- Trang Chủ
- Địa Lý
- Động lực học cát biển - Chương 5: Kết hợp sóng và dòng chảy
Xem mẫu
- Ch¬ng 5. kÕt hîp sãng vµ Dßng ch¶y
5.1. Tæng quan
Trong hÇu hÕt c¸c khu vùc biÓn ven bê vµ thÒm lôc ®Þa, c¶ sãng vµ dßng ch¶y
®Òu ®ãng vai trß quan träng trong ®éng lùc trÇm tÝch. ViÖc xö lý trong trêng hîp
nµy rÊt phøc t¹p v× sãng vµ dßng ch¶y t¬ng t¸c thuû ®éng lùc víi nhau, do vËy
tr¹ng th¸i kÕt hîp cña chóng kh«ng ®¬n gi¶n lµ tæng tuyÕn tÝnh cña c¸c tr¹ng th¸i
riªng biÖt cña chóng. C¸c h×nh thøc mµ sãng vµ dßng ch¶y t¬ng t¸c bao gåm:
- thay ®æi vËn tèc pha vµ bíc sãng bëi dßng ch¶y, dÉn tíi khóc x¹ sãng
- t¬ng t¸c c¸c líp biªn sãng vµ líp biªn dßng ch¶y, dÉn tíi viÖc t¨ng cêng c¶
thµnh phÇn dao ®éng vµ thµnh phÇn æn ®Þnh cña øng suÊt trît t¹i ®¸y
- ph¸t sinh dßng ch¶y do sãng, bao gåm dßng ch¶y däc bê, dßng sãng déi vµ dßng
vËn chuyÓn khèi lîng (phun trµo).
Hai c¬ chÕ ®Çu tiªn ®îc ®Ò cËp ë ®©y.
5.2. bíc sãng
KiÕn thøc
Sãng lan truyÒn khi cã mÆt dßng ch¶y sÏ bÞ biÕn ®æi, nÕu mét ngêi quan s¸t
®øng yªn sÏ nh×n thÊy, bëi v× c¸c ph¬ng tr×nh sãng ¸p dông trong mét khung tham
chiÕu chuyÓn ®éng cïng víi vËn tèc dßng ch¶y. HiÖu øng Doppler lµm cho sãng cã
bíc sãng cho tríc ph¶i cã chu kú ng¾n h¬n nÕu chóng ®îc dßng ch¶y mang vÒ
phÝa ngêi quan s¸t ®øng yªn. §èi víi trêng hîp th«ng thêng h¬n, khi chu kú sãng
®îc cè ®Þnh (®Ó b¶o toµn tæng sè sãng), bíc sãng gi¶m khi sãng gÆp ph¶i dßng ch¶y
theo híng ngîc l¹i, vµ ®é cao sãng t¨ng lªn (®Ó b¶o toµn møc ®é truyÒn n¨ng
lîng). §iÒu ngîc l¹i x¶y ra khi dßng ch¶y theo híng sãng. Thµnh phÇn dßng ch¶y
vu«ng gãc víi híng truyÒn sãng kh«ng cã hiÖu øng nµo ®èi víi sãng.
Quan hÖ ph©n t¸n ®èi víi sãng cã tÇn sè gãc tuyÖt ®èi vµ sè sãng k (xem môc
3.2) khi cã mÆt vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh ®é s©u U vµ hîp mét gãc víi híng lan
truyÒn sãng lµ:
U k cos
2
gk tanh( kh) (68)
trong ®ã g lµ gia tèc träng trêng vµ h lµ ®é s©u níc.
§¹i lîng U k cos ®îc gäi lµ tÇn sè sãng t¬ng ®èi. TÇn sè tuyÖt ®èi lµ khi
ngêi quan s¸t ®øng yªn nh×n thÊy, trong khi tÇn sè t¬ng ®èi lµ khi ngêi quan s¸t
chuyÓn ®éng cïng víi dßng ch¶y nh×n thÊy.
