Xác định tham số sóng và mực nước

Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước Chương 2 XÁC ĐỊNH THAM SỐ SÓNG VÀ MỰC NƯỚC 2.1. Các quy định chung. Khi xác định các thông số của sóng ở phía vùng nước không được che chắn và trong các khu nước được che chắn phải xét đến các yếu tố hình thành sóng, tốc độ gió, hướng gió, thời gian tác động liên tục của gió trên mặt nước. Kích thước và hình dạng của vùng nước chịu gió, địa hình đáy biển và độ sâu vùng nước có xét đến các dao động mực nước. Mực nước tính toán và các đại lượng của gió phải xác định theo kết quả xử lý thống kê các chuỗi số liệu quan trắc nhiều năm (≥25 năm). Khi xác định mực nước tính toán phải xét đến các dao động do thuỷ triều, nước dâng và nước rút do bão, các dao động theo mùa và theo năm. Khi tính toán các thông số sóng phải chia biển thành các vùng sau đây: - Vùng nước sâu: độ sâu d5.0d λ≥ , ở vùng này đáy biển không ảnh hưởng đến các đặc trưng của sóng; - Vùng nước nông: độ sâu d nằm trong phạm vi crd dd5.0 >≥λ , ở vùng này sự lan truyền của sóng và các đặc trưng của sóng chịu ảnh hưởng của đáy biển. - Vùng sóng đổ: từ độ sâu dcr đến độ sâu dcr,u là độ sâu bắt đầu và kết thúc của sóng đổ; - Vùng mép nước: nơi có độ sâu ucrd ,≤ , ở đó sóng vỡ tràn lên bờ có chu kỳ; - Khi xác định độ ổn định và độ bền của công trình thuỷ và các cấu kiện, suất bảo đảm tính toán của chiều cao sóng trong hệ sóng được lấy theo bảng: Bảng 2- 1. Xác định suất bảo đảm của công trình thuỷ Loại công trình thuỷ Suất bảo đảm tính toán của chiều cao sóng % Công trình dạng đường thẳng đứng 1 Công trình kiểu kết cấu hở và vật liệu cản cục bộ: - Cấp I - Cấp II - Cấp III 1 5 13 Công trình gia cố bờ: - Cấp I, II - Cấp III, IV 1 5 Công trình chắn sóng có mái dốc gia cố bằng: - Tấm, bản Bê tông - Đá đổ, các khối kỳ dị 1 2 Khi xác định độ che chắn sóng của khu nước cảng chiều cao sóng lấy với suất bảo đảm 5%; 2-1 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước Khi xác định chiều cao sóng leo chiều cao sóng lấy với suất bảo đảm là 1%. Khi xác định tải trọng sóng lên công trình cần lấy chiều cao sóng với suất đảm bảo hi và chiều dài trung bình λ của sóng. 2.2. Xác định tham số gió tính toán. Do sóng được xét đến là sóng do gió gây ra và không xét sóng do các nguyên nhân khác nên ta cần phải xác định các thông số gió trước khi xác định thông số sóng. Với gió mạnh, sóng sẽ lớn và công trình sẽ có kích thước lớn. Tuy nhiên nếu ta lấy gió yếu thì thông số sóng sẽ nhỏ, công trình sẽ có kích thước nhỏ, tuổi thọ của công trình ngắn. Để dung hoà cần chọn thông số gió sao cho giá thành suy diễn của công trình là tối ưu. p = 0,1k + E (2- 1) Trong đó K là giá thành xây dựng cơ bản, E là giá thành duy tu trong một năm. Để đơn giản hoá trong quy phạm 22TCN 222-95 nêu tần suất của gió theo cơn bão tính toán là: 2% (1 lần trong 50 năm)- đối với công trình cấp I và II; 4% (1 lần trong 25 năm)- đối với công trình cấp III và IV. Theo yêu cầu trên ta cần xác định cấp công trình trước khi xác định tần suất gió. 2.2.1. Vận tốc gió của cơn bão tính toán. Trên thực tế số liệu quan trắc của các cơn bão có thể không đầy đủ. Để xác định vận tốc gió của cơn bão có chu kỳ lặp với N năm nào đó ta sử dụng phương pháp Alếchxâyev.G.A Đặt giả thiết ta cần xác định giá trị của x trong chu kỳ lặp N năm khi có số liệu trong m năm. Alếchxâyep đề xuất công thức thực nghiệm sau: nxabS .lg −= (2- 2) Trong đó: n - hằng số sao cho quan hệ nxS ~lg là tuyến tính; a, b - hằng số được xác định khi có quan hệ tuyến tính nxS ~lg ; x - đại lượng ngẫu nhiên; S - số lần xuất hiện bình quân trong 1 năm theo các cấp giá trị của x. Trước hết cần xác định giá trị n bằng cách cho một số giá trị và vẽ đồ thị quan hệ nxS ~lg . Nếu giá trị n làm cho đồ thị nxS ~lg là đường thẳng thì giá trị này của n là giá trị được chấp nhận. Ta cần xác định giá trị của x xuất