Động lực học cát biển - Hướng dẫn các ứng dụng thực hành - Chương mở đầu docx

trờng đại học khoa học tự nhiên Richard Soulsby Động lực học cát biển Hớng dẫn các ứng dụng thực hành Biên dịch: Nguyễn Thọ Sáo Hà Nội 2004 2 3 4 lời ngời dịch Hầu nh hàng ngày chúng ta đều nhận đợc các thông tin về sạt lở bờ sông, xói lở bờ biển hoặc bồi lấp luồng lạch từ nhiều nơi trên đất nớc. Hiện tợng này xảy ra thờng xuyên và có xu hớng ngày càng trở nên phức tạp, khó kiểm soát, đe doạ các mục tiêu kinh tế và quốc phòng, gây ảnh hởng lớn đến đời sống của nhân dân. Vấn đề bồi tụ và xói lở bờ sông, bờ biển ở Việt Nam cùng những hậu quả kèm theo của nó đang là mối thách thức đối với các nhà khoa học và các nhà quản lý. Những năm gần đây, việc nghiên cứu vận chuyển trầm tích và biến đổi địa mạo từ góc độ thuỷ động lực đã đợc thúc đẩy và nhận đợc một số kết quả khả quan. Tuy nhiên đây là một lĩnh vực rất khó khăn bởi số liệu điều tra khảo sát còn ít, phơng pháp và kỹ thuật tính toán cha hoàn thiện nên các kết quả nhận đợc còn nhiều hạn chế. Ngay cả ở những nớc tiên tiến với trình độ khoa học cao và mô hình tính toán hiện đại, phơng tiện kỹ thuật đầy đủ, các kết quả vẫn có sai số lớn và các kết luận vẫn đợc phát biểu một cách dè dặt. Để cung cấp thêm thông tin khoa học hiện đại và góp phần nâng cao kiến thức cho sinh viên, NCS và các kỹ s thực hành ở lĩnh vực này, chúng tôi biên dịch cuốn Động lực học cát biển- Hớng dẫn các ứng dụng thực hành của R. Soulsby, NXB Thomas Telford, 1997. Richard Soulsby là nhà vật lý và hải dơng học, chuyên sâu nghiên cứu vận chuyển trầm tích. Ông đang đứng đầu nhóm Trầm tích biển tại Viện Nghiên cứu Thủy lực HR Wallingford, nớc Anh. HR Wallingford là cơ quan nghiên cứu và t vấn về nớc và công trình dân dụng nổi tiếng trên thế giới, cung cấp những giải pháp hợp lý trong các lĩnh vực: tài nguyên nớc, thuỷ lợi, nớc ngầm, tiêu nớc đô thị, cảng và bến cảng, thuỷ động lực sông, cửa sông, vùng ven bờ và xa bờ. Tác giả cuốn sách đã tổng quan các công trình nghiên cứu trong lĩnh vự này khá đầy đủ, trình bày ngắn gọn về các tác nhân, cơ chế, các quan điểm và các phơng pháp nghiên cứu vận chuyển trầm tích, bồi tụ và xói lở; đa ra bức tranh vật lý của vấn đề vốn rất phức tạp và lý thú. Cuốn sách đợc chia thành các tiểu mục về Kiến thức và Quy trình. Nghiên cứu sinh có thể quan tâm chủ yếu đến Kiến thức, bổ sung thêm những ví dụ trong Quy trình; sinh viên và kỹ s thực hành có thể theo Quy trình, và đọc thêm phần liên quan đến Kiến thức. Hy vọng cuốn sách sẽ có ích cho sinh viên và NCS ở các lĩnh vực hải dơng học, thuỷ văn học, hàng hải, thuỷ lợi, xây dựng công trình biển, địa lý. Ngời dịch cám ơn Khoa KT-TV-HDH, Trờng Đại học KHTN đã tạo mọi điều kiện, cám ơn NCS Nguyễn Minh Huấn đã đọc và hiệu đính bản dịch. Bản dịch chắc chắn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận đợc góp ý của ngời đọc. Ngời dịch: Nguyễn Thọ Sáo 5 Mục lục Mở đầu 10 Lời cảm ơn 12 Chú giải 13 Những minh họa 18 Các ví dụ 18 Các bảng 19 Các hình vẽ 19 Chơng 1. Giới thiệu 21 1. 