Chương giới thiệu 1 Tổng quan Cuốn sách tổng kết trình chủ yếu xác định trạng thái cát biển, dạng dễ dàng ứng dụng Kết dự định cung cấp công cụ để thực hành viên tính toán trạng thái cát biển theo khái niệm công trình Mặc dù điểm nhấn mạnh lên trầm tích có kích thước hạt thuộc cấp độ cát, nhiều chuyên mục áp dụng cho hạt lớn hơn, kể cuội sỏi Như vậy, nhiều kết áp dụng sông cửa sông, biển Đây tập sách kèm theo "Hướng dẫn bùn cửa sông" công bố báo cáo SR 309 cđa HR (Delo vµ Ockenden, 1992), vµ cn "H­íng dẫn vận chuyển trầm tích sông", báo cáo SR 359 cđa HR (Fisher, 1993) Cn h­íng dÉn nµy cËp nhËt, më réng vµ thay thÕ cn "H­íng dÉn vỊ c¸t biĨn", b¸o c¸o SR 351 cđa HR (Soulsby, 1994) trước Mục đích sách cung cấp phương pháp tính toán đại lượng động lực trầm tích thuỷ động lực khác nhau, đòi hỏi ứng dụng vận chuyển trầm tích biển dạng hợp dễ áp dụng, kiến nghị hầu hết phương pháp thích hợp cho sử dụng Dự định chủ yếu sách tham khảo làm nào, không bao hàm dẫn xuất thảo luận dài dòng Nó quý giá mục đích đào tạo, đặc biệt sử dụng kết hợp với gói phần mềm SandCalc cho tập huấn luyện Đà có vài sách giáo khoa tuyệt vời Sleath (1984), Dyer (1986), Fredsoe vµ Deigaard (1992), Nielsen (1992) Van Rijn (1993) Nhiều nguyên lý vận chuyển trầm tích biển xuất phát từ phương pháp sử dụng sông Vận chuyển trầm tích bồi tích đề cập sách Graf (1984), Yalin (1977) Raudkivi (1990) hướng dẫn Fisher (1993) Trong ngữ cảnh rộng hơn, vận chuyển trầm tích ven bờ ®Ị cËp bëi Muir-Wood vµ Fleming (1981) vµ Horikawa (1988), đặc tính cát xa khơi Stride (1982) đề cập Những áp dụng quản lý bÃi biển đề cập hướng dẫn Simm người khác (1996) Nhiều khía cạnh quản lý bÃi đề cập Hướng dẫn bảo vệ bờ Hoa Kỳ (CERC, 1984) Mô hình hoá động lực hình thái ven bờ đề cập Vriend (đang chuẩn bị), xói lở xung quanh công trình biển đề cập Whitehouse (1997) Cũng việc trình bày công thức phương pháp có để tính toán đại lượng đòi hỏi khác nhau, nhiều trường hợp công thức trình bày Chúng dẫn xuất từ nghiên cứu gần tác giả, đáng tin cậy đơn giản lẫn xác so với công thức trước đây, sở so sánh 21 với tập hợp đo đạc lớn Các phương pháp bao gồm công thức cho: cấu trúc thẳng đứng dòng chảy thuỷ triều, hệ số ma sát dòng chảy thuỷ triều dòng chảy ổn định mặt đáy trầm tích phẳng, vận tốc quỹ đạo sóng đáy biển, hệ số ma sát sóng, ma sát đáy kết hợp sóng dòng chảy, vận tốc chìm lắng hạt cát, ngưỡng ứng suất trượt đáy hạt cát tác động dòng chảy và/hoặc sóng, suất vận chuyển di đáy tổng cộng cát dòng chảy và/hoặc sóng, vận chuyển trầm tích dọc bờ Hầu hết công thức đồng thứ nguyên, hệ đơn vị (ví dơ hƯ SI) cịng cã thĨ sư dơng cho c¸c tham số Trong số công thức không đồng thứ nguyên, đơn vị thích hợp nêu rõ Chú ý rằng, hệ SI đồng thứ nguyên, kích thước hạt phải lấy mét (ví dô 200  m   10  m ) Cuốn sách chia chương bao trùm thuộc tính cát nước, thuỷ động lực (tính toán thuộc tính dòng chảy và/hoặc sóng ưu vận chuyển cát), trình vận chuyển cát (các công thức liên hệ hầu hết nhóm toán chính) động lực hình thái (sử dụng dự báo vận chuyển trầm tích để tính toán tranh bồi tụ xói lở) Chương đưa dẫn phương pháp xử lý trường sóng dòng chảy phức tạp thường gặp nhiều vấn đề thực tiễn Mỗi chương cấu trúc theo mục, mục phác hoạ dạng tổng kết trước hết tình trạng kiến thức chuyên đề sau quy trình để thực tính toán công trình Trong nhiều trường hợp, quy trình minh hoạ ví dụ số đà thực hiện, sách kết thúc trường hợp nghiên cứu toàn diện nhóm toán thông dụng vấn đề trầm tích thực tế 1.2 Gói phần mềm SandCalc Để thao tác nhanh tính toán xác nhiều đại lượng nêu sách, gói phần mềm có tên SandCalc phát triển để bổ trợ cho sách Nó cho ta truy cập dễ dàng tới 70 phương trình phương pháp đưa sách, với hệ thống Menu hoạt động hệ điều hành Windows để sử dụng máy tính PC Hệ thống Menu cấu tạo tương ứng với đầu đề tiểu mục sử dụng sách Các