Động lực học cát biển Hướng dẫn các ứng dụng thực hành

trường đại học khoa học tự nhiên Richard Soulsby Động lực học cát biển Hướng dẫn các ứng dụng thực hành Biên dịch: Nguyễn Thọ Sáo Hà Nội 2004 2 3 4 lời người dịch Hầu như hàng ngày chúng ta đều nhận được các thông tin về sạt lở bờ sông, xói lở bờ biển hoặc bồi lấp luồng lạch từ nhiều nơi trên đất nước. Hiện tượng này xảy ra thường xuyên và có xu hướng ngày càng trở nên phức tạp, khó kiểm soát, đe doạ các mục tiêu kinh tế và quốc phòng, gây ảnh hưởng lớn đến đời sống của nhân dân. Vấn đề bồi tụ và xói lở bờ sông, bờ biển ở Việt Nam cùng những hậu quả kèm theo của nó đang là mối thách thức đối với các nhà khoa học và các nhà quản lý. Những năm gần đây, việc nghiên cứu vận chuyển trầm tích và biến đổi địa mạo từ góc độ thuỷ động lực đã được thúc đẩy và nhận được một số kết quả khả quan. Tuy nhiên đây là một lĩnh vực rất khó khăn bởi số liệu điều tra khảo sát còn ít, phương pháp và kỹ thuật tính toán chưa hoàn thiện nên các kết quả nhận được còn nhiều hạn chế. Ngay cả ở những nước tiên tiến với trình độ khoa học cao và mô hình tính toán hiện đại, phương tiện kỹ thuật đầy đủ, các kết quả vẫn có sai số lớn và các kết luận vẫn được 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 sư thực hành ở lĩnh vực này, chúng tôi biên dịch cuốn “Động lực học cát biển- Hướng dẫn các ứng dụng thực hành” của R. Soulsby, NXB Thomas Telford, 1997. Richard Soulsby là nhà vật lý và hải dương 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, nước Anh. HR Wallingford là cơ quan nghiên cứu và tư vấn về nước và công trình dân dụng nổi tiếng trên thế giới, cung cấp những giải pháp hợp lý trong các lĩnh vực: tài nguyên nước, thuỷ lợi, nước ngầm, tiêu nước 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 kh á đầy đủ, trình bày ngắn gọn về các tác nhân, cơ chế, các quan điểm và các phương pháp nghiên cứu vận chuyển trầm tích, bồi tụ và xói lở; đưa ra bức tranh vật lý của vấn đề vốn rất phức tạp và lý thú. Cuốn sách được 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 sư 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 dương học, thuỷ văn học, hàng hải, thuỷ lợi, xây dựng công trình biển, địa lý. Người dịch cám ơn Khoa KT-TV-HDH, Trường 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 được góp ý của người đọc. Người dịch: Nguyễn Thọ Sáo 5 Mục lục Mở đầu........................................................................................................10 Lời cảm ơn .................................................................................................12 Chú giải......................................................................................................13 Những minh họa ......................................................................................18 Các ví dụ ............................................................................................................18 Các bảng ............................................................................................................19 Các hình vẽ ........................................................................................................19 Chương 1. Giới thiệu ...............................................................................21 1. 1. Tổng quan ..................................................................................................21 1.2. Gói phần mềm SandCalc............................................................................22 1.3. Trạng thái cát biển .....................................................................................23 1.4. Khái niệm về ứng suất trượt tại đáy...........................................................24 1.5. Quy trình tổng quát nghiên cứu trầm tích ......................................................29 1.6. Sai số và độ nhạy........................................................................................35 Chương 2. Các thuộc tính của nước và cát.........................................37 2.1. Mật độ và độ nhớt của nước........................................................................37 Kiến thức........................................................................................................37 Quy trình........................................................................................................39 2.2. Vật chất đáy ................................................................................................39 Kiến thức........................................................................................................39 Quy trình........................................................................................................43 2.3. Những hỗn hợp cát - nước...........................................................................44 Kiến thức........................................................................................................44 Quy trình........................................................................................................46 2.4. Độ thấm và lỏng hoá...................................................................................47 Kiến thức........................................................................................................47 Quy trình........................................................................................................52 Chương 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 trượt ma sát lớp đệm do dòng chảy.............................................59 Kiến thức........................................................................................................59 Quy trình........................................................................................................62 3.4. Ưng suất trượt tổng cộng do dòng chảy......................................................63 Kiến thức........................................................................................................63 Quy trình........................................................................................................65 Chương 4. Sóng.........................................................................................67 4.1. Tổng quan ...................................................................................................67 4.2. Độ cao sóng và chu kỳ sóng.........................................................................67 Kiến thức........................................................................................................67 4.3. Bước sóng ....................................................................................................71 Kiến thức........................................................................................................71 Quy trình........................................................................................................72 4.4. Vận tốc quỹ đạo sóng ..................................................................................72 Kiến thức........................................................................................................72 Quy trình........................................................................................................75 4.5. Ưng suất trượt ma sát lớp đệm do sóng......................................................75 Kiến thức........................................................................................................75 Quy trình........................................................................................................78 4.6. Ưng suất trượt tổng cộng do sóng...............................................................79 Kiến thức........................................................................................................79 Quy trình........................................................................................................79 4.7. Sóng đổ........................................................................................................80 Kiến