19 Các công thức đại vận chuyển cát ven bờ J v.d Graaff 19.1 Mở đầu Bây sau chi tiết chế vận chuyển cát đà xem xét, tìm cách đưa công thức đại vận chuyển trầm tích tác động sóng dòng chảy Như đà trình bày phần mở đầu chương 9, công thức đại nói chung xác định nồng độ vật liệu, c(z,t), nhân với vận tốc chuyển động phần tử, up(z,t), tích phân theo độ sâu lấy trung bình theo thời gian nhằm xác định vận chuyển trầm tích (cát), Sx Phương trình 9.01 cho ta biểu thức toán học vấn đề Như đà trình bày chương trước, ta cho phần tử trầm tÝch chun ®éng chđ u cïng mét vËn tèc ngang nước xung quanh (Tất nhiên điều không áp dụng cho vận tốc theo phương thẳng đứng cã lùc träng trêng) Do vËn tèc níc chun động đới sóng đổ đà xác định, vấn đề lại xác định đồng thời cách chung nồng độ trầm tích c(z,t) Rất nhiều công thức vận chuyển trầm tích phân biệt vận chuyển dọc theo đáy- dòng di đáy, Sb, dòng vận chuyển lơ lửng đáy, Ss Dòng trầm tích tổng cộng tổng hai dòng nêu Trước xem xét công thức vận chuyển trầm tích, đưa tổng quan số công thức đà phát triển áp dụng cho dòng dừng trường hợp thường gặp sông 19.2 Công thức vận chuyển trường hợp có dòng chảy Phần lớn công thức tính dòng trầm trích tổng quan đà trình bày kĩ tài liệu vận chuyển trầm tích (sông) Chúng ta không lặp lại trình bày mà qua dẫn dắt đến ứng dụng cho đới bờ Một công thức đại đưa sớm công thức Kalinske-Frijlik Frijlink (1952) đưa sở số liệu quan trắc luận điểm Kalinske (1947) Trong dạng tiện dụng nhất, công thức KalinskeFrijlik kênh có bề rộng đơn vị có dạng: S b BD V C 2D g exp 0,27 C V (19.01) đó: B hệ số không thứ nguyên, phụ thuộc vào thứ nguyên dòng trầm tÝch; C lµ hƯ sè Chezy; 105 D kÝch thíc trung bình hạt trầm tích; V vận tốc trung bình dòng ổn định; hệ số sóng đáy; mật độ tương đối trầm tích, xác định theo c«ng thøc sau: s (19.02) s mật độ trầm tích mật độ nước Trong công thức giá trÞ cđa hƯ sè B thêng cã thÕ lÊy b»ng Bijker (1967) khác với Frijlink không đưa tham số sóng đáy, , vào phần đầu phương trình Tham số thực nghiệm cho ta ảnh hưởng dạng gồ ghề đáy lên dòng trầm tích đáy; độ nhám thực tế, r, có mặt dạng ẩn số Chezy Mối tương quan phương trình 19.01 chuyển động vật liệu đáy thể cách thông thường cách thay số tham số Hệ số Chezy viết dạng phụ thuộc vào ứng suất đáy sau: C g V2 c (19.03) c ứng suất đáy Số hạng chứa hàm mũ e công thức (19.01) chuyển dạng sau: Dg exp 0,27 c (19.04) sè h¹ng thường gọi tham số công thức Kalinske- Frijlink Cần nói thêm đại lượng thứ nguyên Phần lại công thức (19.01): BD V g C (19.05) gọi tham số vận tải có thứ nguyên thể tích đơn vị độ rộng đơn vị thời gian Một cách giải thích ý nghĩa vật lí diện tham số không thứ nguyên g tham số vận tải sở cho dòng trầm tích đáy phụ C thuộc vào vận tốc gần đáy, v V g C (19.06) giá trị vận tốc độ cao z’: z '' z ''0 e (19.07) nh mục 15.2 Như vậy, V* đặc trưng cho vận tốc gần đáy lớp mà vận chuyển trầm tích đáy có vai trò Độ nhám đáy, r, gây ảnh hưởng tới vận tốc thông qua ảnh hëng cña C: C 18 lg 12h r (19.08) h độ sâu nước 106 Công thức Kalinske - Frijlink phát triển ứng dụng cho tính toán dòng di đáy cho lòng sông phần lớn vận chuyển trầm tích tập trung đới hẹp gần đáy- vận chuyển đáy Trong công thức đà không ý tới ảnh hưởng vận chuyển chất lơ lửng Tuy nhiên dọc theo bÃi thấy rối phát triển mạnh đới sóng đổ nên đà dẫn đến lượng cát đáng kể dạng lơ lửng, bỏ qua dòng vận chuyển lơ lửng đới sát bờ Einstein (1950) đà đưa hướng giải cho sông có dòng vật chất lơ lửng Ss lẫn dòng di đáy Sb Cách tiếp cận Einstein dựa cách đà trình bày chương thông qua dòng vËn chun tỉng céng: h S c( z' )V ( z ' ) dz' (19.09) ®ã: c(z) nồng độ trầm tích độ cao z, V(z) vận tốc ngang độ cao Enstein đà chia dòng tổng cộng hai phần: dòng vận chuyển đáy tồn lớp có độ dày a, gần đáy: a S b c( z ' )V ( z ' )dz ' (19.10) vµ dòng lơ lửng: h S s c ( z ' )V ( z ' )dz ' (19.11) a Einstein (1950) đà sử dụng lý thuyết phân bố vận tèc logarit