Trầm tích lơ lửng

113 Ch­¬ng 8. TrÇm tÝch l¬ löng 8.1 Tæng quan §èi víi vËn tèc dßng ch¶y hoÆc ®iÒu kiÖn sãng ®¸ng kÓ trªn ng­ìng chuyÓn ®éng, c¸t bÞ kÐo lªn khái ®¸y vµ ®i vµo tr¹ng th¸i l¬ löng, t¹i ®ã nã ®­îc mang ®i víi cïng vËn tèc dßng ch¶y. Khi ®iÒu nµy x¶y ra, phÇn trÇm tÝch ®­îc mang ®i trong tr¹ng th¸i l¬ löng nãi chung lín h¬n nhiÒu phÇn trÇm tÝch ®¸y ®­îc mang ®i ®ång thêi, vµ do ®ã dßng l¬ löng lµ mét thµnh phÇn quan träng cho suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng. Mét yÕu tè quan träng trong viÖc thiÕt kÕ c¸c c«ng tr×nh lÊy n­íc lµm l¹nh cho c¸c nhµ m¸y ®iÖn lµ ng¨n ngõa sù x©m nhËp cña trÇm tÝch l¬ löng, ®èi víi chóng ®ßi hái tÝnh to¸n nång ®é vµ kÝch th­íc h¹t t¹i cao ®é c«ng tr×nh lÊy n­íc. 8.2. ChØ tiªu l¬ löng vµ kÝch th­íc h¹t KiÕn thøc §èi víi c¸c h¹t ®ang ë tr¹ng th¸i l¬ löng, vËn tèc ch×m l¾ng cña chóng ph¶i nhá h¬n thµnh phÇn rèi th¼ng ®øng cña vËn tèc, liªn quan ®Õn u*. §iÒu nµy dÉn ®Õn chØ tiªu ®èi víi ng­ìng l¬ löng cña trÇm tÝch, ®­îc cho xÊp xØ b»ng quan hÖ sau ®©y: ss* wu  (96) trong ®ã u*s = vËn tèc ma s¸t líp ®Öm ws = vËn tèc ch×m l¾ng h¹t (xem môc 8.3) §èi víi trÇm tÝch hçn hîp, ph­¬ng tr×nh (96) cã thÓ ¸p dông cho mçi nhãm kÝch th­íc h¹t. NÕu vËt liÖu ®¸y cã cÊp phèi réng, chØ cã c¸c nhãm mÞn h¬n lµ l¬ löng, cßn c¸c nhãm th« h¬n chuyÓn ®éng nh­ trÇm tÝch di ®¸y. Quy tr×nh tèt nhÊt trong tr­êng hîp nµy lµ chia trÇm tÝch ra mét sè nhãm kÝch th­íc h¹t, mçi nhãm gåm mét d¶i hÑp c¸c ®­êng kÝnh h¹t vµ xö lý riªng biÖt cho tõng nhãm. Mét c¸ch tiÕp cËn ®¬n gi¶n h¬n, nh­ng Ýt chÝnh x¸c h¬n, lµ chän mét kÝch th­íc h¹t ®¬n lÎ ®¹i diÖn cho toµn bé mÉu. Acker vµ White (1973) thÊy r»ng d35 cña trÇm tÝch ®¸y cho dù b¸o tèt nhÊt vÒ suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng trong s«ng. Van Rijn (1984) liªn hÖ ®­êng kÝnh trung vÞ h¹t l¬ löng d50,s víi ®­êng kÝnh trung vÞ h¹t ®¸y d50,b th«ng qua tham sè chän läc s = 0,5(d84/d50+d50/d16) vµ tham sè vËn chuyÓn Ts=   crcros   b»ng quan hÖ: )25)(1(011,01/ ,50,50  ssbs Tdd  víi 0 < sT < 25 (97a) 114 = 1 víi 25sT . (97b) Ph­¬ng tr×nh (97) chØ hiÖu lùc khi ( s -1) < [0,011(25-Ts) ] -1; nÕu kh«ng nã sÏ dù b¸o d50,s < 0. Fredsoe vµ Deigaard (1992) lo¹i bá tÊt c¶ c¸c h¹t cã ws > 0,8u*s khái qu¸ tr×nh l¬ löng, vµ lÊy ®­êng kÝnh trung vÞ h¹t cña phÇn cßn l¹i lµm kÝch th­íc h¹t ®¹i biÓu cho l¬ löng. Tõ ®o ®¹c hiÖn tr­êng Whitehouse (1995) thÊy r»ng ®­êng kÝnh trung vÞ h¹t l¬ löng d50,s thÝch hîp víi c¸c gi¸ trÞ gi÷a d2 vµ d15 cña trÇm tÝch ®¸y (th« h¬n ®èi víi dßng ch¶y m¹nh h¬n), víi d10 lµ gi¸ trÞ tiªu biÓu. 8.3. VËn tèc ch×m l¾ng KiÕn thøc VËn tèc ch×m l¾ng (hoÆc vËn tèc r¬i, vËn tèc kÕt thóc) cña h¹t c¸t trong n­íc x¸c ®Þnh b»ng ®­êng kÝnh h¹t, mËt ®é cña chóng vµ ®é nhít cña n­íc. T¹i phÝa mÞn nhÊt cña d¶i ®­êng kÝnh h¹t c¸t (d = 0,062mm), c¸c h¹t ch×m l¾ng theo ®Þnh luËt Stokes vÒ søc c¶n do nhít; t¹i phÝa th« nhÊt (d = 2mm) chóng tu©n theo ®Þnh luËt søc c¶n khèi ®øng bËc hai; vµ kÝch th­íc trung