1. Tổng quan 21 1.2. Gói phần mềm SandCalc 22 1.3. Trạng thái cát biển 23 1.4. Khái niệm về ứng suất trợt tại đáy 24 1.5. Quy trình tổng quát nghiên cứu trầm tích 29 1.6. Sai số và độ nhạy 35 Chơng 2. Các thuộc tính của nớc và cát 37 2.1. Mật độ và độ nhớt của nớc 37 Kiến thức 37 Quy trình 39 2.2. Vật chất đáy 39 Kiến thức 39 Quy trình 43 2.3. Những hỗn hợp cát - nớc 44 Kiến thức 44 Quy trình 46 2.4. Độ thấm và lỏng hoá 47 Kiến thức 47 Quy trình 52 Chơng 3. Dòng chảy 53 6 3.1. Tổng quan 53 3.2. Phân bố vận tốc dòng chảy 53 Kiến thức 53 Quy trình 58 3.3. Ưng suất trợt ma sát lớp đệm do dòng chảy 59 Kiến thức 59 Quy trình 62 3.4. Ưng suất trợt tổng cộng do dòng chảy 63 Kiến thức 63 Quy trình 65 Chơng 4. Sóng 67 4.1. Tổng quan 67 4.2. Độ cao sóng và chu kỳ sóng 67 Kiến thức 67 4.3. Bớc sóng 71 Kiến thức 71 Quy trình 72 4.4. Vận tốc quỹ đạo sóng 72 Kiến thức 72 Quy trình 75 4.5. Ưng suất trợt ma sát lớp đệm do sóng 75 Kiến thức 75 Quy trình 78 4.6. Ưng suất trợt tổng cộng do sóng 79 Kiến thức 79 Quy trình 79 4.7. Sóng đổ 80 Kiến thức 80 Quy trình 81 Chơng 5. Kết hợp sóng và dòng chảy 82 5.1. Tổng quan 82 5.2. Bớc sóng 82 Kiến thức 82 Quy trình 83 5.3. Ưng suất trợt tại đáy 83 7 Kiến thức 83 Quy trình 87 Chơng 6. Ngỡng chuyển động 90 6.1. Tổng quan 90 6.2. Ngỡng vận tốc dòng chảy 90 Kiến thức 90 Quy trình 91 6.3. Ngỡng độ cao sóng 93 Kiến thức 93 Quy trình 93 6.4. Ngỡng ứng suất trợt tại đáy 94 Kiến thức 94 Quy trình 98 Chơng 7. Các thành tạo đáy 100 7.1. Tổng quan 100 72. Các gợn cát và sóng cát do dòng chảy 100 Kiến thức 100 Quy trình 105 73. Gợn cát do sóng 106 Kiến thức 106 Quy trình 108 74. Ma sát do đáy gồ ghề 108 Kiến thức 108 Quy trình 111 Chơng 8. Trầm tích lơ lửng 113 8.1 Tổng quan 113 8.2. Chỉ tiêu lơ lửng và kích thớc hạt 113 Kiến thức 113 8.3. Vận tốc chìm lắng 114 Kiến thức 114 Quy trình 117 8.4. Nồng độ dới tác động dòng chảy 118 Kiến thức 118 Quy trình 123 8 8.5. Nồng độ dới tác động sóng 124 Kiến thức 124 Quy trình 125 8.6. Nồng độ dới tác động sóng và dòng chảy 127 Kiến thức 127 Quy trình 129 Chơng 9. Dòng di đáy 132 9.1. Tổng quan 132 9.2. Dòng di đáy do dòng chảy 133 Kiến thức 133 Quy trình 136 9.3. Dòng di đáy do sóng 137 Kiến thức 137 Quy trình 137 9.4. Dòng di đáy do sóng và dòng chảy 139 Kiến thức 139 Quy trình 141 Chơng 10. Vận chuyển trầm tích tổng cộng 143 10.1. Tổng quan 143 10.2. Vận chuyển trầm tích tổng cộng do dòng chảy 144 Kiến thức 144 Quy trình 147 10.3. Vận chuyển trầm tích tổng cộng do sóng 148 Kiến thức 148 10.4. Vận chuyển trầm tích tổng