Prandtl-Von Karman- xem mơc 15.2- ®Ĩ tÝnh V(z’) Nồng độ vật chất tính theo phương trình khuyếch tán đà biến đổi có ý tới ảnh hưởng trọng lực lên phần tử vật chất: dc( z ' ) Wc ( z ' ) z (19.12) dz ' W vận tốc thăng giáng phần tử vật chất nước, z hệ số khuyếch tán (nhớt rối) Vận tốc thăng giáng (lắng đọng) W đại lượng khó xác định Sau mối tương quan thực nghiệm theo kết quan trắc cát nước theo nhiệt độ cố định Các công thức áp dụng chủ yếu cho đường kính trầm tích trung bình, D50, biến đổi từ 50 ®Õn 300 m Khi nhiƯt ®é n»m kho¶ng 18C ta cã lg 0.4949lg D50 2 2,4113 lg D50 3,7394 W 10C lg 0.47584lg D50 2 2,1795 lg D50 3,1915 W HƯ sè khuch t¸n cã thĨ sư dơng biến tương tự lớp biên logarit Kết cho thấy z hàm z : 107 h z' h z v* z ' (19.13) hệ số Karman = 0,4 Thay (19.13) vào (19.12) giải phương trình tìm c(z), ta thu công thức biến đổi nồng độ vật chất h z ' a z* c( z ' ) c (b) z' h a (19.14) c(b) nồng độ độ cao lựa chọn z=b so với đáy, tham sè phi thø nguyªn z* z* W (19.15) V* Bằng việc lấy b độ cao lớp sát đáy, mặt phân cách lớp vận chuyển đáy lớp lơ lửng, (z=a), kết hợp phương trình (19.14) 15.04 (19.11) ta có h h z ' a z* v* z' ln dz ' (19.16) S S c ( a) z ' h a z'0 a Einstein đà xác định nồng độ c(a) từ công thức tính dòng di đáy tác giả tự đề xuất Như trình bày muộn hơn, Bijker (1968) đà áp dụng nguyên lí này, với công thức tính vận chuyển đáy Frijlink-Kalinske Tiếp đến Einstein đà giải tích phân (19.16) thông qua hai thành phần hai tích phân khác Điều dẫn đến công thức tính dòng vận chuyển lơ lửng có dạng sau đây: S S 11,6 c 33h I 2 ac(a ) I ln r (19.17) z* d A (19.18) z* ln( ) d A (19.19) ®ã: I 0,216 ( 1) A z* (1 A) z* ( 1) A z* I 0,216 (1 A) z* 11 1 với A đại lượng phi thứ nguyên độ gồ ghề, A = r/h, đại lượng phi thứ nguyên mực nước, = z/h Einstein (1950) đà đưa toán đồ bảng số hai tích phân I1 I2 giá trị khác z* A Sau nhà nghiên cứu Bakker Bogaard (1977)- đà đưa đánh giá toàn số hạng dấu ngoặc vuông phương trình 19.17, khác với việc đánh giá riêng rẽ thành phần I1 I2 trước Giá trị thành phần này: 33h Q I ln I r (19.20) thể bảng 19.1 nh lµ mét hµm cđa A vµ z* (ý nghÜa cđa c¸c tham sè kh¸c võa dÉn sÏ giải thích kĩ sau này) 108 Hình 19.1 cho ta ví dụ đường phân bố nồng ®é, c(z’) ®èi víi z*=1, r = a = 0,06 m h=3m Đồng thời dẫn đường phân bố vận tốc theo logarit dòng trầm tích tổng cộng Tất ba đường phân bố đà đưa dạng phi thứ nguyên cách chia cho tham số tương ứng dẫn trục đồ thị Hình 19.1 Ví dụ phân bố nồng độ, vận tốc vận chuyển trầm tích Nhiều nhà nghiên cứu khác đà đưa công thức tính dòng trầm tích Englund Hansen (1967) đà đưa công thức sau sở quan trắc s«ng: S 0,05V cC g / D50 (19.21) đó: D50 kích thước hạt vượt qua 50% (theo trọng lượng) mẫu vật liệu đáy, S vận chuyển trầm tích tổng cộng- tổng vận chuyển đáy vận chuyển lơ lửng 109 Bảng 19.1 Các giá trị tÝch ph©n Einstein r/h z* = z* = 0,20 z* = 0,40 z* = 0,60 Q Ss/Sb St/Sb Q Ss/Sb St/Sb Q Ss/Sb St/Sb 1.10-5 3,03.105 5,54.105 5,54.105 3,28.104 6,00.104 6,00.105 3,88.103 7,10.103 7,10.103 2.10 -5 1,44.10 2,63.10 1,79.10 4 3,27.10 4,44.10 4,44.10 5.10 -5 5,36.10 9,80.10 9,80.10 7,98.10 1,46.10 1,46.10 2,37.10 2,37.10 2,63.10 3,27.10 2,43.10 1,3.10 z* = 0,80 Q Ss/Sb St/Sb Q Ss/Sb St/Sb 527, 964, 965, 88,0 161, 162, 377 689, 690, 71,6 131, 132, 239 438, 439, 53,6 98,0 99,0 1.10-4 2,53.104 4,63.104 4,63.104 4,32.103 7,90.103 7,90.103 803 1,47.103 1,47.103 169 310 311 42,7 78,2 79,2 2.10 -4 1,19.10 4 2,18.10 2,33.10 3 4,26.10 496 907 908 119 218 219 33,9 62,0 63,0 5.10 -4 4,36.10 7,93.10 7,98.10 1,02.10 1,87.10 1,87.10 260 475 476 74,3 136 137 24,6 45,0 46,0 3,72.103 3,72.103 545 998 999 158 290 291 51,2 93,7 94,7 19,1 34,9 35,9 3 289 529 530 95,6 175 176 35,1 64,2 65,2 14,6 26,7 27,7 1.10-3 2,03.103 2,18.10 4,26.10 2.10 -3 940 1,72.10 1,72.10 5.10 -3 336 615 616 123 226 227 48,5 88,7 89,7 20,8 38,1 39,1 10,0 18,3 19,3 0,01 153 280 281 63,9 117 118 28,6 52,3 53,3 13,8 25,2 