b×nh chÞu t¸c ®éng hçn hîp gi÷a søc c¶n do nhít vµ søc c¶n khèi ®øng. Søc c¶n lªn h¹t c¸t cã h×nh d¹ng tù nhiªn kh«ng ®Òu ®¬n gi¶n h¬n so víi h¹t h×nh cÇu, bëi v× bÒ mÆt gãc c¹nh vµ c¸c thay ®æi h×nh d¹ng gi÷a c¸c h¹t cã xu h­íng t¹o ra qu¸ tr×nh ph©n t¸ch dßng ch¶y dÇn dÇn h¬n. Nh­ vËy, tèt h¬n hÕt lµ kh«ng coi c¸c h¹t c¸t nh­ h×nh cÇu ®èi víi c¸c tÝnh to¸n nh­ thÕ. Cã mét vµi c«ng thøc ®Ó tÝnh to¸n vËn tèc ch×m l¾ng ws cho c¸c h¹t c¸t t¸ch biÖt trong n­íc tÜnh. Mét trong sè chóng ®ßi hái ph¶i tÝnh to¸n kÝch th­íc h¹t phi thø nguyªn D*: 50 31 2 1 d )s(g D / *          (98) trong ®ã g = 9,81ms-2 = gia tèc träng tr­êng  = ®é nhít ®éng häc cña n­íc d = ®­êng kÝnh sµng trung vÞ cña c¸c h¹t s = tû lÖ gi÷a mËt ®é h¹t vµ n­íc . C«ng thøc Gibbs vµ nnk (1971) ®èi víi h¹t h×nh cÇu:     d dsgd ws 074405,0011607,0 3024801,010869,319 2/1322      (99) trong ®ã mäi ®¬n vÞ tÝnh trong hÖ CGS, tr­íc ®©y ®­îc sö dông réng r·i cho c¸t (nh­ng kh«ng thÝch hîp). C«ng thøc cña Hallermeier (1993) ®èi víi c¸t tù nhiªn lµ: 115 d D w *s 18 3  393* D (100a) d D ws 6 1,2 * 43* 1039  D (100b) d D ws 5,1 *05,1  63* 4 10310  D (100c) C«ng thøc cña Van Rijn (1984) ®èi víi c¸t tù nhiªn lµ: d D w *s 18 3  187,163* D (101a)        101,01 10 2/13 *D d ws  16187187,16 3*  D (101b) d D ws 5,1 *1,1  161873* D (101c) Zanke (1977) còng ®­a ra ph­¬ng tr×nh (101b). Soulsby dÉn xuÊt c«ng thøc sau ®©y ®èi víi c¸t tù nhiªn, dùa trªn viÖc tèi ­u ho¸ 2 hÖ sè trong ®Þnh luËt kÕt hîp ®é nhít víi søc c¶n khèi ®øng theo sè liÖu cña c¸c h¹t kh«ng ®Òu:        36,10049,136,10 2/13 * 2 D d ws  . SC (102) Mét so s¸nh c¸c dù b¸o vËn tèc ch×m l¾ng b»ng 4 c«ng thøc nµy (ph­¬ng tr×nh (99-102)) ®­îc thùc hiÖn trªn tËp hîp lín sè liÖu cña 115 sè ®o vËn tèc ch×m l¾ng cña c¸t tù nhiªn vµ c¸c h¹t träng l­îng nhÑ cã h×nh d¹ng kh«ng ®Òu. Sè liÖu ®­îc thu thËp vµ lËp b¶ng bëi Hallermeier (1981). B¶ng 11 cho thÊy phÇn tr¨m dù b¸o n»m trong kho¶ng 10% hoÆc 20% cña c¸c quan tr¾c. Ph­¬ng tr×nh (102) cho kÕt qu¶ tèt nhÊt, vµ còng lµ ®¬n gi¶n nhÊt. Sù phï hîp tèt nµy mét phÇn do c¸c hÖ sè ®­îc tèi ­u ho¸ víi tËp hîp sè liÖu kiÓm tra. C¸c c«ng thøc cña Hallermeier vµ Van Rijn hÇu nh­ tèt, nh­ng phøc t¹p h¬n, do ®ã ph­¬ng tr×nh (102) ®­îc kiÕn nghÞ. Sù kÐm cái cña c«ng thøc Gibbs lµ do nã ®­îc dù kiÕn cho h¹t h×nh cÇu, kh«ng ph¶i h¹t tù nhiªn. H×nh 26 thÓ hiÖn h×nh vÏ phi thø nguyªn cña 116 H×nh 26. VËn tèc ch×m l¾ng cña h¹t c¸t (h×nh vÏ tæng hîp) ws/[(s-1) ] 1/3 theo D* ®èi víi tËp hîp sè liÖu nµy, vµ ®­êng cong øng víi ph­¬ng tr×nh (102). H×nh 27 thÓ hiÖn c¸c ®­êng cong ws theo d cho tr­êng hîp g = 9,81ms -1, s = 2650kgm-3, nhiÖt ®é = 100C, ®é muèi b»ng 35 o/oo, tiªu biÓu cho c¸t trong n­íc biÓn, vµ ®èi víi tr­êng hîp c¸t trong n­íc ngät ë 200C. Víi nång ®é cao, dßng ch¶y xung quanh c¸c h¹t ®ang ch×m l¾ng kÒ nhau t¸c ®éng t­¬ng hç nªn chÞu søc c¶n lín h¬n so víi cïng lo¹i h¹t t¸ch biÖt (ch×m l¾ng bÞ c¶n trë). §iÒu nµy lµm cho vËn tèc ch×m l¾ng bÞ c¶n trë, wsC ë nång ®é cao sÏ nhá h¬n so víi khi ë nång ®é thÊp, ws. ¸p dông lý gi¶i t­¬ng tù nh­ lý gi¶i ®· dÉn tíi ph­¬ng 117 tr×nh (102), nh­ng giê ®©y bao gåm hÖ sè (1- C)-4.7 trong c«ng thøc søc c¶n h¹t (do Wen vµ Yu nhËn ®­îc b»ng kinh nghiÖm, 1966), ta cã c«ng thøc sau ®©y ®èi víi vËn tèc ch×m l¾ng wsC cña h¹t trong tr¹ng th¸i l¬ löng dµy ®Æc cã nång ®é C:           36,101049,136,10 2/13 * 7,42 DC d wsC  ®èi víi mäi D* vµ C. SC (103) Ph­¬ng tr×nh (103) ®¬n gi¶n thµnh ph­¬ng tr×nh (102) khi C0, vµ nã t­¬ng thÝch víi ph­¬ng tr×nh (18) ®èi víi sù láng ho¸. B¶ng 11. So s¸nh c¸c dù b¸o vËn tèc ch×m l¾ng C«ng thøc Ph­¬ng tr×nh 10% 20% Gibbs vµ nnk 99 35 50 Hallermeier 100 60 89 Van Rijn 101 59 90 Soulby 102 66 90 §èi víi c¸c gi¸ trÞ D* nhá, ph­¬ng tr×nh (103) cho thÊy tû sè wsC / ws=(1- C) -4,7, trong khi ®èi víi c¸c gi¸ trÞ D* lín, ph­¬ng tr×nh (103) cho ta wsC/ ws=(1- C) 2,35. Trong thùc tÕ, chØ cÇn xÐt ®Õn hiÖu øng cña vËn tèc ch×m l¾ng bÞ c¶n trë ®èi víi nång ®é lín h¬n 0,05, th­êng x¶y ra chØ trong vµi mm t¹i ®¸y, v× sù kh¸c biÖt gi÷a ws vµ wsC nhá h¬n 20% ®èi víi c¸c nång ®é thÊp h¬n. Quy tr×nh 1. §Ó tÝnh to¸n vËn tèc ch×m l¾ng cña h¹t t¹i nång ®é thÊp, cho kÝch th­íc h¹t trung vÞ d50 cña mÉu c¸t (nªn lÊy tõ l¬ löng) b»ng ph©n tÝch sµng (xem môc 2.2). NÕu nhiÖt ®é vµ ®é muèi gÇn víi 100C vµ 35 o/oo t­¬ng øng, ®äc gi¸ trÞ ws vµ d = d50 tõ h×nh 27, hoÆc nÕu cÇn chÝnh x¸c h¬n: VÝ dô 8.1. VËn tèc ch×m l¾ng - Cho nhiÖt ®é b»ng 0C 10 - Cho ®é muèi b»ng o/oo 35 - Cho mËt ®é kÝch th­íc h¹t s 2650kgm -3 - Cho ®­êng kÝnh h¹t d 0,2mm - TÝnh to¸n ®é nhít ®éng häc (xem vÝ dô 2.1 )  36 x 10-6m2s-1 - TÝnh to¸n mËt ®é n­íc (xem vÝ dô 2.1 )  1027kgm-3 - TÝnh to¸n  ss  2,58 118 - TÝnh to¸n D* theo ph­¬ng tr×nh (98) D* 4,06 - TÝnh to¸n vËn tèc ch×m l¾ng theo ph­¬ng tr×nh (102) ws 0,0202ms -1 §Ó so s¸nh, gi¸ trÞ ws dù b¸o theo ph­¬ng ph¸p Van Rijn ph­¬ng tr×nh (101) lµ 0,0198 ms-1 vµ ph­¬ng ph¸p Hallermeier (ph­¬ng tr×nh (100)) lµ 0,0216ms-1. 2. NÕu nång ®é thÓ tÝch lín h¬n 0,05, sö dông ph­¬ng tr×nh (103) thay vµo ®ã. H×nh 27. VËn tèc ch×m l¾ng cña h¹t th¹ch anh cã ®­êng kÝnh sµng d víi nång ®é thÊp trong n­íc tÜnh 8.4. Nång ®é trÇm tÝch l¬ löng d­íi t¸c ®éng dßng ch¶y KiÕn thøc Trong c¸t l¬ löng, sù ch×m l¾ng h¹t vÒ phÝa ®¸y ®­îc c©n b»ng t­¬ng øng bëi sù khuyÕch t¸n c¸t ng­îc lªn do c¸c chuyÓn ®éng rèi cña n­íc (kÓ c¶ thµnh phÇn th¼ng ®øng cña vËn tèc) gÇn ®¸y. Ph­¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn sù c©n b»ng nµy lµ: 119 dz dC KCw ss  (104) trong ®ã ws= vËn tèc ch×m l¾ng cña h¹t trÇm tÝch C = nång ®é thÓ tÝch cña trÇm tÝch t¹i ®é cao z Ks = ®é khuÕch t¸n rèi cña trÇm tÝch. KhuÕch t¸n rèi phô thuéc vµo rèi trong dßng ch¶y vµ vµo ®é cao trªn ®¸y. Cã thÓ gi¶i ph­¬ng tr×nh (104) ®Ó nhËn ®­îc ph©n bè th¼ng ®øng cña nång ®é trÇm tÝch l¬ löng, phï hîp víi c¸c gi¶ thiÕt cô thÓ. C¸c gi¶ thiÕt kh¸c nhau vÒ khuÕch t¸n rèi cña trÇm tÝch dÉn ®Õn c¸c biÓu thøc kh¸c nhau ®èi víi ph©n bè nång ®é. H×nh d¹ng cña ph©n