cộng do sóng kết hợp với dòng chảy 150 Kiến thức 150 Quy trình 157 10.5 Vận chuyển dọc bờ 159 Kiến thức 159 Quy trình 162 Chơng 11. Động lực hình thái và xói lở 165 11.1. Mô hình hoá động lực hình thái 165 Kiến thức 165 Quy trình 168 11.2. Xói lở 168 9 Kiến thức 168 Quy trình 169 Chơng 12. Xử lý trờng dòng chảy - sóng 171 12.1. Tổng quan 171 12.2. Tiếp cận sóng và thủy triều thiết kế 171 12.3. Tiếp cận xác suất 173 12.4. Tiếp cận tuần tự 176 Chơng 13. Những trờng hợp nghiên cứu 178 13.1. Tổng quan 178 13.2. Sự ổn định của việc chống xói 178 13.3. Xâm thực trầm tích tại công trình lấy nớc 180 13.4. Bồi lấp luồng dẫn nạo vét 181 Tài liệu tham khảo 186 10 Mở đầu ý nghĩa bao hàm về động lực học trầm tích theo nghĩa rộng nhất đáng ngạc nhiên là còn lâu mới đạt đợc. Tất nhiên, không quá cờng điệu khi nói rằng sự ra đời của các nền văn minh trong các thung lũng đất bồi phì nhiêu của Mesopotamia, Ai Cập và Trung Quốc đã phụ thuộc vào vận chuyển trầm tích. Trong thời gian trớc đây, bồi lắng trầm tích trong các thung lũng, hồ và biển chuyển thành các mặt cắt địa chất của đất đá trầm tích và hình thành cơ sở của nhiều khoa học về địa chất, cổ sinh học và khảo sát hyđrô-cacbon. Quá trình trầm tích, dẫn đến sự hoá thạch những cây cối và động vật, đôi khi cũng giữ lại những dấu vết gồ ghề phát sinh bởi sóng hoặc dòng chảy và các bằng chứng khác về những điều kiện thủy lực trong các kỷ nguyên trớc đây. Trầm tích trẻ hơn cho thấy các bằng chứng lịch sử lắng đọng ở dạng phấn hoa hoặc trùng có vỏ, và giữ lại những tạo tác hình thành nguyên liệu thô cho khảo cổ. Từ quan điểm địa lý, cấu trúc địa mạo và các biển trên trái đất phần lớn đợc xác định bởi sự xói mòn đất đá, vận chuyển và bồi lắng chúng nh những trầm tích. Thậm chí trên những hành tinh khác trầm tích có thể cung cấp những đầu mối, nh việc giải thích những đặc tính giống các dòng sông là bằng chứng cho sự tồn tại trớc đây của nớc ở trạng thái lỏng trên sao Hoả. Phạm vi quyển sách này hạn chế hơn so với các phác họa ở trên, đợc giới hạn ở những trầm tích không kết dính và chủ yếu tới ngữ cảnh biển, mặc dù một số vật chất cũng có thể áp dụng đợc cho cửa sông và sông. Tiêu điểm chính của nó là về những khía cạnh của động lực học trầm tích liên quan chủ yếu tới những kỹ s dân dụng, các nhà hải dơng học, những nhà khoa học trái đất và những nhà khoa học môi trờng. Chuyển động của trầm tích trong các dòng sông, những cửa sông và biển là một chủ đề có tầm quan trọng thực tiễn lớn đối với những ứng dụng công trình, và đó cũng là một lĩnh vực thử thách và hấp dẫn cho nghiên cứu hàn lâm. Tuy nhiên, ngời kỹ s thực hành đang tìm kiếm một giải pháp khẩn cấp cho một dự án liên quan đến trầm tích thờng thấy rằng không dễ gì nắm bắt đợc những kết quả nghiên cứu hàn lâm nổi bật đợc xuất