26,2 7,32 13,4 14,4 0,02 68,9 126 127 32,8 60 61 16,5 30,2 31,2 8,91 16,3 17,3 5,21 9,54 10,5 0,05 23,2 42,4 43,4 13,1 24 25 7,70 14,1 15,1 4,78 8,74 9,74 3,13 5,73 6,73 0,10 9,84 18,0 19,0 6,28 11,5 12,5 4,12 7,54 8,54 2,81 5,14 6,14 1,99 3,64 4,64 0,20 3,90 7,13 8,13 2,80 5,13 6,13 2,04 3,73 4,73 1,51 2,77 3,77 1,15 2,10 3,10 0,50 0,836 1,53 2,53 0,716 1,31 2,31 0601 1,10 2,10 0,49 0,90 1,90 0,39 0,72 1,72 1,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,00 B¶ng 19.1 Các giá trị tích phân Einstein (tiếp) r/h z* = 1,00 z* = 1,50 z* = 2,00 z* = 3,00 z* = 4,00 z* = 5,00 Q 1.10-5 Ss/Sb St/Sb Q Ss/Sb St/Sb Q Ss/Sb St/Sb Q Ss/Sb St/Sb Q Ss/Sb St/Sb Q Ss/Sb St/Sb 0,432 0,790 1,79 0,276 0,505 1,50 0,202 0,370 1,37 0,432 0,790 0,276 0,505 20,0 36,6 37,6 2,33 4,26 5,26 0,973 1,78 2,78 -5 17,9 32,8 33,8 2,31 4,23 5,23 0,973 1,78 2,78 5.10-5 15,4 28,2 29,2 2,28 4,17 5,17 0,967 1,77 2,77 1.10-4 13,6 24,9 25,9 2,25 4,11 5,11 -4 11,9 21,8 22,8 2,21 4,04 5,04 0,967 1,77 2,77 0,431 0,789 0,275 0,504 5.10-4 9,78 17,9 18,9 2,13 3,90 4,90 0,962 1,76 2,76 0,431 0,788 0,275 0,504 1.10-3 8,36 15,3 16,3 2,05 3,76 4,76 0,951 1,74 2,74 0,430 0,787 1,79 0,275 0,503 -3 6,99 12,8 13,8 1,96 3,58 4,58 0,940 1,72 2,72 0,428 0,784 1,78 0,274 0,502 5.10-3 5,38 9,84 10,8 1,78 3,26 4,26 0,907 1,66 2,66 0,424 0,776 1,78 0,273 0,499 0,01 4,28 7,84 8,84 1,62 2,96 3,96 0,869 1,59 2,59 0,417 0,763 1,76 0,270 0,02 3,30 6,04 7,04 1,42 2,59 3,59 0,809 1,48 2,48 0,404 0,740 1,74 0,05 2,18 3,99 4,99 1,10 2,02 3,02 0,694 1,27 2,27 0,374 0,684 0,10 1,48 2,70 3,70 0,836 1,53 2,53 0,568 1,04 2,04 0,339 0,20 0,89 1,64 2,64 0,552 1,01 2,01 0,414 0,758 1,76 0,50 0,31 0,57 1,57 0,174 0,319 1,32 1,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,00 2.10 2.10 2.10 0,370 0,202 0,369 1,50 0,201 0,367 1,37 0,494 1,49 0,199 0,364 1,36 0,264 0,483 1,48 0,195 0,357 1,36 1,68 0,249 0,456 1,46 0,186 0,341 1,34 0,620 1,62 0,236 0,432 1,43 0,181 0,332 1,33 0,317 0,580 1,58 116 Một công thức vận chuyển trầm tích khác đà White Ackers (1973) đưa Chi tiết công thức tìm thấy tài liệu tham khảo giáo trình vận chuyển trầm tích 19.3 ảnh hưởng sóng lên vận chuyển trầm tích đáy Hoàn toàn logic đưa ảnh hưởng sóng vào vận chuyển trầm tích chừng mực dù hay nhiều tương tự cách đưa ảnh hưởng sóng vào việc xác định lực ma sát dòng chảy dọc bờ (xem chương 15) Thực vậy, Bijker (1967) đà làm theo cách đà chứng minh cách rõ ràng chất tượng có liên quan Phương pháp Bijker đà đưa ảnh hưởng sóng vào thông qua biến đổi ứng suất đáy biển (shear stress) đà sử dụng công thức vận chuyển trầm tích cho dòng chảy gây nên Ông đà chọn công thức - phương trình 19.01 Kalinske-Frijlink cho việc vận chuyển sát đáy (dòng di đáy) đà kết hợp công thức với công thức Einstein cho vận chuyển trầm tích lơ lửng - phương trình 19.17 Thành phần vận tốc tøc thêi g©y sãng cã thĨ cã ý nghĩa đáng kể vùng sóng đổ kể trường hợp giá trị trung bình theo thời gian thành phần tương đối bé so với vận tốc dòng ven bờ Quan điểm dẫn tới giả thiết cho sóng đóng vai trò chủ yếu khuấy động lên vật liệu đáy vận chuyển Vạch tư tưởng này, Bijker đà biến đổi hạng thức ứng suất đáy biển theo tham số khuấy động (stirring) công thức Kalinske-Frijlink Các chi tiết biến đổi c số hạng trình bày phần sau 19.4 Biến đổi ứng suất đáy ứng suất đáy biển có vai quan trọng cho chuyển động trầm tích bờ lạch tàu ảnh hưởng sóng vào ứng suất đáy dòng ven bờ đà giải thích rõ chương 15; thành phần ứng suất đáy theo hướng dòng đà lấy trung bình để xác định ứng suất tương đương trạng thái dừng cuối Không cần nghĩ ngợi gì, thay ứng suất vào công thức vận chuyển trầm tích Sai số cho phương pháp thu qua việc trả lời câu hỏi: thành phần ứng suất xác định phần tử vật chất đáy bắt đầu chuyển động? Một cách đặt vấn đề khác : cần tác động theo hướng để phần tử vật liệu đáy khuấy lên chuyển dịch tiếp ? Câu trả lời cho vấn đề quan trọng hướng lực tác động lên số hạng