bè phô thuéc vµo tû sè: *ku w b s (105) trong ®ã b = sè Rouse, hoÆc tham sè l¬ löng k = 0,40 = h»ng sè von Karman u*= vËn tèc ma s¸t tæng céng. Chó ý r»ng sù cuèn theo cña trÇm tÝch tõ ®¸y ®­îc ®iÒu khiÓn bëi ma s¸t líp ®Öm  2*sos u  , trong khi khuÕch t¸n trÇm tÝch lªn cao h¬n trong cét n­íc ®­îc ®iÒu khiÓn bëi øng suÊt tr­ît tæng céng  2*sos u  . §ã lµ v× søc c¶n h×nh d¹ng cña gîn c¸t kh«ng t¸c ®éng trùc tiÕp lªn c¸c h¹t n»m trªn bÒ mÆt cña ®¸y, nh­ng nã t¹o ra rèi ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh khuÕch t¸n. Sù kh¸c biÖt kh«ng cßn ®èi víi ®iÒu kiÖn dßng trÇm tÝch s¸t ®¸y (xem môc 72) trong ®ã u*= u*s. TrÇm tÝch l¬ löng do dßng ch¶y trong biÓn còng t­¬ng tù nh­ trong s«ng. NÕu khuÕch t¸n rèi ®­îc gi¶ thiÕt t¨ng tuyÕn tÝnh theo ®é cao trªn ®¸y (K = kzu*z), ph©n bè nång ®é t­¬ng øng lµ ph©n bè theo ®Þnh luËt sè mò:   b a a z z CzC         . SC (106) NÕu khuÕch t¸n rèi ®­îc gi¶ thiÕt biÕn ®æi theo ®é cao b»ng d¹ng parab«n K* = ku*z[1-(z/h)], nhËn ®­îc ph©n bè Rouse:   b a a a zh zh z z CzC           . SC (107) NÕu khuÕch t¸n rèi ®­îc gi¶ thiÕt biÕn ®æi víi ®é cao b»ng d¹ng parab«n ë nöa d­íi, vµ kh«ng ®æi ë nöa trªn cña cét n­íc, nhËn ®­îc ph©n bè Van Rijn (1984). ThÊy r»ng Van Rijn còng xÐt ®Õn sù kh¸c biÖt gi÷a khuÕch t¸n trÇm tÝch vµ ®éng l­îng chÊt láng, vµ sù ph©n tÇng mËt ®é do trÇm tÝch, b»ng c¸ch ®­a ra mét d¹ng söa ®æi cã sè mò b: 120   'b a a a zh zh z z CzC           víi 2 h zza  SC (108a)                 )(exp ' ' 2 1 4 h z b zh z CzC b a a a víi hz h  2 SC (108b) 2 1 ' B B b b  SC (108c) 2 * 1 21        u w B s víi 110  u ws, SC (108d) =2 víi 1 *u ws 4,08,0 * 2 65,0 5,2              as C u w B víi 1010  * , u ws . SC (108e) Trong c¸c ph­¬ng tr×nh (106) ®Õn (108): z = ®é cao trªn ®¸y biÓn za= ®é cao tham chiÕu gÇn ®¸y biÓn C(z) = nång ®é trÇm tÝch t¹i ®é cao z Ca= nång ®é trÇm tÝch tham chiÕu t¹i ®é cao za h = ®é s©u n­íc b = sè Rouse (ph­¬ng tr×nh (105)). Nång ®é cã thÓ biÓu thÞ lµ thÓ tÝch/thÓ tÝch hoÆc khèi l­îng/thÓ tÝch, thÓ hiÖn r»ng C(z) vµ Ca cã cïng ®¬n vÞ (xem môc 2.3). Mét so s¸nh h×nh d¹ng cña 3 ph©n bè ®èi víi tr­êng hîp b = 1 víi za/h = 0,01 ®­îc ®­a ra trªn h×nh 28a. Ph©n bè Rouse ®­îc sö dông réng r·i nhÊt, ®Æc biÖt trong s«ng. C¸c vÝ dô cña ph©n bè Rouse víi c¸c gi¸ trÞ b kh¸c nhau ®­îc cho trªn h×nh 28b. §èi víi c¸c h¹t mÞn vµ dßng ch¶y m¹nh (b nhá) trÇm tÝch ®­îc x¸o trén m¹nh trong toµn bé cét n­íc, trong khi ®èi víi c¸c h¹t th« vµ dßng ch¶y yÕu (b lín), trÇm tÝch tËp trung chñ yÕu gÇn ®¸y. Ph©n bè Rouse Ýt phï hîp h¬n khi sö dông trong biÓn bëi v× ®é nhít rèi d¹ng parab«n gi¶m tíi kh«ng t¹i bÒ mÆt, lµm cho nång ®é trÇm tÝch dù b¸o b»ng kh«ng t¹i mÆt n­íc. §iÒu nµy ng­îc l¹i víi quan tr¾c, ®Æc biÖt nÕu cã sãng. C¶ ph©n bè Van Rijn vµ theo ®Þnh luËt hµm mò ®Òu cã khuÕch t¸n kh¸c kh«ng t¹i mÆt n­íc, vµ ®­¬ng nhiªn lµ phï hîp h¬n. §Þnh luËt sè mò hÊp dÉn do sù ®¬n gi¶n cña thao t¸c to¸n häc, ®Æc biÖt bëi v× ®é chÝnh x¸c lín xuÊt hiÖn ë phÇn thÊp