82
- §èi víi dßng ch¶y b»ng kh«ng ( U =0), ph¬ng tr×nh (68) ®¬n gi¶n thµnh ph¬ng
tr×nh (50). Híng x¸c ®Þnh lµ = 00 khi dßng ch¶y lan truyÒn cïng víi híng
sãng, = 1800 khi dßng ch¶y ngîc víi híng sãng. C¸c gãc kh¸c víi = 00, 1800,
900 lµm cho sãng bÞ khóc x¹ bëi dßng ch¶y. Khi dßng ch¶y ngîc híng ®ñ lín
U / k , sãng kh«ng thÓ lan truyÒn.
Quy tr×nh
1. Quan hÖ ph©n t¸n, ph¬ng tr×nh (68) cã thÓ gi¶i trªn m¸y tÝnh ®èi víi k, vµ do
®ã lµ bíc sãng L 2 / k , nh mét hµm cña 2 / T , U vµ b»ng ph¬ng ph¸p
lÆp Newton-Raphson, hoÆc b»ng ph¬ng ph¸p tÝnh to¸n hiÖu qu¶ do Southgate
(1988) m« t¶.
2. C¸c tÝnh to¸n lan truyÒn sãng, biÕn ®æi sãng, bíc sãng vµ vËn tèc quü ®¹o ®ßi
hái quan hÖ ph©n t¸n ®· bÞ dßng ch¶y lµm thay ®æi, ph¶i sö dông ph¬ng tr×nh (68).
Tuy nhiªn khi tÝnh to¸n tr¹ng th¸i líp biªn, ph¶i sö dông tÇn sè sãng tuyÖt ®èi
(kh«ng ph¶i t¬ng ®èi).
5.3. øng suÊt trît t¹i ®¸y
KiÕn thøc
H×nh 16. S¬ ®å t¬ng t¸c phi tuyÕn cña øng suÊt trît t¹i ®¸y do sãng vµ do dßng ch¶y (in l¹i theo
Soulsby vµ nnk (1993), Coastal Engineering, 21, 41-69, ®îc phÐp cña Elsevier Science Publisher,
BV)
øng suÊt trît t¹i ®¸y do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp sÏ hoµn thiÖn h¬n c¸c gi¸
trÞ ph¸t sinh mét c¸ch ®¬n gi¶n b»ng c¸ch céng tuyÕn tÝnh c¸c øng suÊt chØ do sãng
83
- vµ chØ do dßng ch¶y (h×nh 16). §iÒu nµy lµ do t¬ng t¸c phi tuyÕn gi÷a c¸c líp biªn
sãng vµ dßng ch¶y. Cã h¬n 20 lý thuyÕt vµ m« h×nh kh¸c nhau ®îc ®Ò xuÊt ®Ó m« t¶
qu¸ tr×nh nµy. Mét so s¸nh gi÷a c¸c dù b¸o øng suÊt trît trung b×nh m vµ lín
nhÊt max t¹i ®¸y trong mét chu kú sãng theo 8 trong sè c¸c m« h×nh nµy ®îc cho
trong h×nh 17. Sù kh¸c biÖt gi÷a c¸c m« h×nh nãi chung lµ 30%-40%, vµ sù kh¸c biÖt
®Õn 3 lÇn x¶y ra ®èi víi c¸c ®iÒu kiÖn sãng chiÕm u thÕ m¹nh. XÊp xØ ®¹i sè ®èi víi
c¸c m« h×nh (víi ®é chÝnh x¸c 5% trong hÇu hÕt c¸c trêng hîp) ®îc Soulsby vµ
nnk (1993) dÉn xuÊt vµ ®a ra díi ®©y.
