C¸c gîn c¸t lµ nh÷ng thµnh t¹o ®¸y nhá, ®é cao vµ bíc sãng cña chóng rÊt nhá so víi ®é s©u níc. Chóng h×nh thµnh trªn ®¸y c¸t víi cì kÝch thíc h¹t ®Õn 0,8mm, ®èi víi vËn tèc dßng ch¶y vît qu¸ ngìng chuyÓn ®éng nhng kh«ng lín ®Õn møc lµm tr«i röa c¸c gîn c¸t. C¸c h¹t th« h¬n 0,8mm kh«ng t¹o nªn c¸c gîn c¸t, cho dï c¸c sãng c¸t cã thÓ h×nh thµnh víi mäi kÝch thíc h¹t, kÓ c¶ cuéi sái, lóc ®ã chóng ®îc gäi lµ sãng cuéi. Víi vËn tèc dßng ch¶y rÊt lín (vÝ dô U >1,5ms-1 ®èi víi d = 0,2mm) c¸c gîn c¸t bÞ röa tr«i ®Ó trë thµnh mét ®¸y ph¼ng víi dßng trÇm tÝch s¸t ®¸y vËn chuyÓn trÇm tÝch m¹nh. Víi vËn tèc dßng ch¶y thÊp, díi ngìng chuyÓn ®éng, c¸c thµnh t¹o ®¸y gi÷ nguyªn h×nh d¹ng mµ chóng cã vµo lóc dßng ch¶y cã gi¸ trÞ díi ngìng. H×nh d¹ng 101
nµy nãi chung kh«ng biÕt ®îc khi thùc hiÖn tÝnh to¸n cho mét ®iÓm riªng biÖt theo thêi gian mµ kh«ng xÐt ®Õn lÞch sö dßng ch¶y tríc ®ã, do vËy ®Ó x¸c ®Þnh nã thêng gi¶ ®Þnh r»ng ®¸y lµ ph¼ng ®èi víi c¸c ®iÒu kiÖn díi ngìng. Tuy nhiªn, trong thùc tÕ, thêng thÊy r»ng bøc tranh gîn c¸t sÏ vÉn nh vËy nÕu vËn tèc dßng ch¶y gi¶m chËm hîp lý, do ®ã pháng ®o¸n tèt nhÊt ®Ó tÝnh to¸n ®é nh¸m ®¸y cho dßng ch¶y díi ngìng lµ coi chóng nh gîn c¸t. MÆt kh¸c, trong c¸c khu vùc cã c¸c ho¹t ®éng sinh häc m¹nh, ®¸y gîn c¸t cã thÓ h×nh thµnh bëi c¸c ®éng vËt cµy xíi chØ trong vµi giê. Gîn c¸t do dßng ch¶y sinh ra thêng cã mÆt c¾t bÊt ®èi xøng, víi m¸i dèc h¬n ë sên phÝa sau ®Ønh (xem h×nh 23a). Chóng t¹o ra bøc tranh kh«ng ®Òu, thiªn vÒ 3 chiÒu khi nh×n tõ trªn xuèng, víi ®é dµi ®Ønh cña mét gîn c¸t riªng lÎ tiªu biÓu kho¶ng 1-3 lÇn bíc sãng. Bíc sãng r cña gîn c¸t thêng lÊy xÊp xØ 1000 ®êng kÝnh h¹t, ®é cao  r cã thÓ ®Õn 1/7 bíc sãng: r  1000d 50 (81a)  r  r / 7 . (81b) Mét ®¸nh gi¸ trung b×nh cho tÊt c¶ c¸c kÝch thíc h¹t dùa trªn quan tr¾c t¹i ®¸y biÓn, trªn ®¸y c¸t ph¼ng chÞu t¸c ®éng néi thuû triÒu, vµ trong c¸c m¸ng thÝ nghiÖm, cho thÊy gîn c¸t do dßng ch¶y sinh ra cã bíc sãng kho¶ng 0,14 m vµ ®é cao kho¶ng 0,016 m.C¸c gîn c¸t chuyÓn ®éng xuèng h¹ lu rÊt chËm theo híng dßng ch¶y. Trong dßng ch¶y thuû triÒu m¹nh (triÒu cêng) c¸c gîn c¸t sÏ bÊt ®èi xøng, híng vµ ®é dÞch