21
Chơng 1. giới thiệu
1. 1. Tổng quan
Cuốn sách này tổng kết những quá trình chủ yếu xác định trạng thái cát trong
biển, ở một dạng dễ dàng ứng dụng. Kết quả dự định là cung cấp công cụ để các thực
hành viên có thể tính toán trạng thái cát biển theo khái niệm công trình. Mặc dù
điểm nhấn mạnh chính là lên trầm tích có kích thớc hạt thuộc cấp độ cát, nhiều
chuyên mục cũng áp dụng cho các hạt lớn hơn, kể cả cuội sỏi. Nh vậy, nhiều kết quả
có thể áp dụng trong sông và cửa sông, cũng nh trong biển.
Đây là tập sách kèm theo cuốn "Hớng dẫn về bùn cửa sông" đợc công bố nh
báo cáo SR 309 của HR (Delo và Ockenden, 1992), và cuốn "Hớng dẫn vận chuyển
trầm tích trong sông", báo cáo SR 359 của HR (Fisher, 1993). Cuốn hớng dẫn này
cập nhật, mở rộng và thay thế cuốn "Hớng dẫn về cát biển", báo cáo SR 351 của HR
(Soulsby, 1994) trớc đây.
Mục đích của cuốn sách là cung cấp các phơng pháp tính toán các đại lợng
động lực trầm tích và thuỷ động lực khác nhau, đòi hỏi trong các ứng dụng vận
chuyển trầm tích biển ở dạng hợp nhất và dễ áp dụng, cùng những kiến nghị đối với
hầu hết các phơng pháp thích hợp cho sử dụng. Dự định chủ yếu là cuốn sách tham
khảo và làm nh thế nào, do vậy không bao hàm các dẫn xuất và thảo luận dài
dòng. Nó cũng quý giá đối với các mục đích đào tạo, đặc biệt khi sử dụng kết hợp với
gói phần mềm SandCalc cho các bài tập huấn luyện.
Đã có một vài sách giáo khoa tuyệt vời nh của Sleath (1984), Dyer (1986),
Fredsoe và Deigaard (1992), Nielsen (1992) và Van Rijn (1993). Nhiều nguyên lý vận
chuyển trầm tích biển xuất phát từ các phơng pháp sử dụng trong sông. Vận
chuyển trầm tích bồi tích đợc đề cập trong các sách của Graf (1984), Yalin (1977) và
Raudkivi (1990) và hớng dẫn của Fisher (1993). Trong ngữ cảnh rộng hơn, vận
chuyển trầm tích ven bờ đợc đề cập bởi Muir-Wood và Fleming (1981) và Horikawa
(1988), và các đặc tính cát xa hơn ngoài khơi đợc Stride (1982) đề cập. Những áp
dụng đối với quản lý bãi biển đợc đề cập trong hớng dẫn của Simm và những ngời
khác (1996). Nhiều khía cạnh của quản lý bãi đợc đề cập trong Hớng dẫn bảo vệ bờ
của Hoa Kỳ (CERC, 1984). Mô hình hoá động lực hình thái ven bờ đợc đề cập bởi

