Chương 4: Sự hình thành dòng sông và nguồn gốc bùn cát.

Tài liệu cho sinh viên chuyên ngành công trình thủy

Chương 4

SỰ HÌNH THÀNH DÒNG SÔNG VÀ NGUỒN GỐC BÙN CÁT

Các dòng sông trên trái đất được hình thành bởi sự hoạt động xâm thực của dòng nước Trong quá trình chảy dòng nước bào mòn một phần của địa hình và bắt đầu sự hình thành dòng sông

Sự hình thành của dòng sông xảy ra trong một thời gian dài qua nhiều năm, tốc độ hình thành phụ thuộc vào địa chất nơi dòng chảy đi qua

Trong sông dòng nước mang theo những vật xói trên thượng lưu cùng những vật liệu bị xói dọc đường tạo thành bùn cát (phù sa) Sự phân bố bùn cát trên sông rất phức tạp, nó phụ thuộc vào địa hình, vận tốc chảy, bán kính cong của dòng chảy Ở nơi nào mặt cắt co hẹp, chỗ đó vận tốc tăng và gây nên xói, nơi nào mặt cắt dòng sông mở rộng thì vận tốc giảm gây ra bồi Khi bồi mặt cắt dòng sông sẽ co hẹp lại làm tăng vận tốc, còn khi xói mặt cắt lòng sông sẽ mở rộng ra làm giảm vận tốc và quá trình trên diễn biến đến một mức cân bằng nào đó, tại đoạn sông có sự cân bằng lòng sông có thể coi như ổn định Giữa dòng chảy và lòng sông luôn có sự tương tác lẫn nhau và đại đa số các sông, lòng dẫn được biến đổi liên tục, ít khi đạt được sự cân bằng do điều kiện thuỷ văn không tuân theo quy luật nào Bùn cát trong sông sẽ đặc biệt phong phú vào mùa nước lớn (mùa lũ) Vào mùa này ngoài bùn cát còn có nhiều vật rắn khác có kích thước lớn cũng bị cuốn vào dòng chảy do vận tốc dòng chảy lớn Đa số nguồn cát trong sông được tạo thành do các trận mưa rào lớn trên lưu vực Nếu đất đai trên lưu vực có ít cây bao phủ thì tốc độ xâm thực càng nhanh và tạo thành dòng bùn cát

Các hạt lớn di chuyển dưới đáy sông gọi là bùn cát đáy còn đối với các hạt nhỏ có thể nằm lơ lửng trong nước một thời gian dài gọi là hạt cát lơ lửng Càng về cửa sông thì tốc độ dòng chảy càng nhỏ và chỉ có các hạt bùn cát có kích thước bé mới theo dòng chảy

đổ ra biển Các hạt cát lớn bị giữ lại và lắng đọng trên dọc đường

Sau khi lũ hạ, bùn cát có thể tích tụ lại thành từng vùng được gọi là ghềnh cạn (bãi cạn, cồn cát) Do sự hình thành của các ghềnh cạn này mà tuyến chạy tàu có thể bị đổi hướng Nguồn gốc của bùn cát ảnh hưởng rất lớn đến đặc trưng của dòng sông và tạo ra nhiều loại sông khác nhau

4.1 Phân loại sông:

- Khái niệm: Phân loại sông là sự chia các sông ra thành các nhóm theo các đặc điểm cơ bản nhất Người ta có thể phân loại sông theo lượng nước phân bổ cho hàng năm, theo nguồn nước, chiều dài sông, theo sự ổn định của lòng sông, theo nhiệt độ nước, theo thành phần hoá học của nước

4.1.1 Phân loại sông theo đặc trưng thuỷ văn:

4.1.1.1 Dựa vào chiều dài:

- Sông hoàn toàn nhỏ có chiều dài nhỏ hơn 20 km;

- Sông rất nhỏ có chiều dài từ 20 đến 100 km;

- Sông nhỏ có chiều dài từ 100 đến 250 km;

- Sông nhỏ trung bình có chiều dài từ 250 đến 500 km;

- Sông lớn có chiều dài từ 1000 dến 2000 km;

- Sông rất lớn có chiều dài lớn hơn 2000 km

4.1.1.2 Phân loại theo diện tích của lưu vực:

- Sông hoàn toàn nhỏ có diện tích lưu vực nhỏ hơn 50 km2;

- Sông rất nhỏ có diện tích lưu vực từ 50 đến 500 km2;

- Sông nhỏ có diện tích lưu vực từ 500 đến 4000 km2;

- Sông nhỏ trung bình có diện tích lưu vực từ 4000 đến 20.000 km2;

- Sông trung bình có diện tích lưu vực từ 20.000 đến 100.000 km2;

