1. Trang Chủ
  2. Địa Lý
  3. Động lực học cát biển - Chương 4: sóng

Động lực học cát biển - Chương 4: sóng

Sóng đóng vai trò chủ đạo trong việc khuấy trầm tích lên khỏi đáy biển, cũng như tạo ra các dòng chảy chuyển động ổn định như dòng chảy dọc bờ, dòng sóng dội, vận tốc vận chuyển khối lượng (hoặc phun trào) làm cho trầm tích vận chuyển. Ch­¬ng 4. Sãng 4.1. Tæng quan Sãng ®ãng vai trß chñ ®¹o trong viÖc khuÊy trÇm tÝch lªn khái ®¸y biÓn, còng nh­ t¹o ra c¸c dßng ch¶y chuyÓn ®éng æn ®Þnh nh­ dßng ch¶y däc bê, dßng sãng déi, vËn tèc vËn chuyÓn khèi l­îng (hoÆc phun trµo) lµm cho trÇm tÝch vËn chuyÓn

Thể loại Tài liệu miễn phí Địa Lý

Số trang 15

Ngày tạo 8/29/2018 11:44:02 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 0.65 M

Tên tệp

Tải Động lực học cát biển - Chương 4: sóng (.pdf)

Xem mẫu

  1. Ch­¬ng 4. Sãng 4.1. Tæng quan Sãng ®ãng vai trß chñ ®¹o trong viÖc khuÊy trÇm tÝch lªn khái ®¸y biÓn, còng nh­ t¹o ra c¸c dßng ch¶y chuyÓn ®éng æn ®Þnh nh­ dßng ch¶y däc bê, dßng sãng déi, vËn tèc vËn chuyÓn khèi l­îng (hoÆc phun trµo) lµm cho trÇm tÝch vËn chuyÓn. Sù bÊt ®«Ý xøng cña vËn tèc d­íi ®Ønh sãng vµ ch©n sãng lµ mét nguån kh¸c cña vËn chuyÓn trÇm tÝch rßng. Sãng cã thÓ ph¸t sinh do hiÖu øng cña giã ®Þa ph­¬ng thæi trªn biÓn víi mét kho¶ng c¸ch nhÊt ®Þnh gäi lµ ®µ giã vµ thêi gian t¸c ®éng; hoÆc do sãng lõng, ph¸t sinh tõ nh÷ng trËn b·o ë xa vµ th­êng cã chu kú dµi h¬n vµ Ýt ph¸t triÓn vÒ chu kú vµ h­íng so víi sãng biÓn ph¸t sinh côc bé. MÆc dÇu hÇu hÕt c¸c nç lùc tËp trung vµo viÖc hiÓu biÕt vµ c¸c hiÖu øng cña sãng biÓn ph¸t sinh côc bé, thµnh phÇn sãng lõng dÔ dµng xuyªn s©u tËn ®¸y biÓn vµ cã thÓ ®ãng vai trß quan träng trong ®éng lùc häc trÇm tÝch. 4.2. §é cao sãng vµ chu kú sãng KiÕn thøc Lo¹i ®¬n gi¶n nhÊt cña sãng giã lµ sãng ®¬n ®iÖu (hoÆc ®Òu, hoÆc tÇn sè ®¬n), cã gi¸ trÞ ®é cao sãng H, vµ chu kú sãng T duy nhÊt, c¸c sãng ®ång nhÊt víi nhau. NÕu sãng cã ®é cao rÊt nhá so víi ®é dµi cña nã (môc 4.3), nã xÊp xØ rÊt tèt víi dao ®éng h×nh sin cña mùc n­íc vµ vËn tèc quü ®¹o (môc 4.4) vµ c¸c thuéc tÝnh cña nã ®­îc cho bëi lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh (vÝ dô xem Sleath, 1984). Sãng ®¬n ®iÖu th­êng ®­îc sö dông trong c¸c m¸ng thÝ nghiÖm v× sù ®¬n gi¶n, vµ trong c¸c dÉn xuÊt lý thuyÕt vÒ vËt lý/ to¸n häc cã xÐt ®Õn øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y vµ trÇm tÝch. C¸c sãng lõng phï hîp kh¸ tèt víi c¸c sãng ®¬n ®iÖu. C¸c sãng tù nhiªn kh«ng ®Òu, hoÆc ngÉu nhiªn trong biÓn bao gåm phæ ®é cao, chu kú vµ h­íng sãng. Phæ tÇn sè S() cho ta ph©n bè n¨ng l­îng sãng lµ mét hµm cña tÇn sè gãc  = 2/T. Phæ ®o ®­îc trong biÓn cã thÓ xÊp xØ b»ng nhiÒu d¹ng b¸n kinh nghiÖm kh¸c nhau. Chóng phï hîp víi sãng ph¸t sinh côc bé, vµ c¸c sãng lõng cã thÓ xem xÐt nh­ mét ®ãng gãp bæ sung ë tÇn sè thÊp. Hai d¹ng ®­îc sö dông réng r·i nhÊt lµ phæ Pierson-Moskowitz ¸p dông cho sãng ph¸t triÓn hoµn toµn trong n­íc s©u, vµ phæ JONSWAP cã ®Ønh nhän vµ ¸p dông cho sãng ®ang ph¸t triÓn trong vïng n­íc thÒm lôc ®Þa (h×nh 11). C¶ 2 phæ ®­îc m« t¶ b»ng c¸c ph­¬ng tr×nh sau ®©y ®èi víi ®é cao sãng cã nghÜa Hs (xem môc tiÕp theo) vµ tÇn sè gãc p t¹i ®Ønh phæ: 67