h¬n cña cét n­íc, n¬i nång ®é lín nhÊt. Ph©n bè Van Rijn cã lÏ phï hîp víi sè liÖu tèt nhÊt, vµ ®­îc kiÕn nghÞ sö dông chØ ®èi víi dßng ch¶y trong biÓn. 121 H×nh 28. Ph©n bè nång ®é trÇm tÝch l¬ löng (a) so s¸nh 3 c«ng thøc (trôc l«garÝt ), b) biÕn ®æi kÝch th­íc h¹t vµ vËn tèc dßng ch¶y (trôc tuyÕn tÝnh) Nång ®é tham chiÕu Ca, vµ ®é cao tham chiÕu za ph¶i ®­îc x¸c ®Þnh ®Ó c¸c ph­¬ng tr×nh (106) -(108) cho dù b¸o nång ®é tiÖn lîi nhÊt. Mét sè biÓu thøc cho 122 chóng ®ang cã. Garcia vµ Parker (1991) kiÓm tra 7 trong sè chóng theo mét tËp hîp lín sè liÖu, vµ kÕt luËn r»ng 2 c«ng thøc tèt nhÊt lµ: 1. Smith vµ McLean (1977) s s a T T C 0024,01 00156,0   SC (109) t¹i ®é cao   121 3,26 50d sg T z scra      2. Van Rijn (1984) 3,0 * 2/3015,0 Dz dT C a s a  SC (110) t¹i ®é cao za= s /2, víi s cho bëi ph­¬ng tr×nh (83) vµ gi¸ trÞ nhá nhÊt cña za= 0,01h. 3. BiÓu thøc gÇn ®©y h¬n c¶, còng cho kÕt qu¶ tèt lµ cña Zyserman vµ Fredsoe (1994):     75,1 75,1 045,0720,01 045,0331,0    s s aC   SC (111) t¹i ®é cao za= 2d50. Trong c¸c ph­¬ng tr×nh (109) - (111): Ca= nång ®é (thÓ tÝch/thÓ tÝch) t¹i ®é cao za za= ®é cao tham chiÕu os = øng suÊt tr­ît ma s¸t líp ®Öm t¹i ®¸y cr = ng­ìng øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y ®èi víi chuyÓn ®éng trÇm tÝch Ts=   crcros  / d50= ®­êng kÝnh h¹t trung vÞ h = ®é s©u n­íc g = gia tèc träng tr­êng  = mËt ®é n­íc s = mËt ®é vËt liÖu trÇm tÝch  /ss   = ®é nhít ®éng häc cña n­íc D*=   50 3/1 2 1 d sg           501 dsg os s      = tham sè Shields ma s¸t líp ®Öm 123 s = ®é cao sãng c¸t. Quy tr×nh 1. §Ó tÝnh to¸n nång ®é trÇm tÝch l¬ löng t¹i 1m trªn ®¸y, sö dông ph©n bè nång ®é hµm mò cïng nång ®é tham chiÕu cña Smith vµ McLean ®èi víi dßng ch¶y æn ®Þnh (dßng ch¶y thuû triÒu vµ giã cã thÓ coi nh­ æn ®Þnh), cho c¸c h¹t th¹ch anh trong n­íc biÓn t¹i 10oC, 35 o/oo, cho gi¸ trÞ cña: VÝ dô 8.2. Nång ®é d­íi t¸c ®éng dßng ch¶y - vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh ®é s©u U 1,0ms-1 - ®é s©u n­íc h 10m - ph©n bè kÝch th­íc h¹t cña ®¸y d10 0,17mm d50 0,20mm d90 0,23mm Trong vÝ dô nµy, trÇm tÝch ®­îc chän läc kü vµ d50 cã thÓ lÊy lµm kÝch th­íc h¹t ®¹i biÓu d. - TÝnh to¸n vËn tèc ch×m l¾ng cña h¹t ®¹i biÓu (xem vÝ dô 8.1). Víi d = 0,20mm ws 0,0202ms -1 - TÝnh to¸n øng suÊt tr­ît ma s¸t líp ®Öm (xem vÝ dô 3.3), vÝ dô sö dông c«ng thøc Soulsby 0,952ms-1 - KiÓm tra xem ®¸y cã gîn c¸t kh«ng b»ng c¸ch tÝnh to¸n tham sè Shields (xem ph­¬ng tr×nh (2a)) s 0,299 NÕu s < 0,8 , ®¸y gîn c¸t (còng xem cã sãng c¸t kh«ng, trong vÝ dô nµy lµ kh«ng gîn c¸t) - TÝnh to¸n hÖ sè ma s¸t tæng céng CD trªn ®¸y gîn c¸t, sö dông ph­¬ng tr×nh (37) víi z0= 0,006m (b¶ng 7 ®èi víi gîn c¸t) CD 0,00388 - TÝnh to¸n ma s¸t líp ®Öm tæng céng UCu D 2 1 *  0,0623ms -1 - TÝnh to¸n ng­ìng øng suÊt tr­ît (xem vÝ dô 6.3) cr 0,176ms -1 - TÝnh to¸n cr cros sT     4,41 - TÝnh to¸n ®é cao tham chiÕu 124 vµ nång ®é tham chiÕu theo ph­¬ng tr×nh (109)         12 102,0 158,281,91027 41,4176,03,26 3 za 