phương trình có SandCalc ký hiệu SC bên cạnh số hiệu phương trình hướng dẫn này, tên phương trình tương tự xuất SandCalc Khi cần thiết, vài giải thích bổ sung cho phương pháp có SandCalc cho vị trí thích hợp sách Các đại lượng tính toán SandCalc đầu phương trình tự động chuyển thành đầu vào phương trình khác Các giá trị đầu đầu vào kiểm tra để đảm bảo chúng nằm phạm vi cho phép, giá trị ngầm định đưa cho vài tham số Hầu hết ví dụ thực trường hợp nghiên cứu cho sách tính toán dễ dàng cách sử dụng SandCalc Trong ví dụ thực hiện, kết 22 bước tính toán làm tròn đến chữ số có nghĩa Trong vài trường hợp sai số tích luỹ dẫn đến khác biệt nhỏ số ví dụ giá trị SandCalc đưa Trong trường hợp vậy, giá trị SandCalc xác 1.3 Trạng thái cát biển Vận chuyển cát có vai trò sống nhiều khía cạnh công trình xa bờ, ven bờ cửa sông Chuyển động cát ảnh hưởng đến: xây dựng cảng mặt kinh tế (chi phí cho nạo vét cảng luồng tàu thường lớn), xây dựng nhà máy điện lọc dầu ven bờ (cát vào công trình lấy nước làm mát), chống ngập lụt ven bờ (sự toàn vẹn bÃi biển đê chắn sóng khơi cốt yếu để tiêu tán lượng sóng), tăng trưởng tàn lụi bÃi biển cho mục đích giải trí (quyết định thành công cho nhiều nơi nghỉ lễ), an toàn dàn khoan xa bờ đường ống (xói đáy biển làm lung lay dàn khoan vỡ đường ống), nhiều ứng dụng khác Cát định nghĩa quy ước trầm tích có đường kính phạm vi từ 0,062 đến 2mm Những trầm tích mịn phân loại sét bùn (bùn sệt) thuộc tính chúng bị ảnh hưởng mạnh kết dính điện hoá sinh học Trong trầm tích hỗn hợp, hiệu ứng kết dính quan trọng việc xác định thuộc tính trầm tích, 10% trầm tích mịn 0,062mm Những hỗn hợp thường kháng xói tuý bùn tuý cát Các hạt lớn 2mm phân loại cuội sỏi Độ thấm cuội sỏi yếu tố quan trọng việc xác định trạng thái cuội sỏi tỷ lệ cát hỗn hợp với cuội sỏi làm giảm độ thấm Trong biển, cát chuyển động dòng chảy (do thuỷ triều, gió sóng) sóng, thông thường sóng gió tác động Cát vận chuyển trình theo, dịch chuyển lắng đọng (hình 1a) Ba trình xảy đồng thời tác động tương hỗ với Sự theo xảy kết ma sát tác động lên đáy biển dòng chảy và/hoặc sóng, với việc khuếch tán rối mang hạt lên trạng thái lơ lửng Sự dịch chuyển xảy hạt lăn, nhảy trượt dọc theo đáy thích ứng với ma sát, trường hợp đáy dốc trọng lực Nó biết đến dòng di đáy, hình thức vận chuyển chủ đạo dòng chảy chậm và/hoặc hạt lớn Nếu dòng chảy đủ nhanh (hoặc sóng đủ lớn) hạt đủ mịn, cát bị đưa vào trạng thái lơ lửng độ cao vài mét đáy, dòng chảy mang Hình thức vận chuyển biết dòng lơ lửng thường lớn nhiều so với dòng di đáy Trong tình biển cửa sông tiêu biểu, hình thức chủ đạo vận chuyển dòng di đáy hạt thô 2mm dòng lơ lửng hạt mịn 0,2mm Lắng đọng xảy hạt nằm dòng di đáy khỏi trạng thái lơ lưng Trong hÇu hÕt thêi gian, sù cn theo cđa số hạt vào trạng thái lơ lửng 23 chìm lắng số hạt khác xuống đáy trọng lượng chúng xảy đồng thời Suất vận chuyển trầm tích định nghĩa lượng trầm tích đơn vị thời gian qua mặt phẳng thẳng đứng có bề rộng đơn vị vuông góc với hướng dòng chảy (hình 1b) Lượng trầm tích đo thể tích khối lượng, hệ SI, suất vận chuyển trầm tích kgm s m m 1 s 1  m s 1 t­¬ng øng Đơn vị thực tế tấn/mét/ngày thường sử dụng với chuyển đổi rõ ràng Số đo dạng trọng lượng chìm sử dụng Suất vận chuyển trầm tích biển có độ lớn hướng, đại lượng véctơ Mức độ bồi tụ xói lở ròng (thực tế) khu vực đáy biển phụ thuộc vào chênh lệch mức độ mà cát vào khỏi khu vực Nếu cát mang vào khu vực nhiều mang ra, đáy bồi, ngược lại đáy bị xói Thậm chí suất vận chuyển trầm tích lớn, cao độ đáy không thay đổi vận chuyển toàn khu vực Các công việc đòi hỏi để dự báo bøc tranh båi tơ vµ xãi lë khu vùc nghiên cứu là: - tính toán phân bố thuỷ động lực dòng chảy sóng, đại lượng phụ thuộc ứng suất trượt đáy (ma sát đáy), - tính toán phân bố kết suất vận chuyển trầm tích, - tính toán phân bố mức độ bồi tụ/xói lở Điều