Chỉnh trị sông

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

2

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

3



CHƢƠNG 1 4
MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC SÔNG 4
1.1 Các khái niệm cơ bản 4
1.1.1 Diện tích lưu vực: 4
1.1.2 Hệ số hình dạng (Shape factor) 6
1.1.3 Một số định nghĩa cơ bản dùng trong lý thuyết vận chuyển bùn cát 6
1.1.4 Ứng suất đáy (bed shear stress) 8
1.2 Sự vận chuyển bùn cát 13
1.2.1 Độ thô thuỷ lực (Settling velocity of sediment particles) 13
1.2.2 Các phương thức vận chuyển bùn cát (modes of sediment transport) 16
1.2.3 Thông số Shields (Shields parameter) 18
1.2.4 Vận tốc khởi động của hạt cát 18
1.2.5 Vận tốc vận chuyển bùn cát di đáy 24
1.2.6 Vận tốc vận chuyển bùn cát lơ lửng 25
1.2.7 Vận chuyển bùn cát tổng cộng 26
1.2.8 Độ nhám đáy các sông đáy trầm tích 29
1.3 Dòng thứ cấp trong sông (secondary current) 32
1.3.1 Khái niệm 32
1.3.2 Nguyên nhân xuất hiện dòng thứ cấp 33
1.3.3 Dòng chảy vòng do lực li tâm gây ra ở đoạn sông cong 34
1.3.4 Dòng chảy vòng do lực quán tính Coriolis gây ra 36

1.4 Sự diễn biến và hình thái dòng sông 39
1.4.1 Khái niệm chung 39
1.4.2 Lưu lượng tạo lòng sông 47
1.4.3 Độ ổn định của lòng sông và các chỉ tiêu ổn định 50
1.4.4 Các biểu thức quan hệ hình thái sông 53


Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

4
CHƢƠNG 1
MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN
VỀ ĐỘNG LỰC HỌC SÔNG
(Fundamentals of the river dynamics)

Cơ sở lý thuyết của môn học chỉnh trị sông là động lực sông ngòi; các vấn đề cơ
bản của nó là tương tác giữa dòng chảy và lòng dẫn hoặc các công trình.
1.1 Các khái niệm cơ bản
1.1.1 Diện tích lưu vực:
Diện tích lưu vực của một con sông là toàn bộ diện tích hứng nước mưa của
con sông đó. Diện tích lưu vực sông cũng được gọi là diện tích thoát nước hay diện
tích thuỷ vực (Hình 1.1a). Đường phân chia giữa hai lưu vực sông thường là đường
đi qua khu vực cao, ngăn cách nước chảy từ một lưu vực sông nầy sang lưu vực
sông kế cận (Hình 1.1b).


a) b)
Hình 1.1 Định nghĩa lƣu vực sông và đƣờng phân thủy

Sông thường được chia thành sông chính và sông nhánh. Các nhánh sông được
chia thành nhánh cấp 1, cấp 2 v.v., như chỉ ra trên Hình 1.2.
Một trong những vấn đề quan trọng nhất của kỹ thuật sông là xem xét quá
trình vận chuyển bùn cát. Thông thường, bùn cát được cung cấp cho các sông thông
qua quá trình xói mòn tại lưu vực sông và được vận chuyển bởi dòng chảy tràn trên
mặt đất trước khi tới dòng sông. Trong quá trình vận chuyển, bùn cát trải qua quá
trình lắng đọng và tái xói mòn cho tới khi tới biển và lắng đọng.

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

5


Hình 1.2 Sông chính và sông nhánh

Khoa học vận chuyển bùn cát giải quyết mối quan hệ giữa dòng chảy và quá
trình vận chuyển bùn cát. Trong thuật ngữ Tiếng Việt, bùn cát cũng được gọi là
trầm tích. Trầm tích là một hỗn hợp chất rắn được dòng chảy vận chuyển. Thông
thường, hạt trầm tích có hình dạng khá phức tạp. Bởi vậy, người ta thường sử dụng

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

6
3 đường kính để mô tả hạt trầm tích (Hình 1.3). Như thấy trên hình 3, đường kính
này là đường kính chính, đường kính phụ và đường kính giữa.

3
abcd 





Hình 1.3 -Hạt trầm tích
1.1.2 Hệ số hình dạng (Shape factor)
Hình dạng của hạt bùn cát trong song thiên nhiên rất không đều. Nó thường
mô tả bởi hệ hệ số hình dạng Corey S
p
:
ab
c
S
p


Hệ số hình dạng Corey đối với các hạt cát trong sông thiên nhiên thường
khoảng 0.7

1.1.3 Một số định nghĩa cơ bản dùng trong lý thuyết vận chuyển bùn cát
1.1.3.1 Mật độ:
Mật độ là khối lượng của mỗi đơn vị thể tích.
1.1.3.2 Trọng lượng riêng:

Trọng lượng riêng là trọng lượng của mỗi đơn vị thể tích. Giữa mật độ và
trọng lượng riêng có quan hệ sau:

g


(1.2)
Trong đó:

là mật độ;


là trọng lượng riêng
g là gia tốc trọng trường.
(1.1)

