82
Chơng 5. kết hợp sóng và Dòng chảy
5.1. Tổng quan
Trong hầu hết các khu vực biển ven bờ và thềm lục địa, cả sóng và dòng chảy
đều đóng vai trò quan trọng trong động lực trầm tích. Việc xử lý trong trờng hợp
này rất phức tạp vì sóng và dòng chảy tơng tác thuỷ động lực với nhau, do vậy
trạng thái kết hợp của chúng không đơn giản là tổng tuyến tính của các trạng thái
riêng biệt của chúng. Các hình thức mà sóng và dòng chảy tơng tác bao gồm:
- thay đổi vận tốc pha và bớc sóng bởi dòng chảy, dẫn tới khúc xạ sóng
- tơng tác các lớp biên sóng và lớp biên dòng chảy, dẫn tới việc tăng cờng cả
thành phần dao động và thành phần ổn định của ứng suất trợt tại đáy
- phát sinh dòng chảy do sóng, bao gồm dòng chảy dọc bờ, dòng sóng dội và dòng
vận chuyển khối lợng (phun trào).
Hai cơ chế đầu tiên đợc đề cập ở đây.
5.2. bớc sóng
Kiến thức
Sóng lan truyền khi có mặt dòng chảy sẽ bị biến đổi, nếu một ngời quan sát
đứng yên sẽ nhìn thấy, bởi vì các phơng trình sóng áp dụng trong một khung tham
chiếu chuyển động cùng với vận tốc dòng chảy. Hiệu ứng Doppler làm cho sóng có
bớc sóng cho trớc phải có chu kỳ ngắn hơn nếu chúng đợc dòng chảy mang về
phía ngời quan sát đứng yên. Đối với trờng hợp thông thờng hơn, khi chu kỳ sóng
đợc cố định (để bảo toàn tổng số sóng), bớc sóng giảm khi sóng gặp phải dòng chảy
theo hớng ngợc lại, và độ cao sóng tăng lên (để bảo toàn mức độ truyền năng
lợng). Điều ngợc lại xảy ra khi dòng chảy theo hớng sóng. Thành phần dòng chảy
vuông góc với hớng truyền sóng không có hiệu ứng nào đối với sóng.
Quan hệ phân tán đối với sóng có tần số góc tuyệt đối và số sóng k (xem mục
3.2) khi có mặt vận tốc dòng chảy trung bình độ sâu
U
và hợp một góc với hớng lan
truyền sóng là:


0
khi dòng chảy ngợc với hớng sóng. Các góc khác với

= 0
0
, 180
0
,

90
0
làm cho sóng bị khúc xạ bởi dòng chảy. Khi dòng chảy ngợc hớng đủ lớn
kU /


, sóng không thể lan truyền.
Quy trình
1. Quan hệ phân tán, phơng trình (68) có thể giải trên máy tính đối với k, và do
đó là bớc sóng
kL /2


, nh một hàm của
T/2



,
U
và


max

tại đáy trong một chu kỳ sóng theo 8 trong số các mô hình này đợc cho
trong hình 17. Sự khác biệt giữa các mô hình nói chung là 30%-40%, và sự khác biệt
đến 3 lần xảy ra đối với các điều kiện sóng chiếm u thế mạnh. Xấp xỉ đại số đối với
các mô hình (với độ chính xác

5% trong hầu hết các trờng hợp) đợc Soulsby và
nnk (1993) dẫn xuất và đa ra dới đây.
Việc kiểm định các mô hình đợc tham số hoá bằng một tập hợp lớn dữ liệu của
61 giá trị thí nghiệm và 70 giá trị hiện trờng của
m

đợc Soulsby thực hiện
(1995a). Các chỉ tiêu để làm khớp tốt nhất đã đợc sử dụng và không một mô hình
nào phù hợp tốt nhất đối với mọi chỉ tiêu.
Bốn mô hình cho kết quả khá tốt và/hoặc đợc sử dụng rộng rãi là các mô hình
giải tích của Grant và Madsen (1979), Fredsoe (1984), mô hình số của Huynh Thanh
và Temperville (1991), và Davies và nnk (1988). Các hệ số làm khớp dùng làm tham
số cho các mô hình này đợc cho trong bảng 9, để sử dụng trong phơng pháp phác
hoạ dới đây.