nhấn mạnh sách trình vật lý ảnh hưởng đến cát, ra, ảnh hưởng sinh học có vai trò quan trọng, mức độ thấp so với bùn Các chất nhầy tiết kết hợp hạt với nhau, ngược lại, loài trùng cày xới thành rÃnh dễ bị dòng chảy làm xói, sinh vật đào bới khuấy động lớp 10 cm tương tự vòng từ 4-6 h, làm phẳng gợn cát dòng chảy tạo nên Có công trình định lượng ảnh hưởng sinh học lên trầm tích, số công trình có ý nghĩa Pender nnk (1994) tóm tắt lại Mặc dù có vài phương pháp định lượng đề cập đến hiệu ứng sinh häc, ng­êi kü s­ cÇn nhËn thøc r»ng chóng tạo dự báo không đáng tin cậy, đặc biệt khu vực có dòng chảy sóng yếu Trong khu vực có dòng chảy mạnh sóng lớn, hiệu ứng thường thuỷ động lực, ứng sinh học bỏ qua cách hợp lý 1.4 Khái niệm ứng suất trượt đáy Hiệu ứng tác động yếu tố thuỷ động lực (sóng dòng chảy) lên động lực trầm tích xảy chủ yếu thông qua ma sát mà chúng sử dụng đáy biển Điều thể dạng ứng suất trượt đáy, lực ma sát sử dụng dòng chảy đơn vị diện tích đáy Nhiều công trình đề cập đến phương pháp tính toán ứng suất trượt đáy phương pháp xác định hiệu ứng chúng lên trầm tích Sự trình bày phục vụ cho việc thiết lập quan hệ 24 Hình Sơ đồ a) trình vận chuyển trầm tích biển (trong thực tế tất xảy đồng thời) b) mặt phẳng vuông góc với dòng chảy để xác định suất vận chuyển trầm tích 25 loại ứng suất trượt đáy khác nhau, phương pháp khác thể chúng, đóng góp khác cho chúng; định nghĩa giải sử dụng Chi tiết cho mục bật chương chính, đặc biệt mục 3.4 3.6 ứng suất trượt đáy có đơn vị lực tác động đơn vị diện tích ( Nm theo hệ SI), viết đơn vÞ vËn tèc ( ms 1 theo hƯ SI) nh­ vận tốc ma sát vận tốc trượt u*, xác định thông qua quan hệ: u* (1a) 1/ u*   /   (1b) mật độ nước Sự chuyển đổi tuý cho tiện lợi toán học, tránh viết lại , vận tốc ma sát không tương ứng với vận tốc thực tế dòng chảy (mặc dù liên quan đến nhiễu động rối thành phần vận tốc thực tế) Đối với nhiều mục đích, dạng phi thứ nguyên ứng suất trượt đáy quan hệ với trầm tích sử dụng, thông qua tham số Shields, xác định bằng: (2a) g s d đó: u*2 g s  1d (2b) g = gia tèc träng lùc  = mËt ®é n­íc  s = mật độ hạt trầm tích s = tỷ lệ mật độ hạt mật độ nước d = đường kính hạt trầm tích ứng suất trượt phát sinh đáy không phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy mà vào độ nhám đáy biển Nó đo độ nhám Nikurase k s (có thể liên hệ với kích thước hạt), độ dài nhám z (cã thĨ dÉn xt tõ ph©n bè vËn tèc) Hai độ nhám liên hệ với quan hệ: z  k s / 30 (3a) k s 30z (3b) Các giải áp dụng cho giá trị tổng quát, biến đổi theo thời gian ứng suất trượt đáy đại lượng khác Tuy vậy, có ích phân biệt chế phát sinh khác b»ng c¸ch sư dơng c¸c chØ sè øng st trượt đáy phát sinh bởi: 26 - dòng chảy, với đại lượng trung bình theo thời gian biểu thị 0, u* (tức giải tổng quát) - sóng, với biên độ đại lượng dao động biểu thị w, u*w w - chuyển động kết hợp sóng dòng chảy, với đại lượng trung bình thời gian mét chu kú sãng, biĨu thÞ b»ng m, u*m m giá trị cực đại đại lượng chu kỳ sóng, biểu thị max, u*max ma10 Các nhiễu động rối gây biến động lớn xung quanh giá trị đà cho trên, hầu hết mục đích thực tiễn, giá trị trung bình nêu đủ Có thể có khác biệt giá trị z0 (và ks) dòng chảy sóng, đặc biệt hướng dòng chảy sóng với đỉnh gợn cát đáy biển khác nhau, để đơn giản, giả thiết giá trị z0 áp dụng cho sóng dòng chảy sách ứng suất trượt tổng cộng đáy tác động lên đáy thành phần từ: - ma sát lớp đệm 0s, sản sinh (và tác động lên) hạt trầm tích - sức cản hình dạng 0f sản sinh trường áp suất liên quan đến dòng chảy sóng cát và/hoặc thành tạo lớn đáy - thành phần vận chuyển trầm tích 0t gây truyền động lượng để làm dịch chuyển hạt Ba thành phần cộng với thành:   s   f  0t (4) Tương tự, ba thành phần cho u*, z0 xác định cách sử dụng số s, f t để tạo quan hệ giống phương trình (1), (2) (3) cho thành phần ứng suất trượt đáy sóng, sóng