chuyÓn thay ®æi theo sù biÕn ®æi híng dßng ch¶y. C¸c ®ôn c¸t vµ sãng c¸t lµ c¸c thµnh t¹o lín h¬n ph¸t sinh do dßng ch¶y, thêng cã bíc sãng kho¶ng vµi chôc mÐt vµ cã ®é cao vµi mÐt (xem h×nh 23c). §é cao vµ bíc sãng ®îc khèng chÕ bëi ®é s©u níc vµ øng suÊt trît t¹i ®¸y. Mét chØ dÉn th« ®èi víi bíc sãng cña chóng lµ b»ng 6 lÇn ®é s©u níc. Cã nhiÒu c«ng thøc kinh nghiÖm ®èi víi ®é cao s vµ bíc sãng s cho c¸c sãng c¸t, c¸c c«ng thøc ®¸ng tin cËy nhÊt trong sè chóng gåm cã: Yalin (1964): víi  0 s   cr s  0 SC (82a) h   cr  1   víi  cr   0 s  17,6 cr SC (82b) s  6   0s    víi  0 s  17,6 cr s  0 SC (82c)  s  2h SC (82d) Van Rijn (1984): víi  0 s   cr s  0 SC (83a) 0, 3 d  1  e 25  T   0 ,5Ts  s  0,11h 50  víi  cr   0 s  26 cr SC (83b)  h  s  0s  102
víi  0 s  26 cr s  0 SC (83c) s  7,3h SC (83d)  s = ®é cao sãng c¸t trong ®ã  s = bíc sãng c¸t h = ®é s©u níc  0 s = øng suÊt trît t¹i ®¸y do ma s¸t líp ®Öm  cr = ngìng øng suÊt trît ®èi víi chuyÓn ®éng trÇm tÝch  0 s   cr Ts   cr d50= kÝch thíc h¹t trung vÞ. C¸c c«ng thøc nµy ®îc minh ho¹ trong h×nh 24. C«ng thøc Van Rijn ®îc kiÕn nghÞ sö dông do nã ®îc hiÖu chØnh theo tËp hîp sè liÖu lín nhÊt. Chó ý r»ng Van Rijn sö dông ks= 3d90 ®Ó tÝnh to¸n  0 s , cho gi¸ trÞ h¬i lín h¬n so víi nhËn ®îc b»ng ks= 2,5d50. H×nh 24. C¸c c«ng thøc ®èi víi ®é cao sãng c¸t C¸c ph¬ng tr×nh (82) vµ (83) ¸p dông cho dßng ch¶y æn ®Þnh ®¬n híng nh trong s«ng. Trong c¸c ®iÒu kiÖn thuû triÒu, n¬i vËn tèc dßng ch¶y lu«n thay ®æi, ®¸y gå ghÒ kh«ng thÓ hoµn toµn ®¸p øng dßng ch¶y, vµ c«ng thøc Ýt tin cËy. Trong dßng ch¶y ®¬n híng, c¸c thµnh t¹o ®¸y dÞch chuyÓn chËm vÒ h¹ lu. Tr¹ng th¸i t¬ng tù quan tr¾c ®îc trong c¸c cöa s«ng vµ biÓn nÕu cã dßng ch¶y m¹nh thèng trÞ theo híng triÒu lªn vµ xuèng. Mét vÝ dô ®îc cho trong h×nh 25, trong ®ã c¸c sãng c¸t cã 103
®é dµi 15m vµ ®é cao 0,8m dÞch chuyÓn 1m/ngµy trong mét phÇn cöa s«ng Taw, T©y Nam níc Anh, víi dßng triÒu lªn m¹nh chiÕm u thÕ. ThuËt ng÷ ®ôn c¸t cã xu híng ®îc sö dông ®èi víi c¸c thµnh t¹o ®¸y lín trong s«ng, trong khi thuËt ng÷ sãng c¸t ®îc sö dông trong biÓn. Kh«ng hoµn toµn râ rµng chóng cã ®ång nhÊt vÒ mÆt h×nh th¸i häc hay