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

7
1.1.3.3 Trọng lực riêng:


Trọng lực riêng là tỉ số giữa trọng lượng riêng của vật liệu đó và trọng lượng
riêng của nước tại 4
o
C hoặc 39,2
o
F. Trọng lựơng riêng trung bình của bùn cát là

2,65(quartz particles).
1.1.3.4 Đường kính danh nghĩa (nominal diameter):
Đường kính danh nghĩa là đường kính của hình cầu có thể tích bằng thể tích
của hạt.
1.1.3.5 Đường kính sàng (sieve diameter):
Đường kính sàng là đường kính của hình cầu, bằng chiều dài cạnh của lỗ sàng
hình vuông, vừa đủ để hạt có thể lọt qua. Nó xấp xỉ bằng đường kính danh nghĩa.
(The sieve diameter is the length of the side of a square sieve opening through
which the given particle will just pass).
1.1.3.6 Đường kính rơi (fall diameter):
Đường kính rơi là đường kính của hình cầu có trọng lựơng riêng bằng 2,65 và
có cùng tốc độ rơi ở giai đoạn kết thúc với hạt khi hạt được để lắng chìm đơn độc
trong nước cất tĩnh. Đường kính rơi tiêu chuẩn là đường kính rơi xác định tại nhiệt
độ nước 24
o
C. (The standard fall diameter is the diameter of a sphere that has a
specific gravity of 2.65 and has the same terminal settling velocity as the given
particle in uiescent, distilled water at a temperature of 24◦C).
1.1.3.7 Độ cầu (sphericity):
Độ cầu bằng tỷ số giữa diện tích bề mặt hình cầu có cùng thể tích với hạt và
diện tích bề mặt của hạt.
1.1.3.8 Độ tròn (roundness):
Độ tròn bằng tỷ số giữa giá trị trung bình của đường kính cong của các đầu hạt
và đường kính của hình tròn nội tiếp diện tích hình chiếu lớn nhất của hạt. (average
radius of curvature of the edges / radius of a circle that can inscribe the max.
projected area of the particle).
1.1.3.9 Tốc độ chìm lắng (hay còn gọi là độ thô thủy lực) (settling velocity):
Tốc độ chìm lắng (hay còn gọi là độ thô thủy lực) là tốc độ lắng chìm trung
bình ở giai đoạn kết thúc rơi của một hạt rơi đơn độc trong nước cất tĩnh có khoảng

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

8
rộng vô hạn. Khi tốc độ rơi được đo tại nhiệt độ 24
o
C, nó được gọi là tốc độ rơi tiêu
chuẩn (hay độ thô thủy lực tiêu chuẩn).
1.1.3.10 Góc nghỉ (Repose angle):
Góc nghỉ là góc dốc tạo bởi vật liệu đó cho dưới điều kiện trượt ban đầu. (The
repose angle is the angle, with respect to the horizontal, of the slope formed by
sediment particles submerged in water under incipient sliding conditions).
1.1.3.11 Độ rỗng và Khối lượng riêng khô (Porosity and dry density)
Độ rỗng: là số đo thể tích các khoảng trống trong mỗi đơn vị thể tích bùn cát,
tức là:

V
V
p


(1.3)
trong đó:

là độ rỗng;

p
V
là thể tích của lỗ hổng;

V là tổng thể tích bùn cát bao gồm cả thể tích khoảng trống và là thể
tích bùn cát đó trừ khoảng trống.
Khối lượng riêng khô: Trọng lượng đơn vị thể tích bùn cát khi được sấy khô
1.1.4 Ứng suất đáy (bed shear stress)
Ứng suất đáy là lực do dòng chảy tác dụng lên một đơn vị diện tích đáy. Đơn
vị của ứng suất đáy là Nm
-2
trong hệ SI. Thông thường, để thuận tiện cho việc biểu
thị ứng suất đáy, người ta sử dụng một đại lượng, được gọi là vận tốc ma sát hay
quy mô vận tốc, ký hiệu bằng
*
u
(shear velocity). Khi sử dụng vận tốc ma sát, ứng
suất đáy được biểu thị như sau

2
*0
u


(1.4)

 
2/1
0*
/

u
(1.5)

Với
0

là ứng suất đáy.
Thông thường, việc tính ứng suất tác dụng lên đáy là khá khó khăn. Người ta
thường tính dựa vào vận tốc dòng chảy trung bình ở trong sông. Trong thực tế, hầu
như trong tất cả các trường hợp, dòng chảy trong sông là dòng chảy rối. Đối với
dòng chảy rối, bằng cách sử dụng khái niệm độ nhớt rối, ứng suất cắt gần đáy sông
được tính như sau

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

9

z
u
t





với
t

là hệ số nhớt rối. (1.6)
Nếu sử dụng lý thuyết đoạn đường xáo trộn của Prandtl để xác định hệ số nhớt
rối, ta có thể viết lại ứng suất cắt dưới dạng

z
u
z
u
l





2

(1.7)
Với l là đoạn đường xáo trộn của Prandtl. Giả thiết là tại các vị trí gần đáy,
đoạn đường xáo trộn tỷ lệ với khoảng cách tới đáy
zl