1,30 x 10 -3m    41,40024,01 41,400156,0 Ca 6,81 x 10 -3 - TÝnh to¸n sè Rouse    0623,040,0 0202,0 *u ws  b 0,811 - Chän ®é cao t¹i ®ã yªu cÇu tÝnh to¸n nång ®é z 1,0m - TÝnh to¸n nång ®é t¹i ®é cao z b»ng c¸ch sö dông ph­¬ng tr×nh (106)              811,0 3 3 1030,1 0,1 1081,6 C(z) 3,1 x 10-5 - NÕu muèn chuyÓn ®æi thµnh kgm-3, nh©n víi 2650kgm-3 (xem b¶ng 4) CM(z) 0,082kgm -3 2. §Ó so s¸nh: - sö dông ph©n bè Van Rijn Ca, za 0,0616kgm -3 - sö dông ph©n bè Rouse vµ Zyserman vµ Fredsoe Ca, za 0,121kgm -3 3. C¸c ph­¬ng ph¸p kh¸c nhau cho lêi gi¶i ®èi víi CM t¹i z = 1m kh¸c nhau ®Õn 2 lÇn. KÝch th­íc h¹t l¬ löng trung vÞ cã thÓ tÝnh to¸n b»ng c¸ch sö dông ph­¬ng ph¸p Van Rijn (ph­¬ng tr×nh (97)) ®Ó nhËn ®­îc d50,s= 0,194mm, ®èi víi nã nång ®é t¹i 1m trong vÝ dô 8.2 theo ph­¬ng ph¸p ph©n bè ®Þnh luËt hµm mò lµ CM(z) = 0,104kgm -3. 8.5. Nång ®é trÇm tÝch l¬ löng d­íi t¸c ®éng sãng KiÕn thøc D­íi t¸c ®éng sãng, trÇm tÝch l¬ löng bÞ gi÷ trong mét líp biªn sãng t­¬ng ®èi máng (vµi mm hoÆc cm) (xem môc 4.4). §èi víi ®¸y gîn c¸t, ®é nhít rèi (xem môc 8.4) kh«ng ®æi theo ®é cao, vµ ph©n bè nång ®é ®­îc cho b»ng:   lzeCzC /0  SC (112) trong ®ã z = ®é cao trªn ®¸y C(z) = nång ®é trÇm tÝch (thÓ tÝch/thÓ tÝch) t¹i ®é cao z C0= nång ®é tham chiÕu (thÓ tÝch/thÓ tÝch) t¹i ®¸y biÓn l = quy m« ®é dµi ph©n huû. NhiÒu biÓu thøc ®­a ra cho l vµ C0, mét trong sè ®­îc sö dông réng r·i nhÊt lµ cña Nielsen (1992) ®èi víi ®¸y gîn c¸t: 125 r s w w U l  075,0 víi 18 s w w U SC (113a) rl  4,1 víi 18 s w w U SC (113b) 30 005,0 rC  SC (113c)    2 2 /112 rr wws r gds Uf     SC (113d) trong ®ã ww= biªn ®é vËn tèc quü ®¹o sãng (xem môc 4.4) ws= vËn tèc ch×m l¾ng h¹t (xem môc 8.3) r = ®é cao gîn c¸t r = b­íc sãng gîn c¸t wöf = hÖ sè ma s¸t do sãng trªn ®¸y nh¸m (ph­¬ng tr×nh (60b)) = 0,00251exp(5,21 19,0r ) 505 d TU r w   d50= kÝch th­íc h¹t trung vÞ T = chu kú sãng S = mËt ®é t­¬ng ®èi cña trÇm tÝch g = gia tèc träng tr­êng. Ph­¬ng tr×nh (112) ®«i khi còng sö dông cho ®iÒu kiÖn dßng trÇm tÝch s¸t ®¸y (®¸y ph¼ng), mÆc dï chøng cí gÇn ®©y chØ ra r»ng mét biÓu thøc tèt h¬n trong tr­êng hîp nµy t­¬ng tù víi ph­¬ng tr×nh (106) ®èi víi dßng ch¶y:   b a a z z CzC         . SC (114) C¸c gi¸ trÞ thùc nghiÖm cña b kh«ng nhÊt thiÕt tu©n thñ c¸c dù kiÕn lý thuyÕt, vµ tiªu biÓu lµ b =1,7 ®èi víi d50= 0,13mm vµ b = 2,1 ®èi víi d50= 0,21mm, ®èi víi tÊt c¶ c¸c ®iÒu kiÖn sãng trong ph¹m vi 0,4 < Uw < 1,3ms -1 vµ 5 < T < 12s. NÕu za= 1cm, gi¸ trÞ cña Ca 4 x 10 -4 ®èi víi Uw= 0,5ms -1 vµ Ca= 8 x 10 -3 ®èi víi Uw= 1,3ms -1 ®­îc thÊy b»ng thùc nghiÖm ®èi víi d50= 0,21mm (Ribberink vµ Al-Salem, 1991). Víi dù b¸o nãi trªn, ph­¬ng tr×nh (114) cã thÓ sö dông víi gi¸ trÞ lý thuyÕt b = ws/( wu* ) vµ víi Ca vµ za nhËn ®­îc theo ph­¬ng ph¸p Zyserman vµ Fredsoe (ph­¬ng tr×nh (111)), víi ws thay cho s , lÊy vÝ dô. Quy tr×nh 1. VÝ dô 8.3. Nång ®é d­íi t¸c ®éng sãng - §Ó tÝnh to¸n nång ®é trÇm tÝch l¬ löng 126 do sãng, cho gi¸ trÞ cña: + ®é cao t¹i ®ã yªu cÇu