kh«ng, nhng trong biÓn c¸c sãng c¸t (cã thÓ cã ®é dµi vµi tr¨m mÐt) thêng cã thµnh t¹o ®¸y víi kÝch thíc trung b×nh chång lªn chóng, vµ do vËy chóng ®îc coi lµ ®ôn c¸t. Ngoµi ra, c¸c gîn c¸t cã thÓ cïng tån t¹i víi c¸c ®ôn c¸t vµ/hoÆc sãng c¸t. H×nh 25. DÞch chuyÓn sãng c¸t trong cöa s«ng Taw - kh¶o s¸t ®¸y hµng ngµy; trôc tung =10x §é dÞch chuyÓn thµnh t¹o ®¸y cã thÓ sö dông nh mét ph¬ng ph¸p ®o ®¹c suÊt vËn chuyÓn dßng di ®¸y. NÕu gi¶ thiÕt r»ng tÊt c¶ c¸c h¹t di ®éng l¨n trªn ®¸y gå ghÒ, ngîc lªn m¸i thîng lu (theo sên ®ãn) vµ xu«i xuèng m¸i h¹ lu (theo sên khuÊt), vµ n»m l¹i t¹i chç tròng, th× suÊt vËn chuyÓn thÓ tÝch dßng di ®¸y qb cã thÓ tÝnh to¸n theo ph¬ng tr×nh: qb  a m Vmig (84) trong ®ã am= h»ng sè  = ®é cao ®¸y gå ghÒ Vmig = vËn tèc dÞch chuyÓn. H»ng sè am lµ tÝch sè cña (1-) trong ®ã  lµ ®é xèp (xem môc 2.3) víi mét hÖ sè m« t¶ h×nh d¹ng cña thµnh t¹o ®¸y. NÕu  = 0,4 vµ cã d¹ng h×nh tam gi¸c, th× am= 0,60 x 0,5 = 0,30. C¸c gi¸ trÞ quan tr¾c nãi chung n»m trong ph¹m vi 0,22 < am< 104
0,37. Sö dông gi¸ trÞ am= 0,32 nÕu h×nh d¹ng vµ ®é xèp kh«ng ®îc biÕt (Jinchi, 1992). Ph¬ng ph¸p nãi trªn cã thÓ sö dông hoÆc ®èi víi gîn c¸t hoÆc ®èi víi ®ôn c¸t/ sãng c¸t. Gi¶ thiÕt mµ ph¬ng tr×nh (84) dùa trªn ®ã cã thÓ kh«ng hoµn toµn hiÖu lùc, bëi v× nhiÒu h¹t kh«ng n»m l¹i ë chç tròng, mµ chØ tiÕp tôc l¨n däc theo ®¸y, hoÆc ®îc mang vµo tr¹ng th¸i l¬ löng. Do ®ã c¸c ®o ®¹c suÊt vËn chuyÓn dßng di ®¸y theo sù dÞch chuyÓn thµnh t¹o ®¸y cã thÓ thiªn lín, ®Õn 2 lÇn. Víi vËn tèc dßng ch¶y lín, c¸c gîn c¸t vµ ®ôn c¸t bÞ tr«i röa, vµ ®¸y trë nªn ph¼ng víi vËn chuyÓn trÇm tÝch m¹nh x¶y ra gièng nh dßng sÒn sÖt hoÆc dßng trÇm tÝch s¸t ®¸y trong bÒ dµy kho¶ng vµi mm trªn ®¸y. §iÒu kiÖn nµy x¶y ra phï hîp víi chØ tiªu xÊp xØ:  s  0,8 (85a) hoÆc  0 s  0,8 g s  1d (85b)  0 s = øng suÊt trît t¹i ®¸y do ma s¸t líp ®Öm trong ®ã s = tham sè ma s¸t líp ®Öm Shields g = gia tèc träng trêng  = mËt ®é níc s = mËt ®é t¬ng ®èi cña trÇm tÝch d = ®êng kÝnh h¹t. Trong biÓn, sù röa tr«i c¸c gîn c¸t x¶y ra trong níc n«ng víi dßng ch¶y m¹nh hoÆc díi t¸c ®éng sãng m¹nh nh trong vïng sãng ®æ. Quy tr×nh 1. vÝ dô 7.1. KÝch thíc