- Sông lớn có diện tích lưu vực từ 100.000 đến 500.000 km2;

- Sông rất lớn có diện tích lưu vực lớn hơn 500.000 km2;

Lưu vực của sông là diện tích mà lượng nước mưa trên đó sẽ đổ vào sông

4.1.1.3 Phân loại theo lưu lượng nước:

Có các loại sau:

- Suối có lưu lượng nhỏ hơn 0,1 m3/s;

- Sông rất nhỏ có lưu lượng từ 0,1 đến 1 m3/s;

- Sông nhỏ có lưu lượng từ 1 đến 10 m3/s;

- Sông trung bình có lưu lượng từ 10 đến 100 m3/s;

- Sông lớn có lưu lượng từ 100 đến 10.000 m3/s;

- Sông rất lớn có lưu lượng lớn hơn 10.000 m3/s

4.1.1.4 Phân loại theo độ dốc mặt nước:

Sông có độ dốc nhỏ: Độ dốc nhỏ hơn 5.10-5;

Sông có độ dốc trung bình: Độ dốc từ 5.10-5 đến 5.10-4;

Sông có độ dốc lớn: Độ dốc từ 5.10-4 đến 5.10-3;

Sông có độ dốc rất lớn: Độ dốc lớn hơn 5.10-3

4.1.2 Phân loại theo ổn định của lòng sông:

4.1.2.1 Theo độ ổn định:

- Sông có độ ổn định rất nhỏ;

- Sông có độ ổn định trung bình;

- Sông không ổn định từng chỗ, từng thời kỳ;

- Sông ổn định

4.1.2.2 Phân loại sông theo đặc trưng ổn định:

Đặc trưng ổn định của sông là khả năng chống lại lực đẩy của dòng nước, của các hạt cát nằm trên bề mặt của đáy sông, đối với mỗi hạt cát nằm dưới đáy sông sẽ chịu hai lực tác dụng:

- Lực tác dụng của dòng chảy có tác dụng làm hạt cát chuyển động;

- Lực ma sát chống lại tác dụng gây trượt của dòng chảy

Người ta phân loại dòng sông theo đặc trưng ổn định như sau:

- Sông ổn định ở vùng đất không xói hoặc năng lượng của dòng chảy không đủ xói lòng sông

- Sông tương đối ổn định chỉ bị xói từng nơi, có sự diễn biến theo chu kỳ xung quanh một giá trị trung bình nào đó

- Sông có độ ổn định nhỏ trong đó xói lở và bồi lắng bùn cát gây ra sự thay đổi chiều sâu của dòng sông nhưng không làm hình dáng của nó trên bình đồ thay đổi một cách rõ ràng Sự xói và bồi của bùn cát diễn ra một cách chậm chạp theo các điểm khác nhau Sự phân bố và hình dạng của ghềnh cạn thay đổi hàng năm Loại sông này thường có ở đồng bằng

- Sông có độ ổn định rất nhỏ: tốc độ dòng chảy rất lớn, địa chất yếu, trong thời gian

lũ sông không những bị thay đổi về chiều sâu mà còn thay đổi về hình dáng và hình thành các phân lưu theo hướng lớn

- Sông trong thời kỳ lũ hoàn toàn mất hình dáng và hình thành dòng chảy lẫn lộn giữa nước và bùn cát gọi là dòng chảy bùn cát Lúc đó yếu tố hình dạng mất hết

ý nghĩa

4.2 Những khái niệm chung về bùn cát:

Dòng sông hình thành và diễn biến là kết quả của sự tác động qua lại giữa dòng chảy và lòng sông Biểu hiện của sự tác động qua lại đó là sự chuyển động của bùn cát

Vì vậy muốn nghiên cứu quá trình vận động của lòng sông thì phải nghiên cứu bùn cát và các đặc tính, quy luật chuyển động của nó

4.2.1 Định nghĩa:

Bùn cát: Là những hạt khoáng vật có đường kính từ vài phần nghìn milimét đến vài trăm milimet, cùng chuyển động hoặc đứng yên dưới lòng sông dưới sự tác động qua lại

về mặt cơ học với dòng nước

4.2.2 Phân loại theo hình thức chuyển động:

Bùn cát có thể phân làm hai loại:

- Bùn cát đáy;

- Bùn cát lơ lửng

Bùn cát đáy là bùn cát chuyển động sát đáy sông, hình thức chuyển động có thể là lăn, trượt, nhảy cóc, vận tốc di chuyển khác với vận tốc dòng chảy

Bùn cát lơ lửng là bùn cát chuyển động trong nước trong một thời gian dài, có vận tốc di chuyển có thể coi bằng vận tốc dòng chảy