các phơng pháp xử lý trờng sóng và dòng chảy phức tạp thờng gặp trong nhiều
vấn đề thực tiễn. Mỗi một chơng chính đợc cấu trúc theo các mục, mỗi mục đợc
phác hoạ ở dạng tổng kết trớc hết là tình trạng kiến thức về chuyên đề và sau đó là
quy trình để thực hiện tính toán công trình. Trong nhiều trờng hợp, quy trình đợc
minh hoạ bằng các ví dụ số đã thực hiện, cuốn sách kết thúc bằng các trờng hợp
nghiên cứu toàn diện các nhóm bài toán thông dụng nhất của vấn đề trầm tích trên
thực tế.
1.2. Gói phần mềm SandCalc
Để thao tác nhanh và tính toán chính xác nhiều đại lợng nêu trong sách, một
gói phần mềm có tên SandCalc đợc phát triển để bổ trợ cho cuốn sách. Nó cho ta
truy cập dễ dàng tới hơn 70 phơng trình và phơng pháp đa ra trong sách, với hệ
thống Menu hoạt động trong hệ điều hành Windows để sử dụng trên máy tính PC.
Hệ thống Menu đợc cấu tạo tơng ứng với cùng đầu đề và tiểu mục sử dụng
trong sách. Các phơng trình có trong SandCalc đợc ký hiệu SC bên cạnh số hiệu
phơng trình trong hớng dẫn này, và tên phơng trình cũng tơng tự nh khi nó
xuất hiện trong SandCalc. Khi cần thiết, một vài giải thích bổ sung cho phơng pháp
có trong SandCalc đợc cho ở vị trí thích hợp trong cuốn sách.
Các đại lợng đợc tính toán trong SandCalc là đầu ra của một phơng trình
đợc tự động chuyển thành đầu vào của phơng trình khác. Các giá trị đầu ra và đầu
vào đợc kiểm tra để đảm bảo rằng chúng nằm trong một phạm vi cho phép, các giá
trị ngầm định đợc đa ra cho một vài tham số.
Hầu hết các ví dụ thực hiện và trờng hợp nghiên cứu cho trong sách có thể tính
toán dễ dàng bằng cách sử dụng SandCalc. Trong các ví dụ thực hiện, các kết quả
23
của mỗi bớc tính toán đợc làm tròn đến 3 chữ số có nghĩa. Trong một vài trờng
hợp sai số tích luỹ dẫn đến những khác biệt nhỏ giữa các số trong các ví dụ và giá trị
do SandCalc đa ra. Trong những trờng hợp nh vậy, giá trị của SandCalc chính
xác hơn.
1.3. Trạng thái cát biển
Vận chuyển cát có vai trò sống còn trong nhiều khía cạnh của công trình xa bờ,

chuyển là dòng di đáy đối với các hạt thô hơn 2mm và dòng lơ lửng đối với các hạt
mịn hơn 0,2mm.
Lắng đọng xảy ra khi hạt nằm trong dòng di đáy hoặc ra khỏi trạng thái lơ lửng.
Trong hầu hết thời gian, sự cuốn theo của một số hạt vào trạng thái lơ lửng và sự
24
chìm lắng của một số hạt khác xuống đáy do trọng lợng của chúng có thể xảy ra
đồng thời.
Suất vận chuyển trầm tích đợc định nghĩa là lợng trầm tích trên một đơn vị
thời gian đi qua một mặt phẳng thẳng đứng có bề rộng đơn vị vuông góc với hớng
dòng chảy (hình 1b).
Lợng trầm tích có thể đo bằng thể tích hoặc khối lợng, do đó trong hệ SI, suất
vận chuyển trầm tích là
11
skgm
hoặc
12113
smsmm
tơng ứng. Đơn vị thực tế
hơn là tấn/mét/ngày cũng thờng đợc sử dụng với sự chuyển đổi rõ ràng. Số đo ở
dạng trọng lợng chìm đôi khi cũng đợc sử dụng. Suất vận chuyển trầm tích trong
biển có độ lớn và hớng, do đó là đại lợng véctơ.
Mức độ bồi tụ hoặc xói lở ròng (thực tế) của một khu vực đáy biển phụ thuộc vào
sự chênh lệch mức độ mà cát đi vào và đi ra khỏi khu vực. Nếu cát đợc mang vào
khu vực nhiều hơn đợc mang ra, đáy đợc bồi, nếu ngợc lại thì đáy bị xói. Thậm
chí khi suất vận chuyển trầm tích rất lớn, cao độ đáy sẽ không thay đổi nếu vận
chuyển nh nhau trên toàn bộ khu vực.
Các công việc đòi hỏi để dự báo bức tranh bồi tụ và xói lở trong khu vực nghiên
cứu là:
- tính toán phân bố thuỷ động lực của dòng chảy và sóng, và các đại lợng phụ
thuộc nh ứng suất trợt tại đáy (ma sát đáy),

và 3.6.
ứng suất trợt tại đáy
0

có đơn vị là lực tác động trên đơn vị diện tích (
2
Nm

theo hệ SI), cũng có thể viết ở đơn vị vận tốc (
1
ms
theo hệ SI) nh vận tốc ma sát
hoặc vận tốc trợt u
*
, xác định thông qua quan hệ:

2
*0
u


(1a)