khuấy động công thức Kalenske-Frijlink ứng suất cần sử dụng thành phần lực kéo đà đưa chương 15; là: cw 2Vr (19.22) Vr vận tốc xảy tức thời Cơ sở thành phần tìm thấy mục 15.4 Mặt khác, công việc chương này, phải tiếp tục làm việc với cw 117 thay cho thành phần cwx Không cần thiết phải lấy giá trị tuyệt đối phương trình 19.22 tất thành phần giá trị âm Giống chương 15, cần phải tính giá trị trung bình cw ứng suất tức thời này, hướng không đóng vai trò nữa; xét đến độ lớn véc tơ Do chØ cã mét biÕn thêi gian nhÊt phương trình 19.22 Vr nên cần tính độ lớn trung bình bình phương vận tốcVr2 đủ Nhắc lại định nghĩa Vr từ chương 15 : Vr Vt pu b 2 pubVt sin đó: (19.23) pub vận tốc dòng sóng khoảng cách zt so với đáy Vt vận tốc dòng không đổi độ cao góc đường đỉnh sóng dòng (không đổi) Những trình bày đầy đủ vấn đề tìm thấy chương 15 Giá trị không bị hạn chế mong muốn nhận công thức có khả ứng dụng chung cho tổ hợp sóng dòng Trong phương trình 19.23 có ub hµm thêi gian Lùa chän ub u b cos t (19.24) lu ý r»ng 2 cos xdx 2 (19.25) vµ 2 cos xdx 2 (19.26) (19.23) trở nên đơn giản hơn: Vr Vt pub 2 pu Vr Vt 1 b 2 V t (19.27) (19.28) Thế kết cuối vào (19.22) ta thu pu b Vt cw 2Vt 1 2 (19.29) Trong ®ã chóng ta cã thĨ nhËn thÊy 2Vt c (19.30) nh øng suất dòng chảy Thế (19.30) (15.30) vào phương trình (19.29) ta thu dạng đơn giản : cw c w (19.31) Một dạng thuận tiện khác biểu diễn tỷ số c w c theo tham số chung Sử dụng phương trình 15.14 15.29 đồng thời với (19.30) phương trình (19.29) ta thu kết mong muốn 118 ub 2 V cw c 1 (19.32) Phương trình có số khác biệt so với với phương trình (15.30) 19.5 Dòng di đáy sóng dòng chảy Kết phần trước thay trực tiếp vào số hạng khuấy động công thức Kalinske-Frijlink đà thĨ hiƯn (19.04) Sư dơng (19.32) ®Ĩ biÕn ®ỉi c (19.04) nhân với (19.05) ta thu ®ỵc BDV g 0,27 Dg exp Sb C u 2 c 1 b 2 V (19.33) hc sư dơng phương trình tương đương 19.03 BDV g 0,27 DC Sb exp C u 2 V 1 b 2 V (19.34) Rõ ràng từ mối quan hệ có mặt sóng u b tăng lượng vận chuyển trầm tích Hơn nữa, không xuất phương trình, gia tăng vận chuyển trầm tích không phụ thuộc vào hướng sóng đà đảm bảo thông qua vận tốc dòng chảy Điều dường hợp logic với nhận xét phần trước đà làm sáng tỏ quan niệm hướng ứng suất liên quan tới khuấy động vật liệu đáy Bijker (1967) đà cho vận chuyển đáy xẩy lớp gần đáy có độ dày độ gồ ghề đáy r Nồng độ vật liệu lớp này, cb, (giả thiết số theo độ cao) là: Sb cb r (19.35) V ( z' ) dz ' TÝch ph©n tính theo phân bố vận tốc dòng chảy -xem chương 15, đặc biệt hình 15.1b: r V ( z ' )dz ' 1 c r z' z 't Vt dz ' ln z 't z '0 (19.36) Sö dụng định nghĩa zt tham số khác hạng thức r tiến hành lấy tích phân dẫn đến r V ( z ' )dz ' 6,34 c r 6,34V* r (19.37) Với kết này, phương trình (19.35) trở thành 119 cb Sb 6,34 c r (19.38) Nång độ giả thiết không đổi toàn lớp có độ dày r lớp vận chuyển đáy Cũng đà trước đây, nồng độ biểu diễn theo đơn vị thể tích trầm tích lắng đọng thể tích đơn vị nước bao hàm độ xốp trầm tích lắng đọng 19.6 ảnh hưởng sóng lên dòng vận chuyển lơ lửng Vì phân bố nồng độ trầm tích lơ lửng phụ thuộc vào ứng suất đáy thông qua z* (phương trình 19.15) phương trình 19.14, Bijker, 1968 đà đơn giản hoá ảnh hưởng sóng thông qua biến đổi hạng thức ứng suất Lập luận ứng suất 19.14 tác động theo tiến trình vật lý giống hạng thức khuấy trộn công thức vận chuyển di đáy; ông đà biến đổi ứng suất qua phương trình 19.32 Cũng vậy, lùa chän a = r vµ c(a), cho r»ng nång độ cb ta thu r h z' c( z ' ) cb h r z' ¦W g c 1 ub (19.39) V 120 Dòng vận chuyển lơ lửng tuân theo công thức r S s c( z ' )V ( z ' ) dz' (19.40) đó: c(z) xác định phương trình 19.39 V(z) xác định phương trình 15.04 121 Kết thu được, sau 19.38, 19.39 19.04 vào phương trình 19.40, tiến hành số phép toán đại số sử dụng 19.20 là: S s 1,83QSb (19.41) nã chØ r»ng dßng vËn chun lơ lửng phụ thuộc tuyến tính trực tiếp với dòng di đáy Điều hợp logic xem xét mối quan hệ trực tiếp cb hai