sãng c¸t - §Ó tÝnh to¸n kÝch thíc sãng c¸t ®èi víi ®iÒu kiÖn dßng ch¶y cho tríc, cho c¸c gi¸ trÞ cña: + ®é s©u níc h 10m + ®êng kÝnh h¹t d 0,200mm 1,0ms-1 U + vËn tèc dßng ch¶y thuû triÒu cùc ®¹i - TÝnh to¸n ngìng 0,176Nm-2  cr øng suÊt trît t¹i ®¸y (vÝ dô 6.3) - TÝnh to¸n øng suÊt trît t¹i ®¸y thùc tÕ do ma s¸t líp ®Öm tõ 0,952Nm-2  0s ph¬ng tr×nh (34) 105
Sö dông ph¬ng ph¸p Van Rijn Ts =  0 s   cr   cr - TÝnh to¸n 4,41 - V× cr  0s  26cr , sö dông s ph¬ng tr×nh (83b) ®Ó tÝnh to¸n 0,78m - §é dµi sãng s 73m cho bëi ph¬ng tr×nh (83d) lµ - C«ng thøc Yalin ph¬ng tr×nh (82) s = cho lêi gi¶i t¬ng øng lµ 1,36m s = vµ 63m. 2. §Ó ®o ®¹c vËn chuyÓn trÇm tÝch di ®¸y theo møc dÞch chuyÓn sãng c¸t, ®o lÆp nhiÒu lÇn b»ng m¸y håi ©m däc theo híng dßng ch¶y u thÕ, hoÆc trong vïng cã thuû triÒu, kh¶o s¸t lÆp®i lÆp l¹i b»ng cäc thuû chÝ däc theo ®êng vu«ng gãc víi c¸c ®Ønh sãng c¸t. Trong c¶ hai trêng hîp, ®ßi hái ®é chÝnh x¸c cao khi cè ®Þnh vÞ trÝ. §èi víi thuû triÒu b¸n nhËt, mét chu kú 12,5 hoÆc 25 h gi÷a c¸c ®ît kh¶o s¸t lµ phï hîp. VÝ dô 7.2. DÞch chuyÓn c¸c sãng c¸t - Ph©n tÝch b¶n ghi ®Ó nhËn ®îc :  + ®é cao trung b×nh tõ ch©n ®Õn ®Ønh 0,8m + vËn tèc dÞch chuyÓn trung b×nh, b»ng c¸ch xÕp chång liªn tiÕp c¸c mÆt c¾t vµ xª dÞch ®Ó nhËn ®îc sù khíp nhÊt Vvig 1,0m/ngµy - Sö dông ph¬ng tr×nh (84) víi am=0,32 ®Ó nhËn ®îc suÊt vËn chuyÓn thÓ tÝch 0,26m2/ngµy qb= 0,32 x 0,8 x 1,0 = - SuÊt vËn chuyÓn trung b×nh, lÊy trung b×nh theo ngµy = 0,26/(24 x 3600) = 3,0 x 10-6m2s-1 73. Gîn c¸t do sãng KiÕn thøc Gîn c¸t do sãng thêng ®èi xøng qua ®Ønh trong mÆt c¾t ngang, víi ®Ønh t¬ng ®èi nhän (xem h×nh 23b). §Ønh cña chóng th¼ng hµng víi ®Ønh sãng níc, vµ khi nh×n tõ trªn xuèng, t¹o nªn bøc tranh ®Òu ®Æn c¸c ®êng gÇn nh song song víi chiÒu dµi nèi ®Ønh rÊt dµi, ®«i chç bÞ gi¸n ®o¹n do chËp víi gîn c¸t kh¸c. Bíc sãng cña chóng  r nãi chung b»ng 1-2 lÇn biªn ®é quü ®¹o A = UwT/(2  ) cña chuyÓn ®éng 106