cộng với dòng chảy, chia thành thành phần ma sát lớp đệm, sức cản hình dạng vận chuyển trầm tích theo cách dòng chảy Tập hợp đầy đủ giải sử dụng sách ứng suất trượt đáy cho bảng Quy ước lựa chọn sử dụng nhiều (ví dơ Fredsoe vµ Deigaard (1992), Van Rijn (1993)) lµ biĨu thị thành phần dấu nháy sau: Tổng cộng = Sức cản hình dạng = Ma sát lớp đệm = VËn chun trÇm tÝch =  0 Van Rijn (1993) quy thành phần ma sát lớp đệm thành phần liên quan đến hạt, điều tạo phân biệt có ích, phương pháp thông thường tính toán thành phần theo quan hệ phân bố logarit tương tự (xem Mục 3.1) với giá trị z0 (hoặc ks) liên quan đến kích thước hạt Giá trị kết ứng suất trượt đáy không thực ma sát lớp đệm đo bề mặt đáy gợn cát, mà lại có độ lớn tương tự cho ta số đo thực hành quy ước liên quan đến phản ứng trầm tích Nielsen (1992) nhấn mạnh quy ước việc sử dụng đại lượng 2,5 thành phần ma sát lớp đệm (liên quan đến hạt), nhận 27 cách cho ks =2,5d50 (giá trị quy ước) sử dụng độ nhám hạt để tính toán thành phần Bảng Giải thích ứng suất trượt đáy tham số liên quan Thành phần Lực tác động Tổng cộng Ma sát Sức cản Vận chuyển lớp đệm hình dạng trầm tích Dòng chảy 0s 0f 0t nói chung (giá trị trung bình) u* u*s u*f u*t s f t Sãng cña w  ws  wf  wt (biên độ u*w u*ws u*wf u*wt giá trị dao ®éng) w  ws  wf  wt Sãng ch¶y m ms  mf  mt u*mf u*mt  ms  mf  mt max  max  max u*maxf u*maxt  max f  max t z0f z0t + dòng (giá trị bình) trung Sóng chảy u*m + dòng (giá trị cực đại) Toàn m max u*max  max z0 u*ms u*maxs  max s Z0f Ghi chú: ứng suất trượt đáy , vận tốc ma sát u*, tham số Shields liên hệ phương trình (1)-(3) Các thành phần liên hệ thông qua phương trình (4) Nếu đáy phẳng vận chuyển trầm tích không lớn, phương trình (4) đơn giản thành = s phân biệt đại lượng ma sát lớp đệm tổng cộng không cần thiết Trường hợp cá biệt hạt thô (ví dụ d50 > 0,8mm) cát mịn thường có gợn cát (có thể với đáy gồ ghề lớn hơn) có vận chuyển dòng trầm tích sát đáy mạnh Lý để kể đến nhận xét vài chi tiết chỗ loại ứng suất trượt đáy khác thường gây nhầm lẫn Điều quan trọng ý thức có thành phần ma sát lớp đệm tác động trực tiếp lên kích thước hạt, thành phần sử dụng để tính ngưỡng chuyển động, dòng di đáy (với số ngoại lệ) nồng độ tham chiếu mức độ nhấc hạt lên trạng thái lơ lửng Mặt khác, ứng suất trượt tổng cộng đáy thích ứng với sức cản toàn dòng chảy (xem mục 7.4), xác định cường độ rối ảnh hưởng đến khuếch tán 28 trầm tích lơ lửng lên tầng cao cột nước (xem Chương 8) Không nhìn nhận khác biệt dẫn đến sai số đáng kể tính toán 1.5 Quy trình tổng quát nghiên cứu trầm tích Sau đưa quy trình tổng quát cần tuân thủ để giải phạm vi rộng lớn vấn đề liên quan đến vận chuyển trầm tích Trong thực tế quy trình tiêu chuẩn chấp nhận rộng rÃi thiết lập cho vấn đề này, quy trình sau tuý cách tiếp cận cá nhân tác giả đề xuất Quy trình phải thích hợp với vấn đề đà nêu áp dụng hết bước Trong vài bước, đưa luật lệ đơn giản, chuyên mục tham chiếu đến có yêu cầu chi tiết Đôi thông tin đầu vào không đầy đủ, phải có giả thiết lấy giá trị ngầm định Tuy giá trị ngầm định sử dụng giá trị đặc trưng tuyến Các giá trị ngầm định đưa cho điều kiện biển tiêu biểu xung quanh nước Anh Hầu hết bước đà nêu tính toán nhờ sử dụng gói phần mềm SandCalc 1.5.1 Thu thập đến mức tối đa thông tin khu vực nghiên cứu Khảo sát bình đồ tỷ lệ lớn (và/hoặc đồ, áp dụng được) khu vực, tìm kiếm thông tin về: ã địa hình độ sâu nước; vận chuyển trầm tích thường lớn nước nông ã loại trầm tích tính di động, ví dụ từ đánh dấu Chất lượng Đáy (mục 2.2, loại đồ chuyên dụng Anh-ND); chứng mũi đất nhô (chỉ hướng vận chuyển ròng dọc bờ), tombolos, luồng bờ cát, vỉa trồi lộ thiên có đá, vịnh có bùn ã vận tốc hướng dòng chảy, ví dụ từ 'những hình thoi thủy triều' (trục lớn trục nhỏ êlíp dòng triều-ND); vận tốc dòng chảy vượt 0,4 ms-1 có hiệu ứng đáng kể lên vận