16 Tính toán dòng chảy dọc bờ E.W Bijker, J v.d Graaff 16.1 Mở đầu Trong bốn chương trước đà tiến hành phân tích thành phần lực tác động lên phần tử nước đới sóng đổ Trong điều kiện sóng hình dạng bờ giữ nguyên có lực tác động lên phần tử nước; lực bổ sung xuất giới hạn không áp dụng, trình bày mục sau Thay thử tìm công thức dòng tổng quát vào cân bốn lực trên, trường hợp đơn giản có cân hai thành phần tồn thường xuyên đới sóng đổ Cách giải giới thiệu kĩ mục 16.2 Cân lực sở Do ứng suất đáy gradient ứng suất ngang tồn đới sóng đổ, có lẽ tốt nên việc tính toán vận tốc dòng chảy tổng cộng dọc bờ sở cân hai lực Từ kết chương 12, lực tác động có dạng: S xy x sin 0 ( gh) / m 16 c0 ®ã: (16.01) c0 vận tốc sóng vùng nước sâu, g gia tốc trọng trường, h độ sâu nước, m độ dốc bÃi, số sóng đổ, mật độ nước, góc tới sóng vùng nước sâu Thành phần ứng suất lực ma sát dựa sở công thức 15.31: u g cwx V [0,75 0,45( b )1,13 ] V C ®ã: (16.02) C hệ số Chezy, ub biên độ vận tốc sóng gần đáy, V vận tốc trung bình theo độ sâu (chưa biết), hệ số xác định theo công thức 15.29 84 Cân 16.01 với 16.02 tìm lời giải cho trường V ta thu biểu thức cần thiết vận tốc điểm đới sóng đổ Tuy nhiên, chất phương trình 16.02 ta thu nghiệm dạng hiện, biểu thức tốt có thÓ viÕt nh sau: 0,75V 0,45(u b )1,13 V 0,87 g C sin 0 m / h 16 c0 (16.03) chØ cho phép giải theo phương pháp lặp V (Có thể sử dụng phương pháp Runge-Kutta) Với mục đích thu kết rõ ràng phân bố vận tốc đới sóng đổ, lại đầu, nhiên lần sử dụng biểu thức đơn giản xấp xỉ ứng suất nhít (15.42): g cwx h f wV (16.04) 2C fw tham số ma sát đánh giá theo phương trình 15.16 hay toán đồ 15.2 Xấp xỉ phân bố vận tốc hàm khoảng cách từ bờ, y, xác định cách cân 16.01 với 16.04: g sin 0 m h fwV ( gh) / c0 16 2C (16.05) Giải phương trình V ta thu được: V g C fw sin 0 hm c0 (16.06) Trong phương trình này: g = 4,349 lµ mét h»ng sè, sin chØ phơ thuộc vào độ sâu nước, c0 phụ thuộc vào đặc trưng sóng độ dốc bÃi, C fw lực ma sát phụ thuộc vào độ gồ ghề đáy, độ sâu nước, h, điều kiện sóng cục H m hàm phụ thuộc vào khoảng cách từ bờ Mối phụ thuộc vào thành phần ma sát nhớt vào độ sâu nước, điều kiện độ gồ ghề không đổi, làm phức tạp hoá toán nhiều; nhiều nhà nghiên cứu đà cho thành phần ma sát không đổi toàn đới sóng đổ Nếu chấp nhận phép xấp xỉ tương lai trọng đến bÃi với độ dốc không đổi, dòng chảy dọc bờ trở thành hàm tuyến tính phụ thuộc vào độ sâu nước, h, đới sóng đổ; vận tốc cực đại thuộc đường phân bố, dẫn hình 16.1b, thu mép đới sóng đổ, 85 dẫn hình 16.1a Thực tế cho thấy vận tốc mép phải bị S yx triệt tiêu, thu từ công thức đà thể hình 12.2 y a mặt cắt ngang b phân bố vận tốc Hình 16.1 Phân bố vận tốc đới sóng đổ 16.3 Tác động rối Trong chương 14 đà chứng minh lùc rèi phơ thc vµo gradient vËn tèc theo híng vuông góc bờ Theo gradient vận tốc vô biên đới sóng đổ, thể hình 16.1, cho đường phân bố vận tốc bị ảnh hưởng mạnh Quá trình trao đổi động lượng theo phương ngang làm giảm vận tốc phần đới sóng đổ tạo nên lực tác động dòng chảy hướng phía đới sóng đổ Longuet-Higgins (1971) Battjes (1974) đà tính toán phân bố vận tốc lí thuyết thông qua việc đưa lực rối vào cân động lực với gradient ứng suất ngang ma sát 16.4 Tác động sóng không Tất tranh luận tiến hành xuất phát ban đầu việc xấp xỉ sóng Trong thực tế điều xẩy ra, độ cao sóng