  2. H×nh 11. Phæ JONSWAP vµ Pierson-Moskowitz 4  5    2 4 H  p     /  p  S    B s  5 exp    (45a)  4  p  4     2        exp  1    1  . (45b)  p   p   2 2      B = 5,  = 1 §èi víi Pierson-Moskowitz B = 3,29,  = 3,3 §èi víi JONSWAP   0,07 víi    p   0,09 víi    p C¸c phæ Bretschneider, ITTC vµ ISSC lµ nh÷ng phiªn b¶n kh¸c, tÊt th¶y cã d¹ng nh­ phæ Pierson-Moskowitz. Phæ JONSWAP lµ thÝch hîp nhÊt ®èi víi môc ®Ých vËn 68
  3. chuyÓn trÇm tÝch, v× nã ¸p dông cho c¸c ®é s©u h÷u h¹n, n¬i sãng ‘c¶m nhËn’ ®­îc ®¸y, vµ do ®ã trÇm tÝch ‘c¶m nhËn’ ®­îc sãng. H×nh 12. BiÓu ®å rêi r¹c chØ ra sù ph©n bè liªn hÖ cña Hs vµ Tz (in l¹i tõ Drapper, 1991, ®­îc phÐp cña Her Majesty’s Stationary Office) C¸c sãng tù nhiªn hÇu hÕt ®­îc m« t¶ chØ b»ng ®é cao sãng cã nghÜa Hs vµ chu kú trung b×nh Tm cña chóng. Chóng ®­îc x¸c ®Þnh tõ moment bËc kh«ng m0 vµ moment bËc hai m2 cña phæ: Hs = 4m01/2 (46a) Tm = (m0 /m2 )1/2 . (46b) Moment m0 lµ biÕn thiªn mùc n­íc. Ngo¹i trõ vïng sãng ®æ, c¸c ®¹i l­îng nµy hÇu hÕt ®ång nhÊt víi c¸c ®Þnh nghÜa tr­íc ®©y xuÊt ph¸t tõ viÖc h­íng dÉn ph©n tÝch c¸c b¶n ghi sãng b»ng c¸ch ®Õm sãng, H1/3 ( Hs) = ®é cao trung b×nh cña 1/3 sãng lín nhÊt, Tz ( Tm) = chu kú sãng c¾t kh«ng. C¸c ®¹i l­îng ®­îc sö dông phæ biÕn nhÊt lµ Hs vµ Tz, vµ chóng sÏ ®­îc sö dông tæng qu¸t ë ®©y. Mét sè ®o h÷u Ých kh¸c cña ®é cao sãng lµ ®é cao sãng c¨n bËc hai trung b×nh b×nh ph­¬ng Hrms, c¨n bËc hai cña nã lµ sè ®o trung b×nh tèt cho n¨ng l­îng sãng. 69
  4. Lo¹i trõ gÇn vïng sãng ®æ, nã liªn hÖ víi Hs b»ng quan hÖ: H rms  H s / 2 . SC (47) Mét sè ®o kh¸c cña chu kú sãng lµ chu kú ®Ønh, Tp= 2 /  p , lµ sè nghÞch ®¶o cña tÇn sè mµ t¹i ®ã n¨ng l­îng lín nhÊt trong phæ sãng xuÊt hiÖn. Quan hÖ gi÷a Tp vµ Tz hoÆc Tm ®­îc cho vÒ mÆt lý thuyÕt ®èi víi mçi d¹ng phæ nh­ sau: Pierson-Moskowitz: Tz= 0,710Tp. (48a) JONSWAP: Tz= 0,781Tp . SC (48b) H×nh 13. Quan hÖ ph©n t¸n sãng Sù tr¶i réng h­íng cña sãng, s¶n sinh sãng ®Ønh ng¾n, ®­îc xÐt ®Õn ®¬n gi¶n nhÊt b»ng c¸ch nh©n phæ kh«ng h­íng (ph­¬ng tr×nh (45a)) víi hµm më réng Acos2n  , trong ®ã  lµ h­íng so víi h­íng truyÒn sãng trung b×nh. Gi¸ trÞ ®­îc sö dông phæ biÕn cña sè mò n lµ n = 1. HÖ sè A ®­îc lùa chän sao cho n¨ng l­îng theo mäi h­íng b»ng tæng cña phæ kh«ng h­íng. Nh÷ng phæ h­íng phøc t¹p h¬n ®­îc m« t¶ bëi Tucker (1991). §é cao vµ chu kú sãng x¸c ®Þnh tõ chuçi ghi 3 giê cã thÓ thÓ hiÖn trªn biÓu ®å rêi r¹c Hs-Tz (xem h×nh 12), cho ta c¸c nhãm ®iÒu kiÖn sãng trong sè c¸c nhãm ®· x¸c ®Þnh tr­íc cña Hs vµ Tz. C¸c chuçi ph¶i ®ñ dµi (tiªu biÓu lµ 1 hoÆc nhiÒu n¨m) ®Ó mét vµi ®iÒu kiÖn b·o cùc trÞ ®­îc kÓ ®Õn. Ph©n bè cña Hs vµ h­íng cã thÓ biÓu thÞ t­¬ng tù nh­ biÓu ®å rêi r¹c. C¸c biÓu ®å rêi r¹c nµy thÓ hiÖn chÕ ®é sãng. Chóng rÊt 70
