Vận chuyển trầm tích tổng cộng

143 Ch­¬ng 10. vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng 10.1. Tæng quan SuÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng lµ ®¹i l­îng ®ßi hái nhiÒu nhÊt ®Ó h­íng ®Õn c¸c øng dông thùc tiÔn nh­ båi lÊp c¸c luång tµu ®­îc n¹o vÐt, ph¸t t¸n c¸c ®èng ®Êt vµ ph¶n øng ®éng lùc h×nh th¸i cña c¸c khu vùc ven bê ®èi víi c¸c c«ng tr×nh x©y dùng. C¸c thµnh phÇn trÇm tÝch ®¸y vµ trÇm tÝch l¬ löng ®èi víi suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng cã thÓ tÝnh to¸n riªng biÖt vµ céng l¹i (trong tr­êng hîp nµy, hai thµnh phÇn ph¶i t­¬ng thÝch vµ øng víi ®é cao x¸c ®Þnh). Nãi chung, suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng cã thÓ tÝnh b»ng c«ng thøc kinh nghiÖm. Nguyªn lý chung ®Ó tÝnh to¸n suÊt vËn chuyÓn dßng l¬ löng qs lµ lÊy tÝch ph©n theo ®é s©u cña dßng trÇm tÝch U(z)C(z) t¹i ®é cao z, lóc ®Çu ®­îc thiÕt lËp cho ph©n bè vËn tèc vµ nång ®é theo h­íng th¼ng ®øng U(z) (xem môc 3.2) vµ C(z) (xem Ch­¬ng 8). Nh­ vËy:     h z s a dzzCzUq (130) trong ®ã za= ®é cao tham chiÕu gÇn ®¸y, t¹i ®ã nång ®é tham chiÕu Ca ®­îc tÝnh to¸n, vµ øng víi ®Ønh cña líp trÇm tÝch ®¸y h = ®é s©u n­íc. §èi víi sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp, U(z) vµ C(z) th­êng lÊy b»ng gi¸ trÞ trung b×nh trong mét chu kú sãng, mÆc dï nÕu chÆt chÏ th× cßn cã thµnh phÇn do sù ®ång biÕn cña vËn tèc vµ nång ®é theo thêi gian. Thµnh phÇn ®ång biÕn cã thÓ rÊt lín, vµ th­êng ng­îc h­íng víi dßng ch¶y, do vËy vËn chuyÓn trÇm tÝch rßng gi¶m ®i hoÆc thËm chÝ lµ ©m. Thµnh phÇn nµy lín nhÊt trong tr­êng hîp sãng lín víi dßng ch¶y yÕu. Tuy nhiªn c¸c ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n thµnh phÇn nµy vÉn ch­a ®­îc thiÕt lËp tèt, vµ sÏ kh«ng ®­îc xem xÐt trong cuèn s¸ch nµy. §é chÝnh x¸c cña c¸c c«ng thøc vËn chuyÓn trÇm tÝch th­êng kh«ng cao (xem môc 1.6). Trong s«ng, c«ng thøc tèt nhÊt cho dù b¸o còng chªnh lÖch kho¶ng 2 lÇn so víi gi¸ trÞ quan tr¾c cña kh«ng qu¸ 70% sè mÉu. Trong biÓn t×nh h×nh cßn tÖ h¬n, cã lÏ sai sè kho¶ng 5 lÇn trong kh«ng qu¸ 70% sè mÉu. §é chÝnh x¸c cã thÓ c¶i thiÖn ®¸ng kÓ b»ng c¸ch ®o ®¹c ®Æc tr­ng t¹i tuyÕn vµ hiÖu chØnh c¸c c«ng thøc cho hîp lý. SuÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng cã thÓ biÓu thÞ theo nhiÒu ®¬n vÞ: qt= suÊt vËn chuyÓn thÓ tÝch 144 = thÓ tÝch (m3) cña h¹t dÞch chuyÓn trªn ®¬n vÞ thêi gian (s) trªn ®¬n vÞ bÒ réng ®¸y (m); Nh­ vËy trong hÖ SI qt lµ m 2s-1 Qt= s qt= suÊt vËn chuyÓn khèi l­îng (kgm -1s-1) it= suÊt vËn chuyÓn träng l­îng ch×m (Nm -1s-1) qT = qt(1-) = thÓ tÝch vËt chÊt l¾ng ®äng xuèng ®¸y (kÓ c¶ n­íc xèp) trªn ®¬n vÞ thêi gian trªn ®¬n vÞ bÒ réng (m2s-1). Xem môc 9.1 ®Ó chuyÓn ®æi thµnh ®¬n vÞ kü thuËt. 10.2. vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do dßng ch¶y KiÕn thøc §èi víi dßng ch¶y thuû triÒu khi kh«ng cã sãng (vÝ dô trong cöa s«ng kÝn) thùc tÕ chung lµ sö dông c«ng thøc vËn chuyÓn trÇm tÝch ph¸t triÓn cho s«ng, ë d¹ng tùa æn ®Þnh. Cã kho¶ng h¬n 20 c«ng thøc lo¹i nµy (xem Sleath (1984) víi danh s¸ch ®Çy ®ñ h¬n) trong ®ã 3 c«ng thøc trÝch dÉn d­íi ®©y ®­îc sö dông réng r·i nhÊt vµ phï hîp nhÊt ®èi víi biÓn. Khi sö dông cho biÓn chóng Ýt thÝch hîp so víi s«ng, bëi v× gi¶ thiÕt r»ng sãng c¸t/®ôn c¸t ë tr¹ng th¸i c©n b»ng víi vËn tèc dßng ch¶y tøc thêi lµ ®iÒu kh«ng thùc tÕ trong dßng ch¶y thuû triÒu. 