; đồng thời, dòng chảy
trong sông là dòng chảy dừng, đều, có độ dốc mặt nước bằng độ dốc đáy. Khi đó,
gradient áp suất thuỷ tĩnh cân bằng với ứng suất đáy và phương trình cân bằng động
lượng cho dòng dừng đều trong kênh có thể được viết như sau

0




x

z
g
b
(1.8)
Thế (1.5) vào (1.6) và tích phân theo z, ta có










0
ln
1
z
z
ghiu

(1.9)
Phương trình (1.9) biểu thị phân bố vận tốc dòng chảy gầy đáy sông trong
trường hợp dòng chảy rối. Cần chú ý là trong phương trình (1.9), z là cao độ tính từ
đáy sông. Từ đó, có thể thấy rằng
0
z
là cao độ tính từ đáy sông mà tại đó vận tốc
dòng chảy bằng 0. Vì vậy,

0
z
thường được gọi là độ nhám của sông.
Bằng cách tích phân phương trình (1.9) từ mặt đến đáy, ta có thể thấy tại
khoảng cách từ đáy z = 0.368 h, vận tốc dòng chảy rối bằng vận tốc dòng chảy
trung bình theo phương thẳng đứng.
Trong thực tế, phương trình (1.9) được rút ra với giả thiết là trong dòng chảy
rối, ở gần đáy, tồn tại một lớp nước gọi là lớp có thông lượng không đổi. Có nghĩa
là trong lớp này, thông lượng động lượng, nhiệt và vật chất là không đổi. Vì thông
lượng động lượng được giả thiết là không đổi, ứng suất đáy tính theo phương trình
(1.4) được giả thiết là bằng ứng suất cắt tại các lớp trên tính theo phương trình (1.7).
Điều đó có nghĩa phương trình (1.9) có thể được viết lại như sau










0
*
ln
z
z
u
u


(1.10)
Hay vận tốc ma sát có thể được biểu thị qua độ dốc mặt nước như sau

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

10



0
*
 ghiu
(1.11)







Hình 1.4 Phân bố vận tốc dòng chảy gần đáy sông
Có thể biểu thị phân bố vận tốc dòng chảy gần đáy sông như trên hình 1.4.
Trong thực tế, ở ngay sát đáy sông, chuyển động rối bị triệt tiêu và các quá trình vận
chuyển động lượng là quá trình vận chuyển phân tử. Điều đó có nghĩa là ứng suất
đáy có thể tính theo ứng suất đối với chuyển động tầng. Theo định luật ma sát của
Newton, trong trường hợp này, ứng suất đáy được tính như sau

z

u




0
(1.12)
Với

là hệ số nhớt động học của nước. ở ngay sát đáy sông, trong chuyển
động tầng, vận tốc dòng chảy có thể xem là phụ thuộc tuyến tính vào khoảng cách
từ đáy. Với giả thiết này và bằng cách so sánh phương trình (1.12) với (1.11), ta có
thể rút ra phương trình sau

z
u
u


2
*
(1.13)
Nếu lấy giá trị vận tốc dòng chảy tại giới hạn của phân bố tuyến tính của vận
tốc dòng chảy (là độ dày

của lớp chuyển động tầng ngay tại đáy sông) là u
A
, từ
phương trình (1.13), ta có thể rút ra phương trình sau



*
*
u
u
u
A

(1.14)
Các đo đạc trong phòng thí nghiệm đã cho thấy rằng với chuyển động rối,
trong trường hợp đáy sông là trơn thuỷ lực (mố nhám có độ cao nhỏ hơn

),

01.0
0
z
. Do vậy,

 
100ln5.2
*
uu
A

(1.15)
Hay
Vận tốc tuyến tính
u

A

u

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

11

5.11
*

u
u
A
(1.16)
Từ các phương trình (1.14) và (1.16), ta có

,5.11
*



u
hay
*
5.11
u




(1.17)
Đối với các mặt đáy sông gồ ghề thuỷ lực, Nikuradse xác định được từ thí
nghiệm rằng
Dz 03.0
0

, với D là đường kính của hạt cát (diameter of uniform sand
grain).
Với các mặt không đồng nhất,
s
Kz 03.0
0

với
s
K
là độ nhám tương đương của
cát (equivalent sand roughness).
Từ phương trình (1.8), ta có




















s
K
z
z
z
u
u
03.0
log75.5ln5.2
10
0*
(1.18)
từ
hz 368.0
khi
uu 
, ta có




















ss
K
h
K
h
u
u 12
log75.5
03.0
368.0
log75.5
1010
*
(1.19)

Tóm lại, với dòng chảy rối ta có bảng sau đây
Víi ®¸y tr¬n thuû lùc
Víi ®¸y nh¸m thuû lùc

01.0
0
z









01.0
log75.5
10
*
z
u
u

















03.0
04.11
log75.5
01.0
368.0
log75.5
1010
*
hh
u
u

s
Kz 03.0
0












s
K
z
u
u
03.0
log75.5
10
*




















ss
K
h
K
h
u
u 12
log75.5
03.0
368.0
log75.5
1010
*


Phối hợp lại, ta có













3.0
12
log75.5
10
* s
K
h
u
u
(1.20)
Từ phương trình Chezy,
hiCu 

Ta có












3.0
12
log18

10
s
K
h
C
(phương trình White - Colebrook) (1.21)