2/1
0*
/

u

2
*



(2b)
trong đó: g = gia tốc trọng lực


= mật độ nớc

s

= mật độ hạt trầm tích
s = tỷ lệ của mật độ hạt và mật độ nớc
d = đờng kính hạt trầm tích.
ứng suất trợt phát sinh tại đáy không chỉ phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy mà
còn vào độ nhám đáy biển. Nó có thể đo bằng độ nhám Nikurase
s
k
(có thể liên hệ
với kích thớc hạt), hoặc độ dài nhám
0
z
(có thể dẫn xuất từ phân bố vận tốc). Hai
độ nhám liên hệ với nhau bằng quan hệ:

30/
0 s
kz

và
m
và các giá trị cực đại của các đại
lợng trong một chu kỳ sóng, biểu thị bằng
max
, u
*max
và
ma10.
Các nhiễu động rối gây ra các biến động lớn xung quanh các giá trị đã cho ở trên,
nhng đối với hầu hết các mục đích thực tiễn, các giá trị trung bình nêu trên là đủ.
Có thể có sự khác biệt về giá trị z
0
(và k
s
) do dòng chảy và do sóng, đặc biệt nếu
hớng dòng chảy và sóng với đỉnh các gợn cát trên đáy biển là khác nhau, tuy vậy để
đơn giản, có thể giả thiết cùng một giá trị z
0
áp dụng cho cả sóng và dòng chảy trong
cuốn sách này.
ứng suất trợt tổng cộng tại đáy
0
tác động lên đáy là do các thành phần từ:
- ma sát lớp đệm
0s
, sản sinh bởi (và tác động lên) các hạt trầm tích
- sức cản hình dạng
0f
sản sinh bởi trờng áp suất liên quan đến dòng chảy trên


Sức cản hình dạng =

0

Vận chuyển trầm tích =
0





Van Rijn (1993) quy thành phần ma sát lớp đệm về thành phần liên quan đến
hạt, điều này tạo ra sự phân biệt có ích, vì phơng pháp thông thờng tính toán
thành phần này là theo quan hệ phân bố logarit hoặc tơng tự (xem Mục 3.1) với giá
trị z
0
(hoặc k
s
) chỉ liên quan đến kích thớc hạt. Giá trị kết quả của ứng suất trợt
tại đáy không thực sự là ma sát lớp đệm có thể đo trên bề mặt của đáy gợn cát, mà
lại có độ lớn tơng tự và cho ta một số đo thực hành quy ớc có thể liên quan đến các
phản ứng trầm tích. Nielsen (1992) cũng nhấn mạnh quy ớc này bằng việc sử dụng
đại lợng
2,5
đối với thành phần ma sát lớp đệm (liên quan đến hạt), nhận đợc bằng
28
cách cho k
s
=2,5d

