Các đặc trưng của bùn cát sông ngòi [48][49]

CHƯƠNG 11: DÒNG CHẢY BÙN CÁT TRONG SÔNG

11.2 Các đặc trưng của bùn cát sông ngòi [48][49]

Đặc tính của bùn cát chính là đặc tính của các hạt cát và hỗn hợp bùn cát. Trước tiên nó bao gồm kích thước hạt, hình dạng hình học, tốc độ chìm lắng...và sau đó là sự phân bố kích thước hạt, trọng lượng riêng, góc nghỉ trong nước.... Các đặc trưng vật lý này rất quan trọng đối với sự quá trình vận chuyển, bồi lắng của cát. Quan hệ giữa hình thái sông và các đặc trưng cát cũng được xác lập rõ ràng. Phần này chỉ trình bày những đặc tính cơ bản nhất của bùn cát sông ngòi.

11.2.1 Đặc trưng hình học 11.2.1.1 Kích thước hạt bùn cát

Trong các đặc tính của bùn cát, kích thước hạt là đặc tính quan trọng nhất do các thông số khác như hình dạng và trọng lực riêng đều có xu hướng thay đổi theo kích thước hạt. Nghiên cứu thực tế cho thấy kích thước của các hạt bùn cát đã được định nghĩa theo rất nhiều mục đích khác nhau.

Bảng 11.1 Phân loại bun cat theo kích thước hạt (AGU)

TT Phân loại Kích thước

(mm) 1. Tảng lăn rất

lớn

4096-2048

2. Tảng lăn lớn 2048-1024

3. Tản lăn vừa 1024-512

4. Tảng lăn nhỏ 512-256

5. Cuội sỏi lớn 256-128 6. Cuội sỏi nhỏ 128-64

7. Sỏi rất thô 64-32

8. Sỏi thô 32-16

9. Sỏi vừa 16-8

10. Sỏi mịn 8-4

11. Sỏi rất mịn 4-2

12. Cát rất thô 2,0-1,0

13. Cát khô 1,0-0,5

14. Cát vừa 0,5-0,25

15. Cát mịn 0,250-0,125

16. Cát rất mịn 0,125-0,062

17. Phù sa thô 0,062-0,031

18. Phù sa vừa 0,031-0,016

19. Phù sa mịn 0,016-0,008

20. Phù sa rất mịn 0,008-0,004

21. Sét hạt thô 0,004-0,002

22. Sét hạt vừa 0,002-0,001

23. Sét hạt mịn 0,0010-0,0005

24. Sét rất mịn 0,0005-0,00024

Kích thước hạt có thể được xác định thông qua thể tích, đường kính, cân nặng, tốc độ lắng chìm, kích thước sàng. Ngoại trừ thể tích, các yếu tố còn lại thường chịu ảnh hưởng của hình dạng và mật độ của các hạt bùn cát.

Kích thước hạt cát được sắp xếp phân loại dựa trên sự khác biệt về loại và cấp.

Hiện nay trên thế giới tồn tại rất nhiều hệ thống phân loại khác nhau. Liên hiệp Địa vật lý Hoa Kỳ đã đề xuất phân loại cấp phối hạt theo trình bày ở bảng 11.1.

Theo đó, cấp phối hạt của cát được chia làm 6 lớp kích thước khác nhau: tảng lăn, cuội sỏi, sỏi, cát, bùn (phù sa) và đất sét.

Các hạt cát trong sông thiên nhiên có hình dáng không đều, kích thước của cát thường được biểu diễn thông qua đường kính của một hình cầu tương ứng. Trong thực tế, người ta thường sử dụng các cách xác định đường kính sau đây:

• Kích thước bình quân: đo 3 cạnh bất kỳ của cát, trung bình cộng của 3 cạnh đó là kích thước bình quân của hạt cát.