4.2.3 Phân loại bùn cát theo kích thước:

Như đã trình bày ở trên, bùn cát là những hạt có đường kính từ vài phần nghìn milimet đến vài trăm milimet nên người ta thường lấy đường kính d=1mm làm giới hạn phân biệt

- Các hạt có kích thước lớn hơn 1mm được gọi là bùn cát lớn;

- Các hạt có kích thước từ 1 đến 0,5 mm được gọi là bùn cát thô;

- Các hạt có kích thước từ 0,5 đến 0,2 mm được gọi là bùn cát trung bình;

- Các hạt có kích thước từ 0,2 đến 0,1 mm được gọi là bùn cát nhỏ;

- Các hạt có đường kính nhỏ hơn 0,1 mm được gọi là bùn cát rất nhỏ

Ở những đoạn sông miền núi lớp đáy thường có các hạt cuội sỏi kích thước từ 5 đến

100 mm, sự vận chuyển bùn cát của sông ở miền núi chỉ xảy ra nhờ lũ

4.2.4 Đường cấp phối hạt:

Trong một mẫu cát có nhiều đường kính hạt khácnhau rất khó đo kích thước của

từng hạt Để nghiên cứu đặc tính thành phần bùn cát của sông ngòi, người ta thường dùng

đường cấp phối hạt Da vào đường kính của nhóm hạt, người ta dùng nhiều sàng có

đường kính lỗ khá nhau từ bé đến lớn, khối lượng của các nhóm hạt được xác định bằng

cân, sau đó được tính ra số phần trăm so với khối lượng của mẫu Để có đường cấp phối

hạt ta tính phần trăm lũy tích sau đó vẽ lên giấy log một chiều

Ví dụ: thành phần hạt bùn cát ở một số sông:

Bảng IV-1 Thành phần bùn cát ở sông Luộc

d(mm) <0,01 0,01÷0,05 0,05÷0,1 0,1÷0,2 >0,2

Bảng IV-2 Thành phần bùn cát ở sông Đuống

d(mm) <0,005 0,005÷0,001 0,001÷0,5 0,05÷0,1 0,1÷0,25 0,25÷0,5

Hình vẽ 4-1 Đường cấp phối hạt

4.2.5 Độ thô thuỷ lực:

Độ thô thuỷ lực của bùn cát đóng vai trò chủ yếu trong sự hình thành chuyển động

của các hạt rắn ở trong nước Độ thô thuỷ lực là tốc độ chìm đều của các hạt trong nước

hay nói một cách khác độ thô thuỷ lực là vận tốc chìm khi hình thành sự cân bằng giữa

lực cản và trọng lượng của hạt

Qua thí nghiệm người ta thấy rằng khi hạt bùn cát chìm trong nước tĩnh thì trạng

thái chuyển động của nó có quan hệ với số Râynôn

υ

ω d

d

0

Trong đó:

υ - hệ số nhớt động học;

d - đường kính hạt;

0

ω - tốc độ chìm đều của hạt cát

Hạt cát khi thả trong nước sẽ chuyển động, khi lực cản bằng với trọng lượng của hạt

thì hạt sẽ chuyển động đều, trọng lượng của hạt cát được xác định theo công thức:

( ) 3

C

Trong đó:

C1 - hệ số hình dạng thể tích;

ρ - khối lượng riêng của nước;

S

ρ - khối lượng riêng của bùn cát

Lực cản của chất lỏng tác động lên hạt cát là đại lượng phụ thuộc nhiều yếu tố và có

thể biểu thị theo dạng sau:

(d, 0, , ,C2)

F

C2 - hệ số hình dạng diện tích;

µ - hệ số nhớt động lực;

ω0 - độ thô thuỷ lực

Hoặc:

2

0 2

2

0

, Re

d f d

F

d

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

= υ

ω

Trong đó:

υ - hệ số nhớt động học:

ρ

µ

υ =

Khi biết Fr người ta tìm được ω0, tuy nhiên Fr phụ thuộc vào các chế độ chảy hay

các giá trị Red khác nhau và chủ yếu được xác định bằng thực nghiệm, các công thức

thực nghiệm xác định độ thô thủy lực như sau:

4.2.5.1 Khi Red≤2:

2

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

=

ρ

ρ υ

4.2.5.2 Khi 2<Red≤40:

d

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

ρ

ρ υ

4.2.5.3 Khi 40<Red≤300:

3 11

, 0

56 , 0

0

1 41

,

g s

υ ρ

ρ

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

4.2.5.4 Khi Red>300:

gd C

C s

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

2

1

ρ

Trong đó: 1,2

2

C C

Chương 4 4-1

4.1 Phân loại sông: 4-1 4.2 Những khái niệm chung về bùn cát: 4-3