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
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


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 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 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 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

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

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.
11
Hầu hết các mục của quyển sách đợc chia thành các tiểu mục về Kiến thức và
Quy trình. Nghiên cứu sinh có thể tập trung chủ yếu vào Kiến thức, có thể bổ sung
thêm những bài tập dựa vào những ví dụ trong Quy trình, trong khi kỹ s thực hành
có thể chỉ muốn theo Quy trình, có thể bổ túc bằng việc đọc những phần liên quan
đến Kiến thức. Một vài điều đợc chủ tâm nhắc lại, và những ký hiệu thờng đợc
định nghĩa trong mỗi mục, để các chuyên đề riêng lẻ đợc khép kín hợp lý. Tham
khảo mở rộng đợc lu ý tại những chỗ không thể trình bày kỹ.
Tôi hy vọng rằng bằng cách này quyển sách mang lại sự trình bày tiện lợi và khả
dụng đối với những quá trình trầm tích ở một dạng dễ tiếp cận đến rộng rãi độc giả.
Richard Soulsby nhận học vị về vật lý và hải dơng học trớc khi chuyên sâu 11
năm trong nghiên cứu vận chuyển trầm tích tại Viện các Khoa học Đại dơng. Từ
1985 ông nghiên cứu và t vấn trong lĩnh vực này tại Viện Nghiên cứu Thủy lực
Wallingford, nơi ông đang đứng đầu Nhóm Trầm tích Biển.
12
Lời cảm ơn
Quyển sách này ra đời từ một báo cáo trớc đây có nhan đề 'Hớng dẫn về cát
biển'. Khi thực hiện sự chuyển đổi này tôi cám ơn nhóm ngời thẩm định đợc mời
của phiên bản trớc gồm: ông B. H. Rofe, TS C. A. Fleming, GS K. R. Dyer, TS J.
Nicholson, TS Ping Dong, các ông C. W. Frith, P. D. Hunter, K. W. Bunker, C. T.
Erbrich, P. D. Crews, M. W. Owen, R. Runcie, D. Richardson và P. B. Woodhead.
Ngoài ra, những đồng nghiệp của tôi ở HR Wallingford là TS R. J. S. Whitehouse, các
ông N. P. Bunn và J. S. Damgaard đã có những đóng góp giá trị. Tôi muốn chuyển lời
cảm ơn của tôi tới tất cả những nhà khoa học và những kỹ s nói trên vì những bình
luận sâu sắc và kỹ lỡng của họ mà dẫn đến những cải tiến đáng kể trong quyển
sách. Tôi cũng cám ơn June Clarkson và Ruth Smith do sự kiên nhẫn của họ và cẩn
thận đánh máy bản thảo.
Nhiều chủ đề nghiên cứu của riêng tôi trích dẫn trong quyển sách thoạt tiên

w
b
s

số Rouse (tham số lơ lửng)
C nồng độ thể tích của trầm tích (thể tích/ thể tích)
C
100
hệ số ma sát áp dụng cho dòng chảy tại cao độ1 m
C
a
nồng độ trầm tích tham chiếu (thể tích/ thể tích) tại độ cao z
a

C
D
hệ số ma sát áp dụng cho dòng chảy trung bình độ sâu
C
M
nồng độ khối lợng của trầm tích (khối lợng/ thể tích)
C
0
nồng độ tham chiếu (thể tích/ thể tích) tại đáy biển (z = 0)
cos hàm lợng giác côsin
d đờng kính sàng của hạt
50
3/1
2
*
)1(

cr
đờng kính hạt chỉ bất động đối với một dòng chảy cho trớc
e = 2,718281828
exp(x) = e
x
hàm số mũ cơ số tự nhiên
f tham số Coriolis
f
w
hệ số ma sát sóng
f
wr
hệ số ma sát sóng đáy nhám
f
ws
hệ số ma sát sóng đáy trơn
g = 9,81 ms
-2
gia tốc trọng trờng
h độ sâu nớc
H độ cao sóng nớc
H
bk
độ cao sóng đổ
14
H
0
độ cao sóng nớc sâu
H
rms

p
cw
xác suất tổ hợp của vận tốc dòng chảy và vận tốc quỹ đạo sóng
p
H
phân bố xác suất độ cao sóng
p
w
phân bố xác suất vận tốc quỹ đạo sóng
q
b
suất vận chuyển thể tích của trầm tích đáy, trên thời gian đơn vị, trên
chiều rộng đơn vị
q
B
= q
b
(1-) thể tích vật chất chìm lắng xuống đáy (kể cả nớc xốp), đợc vận
chuyển trên thời gian đơn vị, trên chiều rộng đơn vị
Q
b
=
s
q
b
suất vận chuyển khối lợng của trầm tích
q
bx
thành phần q
b

AU
R
w
w

số Reynolds sóng
s =
s
/ tỷ lệ các mật độ của hạt và nớc
15
sin sin
sinh sin hypécbol
T chu kỳ của sóng nớc
T
m
chu kỳ trung bình của sóng nớc
T
n
= (h/g)
1/2
chu kỳ tỷ lệ của sóng
T
p
chu kỳ tại đỉnh của phổ sóng
Ts = (
os
-
cr
)/
cr