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

12
Nói chung, dòng chảy rối là trơn thuỷ lực (hydraulically smooth) nếu

3.0
s
K
. Khi đó









3.0
12
log18

10
h
C
(1.22)
Dòng chảy rối là nhám thuỷ lực (hydraulically rough) nếu

6
s
K
. Khi đó










s
K
h
C
12
log18
10
(1.23)
Đối với dòng chảy khu thành nhám thuỷ lực (hydraulically rough flow),
Strickler đề xuất một phương trình khác để tính hệ số Chezy C

4/1
24









s
K
R
C
(1.24)


Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

13
1.2 Sự vận chuyển bùn cát
Bùn cát di chuyển trong sông ngòi chia làm: Bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng.
Ta cũng có thể gọi chung là bùn cát cuốn trôi (wash load), khi hạt tương đối mịn ,
dưới chế độ thủy lực nào đó.
Đặc tính của nước và hổn hợp bùn cát:
Nồng độ c theo thể tích:

ws
s
VV
V
c


; (1.25)
Trong đó: V
s
và V
W
là thể tích của nước và thể tích bùn cát
Mật độ của hổn hợp: ρ = ρ
f
.(1 − c) + ρ
s
.c (1.26)
Vận tốc hổn hợp theo phương i : u
i
= ρ [ ρ
f
(1 − c)u
fi
i + ρ
s
cu
si
]
(1.27)

1.2.1 Độ thô thuỷ lực (Settling velocity of sediment particles)
Thông thường, trầm tích ở đáy sông là hỗn hợp của cát và bùn sét. Hỗn hợp
cát và bùn sét thường là khó bị xói mòn hơn cát hay bùn. Quá trình xói mòn và vận
chuyển của hỗn hợp này là rất phức tạp nên ta không nghiên cứu trong giáo trình
này.
Với các điều kiện thủy lực (ứng lực tác dụng vào hạt bùn cát cho trước), tốc độ
vận chuyển bùn cát phụ thuộc rất mạnh vào kích thước của bùn cát. Trong tự nhiên,
hạt bùn cát có thể có kích thước rất nhỏ (khoảng 1 đến 2mm) tới vài cm. Khi kích
thước hạt nhỏ hơn 1 giới hạn nào đó, lực kết dính giữa chúng trở nên đủ lớn để bùn
cát tồn tại theo khối kết dính và được gọi là bùn cát kết dính (hay đất sét với kích
thước hạt nhỏ hơn vài mm, bùn với kích thước hạt nhỏ hơn 60μm). Khi kích thước
hạt bùn cát lớn hơn giới hạn này, lực kết dính giữa các hạt không đủ để thắng trọng
lực và chúng trở thành cát rời rạc. Các hạt cát có kích thước lớn hơn một giới hạn
nào đó (thí dụ 5mm) được gọi là sỏi, đá cuội v.v.

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

14

Hình 1.5 - Các dạng vận chuyển bùn cát
Thông thường, để đặc trưng cho bùn cát, người ta thường dùng các kích thước
d
50
(giá trị độ dài với 50% số hạt cát có đường kính nhỏ hơn) và d
50
(giá trị độ dài
với 90% số hạt cát có đường kính nhỏ hơn) .
Ngoài phụ thuộc vào kích thước hạt, tốc độ vận chuyển cát rời rạc phụ thuộc

rất nhiều vào hình dạng hạt cát. Các hạt cát có hình dạng không đều đặn (hình dạng
kỳ dị hay có một trục dài hơn các trục khác) rất khó được vận chuyển. Vấn đề xem
xét tính phụ thuộc của tốc độ vận chuyển cát vào hình dạng hạt cát là một vấn đề rất
phức tạp nên sẽ không được xem xét ở đây.
Tốc độ vận chuyển bùn cát còn phụ thuộc mạnh vào tốc độ chìm lắng của hạt
bùn cát trong nước, hay là độ thô thuỷ lực. Các nhân tố có thể ảnh hường tới độ thô
thuỷ lực là mật độ tương đối của bùn cát, kích thước hạt bùn cát, độ nhớt của nước,
mật độ bùn cát và cường độ rối. Theo lý thuyết Stokes, độ thô thuỷ lực của bùn cát,
hạt cầu (spherical particles) trong nước tĩnh có thể được tính toán theo công thức
sau



2
18
1 d
gw
s
s


(1.28)
Trong đó

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

15


(=
g

, với

là khối lượng riêng của nước) là trọng lượng riêng của nước,

s

(=
g
s

, với
s


là khối lượng riêng của bùn cát) là trọng lượng riêng của
hạt bùn cát,
g là gia tốc trọng trường,
d là đường kính hạt bùn cát



là độ nhớt động học của nước.
Độ nhớt của nước phụ thuộc vào nhiệt độ nước và có thể được ước tính theo
công thức sau

2

6
00021,00337.01
102,3
TT 




(1.29)
với T là nhiệt độ nước (
o
C)
Khi mật độ bùn cát nhỏ, độ thô thuỷ lực của bùn cát không phụ thuộc đáng kể
vào mật độ bùn cát. Tuy nhiên, khi mật độ bùn cát trong nước vượt quá một giới
hạn nào đó, độ thô thuỷ lực sẽ giảm mạnh theo sự tăng của mật độ bùn cát.