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
Mô hình
*

0,0116
10
5
0,00690

0,0056
0,0062
0,00661

0,0035
Giá trị của C
D
z
0
/h
GM79, F84
DATA13, DATA2
HT91
DSK88
10
-2

0,01231

-
-
10
-3

0,00458


85

H×nh 17. So s¸nh gi÷a 8 m« h×nh dù b¸o øng suÊt trît t¹i ®¸y trung b×nh


m

vµ lín nhÊt


max


do sãng kÕt hîp víi dßng ch¶y (in l¹i theo Soulsby vµ nnk (1993), Coastal Engineering, 21, 41-69,
®îc sù cho phÐp cña Elsevier Science Publishers, BV)

86
B¶ng 9. C¸c hÖ sè lµm khíp ®èi víi c¸c m« h×nh líp biªn do sãng vµ dßng ch¶y
M« h×nh
*

a
1
a
2
a
3
a
4

-0,29
-0,34
-0,38
-0,28
0,29
-0,12
0,25

0,65
0,67
0,72
1,05
-0,22
-0,29
-0,33
-0,72
0,15
0,09
0,08
-0,08
0,06
0,42
0,34
0,59
0,71
0,75
0,78
0,66
-0,19
-0,27

q
1
q
2
q
3
q
4
J
GM79
F84
HT91
DSK88
DATA13
DATA2
0,73
0,29
0,27
0,22
0,47
1,2
0,40
0,55
0,51
0,73
0,69
0,0
-0,23
-0,10
-0,10

-0,07
-0,02
0,0
1,04
0,91
0,89
-0,89
2,34
3,2
-0,56
0,25
0,40
2,33
-2,41
0,0
0,34
0,50
0,50
2,60
0,45
0,0
-0,27
0,45
-0,28
-2,50
-061
0,0
0,50
3,0
2,7












23
211
,
,
wc
w
cm



(69)
trong đó

và
w

là ứng suất trợt tại đáy có thể xảy ra chỉ do sóng hoặc do dòng
chảy, tơng ứng.
Biểu thức tơng ứng đối với

để xác định khuếch tán trầm tích.
Các phơng pháp có thể áp dụng bình đẳng để tính toán ứng suất trợt tổng
cộng tại đáy và thành phần ma sát lớp đệm. Trong trờng hợp đầu tiên sử dụng z
0

tổng cộng, trong khi trong trờng hợp thứ 2 thì sử dụng z
0
= z
0s
= d
50
/15 liên quan đến
hạt.
Quy trình
1. Ví dụ 5.1. ứng suất trợt tổng cộng do sóng và dòng chảy
Để tính toán ứng suất trợt tại đáy
cực đại
max
và trung bình
m

trong một chu kỳ sóng,
đối với sóng hình sin có:
- biên độ vận tốc quỹ đạo gần đáy U
w
0,5ms
-1
- chu kỳ T 12,6s
- góc lan truyền


D
0,00237
- Tính toán hệ số ma sát sóng f
w

đối với sóng khi không có dòng chảy
bằng cách nội suy theo bảng 10.
A/z
0
= 0,5 x 12,6/(2
001,0


) 10
3
f
w
0,0316
- Tính toán ứng suất trợt tại đáy
chỉ do dòng chảy

2
UC
Dc


2,43Nm
-2
- Tính toán ứng suất trợt lớn nhất tại đáy
chỉ do sóng




- Với các biểu thức tơng tự cho m và n:
a 1,04
m 0,680
n 0,575
- Theo bảng 9 đối với mô hình đợc chọn,
tính toán hệ số b, p và q, trong đó






Dw
JJ
Cfbbbbb /logcoscos
104321



- Với các biểu thức tơng tự cho p và q:
89
b 0,592
p -0,362
q 0,619
- Tính toán
Z = 1 + aX
m

và DATA13 cho giá trị tơng ứng là
max

= 7,94, 8,27, 7,90Nm
-2
và
m

= 2,91, 3,04,
3,26Nm
-2
. Các giá trị nhận đợc theo phơng pháp DATA2 phơng trình (70) và (69)
là
max

=7,89Nm
-2
và
m

=3,24Nm
-2
.
2. Phơng pháp Huynh Thanh và Temperville (1991), Grant và Madsen (1979),
Fredsoe (1984), và DATA13 (Soulsby 13 theo trình đơn) dễ dàng tính toán nhất bằng
cách sử dụng SandCalc theo Hydrodynamics- Waves & Currents- Total Shear Stress.
SandCalc sử dụng quy trình nội suy trơn dựa trên bảng 10 để tính toán C
D
và f
w