  5. quan träng ®Ó x¸c ®Þnh bøc tranh vËn chuyÓn trÇm tÝch dµi h¹n, cã xÐt ®Õn tÇn sè xuÊt hiÖn t­¬ng ®èi cña c¸c ®iÒu kiÖn yªn lÆng, b×nh th­êng vµ cã b·o. §«i khi chØ mét vµi gi¸ trÞ Hs ®­îc biÕt t¹i mét tuyÕn ®Æc tr­ng, vµ cÇn ph¶i ®¸nh gi¸ chu kú sãng t­¬ng øng. H×nh 12 cho thÊy Tz t¨ng m¹nh theo Hs. Mét ph­¬ng tr×nh xÊp xØ quan hÖ th­êng x¶y ra nhÊt cña gi¸ trÞ Tz ®èi víi gi¸ trÞ Hs cho tr­íc ®­îc dÉn ra b»ng c¸ch ph©n tÝch biÓu ®å rêi r¹c Hs-Tz t¹i mét sè tuyÕn n­íc n«ng lµ: 1/ 2 H  Tz  11 s  . (49) g    Quan hÖ nµy t­¬ng øng mét c¸ch xÊp xØ cho ®é dèc sãng n­íc s©u lµ 1/20, nh­ chØ ra trªn h×nh 12. NhiÒu biÓu thøc lý thuyÕt ®èi víi øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y vµ ®éng lùc häc trÇm tÝch ®­îc cho ë d¹ng c¸c tham sè sãng ®¬n ®iÖu, th­êng lµ biªn ®é vËn tèc quü ®¹o t¹i ®¸y Uw vµ chu kú T. VÊn ®Ò ph¸t sinh lµ ph¶i sö dông gi¸ trÞ Uw vµ T nµo ®Ó thÓ hiÖn phæ ®Çy ®ñ trong ®iÒu kiÖn biÓn thùc tÕ. XÊp xØ ®¬n gi¶n nhÊt lµ sö dông sãng ®¬n ®iÖu cã ®é cao H = Hrms vµ T = Tp. VÒ lý luËn n¨ng l­îng, ®iÒu nµy tu©n thñ c¶ mËt ®é n¨ng l­îng sãng vµ c¶ tÇn sè mµ t¹i ®ã n¨ng l­îng lµ lín nhÊt. Ockenden vµ Soulsby (1994) cho thÊy r»ng dßng di ®¸y trung b×nh cña trÇm tÝch bëi phæ sãng céng víi dßng ch¶y cã thÓ m« t¶ trong kho¶ng 20% vÒ ®é lín vµ 10o vÒ h­íng b»ng mét sãng ®¬n ®iÖu cã Uw= 2 Urms, T = Tp vµ lan truyÒn däc theo h­íng trung b×nh cña phæ h­íng, khi Urms lµ ®é lÖch chuÈn cña vËn tèc quü ®¹o ®èi víi phæ. KÕt qu¶ nµy ¸p dông cho mét ph¹m vi réng cña ®iÒu kiÖn sãng, dßng ch¶y vµ trÇm tÝch ®· ®­îc kiÓm nghiÖm, ngo¹i trõ c¸c tr­êng hîp cã vËn tèc dßng ch¶y rÊt nhá (
  6. trong ®ã g lµ gia tèc träng tr­êng, vµ tanh lµ hµm tang hypÐcbon. Quy tr×nh 1. NÕu biÕt L, vµ do ®ã lµ k, dÔ dµng tÝnh to¸n  vµ do ®ã lµ T theo ph­¬ng tr×nh (50). Tuy vËy, th­êng biÕt chu kú sãng T, vµ kh«ng trùc tiÕp nhËn ®­îc k hoÆc L theo ph­¬ng tr×nh (50). B»ng c¸ch viÕt    2 h / g ,   kh ph­¬ng tr×nh (50) trë thµnh:    tanh  . (51) H×nh 13 tr×nh bµy h×nh vÏ  theo  , tõ ®ã cã thÓ nhËn ®­îc  vµ do ®ã theo  cho tr­íc, vµ nhËn ®­îc  vµ do ®ã theo T. Ph­¬ng tr×nh (51) cã thÓ gi¶i ®èi víi  víi  cho tr­íc b»ng ph­¬ng ph¸p lÆp Newton-Raphson trªn m¸y tÝnh. Ph­¬ng ph¸p nµy sö dông trong SandCalc theo Waves-Wavelength-Dispersion Relation. §èi víi  < 0,1 (n­íc n«ng, sãng chu kú dµi) ph­¬ng tr×nh (51) trë thµnh xÊp xØ    1 / 2 , trong khi víi  > 3 (n­íc s©u, sãng chu kú ng¾n) ph­¬ng tr×nh (51) trë thµnh xÊp xØ    . Chóng chuyÓn thµnh L = (gh)1/2T ®èi víi n­íc n«ng vµ L  gT 2 / 2  ®èi víi n­íc s©u. 2. Mét xÊp xØ ®¬n gi¶n cña G. Gilbert (th«ng tin c¸ nh©n) ®èi víi ph­¬ng tr×nh (51), chÝnh x¸c ®Õn 0,75%, thuËn tiÖn cho c¸c thùc hiÖn to¸n häc, ®­îc cho b»ng:    1 / 2 (1  0,2 ) víi   1 (52a)    1  0,2 exp( 2  2 ) víi   1 (52b) VÝ dô 4.1. B­íc sãng - TÝnh to¸n b­íc sãng L cã chu kú sãng T 8s vµ ®é s©u n­íc h 10m 0,785 rads-1 - TÝnh to¸n   2 / T - TÝnh to¸n    2 h / g 0,629 - TÝnh to¸n  theo ph­¬ng tr×nh ( 52a ) 0,893 0,0893m-1 - TÝnh to¸n k   / h - TÝnh to¸n L  2 / k 70,4m - B»ng c¸ch kh¸c, víi ®é chÝnh x¸c thÊp h¬n, sö dông h×nh 13 ®Ó nhËn ®­îc  tõ . 4.4. VËn tèc quü ®¹o sãng KiÕn thøc Sãng trong n­íc ®ñ n«ng s¶n sinh mét vËn tèc dao ®éng t¹i ®¸y biÓn, t¸c ®éng lªn trÇm tÝch. ‘§ñ n«ng’ theo kh¸i niÖm nµy lµ xÊp xØ: H < 0,1gT2 (53a) 72