biến đổi dẫn đến việc xác định biên đới sóng đổ dễ dàng đà thể hình 16.1 Các sóng lớn bị đổ xa bờ so với sóng bé Battjes (1974) đà tìm cách tính toán phân bố dòng chảy dọc bờ cách mô tả trường sóng không đới sóng đổ Ông đà tính gradient ứng suất ngang tổng hợp theo phân bố độ cao sóng (đà biết) ®iĨm kh¸c cđa ®íi sãng ®ỉ Theo ®ã ®· xác định đường phân bố vận tốc theo phân bố thành phần gradient ứng suất ngang ảnh hưởng tính dị thường sóng có nét tương tự rối ngang; đường phân bố vận tốc trở nên có đột biến đỉnh so với dẫn hình 16.01 Trong phần dẫn phép so sánh cụ thể vấn đề Phân bố vận tốc dòng chảy dọc bê ®iỊu kiƯn thùc cã sù biÕn ®ỉi lín thấy rõ hình 16.2 Các ảnh hëng cđa triỊu, ®é réng cđa phỉ sãng, biÕn ®ỉi độ gồ ghề đáy, dị thường độ dốc bÃi biến đổi hướng độ cao sóng có tác dụng làm biến đổi đường phân bố vận tốc 86 16.5 Ví dụ Xác định phân bố vận tốc dòng chảy trung bình (theo độ sâu) đới sóng đổ hàm khoảng cách từ bờ Các sóng với chu kỳ giây vào bờ từ vùng biển sâu với ®é cao, H0=2 mÐt vµ gãc tíi 0 =30o ChØ số sóng đổ =0,8 độ dốc bờ m = 1:100 Độ gồ ghề đáy xem không đổi khoảng 0,06 m toàn bÃi Vấn đề đặt xác định biên đới sóng đổ Do đặc điểm phi tuyến toán không cho phép đưa lời giải giải tích mà triển khai theo sơ đồ sau Đoán độ sâu sóng đổ, hbr, tính hbr /0 Sử dụng bảng hàm sóng (hoặc tính toán) xác định hệ số nước nông, Ksh, tỷ số vận tốc nhóm sóng nước nông nước sâu Xác định góc tới biên sóng đổ theo c«ng thøc sau sin b r c sin 0 c0 (16.07) TÝnh ®é cao sãng ®ỉ, tõ c«ng thøc: H br H K sh cos cos br (16.08) Tính giá trị hbr từ giá trị đà biết giá trị vừa tính Hbr Quay trở lại bước ứng dụng thủ tục vừa nêu nhằm giải toán tay sử dụng bảng hàm sóng từ bíc thø hai sÏ cho kÕt qu¶: Hbr = 2,07 m, hbr = 2,59 m, vµ (16.09) br = 13,3 Bảng 16.1 cho ta kết tính chuỗi điểm đới sóng đổ Phép tính toán minh hoạ sau tiến hành điểm cách bờ 259 mét- điểm biên đới sóng đổ Bước sóng thu theo công thức cT ghT 9,81.2,59 35,3 m (16.10) Biªn độ chuyển dịch đáy, ab, theo công thức 5.03b từ tập I, với kết vừa thu từ 16.10 ta cã: ab 0,8 35,3 2,25 4. m (16.11) 87 Bảng 16.1 Xác định dòng chảy dọc bờ H0=2,0 m T =7 s,0=30 khoảng cách y độ sâu h độ sóng H cao biên ®é fw C V1 V2 V3 V4 V5 V6 - bíc sãng m1/2/s m/s m/s m/s m/s m/s m/s 0,00 sóng đáy ab m m m m 0 0 - - 0,00 0,0 0,00 0,00 25 0,25 0,20 11,0 0,70 0,065 30,6 0,048 0,04 0,11 0,12 0,04 50 0,50 0,40 15,5 0,99 0,052 36,0 0,126 0,11 0,21 0,24 0.11 75 0,75 0,60 19,0 1,21 0,047 39,2 0,216 0,20 0,31 0,36 0,19 100 1,00 0,80 21,9 1,40 0,043 41,4 0,318 0,28 0,42 0,45 0,26 125 1,25 1,00 24,5 1,56 0,040 43,2 0,430 0,37 0,53 0,53 0,33 150 1,50 1,20 26,9 1,71 0,039 44,6 0,539 0,46 0,61 0,58 0,38 175 1,75 1,40 31,0 1,85 0,037 45,8 0,663 0,55 0,73 0,59 200 2,00 1,60 32,9 1,97 0,036 46,8 0,785 0,65 0,82 0,57 0,43 225 2,25 1,80 32,9 2,09 0,035 47,8 0,915 0,74 0,84 0,51 0,43 250 2,50 2,00 34,7 2,21 0,034 48,6 1,05 0,83 0,65 0,40 0,42 259 2,59 2,07 35,3 2,25 0,034 48,9 1,09 0,86 0,50 0,35 0,41 0,00 0,00 0,21 0,27 0,39 300 0,06 0,18 0,35 350 0,01 0,09 0,24 275 m 415 0,04 450 0,03 500 0,55 0,00 0,00 0,42 0,12 0,07 0,03 88 Thµnh phần ma sát tính từ phương trình 15.16 hay từ hình 15.2, cho biết độ gồ ghề ®¸y, r, b»ng 0,06 m 0,194 2,25 5,977 5,213 0,034 f w exp 0,06 (16.12) Hệ số Chezy tính theo cách thông dụng: 12h C 18 log r