*s

s


f0


u
*f

f


t0


u
*t

t


Sóng (biên độ
của
giá trị dao động)
w


u



Sóng + dòng
chảy
(giá trị trung
bình)
m


u
*m

m


ms


u
*ms

ms


mf


u
*mf


smax


max


u
*maxf

fmax


max


u
*maxt

tmax


Toàn bộ z
0
Z
0f
z
0f
z
0t
Ghi chú: ứng suất trợt tại đáy

29
trầm tích lơ lửng lên các tầng cao hơn trong cột nớc (xem Chơng 8). Không nhìn
nhận đợc những khác biệt này sẽ dẫn đến sai số đáng kể trong tính toán.
1.5. Quy trình tổng quát nghiên cứu trầm tích
Sau đây đa ra quy trình tổng quát cần tuân thủ để giải quyết một phạm vi rộng
lớn các vấn đề liên quan đến vận chuyển trầm tích. Trong thực tế không có quy trình
tiêu chuẩn hoặc đợc chấp nhận rộng rãi thiết lập cho vấn đề này, quy trình sau đây
thuần tuý là cách tiếp cận cá nhân do tác giả đề xuất. Quy trình phải thích hợp với
vấn đề đã nêu và ít khi áp dụng hết từng bớc. Trong một vài bớc, đa ra các luật lệ
khá đơn giản, và các chuyên mục đợc tham chiếu đến nếu có yêu cầu chi tiết hơn.
Đôi khi thông tin đầu vào sẽ không đầy đủ, và phải có các giả thiết hoặc lấy giá trị
ngầm định. Tuy vậy các giá trị ngầm định chỉ sử dụng khi không có các giá trị đặc
trng tại tuyến. Các giá trị ngầm định đa ra là cho các điều kiện biển tiêu biểu ở
xung quanh nớc Anh. Hầu hết các bớc đã nêu có thể tính toán nhờ sử dụng gói
phần mềm SandCalc.
1.5.1. Thu thập đến mức tối đa thông tin cơ bản về khu vực nghiên cứu.
Khảo sát bình đồ tỷ lệ lớn (và/hoặc bản đồ, nếu áp dụng đợc) của khu vực,
tìm kiếm các thông tin về:
địa hình và độ sâu nớc; vận chuyển trầm tích thờng lớn nhất trong nớc
nông
loại trầm tích và tính di động, ví dụ từ những đánh dấu Chất lợng Đáy (mục
2.2, một loại bản đồ chuyên dụng của Anh-ND); bằng chứng của những mũi đất nhô
(chỉ ra hớng vận chuyển ròng dọc bờ), tombolos, những luồng và những bờ cát, vỉa
trồi lộ thiên có đá, những vịnh có bùn
vận tốc và hớng dòng chảy, ví dụ từ 'những hình thoi thủy triều' (trục lớn và
trục nhỏ êlíp dòng triều-ND); những vận tốc dòng chảy vợt quá 0,4 ms
-1
sẽ có hiệu
ứng đáng kể lên vận chuyển trầm tích
chế độ sóng; thể hiện các sóng phát sinh cục bộ (xem khoảng cách tới đờng bờ

2
/s) (mục 2.1).
Lấy gia tốc trọng trờng g = 9,81 ms
-2
.
1.5.3. Thu thập thông tin cơ bản về vật chất đáy (mục 2.2) :
Lấy mẫu ở 5 cm hoặc cỡ nh vậy trên đáy sử dụng gàu ngoạm, lỗ khoan, ống
phóng hoặc bằng tay. Tốt nhất là lấy sáu đến tám mẫu trong khu vực nghiên cứu để
đánh giá tính biến thiên; chúng có thể tính trung bình, hoặc chọn một mẫu tiêu biểu.
Sử dụng bản đồ BGS hoặc Hàng hải khi không có sẵn mẫu.
Thu thập phân bố kích thớc hạt của nhóm cát và sỏi của mẫu đáy bằng cách
sàng qua rây. Phải chọn đờng kính hạt trung vị d
50
, và càng đầy đủ càng tốt của d
10
,
d
16
, d
35
, d
65
, d
84
, d
90
tuỳ theo phơng pháp sử dụng thích hợp. Nếu một số giá trị
không đợc biết, có thể đánh giá chúng bằng giả thiết đờng phân bố kích thớc hạt
logarit chuẩn của các điểm đã biết.
Nếu d

một cạnh hình nón của trầm tích, hình thành bởi việc rót mẫu trầm tích trong nớc
từ một độ cao nhỏ.
Tính toán với d = d
50
:
- kích thớc hạt phi thứ nguyên D
*
(phơng trình (75))
- ngỡng tham số Shields
cr
(phơng trình (77))
- ngỡng ứng suất trợt
cr
(phơng trình (74))
- vận tốc chìm lắng w
s
; (phơng trình (102)).
1.5.4. Quyết định về điều kiện thịnh hành, bằng cách tham khảo bình đồ
và/ hoặc đi thực địa:
chỉ có dòng chảy (ví dụ sông; cửa sông với doi cát tại lối vào và đợc che chắn
khỏi những gió địa phơng; những vị trí ngoài khơi sâu hơn khoảng 40 m). Đi tới
bớc 5.
chỉ có sóng (ví dụ khu vực ven bờ hoặc gần bờ hồ có độ sâu nhỏ hơn 5 m). Đi tới
bớc 6.
kết hợp sóng và dòng chảy (ví dụ những vị trí ngoài khơi và ven bờ có độ sâu
giữa 5 và 40 m; những cửa sông đổ ra biển hở hoặc với các lạch dài và/hoặc rộng phơi
bày trớc gió mạnh. Đi tới bớc 7.
1.5.5. Chỉ có dòng chảy
Quyết định sử dụng một vận tốc dòng chảy thiết kế riêng lẻ hay là một phân
bố xác suất của vận tốc (Chơng 12). Đối với những tính toán trung bình dài hạn,