  7. hoÆc t­¬ng tù h < 10Hs (53b) trong ®ã h = ®é s©u n­íc, Hs= ®é cao sãng cã nghÜa, T = chu kú sãng, g = gia tèc träng tr­êng. H×nh 14. VËn tèc ®¸y ®èi víi sãng ®¬n ®iÖu (UwTn/2H) theo (Tn/T) vµ sãng ngÉu nhiªn (Urms Tn/Hs) theo (Tn/Tz) Trong thùc tÕ, hiÖu øng sãng tõ c¸c c¬n b·o cùc trÞ sÏ ®¹t ®Õn ®¸y biÓn trªn hÇu hÕt thÒm lôc ®Þa. Trong môc nµy, sãng ®­îc gi¶ thiÕt kh«ng ®æ. Sãng ®æ vµ vïng sãng ®æ ®­îc th¶o luËn trong môc 4.7. Biªn ®é Uw cña vËn tèc quü ®¹o sãng ngay trªn ®¸y do sãng ®¬n ®iÖu (tÇn sè ®¬n) cã ®é cao H vµ chu kú T trong n­íc cã ®é s©u h lµ: H Uw  SC (54) T sinh( kh ) trong ®ã sinh lµ hµm sin hypÐcb«n, k  2 / L lµ sè sãng, vµ L lµ b­íc sãng. Nh­ ®· chØ ra trong môc 4.3, kh«ng dÔ dµng tÝnh k. H×nh 14 cho ta ®­êng cong cã tªn ‘§¬n ®iÖu’ dùa trªn ph­¬ng tr×nh (54), tõ ®ã cã thÓ tÝnh to¸n Uw trùc tiÕp theo c¸c tham sè ®Çu vµo H, T, h vµ g theo ®¹i l­îng Tn= (h/g1/2). Trong biÓn, phæ cña sãng cã ®é cao, chu kú vµ h­íng kh¸c nhau sÏ ®­îc thÓ hiÖn (xem môc 4.2). Nã ph¸t sinh c¸c chuçi ngÉu nhiªn theo thêi gian cña vËn tèc quü ®¹o t¹i ®¸y biÓn, cã thÓ ®Æc tr­ng bëi ®é lÖch chuÈn cña nã b»ng Urms. Sãng th­êng ®­îc ®Æc tr­ng b»ng ®é cao sãng cã nghÜa Hs vµ chu kú c¾t kh«ng Tz. Mét trong c¸c phæ ®­îc sö dông réng r·i nhÊt lµ phæ JONSWAP (xem môc 4.2), dùa trªn sè l­îng lín ®o ®¹c sãng trong BiÓn B¾c. H×nh 14 cho ta ®­êng cong cã tªn ‘JONSWAP’, tõ ®ã cã 73
  8. thÓ tÝnh to¸n Urms theo c¸c tham sè ®Çu vµo Hs, Tz, h vµ g. §­êng cong nµy ®­îc dÉn ra tõ viÖc ¸p dông ph­¬ng tr×nh (54) tõ tÇn sè nµy ®Õn tÇn sè kh¸c theo phæ JONSWAP vµ b»ng c¸ch tÝch ph©n c¸c kÕt qu¶ ®Ó nhËn ®­îc Urms. Soulsby (1987a) ®­a ra mét ®­êng cong t­¬ng tù ë d¹ng chu kú Tp t¹i ®Ønh phæ, vµ thªm mét ®­êng cong thø 2 øng víi phæ Pierson-Moskowitz. XÊp xØ ®¹i sè víi c¸c ®­êng cong trªn h×nh 14 ®­îc Soulsby vµ Smallman (1986) thùc hiÖn vµ sö dông trong SandCalc b»ng Waves-Orbital Velocity-Spectrum. Gi¸ trÞ Uw cho trong ph­¬ng tr×nh (54) ¸p dông cho sãng cã ®é dèc (= ®é cao/ b­íc sãng) rÊt nhá, trong tr­êng hîp ®ã ®é lín cña Uw lµ nh­ nhau d­íi ®Ønh sãng vµ ch©n sãng. VËn tèc quü ®¹o d­íi ®Ønh sãng cïng h­íng víi h­íng lan truyÒn sãng vµ d­íi ch©n sãng lµ ng­îc l¹i. Trong thùc tÕ, sãng ®¸ng quan t©m nhÊt ®èi víi vËn chuyÓn trÇm tÝch sÏ cã ®é dèc lín h¬n. Trong tr­êng hîp nµy, vËn tèc cùc ®¹i d­íi ®Ønh Uwc vÉn ®­îc lÊy chÝnh x¸c nh­ ph­¬ng tr×nh (54) vµ h×nh 14, nh­ng vËn tèc d­íi ch©n sãng Uwt nhá h¬n cì 1,5 hoÆc thËm chÝ 2 lÇn. Mét lo¹t c¸c lý thuyÕt sãng phi tuyÕn ®­îc kiÓm chøng ®Ó ®Ò cËp ®Õn ®é dèc sãng trong n­íc s©u hoÆc n­íc n«ng. Chóng bao gåm: Lêi gi¶i Stockes bËc 2 ®Õn bËc 5, hiÖu lùc ®èi víi n­íc s©u h¬n 0,01gT2. - C¸c lý thuyÕt cnoidal ®èi víi n­íc n«ng cã ®é s©u tõ 0,003gT2 ®Õn 0,016gT2. - Lý thuyÕt hµm dßng, ®èi víi ®é s©u trong kho¶ng tõ 0,006gT2 ®Õn 0,016gT2. - - Vocoidal vµ covocoidal, ®èi víi n­íc n«ng cã xÐt ®Õn ®é dèc ®¸y. C¸c lý thuyÕt sãng phi tuyÕn nµy vµ c¸c lý thuyÕt sãng kh¸c ®­îc m« t¶ chi tiÕt h¬n bëi Sleath (1984), Tucker (1991), Bartrop (1990), Soulsby vµ nnk (1993), vµ Kirkgoz (1986), cã c¶ chØ dÉn lý thuyÕt nµo lµ tèt nhÊt cho ®iÒu kiÖn nµo. §èi víi nhiÒu øng dông vËn chuyÓn trÇm tÝch, viÖc sö dông lý thuyÕt