nång ®é z 0,1m + biªn ®é vËn tèc quü ®¹o sãng Uw 0,310ms -1 + chu kú sãng T 6s + kÝch th­íc h¹t trung vÞ d50 0,2mm + mËt ®é t­¬ng ®èi cña trÇm tÝch s 2,58 (C¸c gi¸ trÞ vÝ dô nh­ trong vÝ dô 7.3) - TÝnh to¸n gi¸ trÞ )5/( 50dTUw  r 592 - TÝnh to¸n hÖ sè ma s¸t sãng ph­¬ng tr×nh (60b) fwr 0,0118 - TÝnh to¸n biªn ®é tham sè Shields liªn quan ®Õn h¹t ws 0,183 NÕu ws < 0,8, ®¸y gîn c¸t vµ ph¶i sö dông ph­¬ng tr×nh (112) vµ (113). NÕu ws > 0,8, ®¸y ph¼ng víi dßng trÇm tÝch s¸t ®¸y vµ ph¶i sö dông ph­¬ng tr×nh (114). - Trong vÝ dô nµy ws < 0,8 do ®ã ®¸y gîn c¸t, vÝ dô 7.3 cho ta r 0,0452m r 0,265m - TÝnh to¸n theo ph­¬ng tr×nh (113d) r 0,849 - TÝnh to¸n ws (xem vÝ dô 8.1) ws 0,0202ms -1 - TÝnh to¸n Uw/ ws 49,5 - TÝnh to¸n l tõ ph­¬ng tr×nh (113b) l 0,0633m - TÝnh to¸n nång ®é t¹i ®é cao z b»ng ph­¬ng tr×nh (112) C(z) 4,48 x 10-4 - HoÆc khèi l­îng trªn thÓ tÝch )(zCs CM(z) 1,19kgm -3 2. §Ó so s¸nh, nÕu gi¶ thiÕt dßng trÇm tÝch s¸t ®¸y trªn ®¸y gîn c¸t th× ph­¬ng tr×nh (114) víi b ®­îc tÝnh to¸n b»ng c¸ch sö dông u* tæng céng (bao gåm søc c¶n h×nh d¹ng cña gîn c¸t) vµ sö dông nång ®é tham chiÕu Zyserman vµ Fredsoe, cho ta CM(z) = 0,836kgm -3 t¹i z = 0,10m. 3. C¸c tÝnh to¸n ph©n bè nång ®é rÊt nh¹y c¶m víi vËn tèc ch×m l¾ng, vµ do ®ã lµ kÝch th­íc h¹t l¬ löng. Trong vÝ dô 8.3 gi¶ thiÕt vËt liÖu ®¸y ®ång nhÊt, vµ do ®ã d50,s=d50,b. Trong thùc tÕ d50,s ®óng ra sÏ nhá h¬n d50,b, nh­ng ph­¬ng ph¸p tin cËy ®Ó dù b¸o chóng d­íi t¸c ®éng sãng vÉn ch­a ®­îc thiÕt lËp. 127 8.6. Nång ®é trÇm tÝch l¬ löng d­íi t¸c ®éng sãng vµ dßng ch¶y KiÕn thøc D­íi t¸c ®éng sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp, trÇm tÝch sÏ l¬ löng trong líp biªn sãng vµ khuÕch t¸n s©u h¬n vµo dßng ch¶y bëi rèi liªn quan ®Õn dßng ch¶y. C¶ hai qu¸ tr×nh nµy bÞ ¶nh h­ëng bëi sù t­¬ng t¸c gi÷a c¸c líp biªn sãng vµ dßng ch¶y ®· th¶o luËn ë môc 5.3. H×nh d¹ng cña ph©n bè nång ®é trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nh­ vËy kh«ng ®­îc x¸c lËp tèt, nh­ng ®iÓn h×nh cã d¹ng sau ®©y:   maxb a a z z CzC         víi wa zzz  SC (115a)     mb w w z z zCzC         víi hzzw  SC (115b) max* max ku w b s SC (115c) m s m ku w b *  SC (115d) 2 max* Tuzw  = ®é dµy líp biªn sãng SC (115e) víi z = ®é cao trªn ®¸y biÓn C(z) = nång ®é trÇm tÝch t¹i ®é cao z Ca = nång ®é tham chiÕu t¹i ®é cao za za = ®é cao tham chiÕu gÇn ®¸y biÓn C(zw) = nång ®é t¹i z = zw ®­îc tÝnh to¸n theo ph­¬ng tr×nh (115a) ws = vËn tèc ch×m l¾ng trÇm tÝch  = h»ng sè von Karman = 0,40   2/1maxmax* / u   2/1* /  mmu  max = øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y lín nhÊt trong chu kú sãng max = øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y trung b×nh trong chu kú sãng T = chu kú sãng. Nång ®é tham chiÕu Ca cã thÓ tÝnh to¸n theo mét trong c¸c biÓu thøc cho trong môc 8.4 (ph­¬ng tr×nh (109)-(111)). VÝ dô biÓu thøc Zyserman vµ Fredsoe cã thÓ sö dông víi smax, thay cho s . 