C 48,9 (16.13) m1/2/s (16.14) Nh vËy, V cã thĨ tÝnh b»ng c«ng thøc 16.06: V 5 sin 30 48,9 (0,8) 2,59 100 1,56.7 0,034 V 1,09 m/s (16.15) (16.16) Giá trị thấy bẳng 16.1 cột Vl bảng 16.1 89 Trong bảng dẫn số đường phân bố vận tốc tổng cộng, sau mô tả cụ thể chúng V1 tìm từ bảng số sở giá trị vận tốc 90 ứng với thành phần ma sát tính toán cục Thành phần ma sát xấp xỉ 15.42 xấp xỉ sóng nước nông đà sử dụng V2 không chấp nhận xấp xỉ nước nông nêu Do phương trình 12.10 đà sử dụng thay vào 12.15 xác định lực tác động, lực ma sát tính theo công thức xác 15.31 Đồng thời lí thuyết sóng dải độ sâu chuyển tiếp sử dụng tính toán Trên bảng dẫn kết tính tổng hợp; chúng có giá trị nhỏ khoảng 20% Giá trị V3 bảng, thu từ kết đưa lực nhớt rối vào phương trình vận tốc Sử dụng cách tiếp cận Battjes (1974) sóng dẫn đến kết đới sóng đổ Kĩ thuật khó có khả sử dụng thức cho phía đới sóng đổ, đà ứng dụng với mục đích so sánh thí dụ Longuet-Higgins (1971) sử dụng tiếp cận khác so với Battjes Ông ta đề xuất sử dụng giới hạn mạnh lực ma sát ngang Sử dụng phương pháp với ma sát rối ngang dẫn đến kết V4 dẫn bảng 16.1 Có ý đồ khác thể sơ đồ phân bố vận tốc thực cách mở rộng bề rộng lên 1,6 ybr Cực đại vận tốc đạt khoảng cách y = (2/3)ybr tính từ bờ, giá trị cực đại thu cho r»ng: 1,6 ybr cwx dy S yx y ybr (16.17) TriĨn khai tÝch ph©n thu giá trị cực đại 0,55 m/s kí hiệu V5 bảng Loại phân bố vận tốc đà bao gồm số ảnh hưởng nhớt rối ngang Cuối cùng, sóng lượng tổng cộng sóng (Hrms0=2,0 m trường hợp này) phương pháp Battjes (1974) ®Ị xt bá qua nhít rèi ngang sÏ cho kÕt V6 dẫn bảng Tất đường phân bố dẫn hình 16.2 16.6 Các lực tác động bổ sung Trong phân tích chương này, biến động điều kiện sóng bÃi dọc theo bờ đà không kể đến ; tất đặc trưng sóng xem không phụ thuộc vào vị trí, x, dọc theo bờ §iỊu nµy Ýt xÈy thùc tÕ Do đường đẳng độ sâu dọc bờ song song, biến đổi khúc xạ dẫn đến độ cao sóng biến đổi dọc theo đường đẳng độ sâu Các công trình mỏ hàn, doi cát, hay đê phá sóng làm độ cao sóng bổ sung hướng thay đổi dọc theo đường đẳng sâu dọc bờ H vào tính toán dòng chảy dọc bờ trở nên cần x x thiết Đòi hỏi giải thích thêm lực tác động bổ sung, hai ®Ịu rót tõ gradient cđa ®é cao sãng góc tới theo hướng dọc bờ Yêu cầu đưa thêm Trong chương 11 đà xem xét độ cao nước dâng sóng, h, kết sóng vào bờ Chúng ta đà thu mối phụ thuộc vào độ cao sóng H Nếu độ cao sóng góc tới lại biến đổi dọc bờ nước dâng sóng biến đổi h' theo dẫn đến biến đổi độ dốc mực nước trung bình, Độ dốc mực nước x 91 gây lực tác động bổ sung cân động lực phần tử nước Lực bổ sung thứ hai thu đựoc từ gradient ứng suất pháp tuyến tác động lên mặt vuông góc với đường bờ Có thể lấy kí hiệu Sxx chương này; chương 10 Syy thể hình 10.2 Phần tử nước chịu lực tác động tỷ lệ S XX (trở lại với kí hiệu thông dụng), đại lượng phụ thuộc vào lẫn với x x H x Khi hai lực gọi lực kéo (tác động), nghĩa chúng S YX tác động theo hướng Thông thường hướng riêng chúng x rút từ cân lực hướng xác định riêng cho trường hợp cụ thể Triều, đà xét đến chương 13, ảnh hưởng lên dòng chảy dọc bờ Do sù xt hiƯn cã tÝnh phỉ qu¸t cđa nã, ảnh hưởng triều xác định cho khu vực rộng lớn so với ảnh hưởng vừa kể Do có chênh lệch pha biên độ xuất dọc bờ, ví dụ bờ Hà Lan, ảnh hưởng triều đóng vai trò quan trọng lên trình vận chuyển trầm tích, đặc biệt vùng