Stockes bËc 2 lµ phï hîp, cho ta:  H 3kh (55a) U wc  U w 1   3  8 sinh ( kh ) h   H 3kh (55b) U wt  U w 1   3  8 sinh ( kh ) h  víi Uw cho b»ng ph­¬ng tr×nh (54). Ph­¬ng tr×nh (55a) tuy vËy cã xu h­íng cho Uwc thiªn lín. Thay vµo ®ã, sö dông ph­¬ng ph¸p Isobe vµ Horikawa (1982) U wc  U w (56a) U wt  U w 1  r2 exp(  r3 h / L0 ) (56b) víi r2= 3,2(H0/L0)0,65 vµ r3= -27log10(H0/L0)-17, trong ®ã H0 vµ L0= gT2/(2  ) lµ ®é cao sãng vµ b­íc sãng n­íc s©u. Sù bÊt ®èi xøng cña vËn tèc d­íi ®Ønh vµ ch©n sãng lµ quan träng ®èi víi vËn chuyÓn trÇm tÝch, vµ cã xu thÕ ®Èy trÇm tÝch vµo bê. 74
  9. Quy tr×nh 1. §Ó tÝnh to¸n biªn ®é vËn tèc quü ®¹o ®¸y ®èi víi sãng ®¬n ®iÖu (vÝ dô trong m¸ng thÝ nghiÖm), sö dông ®­êng cong ‘®¬n ®iÖu’ trong h×nh 14. VÝ dô 4.2. VËn tèc quü ®¹o sãng ®¬n ®iÖu Cho gi¸ trÞ cña - §é cao sãng H 0,05m - Chu kú T 1,0s - §é s©u n­íc h 0,20m 1/2 - TÝnh to¸n (h/g) =Tn 0,143s - TÝnh to¸n Tn/T 0,143 - Sö dông ®­êng cong '®¬n ®iÖu' trong h×nh 14 nhËn ®­îc UwTn/(2H) 0,183 - TÝnh to¸n 0,183 x (2H)/Tn ®Ó nhËn ®­îc 0,128ms-1 biªn ®é vËn tèc quü ®¹o ®¸y Uw 2. §Ó tÝnh to¸n ®é lÖch chuÈn cña vËn tèc quü ®¹o ®¸y d­íi phæ JONSWAP cña sãng, sö dông ®­êng cong ‘JONSWAP’ trong h×nh 14. VÝ dô 4.3. VËn tèc quü ®¹o sãng (phæ) Cho gi¸ trÞ: - §é cao sãng cã nghÜa Hs 3,0m - Chu kú c¾t kh«ng Tz 8s - §é s©u n­íc h 10m 1/2 - TÝnh to¸n (h/g) = Tn 1,01s - TÝnh to¸n Tn/Tz 0,126 - Sö dông ®­êng cong 'JONSWAP' trong h×nh 14 nhËn ®­îc Urms Tn/(Hs) 0,205 - TÝnh to¸n 0,205 x Hs/Tn ®Ó nhËn ®­îc 0,609ms-1 biªn ®é vËn tèc quü ®¹o ®¸y Urms 4.5. øng suÊt tr­ît ma s¸t líp ®Öm do sãng KiÕn thøc Nh÷ng hiÖu øng ma s¸t gÇn ®¸y lµm ph¸t sinh líp biªn dao ®éng, trong ®ã biªn ®é vËn tèc quü ®¹o sãng t¨ng nhanh theo ®é cao tõ kh«ng t¹i ®¸y ®Õn gi¸ trÞ Uw t¹i ®Ønh líp biªn. §èi víi ®¸y ph¼ng vµ vËn tèc quü ®¹o t­¬ng ®èi nhá, líp biªn cã thÓ ph©n tÇng, nh­ng th­êng xuyªn h¬n trong c¸c tr­êng hîp mµ trÇm tÝch chuyÓn ®éng, nã sÏ lµ rèi. Khi kh«ng cã dßng ch¶y, rèi bÞ giam h·m trong líp biªn mµ ®èi víi sãng nã chØ cã ®é dµy vµi mm hoÆc cm, ng­îc l¹i líp biªn cña dßng ch¶y æn ®Þnh cã thÓ cã ®é dµy vµi m hoÆc hµng chôc m. Trong líp biªn sãng hiÖu øng g©y ra tr­ît vËn 75
  10. tèc lín h¬n nhiÒu, lµm cho øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y ph¸t sinh bëi sãng víi biªn ®é vËn tèc quü ®¹o Uw nhiÒu lÇn lín h¬n øng suÊt ph¸t sinh bëi dßng ch¶y æn ®Þnh víi vËn tèc trung b×nh ®é s©u kh«ng ®æi U . Nh­ víi dßng ch¶y (xem môc 3.3), thuéc tÝnh thuû ®éng lùc quan träng nhÊt cña sãng ®èi víi môc ®Ých vËn chuyÓn trÇm tÝch lµ øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y mµ chóng sinh ra. Trong tr­êng hîp sãng dao ®éng nµy cã biªn ®é  w . Nã th­êng nhËn ®­îc tõ vËn tèc quü ®¹o ®¸y Uw cña sãng theo hÖ sè ma s¸t sãng fw, x¸c ®Þnh b»ng: 1 2 w  f wU w . (57) 2 Trong môc 4.5 gi¶ thiÕt r»ng ®¸y lµ ph¼ng, kh«ng cã gîn c¸t. §©y nãi chung lµ tr­êng hîp trong vïng sãng ®æ, n¬i dßng ch¶y t¨ng m¹nh ®Ó c¸c gîn c¸t tån t¹i. Biªn ®é øng suÊt tr­ît tæng céng t¹i ®¸y  w b»ng thµnh phÇn ma s¸t líp ®Öm  ws trong tr­êng hîp nµy, vµ chØ sè ‘s’ ®­îc bá qua (xem môc 1.4). HÖ sè