Sb Sc Các giá trị Ss 1,83Q (19.42) Sb đà đưa vào bảng 19.1 vẽ hình 19.2 hàm số hai tham số độc lập A zx Tất nhiên ứng suất dùng để tính zx cần phải biến đổi; phương trình 19.15 trở thành z* W u 2 c 1 b 2 V (19.43) 19.7 VËn chun trÇm tÝch tỉng céng Giờ hai loại dòng di đáy Sb dòng lơ lửng Ss đà biết, dòng tổng cộng thu tổng thành phần Thêm vào đó, Ss liên quan trực tiếp với Sb, biểu thức đặc biệt đơn giản tạo nên: S S b S s S b (1 1,83Q ) (19.44) Trong ph¬ng trình này, Sb đánh giá cách sử dụng phương trình 19.33 phương trình 19.34 Q cần đánh giá cách sử dụng giá trị đà biến đổi z* cho trước phương trình 19.43 Các giá trị hạng thức S ngoặc cuả phương trình (19.44) đà đưa vào bảng 19.1 Sb tính cách cộng thêm 1.0 vào giá trị hình 19.2 Thủ tục vừa dẫn thường nói đến công thức Bijker ông người lần biến đổi ứng suất đáy theo cách vừa trình bày Công việc lý thuyết đà hoàn thành Còn lại số vấn đề đánh giá tất lại tham số liên quan đến đại lượng tham gia vào hạng thức đà đo hay ®· biÕt BiÕt r»ng chØ cã mét tham sè sãng đáy cần phải xác định thêm Nó thường xác định thông qua mối quan hệ thực nghiÖm: C C' 3/ (19.45) C hệ số Chezy tính theo phương trình 19.08 C hệ số Chezy khác phụ thuộc vào tính chất vật liệu ®¸y: 12h C ' 18 log (19.46) D90 122 D90 đường hạt kính trầm tích cho phép 90% (trọng lượng) trầm tích qua Bảng 19.2: C¸c bíc tÝnh to¸n vËn chun bïn c¸t ven bờ Bước Xác định/đánh giá Xác định điều kiện sóng nước sâu Ho, T, o Tính tốc độ sóng nước sâu C0, tần suất sóng Xác định số liệu hải dương học thuỷ văn: độ sâu, mẫu đất, tỷ trọng (denssity) nước, Phân tích phòng thí nghiệm đất s, D, W, D90 Tính tỷ trọng tương đối, Xác định số sóng đổ, Phương trình Tham sè T MÉu ®Êt 19.02 S , TËp H0, T, bath Chọn độ sâu nước, h Tập H0, Tính điều kiện sóng địa phương H, , K, ub, ab (tính khúc xạ, nhiễu xạ) (15.18) H, 0, TÝnh A h địa hình h, r Đánh giá độ ghồ ghề 10 (19.08) h, r (19.46) h, D90 C C’ 11 Tính fw (15.16) hình 15.2 ab, r 12 * Tính p (15.21) hình 15.2 fw 13 Tính V (chỉ sóng gây nên dòng dọc bờ, trường hợp khác phải sử dụng phương pháp tính toán dùng số đo trường) (15.03) (16.06) 14 TÝnh 15 0 , c0 , địa hình, C, fw (19.45) C, C Tính (19.29) p, C c (19.03) , V, C 16 TÝnh z* (19.43) , W, ub ,V, c 17 TÝnh vËn chuyển đáy Sb 19.33 19.34 , D, C, V, , ,ub 18 Xác định Q Bảng 19.1 hình 19.2 A, z* 19 TÝnh S (19.44) Sb, Q B¶ng 19.2 bước cần thiết để tính toán vận chuyển trầm tích xảy dọc theo độ rộng đơn vị bờ với độ sâu nước h Sự phân bố vận chuyển cát qua vùng sóng đổ xác định nhờ tiến hành bước từ đến 19 bảng giá trị h tính đến độ sâu biên đới sóng đổ hbr 123 Những tính toán đòi hỏi nhiều thời gian; chương trình tính toán đà thiết lập khai thác Trong trường hợp cần thiết tính toán tiến hành sử dụng chương trình viết cho máy tính cầm tay Một ví dụ tính toán mẫu thể phần 19.9 19.8 Một số nhận xét công thức Bijker Toàn phương pháp điều chỉnh ứng suất đáy có tính đến diện sóng dựa mối quan hệ dòng chảy ổn định (thường kỳ) Trong phân bố độ dài xáo trộn (15.03) lùa chän dÉn tíi ph©n bè vËn tèc theo lt logarit (15.04) cđa Prandtl - Von Karman Ph©n bè vËn tốc giả thiết có hiệu lực cho dòng chảy cho tổ hợp dòng chảy sóng Như đà trình bày đây, Bijker giả thiết lớp vận chuyển đáy có độ dày độ ghồ ghề đáy biển r nồng độ trầm tích lớp không đổi Đối với vấn đề thực tế, nơi mà độ ghồ ghề thực chưa biết, Bijker đề nghị dùng độ ghồ ghề nửa độ cao sóng đáy Những sóng đáy thường đo trực tiếp, đặc biệt mô hình Nhiều nghiên cứu gần đà độ ghồ ghề đáy thường lớn nhiều độ ghồ ghề mà Bijker đà đề nghị, giá trị gồ ghề từ đến lần độ cao sóng đáy nhiều người chấp nhận Khi độ gồ ghề đáy tăng mạnh độ dày lớp di đáy tăng lên Điều dẫn đến khả giả thiết nồng độ không đổi toàn độ dày lớp chấp nhận Những đo đạc gần phòng thí nghiệm đà có thay đổi nồng độ lớp Tất nhiên điều kéo theo hậu nồng độ quy chiếu phương trình tính toán trầm tích lơ lửng Hơn nữa, chí có nghi ngờ tính hiệu