sãng t¹i ®¸y, trong ®ã Uw lµ biªn ®é vËn tèc quü ®¹o vµ T lµ chu kú sãng. §é cao  r cña chóng thêng gi÷a 0,1 vµ 0,2 lÇn bíc sãng cña chóng. Gîn c¸t do sãng bÞ tr«i röa bëi vËn tèc quü ®¹o rÊt lín, lµm cho ®¸y ph¼ng víi dßng trÇm tÝch nhiÔu ®éng s¸t ®¸y. ChØ tiªu ®Ó tr«i röa gîn c¸t ®îc cho ë d¹ng tham sè ma s¸t líp ®Öm Shields  ws , víi gi¸ trÞ tíi h¹n tiªu biÓu kho¶ng 0,8 (ph¬ng tr×nh (85a)), hoÆc ë d¹ng sè sãng di ®éng  víi gi¸ trÞ tiªu biÓu kho¶ng 150, trong ®ã:  ws  cr  (86) g   s   d 2 Uw  . (87) g( s  1 )d C¸c ph¬ng ph¸p kh¸c nhau ®îc ®Ò xuÊt ®Ó tÝnh to¸n r vµ r. 1. Grant vµ Madsen (1982) §èi víi  ws   cr  r  r  0 (hoÆc c¸c gi¸ trÞ cã tõ tríc) SC (88a) §èi víi  cr   ws   B  r  0,22( ws /  cr ) 0,16 A SC (88b)   r   r / 0,16( ws /  cr ) 0,04 SC (88c) §èi víi  ws   B  r  0,48( D*,5 / 4) 0,8 ( ws /  cr ) 0,15 A 1 SC (88d)   r   r / 0,28( D*,5 / 4) 0,6 ( ws /  cr )  0,04 1 SC (88e) víi  B  1,8 cr ( D*,5 / 4)0,6 1 SC (88f) 1/ 3  g( s  1 )  D*   d 50  2   2. Nielsen (1992) ®a ra c«ng thøc ®èi víi c¸c sãng (®Òu) trong phßng thÝ nghiÖm §èi víi  ws   cr ,  r   r  0 (hoÆc c¸c gi¸ trÞ ®· cã tõ tríc) SC (89a)    r  0,275  0,022 0,5 A víi   156 SC (89b)   1,5 r   r / 0,128  0,24 ws  ws  0,831 . SC (89c)   156 hoÆc  ws  0,831 ,  r  r  0 §èi víi SC (89d) 107
§iÒu kiÖn tr«i röa  = 156 vµ  ws = 0,831 kh«ng hoµn toµn t¬ng thÝch víi nhau. Ph¬ng ph¸p chi tiÕt h¬n, dùa trªn mét khèi lîng sè liÖu ®îc ®Ò xuÊt bëi Mogride vµ nnk (1994). Quy tr×nh 1. §Ó tÝnh to¸n ®é cao, bíc sãng cña gîn c¸t trªn ®¸y c¸t th¹ch anh trong níc biÓn t¹i 10oC vµ 35o/oo, lóc ®Çu cho ®é cao H vµ chu kú T sãng. C¸c sãng ®îc gi¶ thiÕt ®¬n ®iÖu. VÝ dô 7.3. Gîn c¸t do sãng - Cho ®é cao sãng H 1m - Cho chu kú sãng T 6s - Cho ®é s©u níc h 10m - Cho kÝch thíc h¹t t¹i ®¸y d50 0,2mm - TÝnh to¸n vËn tèc quü ®¹o, 0,310ms-1 sö dông h×nh 14, (sãng ®¬n ®iÖu) Uw - TÝnh to¸n biªn ®é quü ®¹o 0,310 x 6/2  A 0,296m - TÝnh to¸n ngìng tham sè Shields (xem vÝ dô 6.3)  cr theo ®êng cong Shields 0,0633 - TÝnh to¸n hÖ sè ma s¸t sö dông ph¬ng tr×nh (60) Swart fwr 0,0118 - TÝnh to¸n tham sè Shields  ws ma s¸t líp ®Öm 0,183 - TÝnh to¸n tham sè di ®éng sãng  31,0 ph¬ng tr×nh (87) - TÝnh to¸n ®é cao gîn c¸t sö dông ph¬ng ph¸p r Nielsen ph¬ng tr×nh (89b) 0,0452m - TÝnh to¸n ®é dµi gîn c¸t r 0,265m sö dông ph¬ng tr×nh (89c) 2. §Ó so s¸nh, ph¬ng ph¸p Grant vµ Madsen cho  r =0,0579m, r = 0,373m. 74. Ma s¸t do ®¸y gå ghÒ KiÕn thøc Khi cã mÆt gîn c¸t, ®ôn c¸t hoÆc sãng c¸t, chóng ph¸t sinh søc c¶n h×nh d¹ng bëi trêng ph©n bè ¸p suÊt ®éng lùc trªn bÒ mÆt cña chóng. §©y lµ søc c¶n c¶ khèi, 108