Bài tập:
Hãy xác định độ thô thủy lực của một hạt bùn cát có đường kính hạt bằng 0,03
mm dựa trên công thức Stokes. Nhiệt độ nước là 20
o
C.

Có rất nhiều công thức để tính độ thô thuỷ lực của hạt bùn cát. Một số công
thức yêu cầu sử dụng kích thước phi thứ nguyên của hạt cát

 
d
sg
D
3/1

2
*
1









(1.30)
với d là đường kính sàng median của hạt cát (
50
d
),s là tỷ số giữa khối lượng
riêng của bùn cát và khối lượng riêng của nước,

/
s
s 
.
Công thức của Hellemeier (1981) cho cát tự nhiên là

d
D
w
s
18

3
*


với
39
3
*
D


d
D
w
s
6
1.2
*


với
43
*
1039  D

(1.31)

d
D
w

s
5.1
*
05.1


với
63
*
4
10310  D


Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

16
Công thức của Van Rijn (1984) cho cát tự nhiên

d
D
w
s
18
3
*


với

187.16
3
*
D


 






 101.01
10
2/1
3
*
D
d
w
s

với
16187187.16
3
*
 D

d
D
w
s
5.1
*
1.1


với
3
*
16187 D
(1.32)

Soulsby (1997) đề xuất công thức sau cho tất cả các loại cát tự nhiên

 






 36.10049.136.10
2/1
3
*
2
D

d
w
s

(1.33)

1.2.2 Các phương thức vận chuyển bùn cát (modes of sediment transport)
Thông thường, bùn cát được vận chuyển trong sông dưới dạng lơ lửng trong
nước và được nước vận chuyển đi (bùn cát lơ lửng) hoặc trong quá trình vận
chuyển, bùn cát vẫn tiếp xúc với đáy (bùn cát di đáy). Tuỳ theo tính chất của quá
trình vận chuyển bùn cát, người ta chia thành ba dạng vận chuyển bùn cát là vận
chuyển phù sa rửa trôi, vận chuyển bùn cát lơ lửng và vận chuyển bùn cát di đáy.
Suất vận chuyển bùn cát theo ba phương thức này sẽ được xem xét dưới đây.
1.2.2.1 Suất vận chuyển phù sa rửa trôi (wash load)
Phù sa rửa trôi là phù sa rất mịn, cấu tạo bởi các hạt bùn, sét có đường kính hạt
nhỏ hơn 60μm. Vì các hạt bùn sét này rất nhỏ và có tốc độ lắng chìm quá bé nên
chuyển động Brown không cho phép chúng lắng đọng. Tuy nhiên, trong điều kiện
bình thường, các hạt bùn sét không tồn tại riêng rẽ mà kết với nhau thành từng khối
gọi là khối bông kết. Đặc biệt, khi phù sa rửa trôi được vận chuyển ra cửa sông, các
ion dương có rất nhiều trong nước mặn làm các khối bông kết phát triển lớn hơn và
có liên kết vững chắc hơn. Các khối bông kết có tốc độ lắng đọng lớn hơn nhiều tốc
độ lắng đọng của các hạt bùn sét riêng rẽ. Do tồn tại các khối bông kết, ở điều kiện
thuỷ động lực bình thường, phù sa rửa trôi có thể lắng đọng được. Đặc biệt, quá
trình lắng đọng mạnh mẽ của phù sa rửa trôi xảy ra tại cửa biển, khi phù sa rửa trôi
gặp nước mặn. Đây là lý do hình thành các bãi bồi bùn vùng cửa sông.
Trong khoa học về vận chuyển bùn cát, quá trình vận chuyển bùn cát rửa trôi
(hay bùn cát kết dính) thường được xử lý riêng. Trong nội dung của giáo trình này,

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

17
sẽ không nghiên cứu chi tiết quá trình vận chuyển bùn cát kết dính mà chỉ đưa ra
những vấn đề có tính chất hướng dẫn chung.
Bảng 1.1 - Phân loại hạt bùn cát theo kích thước

Phân loại
(Class)
Kích thước
(Size range)
Phương pháp xác định
(Determination of size)
Đá tảng
Boulder (big stone)
Đá cuội
Cobbles (cobble – stone)
Sỏi sạn
Gravel
Cát
Sand
Đất bùn
Silt
Sét
Clay
256 mm

64 ÷ 256 mm

2 ÷ 64 mm

62 ÷ 2000 μm

4 ÷ 62 μm

< 4 μm


Đo cạnh trực tiếp
Direct measurement
Đo cạnh trực tiếp
Direct measurement
Đo cạnh trực tiếp
Direct measurement
Dùng sàng
Sieving
Phân tích bùn cát
Sedimentation analysis
Phân tích bùn cát hoặc dùng
kính hiển vi
Sedimentation analysis or
microscopic analysis