bản bằng một ngôn ngữ xa lạ trong các tạp chí và tuyển tập hội thảo. Ngợc lại, nhà nghiên cứu hàn lâm có thể tiếp xúc cha đầy đủ với những ứng dụng thực tiễn để quyết định những con đờng nghiên cứu nào là cần thiết nhất để theo đuổi. Mục tiêu của tôi trong quyển sách này là bắc cầu qua chỗ trống giữa nghiên cứu hàn lâm và những ứng dụng thực hành, bằng việc tổng kết những kết quả nghiên cứu trong một dạng hợp nhất, bằng cách giới thiệu những ví dụ đã thực hiện và các trờng hợp nghiên cứu, và bằng việc nêu bật những khu vực mà việc hiểu biết còn hạn chế và những sai sót lại lớn. Để làm điều này, đôi khi tôi thực hiện các đơn giản hóa mà ngời theo chủ nghĩa thuần túy có thể phản đối, và trong một vài trờng hợp tôi mạn phép tính lại những kết quả nghiên cứu trong một dạng tổng quát, những tác giả nguyên bản có thể cảm thấy lệch so với những quy ớc của họ ở mức độ nào đó một cách chính đáng. Tôi hy vọng rằng lợi ích đạt đợc ở sự đồng nhất và tính khả dụng sẽ có giá trị hơn sự kém chính xác nào đó. [...]... 10.3 Vận chuyển dọc bờ Các bảng Bảng 1 Giải thích ứng suất trượt tại đáy và các tham số liên quan Bảng 2 Những ký hiệu được sử dụng trên những Bản đồ Hàng hải Vương quốc Anh để mô tả đáy biển Bảng 3 Những số đo cho các hỗn hợp cát - nước Bảng 4 Chuyển đổi giữa các số đo đối với những hỗn hợp cát - nước Bảng 5 Độ xốp của những đáy cát tự nhiên Bảng 6 Độ thấm của những đáy cát Bảng 7 Các giá trị trung bình... chuyển động trên đáy dốc: a) độ dốc hướng dọc, b) độ dốc hướng ngang, c) độ dốc tổng quát - dòng chảy tạo góc với độ dốc có góc 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 Hình 24 Các công thức đối với độ cao sóng cát Hình 25 Dịch chuyển sóng cát trong cửa sông Taw - khảo sát đáy hàng ngày Hình 26 Vận tốc chìm lắng của hạt cát (hình... trước khi chuyên sâu 11 năm trong nghiên cứu vận chuyển trầm tích tại Viện các Khoa học Đại dương Từ 1985 ông nghiên cứu và tư vấn trong lĩnh vực này tại Viện Nghiên cứu Thủy lực Wallingford, nơi ông đang ứng đầu Nhóm Trầm tích Biển 11 Lời cảm ơn Quyển sách này ra đời từ một báo cáo trước đây có nhan đề 'Hướng dẫn về cát biển' Khi thực hiện sự chuyển đổi này tôi cám ơn nhóm người thẩm định được mời của... của Z0 và C100 đối với các loại đáy khác nhau Bảng 8 Phân tích sai số việc làm khớp phương trình (59 )-( 62) Bảng 9 Các hệ số làm khớp đối với các mô hình lớp biên do sóng và dòng chảy Bảng 10 Các giá trị của hệ số ma sát fw và hệ số ma sát CD theo các mô hình khác nhau Bảng 11 So sánh các dự báo vận tốc chìm lắng Các hình vẽ Hình 1 Sơ đồ a) các quá trình vận chuyển trầm tích biển, và b) mặt phẳng vuông... nước 0 ứng suất trượt tại đáy (tổng cộng) c ứng suất trượt tại đáy chỉ do dòng chảy cr ngưỡng ứng suất trượt tại đáy để trầm tích chuyển động 0f thành phần sức cản hình