t¬ng tù nh søc c¶n cña giã lªn mét c¸i «t«. Søc c¶n h×nh d¹ng cã thÓ lín h¬n nhiÒu lÇn ma s¸t líp ®Öm t¸c ®éng lªn c¸c h¹t c¸t vµ thêng lµ nguyªn nh©n thèng trÞ cña søc c¶n mµ s«ng hoÆc dßng ch¶y thuû triÒu trong cöa s«ng vµ biÓn c¶m nhËn ®îc. §èi víi môc ®Ých vËn chuyÓn trÇm tÝch, ma s¸t líp ®Öm  os cã bæn phËn ®èi víi vËn chuyÓn dßng di ®¸y vµ sù cuèn theo c¸t tõ ®¸y, trong khi søc c¶n h×nh d¹ng  0 f liªn quan ®Õn rèi m¹nh, lµm khuÕch t¸n trÇm tÝch l¬ löng vµo dßng ch¶y. C¸c th¶o luËn tiÕp theo vÒ  os vµ  0 f , vµ sù bæ sung cña cña chóng ®Ó nhËn ®îc øng suÊt tæng céng ®îc cho trong môc 1.4, môc 3.4 vµ ph¬ng tr×nh (39). §èi víi gîn c¸t do dßng ch¶y, øng suÊt tæng céng thêng nhËn ®îc b»ng c¸ch lÊy ®é dµi nh¸m z0, hoÆc ®é nh¸m Nikuradse ks, trong ®ã ks= 30z0. B¶ng 7 ®a ra gi¸ trÞ trung b×nh tõ c¸c ®o ®¹c trªn ®¸y gîn c¸t trong biÓn cã z0= 6mm. Nh vËy, thµnh phÇn søc c¶n h×nh d¹ng zof cã thÓ liªn quan ®Õn ®é cao  r vµ bíc sãng r cña gîn c¸t: 2r SC (90) z0 f  ar r trong ®ã c¸c kh¶o s¸t kh¸c nhau cho ta ar trong ph¹m vi 0,3 < ar < 3, víi gi¸ trÞ tiªu biÓu ar= 1,0. §é dµi nh¸m tæng céng z0 nhËn ®îc b»ng c¸ch sö dông ph¬ng tr×nh (43), trong ®ã thµnh phÇn vËn chuyÓn trÇm tÝch zot cã thÓ phï hîp. Ma s¸t trªn gîn c¸t do sãng cã thÓ dÉn xuÊt theo c¸ch t¬ng tù. Ph¬ng tr×nh (90) ®îc sö dông víi gi¸ trÞ phï hîp cña ar ®Ó nhËn ®îc z0r, vµ cã thÓ bæ sung thµnh phÇn vËn chuyÓn trÇm tÝch. Mét vµi ph¬ng ph¸p ®îc ®Ò xuÊt. 1. Grant vµ Madsen (1982) sö dông ar= 0,923 trong ph¬ng tr×nh (90) víi  r vµ r ®îc tÝnh to¸n b»ng ph¬ng ph¸p riªng cña hä (ph¬ng tr×nh (88)), céng víi thµnh phÇn vËn chuyÓn trÇm tÝch: 2 0, 5      5,33( s  0,5)d50 cr  ws  0,7  .  z0 t SC (91)   cr      2. Nielsen (1992) sö dông ar=0,267 trong ph¬ng tr×nh (90) víi  r vµ r ®îc tÝnh to¸n bëi ph¬ng ph¸p riªng cña «ng (ph¬ng tr×nh (89)), céng víi thµnh phÇn vËn chuyÓn trÇm tÝch: z0t  5,67( ws  0,05)0,5 d 50 . SC (92) 3. Raudkivi (1988) sö dông ar= 0,533 trong ph¬ng tr×nh (90) víi  r vµ r ®îc tÝnh to¸n bëi ph¬ng ph¸p Nielsen (ph¬ng tr×nh (89)), céng víi thµnh phÇn vËn chuyÓn trÇm tÝch: z 0t  0,00533U w, 25 2 SC (93) trong ®ã z0t tÝnh b»ng mÐt vµ Uw b»ng ms-1. 109