• Đường kính đẳng dung: là đường kính của khối cầu có cùng thể tích của hạt cát

• Đường kính mắt sàng là kích thước của mắt sàng mà hạt cát có thể lọt qua

Đường kính hạt là một yếu tố đặc trưng rất quan trọng của bùn cát, không chỉ trực tiếp biểu thị độ lớn bé hình học của hạt mà còn liên quan đến rất nhiều đặc tính khác của nó. Ví dụ trong cùng một dòng chảy, bùn cát có đường kính hạt khác nhau thể hiện các trạng tháu chuyển động khác nhau. Các hạt thô (d > 0,05 -0,1 mm) thường không có tính dính, mà tính chất này làm cho bùn cat phản ứng rất khác nhau dưới tác dụng của dòng chảy. Thường thường, bùn cát hạt mịn có độ rỗng lớn và dung trọng khô nhỏ, bùn cát thô thì ngược lại, Các hạt nhỏ thường có hình dạng không chuẩn tắc, bề mặt nhiều góc cạnh, các hạt lớn thường có bề mặt trơn tru hơn vì được mài nhẵn trong quá trình chuyển động. Mà hình thái của hạt khác nhau thể hiện những ảnh hưởng khác nhau đối với sức cản thuỷ lực, lực đẩy hướng lên, sự phân bố trên đáy và góc ma sát là những thông số rất quan trọng trong chuyển động bùn cát, đặc biệt là trạng thái giới hạn bắt đầu chuyển động.

Hầu hết các vấn đề trong động lực học sông ngòi đều sử dụng đến số liệu về đường kính hạt bùn cát. Độ chính xác của số liệu ảnh hưởng đến tính chính xác cả về định tính đến định lưọng của các vấn đề nghiên cứu, vì vậy cần thận trọng khi xác định hoặc sử dụng các trị số đường kính hạt.

Trong quá trình chuyển động, giá trị đường kính hạt bùn cát không được giữ nguyên mà thường thay đổi theo xu hướng nhỏ dần, do các tác dụng sau:

• Bị đập vỡ do va chạm giữa các hạt cát lớn hoặc giữa các hạt bùn cát với các tảng đá ngầm, vật cản khác, khi các hạt lớn trượt qua các hạt nhỏ cũng làm cho các hạt nhỏ bị vỡ vụn;

• Nhiệt độ thay đổi

• Hoà tan các tạp chất trong nước;

• Mài mòn khi trượt, lăn trên mặt đáy 11.2.1.2 Yếu tố hình học của hạt bùn cát

Hình dạng hoặc cấu trúc hình học của hạt cát có thể được mô tả thông qua hình cầu, được định nghĩa là tỷ lệ của diện tích bề mặt của hình cầu có cùng thể tích với hạt và diện tích bề mặt của hạt cát. Việc đo đạc diện tích bề mặt trơn nhẵn hoặc sắc cạnh là rất khó khăn, McNown và Malaika (1950) đã biểu diễn hình dạng của hạt thông qua chỉ tiêu hình dạng SF

2 1

) (ab SF = c

(11.1)

trong đó: a, b, c tương ứng là kích thước theo phương ngang, kích thước theo phương dọc dòng chảy và kích thước theo chiều thẳng đứng của hạt .

Các nghiên cứu đã tìm ra giá trị trung bình của chỉ tiêu hình dạng của hạt cát tự nhiên bằng khoảng 0,7.

Ngoài khó khăn trong việc biểu thị kích thước hạt, chúng ta còn gặp khó khăn nữa là bùn cát trong sông bao gồm rất nhiều loại hạt có kích thước khác nhau . Để khắc phục khó khăn thứ nhất, người ta dùng yếu tố đặc trưng cho kích thước hình học một hạt cát là đường kính hạt, ký hiệu là d. Để khắc phục khó khăn thứ 2, người ta dùng đường cong cấp phối hạt.

11.2.1.3 Đường cong cấp phối hạt

Để biểu thị kích thước hạt của một mẫu bùn cát, người ta thường dùng đường cấp phối hạt (hay đường biểu diễn thành phần hạt của mẫu bùn cát).