1. Engelund vµ Hansen (1972)    50 2 223 1 040 dsg UC q Dt   /, SC (131) trong ®ã hÖ sè ma s¸t CD ph¶i x¸c ®Þnh theo ph­¬ng ph¸p ma s¸t båi tÝch Engelund (1966). Ph­¬ng ph¸p nµy lóc ®Çu ®­îc dÉn xuÊt b»ng c¸ch xem xÐt c©n b»ng n¨ng l­îng ®èi víi dßng di ®¸y trªn c¸c ®ôn c¸t, nh­ng hiÖn nay ®­îc sö dông réng r·i nh­ ph­¬ng ph¸p trÇm tÝch tæng céng (vµ kh¸ chÝnh x¸c). Nã kh«ng kÓ ®Õn ®iÒu kiÖn ng­ìng chuyÓn ®éng. 2. Acker vµ White (1973) m AW AWAW n AWt A AF u U dUCq                * SC (132a) trong ®ã      n n AW dh U dsg u F               1 2/1 * /10ln46,21 SC (132b) vµ nÕu   d sg D 3/1 2* 1          SC (132c) th× ®èi víi 1 < D* < 60 (trÇm tÝch mÞn) 145 n = 1- 0,243lnD* AAW= 14,0 23,0 2/1 *  D 34,1 66,9 *  D m   13,8ln434,0ln86,2exp 2**  DDCAW SC (132d) vµ ®èi víi D* > 60 (trÇm tÝch th«) n = 0 ; 17,0AWA ; m =1,5; 025,0AWC . SC (132e) H×nh 30. C¸c c«ng thøc vËn chuyÓn trÇm tÝch chØ do dßng ch¶y KÝch th­íc h¹t d ph¶i lÊy b»ng d = d35. VËn tèc ma s¸t u* = UCD 2/1 ph¶i x¸c ®Þnh theo ph­¬ng ph¸p ma s¸t båi tÝch White vµ nnk (1980). C«ng thøc vËn chuyÓn ®­îc dÉn xuÊt b»ng c¸ch xÐt d¹ng quan hÖ vËn chuyÓn ®èi víi trÇm tÝch di ®¸y (trÇm tÝch th«) vµ trÇm tÝch l¬ löng (trÇm tÝch mÞn) riªng rÏ, liªn kÕt chóng l¹i th«ng qua sù chuyÓn tiÕp trong d¶i 1 < D*  60 b»ng c¸c hÖ sè kinh nghiÖm n, AAW, m vµ CAW ®· khíp víi tËp hîp lín sè liÖu. 146 Mét tËp hîp gi¸ trÞ c¸c hÖ sè ®­îc kiÓm tra dùa trªn c¸c sè liÖu gÇn ®©y nhÊt ®­îc ®­a ra vµo n¨m 1990. C¸c biÓu thøc ®èi víi n vµ AAW lµ kh«ng ®æi, nh­ng biÓu thøc ®èi víi m vµ CAW lµ: ®èi víi 1 D* 60 m = 67,1 83,6 *  D   97,7ln426,0ln79,2exp 2**  DDCAW SC (132f) vµ ®èi víi m = 1,78 ; 025,0AWC . SC (132g) 3. Van Rijn (1984) Van Rijn dÉn xuÊt mét lý thuyÕt ®Çy ®ñ, dÔ hiÓu vÒ vËn chuyÓn trÇm tÝch trong s«ng dùa trªn mét hçn hîp cña vËt lý c¬ b¶n vµ c¸c kÕt qu¶ kinh nghiÖm. ¤ng tham sè ho¸ c¸c kÕt qu¶ cña ph­¬ng ph¸p ®Çy ®ñ (®Õn 25%) thµnh c¸c c«ng thøc ®¬n gi¶n h¬n sau ®©y: sbt qqq  SC (133a)    2,1 50 4,2 2/1 501 005,0                      h d gds UU hUq crb SC (133b)      6050 42 21 501 0120 ,* , / ,                       D h d gds UU hUq crs SC (133c) víi           90 10 1,0 50 4 log19,0 d h dU cr víi 0,1 d50 0,5 mm (133d)           90 10 6,0 50 4 log5,8 d h dU cr víi 0,5 d50  2 mm. (133e) Trong c¸c ph­¬ng tr×nh (133d) vµ (133e) ph¶i sö dông hÖ SI. C¸c c«ng thøc hiÖu lùc ®èi víi c¸c tham sè trong ph¹m vi h = 1-20m, U = 0,5-5 ms-1, d50= 0,1-2 mm vµ ®èi víi n­íc ngät ë 15 oC. Ph­¬ng tr×nh (133b) gièng nh­ ph­¬ng tr×nh (119) ®èi víi dßng di ®¸y. §©y lµ d¹ng dÔ sö dông nhÊt trong biÓn. Ph­¬ng ph¸p Van Rijn (1984) ®Çy ®ñ ®­îc Van Rijn ®­a ra ë d¹ng tõ b­íc nµy ®Õn b­íc kh¸c (1993, Phô lôc A), hoÆc bëi Fisher (1993) gåm nhiÒu tÝnh to¸n h¬n, kÓ c¶ ma s¸t båi tÝch b»ng ph­¬ng ph¸p Van Rijn (1984). TÊt c¶ c¸c ph­¬ng ph¸p nµy lóc ®Çu ®­îc dÉn xuÊt ®Ó ¸p dông cho s«ng vµ Ýt ¸p dông h¬n cho biÓn v× ®é dèc mÆt n­íc th­êng kh«ng lµ tham sè ®Çu vµo cho tr­íc, 147 còng kh«ng quan hÖ ®¬n trÞ víi ma s¸t ®¸y. øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y ph¶i tÝnh to¸n b»ng ph­¬ng ph¸p kh¸c cho biÓn. Mét so s¸nh c¸c ph­¬ng ph¸p Engelund vµ Hansen, Ackers vµ White (nguyªn b¶n) vµ Van Rijn (ph­¬ng ph¸p ®Çy ®ñ) ®­îc cho trªn h×nh 30, ®èi víi tr­êng hîp ®Æc tr­ng cña c¸t th¹ch anh cã ph©n bè kÝch th­íc h¹t ®· cho trong vÝ dô 10.1, trong n­íc ngät 20oC, ®é s©u 10m vµ vËn tèc dßng ch¶y 1,4ms-1. Ma s¸t ®¸y ®­îc dù b¸o theo ph­¬ng ph¸p Engelund; White, Paris vµ Bettes; Van Rijn, t­¬ng øng. C¸c tÝnh to¸n thùc hiÖn b»ng c¸ch sö dông gãi phÇn mÒm SandCalc. C¶ 3 ph­¬ng ph¸p ®Òu cho suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch rÊt nhá ®èi víi U < 0,5 ms-1, vµ vËn chuyÓn trÇm tÝch t¨ng nhanh theo vËn tèc dßng ch¶y khi dßng ch¶y v­ît qu¸ 0,5 ms-1. T¹i 1,4 ms- 1, ph­¬ng ph¸p Ackers vµ White dù b¸o xÊp xØ 2 lÇn, cßn ph­¬ng ph¸p Engelund vµ Hansen xÊp xØ mét nöa c¸c gi¸ trÞ dù b¸o theo ph­¬ng ph¸p Van Rijn. Cßn cã nhiÒu ph­¬ng ph¸p kh¸c, nh­ng 3 ph­¬ng ph¸p nµy thùc hiÖn kh¸ tèt khi so s¸nh víi mét sè lín sè liÖu thùc ®o, víi 60% ®Õn 70% dù b¸o n»m trong kho¶ng 2 lÇn c¸c gi¸ trÞ quan tr¾c. Cã ®iÒu lµ ®é chÝnh x¸c sÏ ®­îc c¶i thiÖn ®¸ng kÓ, v× viÖc so s¸nh sè liÖu víi nhau tù nã cho thÊy c¸c gi¸ trÞ lµm ®Çu vµo còng biÕn ®éng ë møc ®é nµy. Quy tr×nh 1. VÝ dô 10.1. VËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do dßng ch¶y - §Ó tÝnh to¸n suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng qt (thÓ tÝch/thÓ tÝch) chØ do dßng ch¶y, cho c¸c gi¸ trÞ cña + cÊp phèi kÝch th­íc trÇm tÝch ®¸y (c¸c c«ng thøc kh¸c nhau ®ßi hái c¸c phÇn tr¨m kh¸c nhau) d16 0,141m d35 0,175m d50 0,200m d65 0,230m d84 0,282m d90 0,315m + ®é s©u n­íc h 10m + vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh U 1,0ms-1 + mËt ®é trÇm tÝch s 2650kgm -3 + nhiÖt ®é 20oC + ®é muèi 0o/oo + gia tèc träng tr­êng g 9,81ms-2 - TÝnh to¸n ®é nhít ®éng häc (môc 2.1)  1,0 x 10-6m2s-1 148 - TÝnh to¸n mËt ®é n­íc (môc 2.1)  1000kgm-3 - TÝnh to¸n tû lÖ mËt ®é trÇm tÝch s 2,65 2. C¸c vÝ dô thùc hiÖn chi tiÕt theo c¸c ph­¬ng ph¸p Ackers vµ White vµ Van Rijn ®­îc cho trong H­íng dÉn vËn chuyÓn trÇm tÝch trong s«ng (Fisher,1993). C¸c gi¸ trÞ cho trong vÝ dô 10.1 cho ta suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch dù b¸o theo c¸c c«ng thøc kh¸c nhau, tÝnh to¸n b»ng SandCalc nh­ sau: Engelund vµ Hansen qt 1,52 x 10 -4 m2s-1 Ackers vµ White (nguyªn b¶n) qt 2,53 x 10 -4 m2s-1 Ackers vµ White (söa ®æi) qt 1,98 x 10 -4 m2s-1 Van Rijn (ph­¬ng ph¸p ®Çy ®ñ) qt 1,40 x 10 -4 m2s-1 Van Rijn (c«ng thøc) qt 2,75 x 10 -4 m2s-1 C¸c gi¸ trÞ dù b¸o lín nhÊt vµ nhá nhÊt chªnh lÖch nhau kho¶ng 2 lÇn, thÓ hiÖn møc ®é kh«ng ch¾c ch¾n trong tÝnh to¸n suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng trong dßng ch¶y æn ®Þnh. 10.3. vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do sãng KiÕn thøc Sãng g©y ra vËn chuyÓn trÇm tÝch rßng b»ng mét sè c¬ chÕ: - Sãng cuèn theo trÇm tÝch nhiÒu h¬n