Ma s¸t do ®ôn c¸t vµ sãng c¸t cã thÓ xö lý theo 2 c¸ch: - Trong s«ng, øng suÊt trît tæng céng 0 thêng ®îc m« t¶ b»ng mét hµm cña ma s¸t líp ®Öm 0s. Ph¬ng ph¸p nµy, ®îc gäi lµ ph¬ng ph¸p 'ma s¸t båi tÝch' dùa trªn gi¶ thiÕt r»ng c¸c thµnh t¹o ®¸y c©n b»ng víi dßng ch¶y, vµ r»ng c¸c ®Æc trng ma s¸t cña chóng ®îc x¸c ®Þnh ®¬n trÞ bëi dßng ch¶y tæng hîp. - Ph¬ng ph¸p 2 giai ®o¹n, trong ®ã ®é cao sãng vµ bíc sãng cña sãng c¸t ®îc x¸c ®Þnh tríc hÕt, sau ®ã chóng ®îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh ma s¸t. Ph¬ng ph¸p thø 2 phï hîp h¬n ®èi víi biÓn, bëi v× dßng ch¶y thuû triÒu vµ sãng mÆt biÕn ®æi nhanh víi quy m« thêi gian tÝnh b»ng giê, trong khi c¸c sãng c¸t ph¶n øng h¬i chËm h¬n víi quy m« thêi gian tÝnh b»ng ngµy, do ®ã dßng ch¶y nãi chung kh«ng ë tr¹ng th¸i c©n b»ng víi thµnh t¹o ®¸y. NÕu c¸c gi¸ trÞ ®o ®¹c ®é cao sãng vµ bíc sãng cña sãng c¸t cã s½n, th× cã thÓ sö dông trùc tiÕp chóng ®Ó nhËn ®îc c¸c tÝnh to¸n ma s¸t chÝnh x¸c h¬n. Mét ph¬ng ph¸p ma s¸t båi tÝch cã tríc ®ã nhng ®¬n gi¶n ®îc Engelund (1966) ®a ra:   2,5 s  0,061 / 2 SC (94)    0 g s  1d trong ®ã  s   0 s g s  1d  0 = øng suÊt trît tæng céng  0 s = øng suÊt trît ma s¸t líp ®Öm g = gia tèc träng trêng  = mËt ®é níc s = mËt ®é t¬ng ®èi cña trÇm tÝch d = ®êng kÝnh h¹t. Mét ph¬ng ph¸p ma s¸t båi tÝch næi tiÕng kh¸c lµ cña White vµ nnk (1980). Ph¬ng ph¸p kh¸ phøc t¹p, vµ ngêi ®äc cÇn tham chiÕu ®Õn b¶n gèc hoÆc Fisher (1993), trong ®ã quy tr×nh tõng bíc vµ vÝ dô thùc hiÖn ®îc ®a ra. Mét vÝ dô cña ph¬ng ph¸p 2 giai ®o¹n lµ cña Van Rijn (1984). §é cao sãng  s vµ bíc sãng  s cña ®ôn c¸t ®îc dù b¸o b»ng c¸ch sö dông ph¬ng tr×nh (38a-d). Sau ®ã chóng ®îc sö dông ®Ó cã ks theo ph¬ng tr×nh sau ®©y: ks= 1,1 s 1  exp( 25 s / s )  3d 90 . SC (95) Gi¸ trÞ ks nµy sau ®ã sö dông trong c«ng thøc Chezy (t¬ng tù ph¬ng tr×nh (37)) ®Ó nhËn ®îc øng suÊt trît tæng céng  0 . C¸c chi tiÕt h¬n vµ c¸c vÝ dô cña c¸c ph¬ng ph¸p nãi trªn ®îc cho bëi Fisher (1993). 110