11.2.2 Góc nghỉ trong nước của bùn cát

Do tác dụng của ma sát đáy, cát trong nước có thể dồn tụ lại dưới dạng gò đống với mặt nghiêng về phía thượng lưu ổn định. Góc θ tạo bởi mặt nghiêng đó với mặt nằm ngang được gọi là góc nghỉ trong nước của cát.

Góc nghỉ của cát,θ, là góc nghiêng cấu tạo bởi vật chất hạt dưới điều kiện cân bằng giới hạn của sự bắt đầu dịch chuyển (Interagency Committee, 1957)

Góc nghỉ của cát lắng chìm trong nước có ý nghĩa rất quan trọng trong việc xác định khởi động ban đầu của cát. Sự thay đổi của θ theo kích thước hạt đã được xác định bởi Simons và Senturk (1976) cho hạt đồng nhất như: than, nhựa, đá bọt, cát, sỏi b. Với mỗi loại vật chất, góc nghỉ sẽ giảm đến giá trị nhỏ nhất khi kích thước hạt tăng lên. Với sỏi và cát, θ đạt giá trị nhỏ nhất khi đường kính hạt d ≈2,4 mm. Nghiên cứu sự bắt đầu chuyển động của hạt cát, ta nên dùng sàng phân chia thành hỗn hợp hạt có kích thước khác nhau. Sau khi đo đạc góc nghỉ của từng phần, thiết lập quan hệ tương tự như hình 11.2. Nếu góc nghỉ của hỗn hợp được vẽ lên, 2 đường kính d1, d2 sẽ được xác định. Trong trường hợp này, nếu kích thước nhỏ hơn, ví dụ như kích thước trung

bình ta nên sử dụng kích thước đại diện để nghiên cứu sự khởi động của một mẫu bùn cát.

Hình 11.1 Đường cấp phối hạt

Hình 11.2 Biến thiên góc nghỉ trong nước của bùn cát với kích thước hạt đồng nhất (Simons và Senturk, 1976)

11.2.3 Tốc độ lắng chìm

Trọng lượng riêng của cát lớn hơn trọng lượng riêng của nước, nên khi đặt vào nước, nó sẽ bị chìm xuống. Ở thời điểm đầu tiên của sự rơi tự nhiên, vận tốc bằng không. Tốc độ lắng chìm tăng dần nhưng đồng thời sức cản chống lại sự chìm xuống của hạt cát cũng tăng dần và cuối cùng tốc độ lắng chìm sẽ đạt đến một trạng thái giới hạn. Lúc này, trọng lượng của hạt cát cân bằng với sức cản và hạt cát tiếp tục chìm xuống với tốc độ đều.

Trong động lực học dòng sông, người ta định nghĩa tốc độ chìm lắng đều của hạt cát trong môi trường nước tĩnh và trong là độ thô thuỷ lực của hạt cát, ký hiệu là W, có thứ nguyên là [L/T], đơn vị thường dùng là cm/s

Tốc độ lắng chìm của hạt cát là một đặc tính vô cùng quan trọng phản ảnh năng lực chống lại sự chuyển động dưới tác dụng của dòng nước.

11.2.3.1 Khái niệm tốc độ lắng chìm giới hạn và đường kính lắng chìm giới hạn Tốc độ lắng chìm giới hạn của hạt cát: là tốc độ rơi trung bình mà hạt cát đạt đến khi đang rơi trong môi trường nước tĩnh và trong khoảng 24oC

Đường kính lắng chìm giới hạn của hạt cát là đường kính của khối cầu có cùng khối lượng riêng và tốc độ lắng chìm đều với hạt cát

So với đường kính lắng chìm, đường kính lắng chìm giới hạn của hạt cát là đại lượng biểu diễn chính xác hơn khi kể đến sự thay đổi của nhiệt độ nước. Tuy nhiên, đường kính lắng chìm không chịu tác động mạnh dưới sự thay đổi của nhiệt độ, do đó nó có thể xem xét như một hằng số với sự thay đổi của nhiệt độ.