s
0,8 đáy di động và gợn cát và/hoặc đụn cát
- nếu
s
> 0,8 đáy di động và phẳng với dòng trầm tích sát đáy
- nếu u
*s
w
s
không có lơ lửng
- nếu u
*s
> w
s
trầm tích là lơ lửng.
32
Tính toán tơng tự cho những nhóm kích thớc hạt khác (d
10
, d
16
, d
35
) sẽ xác
định những nhóm kích thớc hạt nào sẽ di chuyển nh di đáy hoặc lơ lửng, hoặc bất
động. Nếu d
50
> 0,8 mm, không thành hình gợn cát.
Thực hiện một vài hoặc tất cả các tính toán sau cho phù hợp:
Tính toán độ cao và bớc sóng của những gợn cát và đụn cát, nếu có (mục 7.2).

z
hoặc tơng tự, với thông tin về hớng nếu
thích hợp (mục 4.2). Có thể thực hiện điều này từ những đo đạc hiện trờng với phao
sóng, máy ghi áp suất, máy ghi sóng trên tàu, nhân viên đo sóng hoặc những quan
sát trực quan; những số đo lịch sử gần đây nhờ sử dụng những phơng pháp này,
hoặc những quan sát khi neo tàu; hoặc bằng tính toán dự báo lùi từ bản ghi gió. Nếu
chỉ sẵn có H
s
, hãy đánh giá T
z
bằng phơng trình (49). Tính toán những đại lợng
khác (H
rms
, T
p
, H và T sóng đơn tơng đơng) sử dụng những mối quan hệ trong mục
4.2, nh yêu cầu.
Kiểm tra độ cao sóng không vợt quá độ cao sóng đổ cho độ sâu nớc và chu kỳ
đó (mục 4.7).
Tính toán biên độ vận tốc quỹ đạo đáy U
w
, nếu lấy một sóng đơn tơng đơng,
và/hoặc vận tốc quỹ đạo đáy căn bậc hai trung bình bình phơng U
rms
, nếu sử dụng
phơng pháp phổ (mục 4.4). Sự lựa chọn phụ thuộc vào những yêu cầu của công thức
tiếp theo.
Tính toán biên độ ứng suất trợt tại đáy do ma sát lớp đệm
ws
, vận tốc ma sát

trầm tích là lơ lửng.
Tính toán tơng tự cho những nhóm kích thớc hạt khác (d
10
, d
16
, d
35
) sẽ xác
định những nhóm kích thớc hạt nào sẽ di chuyển nh di đáy hoặc lơ lửng, hoặc bất
động.
Thực hiện một vài hoặc tất cả các tính toán sau đây cho phù hợp:
Tính toán độ cao và bớc sóng của gợn cát, nếu có (mục 7.3).
Tính toán độ nhám tổng hợp hiệu quả z
0
theo kích thớc gợn cát. Tính toán
biên độ ứng suất trợt tổng cộng tại đáy
w
, vận tốc ma sát u
*w
, tham số Shields
w

(mục 4.6).
Tính toán kích thớc hạt lơ lửng trung vị (mục 8.2), và vận tốc chìm lắng tơng
ứng w
s
; (mục 8.3). Sử dụng chúng để tính toán nồng độ trầm tích lơ lửng tại những
độ cao mong muốn (mục 8.5).
Tính toán suất vận chuyển dòng di đáy do sóng (mục 9.3).
Tính toán suất vận chuyển trầm tích tổng cộng do sóng (mục 10.3).

, đáy bất động (giả thiết có gợn cát)
- nếu
cr

max
,
s
0,8 đáy di động và gợn cát
- nếu
max
,
s
> 0,8 đáy di động và phẳng với dòng trầm tích sát đáy
- nếu u
* max
,
s
w
s
không có lơ lửng
- nếu u
* max
,
s
> w
s
trầm tích là lơ lửng.
Tính toán tơng tự cho những nhóm kích thớc hạt khác (d
10
, d