so víi dßng ch¶y, vµ khuÕch t¸n chóng th«ng qua líp biªn sãng. Khi cã mÆt dßng ch¶y, rèi do dßng ch¶y sinh ra lµm khuÕch t¸n trÇm tÝch l¬ löng lªn cao h¬n vµ mang chóng ®i víi dßng ch¶y rßng. - Khi bÞ vì trªn b·i sãng ph¸t sinh dßng ch¶y däc bê, dßng nµy vËn chuyÓn trÇm tÝch däc theo bê (bëi c¬ chÕ nãi trªn) - VËn tèc quü ®¹o d­íi ®Ønh sãng lín h¬n d­íi ch©n sãng vµ do ®ã cuèn theo nhiÒu trÇm tÝch h¬n. Chóng g©y ra vËn chuyÓn trÇm tÝch rßng theo h­íng lan truyÒn sãng (nãi chung h­íng vµo bê) - VËn chuyÓn khèi l­îng (hoÆc phun trµo) n­íc theo h­íng lan truyÒn sãng ®­îc s¶n sinh trong líp biªn sãng, mang trÇm tÝch theo h­íng sãng. - Trong vïng sãng ®æ sãng s¶n sinh vËn tèc dßng sãng déi s¸t ®¸y h­íng ra kh¬i, mang trÇm tÝch ra xa bê. Mét trong c¸c ph­¬ng ph¸p ®­îc sö dông réng r·i nhÊt lµ c«ng thøc cña Bailard (1981), trong ®ã vÐc t¬ vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng qt lµ tæng cña 4 sè h¹ng: sssobsbot qqqqq  (134a) víi   uu sg c q i Bf bo 2 tan1     (134b) 149   iu sg c q i Bf bs 3 2tan1 tan     (134c)   uu wsg c q s Bf so 3 1   (134d)   iu wsg c q s sf ss 5 2 2 1 tan    (134e) trong ®ã g = gia tèc träng tr­êng s = mËt ®é trÇm tÝch s = s /   = mËt ®é n­íc cf = hÖ sè ma s¸t trong c«ng thøc = uuc f   = vÐc t¬ øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y u = vËn tèc tæng céng s¸t ®¸y do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp i = gãc ma s¸t néi cña trÇm tÝch (tan i = 0,63) tan = ®é dèc ®¸y i = vÐc t¬ ®¬n vÞ h­íng ng­îc ®é dèc ws = vËn tèc ch×m l¾ng trÇm tÝch B = 0,10 = hiÖu suÊt dßng di ®¸y s = 0,02 = hiÖu suÊt dßng l¬ löng . = trung b×nh thêi gian trªn nhiÒu sãng. C¸c sè h¹ng thÓ hiÖn: qbo= vËn chuyÓn dßng di ®¸y trªn ®¸y n»m ngang, qbs = hiÖu øng ®é dèc lªn dßng di ®¸y, qso= dßng l¬ löng trªn ®¸y n»m ngang, qss= hiÖu øng ®é dèc ®¸y lªn dßng l¬ löng. C«ng thøc Bailard ph¸t triÓn tõ lý luËn ‘n¨ng l­îng’ ®­îc ®Ò xuÊt mét c¸ch thµnh c«ng bëi Bagnold, Inman vµ Bowen; c¸ch tiÕp cËn tæng qu¸t lµ ë chç c«ng thùc hiÖn khi vËn chuyÓn trÇm tÝch lµ mét tû lÖ cè ®Þnh cña tæng n¨ng l­îng bÞ tiªu t¸n bëi dßng ch¶y. Dù ®Þnh ban ®Çu cña nã lµ cho vËn chuyÓn trÇm tÝch ngang bê vµ däc bê trong vïng sãng ®æ. C«ng thøc ¸p dông cho vËn chuyÓn t¹i mét ®iÓm: vÝ dô ®Ó nhËn ®­îc suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng däc bê, suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch ph¶i ®­îc tÝch ph©n trªn vïng sãng ®æ. §iÒu nµy kh¸ th«ng dông ®èi víi c¸c nhµ m« h×nh sè bëi hiÖu qu¶ tÝnh to¸n vµ v× nã xÐt ®Õn: - vËn chuyÓn dßng di ®¸y vµ dßng l¬ löng - sãng vµ dßng ch¶y, kÓ c¶ hiÖu øng bÊt ®èi xøng cña sãng 150 - ®é dèc ®¸y theo h­íng bÊt kú. Cã 2 khÝa c¹nh thùc hiÖn kh«ng ®­îc nãi ®Õn trong c«ng thøc nguyªn b¶n: - ®é cao mµ t¹i ®ã vËn tèc tæng céng u ®­îc ®o, ®é cao 0,05m d­êng nh­ lµ phï hîp - d¹ng cña hÖ sè ma s¸t cf, Bailard dÉn xuÊt theo sè liÖu trªn c¬ së tõ tr­êng hîp nµy ®Õn tr­êng hîp kh¸c, nh­ng c¸c kh¶ n¨ng kh¸c lµ sö dông 0,5fw (xem môc 4.5), hoÆc tèt h¬n vÉn lµ d¹ng liªn quan ®Õn øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp (xem môc 5.3). Soulsby (1995b) th«ng b¸o kÕt qu¶ mét ®ît kiÓm tra më réng c«ng thøc Bailard theo sè liÖu thÝ nghiÖm trong phßng vµ sè liÖu hiÖn tr­êng, vµ theo c¸c m« h×nh vËn chuyÓn trÇm tÝch phøc t¹p h¬n, thùc hiÖn theo nhiÖm vô b¾t buéc cho c¸c nhµ nghiªn cøu tõ 6 tæ chøc cña ch©u ¢u. Hä kh¶o s¸t tÝnh hiÖu lùc cña ph­¬ng ph¸p ®Ó sö dông trong c¸c m« h×nh ®éng lùc h×nh th¸i bªn ngoµi còng nh­ bªn trong vïng sãng ®æ. Nh÷ng ph¸t hiÖn c¬ b¶n cña hä nh­ sau: - Cã mét ph¹m vi réng trong c¸ch ®Þnh nghÜa cña c«ng thøc Bailard, vµ c¸c th«ng b¸o tr­íc ®©y vÒ viÖc phï hîp tèt víi sè liÖu th­êng n»m ë xö lý c¸ nh©n. - §èi víi ®¸y ph¼ng, c¸c ®iÒu kiÖn trong vïng sãng ®æ mµ c«ng thøc Bailard lóc ®Çu dÉn xuÊt, vËn chuyÓn trÇm tÝch dù b¸o nãi chung b»ng kho¶ng 5 lÇn vµ th­êng lµ 2 lÇn gi¸ trÞ quan tr¾c. HÖ sè ma s¸t ph¶i dùa trªn ®é nh¸m liªn quan ®Õn h¹t trong tr­êng hîp nµy. - Trªn ®¸y gîn c¸t c¸c dù b¸o cã thÓ cã sai sè ®Õn 100 lÇn, thËm chÝ nÕu sö dông ®é nh¸m liªn quan ®Õn gîn c¸t. Tåi tÖ h¬n, c¶ ®o ®¹c thÝ nghiÖm lÉn ®o ®¹c hiÖn tr­êng th­êng cho thÊy vËn chuyÓn ng­îc h­íng víi dù b¸o. C¸c kÕt qu¶ tèt nhÊt cã thÓ nhËn ®­îc b»ng c¸ch lÊy vËn tèc ë 1mm- 5mm trªn ®¸y vµ sö dông ®é nh¸m liªn quan ®Õn h¹t, mÆc dï ®iÒu nµy cã thÓ kh«ng thùc tÕ trong c¸c m« h×nh ®éng lùc h×nh th¸i. - §èi víi ®iÒu kiÖn sãng chiÕm ­u thÕ, sù phï hîp tèt h¬n so víi ®iÒu kiÖn dßng ch¶y chiÕm ­u thÕ. - So s¸nh víi c¸c m« h×nh to¸n kh¸c cho thÊy cã sù phï hîp tèt, gi¶ thiÕt r»ng c¸c m« h×nh phøc t¹p h¬n cã thÓ cã cïng khiÕm khuyÕt nh­ c«ng thøc Bailard vÒ kh¶ n¨ng dù b¸o chÝnh x¸c trªn mét ph¹m vi réng c¸c ®iÒu kiÖn. 10.4. vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do sãng kÕt hîp víi dßng ch¶y KiÕn thøc §iÒu chñ yÕu cña tÝnh to¸n vËn chuyÓn c¸t trong vïng bê vµ ngoµi kh¬i lµ coi c¶ sãng vµ dßng ch¶y nh­ c¸c lùc ®iÒu khiÓn. VÒ thùc chÊt, sãng (víi sù trî gióp nµo ®ã cña dßng ch¶y) khuÊy c¸t lªn vµ dßng ch¶y vËn chuyÓn nã ®i. ChÝnh sãng còng sinh ra dßng ch¶y, hoÆc lµ dßng ch¶y däc bê th«ng qua sù gi¶m øng suÊt ph¸t x¹ trong 151 qu¸ tr×nh sãng vì trªn b·i biÓn hoÆc lµ vËn chuyÓn khèi l­îng (hoÆc phun trµo) gÇn ®¸y theo h­íng lan truyÒn sãng, nh­ kÕt qu¶ cña c¸c qu¸ tr×nh líp biªn. H×nh 31. VËn chuyÓn trÇm tÝch do sãng céng víi dßng ch¶y C«ng thøc Bailard (xem môc 10.3) cã thÓ sö dông cho sãng vµ dßng ch¶y, còng nh­ ®èi víi sãng bÊt ®èi xøng. C¸c ph­¬ng ph¸p kh¸c dÉn xuÊt ®Æc biÖt cho sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp ®­îc ®­a ra d­íi ®©y. 1. Grass (1981) NÕu suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch qtc chØ do sãng ®­îc cho b»ng n Gtc UAq   (135a) th× suÊt vËn chuyÓn qt (thÓ tÝch/ thÓ tÝch) do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp ®­îc cho b»ng 152   2/1 2 2 08,0            n rms D Gt U C UUAq (135b) trong ®ã AG,n= hÖ sè kinh nghiÖm nhËn ®­îc b»ng c¸ch lµm khíp ph­¬ng tr×nh (135a) víi sè liÖu ®Æc tr­ng t¹i tuyÕn U = vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh ®é s©u Urms= vËn tèc quü ®¹o sãng c¨n bËc hai trung b×nh b×nh ph­¬ng CD= hÖ sè ma s¸t chØ do dßng ch¶y. C«ng thøc ®­îc dÉn xuÊt cho dßng l¬ löng b»ng viÖc cho r»ng ®éng n¨ng rèi ®­îc ®­îc s¶n sinh bëi c¸c líp biªn do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp. §iÒu nµy ®Æc biÖt h÷u Ých, n¬i c¸c ®o ®¹c ®Æc tr­ng t¹i tuyÕn cña suÊt vËn chuyÓn dßng l¬ löng ®­îc thùc hiÖn trong ®iÒu kiÖn yªn lÆng ®Ó nhËn ®­îc c¸c gi¸ trÞ AG vµ n, nh­ mét quy tr×nh ngo¹i suy ®Ó dù b¸o cho c¸c ®iÒu kiÖn cã b·o. Tuy nhiªn, chØ nªn sö dông nã ®èi víi c¸c ®iÒu kiÖn Urms < U , vµ ®èi víi ®¸y gîn c¸t, øng víi sè liÖu hiÖn tr­êng, theo ®ã hÖ sè hiÖu chØnh lÊy b»ng 0,08. 2. Soulsby - Van Rijn  tan6,11018,0 4,22/1 2 2                       crrms D st UU C UUAq SC (136a) trong ®ã      2,150 2,1 50 1 /005,0 gds hdh Asb   SC (136b)    2,150 6,0 *50 1 012,0 gds Dd Ass    SC (136c) sssbs AAA  SC (136d) U = vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh ®é s©u Urms= vËn tèc quü ®¹o sãng c¨n bËc hai trung b×nh b×nh ph­¬ng CD=        2 0 1)/ln( 40,0 zh hÖ sè ma s¸t chØ do dßng ch¶y U Cr= ng­ìng vËn tèc dßng ch¶y theo ph­¬ng tr×nh (133d,e)  = ®é dèc ®¸y theo h­íng phun trµo, lµ ©m nÕu dßng ch¶y ch¶y ng­îc h = ®é s©u n­íc d50= ®­êng kÝnh h¹t trung vÞ z0= 0,006mm ®é dµi nh¸m ®¸y 153 s = mËt ®é t­¬ng ®èi cña trÇm tÝch g = gia tèc träng tr­êng  = ®é nhít ®éng häc cña n­íc D*= 50 3/1 2 )1( d sg         . C«ng thøc ¸p dông cho vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng (trÇm tÝch ®¸y céng víi trÇm tÝch l¬ löng) do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp trªn ®¸y ngang vµ ®¸y dèc. Sè h¹ng Asb cho ta dßng di ®¸y, vµ sè h¹ng Ass cho ta dßng l¬ löng. Ph­¬ng ph¸p dù kiÕn cho ®iÒu kiÖn ®¸y gîn c¸t, vµ z0 ph¶i lÊy b»ng 6mm. Nã ®­îc dÉn xuÊt b»ng viÖc ¸p dông nguyªn lý ®­îc Grass sö dông cho c«ng thøc chØ do dßng ch¶y cña Van Rijn (xem ë trªn), vµ söa ®æi ®Ó xÐt ®Õn sè h¹ng ng­ìng vµ sè h¹ng ®é dèc. HÖ sè 0,018 kh¸c víi gi¸ trÞ 0,08 trong ph­¬ng tr×nh (135b), vµ nhËn ®­îc b»ng c¸ch hiÖu chØnh theo c¸c ®­êng cong do Van Rijn (1993, phô lôc A) vÏ, cho ta suÊt vËn chuyÓn tÝnh to¸n b»ng c¸ch sö dông ch­¬ng tr×nh TRANSPORT cña «ng. Nã cã lîi thÕ so víi c«ng thøc Grass ë chç: cho gi¸ trÞ hÖ sè As khi kh«ng cã ®o ®¹c ®Æc tr­ng t¹i tuyÕn, xÐt ®Õn trÇm tÝch ®¸y vµ hiÖu øng ®é dèc; vµ kÓ ®Õn vËn tèc ng­ìng. So s¸nh c«ng thøc Soulsby -Van Rijn vµ ch­¬ng tr×nh TRANSPORT cña Van Rijn thÓ hiÖn trªn h×nh 31 víi mét d¶i vËn tèc dßng ch¶y vµ ®iÒu kiÖn sãng. Sù t¨ng m¹nh suÊt vËn chuyÓn do t¸c ®éng sãng lµ hiÓn nhiªn. Sè h¹ng ®é dèc ®¸y (1-1,6tan  ) lµ h×nh thøc ®­îc c¸c nhµ m« h×nh sè vµ to¸n häc sö dông réng r·i, nh­ng l¹i lµ quy tr×nh kÐm chÝnh x¸c h¬n so víi viÖc söa ®æi vËn tèc ng­ìng cho hiÖu øng ®é dèc (xem môc 6.4). 