11.2.3.2 Tốc độ lắng chìm của hạt cầu chuẩn

Khi hạt cát rơi với tốc độ đều, trọng lực chìm lắng của hạt sẽ cân bằng với sức cản hướng lên. Trong động lực học chất lỏng, hệ số súc cản của chuyển động CD được xác định theo công thức

2

2 1

/

s D D

w A C F

ρ

= (11.2)

trong đó FD: lực cản bằng trọng lượng của hạt cát khi bồi lắng )

6 (

1π 3 ρ −ρ

= s

D d g

F (11.3)

A: diện tích hình chiếu của hạt cát lên chiều dòng chảy d: đường kính khối cầu

ρ: khối lượng riêng của nước

Hệ số sức cản thay đổi khi hệ số Reynolds wsd/ν thay đổi. Thực tế cũng chứng minh rằng khi cát chìm lắng trong nước, trạng thái chuyển động của nó phụ thuộc vào hệ số Reynolds. Hình 11.3 chỉ ra sự thay đổi này theo 3 khu vực tương ứng với 3 trạng thái dòng chảy quanh hạt cát như được minh hoạ trong hình 11.4.

• Khu vực 1: Rp1, dòng chảy tầng của lớp biên hạt cát không bị tách ra.

Trong trờng hợp này, vận tốc chìm lắng là phản ảnh sức cản ma sát ngoài và được xác định theo định luật Stokes

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

= μ

ρ ρs

s

w gd 18

2 (11.4)

Nói chung, định luật Stoke có thể áp dụng cho các cát hạt mịn có kích thước trong phạm vi các hạt phù sa và hạt sét chìm lắng trong nước. Do vận tốc chìm lắng rất nhỏ, phù sa và sét thường có số lượng không đáng kể trong vật chất đáy sông.

Chúng thường được coi là chất lơ lửng hay cát lơ lửng hay phù sa. Ngoài

phạm vi Stokes, hệ số sức cản không thể xác định bằng công thức mà nó được xác định bằng kinh nghiệm như là một hàm của R được chỉ ra trong hình 11.3

• Khu vực 2: 1pRp2x105. Hạt cát chìm lắng trong khu vực này được đặc trưng bởi dòng chảy tầng của lớp biên với sự tách dòng như trong hình 4.3. Khi R = 2x105 dòng chảy chuyển từ chảy tầng sang chảy rối.

Tốc độ chìm lắng ws có thể xác định từ hình 11.3 khi biết nhiệt độ, đường kính và trọng lượng riêng của hạt cát. Khi ws bao gồm cả CD và R, nó được xác định bằng phương pháp thử đúng dần theo quy trình: giả thiết giá trị ws, tính R, đọc Cd từ hình 11.3 và tính lại ws theo công thức 11.2. Các bước này được lặp lại cho đến khi

wsgiả thiết và ws tính toán có cùng giá trị.

Hình 11.3 Hệ số cắt của hình cầu là hàm của số Reynold

Hình 11.4 Trạng thái dòng chảy quanh hạt bùn cát đang lắng chìm

11.2.3.3 Tốc độ chìm lắng của hạt cát mịn

Tốc độ chìm lắng cho các hạt mịn trong nước tinh khiết quan hệ với đường kính sàng trong phạm vi nhiệt độ nước và hệ số hình dạng được đưa ra trong hình 11.5.

Đường kính sàng được sử dụng trong trường hợp này do kích thước của hạt cát thường được xác định bằng phương pháp sàng với đường kính mắt sàng biết trước.

Hình 11.5 Vận tốc rơi của hạt cầu trong không khí và trong nước (Rouse, 1937)

Hình 11.6 Vận tốc rơi của hạt bùn cát tự nhiên trong nước tinh khiết (Interagency Committee)