chuyển trầm tích ã chế độ sóng; thể sóng phát sinh cục (xem khoảng cách tới đường bờ gần theo hướng từ tuyến nghiên cứu) sóng lừng (nhìn hướng trực tiếp đại dương) Trong vùng nước Anh, Cơ quan Khảo sát Địa chất Anh công bố đồ Trầm tích Đáy biển (BGS,1987) phân bố chi tiết loại trầm tích, chứng di động trầm tích hướng vận chuyển sóng cát (sự bất đối xứng hướng vận chuyển), bờ cát, vệt rÃnh băng hà (ngụ ý vận chuyển trầm tích không đáng kể hàng thiên niên kỷ) loại khác Nếu có thể, thực địa Lấy mẫu trầm tích, ghi mức độ không đồng hướng ngang thẳng đứng tuyến (ví dụ lớp cát mỏng sỏi đất sét) Những tập hợp trầm tích kè mỏ hàn công trình khác thể hướng vận chuyển Sự tăng trưởng cỏ hoang hàu bám ®¸ cuéi chØ møc ®é l­u ®éng thÊp Quan sát tranh dòng chảy (những vật màu da cam làm 29 phao trôi bề mặt tốt) tranh sóng Hỏi chuyện người địa phương, đặc biệt dân đánh cá 1.5.2 Thu thập thông tin thuộc tính nước: ã Độ sâu h Trong vùng có thủy triều, độ lớn thủy triều nhỏ độ sâu trung bình (chênh lệch cao độ mực nước biển trung bình MSL đáy biển), sử dụng độ sâu trung bình cho tất Nếu không, theo dõi biến đổi dòng chảy độ sâu chu kỳ thủy triều ã Nhiệt độ (ngầm định = 100C) độ muối (ngầm định = 35 o/oo) Sử dụng giá trị trung bình năm gần đáy, biến đổi theo mùa quan trọng ã Tính toán mật độ nước (ngầm định = 1027 kgm-3) độ nhớt động học (ngầm định = 1,36 x l0 - m2/s) (mơc 2.1) • LÊy gia tèc träng tr­êng g = 9,81 ms-2 1.5.3 Thu thËp th«ng tin vật chất đáy (mục 2.2) : • LÊy mÉu ë cm hc cì nh­ vËy đáy sử dụng gàu ngoạm, lỗ khoan, ống phóng tay Tốt lấy sáu đến tám mẫu khu vực nghiên cứu để đánh giá tính biến thiên; chúng tính trung bình, chọn mẫu tiêu biểu Sử dụng đồ BGS Hàng hải sẵn mẫu ã Thu thập phân bố kích thước hạt nhóm cát sỏi mẫu đáy cách sàng qua rây Phải chọn đường kính hạt trung vị d50, đầy đủ cµng tèt cđa d10, d16, d35, d65, d84, d90 t theo phương pháp sử dụng thích hợp Nếu số giá trị không biết, đánh giá chúng giả thiết đường phân bố kích thước hạt logarit chuẩn điểm đà biết ã Nếu d10 nhỏ 0,06 mm, trầm tích thể thuộc tính kết dính phương pháp cho trầm tích có cát không đáng tin cậy Kiểm tra mẫu ướt để xem chúng rời (không kết dính) bám vào (kết dính) Sự có mặt gợn cát đáy nói chung thể trầm tích tương đối không kết dính Nếu trầm tích kết dính, sử dụng phương pháp với cát xử lý kết cách cân nhắc Nếu kết dính, phải xử lý bùn, sử dụng phương pháp đà cho, ví dụ Delo Ockenden (1992) ã Nếu hầu hết trầm tích thạch anh khoáng vật tương tự, mật độ lấy theo giá trị mặc định s = 2650 kgm-3 Nếu không, hÃy đo mật độ trầm tÝch (vÝ dơ sư dơng chai träng lùc chuyªn dơng) Tính toán tỷ lệ mật độ s = s/ (ngầm định = 2,58) Nếu mật độ khác với 2650 kgm-3, hạt góc cạnh có lỗ (ví dụ vụn sò, cát san hô, cát núi lửa), cần thực đo đạc thủy lực (ví dụ ngưỡng chuyển động; vận tốc chìm lắng) Nếu 30% vật chất vụn sò, tính toán cho nhóm thạch anh giả thiết vụn sò tương tự thuỷ lực ã Nếu hiệu ứng độ dốc đáy vấn đề quan trọng, hÃy đo góc ma sát trầm tích i (ngầm định = 320) Điều thực cách đo góc nghiêng 30 cạnh hình nón trầm tích, hình thành việc rót mẫu trầm tích nước từ độ cao nhỏ ã Tính toán với d = d50: - kích thước hạt phi thứ nguyên D* (phương trình (75)) - ngưỡng tham số Shields cr (phương trình (77)) - ngưỡng ứng suất trượt cr (phương trình (74)) - vận tốc chìm lắng ws; (phương trình (102)) 1.5.4 Quyết định điều kiện thịnh hành, cách tham khảo bình đồ và/ thực địa: ã có dòng chảy (ví dụ sông; cửa sông với doi cát lối vào che chắn khỏi gió địa phương; vị trí khơi sâu khoảng 40 m) Đi tới bước ã chØ cã sãng (vÝ dơ khu vùc ven bê hc gần bờ hồ có độ sâu nhỏ m) Đi tới bước ã kết hợp sóng dòng chảy (ví dụ vị trí khơi ven bờ có độ sâu 40 m; cửa sông đổ biển hở với lạch dài và/hoặc rộng phơi bày trước gió mạnh Đi tới bước 1.5.5 Chỉ có dòng chảy ã Quyết định sử dụng vận tốc dòng