nằm sát phía đới sóng đổ Chúng ta kết thúc phần kết luận Trong ba chương tập trung vào vấn đề dự báo vận chuyển trầm tích dọc bờ 92 17 Các c«ng thøc cị vËn chun ven bê J v.d Graaff 17.1 Mở đầu Chương mở đầu cho bước nghiên cứu biến đổi bờ Năm chương vừa qua đà dẫn đến việc xác định vận tốc gần bờ, tham số đầu vào quan trọng công thức tính toán vận chuyển trầm tích chúng theo yêu cầu đà đề cập đến chương Tại bắt đầu xem xét chuyển động trầm tích thay chuyển động nước Trước vào vấn đề vận chuyển trầm tích thông qua dự báo nồng độ trầm tích tốc độ trầm tích- yêu cầu chương 9- sâu tìm hiểu công thức tính toán vận chuyển trầm tích Do phần lớn trầm tích cát, đại phận công thức phát triển ứng dụng cho bÃi cát Rất may mắn, cát vật liệu hay dự báo nhất; người ta dễ dàng bỏ qua dính kết cho ứng suất căng (góc nội ma sát) không đổi Các vật liệu mịn, bùn sét, ngược lại, tính chất Do tín đơn giản diện phổ biến mà công thức vận chuyển trầm tích xây dựng cho cát; thường gọi công thức vận chuyển cát Các công thức dẫn chương xây dựng sở đo đạc thực địa mô hình trước lí thuyết dòng chảy dọc bờ thừa nhận Trong số đó, công thức CERC đà phát triển sau chiÕn tranh thÕ giíi lÇn thø II kết thúc Phòng xói lở bÃi, tiền thân Trung tâm nghiên cứu kĩ thuật bờ, Hải quân Hoa Kì 17.2 Công thức CERC Các quan trắc thực địa phòng thí nghiệm tiến hành thËp niªn sau chiÕn tranh thÕ giíi II cho thÊy có tương quan tốc độ vận chuyển thể tích cát dọc theo bờ [L3/T] thành phần lượng sóng vào bờ Vận chuyển cát nhận thÊy Ýt nhiỊu tËp trung ®íi sãng ®ỉ B»ng công thức, tốc độ vận chuyển cát, S, là: S = A U (17.01) Trong A hệ số tham số chuyển đổi thứ nguyên, U thành phần dòng lượng hay công suất vào đơn vị độ dài đới sóng đổ Dòng lượng hay công suất đơn vị độ dài đỉnh sóng vào bờ theo công thức tập I là: 93 (17.02) U = E cg đó: E lượng sóng, cg vận tốc nhóm sóng U tham số vật lí vô hướng Tuy nhiên thành phần tham số: biên đới sóng đổ theo hướng dọc bê (híng x): U x U sin br (17.03) br góc đỉnh sóng bờ biên đới sóng đổ Tương tự, thành phần lượng theo hướng vuông góc bờ: U y U cos br (17.04) Từ ta thu tham số khác khó lí giải tương tự: U ' U xU y U U sin br cos br hay dạng tương đương U ' Ec g sin br cos br Sư dơng lÝ thut khóc xạ (tập I, chương 9) vá xấp xỉ tương øng: U ' gH c0 K rbr sin br cos br 16 ®ã: (17.05) (17.06) (17.07) c0 vận tốc sóng nước sâu, g gia tốc trọng trường, H0 độ cao sóng nước sâu, Krbr hệ số khúc xạ mép đới sóng đổ, mật độ nước Việc đánh giá tất biến đổi mép đới sóng đổ thường khó khăn; phải tìm cách tránh công việc tốt Nhắc lại lí thuyết khúc xạ, thấy công suất vận chuyển tia sóng bảo tồn đới sóng đổ, từ hình 17.07ta thÊy: gH c0 K rbr cos br 16 giữ giá trị không đổi đới sóng đổ số br không cần thiết trường hợp Thành phần lại 17.07 sin br giải thích lí thuyết khúc xạ Điều có nghĩa U tổng thể biến đổi phía đới sóng đổ sin br đánh giá mép đới Thay 17.07 vào 17.01 thay giá trị (không thứ nguyên) A theo số liệu đo đạc ta thu được: S 0,014H c0 K rbr sin br cos br (17.08) 94 hoàn toàn tương tự phương trình 26.04 tập I Nếu sử dụng thứ nguyên, hệ số 0,014 không thứ nguyên Tuy nhiên, thông thường S thể qua thể tích năm c0 giữ cũ: độ dài giây Trong trường hợp đó, hệ số cúng thứ nguyên với giá trị khác: S 0, 44 10 H c0 K rbr sin br cos br (17.09) Công thức đà xuất tập