lực trình khuyếch tán - thể qua mối tương quan nồng độ Einstein áp dụng cho sóng Thực vậy, công thức đà bỏ qua xáo trộn xuất kết vận tốc thẳng đứng sóng gây nên Các số liệu đo Kennedy Loecher (1972) báo cáo vô danh từ phòng thí nghiệm Delft Hydraulies (1976) đà cho số mô hình phân bố liên tục nồng độ nhiều phù hợp với số hiệu quan trắc Mặc dù có hạn chế, số số thuộc chất chế vật lí, song công thức Bijker thường cho kết tốt Chẳng hạn nh sư dơng cho c¸c bê biĨn cã c¸t đồng dòng chảy ven bờ sóng chủ yếu, kết tổng cộng thu thường phù hợp tốt với kết công thức CERC chương 17 Điều không thiết công thức khác Nguyên lý biến đổi ứng suất công thức vận chuyển trầm tích áp dụng, mặt nguyên tắc cho công thức biến đổi trầm tích Tuy nhiên thông thường việc sâu tìm hiểu trình vật lý liên quan khó khăn nhằm giải vấn đề phức tạp liên quan đến biến đổi xác ứng suất 124 Công thức Bijker Kalinske - Frijlink không tính đến ứng suất tới hạn đà xác định chương 18 Trong công thức đà nêu trên, tồn dòng chảy ứng suất đáy dẫn tới vận chuyển trầm tích, chương 18 đà dòng trầm tích tồn khoảng thời gian ứng suất tới hạn bị vượt Đối với điều kiện thực tế, thông thường dòng trầm tích lơ lửng lâu vượt dòng di đáy, tỷ lệ chúng thường vào khoảng 50 Phải có thêm nhiều thảo luận giá trị xác hệ số B sử dụng công thức dòng di đáy Các giá trị nằm miền từ đà người đề nghị Sự phân tán phản ánh mức ®é thiÕu chÝnh x¸c cã thĨ cã cđa tÝnh to¸n vËn chun c¸t ThËm chÝ cã nhiỊu tham sè xt hiƯn c«ng thøc ci cïng cã sai sè phỉ biến thực tế lớn 10%; nói cách khác tính toán vận chuyển trầm tích thường không xác chí bước sơ đẳng Điều không may chẳng có cải tiến lớn trạng lúc có khối lượng quan trắc trường tin cậy Ví dụ sau minh hoạ tốt cho điều 19.9 Ví dụ công thức Bijker Ví dụ sau nhằm chứng minh số nguyên lý: Trước hết, tính toán trình bày bảng 19.2 sử dụng để minh hoạ Thứ hai, ảnh hưởng phân bố vận tốc dòng ven bờ chứng minh thông qua phân bố vận chuyển cát phân bố dòng ven khác đà minh hoạ chương 16 Thứ ba, ảnh hưởng tham số khác, chẳng hạn độ dốc bờ kích thước hạt (particle grain), khảo sát mô hình phân bố dòng chảy sóng Cuối cùng, tính toán so sánh theo công thức CERC trình bày Một loại điều kiện địa hình sóng biển sâu đà sử dụng mục chương 16 giữ nguyên Những điều kiện bao gồm: Chu kỳ sãng T: 7.0 s §é cao sãng H0: 2.0 m Gãc tíi 0: 300 ChØ sè sãng ®ỉ, : 0.8 §é dèc bê, m: 1;100 §é gå ghỊ đáy: 0.06 m Thêm vào đó, đáy cát có đường kính trung bình hạt D = 200 m Đường kÝnh cho qua 90% cđa mÉu lµ D90 = 270 m Phân tích phòng thí nghiệm cho tỷ trọng nước 1000 kg/m3 tỷ trọng cát 2650 kg/m3 Vận tốc lắng đọng hạt w = 0.0252 m/s C¸c tÝnh to¸n dï Ýt hay nhiỊu cịng liên quan tới thủ tục trình bày bảng 19.2, có số phép tính toán đà giản lược bớt Bảng 19.3 cho ta giá trị tính toán vừa thu Sáu cột giá trị y, h, ab, c, fw Vl lấy trực tiếp từ bảng 16.1 Các tính toán cho hàng y = 159 m lần minh họa chi 125 tiết giống đà trình bày phần 15.5 Những kết phần sử dụng Biên độ vận tốc quỹ đạo đáy tính theo phương trình 5.01b tập I nhiên thu nhanh h¬n tõ u b ab (19.47) ub 2 2,25 2,02 m (19.48) Tham sè A đơn giản r 0,06 A 0,0232 h 2,59 (19.49) Giá trị C tính trực tiếp từ phương trình 19.48 (12)( 2,59) C ' 18 log 91,1 m1 / / s 6 270 10 (19.50) Do fw Vl lấy từ bảng 16.1, tham số tính hệ số sóng đáy Sử dụng định nghĩa thực nghiệm (19.45) ta thu được: 48,9 / ( ) 0,39 (19.50) 91,1 Tham số tính theo phương trình 15.29 48,9 0,034 (2)(9,81) 2,04 (19.52) Tham số z* tính theo phương trình 19.43, nhiên c cần tính trước theo (19.03) c (1000)(9,81)(1,09) (48,9) 4,88 N/m2 (19.53) tiÕp theo cw tõ (19.32) ub 2 V cw c 1 cw 2 1 1 ( 2,04) ( 2,02) 39,75 N/m2 4,88 2 1,09 (19.32) (19.54) Tham sè z* thu cách đơn giản z* z* W (19.55) cw (0,0252)( 1000 ) (0,40) 39,75 0,316 (19.56) BiÕt cw , Sb tính cách thuận tiện theo phương trình 19.33 thay cho 19.34 126 BDV g 0,27 Dg Sb exp C u 2 c 1 b 2 V (19.33) Dùng giá trị phổ biến (1977) cho B lµ 5.0 Sb 0,27(1,65)(200 10 6 )(1000)(9,81) (5)(200 10 6 ) 9,81(1,09) exp 48,9 (0,39)(39,75) =6,600x10-5m3/s.m (19.57) (19.58) Giá trị Q tính cách gần toán đồ 19.2 theo giá trị A nội suy đường cong tương ứng giá trị z* Mặt khác, phép nội suy tiến hành theo bảng 19.1 Với phương pháp thu Q = 19,26 BiÕt Q, dßng vËn chun tỉng céng tìm theo phương trình 19.44: S 6,60 10 5 1 1,83(19,26) 2,39 10 3 m3/s.m (19.59) (19.60) VËn chun trÇm tÝch tỉng cộng tính cách tích phân giá trị S toàn bề rộng đới sóng đổ Lấy tích phân giá trị S1 theo quy tắc hình thang với lưu ý kích thước đoạn cuối y m, ta cã S1 0,179 m / s S1 5,64 10 m / n (19.60) (19.61) Giá trị thu dường cao so với sở trước đây, mặt khác, độ cao sóng nước sâu m lại cao khoảng gấp hai lần giá trị trung bình năm biển Bắc Thêm người ta có xu hướng mắc sai lầm so sánh phương trình (19.61) với lượng vận chuyển cát ròng dọc theo bờ biển Hà Lan thường có giá trị bé nhiều Các giá trị tốc độ vận chuyển trầm tích đà tính phân bố dòng chảy khác dẫn bảng 16.1 đưa bảng 19.3 Các giá trị S2 thu thông qua áp dụng kỹ thuật vừa trình bày S1, ngoại trừ lý thuyết sóng vùng nước chuyển tiếp sử dụng để tính toán vận chuyển cát (Nó đà sử dụng với cân lực cách xác xác định vận tốc dòng ven bờ V2 chương 16) 127 Bảng 19.3 Kết bước tính dòng vËn chun trÇm tÝch y h ab ub A C m m m m/s - 0 0,00 25 0,25 0,70 50 0,50 75 C’ fw V1 Q - Sb1 x 106 m2/s - S1 x 106 m2/s S2 x 106 m2/s S3 x 106 m2/s S4 x 106 m2/s S5 x 106 m2/s S6 x 106 m2/s m1/2/s m1/2/s - m/s - - - - 0,00 0,00 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,63 0,240 30,6 72,8 0,065 0,048 0,272 1,76 0,763 2,99 0,945 8,16 1,29 2,54 25,6 2,18 0,99 0,89 0,120 36,0 78,2 0,052 0,126 0,312 1,85 0,618 8,37 2,32 43,9 21,4 41,4 50,3 30,8 32 0,75 1,21 1,09 0,0800 39,2 81,4 0,047 0,216 0,334 1,92 0,527 14,4 3,88 117 72,7 123 141 86,4 91 100 1,00 1,40 1,26 0,0600 41,4 83,7 0,043 0,318 0,348 1,94 0,474 20,9 5,53 232 157 241 261 174 180 125 1,25 1,56 1,40 0,0480 43,2 85,4 0,040 0,430 0,360 1,95 0,439 27,7 7,25 395 278 409 409 293 269 150 1,50 1,71 1,53 0,0400 44,6 86,8 0,039 0,539 0,368 1,99 0,404 34,3 9,18 611 437 612 558 444 375 175 1,75 1,85 1,66 0,0343 45,8 88,0 0,037 0,663 0,375 1,99 0,379 41,7 11,21 897 635 859 678 618 468 200 2,00 1,97 1,77 0,0300 46,8 89,1 0,036 0,785 0,381 2,00 0,359 48,8 13,37 1240 871 1140 760 633 539 225 2,25 2,09 1,88 0,0267 47,8 90,0 0,035 0,915 0,387 2,02 0,339 56,2 15,76 1680 1140 1330 772 630 580 250 2,50 2,21 1,98 0,0240 48,6 90,8 0,034 1,05 0,391 2,02 0,324 63,8 18,19 2190 1330 1130 676 624 588 259 2,59 2,25 2,02 0,0232 48,9 91,1 0,034 1,09 0,393 2,04 0,316 66,0 19,26 2390 1590 275 2,75 363 469 539 561 300 3,00 102 307 445 502 350 3,50 147 229 359 415 4,15 77 46,2 211 450 4,50 42,9 500 5,00 0,00 z* 96 40 128 H×nh 19.3a Ví dụ phân bố vận tốc Hình 19 3b Ví dụ phân bố dòng vận chuyển trầm tích Các dòng vận chuyển cát lại từ S3 đến S6, kết sử dụng công thức Bijker phân bố vận tốc đánh số tương ứng từ bảng 16.1 Tất kết phân bố vận tốc tương ứng từ chương 16 so sánh hình 19.3 Có thĨ nhËn thÊy r»ng mét ®Ønh chun tiÕp 131 (trung gian) phân bố vận tốc xuất từ V3 đến V6, đỉnh tương ứng iển so với đỉnh vận tốc Tương tự, tính toán trình bày bảng 19.3, kết luận vận chuyển lơ lửng trở nên tương đối quan trọng độ sâu nước tăng lên Điều xuất phát từ giá trị cao Q tương ứng độ sâu lớn bảng Sự biến thiên cục dòng vận chuyển cát phân bố lớn Tuy nhiên, dòng vận chuyển tổng cộng thu tích phân đường cong thể hình 19.36, cho thấy kết có quán đặc biệt Các kết bảng 19.4 Bảng 19.4: Vận chuyển cát tổng cộng Đường phân bố số: Tốc độ vận chun tỉng céng (m3/s) 0.179 0.123 0.132 0.159 0.143 0.146 HÖ sè CERC = 0.036 0.314 Tính toán theo công thức CERC dẫn mục 19.11 phục vụ mục đích so sánh Trong mơc tiÕp theo chóng ta sÏ xem xÐt ®é nhạy công thức Bijker 19.10 Độ nhạy công thức Bijker Trong ví dụ trước, giá trị riêng tham số độ ghồ ghề đáy