Quy tr×nh 1. VÝ dô 7.4. øng suÊt trît tæng céng do dßng ch¶y - §Ó tÝnh to¸n øng suÊt trît tæng céng  0 ph¸t sinh do dßng ch¶y thuû triÒu trªn mét ®¸y biÓn gîn c¸t víi d50= 0,200 mm trong níc biÓn t¹i 10oC vµ 35o/oo: + Cho ®é s©u níc h 10m 0,5ms-1 U + Cho vËn tèc trung b×nh ®é s©u - X¸c ®Þnh bíc sãng cña gîn c¸t r ph¬ng tr×nh (81a) 0,20m - X¸c ®Þnh ®é cao sãng cña gîn c¸t r ph¬ng tr×nh (81b) 0,0286m - TÝnh to¸n theo ph¬ng tr×nh (90) 2 z 0  10,0286  0,00408m 0,20 - Sö dông ph¬ng tr×nh (37) nhËn ®îc CD={0,40/[1+ln(0,00408/10)]}2= 0,00346 - Sö dông ph¬ng tr×nh (30) ®Ó tÝnh to¸n øng suÊt trît tæng céng  0  1027  0,00346  0,502 0,887Nm-2 2. Khi ¸p dông ®èi víi c¸c gi¸ trÞ sè nhËn ®îc trong vÝ dô 7.4 víi ®¸y c¸t th¹ch anh cã d35= 0,175  m, d50= 0,200  m, d65= 0,230m  m, d90= 0,313m  m, ph¬ng ph¸p ®èi víi s«ng ®a ra c¸c dù b¸o sau ®©y cho øng suÊt trît tæng céng: 0,965Nm-2 Engelund 0,384Nm-2 White vµ nnk 0,600Nm-2 Van Rijn C¸c ph¬ng ph¸p nµy dù b¸o ®ôn c¸t lµ phÇn tö nh¸m chñ yÕu, thay v× gîn c¸t. 3. VÝ dô 7.5. øng suÊt trît tæng céng do sãng - §Ó tÝnh to¸n biªn ®é øng suÊt trît tæng céng  w ph¸t sinh do sãng trªn ®¸y biÓn gîn c¸t, sö dông cïng ®Çu vµo nh ®èi víi vÝ dô 7.3: - TÝnh to¸n ®é cao sãng vµ bíc sãng cña gîn c¸t nh trong vÝ dô 7.3. Ph¬ng ph¸p Nielsen cho ta: r + ®é cao sãng gîn c¸t 0,0452m 111
r + bíc sãng gîn c¸t 0,265m - Ph¬ng ph¸p Nielsen ®Ó tÝnh to¸n z0f 2,06 x10-3m sö dông ph¬ng tr×nh (90) víi ar= 0,267 z0f - TÝnh to¸n thµnh phÇn vËn chuyÓn trÇm tÝch z0 4,14 x 10-4m theo ph¬ng tr×nh (92) z0t - TÝnh to¸n thµnh phÇn ma s¸t líp ®Öm z0 1,67 x 10-5m theo ph¬ng tr×nh (25) z0s - TÝnh to¸n z0 tæng céng sö 2,49 x 10-3m dông ph¬ng tr×nh (43) z0 - TÝnh to¸n hÖ sè ma s¸t sãng b»ng ph¬ng ph¸p Swart, ph¬ng tr×nh (60) 0,139 - TÝnh to¸n biªn ®é øng suÊt trît t¹i ®¸y 6,84Nm-2 w tæng céng sö dông ph¬ng tr×nh (57) §Ó so s¸nh, ph¬ng ph¸p Raudkivi cho ta  w = 11,0Nm-2, vµ ph¬ng ph¸p Grant vµ Madsen cho ta  w = 10,8Nm-2. 4. Chi tiÕt vÒ c¸c ph¬ng ph¸p cã s½n trong SandCalc ®èi víi øng suÊt trît tæng céng t¹i ®¸y do sãng ®îc cho trong môc 4.6. 112