I, công thức 26.05 Vẫn tồn khác định độ cao sóng đặc trưng cho đợt sóng không giá trị hệ số sử dụng hai công thức Điều xem xét chi tiết phần 17.5 sau đà lí giải ý nghĩa vật lí công thức CERC mục sau 17.3 Các xác minh công thức CERC Các phát triển khái niệm ứng suất ngang cho phép lí giải cách hợp lí công thức CERC khía cạnh vật lí tượng ứng suất (phân lớp) trượt ngang tất điểm nằm đới sóng đổ không đổi chương 12 ứng suất trượt này, có gọi lực kéo sóng ngang, là: S xy En sin cos (17.10) ®ã n lµ tû sè c0 c Do S xy có giá trị không đổi đới sóng đổ, sử dụng điều kiện sóng mép đới sóng đổ để đánh giá S xy Ebr nbr sin br cos br (17.11) Trong chương trước, ứng suất trượt ngang tạo động lực dòng chảy dọc bờ đới sóng đổ Bắt đầu từ nhiệm vụ mới, chấp nhận giả thiết cho sóng nguyên nhân tách đưa cát vào dạng lơ lửng để dòng chảy vận chuyển Tham số đặc trưng cho tượng lấy biên độ vận tốc quỹ đạo sóng gần đáy, ub Nếu chÊp nhËn phÐp xÊp xØ níc n«ng, ub cã thĨ biểu thị qua thành phần vận tốc sóng đới sãng ®ỉ: u b cbr (17.12) Trong dạng chung hơn, ub thường tỷ lệ với cbr ®íi sãng ®ỉ, ®ã, cbr ®ỵc sư dơng nh tham số tách nồng độ cát đới sóng đổ Bây giờ, với việc sử dụng giả thiết trình bày chương 9, phát triển công thức vận chuyển cát cách nhân Sxy (thể hiƯn qua tèc ®é) víi cbr (thĨ hiƯn qua nång ®é c¸t): S xy cbr Ebr nbr cbr sin br cos br (17.13) Công thức tương đương với 17.06 95 17.4 Biến đổi dòng trầm tích theo góc sãng tiÕn vµo bê Lµm thÕ nµo mµ sù biÕn ®ỉi cđa gãc sãng tíi ¶nh hëng ®Õn vËn chun trầm tích dọc bờ? Điều nghiên cứu thông qua phương trình 17.08, song tiện lợi biểu thị mối tương quan S góc sóng tới, , thông qua góc tới biển sâu, Theo lí thuyết khúc xạ, từ chương 9, tËp I: K rbr cos br cos (17.14) vµ sin br cbr sin c0 (17.15) Phương trình 17.08 có dạng: S 0,014 H cbr sin cos (17.16) Nhằm mục đích nghiên cứu ảnh hưởng biến đổi góc lên S, cần xác định biến phụ thuộc Thông thường sin cos biến đổi cbr độ cao sóng biên đới sóng đổ phụ thuộc vào hệ số khúc xạ Độ cao sóng biến đổi tương đương đới sóng đổ Sự tồn mối phụ thuộc cbr vào hbr cung cấp cho ta đầy đủ biến Như cần ý đến mối quan hệ f (0 ) cbr sin 0 cos (17.17) Tuy nhiên hàm f (0 ) lại không dễ thể qua biểu thức giản đơn Do tồn nhiều thủ tục phức tạp nhằm đánh giá f (0 ) , giới hạn phân tích công trình đánh giá hàm số theo chuỗi đầy đủ số liệu với chu kì sóng Thành phần sin cos thêng cã vai trß quan träng nhÊt biĨu thøc hàm f (0 ) Do toán đồ f (0 ) có dạng tương tự sin cos Còng nh sin cos , f (0 ) = 0=0 0=90 Khác với sin cos đối xứng xung quanh đường 0=45 , f (0 ) lại bất đối xứng; giá trị f (0 ) < < 40 thông thường có giá trị cao so với f (90 o ) Điều thể rõ giá trị nhỏ Cuối cùng, giá trị lín nhÊt cđa f (0 ) xt hiƯn 0 < 45- thông thường 40 45 17.5 Các hệ số công thức CERC Như đà trình bày phần 17.2, có số khác biệt giá trị hệ số sử dụng phương trình 17.08 hay 17.09 ViƯc lùa chän ®é cao sãng (Hsig hay Hrms) làm cho vấn đề trở nên phức tạp Các thử nghiệm mô hình trước nhằm xác định phương trình 17.09 đà tiến hành sóng đều, theo U đễ dàng xác định Độ cao sóng đặc trưng, Hsig, thường hay sử dụng nhằm đặc trưng cho sóng mẫu mà theo phương trình đà rút ra, độ cao sóng đặc trưng thực độ cao sóng trung bình bình phương, Hrms Hai số dẫn đến sai số số mũ U hệ số tương ứng xem chương 10, tập