128 Ph­¬ng ph¸p nãi trªn ®­îc thiÕt kÕ cho ®iÒu kiÖn ®¸y ph¼ng (dßng trÇm tÝch s¸t ®¸y) ®Ó cho ®é dµi nh¸m phï hîp ®Ó sö dông khi tÝnh to¸n m vµ max lµ z0= d50/12. C¸c ®iÒu kiÖn ¸p dông chøng tá r»ng 50max, )(8,0 dg ss   (tøc lµ smax, > 0,8). NÕu smax, < 0,8 d­êng nh­ ®¸y bÞ gîn c¸t (nh­ng ph¶i thÊy r»ng chØ tiªu nµy kh«ng ph¶i thiÕt lËp v÷ng ch¾c cho dßng ch¶y céng víi sãng). §èi víi ®¸y gîn c¸t , c¸c gi¸ trÞ ma s¸t líp ®Öm m vµ max ph¶i sö dông ®Ó tÝnh to¸n nång ®é tham chiÕu Ca, nh­ng c¸c gi¸ trÞ øng suÊt tr­ît tæng céng ph¶i ®­îc sö dông ®Ó tÝnh to¸n bmax vµ bm. Van Rijn (1993) më réng biÓu thøc chØ cho dßng ch¶y cña «ng ®èi víi ph©n bè nång ®é (ph­¬ng tr×nh (108)) ®Ó xÐt ®Õn ¶nh h­ëng cña sãng. Mét ph©n bè khuÕch t¸n rèi do sãng ®­îc ®Ò xuÊt vµ ®­îc bæ sung theo h×nh thøc tæng c¸c b×nh ph­¬ng ®èi víi khuÕch t¸n do dßng ch¶y. BiÓu thøc cña Van Rijn ®èi víi nång ®é tham chiÕu (ph­¬ng tr×nh (110)) ®­îc chÊp nhËn ®Ó xÐt ®Õn øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y do sãng vµ hiÖu øng cña gîn c¸t còng ®­îc chÊp nhËn ®Ó xÐt ®Õn sãng. Ph­¬ng ph¸p ¸p dông cho c¶ 2 ®iÒu kiÖn ®¸y gîn c¸t vµ dßng trÇm tÝch s¸t ®¸y. TÝnh to¸n nhËn ®­îc ®èi víi ph©n bè nång ®é (vµ suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch) thùc hiÖn b»ng ch­¬ng tr×nh TRANSPOR cña Van Rijn, ®­îc kÓ ®Õn trong cuèn s¸ch cña «ng (Van Rijn, 1993), mÆc dï cÇn thÊy r»ng ng­êi sö dông ph¶i cã kinh nghiÖm nµo ®ã ®Ó chän kÝch th­íc h¹t l¬ löng, ®é nh¸m ®¸y liªn quan ®Õn sãng vµ dßng ch¶y ®­îc sö dông lµm gi¸ trÞ ®Çu vµo. Ph­¬ng ph¸p tiªn tiÕn nhÊt ®Ó tÝnh to¸n nång ®é trÇm tÝch l¬ löng (vµ suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch) lµ ph­¬ng ph¸p m« h×nh sè cho líp biªn sãng vµ dßng ch¶y, nhê sö dông mét d¹ng khÐp kÝn n¨ng l­îng rèi nµo ®ã. Ph­¬ng tr×nh ®èi víi ®éng l­îng, c¸c thuéc tÝnh rèi vµ nång ®é trÇm tÝch ®­îc gi¶i t¹i c¸c ®iÓm l­íi theo h­íng ®øng, t¹i mçi b­íc thêi gian trong mét chu kú sãng. Mét khi m« h×nh héi tô ®Õn nghiÖm lÆp, sÏ nhËn ®­îc ph©n bè vËn tèc h­íng ngang vµ nång ®é trÇm tÝch tøc thêi vµ trung b×nh thêi gian trong chu kú sãng. Davies vµ nnk (1997) m« t¶ 4 m« h×nh lo¹i nµy, ®­îc ph¸t triÓn bëi Davies, Ribberink, Temperville vµ m« h×nh STP cña §an M¹ch, mçi trong sè chóng kh¸c nhau vÒ d¹ng khÐp kÝn rèi vµ c¸c gi¶ thiÕt kh¸c nhau vÒ tr¹ng th¸i trÇm tÝch (d¹ng nång ®é tham chiÕu, t¾t dÇn rèi, cÊp phèi trÇm tÝch). C¸c m« h×nh ®­îc so s¸nh víi nång ®é trÇm tÝch l¬ löng ®o ®¹c ®Õn ®é cao 0,10m, thùc hiÖn trong mét tuynen n­íc dao ®éng (OWT) víi vËn tèc æn ®Þnh céng víi nhiÔu ®éng trªn mét ®¸y c¸t cã d50= 0,21mm. C¸c m« h×nh cña Davies, Temperville vµ STP cho thÊy phï hîp víi ph©n bè nång ®é ®o ®¹c trung b×nh thêi gian nãi chung trong kho¶ng 3 lÇn. C¸c m« h×nh Davies, Ribberink, Temperville giíi h¹n cho c¸c ®iÒu kiÖn dßng trÇm tÝch s¸t ®¸y, ®¸y ph¼ng (nh­ ®· x¶y ra trong c¸c ®o ®¹c OWT) trong khi m« h×nh STP cã thÓ ®Ò cËp ®Õn ®¸y gîn c¸t. C¸c c¶i tiÕn sau nµy vÒ kh¶ n¨ng dù b¸o d­êng nh­ cßn n»m trong ph¸t triÓn t­¬ng lai cña lo¹i m« h×nh nµy. Nhi