3. Van Rijn (1989) Van Rijn sö dông c«ng thøc Van Rijn chØ do dßng ch¶y b»ng c¸ch xÐt m« h×nh gi¶i tÝch b¸n kinh nghiÖm cho khuÕch t¸n trÇm tÝch qua líp biªn sãng. Nã kh¸ phøc t¹p ®Ó tr×nh bµy ®Çy ®ñ ë ®©y (xem Van Rijn, 1993 ®Ó cã ®Çy ®ñ chi tiÕt), vµ dÔ ¸p dông nhÊt b»ng c¸ch sö dông ch­¬ng tr×nh m¸y tÝnh TRANSPORT trªn ®Üa kÌm theo cuèn s¸ch cña Van Rijn. C¸c nguyªn lý kÓ ®Õn bao gåm: - Dßng di ®¸y ®­îc tÝnh to¸n t¹i mçi thêi ®iÓm th«ng qua mét chu kú sãng bÊt ®èi xøng, dùa trªn vËn tèc tøc thêi gÇn ®¸y do sãng cïng dßng ch¶y, ¸p dông cho c«ng thøc trÇm tÝch ®¸y, vµ lÊy trung b×nh trong chu kú sãng. - Ph©n bè nång ®é trÇm tÝch l¬ löng suy luËn theo ®é khuÕch t¸n rèi kh«ng ®æi theo thêi gian, vµ nhËn ®­îc b»ng tÝch ph©n sè gradien nång ®é theo h­íng th¼ng ®øng, xÐt ®Õn hiÖu øng nång ®é cao vµ ph©n tÇng mËt ®é. - Ph©n bè vËn tèc ®­îc tÝnh to¸n nh­ 2 ph©n bè l«garÝt víi c¸c ®é dèc kh¸c nhau bªn trong vµ bªn ngoµi líp biªn sãng, t¹i mÐp líp biªn. - SuÊt vËn chuyÓn dßng l¬ löng ®­îc tÝnh to¸n b»ng tÝch ph©n sè theo h­íng th¼ng ®øng tÝch sè cña nång ®é trung b×nh theo thêi gian vµ ph©n bè vËn tèc. 154 - SuÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng lµ tæng cña suÊt vËn chuyÓn dßng di ®¸y vµ dßng l¬ löng, vµ cã thµnh phÇn theo h­íng sãng còng nh­ thµnh phÇn theo h­íng dßng ch¶y. MÆc dÇu ph­¬ng ph¸p kh«ng ph¶i lµ mét m« h×nh sè theo kh¸i niÖm quy ­íc, nã chØ cã thÓ thùc hiÖn trong thùc hµnh th«ng qua sö dông ch­¬ng tr×nh m¸y tÝnh. Nã ®­îc hç trî tèt b»ng c¸ch so s¸nh víi sè liÖu. 4. Ph­¬ng ph¸p STP cña §an M¹ch Ph­¬ng ph¸p nµy dùa trªn m« h×nh sè cña líp biªn sãng vµ dßng ch¶y víi khuÕch t¸n trÇm tÝch. M« h×nh sè sö dông viÖc thÓ hiÖn ®éng n¨ng rèi víi l­íi ®iÓm theo chiÒu th¼ng ®øng vµ bao gåm hiÖu øng sãng ®æ. Ph­¬ng ph¸p STP gåm 2 phÇn: modul thuû ®éng lùc vµ modul vËn chuyÓn trÇm tÝch. Modul thuû ®éng lùc m« t¶ líp biªn rèi do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp, sö dông lý thuyÕt cña Fredsoe (1984). Modul vËn chuyÓn trÇm tÝch tÝnh to¸n trÇm tÝch ®¸y vµ ph©n bè nång ®é trÇm tÝch biÕn ®æi theo thêi gian theo øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y vµ ph©n bè khuÕch t¸n rèi còng biÕn ®æi theo thêi gian nhËn ®­îc tõ modul thuû ®éng lùc. KÕt qu¶ dßng di ®¸y vµ dßng l¬ löng ®­îc lÊy trung b×nh tõ c¸c gi¸ trÞ tøc thêi. Modul vËn chuyÓn trÇm tÝch dùa trªn c«ng tr×nh cña Fredsoe vµ nnk (1985) vµ Englund vµ Fredsoe (1976). §èi víi sãng m¹nh vµ dßng ch¶y m¹nh, ®¸y ®­îc coi nh­ ph¼ng, nh­ng ®èi víi sãng yÕu vµ dßng ch¶y yÕu cã thÓ tuú chän ®Ó ®¸nh gi¸ kÝch th­íc gîn c¸t vµ hiÖu øng cña chóng lªn khuÕch t¸n rèi. Dù b¸o gîn c¸t dùa trªn c¸c quan hÖ kinh nghiÖm chñ yÕu nhËn ®­îc tõ c¸c kÕt qu¶ cña Nielsen (1979). §Ó dÔ dµng sö dông, cã thÓ thùc hiÖn c¸c lÇn ch¹y m« h×nh ®èi víi c¸c ®Çu vµo rêi r¹c cho mét vÊn ®Ò ®Æc tr­ng ®Ó lËp ra mét b¶ng ®èi chiÕu ®a tham sè dùa trªn m¸y tÝnh. Cã thÓ nhËn ®­îc suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch ®èi víi c¸c ®Çu vµo kh¸c víi hiÖu qu¶ t­¬ng ®èi b»ng quy tr×nh néi suy ®a tham sè. M« h×nh STP võa ®a n¨ng võa phøc t¹p ®èi víi c¸c qu¸ tr×nh vËt lý mµ nã xÐt ®Õn. Nã ®­îc n©ng cÊp th­êng kú ®Ó ®­a vµo c¸c qu¸ tr×nh vµ ®Æc ®iÓm míi. M« h×nh STP chØ lµ mét vÝ dô cña lo¹i c¸c m« h×nh sè dùa trªn m¸y tÝnh ®­îc ph¸t triÓn trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y ®Ó tÝnh to¸n thuû ®éng lùc, ®éng lùc trÇm tÝch vµ vËn chuyÓn trÇm tÝch do t¸c ®éng kÕt hîp cña sãng vµ dßng ch¶y t¹i mét ®iÓm trªn ®¸y (gi¶ sö tùa ®ång nhÊt). Bèn trong sè c¸c m« h×nh nµy ®­îc Davies vµ nnk (1997) m« t¶ lµ c¸c m« h×nh cña Davies, Ribberink, Temperville vµ STP. TÊt c¶ ®Òu sö dông mét l­íi ®iÓm theo h­íng th¼ng ®øng (mÞn h¬n ë gÇn ®¸y), mét l­íi ®iÓm mÞn theo thêi gian ®­îc chia theo chu kú sãng, mét d¹ng nµo ®ã cña s¬ ®å khÐp kÝn rèi ®Ó tÝnh to¸n ®é nhít rèi vµ ph©n bè khuÕch t¸n thay ®æi theo thêi gian, lý thuyÕt khuÕch t¸n ®èi víi trÇm tÝch l¬ löng, c¸c møc ®é t­¬ng t¸c dßng ch¶y - trÇm tÝch kh¸c nhau vµ s¬ ®å gi¶i sai ph©n h÷u h¹n. Hai trong sè c¸c m« h×nh sö dông øng suÊt tr­ît tÝnh to¸n t¹i ®¸y ®Ó dÉn xuÊt c«ng thøc vËn chuyÓn dßng di ®¸y trªn c¬ së thêi ®iÓm nµy sang thêi ®iÓm kh¸c. Davies vµ nnk (1997) so s¸nh viÖc thùc hiÖn 4 m« 155 h×nh víi tËp hîp sè liÖu thÝ nghiÖm chi tiÕt trong mét tuynel n­íc dao ®éng chØ víi sãng ®Òu, chØ víi sãng bÊt ®èi xøng vµ c¸c sãng ®Òu chång tuyÕn tÝnh lªn dßng ch¶y, trong ®iÒu kiÖn dßng trÇm tÝch s¸t ®¸y trªn ®¸y ph¼ng cã c¸t mÞn. KÕt qu¶ so s¸nh víi ph©n bè nång ®é ®o ®¹c ®­îc tæng kÕt trong môc 8.6. Khi so s¸nh víi suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch ®o ®¹c trung b×nh thêi gian, tÊt c¶ c¸c m« h×nh ®Òu cho suÊt dù b¸o n»m trong kho¶ng 2 lÇn c¸c gi¸ trÞ ®o ®¹c. Cã lÏ c¸c m« h×nh sè lo¹i nµy thÓ hiÖn c¸ch tèt nhÊt h­íng tíi viÖc ph¸t triÓn c¸c ph­¬ng ph¸p dù b¸o suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch tin cËy, chÝnh x¸c vµ tiªn tiÕn h¬n. Chóng cã thÓ sö dông nh­ mét c«ng cô nghiªn cøu ®a n¨ng ®Ó phèi hîp c¸c qu¸ tr×nh bæ sung nh­ sãng ®æ, sãng kh«ng ®Òu bÊt ®èi xøng, vËn tèc vËn chuyÓn khèi l­îng, ®é dèc ®¸y, ph©n tÇng mËt ®é, trÇm tÝch hçn hîp...vv. Tuy nhiªn chóng t­¬ng ®èi kh«ng thÝch hîp cho ng­êi sö dông thùc hµnh, yªu cÇu nhiÒu thêi gian m¸y tÝnh ®Ó m« h×nh ho¸ ®éng lùc h×nh th¸i, vµ trong nhiÒu tr­êng hîp dùa trªn n¨ng lùc cña ng­êi ph¸t triÓn ®Ó nhËn ®­îc kÕt qu¶ tin cËy, cã chÊt l­îng. Chóng còng ®­a c¸c mèi phô thuéc vµo c¸c tham sè ®Çu vµo kh«ng s©u s¾c nh­ so víi c¸c thÓ hiÖn gi¶i tÝch. §iÒu thó vÞ lµ, mét so s¸nh cña Deigaard (1998) gi÷a m« h×nh STP vµ c«ng thøc ®¬n gi¶n cña Bailard (ph­¬ng tr×nh (134)) ®èi víi mét d¶i réng tæ hîp c¸c tham sè ®Çu vµo l¹i cho sù phï hîp tèt mét c¸ch ®¸ng ng¹c nhiªn (trong kho¶ng 3 lÇn) gi÷a 2 ph­¬ng ph¸p víi mét sè lín c¸c tæ hîp ®Çu vµo. Ngo¹i lÖ x¶y ra ®èi víi c¸c ®iÒu kiÖn trong ®ã c«ng thøc Bailard kh«ng hîp lÖ, ®ã lµ gÇn hoÆc d­íi ng­ìng chuyÓn ®éng, vµ ®èi víi ®iÒu kiÖn dßng ch¶y chiÕm ­u thÕ. §iÒu nµy cho thÊy r»ng trong nhiÒu øng dông thùc tÕ c¸c m« h×nh sè phøc t¹p h¬n kh«ng nhÊt thiÕt ®­a ra nh÷ng kÕt qu¶ chÝnh x¸c ®¸ng kÓ h¬n so víi c¸c ph­¬ng ph¸p c«ng thøc ®¬n gi¶n. Mét c¸ch ®Çy høa hÑn ®Ó sö dông tèi ­u c¸c m« h×nh sè lµ sö dông chóng ®Ó hiÖu chØnh c¸c ph­¬ng ph¸p gi¶i tÝch nh­ c«ng thøc Bailard, hoÆc c«ng thøc Soulsby - Van Rijn (ph­¬ng tr×nh (136)), hoÆc mét phiªn b¶n ®a dông h¬n vµ tiªn tiÕn h¬n cña mét c«ng thøc nh­ vËy. Nã ph¶i kÕt hîp c¸c chi tiÕt vËt lý nhËn ®­îc b»ng m« h×nh sè víi hiÖu qu¶ tÝnh to¸n cña c«ng thøc gi¶i tÝch. TÊt c¶ c¸c c«ng thøc tr×nh bµy trong ch­¬ng nµy ®­îc cho ë d¹ng ®¬n h­íng. Trong biÓn, ph¶i xÐt ®Õn to¹ ®é ngang 2 chiÒu. Bëi v× vËn c