ma s¸t sãng phô thuéc vµo viÖc dßng ch¶y cã ph©n tÇng hay kh«ng, rèi tr¬n hay rèi nh¸m, mµ ®Õn l­ît nã phô thuéc vµo sè Reinolds Rw vµ ®é nh¸m t­¬ng ®èi r: Uw A Rw  (58a)  A r (58b) ks trong ®ã Uw = biªn ®é vËn tèc quü ®¹o ®¸y A  U wT / 2  = ®­êng ®i nöa quü ®¹o T = chu kú sãng  = ®é nhít ®éng häc ks = ®é nh¸m t­¬ng ®­¬ng h¹t c¸t Nikuradse. Myrhaug (1989) ®­a ra mét quan hÖ Èn ®èi víi fw, ®Ó sö dông ph­¬ng tr×nh (23a) vµ cã hiÖu lùc ®èi víi dßng ch¶y rèi tr¬n, qu¸ ®é vµ nh¸m: 2 0,32  4,71r  R f 1 / 2       ln( 6,36rf w / 2 )  ln 1  exp  0,0262 w w   1  1,64 . (59) 1/ 2    R f fw  r  ww       §èi víi dßng ch¶y rèi nh¸m, mét sè c«ng thøc ®­îc ®Ò xuÊt cho hÖ sè ma s¸t ®¸y nh¸m fwr: Swart (1974): víi r  1,57 f wr  0,3 SC (60a) f wr  0,00251 exp(5,21r 0,19 ) víi r > 1,57 SC (60b) Nielsen (1992) f wr  exp(5,5r 0, 2  6,3) víi mäi r SC (61) 76
  11. Soulsby: 0,52  A  1,39  f wr víi mäi r (62a) z   0 còng cã thÓ viÕt b»ng c¸ch sö dông z0 = ks/30: f wr  0,237r 0,52 víi mäi r SC (62b) Ph­¬ng tr×nh (62a) nhËn ®­îc b»ng c¸ch lµm khíp 2 hÖ sè víi 44 gi¸ trÞ ®o ®¹c cña fw cho trªn h×nh 15. Sè liÖu ®­îc lÊy tõ 7 nguån, nh­ ®­îc chi tiÕt ho¸ trªn h×nh 9 cña Soulsby vµ nnk (1993). B¶ng 8 ®­a ra ph©n tÝch sai sè cña viÖc lµm khíp ph­¬ng tr×nh (59) -(62) ®èi víi tËp hîp sè liÖu nµy, cho phÇn tr¨m dù b¸o n»m trong 10%, 20% vµ 50% quan tr¾c. H×nh 15. BiÕn thiªn cña hÖ sè ma s¸t sãng fw víi ®­êng ®i quü ®¹o ®¸y t­¬ng ®èi A/z0 C«ng thøc míi, ph­¬ng tr×nh (62) thùc hiÖn tèt nhÊt nh­ cã thÓ mong ®îi, bëi v× nã phï hîp víi sè liÖu nµy. Tuy nhiªn c«ng thøc cña Myrhaug cã ­u thÕ ¸p dông cho c¶ dßng ch¶y qu¸ ®é vµ tr¬n. Sè liÖu vµ ph­¬ng tr×nh (62) cho trªn h×nh 15. HÖ sè ma s¸t ®¸y tr¬n fws cã thÓ tÝnh theo: f ws  BRw N  (63) trong ®ã N = 0,5 ®èi víi Rw  5 x105 ph©n tÇng B = 2, B = 0,0521 N = 0,187 ®èi víi Rw > 5 x105 rèi tr¬n 77
  12. C¸c gi¸ trÞ kh¸c cña c¸c hÖ sè ®èi víi dßng ch¶y rèi tr¬n lµ B = 0,035, N = 0,16 (Fredsoe vµ Deigaard , 1992), B= 0,0450, N=0,175 (Myrhaug,1995). B¶ng 8. Ph©n tÝch sai sè viÖc lµm khíp ph­¬ng tr×nh (59) - (62) C«ng thøc Ph­¬ng tr×nh 10% 20% 50% Myrhaug 59 9 16 36 Swart 60a, 60b 5 18 39 Nielsen 61 15 23 37 Soulsby 62a, 62b 19 27 42 Quy tr×nh 1. §èi víi sãng ®¬n ®iÖu, tÝnh to¸n Uw theo ®é cao sãng H vµ chu kú T b»ng c¸ch sö dông h×nh 14 (xem vÝ dô 4.2). 2. §èi víi phæ tù nhiªn cña sãng, tÝnh to¸n Urms theo ®é cao sãng cã nghÜa Hs vµ chu kú c¾t kh«ng Tz b»ng c¸ch sö dông h×nh 14 (xem vÝ dô 4.3). LÊy U w  2U rms vµ T = Tp= 1,281Tz ®Ó biÓu thÞ biªn ®é cña sãng ®¬n ®iÖu cã cïng biÕn thiªn vËn tèc nh­ phæ ®Çy ®ñ. 3. §èi víi c¸t ph¼ng ®ång ®Òu, tÝnh to¸n z0 = d50/12. §èi víi trÇm tÝch kh«ng ®ång ®Òu hoÆc gîn c¸t, lÊy z0 theo b¶ng 7. 4. TÝnh to¸n A  U wT / 2  vµ fwr theo ph­¬ng tr×nh (62a). 5. TÝnh to¸n Rw theo ph­¬ng tr×nh (58a) vµ fws theo ph­¬ng tr×nh (63) víi c¸c hÖ sè thÝch hîp. 6. LÊy fw lín nhÊt tõ fwr vµ fws. 7. TÝnh to¸n  w theo ph­¬ng tr×nh (57). VÝ dô 4.4. Ma s¸t líp ®Öm ®èi víi sãng - §èi víi ®iÒu kiÖn sãng trong vÝ dô 4.3, ta cã Hs= 3m, Tz= 8s, h = 10m, cho ta: Urms= 0,609ms-1. - Sãng ®¬n ®iÖu t­¬ng ®­¬ng cho ta: U w  2  0.609 = 0,861ms-1 vµ T = 1,281 x 8 = 10,2s. - NÕu ®¸y lµ c¸t tr¬n víi d50= 0,480mm, tõ ph­¬ng tr×nh (25) : z0= 480 x 10-6 /12 = 4,0 x 10-5 m. - VËy A = 0,861 x 10,2/2  = 1,40 m vµ ph­¬ng tr×nh (62a) cho ta: Fwr= 1,39(1,40/4,0 x 10-5)-0,52 = 0,00603 - Còng nh­ vËy, nÕu  = 1,36 x 10-6 m2s-1 vµ  = 1027kgm-3, th× 78