r, kích thước hạt D, độ dốc bờ m, số sóng đổ đà sử dụng Hình 19.4 dòng vận chuyển cát tổng cộng thu sử dụng công thức Bijker với phân bố vận tốc V6 hàm độ ghồ ghề đáy r với kích thước hạt độ dốc bờ khác Các điều kiện sóng xa bờ trì không đổi giống phần trước Một lần kết từ công thức CERC thể để so sánh Chú ý công thức CERC hoàn toàn phản ứng tham số thảo luận Độ ghồ ghề đáy biển ảnh hưởng lên dòng vận chuyển cát tổng cộng theo hai cách: thứ nhất, độ ghồ ghề đáy biển tăng vận tốc dòng ven bờ giảm xem chương 16; thứ hai, vận tốc dòng cho trước, công thức Bijker thường đưa vận chuyển trầm tích thấp độ ghồ ghề tăng Hai ảnh hưởng củng cố lẫn dẫn đến suy giảm dòng vận chuyển trầm tích tổng cộng độ ghồ ghề tăng 132 Hình 19.4 Độ nhạy công thức Bijker Sự ảnh hưởng kích thước hạt trung bình tăng thấy rõ ràng từ hình 19.4 Khi tăng kích thước vật liệu đáy làm giảm vận chuyển trầm tích tổng cộng Điều dường gây ngạc nhiên xem xét mối quan hệ trực tiếp D Sb hạng thức vận chuyển phương trình 19.34 Sai số việc xem xét đơn giản mức kích thước hạt D gây ảnh hưởng đến vận tốc lắng đọng w (đối với vận chuyển lơ lửng) chí ảnh hưởng đến tham số sóng đáy cách gián tiếp Như vậy, ảnh hưởng kích thước hạt vật liệu đáy lên vận chuyển trầm tích qủa thực phức tạp Sự gia tăng độ dốc bờ dẫn tới tăng tốc độ dòng chảy dọc bờ (điều chứng minh trường hợp đơn giản theo phương trình 16.06) Việc tăng vận tốc tạo nên vận chuyển trầm tích mạnh đơn vị bề rộng Độ dốc bờ tăng lên làm hẹp vùng sóng đổ, nhiên, dòng vận chuyển trầm tích tổng cộng bờ hẹp dựng đứng khác chút với vận chuyển bờ rộng, thoai thoải 19.11 So sánh với công thức CERC ứng dụng công thức CERC minh hoạ để so sánh kết với kết thu sử dụng công thức Bijker Các điều kiện giá trị tham số phần 16.5 19.9 sử dụng Công thức CERC từ chương 17 S 0,014H c0 K rbr sin br cos br (19.62) 133 Thay cho viƯc sư dơng hƯ sè gèc ph¬ng trình (19.62), dùng hệ số gắn kết với đường cong phương hình 17.1 đà dẫn tương ứng bảng 17.1 Giá trị hệ số 0.036 Các liệu cần thiết lµ: H 2,0 m 0 30 o br 13,3o T 7,0 s Tõ tËp I ch¬ng ta cã: g T 2 c0 (1,56)(7) 10,93 c0 (19.63) m/s vµ tõ tËp I ch¬ng cos 0 K 2r cos br K 2r cos 30o cos 13,3o 0,890 (19.64) (19.65) (19.66) Thế giá trị vào 19.62 ta S = 90,036)(2)2(10,93)(0,890)(sin13,3)(cos13,3) = 0,314 m /s (19.67) (19.68) Các kết từ công thức CERC đà so sánh với kết công thức Bijker bảng 19.5 hình 19.4 Chú ý kết theo nhóm khác tốt Như vËy ngêi ta cã thĨ kÕt ln chÝnh x¸c r»ng công thức Bijker giải toán mà công thức CERC giải Vậy lại phải sử dụng công thức trên? Công thức CERC cho phép sử dụng đơn giản nhiều vừa minh hoạ Thực vậy, sức mạnh công thức Bijker nằm khả thích ứng với điều kiện dòng Quan điểm công thức Bijker điều chỉnh ứng suất ®¸y cã tÝnh ®Õn sãng ®ã cã tÝnh phỉ dụng nhiều Như lựa chọn, dòng V công thức Bijker điều khiển tổ hợp lực lực tác động chịu tất ảnh hưởng cục Ví dụ công thức Bijker sử dụng để dự báo trầm tích lạch tàu mà tượng sóng đổ; công thức CERC không cho ta kết trường hợp Bài toán trầm tích kênh lạch đưa lần chương 25 Giờ tính tốc độ vận chuyển trầm tích dọc bờ dựa tập hợp điều kiện cho trước, từ đà giải vấn đề dự báo biến đổi bờ ứng dụng tính toán vận chuyển trầm tích để dự báo biến đổi bờ đề tài chương 20 134 ... 19,1 34,9 35,9 3 28 9 529 530 95 ,6 175 1 76 35,1 64 ,2 65 ,2 14 ,6 26 ,7 27 ,7 1.1 0-3 2, 03.103 2, 18.10 4 , 26 .10 2. 10 -3 940 1, 72. 10 1, 72. 10 5.10 -3 3 36 615 61 6 123 22 6 22 7 48,5 88,7 89,7 20 ,8 38,1 39,1... 0,790 0 ,27 6 0,505 20 ,0 36, 6 37 ,6 2, 33 4 , 26 5 , 26 0,973 1,78 2, 78 -5 17,9 32, 8 33,8 2, 31 4 ,23 5 ,23 0,973 1,78 2, 78 5.1 0-5 15,4 28 ,2 29 ,2 2 ,28 4,17 5,17 0, 967 1,77 2, 77 1.1 0-4 13 ,6 24 ,9 25 ,9 2, 25 4,11... K 2r cos 30o cos 13,3o 0,890 (1 9 .6 4) (1 9 .6 5) (1 9 .6 6) Thế giá trị vào 19. 62 ta S = 90,0 36 )( 2 ) 2( 1 0,93 )( 0 ,89 0 )( sin13, 3 )( cos13, 3) = 0,314 m /s (1 9 .6 7) (1 9 .6 8) Các kết từ công thức CERC đà so