1.2.2.2 Suất vận chuyển bùn cát lơ lửng (Suspended load)
Bùn cát lơ lửng là bùn cát được nâng bởi thành phần hướng lên của dòng chảy
rối và ở trạng thái lơ lửng trong một khoảng thời gian đáng kể. Trong phần lớn các
sông tự nhiên, bùn cát phần lớn được vận chuyển dưới dạng bùn cát lơ lửng.
Thường bùn cát lơ lửng là hỗn hợp của bùn, sét và cát. Tuy vậy, như đã nói ở trên,
vì tính chất cơ lý của bùn sét rất phức tạp và rất khác với tính chất cơ lý của cát nên
ở đây sẽ không xét đến vận chuyển của bùn sét. Như vậy, chúng ta sẽ chỉ xét đến

vận chuyển của cát lơ lửng.
1.2.2.3 Suất vận chuyển bùn cát di đáy (Bed material load)
Người ta gọi quá trình chuyển động của các hạt cát dọc theo đáy dưới dạng
các hạt cát lăn, trượt hoặc nhảy cóc dọc theo đáy là quá trình vận chuyển bùn cát di
đáy (Hình 1.6). Nói chung, suất vận chuyển bùn cát di đáy trong sông bằng khoảng
5 - 25 % suất vận chuyển bùn cát lơ lửng. Tuy nhiên, đối với bùn cát thô (như
trường hợp các sông Miền Trung), lượng vận chuyển bùn cát di đáy có thể cao hơn.

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

18

Hình 1.6 - Vận chuyển bùn cát di đáy
(Suspended load is defined as suspended bed material load + wash load)
1.2.3 Thông số Shields (Shields parameter)
Tuy rằng được sử dụng rất rộng rãi trong thuỷ lực học, khái niệm vận tốc ma
sát đáy rất ít được sử dụng trong tính toán vận chuyển bùn cát. Thông thường, để
tính toán suất vận chuyển bùn cát, người ta đưa ra thông số Shields,

, được định
nghĩa như sau

 
dg
s






0
(1.34)
hay

 
dsg
u
1
2
*



(1.35)
Trong đó: d = đường kính cỡ hạt
S

= ρ
s
/ ρ
Ứng suất đáy không chỉ phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy mà còn phụ thuộc
vào độ nhám đáy.
1.2.4 Vận tốc khởi động của hạt cát
Hạt cát nằm trên đáy khi có dòng chảy sẽ chịu tác dụng của trọng lực, lực ma
sát với đáy và ứng suất của dòng chảy. Nếu vận tốc dòng chảy là đủ nhỏ và độ dốc
đáy sông không lớn, hạt cát sẽ nằm yên trên đáy. Nếu vận tốc dòng chảy tăng lên,
lực tác dụng vào hạt cát sẽ tăng dần cho tới khi đủ sức thắng lực ma sát và hạt cát
bắt đầu chuyển động. Vận tốc dòng chảy mà tại đó hạt cát bắt đầu chuyển động

được gọi là vận tốc khởi động của hạt cát.
Vì rằng lực ma sát giữa hạt cát với đáy sông phụ thuộc vào kích thước, hình
dạng và trọng lượng riêng của hạt cát nên nói chung vận tốc khởi động của hạt cát

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

19
phụ thuộc vào các yếu tố này. Ngoài ra, vận tốc khởi động của hạt cát còn phụ thuộc
vào độ nghiêng của mặt đáy sông. Nếu hạt cát nằm trên một mặt nghiêng, trọng lực
tác dụng lên hạt cát sẽ có thành phần hướng theo bề mặt nghiêng. Nếu như thành
phần này của trọng lực lớn hơn lực ma sát, hạt cát sẽ chuyển động xuống dưới cho
dù không chịu tác động của dòng chảy. Như vậy, vận tốc khởi động của hạt cát khi
chuyển động từ trên xuống theo mái nghiêng sẽ nhỏ hơn vận tốc khởi động của hạt
cát trên mặt nằm ngang và nhỏ hơn rất nhiều vận tốc khởi động của hạt cát khi nó
chuyển động từ dưới lên theo mái nghiêng.
Có nhiều phương pháp xác định vận tốc khởi động của hạt cát. Sau đây sẽ
trình bày chi tiết về các phương pháp này.
1.2.4.1 Phương pháp biểu đồ Shields(Remarks on the Shield’s Diagram)
Vận tốc khởi động của cát do dòng chảy trung bình có thể tính theo biểu đồ
Shields (Hình 1.7) Đường kính tính toán của Shield là D
50
(Hình 1.7). Trên biểu đồ
này, trục tung thể hiện thông số Shields , trục hoành thể hiện số Reynolds hạt cát
(Particle Reynolds Number), định nghĩa như sau


Du
R

*
*

(1.36)
Trong đó, D là đường kính hạt cát,

là độ dày lớp chuyển động tầng sát đáy.
Từ mối liên hệ cho lớp biên trơn, ta có

5.11
*



u
(1.37)
Nhân cả hai vế của phương trình trên với

/D
, ta có

*
*
5.11 R
D
Du


(1.38)
Như vậy, ta có thể biểu thị thông số Shields theo số Reynolds hạt như trên

Hình 1.7. Nếu như biết trước h, i, D,
s

, có thể tính
ghiu 
*
và
gD
u


2
*

với




s
. Từ giá trị tính được của

và

Du
R
*
*

, có thể tìm điểm tương ứng trên

biểu đồ Shields. Căn cứ vào vị trí của điểm đó, có thể xác định được hạt cát có
chuyển động hay không.