ứng w
s
; (mục 8.3). Sử dụng chúng để tính toán nồng độ trầm tích lơ lửng tại những
độ cao mong muốn (mục 8.5).
Tính toán suất vận chuyển dòng di đáy trung bình (mục 9.4).
Tính toán suất vận chuyển trầm tích tổng cộng trung bình (mục 10.4).
Nếu suất vận chuyển trầm tích trung bình đợc tính toán cho một tập hợp gồm
nhiều điểm trong không gian, tính toán trờng xói lở và bồi tụ (mục 11.1).
Những phơng pháp mô tả trong quy trình trên, và tất nhiên trong hầu hết
quyển sách, liên quan đến những tính toán tại một điểm địa phơng, hay nói rằng,
cột nớc trên một mét vuông hoặc nh vậy của đáy biển. Nghiên cứu thực hành
thờng yêu cầu những dự đoán trên một khu vực nghiên cứu mở rộng hơn. Đối với
một vài nhóm vấn đề, quy trình có thể áp dụng tại mỗi điểm quan tâm trong khu vực
nghiên cứu, nh đợc mô tả trong các Chơng 11 và 12.
Tuy nhiên tổng quát hơn, những phơng pháp dự đoán các điều kiện trong một
vùng mở rộng rơi vào ba loại sau:
kinh nghiệm quan sát, tập trung vào khu vực nghiên cứu và trong các vùng
tơng tự, trong đó bằng chứng tạm thời và lịch sử, đợc hỗ trợ bằng những đo đạc
mặt rộng, đợc giải thích bởi một thực hành viên giàu kinh nghiệm (ví dụ một nhà
địa hình thái học) để cung cấp sự hiểu biết về trạng thái của khu vực nghiên cứu và
dờng nh đáp ứng đợc công việc công trình,
những mô hình vật lý, là những mô hình quy mô nhỏ của khu vực nghiên cứu,
xây dựng trong phòng thí nghiệm để mô tả dòng chảy thuỷ động lực và/hoặc phân bố
sóng trên một đáy rắn, hoặc động lực trầm tích và động lực hình thái nhờ sử dụng
hợp lý những trầm tích nhẹ hoặc theo tỷ lệ với tự nhiên,
những mô hình số, giải trên máy tính những phơng trình chủ đạo cho thủy
lực học, động lực trầm tích và động lực hình thái, mô tả sự phân bố những đại lợng
này trên một lới sai phân hữu hạn hoặc phần tử hữu hạn của khu vực nghiên cứu.
Mỗi phơng pháp là một lĩnh vực chuyên môn mang tính chuyên gia của chính
nó, và tất cả các phơng pháp yêu cầu một kiến thức cơ sở về những loại nguyên lý

đánh giá :
- sai số đầu ra do sai lệch đầu vào,
- sự khác nhau giữa các phơng pháp dự báo.
Một số sai lệch trong một vài tham số đầu vào quan trọng là:
- mật độ nớc


0,2%
- độ nhớt động học của nớc


10%
- mật độ trầm tích
s


2%
- đờng kính hạt d
10
, d
50
, d
90
,

20%
- độ sâu nớc h

5%
- vận tốc dòng chảy

- nồng độ trầm tích lơ lửng tại độ cao 1,2 m dự báo theo phơng trình (115) đối
với vận tốc dòng chảy = 0,44m/s, vận tốc quỹ đạo sóng = 0,83m/s và độ sâu = 13m
thay đổi từ 3,00kgm
-3
đến 0,46 kgm
-3
nếu kích thớc hạt trung vị của trầm tích lơ
lửng thay đổi từ 0,10mm đến 0,12mm.
- suất vận chuyển trầm tích dự báo theo phơng trình (136) cho trầm tích có kích
thớc hạt d
50
= 0,2mm trong độ sâu 6m với vận tốc 0,75ms
-1
thay đổi từ 0,52 m
2
s
-1

đến 1,0 x10
-3
m
2
s
-1
nếu độ cao sóng có nghĩa thay đổi từ 2 đến 2,5m.
Độ chênh lệch giữa các phơng pháp dự báo khác nhau tơng đối nhỏ đối với các
tham số đã biết khá rõ, nhng lớn hơn đối với các tham số biết cha rõ. Ví dụ, độ
chênh lệch giữa các phơng pháp nói chung nhỏ hơn:
1% cho mật độ nớc và độ nhớt
10% cho vận tốc quỹ đạo sóng và vận tốc chìm lắng hạt