ViÖc kiÓm ®Þnh c¸c m« h×nh ®îc tham sè ho¸ b»ng mét tËp hîp lín d÷ liÖu cña
61 gi¸ trÞ thÝ nghiÖm vµ 70 gi¸ trÞ hiÖn trêng cña m ®îc Soulsby thùc hiÖn
(1995a). C¸c chØ tiªu ®Ó lµm khíp tèt nhÊt ®· ®îc sö dông vµ kh«ng mét m« h×nh
nµo phï hîp tèt nhÊt ®èi víi mäi chØ tiªu.
Bèn m« h×nh cho kÕt qu¶ kh¸ tèt vµ/hoÆc ®îc sö dông réng r·i lµ c¸c m« h×nh
gi¶i tÝch cña Grant vµ Madsen (1979), Fredsoe (1984), m« h×nh sè cña Huynh Thanh
vµ Temperville (1991), vµ Davies vµ nnk (1988). C¸c hÖ sè lµm khíp dïng lµm tham
sè cho c¸c m« h×nh nµy ®îc cho trong b¶ng 9, ®Ó sö dông trong ph¬ng ph¸p ph¸c
ho¹ díi ®©y.
B¶ng 10. C¸c gi¸ trÞ cña hÖ sè ma s¸t fw vµ hÖ sè ma s¸t CD theo c¸c m« h×nh kh¸c nhau
M« h×nh* Gi¸ trÞ cña fw
2 3
104 105
10
A/z0 10
GM79 0,1057 0,0316 0,0135 0,00690
F84 0,0592 0,0221 0,0102 0,0056
HT91 0,0750 0,0272 0,0121 0,0062
DSK88 0,0209 0,0120 0,00661
0,07013
0,1268
DATA13, DATA2 0,0383 0,0116 0,0035
Gi¸ trÞ cña CD
10-2 10-3 10-4 10-5
z0/h
GM79, F84
DATA13, DATA2 0,01231 0,00458 0,00237 0,00145
HT91 - 0,00482 0,00237 0,00141
DSK88 - 0,00429 0,00222 0,00130
* GM79 = Grant vµ Madsen (1979), F84 = Fredsoe (1984), HT91 = Huynh Thanh
vµ Temperville (1991), DSK88 = Davies vµ nnk (1988), DATA13, DATA2 theo ph¬ng
tr×nh (62a).
C¸c m« h×nh GM79, F84, DATA13 sö dông biÓu thøc ph©n bè l«garÝt ®èi víi CD,
ph¬ng tr×nh (37).
84
- m vµ lín nhÊt max
H×nh 17. So s¸nh gi÷a 8 m« h×nh dù b¸o øng suÊt trît t¹i ®¸y trung b×nh
do sãng kÕt hîp víi dßng ch¶y (in l¹i theo Soulsby vµ nnk (1993), Coastal Engineering, 21, 41-69,
®îc sù cho phÐp cña Elsevier Science Publishers, BV)
85
- B¶ng 9. C¸c hÖ sè lµm khíp ®èi víi c¸c m« h×nh líp biªn do sãng vµ dßng ch¶y
M« h×nh a1 a2 a3 a4 m1 m2 m3 m4 n1 n2 n3 n4 I
*
GM79 0,11 1,95 -0,49 -0,28 0,65 -0,22 0,15 0,06 0,71 -0,19 0,17 -0,15 0,67
F84 -0,06 1,70 -0,29 0,29 0,67 -0,29 0,09 0,42 0,75 -0,27 0,11 -0,02 0,80
HT91 -0,07 1,87 -0,34 -0,12 0,72 -0,33 0,08 0,34 0,78 -0,23 0,12 -0,12 0,82
DSK88 0,05 1,62 -0,38 0,25 1,05 -0,72 -0,08 0,59 0,66 -0,25 0,19 -0,03 0,82
b1 b2 b3 b4 p1 p2 p3 p4 q1 q2 q3 q4 J
GM79 0,73 0,40 -0,23 -0,24 -0,68 0,13 0,24 -0,07 1,04 -0,56 0,34 -0,27 0,50
F84 0,29 0,55 -0,10 -0,14 -0,77 0,10 0,27 0,14 0,91 0,25 0,50 0,45 3,0
HT91 0,27 0,51 -0,10 -0,24 -0,75 0,13 0,12 0,02 0,89 0,40 0,50 -0,28 2,7
DSK88 0,22 0,73 -0,05 -0,35 -0,86 0,26 0,34 -0,07 -0,89 2,33 2,60 -2,50 2,7
0,47 0,69 -0,09 -0,08 -0,53 0,47 0,07 -0,02 2,34 -2,41 0,45 -061 8,8
DATA13
DATA2 1,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 3,2 0,0 0,0 0,0 0,0
* GM79 = Grant vµ Madsen (1979),
F84 = Fredsoe (1984),
HT91 = Huynh Thanh vµ Temperville (1991),
DSK88 = Davies vµ nnk (1988),
DATA13, DATA2 = khíp víi 131 ®iÓm sè liÖu b»ng c¸ch sö dông hÖ sè 13, 2.