I 96 Bảng 17.1 Các hệ số công thức CERC Tác giả Hệ số công thức 17.08 Loại độ cao sóng đặc trưng HƯ sè c«ng thøc 17.09 C«ng thøc gèc 0,014 Hsig 0,44 x 106 0,028 Hrms 0,88 x 106 Shore Protection Manual (1973) 0,25 Hsig 0,79 x 106 Komar (1976) 0,049 Hrms 1,55 x 106 Svasek (1969) 0,039 Hrms 1,23 x 106 ®êng 0,008 Hrms 0,25 x 106 ®êng 0,036 Hrms 1,13 x 106 ĐHKT DELFT, Trung tâm tính toán 0,039 Hrms 1,23 x 106 Hình 17.1: Cần nói thêm rằng, có biện luận giá trị hệ số rút từ sở số liệu khác mô hình thí nghiệm mẫu Xem xét tài liệu công bố vấn đề cho ta thấy có phân tán đáng kể số liệu thu thường mô tả khác nhà nghiên cứu khác Hình 17.1 cho ta thấy số liệu thực tế tương quan S U, U tÝnh theo Hrms NÕu mèi phơ thc tun tÝnh gi÷a hai tham số chấp nhận công thức CERC, kết xử lí kết số liệu theo phương pháp bình phương tối thiểu thể đường hình vẽ Mặt khác, điểm thu Moore Cole bị loại bỏ, đường thứ hai thu cho ta thấy dòng cát vận chuyển, S, lớn tới bốn lần sóng có điều kiện tương tự Sự khác thể bảng 17.1 có so sánh hệ số công thức CERC thu nhà nghiên cứu khác Khi tất hệ số gắn kết với sóng đặc trưng, Shore Protection Manual cho ta hệ số dẫn đến dòng cát vận chuyển lần lớn so với đường hình 17.1! Cuộc tranh luận chưa thể cã håi kÕt … 17.6 VÝ dơ triĨn khai c«ng thức CERC Vì việc tính toán vận chuyển cát theo công thức CERC triển khai sau này, khôn thiết phải trình bày chúng Tuy nhiên việc tính toán trình bày phần 11 chương 19 có tiến hành so sánh với phương pháp xác định khác 97 17.7 Các hạn chế công thức CERC Công thức CERC với hệ số thường thể khả ứng dụng đáng kinh ngạc Tuy nhiên có hạn chế dẫn đến việc khó đáp ứng công thức số trường hợp Chỉ có dòng vận chuyển cát tổng cộng tính theo công thức Không thu thông tin phân bố dòng trầm tích đới sóng đổ Điều dẫn đến hạn chế đáng kể bờ có số dải cát ngầm phía hay mỏ hàn nhỏ Các công thức không tính đến tính chất vật liệu đáy Chúng rút áp dụng cho bÃi cát đồng với đường kính trung bình tõ 175 m ®Õn 1000 m (1 mm) Sù hiƯn diện bÃi cát điều kiện để áp dụng công thức CERC Độ dốc bÃi đới sóng đổ không tính đến công thức CERC Do có lực tác động sóng với tính chất điểm dọc bờ ý đến, nên công thức không cho kết tốt lực tác động khác có vai trò định, xem chương 16 để phân tích thêm phần Công thức CERC áp dụng cho vùng nước nông, địa hình không rõ ràng hay gần khu vực lạch tàu Svasek (1969) đà tìm cách loại trừ hạn chế đầu cách thay đổi công thức CERC nhằm thu phân bố trầm tích đới sóng đổ Các tiếp cận ông ta cho vận chuyển cát xuất qua phần tử với bỊ réng ®íi sãng ®ỉ, sÏ tû lƯ víi suy yếu lượng sóng qua đới Tuy nhiên cách tiếp cận không cho kết khả quan Theo hướng tiếp cận khác nhằm loại trừ hạn chế nêu trên, Bijker (1967) đà thay đổi công thức dòng chảy không đổi kết hợp với ảnh hưởng sóng Chi tiết cách tiếp cận trình bày chương 19, nhiên cần đưa tổng quan chế vật lí tượng vận chuyển cát ch¬ng tiÕp theo 98 99 18 C¬ chÕ vËn chun cát J.D Schepers 18.1 Mở đầu Một hiểu biết sâu trình vật lí tượng tách trầm tích khỏi đáy, chuyển dịch chúng lắng đọng trở lại sóng dòng chảy giúp hiểu sở phương pháp luận công thức đại tính vận chuyển trầm tích ven bờ Trong chương này, xem xét trình vật lí xuất gần đáy tác động lan truyền sóng 18.2 Các luận điểm sở Khi sóng chuyển động, ngoại trừ vùng nước sâu, có dao động chuyển dịch