chảy thiết kế riêng lẻ phân bố xác suất vận tốc (Chương 12) Đối với tính toán trung bình dài hạn, kiến nghị cách tiếp cận xác suất ã Thu nhận đo đạc vận tốc dòng chảy kỳ thủy triều, trung bình kỳ triều cường trung bình kỳ triêù yếu Sử dụng lưu tốc kế, mô hình số, Bản đồ êlíp thuỷ triều Hàng hải, Tập đồ Dòng chảy Thủy triều Với hầu hết công thức sau, yêu cầu dòng chảy trung bình độ sâu U Đây đại lượng dự tính mô hình số 2DH, xấp xỉ giá trị đo lưu tốc kế đặt độ cao 0,32 x độ sâu Đối với lưu tốc kế độ cao khác, với Dòng chảy Thủy triều Hàng hải (cho giá trị mặt nước), sử dụng phương trình (28) chuyển đổi thành U ã Tính toán ứng suất trượt đáy ma sát lớp đệm os, vận tốc ma sát u*s, tham số Shields s (mơc 3.3), sư dơng d = d50 - s < cr, đáy bất động (giả thiết có gợn cát) - cr s 0,8 đáy di động gợn cát và/hoặc đụn cát - s > 0,8 đáy di động phẳng với dòng trầm tích sát đáy - u*s ws lơ lửng - u*s > ws trầm tích lơ lửng 31 Tính toán tương tự cho nhóm kích thước hạt khác (d10, d16, d35 ) xác định nhóm kích thước hạt di chuyển di đáy lơ lửng, bất động Nếu d50 > 0,8 mm, không thành hình gợn cát Thực vài tất tính toán sau cho phù hợp: ã Tính toán độ cao bước sóng gợn cát đụn cát, có (mục 7.2) ã Tính toán độ nhám tổng hợp hiệu z0 ứng suất trượt tổng cộng ®¸y o, vËn tèc ma s¸t u*, tham sè Shields từ kích thước thành tạo đáy theo phương pháp ma sát bồi tích (mục 7.4) ã Tính toán kích thước hạt lơ lửng trung vị d50,s (mục 8.2), vận tốc chìm lắng tương ứng ws; (mục 8.3) Sử dụng chúng để tính toán nồng độ trầm tích lơ lửng độ cao mong muốn (mục 8.4) ã Tính toán suất vận chuyển dòng di đáy (mục 9.2), xét độ dốc đáy thích hợp ã Tính toán suất vận chuyển trầm tích tổng cộng (mục 10.2) ã Nếu suất vận chuyển trầm tích đà tính toán tập hợp điểm theo không gian, tính toán tranh xói lở båi tơ (mơc 11.1) 1.5.6 ChØ cã sãng • Qut định liệu có phải sử dụng sóng thiết kế riêng lẻ phân bố xác suất độ cao, chu kỳ hướng sóng (Chương 12) Với tính toán trung bình dài hạn, khuyến nghị cách tiếp cận xác suất ã Nhận vẽ phân bố Hs - Tz tương tự, với thông tin hướng thích hợp (mục 4.2) Có thể thực điều từ đo đạc trường với phao sóng, máy ghi áp suất, máy ghi sóng tàu, nhân viên đo sóng quan sát trực quan; số đo lịch sử gần nhờ sử dụng phương pháp này, quan sát neo tàu; tính toán dự báo lùi từ ghi gió Nếu sẵn có Hs, hÃy đánh giá Tz phương trình (49) Tính toán đại lượng khác (Hrms, Tp, H T sóng đơn tương đương) sử dụng mối quan hệ mục 4.2, yêu cầu ã Kiểm tra độ cao sóng không vượt độ cao sóng đổ cho độ sâu nước chu kỳ (mục 4.7) ã Tính toán biên độ vận tốc quỹ đạo đáy Uw, lấy sóng đơn tương đương, và/hoặc vận tốc quỹ đạo đáy bậc hai trung bình bình phương Urms, sử dụng phương pháp phổ (mục 4.4) Sự lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu công thức ã Tính toán biên độ ứng suất trượt đáy ma sát lớp đệm ws, vận tốc ma sát u*ws, tham sè Shields ws, sư dơng d = d50 (mơc 4.5): - ws < cr, đáy bất động (giả thiết có gợn cát) - cr ws 0,8 đáy di động gợn cát - ws > 0,8 đáy di động phẳng với dòng trầm tích sát đáy 32 - u*ws ws lơ lửng - u*ws > ws trầm tích lơ lửng Tính toán tương tự cho nhóm kích thước hạt khác (d10, d16, d35 ) xác định nhóm kích thước hạt di chuyển di đáy lơ lửng, bất động Thực vài tất tính toán sau cho phù hợp: ã Tính toán độ cao bước sóng gợn cát, có (mục 7.3) ã Tính toán độ nhám tổng hợp hiệu z0 theo kích thước gợn cát Tính toán biên độ ứng suất trượt tổng cộng đáy w, vận tốc ma sát u*w, tham số Shields w (mục 4.6) ã Tính toán kích thước hạt lơ lửng trung vị (mục 8.2), vận tốc chìm lắng tương ứng ws; (mục 8.3) Sử dụng chúng để tính toán nồng độ trầm tích lơ lửng độ cao mong muốn (mục 8.5) ã Tính toán suất vận chuyển dòng di đáy sóng (mục 9.3) ã Tính toán suất vận chuyển trầm tích tổng cộng sóng (mục 10.3) ã Tính toán suất vËn chun trÇm tÝch däc bê (mơc 10.5) 1.5.7 KÕt hợp sóng dòng chảy ã Quyết định có nên sử dụng tiếp cận dòng chảy thiết kế + sóng thiết kế, phân bố xác suất kết hợp dòng chảy sóng (Chương 12) Với tính toán trung bình dài hạn, khuyến nghị cách tiếp cận xác suất ã Nhận đo đạc vận tốc dòng chảy, bước ã Nhận độ cao, chu kú vµ h­íng sãng, vµ chun thµnh vËn tèc q đạo đáy, bước ã Tính toán giá trị cực đại (ma10.s) trung bình (ms) ứng suất trượt đáy ma sát lớp đệm chu kỳ sóng (mục 5.3) Chuyển đổi thành vận tốc ma sát cực đại (u*max,s), trung bình (u*ms), tham số Shields cực đại (ma10.s), trung bình (ms): - max,s < cr, đáy bất động (giả thiết có gợn cát) - cr max,s 0,8 đáy di động gợn cát - max,s > 0,8 đáy di động phẳng với dòng trầm tích sát đáy - u* max,s ws lơ lửng - u* max,s > ws trầm tích lơ lửng Tính toán tương tự cho nhóm kích thước hạt khác (d10, d16, d35 ) xác định nhóm kích thước hạt di chuyển di đáy lơ lửng, bất động Thực vài tất tính toán sau cho phù hợp: ã Tính toán độ cao bước sóng gợn cát dòng chảy (mục 7.2) gợn cát sóng (mục 7.3) Chọn độ cao lớn 33 ã Tính toán độ nhám tổng cộng hiệu z0 theo kích thước gợn cát ã Tính toán giá trị cực đại (max) trung bình (m) ứng suất trượt tổng cộng đáy chu kỳ sóng (mục 5.3) Chuyển đổi thành vận tốc ma sát cực đại (u*ma10.s), trung bình (u*ms), tham số Shields cực đại (max), trung bình (m) ã Tính toán kích thước hạt lơ lửng trung vị (mục 8.2), vận tốc chìm lắng tương ứng ws; (mục 8.3) Sử dụng chúng để tính toán nồng độ trầm tích lơ lửng độ cao mong muốn (mục 8.5) ã Tính toán suất vận chuyển dòng di đáy trung bình (mục 9.4) ã Tính toán suất vận chuyển trầm tích tổng cộng trung bình (mục 10.4) ã Nếu suất vận chuyển trầm tích trung bình tính toán cho tập hợp gồm nhiều điểm không gian, tính toán trường xói lở bồi tụ (mục 11.1) Những phương pháp mô tả quy trình trên, tất nhiên hầu hết sách, liên quan đến tính toán điểm địa phương, hay nói rằng, cột nước mét vuông đáy biển Nghiên cứu thực hành thường yêu cầu dự đoán khu vực nghiên cứu mở rộng Đối với vài nhóm vấn đề, quy trình áp dụng điểm quan tâm khu vực nghiên cứu, mô tả Chương 11 12 Tuy nhiên tổng quát hơn, phương pháp dự đoán điều kiện vùng mở rộng rơi vào ba loại sau: ã kinh nghiệm quan sát, tập trung vào khu vực nghiên cứu vùng tương tự, chứng tạm thời lịch sử, hỗ trợ đo đạc mặt rộng, giải thích thực hành viên giàu kinh nghiệm (ví dụ nhà địa hình thái học) để cung cấp hiểu biết trạng thái khu vực nghiên cứu dường đáp ứng công việc công trình, ã mô hình vật lý, mô hình quy mô nhỏ khu vực nghiên cứu, xây dựng phòng thí nghiệm để mô tả dòng chảy thuỷ động lực và/hoặc phân bố sóng đáy rắn, động lực trầm tích động lực hình thái nhờ sử dụng hợp lý trầm tích nhẹ theo tỷ lệ với tự nhiên, ã mô hình số, giải máy tính phương trình chủ đạo cho thủy lực học, động lực trầm tích động lực hình thái, mô tả phân bố đại lượng lưới sai phân hữu hạn phần tử hữu hạn khu vực nghiên cứu Mỗi phương pháp lĩnh vực chuyên môn mang tính chuyên gia nó, tất phương pháp yêu cầu kiến thức sở loại nguyên lý giới thiệu sách để thực chúng cách hợp lý Một tổng quan ngắn gọn, với vài định lựa chọn phương pháp thích hợp nhất, Soulsby (1993) đưa ra, sách chuyên khảo chi tiết bao trùm tất phương pháp biên tËp bëi Abbott vµ Price (1994) 34 1.6 Sai sè độ nhạy Vận chuyển trầm tích khoa học không xác Đó phụ thuộc vào nhiều trình tương hỗ phức tạp, số trình thường không đo chưa hiểu hoàn toàn Các hiệu ứng sinh học, trầm tích với phạm vi thành phần kích thước hạt rộng, hiệu ứng lịch sử kích thước gợn cát sóng cát phụ thuộc vào kiện trước đó, thuộc loại chưa hiểu hoàn toàn Hơn nữa, thấy rõ trình phi tuyến mạnh động lực hình thái trầm tích biểu trạng thái hỗn loạn (theo nghĩa toán học) theo cách mà thời tiết làm Do người kỹ sư phải nhận thức chí dự báo tốt sẵn có vận chuyển trầm tích có dải sai số rộng so với dự kiến