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

20
Có một số lƣu ý trong khi sử dụng biểu đồ Shields nhƣ sau:
1. Biểu đồ Shields dựa trên việc tính toán chuyển động trong khi đã có một
lượng nhỏ bùn cát đã được vận chuyển. Do vậy, để đảm bảo độ an toàn cho tính
toán, Paitel (1971) đã đề xuất sử dụng giá trị =0.02

cho trường hợp cát thô và
không có vận chuyển bùn cát. Có nghĩa là khi mà R
*
>200.
2. Khi đáy sông là đá cuội, R
*
thường lớn hơn 200, và dòng chảy thường là
dòng chảy rối.
Khi đó,
const
gD
u
c


2
*

Hay
Du
c

*
. Mặt khác, khối lượng của hạt sỏi w tỷ lệ với thể tích của nó,
tức tỷ lệ với D
3
. Do đó,
6/1
*
wu
c

, tức là vận tốc ma sát tới hạn của hạt sỏi tỷ lệ với
căn bậc 6 khối lượng của nó.
3.Từ biểu đồ Shields, có thể thấy rằng  đạt giá trị cực tiểu khi

D
. Tức là
5.11
**
*




uDu
R

.
4. Đối với đá cuội, R
*
> 200
02.0
ccritical


Vì vậy:
02.0
2
*

gD
u
c
. (1.39)
5. Thí nghiệm thuỷ lực của Delft Hydraulics cho thấy rằng nếu cát có kích
thước không đồng nhất, có thể xem D là đường kính danh nghĩa của hạt.
6. Biểu đồ Shields chỉ đúng cho đáy phẳng; do đó đối với đáy nghiêng cần có
hệ số điều chỉnh.

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

21

Hình 1.7 - Biếu đồ Shields

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

22
1.2.4.2 Các công thức khác
Phương pháp biểu đồ Shields rất thuận lợi khi tính toán vận tốc ma sát tới hạn
của hạt cát một cách thủ công. Tuy nhiên, trong trường hợp phải tính toán bằng máy
tính, việc áp dụng biểu đồ Shields gặp một số khó khăn vì phải số hoá biểu đồ và
tìm thuật toán thích hợp để xác định các giá trị trên biểu đồ. Hơn nữa, trong các mô
hình số trị tính toán dòng chảy trong sông, trong tuyệt đại đa số trường hợp, do hạn
chế về tốc độ tính toán và khả năng tính toán của máy tính mà người ta thường sử
dụng các phương trình hai chiều theo phương nằm ngang. Điều đó có nghĩa là
phương trình 3 chiều của dòng chảy được tích phân theo phương thẳng đứng và vận
tốc dòng chảy được tính toán là vận tốc trung bình theo phương thẳng đứng. Khi đó,
có thể xác định vận tốc dòng chảy tới hạn gây vận chuyển bùn cát theo các công
thức như sau:
Công thứcVan Rijn (1984)

   
9010
1.0
50
/4log19.0 dhdU
cr


với
mmdmm 5.01.0
50



   
9010
6.0
50
/4log5.8 dhdU
cr

với
mmdmm 25.0
50

(1.40)
Soulsby (1997) tính như sau:
   
 
2/1
*50
7/1
50
17 Dfdsg
d
h
U
cr











với
1.0
*
D
(1.41)
   
 
*
*
*
020.0exp1055.0
2.11
30.0
D
D
Df 


(1.42)
 

50
3/1
2
*
1
d
sg
D









,


s
s 
. Nếu không có số liệu, thường lấy
s

=2.65
tấn/m
3
.
Khởi động của cát do dòng chảy sóng được tính theo công thức Komar và

Miller (1974)

 
 
3/13/1
50
3/2
1118.0 TdsgU
wcr

với
mmd 5.0
50



 
 
7/17/3
50
7/4
109.1 TdsgU
wcr

với
mmd 5.0
50

(1.43)
Trong đó, T là chu kỳ sóng.

Các công thức này có nhược điểm là cho các giá trị sai khác lớn nếu
mmd 5.0
50

.
Thông số Shields khởi động
 
dg
s
cr
cr





(1.44)

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

23
Công thức của Soulsby và Whitehouse (1997)

 
 
*
*
020.0exp1055.0

24.0
D
D
cr


(1.45)
Công thức này cho kết quả tính quá lớn với cát mịn.
Soulsby (1997) đã hiệu chỉnh công thức trên như sau

 
 
*
*
020.0exp1055.0
2.11
30.0
D
D
cr




(1.46)




Hình 1.8 - Đáy nghiêng

Trong trường hợp mặt dốc, ta có

 
 
i
i
cr
cr





sin
sin 

nếu chuyển động lên dốc (1.47)