ngang gần đáy Nước chuyển động với vận tốc ub phụ thuộc vào thời gian Như đà trình bày chương 15, ứng suất trượt gần đáy tăng lên vận tốc tăng Điều chuyển động sóng, dòng chảy hay hỗn hợp hai Khi ứng suất trượt vượt qua giá trị tới hạn (tương ứng vận tốc tới hạn ubcr đáy) hạt cát mặt phẳng ngang bị chuyển dịch với nước Do hạt cát riêng rẽ thường có khối lượng nhỏ nên chúng nhanh chóng đạt vận tốc tương đương vận tốc nước Như hạt cát đứng yên ub < ubcr chuyển động víi vËn tèc ub ub > ubcr Tuy nhiªn cách giải thích không đáp ứng trường hợp đặc biệt ub ubcr khoảng thời gian dài Nếu đường cong biến trình vận tốc đáy theo thời gian không đối xứng so với đường zero, dòng vận chuyển vật liệu đáy xẩy Cách vận chuyển thể hình 18.1 Sơ đồ vận tốc dẫn đồ thị dẫn đến chuyển dịch thực trầm tích đáy theo hướng dương ub Các hạt cát chuyển dịch tiến lùi thể hình 18.2, với dòng tổng phía tríc TÝnh bÊt ®èi xøng cđa vËn tèc thĨ hiƯn sơ đồ 18.1 diện vùng nước nông Lí thuyết sóng tuyến tính đơn giản mô tả cách xác chuyển động phức tạp sử dụng tính đơn giản 100 Hình 18.1 Vận tốc đáy biến đổi ứng suất phân lớp: chuyển động trầm tích xuất vùng đánh dấu Hình 18.2 Sơ đồ chuyển động trầm tích 18.3 Độ gồ ghề đáy Tính chất không bề mặt đáy cát tạo điều kiện hình thành nên mặt đáy dạng sóng Sóng đáy gây nên biến dạng chuyển động gầy đáy; miền tách dòng xuất điểm khác bề mặt vào thời điểm khác Ví dụ vận tốc đáy dương- xác định theo hướng lan truyền sóng chương này- tượng tách dòng xoáy xuất phía trước sóng cát dẫn hình 18.3a Thành phần ngược lại hình 18.3b- hình thành nửa chu kì sau sóng Cách xem xét gián tiếp xác định cho ta phía trước sau sóng đáy hình 18.3 Hình 18.3 Hình thành xoáy lớp sát đáy: trường hợp ub dương- trái, ub âm-phải Có thể cho vận chuyển cát bị ảnh hưởng mạnh tồn sóng đáy xoáy kèm theo chúng Có thể phân biệt hai chế vận chuyển cát chđ u, mét sè ®ã xt hiƯn sù diện xoáy 101 Như đà trình bày đây, xoáy sơ cấp hình thành phía trước sóng đáy vận tốc ub dương hình 18.3a Vận tốc cục có giá trị lớn xoáy dẫn đến tượng xói mòn mạnh, hạt cát giữ trạng thái lơ lửng chứa bên xoáy đó, sau thời gian ngắn, dòng chảy kết thúc xoáy tan dẫn đến việc khuyếch tán cát phía trước Lượng cát rơi trở lại đáy vị trí tĩnh tiến phía trước mặt sóng cát vừa bị xói Quá trình phụ thuộc lớn vào chi tiết nước chuyển động, độ dốc sóng đáy tính chất vật lí vật liệu đáy Có thể hình dung bước tranh tương phản với xoáy thứ cấp xuất phần nửa sau chu kì sóng Tại đây, bất đối xứng dạng sóng đáy chuyển động nước đảm bảo kết vận chuyển cát thực tế phía trước Nhắc lại vật liệu bị xói xoáy sơ cấp thời kì vận tốc dương chuyển theo hướng âm ngược lại Hình 18.4 Nồng độ trầm tích đỉnh sóng đáy phụ thuộc vào thời gian Tính chất không sóng thường dẫn tới việc vận tốc cực đại theo hướng dương có khả gây nên xoáy sơ cấp- thường lớn cực đại dòng theo hướng âm có khả gây nên xoáy thứ cấp Điều dẫn đến kết luận khả xoáy sơ cấp tương đối mạnh dẫn đến nồng độ cát xói lớn so với xoáy thứ cấp Từ phân tích phần trên, kết luận tồn dòng cát tỉng céng vËn chun theo híng ©m – xem Bijker et al (1976) Trong mét sè trêng hỵp thËm chÝ dòng chảy tổng cộng không lớn theo hướng dương kết hợp với sóng lại có khả tăng cường dòng cát vận chuyển tổng cộng âm Vậy câu hỏi đặt điều xẩy được? Thành phần dòng chảy ổn định làm tăng