  13. Rw= 0,861 x 1,40/(1,36 x 10-6) =8,85 x 105 - Nh­ vËy, Rw> 5 x 105, do ®ã lÊy hÖ sè rèi tr¬n B = 0,0521, N = 0,187 - Ph­¬ng tr×nh (63) cho ta Fws= 0,0521 x (8,85 x 105)-0,187 = 0,00402 - Dßng ch¶y lµ rèi nh¸m, bëi v× fwr> fws. - Nh­ vËy fw= max(fwr, fws) = 0,00603 vµ: 1  w   1027  0,00603  0,8612  2,30 Nm  2 2 4.6. øng suÊt tr­ît tæng céng do sãng KiÕn thøc Trong hÇu hÕt c¸c biÓn n«ng, ngo¹i trõ vïng sãng ®æ, nãi chung ®¸y h×nh thµnh gîn c¸t. Chóng cã thÓ do sãng sinh ra (xem môc 7.3) hoÆc do dßng ch¶y sinh ra (xem môc 7.2), nh­ng trong môc nµy gi¶ thiÕt r»ng chóng do sãng sinh ra. Còng cã thÓ h×nh thµnh c¸c ®ôn c¸t hoÆc sãng c¸t. Nh­ trong tr­êng hîp dßng ch¶y (xem môc 3.4) trªn ®¸y kh«ng ph¼ng víi vËn chuyÓn trÇm tÝch h¹n chÕ, øng suÊt tr­ît tæng céng t¹i ®¸y do sãng  w bao gåm thµnh phÇn ma s¸t líp ®Öm  ws vµ thµnh phÇn søc c¶n h×nh d¹ng  wf :  w   ws   wf . (64) (Còng xem thªm môc 1.4, Kh¸i niÖm vÒ øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y) C¸c ph­¬ng ph¸p kh¸c nhau ®Ó tÝnh to¸n kÝch th­íc vµ ®é nh¸m hiÖu qu¶ cña gîn c¸t do sãng sinh ra ®­îc cho trong c¸c môc 7.3 vµ 7.4. Chóng cho phÐp tÝnh to¸n gi¸ trÞ z0, cã thÓ chøa mét sè h¹ng thÝch øng víi hiÖu øng vËn chuyÓn trÇm tÝch rÊt m¹nh, còng nh­ c¸c sè h¹ng ®èi víi ®é nh¸m ma s¸t líp ®Öm (hoÆc liªn quan ®Õn h¹t) vµ ®é nh¸m søc c¶n h×nh d¹ng cña gîn c¸t. Khã kh¨n trong viÖc tÝnh to¸n thµnh phÇn ma s¸t líp ®Öm thùc tÕ cña øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y do dßng ch¶y ®­îc m« t¶ trong môc 3.4 còng nh­ ®èi víi sãng. Víi cïng lý do nµy, th­êng xÊp xØ nã b»ng øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y liªn quan ®Õn h¹t (chóng ta còng biÓu thÞ b»ng  ws , vµ gäi lµ øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y do ma s¸t líp ®Öm) nhËn ®­îc b»ng c¸ch sö dông gi¸ trÞ z0= d50/12 trong c¸c tÝnh to¸n ma s¸t. §iÒu hîp lý lµ ë chç ®¹i l­îng  ws cã thÓ tÝnh to¸n t­¬ng ®èi dÔ, kh«ng ph¶i hoµi nghi vµ cã thÓ phôc vô nh­ mét biÕn ®éc lËp mµ c¸c biÕn phô thuéc nh­ kÝch th­íc gîn c¸t vµ nång ®é trÇm tÝch tham chiÕu cã thÓ liªn quan ®Õn. Quy tr×nh 1. ViÖc tÝnh to¸n øng suÊt tr­ît tæng céng t¹i ®¸y do sãng ®­îc thùc hiÖn theo cïng c¸ch nh­ ®èi víi tr­êng hîp ®¸y ph¼ng ®· m« t¶ trong môc 4.5, nh­ng víi gi¸ trÞ z0 cã kÓ ®Õn thµnh phÇn søc c¶n h×nh d¹ng vµ thµnh phÇn vËn chuyÓn. 79