 
 
i
i
cr
cr






sin
sin 

nếu chuyển động xuống dốc (1.48)
Với 
i
là góc nghỉ của hạt cát (angle of repose) , thường lấy bằng 32
o
;
 là góc nghiêng của mặt so với phương nằm ngang (Hình 1.8).
Các công thức từ (1.35) tới (1.43) chỉ được áp dụng cho ứng suất tác dụng lên
đáy gây ra bởi tác dụng riêng rẽ của dòng chảy hay sóng. Trong trường hợp tác
dụng đồng thời của sóng và dòng chảy (như vùng cửa sông và ven bờ biển) ta có
công thức sau
Ứng suất đáy tổng cộng do sóng và dòng chảy đồng thời gây ra trong trường
hợp tồn tại đồng thời dòng chảy và sóng được tính như sau:




















2/3
2.11
wc
w
cm



(1.49)
Trong đó,

m
là ứng suất đáy tổng cộng do sóng và dòng chảy đồng thời gây ra,

c
là ứng suất đáy do dòng chảy gây ra


Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

24

w

là ứng suất đáy do sóng gây ra.
Ứng suất đáy do sóng gây ra được tính theo vận tốc dòng chảy sóng ngay phía
trên đáy như trong phần 1.
Ứng suất đáy do dòng chảy gây ra có thể được tính theo vận tốc dòng chảy
trung bình theo độ sâu theo công thức

2
0
UC
D


(1.50)
Trong đó, hệ số kéo
D
C
được tính theo công thức

3/1
2
2
8
h
gn
C
gf
C
D

(1.51)

Trong đó, f là hệ số ma sát đáy, C là số Chezy và n là số Manning.
Công thức đơn giản nhất để tính hệ số kéo theo mối liên hệ hàm mũ như sau:










h
z
C
D
0

Với độ nhám
12
50
0
d
z 
(1.52)
Các tác giả khác nhau cho các giá trị khác nhau của các hệ số

và

.

Theo Manning - Strickler,
0474.0

và
3/1

.
Theo Dawson et al (1983),
0190.0

và
208.0

.
1.2.5 Vận tốc vận chuyển bùn cát di đáy
Vận tốc vận chuyển bùn cát di đáy q
b
được xác định theo hàm vận chuyển phi
thứ nguyên

 
 
2/1
3
1 dsg
q
b


(1.53)

Và thông số Shields

 
dsg 1
0





(1.54)
Công thức Meyer-Peter và Muller (1948)

 
2/3
8
cr


(1.55)
Với
047.0
cr

.
Công thức Van Rijn (1984)

 
4.2
2/12/12/1

crR
F


(1.56)

Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ

| Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện

25
Với
2.0
7.1
005.0







h
d
C
F
D
R
(1.57)
Và h là độ sâu nước.

Các công thức trên chỉ áp dụng được cho dòng chảy. Vì sóng có hình sin nên
cần xác định lượng vận chuyển tổng cộng dư sau 1 chu kỳ sóng theo Bijker (1967)
như sau

 
 









22
*
*
016.0
127.0
exp
w
Bb
Uu
dsg
duAq

(1.58)
Với u
*

là vận tốc ma sát do dòng chảy gây ra
u
*
tính theo vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu như sau:

 
r
h
U
u


/12ln
4.0
*
; μ là thông số mố nhám đáy, phụ thuộc vào độ cao mố
nhám đáy. ở đây, tạm thời cho

=1.
1.2.6 Vận tốc vận chuyển bùn cát lơ lửng
Khi vận tốc dòng chảy hay sóng lớn hơn rất nhiều giới hạn chuyển động của
bùn cát, bùn cát sẽ bị nâng lên khỏi đáy và tồn tại ở trạng thái lơ lửng. Thông
thường, các xoáy rối là những tác nhân chính giữ bùn cát ở trạng thái lơ lửng. Một
khi đã tồn tại ở trạng thái lơ lửng, bùn cát sẽ bị dòng chảy vận chuyển với tốc độ
đúng bằng tốc độ của dòng chảy.
Để bùn cát duy trì được trạng thái lơ lửng, vận tốc chìm lắng (độ thô thuỷ lực)
của hạt bùn cát phải nhỏ hơn hoặc bằng thành phần theo phương thẳng đứng của
vận tốc rối. Thành phần theo phương thẳng đứng của vận tốc rối liên hệ chặt chẽ với
vận tốc ma sát
*

u
. Điều đó có nghĩa là vận tốc tới hạn để bùn cát bị cuốn lên và tồn
tại ở trạng thái lơ lửng được xác định như sau

ss
wu 
*
(1.59)
với
s
u
*
là vận tốc ma sát do ứng lực tác dụng trực tiếp lên mặt hạt cát.
Với cát đồng nhất, có thể áp dụng phương trình (1.59) để tính ứng suất tới hạn
tạo bùn cát lơ lửng. Nếu bùn cát là hỗn hợp, có thể chia bùn cát ra thành từng loại
với cấp độ hạt khác nhau, và áp dụng phương trình (1.59) cho từng loại hạt. Cũng
có thể chọn một kích thước đại biểu cho toàn bộ lớp bùn cát đáy, và áp dụng
phương trình (1.59) cho kích thước này.