dạng 0 do đáy gồ ghề ứng suất trượt trung bình tại đáy trong một chu kỳ sóng do dòng chảy m và sóng kết hợp max ứng suất trượt cực đại tại đáy trong một chu kỳ sóng do dòng chảy và sóng kết hợp 0s thành phần ma sát lớp đệm của ứng suất... độ thành phần dao động do sóng k = 0,40 hằng số Von Karman r bước sóng của gợn cát s bước sóng của sóng cát độ nhớt phân tử = / độ nhớt động học của nước = 3,141592654 mật độ của nước B mật độ toàn bộ của đáy hoặc chất lơ lửng s mật độ của hạt trầm tích tần số góc của thủy triều 16 g = (d84/d16)1/2 độ lệch chuẩn hình học của kích thước hạt s = 0,5(d84/d50 + d50/d16) tham số chọn lọc hạt ứng. .. thành phần vận chuyển trầm tích của ứng suất trượt tại đáy w biên độ đao động của ứng suất trượt tại đáy do sóng ngưỡng ứng suất trượt tại đáy trên đáy nghiêng một góc với mặt nằm cr ngang góc giữa hướng dòng chảy và hướng truyền sóng kích thước phi của hạt i góc ma sát của trầm tích r góc ma sát cuối cùng x, y qbx , y g ( s 1)d 3 1/ 2 suất vận chuyển trầm tích đáy phi thứ nguyên, những thành... Ngưỡng trên đáy dốc Ví dụ 6.5 Kích thước hạt tới hạn Ví dụ 7.1 Kích thước sóng cát Ví dụ 7.2 Dịch chuyển các sóng cát Ví dụ 7.3 Gợn cát do sóng Ví dụ 7.4 ứng suất trượt tổng cộng do dòng chảy Ví dụ 7.5 ứng suất trượt tổng cộng do sóng Ví dụ 8.1 Vận tốc chìm lắng Ví dụ 8.2 Nồng độ dưới tác động dòng chảy Ví dụ 8.3 Nồng độ dưới tác động sóng Ví dụ 8.4 Nồng độ do sóng và dòng chảy kết hợp Ví dụ 9.1 Dòng di... bình bình phương tại đáy biển Uw biên độ vận tốc quỹ đạo sóng tại đáy biển Uwc vận tốc quỹ đạo đáy dưới đỉnh sóng Uwcr ngưỡng vận tốc quỹ đạo sóng Uwt vận tốc quỹ đạo đáy dưới chân sóng Ux, Uy thành phần dòng chảy theo các hướng x, y VB vận tốc toàn bộ của nước qua đáy wmf vận tốc lỏng hoá cực tiểu ws vận tốc chìm lắng của các hạt trầm tích tách biệt wsC vận tốc chìm lắng của các hạt lơ lửng dày đặc... 8 mô hình dự báo ứng suất trượt tại đáy trung bình và lớn nhất do sóng kết hợp với dòng chảy Hình 18 Ngưỡng vận tốc dòng chảy đối với chuyển động trầm tích do dòng chảy ổn định Hình 19 Ngưỡng của vận tốc quỹ đạo đối với chuyển động của trầm tích do sóng Hình 20 Ngưỡng chuyển động của trầm tích dưới tác động sóng và/hoặc dòng chảy Hình 21 Ngưỡng ứng suất trượt tại đáy đối với chuyển động của hạt thạch . trờng đại học khoa học tự nhiên Richard Soulsby Động lực học cát biển Hớng dẫn các ứng dụng thực hành Biên dịch: Nguyễn. cát biển- Hớng dẫn các ứng dụng thực hành của R. Soulsby, NXB Thomas Telford, 1997. Richard Soulsby là nhà vật lý và hải dơng học, chuyên sâu nghiên cứu vận chuyển trầm tích. Ông đang ứng đầu. của động lực học trầm tích liên quan chủ yếu tới những kỹ s dân dụng, các nhà hải dơng học, những nhà khoa học trái đất và những nhà khoa học môi trờng. Chuyển động của trầm tích trong các