  14. 2. SandCalc cung cÊp c¸c ph­¬ng ph¸p sau ®©y theo Hydrodynamics- Wave- Total Shear-stress: Raudikivi: tÝnh to¸n  r vµ r b»ng ph­¬ng ph¸p Nielsen (1992) (ph­¬ng tr×nh (89)), z0 b»ng ph­¬ng ph¸p cña Raudikivi (1988) (ph­¬ng tr×nh (90) vµ (93)), fwr b»ng ph­¬ng ph¸p cña Swart (1974) (ph­¬ng tr×nh (60)) vµ  w b»ng ph­¬ng tr×nh (57). Nielsen: còng nh­ Raudikivi, nh­ng tÝnh to¸n z0 b»ng ph­¬ng ph¸p Nielsen (1992) (ph­¬ng tr×nh (90) vµ (92)). Grant vµ Madsen: tÝnh to¸n  r , r vµ fwr b»ng ph­¬ng ph¸p Grant vµ Madsen (ph­¬ng tr×nh (88) ,(90) vµ (91)), fwr b»ng ph­¬ng ph¸p Soulsby (ph­¬ng tr×nh (62)) vµ  w b»ng ph­¬ng tr×nh (57). 3. Minh ho¹ quy tr×nh tÝnh to¸n øng suÊt tr­ît tæng céng t¹i ®¸y do sãng ®­îc cho trong vÝ dô 7.5. 4.7. sãng ®æ KiÕn thøc VËn chuyÓn trÇm tÝch m¹nh nhÊt trong vïng ven bê th­êng thÊy d­íi c¸c sãng ®æ, hoÆc trong vïng sãng ®æ trªn b·i hoÆc trªn bê c¸t. Bëi v× c¸c qu¸ tr×nh trong vïng sãng ®æ rÊt phøc t¹p vµ ch­a ®­îc hiÓu kü, thùc tÕ chung lµ sö dông kÕt qu¶ theo sãng kh«ng ®æ ë ®©y, mÆc dï nã kh«ng hoµn toµn ®óng. Mét hç trî nµo ®ã ®èi víi ph­¬ng ph¸p nµy ®­îc dùa trªn c¸c thùc nghiÖm cña Deigaard vµ nnk (1991), lµ nh÷ng ng­êi ®· cho thÊy r»ng øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y trong vïng sãng ®æ vÒ trung b×nh kh«ng kh¸c biÖt l¾m so víi c¸c sãng kh«ng ®æ ë ngoµi kh¬i, nh­ng chóng thÓ hiÖn sù biÕn ®éng sãng víi sãng l¹i lín h¬n nhiÒu, do vËy ®«i khi x¶y ra nh÷ng gi¸ trÞ rÊt lín. Tuy nhiªn, lo¹i bá sãng ®æ cã thÓ dÉn tíi viÖc tÝnh to¸n thiªn lín nång ®é trÇm tÝch l¬ löng trong nöa trªn cét n­íc trong vïng sãng ®æ, t¹i ®ã rèi ph¸t sinh tõ qu¸ tr×nh sãng ®æ rÊt quan träng. Mét c¸ch tiÕp cËn thay thÕ tæng qu¸t lµ c¸c qu¸ tr×nh trong vïng sãng ®æ ®­îc tham sè ho¸ rÊt nÆng nÒ vµ ®­îc xö lý nhiÒu vÒ kinh nghiÖm. §é cao sãng H t¹i ®ã sãng ®¬n ®iÖu cã b­íc sãng L bÞ vì trong n­íc cã ®é s©u kh«ng ®æi h ®­îc cho theo tiªu chuÈn Miche: H  5,5h   0,142 tanh  . SC (65a) L L Trong giíi h¹n n­íc s©u ph­¬ng tr×nh (65a) ®¬n gi¶n thµnh: H  0,142 L (65b) vµ trong giíi h¹n n­íc n«ng ph­¬ng tr×nh (65a) ®¬n gi¶n thµnh: H  0,78h . (65c) Trªn b·i dèc cã thÓ nhËn ®­îc ®é cao sãng lín h¬n, ®é cao sãng t¨ng theo ®é dèc kho¶ng 20% lín h¬n so víi b»ng ph­¬ng tr×nh (65a) víi ®é dèc b·i 1:10. 80
  15. Sãng ngÉu nhiªn víi ®é cao sãng cã nghÜa Hs bÞ vì trªn b·i cã ®é s©u h víi xÊp xØ ban ®Çu ®­îc cho b»ng: H s  h (66) trong ®ã hÖ sè  lÊy gi¸ trÞ 0,55 ®èi víi ®¸y n»m ngang vµ t¨ng theo ®é dèc b·i vµ theo chu kú sãng ®èi víi c¸c ®¸y dèc (HRS, 1990). Mét chØ tiªu kh¸c cña sãng ngÉu nhiªn ®­îc Batties vµ Stive (1985) ®Ò xuÊt, dùa trªn viÖc ph©n tÝch mét sè lín c¸c ®o ®¹c hiÖn tr­êng vµ thÝ nghiÖm, cho ta c«ng thøc:  33H 0  H rms  0,5  0,4 tanh L  (67)  h  0 trong ®ã H0 lµ gi¸ trÞ ngoµi kh¬i cña cña ®é cao sãng c¨n bËc hai trung b×nh b×nh ph­¬ng Hrms vµ L0 lµ b­íc sãng t¹i ®Ønh cña phæ sãng ngoµi kh¬i. Trong c¸c ph©n tÝch cña hä kh«ng thÊy sù phô thuéc vµo ®é dèc ®¸y. Mét tãm t¾t vÒ sãng ®æ ®­îc Southgate (1995a) thùc hiÖn vµ mét tãm t¾t vÒ c¸c qu¸ tr×nh trong vïng sãng ®æ nãi chung ®­îc Krauss vµ Horikawa (1990) thùc hiÖn. Quy tr×nh 1. X¸c ®Þnh sãng cã ®æ hay kh«ng b»ng viÖc sö dông chØ tiªu (65a) ®èi víi sãng ®¬n ®iÖu, hoÆc chØ tiªu (66) hoÆc (67) ®èi víi sãng ngÉu nhiªn. 2. §Ó tÝnh to¸n øng suÊt tr­ît t¹i ®¸y, xö lý nh­ ®èi víi sãng kh«ng ®æ. 81
nguon tai.lieu . vn
Toán học Môi trường Vật lý Sinh học Địa Lý Hoá học Nông - Lâm - Ngư Cơ khí - Chế tạo máy Tiếng Anh phổ thông Khoa học ứng dụng Nông - Lâm Kiến thức tổng hợp Giáo dục học Xã hội học