86
- Ph¬ng ph¸p dùa trªn sè liÖu còng ®îc Soulsby (1995a) dÉn xuÊt b»ng c¸ch tèi
u ho¸ 13 hÖ sè trong c¸c biÓu thøc ®îc tham sè ho¸ ®èi víi m , ®îc sö dông ®Ó lµm
khíp c¸c m« h×nh lý thuyÕt. Cïng mét tËp hîp sè liÖu cña 113 ®iÓm ®· ®îc sö dông.
Ph¬ng ph¸p nµy cho sù khíp tèt h¬n ®¸ng kÓ víi sè liÖu so víi bÊt kú m« h×nh
nµo (mÆc dï ®©y lµ sù cÇn thiÕt to¸n häc kh«ng thÓ kÐm h¬n). C¸c hÖ sè cña ph¬ng
ph¸p nµy ®îc cho nh ‘DATA13’ trong b¶ng 9.
Còng thÊy r»ng viÖc tèi u ho¸ 2 hÖ sè (DATA2) cho kÕt qu¶ hÇu nh khíp rÊt
tèt víi sè liÖu, gièng nh c¸c m« h×nh lý thuyÕt tèt nhÊt. Ph¬ng ph¸p nµy ®a ®Õn
mét ph¬ng tr×nh ®¬n gi¶n:
3,2
w
c 1 1,2
m (69)
c w
trong ®ã vµ w lµ øng suÊt trît t¹i ®¸y cã thÓ x¶y ra chØ do sãng hoÆc do dßng
ch¶y, t¬ng øng.
BiÓu thøc t¬ng øng ®èi víi max (®èi víi nã kh«ng cã ®ñ sè liÖu ®Ó tèi u ho¸) sö
dông trong c¸c ph¬ng ph¸p ‘DATA13’ vµ ‘DATA2’ ®îc cho b»ng vÐc t¬ bæ sung m
tõ ph¬ng tr×nh (69) vµ w nhËn ®îc theo ph¬ng tr×nh (62a) vµ (57):
1/ 2
max m w f cos 2 w sin 2 . (70)
C¸c tÝnh to¸n max cÇn thiÕt ®Ó x¸c ®Þnh ngìng chuyÓn ®éng vµ møc cuèn theo
cña trÇm tÝch, vµ m ®Ó x¸c ®Þnh khuÕch t¸n trÇm tÝch.
C¸c ph¬ng ph¸p cã thÓ ¸p dông b×nh ®¼ng ®Ó tÝnh to¸n øng suÊt trît tæng
céng t¹i ®¸y vµ thµnh phÇn ma s¸t líp ®Öm. Trong trêng hîp ®Çu tiªn sö dông z0
tæng céng, trong khi trong trêng hîp thø 2 th× sö dông z0 = z0s= d50/15 liªn quan ®Õn
h¹t.