/)
1/2
vận tốc ma sát cực đại
u
*s
vận tốc ma sát lớp đệm
u
*t
thành phần vận chuyển trầm tích của vận tốc ma sát
U
10
vận tốc tại độ cao 0,1 m
U
100
vận tốc dòng chảy tại độ cao 1 m trên đáy
a
U
và
b
U
giá trị cực đại và cực tiểu của vận tốc dòng chảy trung bình độ sâu
trong một chu kỳ thủy triều
cr
U
ngỡng vận tốc dòng chảy trung bình độ sâu
U
rms
vận tốc quỹ đạo sóng căn bậc hai trung bình bình phơng tại đáy biển
U
w

/(
c
+
w
) cờng độ dòng chảy tơng đối
16
y toạ độ nằm ngang trực giao với x
Y =
m
/(
c
+
w
) ứng suất trợt trung bình phi thứ nguyên
Z =
max
/(
c
+
w
) ứng suất trợt cực đại phi thứ nguyên
z độ cao trên đáy biển
z
a
độ cao tham chiếu gần đáy biển, tại đó nồng độ tham chiếu C
a
đợc
tính toán
z
0

tham số Shields

cr
ngỡng tham số Shields

f
tham số Shields sức cản hình dạng

m
giá trị trung bình của trên một chu kỳ sóng

max
giá trị cực đại của trên một chu kỳ sóng

s
tham số Shields ma sát lớp đệm

t
thành phần vận chuyển trầm tích của tham số Shields

w
biên độ thành phần dao động do sóng
k = 0,40 hằng số Von Karman

r
bớc sóng của gợn cát

s
bớc sóng của sóng cát
độ nhớt phân tử

) tham số chọn lọc hạt
ứng suất trợt ngang trong cột nớc

0
ứng suất trợt tại đáy (tổng cộng)

c
ứng suất trợt tại đáy chỉ do dòng chảy

cr
ngỡng ứng suất trợt tại đáy để trầm tích chuyển động

0f
thành phần sức cản hình dạng
0
do đáy gồ ghề

m
ứng suất trợt trung bình tại đáy trong một chu kỳ sóng do dòng chảy
và sóng kết hợp

max
ứng suất trợt 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 trợt tại đáy

0t
thành phần vận chuyển trầm tích của ứng suất trợt tại đáy

dsg
U
w
)1(
2


tham số chuyển động sóng
= 2/T tần số góc của sóng
. đại lợng vectơ hớng ngang theo các thành phần (.x, .y)
<.> trung bình thời gian qua nhiều sóng
<.>
LT
trung bình dài hạn (trong nhiều tháng hoặc nhiều năm)
18
Những minh họa
Các ví dụ
Ví dụ 2.1. Mật độ và độ nhớt của nớc
Ví dụ 3.1. Phân bố vận tốc lôgarít
Ví dụ 3.2. Phân bố vận tốc hàm mũ
Ví dụ 3.3. Ma sát lớp đệm đối với dòng chảy
Ví dụ 3.4. ứng suất trợt tổng cộng tại đáy theo số liệu đo đạc
Ví dụ 3.5. ứng suất trợt tổng cộng tại đáy theo U
100

Ví dụ 4.1. Bớc sóng
Ví dụ 4.2. Vận tốc quỹ đạo sóng đơn điệu
Ví dụ 4.3. Vận tốc quỹ đạo sóng (phổ)
Ví dụ 4.4. Ma sát lớp đệm đối với sóng
Ví dụ 5.1. ứng suất trợt tổng cộng do sóng và dòng chảy

0
và C
100
đối với các loại đáy khác nhau
Bảng 8. Phân tích sai số việc làm khớp phơng 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 f
w
và hệ số ma sát C
D
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 góc với dòng chảy để xác định suất vận chuyển trầm tích
Hình 2. Mật độ nớc
Hình 3. Độ nhớt động học của nớc
Hình 4. Biểu đồ chuyển đổi những đơn vị phi thành m và mm
Hình 5. Ví dụ phân bố kích thớc hạt
Hình 6. Phân loại những mẫu trầm tích trên sơ đồ Folk chữ nhật
Hình 7. Độ thấm theo độ xốp
Hình 8. Biến đổi theo độ sâu của vận tốc dòng chảy thuỷ triều
Hình 9. Ma sát đối với dòng chảy ổn định trên đáy phẳng không biến động và
đáy biến động
Hình 10. Hệ số cản C
D
là hàm của độ nhám tơng đối. So sánh các biểu thức
khác nhau
Hình 11. Phổ JONSWAP và Pierson-Moskowitz

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 vẽ tổng hợp)
Hình 27. Vận tốc chìm lắng của hạt thạch anh có đờng kính sàng d với nồng độ
thấp trong nớc tĩnh
Hình 28. Phân bố nồng độ trầm tích lơ lửng a) so sánh 3 công thức, b) biến đổi
kích thớc hạt và vận tốc dòng chảy
Hình 29. Suất vận chuyển dòng di đáy đối với cát/ cuội sỏi cho dòng chảy ổn
định
Hình 30. Các công thức vận chuyển trầm tích chỉ do dòng chảy
Hình 31. Vận chuyển trầm tích do sóng cộng với dòng chảy
Hình 32. Nguyên lý của động lực hình thái
Hình 33. Những đóng góp bởi tổ hợp sóng và dòng chảy cho vận chuyển trầm
tích trung bình dài hạn