cường khả tạo xoáy sơ cấp làm cho tượng xói tăng cường giai đoạn dòng sóng dương Dòng cát theo hướng âm phụ thuộc vào 102 thời gian tồn vận tốc âm Dòng chảy thường kì dương tạo nên xoáy sơ cấp làm giảm dòng cát theo hướng dương; từ dẫn đến tăng cường dòng vận chuyển cát theo hướng âm Những biện luận vừa cho phép ta lí giải khác biệt đáng kể thí nghiệm nghiên cứu vận chuyển cát giống trường hợp vừa nêu: dòng cát vận chuyển tổng cộng (thường có giá trị lớn) thu hiệu hai lượng vận chuyển thường lớn nhiều so với giá trị ta cần tìm Điều giống trường hợp phân tích mô hình số, sai số nhỏ đại lượng lớn làm thay đổi gía trị hiệu chúng Như vậy, nhằm mục đích đưa tiến triển đáng kể nghiên cứu vận chuyển trầm tích, yêu cầu tập trung việc xác định xác thành phần xoáy nồng độ trầm tích, hai yếu tố phụ thuộc vào biến thời gian Trong yêu cầu thường dễ đặt ra, việc xác định thành phần lại việc phức tạp phòng thí nghiệm Kennedy Locher (1972) người tiến hành thành công việc đo nồng độ trầm tích mô hình, kết dẫn hình 18.4 Sự diện không đỉnh cực đại nồng độ trầm tích giải thích dễ dàng từ tính chất bất đối xứng sóng sóng ®¸y T¸c ®éng thø hai sù hiƯn diƯn c¸c sóng đáy tượng tập trung cục đường dòng đỉnh sóng đáy Hiện tượng cực đại vận tốc đỉnh sóng đáy dẫn đến xói cục vật liệu đáy chúng lắng trở lại khu vực đường dòng thưa vùng trũng tiếp sau Hai trình tách rời Đương nhiên có phần vật liệu đáy bị xói từ đỉnh sóng đáy giữ lại xoáy phía xuôi dòng Phần vật liệu vận chuyển theo hướng ngược lại tuân theo quy luật vừa mô tả Một cách chung nhất, nói có sóng, hình thành xoáy vai trò chúng trình vận chuyển trầm tích; tượng xói mòn đỉnh sóng đáy đóng vai trò thứ cấp mà 18.4 Các nhận xét chung Có thể có cảm giác quan điểm vận chuyển trầm tích dựa yêu cầu ứng suất đáy phải vượt qua giá trị tới hạn định dẫn đến khó khăn Cách tiêp cận lí thuyết thực nghiệm tìm cách tính toán xoáy hình thành sóng đáy nồng độ trầm tích cục dựa tham số dễ đo dễ tính vận tốc dòng chảy sóng đáy tính chất trầm tích Điều cho ứng suất xem tham số chủ yếu mô tả tác động thực tượng xuất lớp sát mặt sóng đáy Các nghiên cứu chi tiết bắt đầu Các tài liệu tham khảo liên quan đà cho ta thấy số kết ban đầu theo hướng Các nghiên cứu tăng cường nhóm Kỹ thuật bờ thuộc ĐH CN Delft cã mét sù tham gia rÊt tÝch cùc Ch¬ng đà tập trung xem xét kĩ vận chuyển trầm tích cho miền hẹp nằm sát mặt sóng đáy Mục đích thực tế lại dự báo vận chuyển cát quy mô lớn hơn, ví dụ phần đới sóng đổ Trong 103 chương lại quay trở lại vấn đề quy mô lớn hơn, ví dụ chương xoáy cục không ý đến nữa, cách mô tả vận chuyển cát quy mô lớn thường gắn dòng vận chuyển với ứng suất đáy 104 ... 0 ,59 20 0 2, 00 1,60 32, 9 1,97 0,036 46,8 0,7 85 0, 65 0, 82 0 ,57 0,43 22 5 2, 25 1,80 32, 9 2, 09 0,0 35 47,8 0,9 15 0,74 0,84 0 ,51 0,43 25 0 2, 50 2, 00 34,7 2, 21 0,034 48,6 1, 05 0,83 0, 65 0,40 0, 42 259 2, 59 ... 0,318 0 ,28 0, 42 0, 45 0 ,26 1 25 1 , 25 1,00 24 ,5 1 ,56 0,040 43 ,2 0,430 0,37 0 ,53 0 ,53 0,33 150 1 ,50 1 ,20 26 ,9 1,71 0,039 44,6 0 ,53 9 0,46 0,61 0 ,58 0,38 1 75 1, 75 1,40 31,0 1, 85 0,037 45, 8 0,663 0 ,55 0,73... 2, 59 2, 07 35, 3 2, 25 0,034 48,9 1,09 0,86 0 ,50 0, 35 0,41 0,00 0,00 0 ,21 0 ,27 0,39 300 0,06 0,18 0, 35 350 0,01 0,09 0 ,24 27 5 m 4 15 0,04 450 0,03 50 0 0 ,55 0,00 0,00 0, 42 0, 12 0,07 0,03 88 Thành phần