thức........................................................................................................80 Quy trình........................................................................................................81 Chương 5. Kết hợp sóng và dòng chảy ................................................82 5.1. Tổng quan ...................................................................................................82 5.2. Bước sóng ....................................................................................................82 Kiến thức........................................................................................................82 Quy trình........................................................................................................83 5.3. Ưng suất trượt tại đáy ................................................................................83 7 Kiến thức........................................................................................................83 Quy trình........................................................................................................87 Chương 6. Ngưỡng chuyển động...........................................................90 6.1. Tổng quan ...................................................................................................90 6.2. Ngưỡng vận tốc dòng chảy..........................................................................90 Kiến thức........................................................................................................90 Quy trình........................................................................................................91 6.3. Ngưỡng độ cao sóng ....................................................................................93 Kiến thức........................................................................................................93 Quy trình........................................................................................................93 6.4. Ngưỡng ứng suất trượt tại đáy ...................................................................94 Kiến thức........................................................................................................94 Quy trình........................................................................................................98 Chương 7. Các thành tạo đáy ..............................................................100 7.1. Tổng quan .................................................................................................100 72. Các gợn cát và sóng cát do dòng chảy........................................................100 Kiến thức......................................................................................................100 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 Chương 8. Trầm tích lơ lửng................................................................113 8.1 Tổng quan..................................................................................................113 8.2. Chỉ tiêu lơ lửng và kích thước hạt ............................................................113 Kiến thức......................................................................................................113 8.3. Vận tốc chìm lắng .....................................................................................114 Kiến thức......................................................................................................114 Quy trình......................................................................................................117 8.4. Nồng độ dưới tác động dòng chảy.............................................................118 Kiến thức......................................................................................................118 Quy trình......................................................................................................123 8 8.5. Nồng độ dưới tác động sóng......................................................................124 Kiến thức......................................................................................................124 Quy trình......................................................................................................125 8.6. Nồng độ dưới tác động sóng và dòng chảy ...............................................127 Kiến thức......................................................................................................127 Quy trình......................................................................................................129 Chương 9. Dòng di đáy..........................................................................132 9.1. Tổng quan .................................................................................................132 9.2. Dòng di đáy do dòng chảy.........................................................................133 Kiến thức......................................................................................................133 Quy trình......................................................................................................136 9.3. Dòng di đáy do sóng..................................................................................137 Kiến thức......................................................................................................137 Quy trình......................................................................................................137 9.4. Dòng di đáy do sóng và dòng chảy ...........................................................139 Kiến thức......................................................................................................139 Quy trình......................................................................................................141 Chương 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 Quy trình......................................................................................................162 Chương 11. Động lực hình thái và xói lở...........................................165 11.1. Mô hình hoá động lực hình thái .............................................................165 Kiến thức......................................................................................................165 Quy trình......................................................................................................168 11.2. Xói lở .......................................................................................................168 9 Kiến thức......................................................................................................168 Quy trình......................................................................................................169 Chương 12. Xử lý trường dòng chảy - sóng.......................................171 12.1. Tổng quan ...............................................................................................171 12.2. Tiếp cận sóng và thủy triều thiết kế........................................................171 12.3. Tiếp cận xác suất ....................................................................................173 12.4. Tiếp cận tuần tự......................................................................................176 Chương 13. Những trường hợp nghiên cứu......................................178 13.1. Tổng quan ...............................................................................................178 13.2. Sự ổn định của việc chống xói................................................................178 13.3. Xâm thực trầm tích tại công trình lấy nước ...........................................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 được. Tất nhiên, không quá cường 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 trước 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 cây cối và động vật, đôi khi cũng giữ lại những dấu vết gồ ghề phát sinh bởi sóng hoặc dòng chảy và các bằng chứng khác về những điều kiện thủy lực trong các kỷ nguyên trước đây