hạng mục công trình đề tài khoa học Ví dụ, với công trình sông, phương pháp sẵn có tốt dự báo suất vận chuyển trầm tích gần 70% trường hợp chênh đến lần Trong môi trường phức tạp biển, phương pháp tốt cho suất vận chuyển trầm tích chưa đạt khác lần 70% trường hợp Có thể cải tiến đáng kể cách sử dụng số liệu đặc trưng tuyến, ví dụ dùng mức độ bồi lấp mương nạo vét thực nghiệm để hiệu chỉnh công thức sử dụng cho tuyến chọn Mặc dù không xác, dự báo thời tiết, khách hàng thường muốn có câu trả lời dù chưa hoàn chỉnh Sai số sai lệch phát sinh nhiều lý sau: phương pháp dự báo không xét tất trình bật, hiểu biết chưa đầy đủ mô tả không xác trình xét, sử dụng phương pháp dự báo phạm vi hiệu lực (đặc biệt phương pháp kinh nghiệm), sai số đo đạc giá trị đầu vào, sai số đo đạc giá trị đầu "quan trắc" Khi thực dự báo, dĩ nhiên cần thận trọng tiến hành phân tích độ nhạy để đánh giá : - sai số đầu sai lệch đầu vào, - khác phương pháp dự báo Một số sai lệch vài tham số đầu vào quan trọng là: - mật độ nước 0,2% - ®é nhít ®éng häc cđa n­íc   10% - mật độ trầm tích s 2% - ®­êng kÝnh h¹t d10, d50, d90,  20% - ®é sâu nước h 5% - vận tốc dòng chảy U 10% - hướng dòng chảy 100 - ®é cao sãng cã nghÜa Hs  10% - chu kú sãng Tz  10% - h­íng sãng  150 35 Các sai lệch thể tổ hợp sai số thiết bị tính đại biểu giá trị riêng lẻ tuyến lớn thời gian dài Các sai lệch mật độ nước độ nhớt phát sinh biển đổi mùa không gian nhiệt độ độ muối nước biển Những sai lệch thuộc tính trầm tích biến đổi không gian thời gian tổ hợp đáy Những sai lệch độ sâu dòng chảy thuỷ triều biến động thuỷ triều, sai số lưu tốc kế Những sai lệch thuộc tính nước kỹ thuật đo đạc phân tích biến đổi năm trường sóng Một vài ví dụ sai lệch đầu sai lệch đầu vào là: - nồng độ trầm tích lơ lửng độ cao 1,2 m dự báo theo phương trình (115) vận tốc dòng chảy = 0,44m/s, vận tốc quỹ đạo sóng = 0,83m/s độ sâu = 13m thay ®ỉi tõ 3,00kgm-3 ®Õn 0,46 kgm-3 nÕu kÝch th­íc hạt trung vị trầm tích lơ lửng thay đổi từ 0,10mm đến 0,12mm - suất vận chuyển trầm tích dự báo theo phương trình (136) cho trầm tích có kích thước hạt d50= 0,2mm độ sâu 6m với vËn tèc 0,75ms-1 thay ®ỉi tõ 0,52 m2s-1 ®Õn 1,0 x10-3 m2s-1 nÕu ®é cao sãng cã nghÜa thay ®ỉi từ đến 2,5m Độ chênh lệch phương pháp dự báo khác tương đối nhỏ tham số đà biết rõ, lớn ®èi víi c¸c tham sè biÕt ch­a râ VÝ dơ, độ chênh lệch phương pháp nói chung nhỏ hơn: 1% cho mật độ nước độ nhớt 10% cho vận tốc quỹ đạo sóng vận tốc chìm lắng hạt 20% cho ngưỡng ứng suất trượt đáy, ngưỡng vận tốc dòng chảy, ngưỡng độ cao sóng 50% cho ứng suất trượt trung bình cực đại đáy kết hợp sóng dòng chảy lần cho nồng độ trầm tích lơ lửng suất vận chuyển trầm tích dòng chảy lần cho nồng độ trầm tích lơ lửng suất vận chuyển trầm tích dòng chảy sóng Các sai lệch phát sinh việc tuân thủ quy trình áp dụng phương pháp đà cho: ví dụ xử lý thành phần trầm tích kết dính sao, có; cách xử lý vụn sò sao; độ cao sóng chu kỳ đại biểu để thể phổ sóng; làm để thể trường sóng dòng chảy thời gian dài Các dẫn đưa nơi sách này, chưa có tiêu chuẩn quốc tế chí tiếp cận cần tuân thủ nói chung chấp nhận Các định khác quy trình thực hành viên khác dễ dàng dẫn đến sai khác 50% vỊ kÕt qu¶, thËm chÝ nÕu hä sư dơng phương pháp dự báo 36 ...  10 % - mật độ trầm tích s 2% - đường kính hạt d10, d50, d90, 20% - độ sâu nước h 5% - vận tốc dòng chảy U 10 % - hướng dòng chảy 10 0 - độ cao sãng cã nghÜa Hs  10 % - chu kú sãng Tz  10 %... lớn, hiệu ứng thường thuỷ động lực, ứng sinh học bỏ qua cách hợp lý 1. 4 Khái niệm ứng suất trượt đáy Hiệu ứng tác động yếu tố thuỷ động lực (sóng dòng chảy) lên động lực trầm tích xảy chủ yếu... 0 ,10 mm đến 0 ,12 mm - suất vận chuyển trầm tích dự báo theo phương trình (13 6) cho trầm tích có kích thước hạt d50= 0,2mm độ sâu 6m với vận tèc 0,75ms -1 thay ®ỉi tõ 0,52 m2s -1 ®Õn 1, 0 x1 0-3 m2s-1