6.8.2: Критичне напруження зсуву та швидкість осідання
- Page ID
- 1398
Частинки піску, мулу і глини безперервно захоплюються, транспортуються і осідають в прибережній системі течіями і хвилями. Через різницю в розмірах зерен і згуртованості характеристики транспортування осаду піску та грязі різні. Як правило, пісок транспортується як навантаження на ліжко (на межі розділу ліжко-вода) і як підвішене навантаження (вище в товщі води). Для низьких концентрацій осаду мул і глина транспортуються лише у суспензії. Для високих концентрацій мул і глину також можна транспортувати як рідкий бруд у шарі біля ліжка. У такому випадку рідинна грязь буде виступати в'язким шаром поверх шару, блокуючи обмін піску між шаром і товщею води.
Ми бачили, що швидкість падіння є важливим параметром, що визначає вертикальний розподіл зваженого осаду (див. Наприклад, Eq. 6.6.3.1). Швидкість падіння залежить від розміру, форми та питомої щільності частинок, температури води та концентрації осаду. Як орієнтир, окрема мулова частка\(10\ \mu m\) має швидкість падіння в негазованій воді приблизно\(0.1\ mm/s\). Для піску властивості частинок відносно не залежать від часу (оскільки кристали кварцу хімічно тверді і стабільні, потрібні роки, щоб змінити розмір піщинки). Але, як ми бачили в секті. 2.6.2, розмір і форма бруду можуть змінюватися досить легко. В результаті флокуляції збільшується розмір окремих частинок грязі. При такому збільшенні частинки стають важчими, що прискорить осідання частинок. З іншого боку, через збільшення розміру, а також сили опору, опір, яку частка «відчуває» при осіданні, збільшиться. Це сповільнить частинку і в кінцевому підсумку може спричинити дефлокуляцію.
Ще одним фактором, що впливає на транспортування осаду, є обмін між донним шаром і товщею води. Вгору потік осаду з пласта в товщу води сильно залежить від складу пласта. З лабораторних експериментів було зроблено висновок, що можна виділити два режими: незгуртований і згуртований режим (Van Ledden & Wang, 2001). Вміст глини (масовий відсоток частинок з розміром зерен менше\(4\ \mu m\)) матеріалу шару є керуючим параметром для переходу між обома режимами. При вмісті глини менше 5% до 10% пласт поводиться більш-менш неузгоджено. Пісок і бруд розмиваються більш-менш незалежно, тому можуть бути використані «нормальні» склади для ерозії ліжка. При вмісті глини, що перевищує 5% - 10%, пласт поводиться злагоджено. Частинки піску і бруду розмиваються одночасно. На малюнку 6.17 наведені критичні швидкості в залежності від вмісту бруду (глини і мулу) в матеріалі дна.
При моделюванні транспорту осадів процеси обміну між товщею води та нижнім шаром часто вважаються регульованими критичним напруженням зсуву шару матеріалу дна та фактичними напруженнями зсуву шару (Sect. 6.3).
Для фактичних напружень зсуву шару більше, ніж критичне напруження зсуву шару матеріалу шару, зерна можуть бути розмиті, тоді як для фактичних напружень зсуву шару менше, ніж критичне напруження зсуву шару матеріалу шару, зерна можуть осісти:
\[\tau_{b, \text{actual}} > \tau_{b, cr} \to \text{erosion}\]
\[\tau_{b, \text{actual}} < \tau_{b, cr} \to \text{sedimentation}\]
Для незв'язного матеріалу критичне напруження зсуву шару\(\tau_{b, cr}\) для ерозії дорівнює критичному напруженню зсуву шару для осідання. Для зв'язного матеріалу, де між частинками є сильна сила зв'язування, це не так. Критичне напруження зсуву шару для ерозії більше, ніж критичне напруження зсуву шару для осідання. Це означає, що для діапазону фактичних напружень зсуву шару не відбувається обміну з нижнім шаром у випадку когезійних відкладень:
\[\tau_{b, \text{actual}} > \tau_{b, cr, er} \ \ \ \ \to \text{erosion}\]
\[\tau_{b, cr, sed} < \tau_{b, \text{actual}} < \tau_{b, cr, er} \ \ \to \text{no exchange with bottom layer}\]
\[\tau_{b, \text{actual}} < \tau_{b, cr, sed}\ \ \ \ \to \text{sedimentation}\]
Точні склади для транспортування осадів сумішей піску і грязі все ще є предметом досліджень.