Quy tr×nh
1. VÝ dô 5.1. øng suÊt trît tæng céng do sãng vµ dßng ch¶y
§Ó tÝnh to¸n øng suÊt trît t¹i ®¸y
cùc ®¹i max vµ trung b×nh m
trong mét chu kú sãng,
®èi víi sãng h×nh sin cã:
0,5ms-1
- biªn ®é vËn tèc quü ®¹o gÇn ®¸y Uw
- chu kú T 12,6s
300
- gãc lan truyÒn
- víi dßng ch¶y æn ®Þnh
1ms-1
U
cã vËn tèc trung b×nh ®é s©u
87
- - trªn ®¸y nh¸m vÒ thuû ®éng lùc
víi ®é dµi nh¸m z0 0,001m
- trong níc cã ®é s©u h 10m
1027kgm-3
- vµ mËt ®é
Sö dông m« h×nh Grant vµ Madsen (1979):
- TÝnh to¸n hÖ sè ma s¸t CD
cña dßng ch¶y æn ®Þnh
khi kh«ng cã sãng b»ng c¸ch
néi suy theo b¶ng 10.
104
h/z0 = 10/0,001
CD 0,00237
- TÝnh to¸n hÖ sè ma s¸t sãng fw
®èi víi sãng khi kh«ng cã dßng ch¶y
b»ng c¸ch néi suy theo b¶ng 10.
103
A/z0= 0,5 x 12,6/(2 0,001 )
fw 0,0316
- TÝnh to¸n øng suÊt trît t¹i ®¸y
chØ do dßng ch¶y
c C DU 2 2,43Nm-2
- TÝnh to¸n øng suÊt trît lín nhÊt t¹i ®¸y
chØ do sãng
1
f wU w 2 4,06Nm-2
w
2
- TÝnh to¸n X c / c w 0,374
- Theo b¶ng 9 ®èi víi m« h×nh ®îc chän,
tÝnh to¸n hÖ sè a, m vµ n, trong ®ã
a log
I I
f w / CD
a a1 a 2 cos a 4 cos
3 10
- Víi c¸c biÓu thøc t¬ng tù cho m vµ n:
a 1,04
m 0,680
n 0,575
- Theo b¶ng 9 ®èi víi m« h×nh ®îc chän,
tÝnh to¸n hÖ sè b, p vµ q, trong ®ã
b b cos log
J J
f w / CD
b b1 b2 cos 3 4 10
- Víi c¸c biÓu thøc t¬ng tù cho p vµ q:
88
- b 0,592
p -0,362
q 0,619
- TÝnh to¸n
Z = 1 + aXm (1-X)n 1,41
vµ
Y = X[1 + bXp (1-X)q] 0,611
- TÝnh to¸n
max Z c w 9,15Nm-2
vµ
m Y c w 3,97Nm-2
§Ó so s¸nh, ph¬ng ph¸p Fredsoe (1984), Huynh Thanh vµ Temperville (1991),
vµ DATA13 cho gi¸ trÞ t¬ng øng lµ max = 7,94, 8,27, 7,90Nm-2 vµ m = 2,91, 3,04,
3,26Nm-2. C¸c gi¸ trÞ nhËn ®îc theo ph¬ng ph¸p DATA2 ph¬ng tr×nh (70) vµ (69)
lµ max =7,89Nm-2 vµ m =3,24Nm-2.
2. Ph¬ng ph¸p Huynh Thanh vµ Temperville (1991), Grant vµ Madsen (1979),
Fredsoe (1984), vµ DATA13 (Soulsby 13 theo tr×nh ®¬n) dÔ dµng tÝnh to¸n nhÊt b»ng
c¸ch sö dông SandCalc theo Hydrodynamics- Waves & Currents- Total Shear Stress.
SandCalc sö dông quy tr×nh néi suy tr¬n dùa trªn b¶ng 10 ®Ó tÝnh to¸n CD vµ fw ®èi
víi ph¬ng ph¸p øng suÊt trît tæng céng do sãng vµ dßng ch¶y.
89
nguon tai.lieu . vn