hiện 1 lần trong N năm, hay nói cách khác N S 1= , thay vào công thức trên ta có: naxb N −=1lg hay suy ra: NbaxaxbN nn lglg +=⇒−=− ( )nn Nb a x 1 1 lg.1 +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= (2- 3) 2-2 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước a, b - hệ số trong phương trình đường thẳng nxabS .lg −= được xác định bằng cách lấy 2 điểm có giá trị x1, x2 bất kỳ trên đồ thị và giải hệ phương trình: ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ −= −= n n xabS xabS 22 11 .lg .lg (2- 4) Trình tự tính toán thực hiện như sau: -Lập bảng phân cấp giá trị của x và số lần xuất hiện của từng năm theo các cấp, tính giá trị m SS = theo mỗi cấp, S là tổng số lần xuất hiện trong một cấp của m năm. Bảng 2- 2. Phân cấp giá trị x và số lần xuất hiện Số lần xuất hiện vi≥ v theo cấp sau Năm 2 m/s 5 m/s 10 m/s 20 m/s 30 m/s 50 m/s 1963 m11 m12 m13 ... ... ... 1964 m21 m22 m23 ... ... ... ..... 1999 mn1 mn2 mn3 .... .... .... Với số năm quan trắc là m ta có: S ∑ =1j 1jm ∑ =1j 2jm .... .... .... .... S m S1 m S2 m S3 .... .... .... Slg 1lg S 2lg S 3lg S .... .... .... Cho n một số giá trị ví dụ 0,8; 1; 1,2; vẽ đồ thị quan hệ giữa Slg và vn Trong ví dụ trên khi n =1,0 thì quan hệ Slg và vn là đường thẳng nên ta chấp nhận giá trị này. Lấy hai điểm bất kỳ trên đường thẳng ta có và n2 n 1 v,v 21 lg,lg SS dựa vào hệ phương trình: ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ −= −= n n vabS vabS 22 11 .lg .lg Xác định a, b với cấp công trình đã cho ta có chu kỳ lặp N có thể là 25 năm hoặc 50 năm, giá trị v được xác định theo công thức (2.3). 2.2.2. Chuyển tốc độ gió sang điều kiện mặt nước. Khi xác định tham số sóng và nước dồn cần chuyển vận tốc gió sang điều kiện mặt nước. Tốc độ gió trên 10m so với mực nước trên biển được xác định theo công thức: ttfw v.K.Kv = (2- 5) Trong đó: vt - tốc độ gió ở độ cao 10m trên mặt đất, lấy trong khoảng 10’ với suất bảo đảm đã xác định. Kf - hệ số tính đổi tốc độ gió bằng máy đo gió, xác định theo công thức: 2-3 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước t f v 5,4675,0K += (2- 6) (nhưng không lớn hơn 1) Kt - hệ số tính đổi tốc độ gió sang điều kiện mặt nước, Kt =1 khi tốc độ gió vt đo trên địa hình là bãi cát bằng phẳng và xác định theo bảng 2.3 với các dạng địa hình khác. Bảng 2- 3. Giá trị hệ số Kt Giá trị Kt khi địa hình thuộc loại Tốc độ gió vt (m/s) A B C 10 1,10 1,30 1,47 15 1,10 1,2 1,44 20 1,09 1,26 1,42 25 1,09 1,25 1,39 30 1,09 1,24 1,38 35 1,09 1,22 1,36 40 1,08 1,21 1,34 A- địa hình trống trải (bờ biển, đồng cỏ, rừng thưa, đồng bằng); B - thành phố rừng rậm hoặc địa hình tương tự có chương ngai vật phân bố đều, chiều cao hơn 10m so với mặt đất; C - địa hình thành phố với nhà chiều cao hơn 25m. 2.2.3. Xác định đà gió. Khi xác định sơ bộ các thông số sóng thì giá trị của đà gió (m) đối với vận tốc gió tính toán vw (m/s) cho trước được xác định theo công thức: w visw v KL υ= (2- 7) Trong đó: Kvis - hệ số, lấy bằng 5.1011; υ - hệ số nhớt động học của không khí lấy bằng 10-5 m2/s. Giá trị đà gió lớn nhất Lw (m) cho phép lấy theo bảng đối với vận tốc gió tính toán cho trước. Bảng 2- 4. Giá trị đà gió theo vw Tốc độ gió vw m/s 20 25 30 40 50 Giá trị đà gió L.10-3 (m) 1600 1200 600 200 100 2.3. Mực nước lan truyền sóng. 2.3.1. Mực nước tính toán. Khi xác định thông số sóng và tính tải trọng sóng cũng như cao trình đỉnh công trình ta cần xác định mực nước lan truyền sóng. Để có mực nước này ta cần xác định mực nước tính toán và nước dâng do gió. Mực nước tính toán được lấy không lớn hơn: 2-4 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước 1% (1 lần trong 100 năm) đối với công trình cấp I; 5% (1 lần trong 20 năm) đối với công trình cấp II, III; 10% (1 lần trong 10 năm) đối với công trình cấp IV. 2.3.2. Chiều cao nước dâng do gió. Chiều cao nước dâng do gió (∆hset) được xác định qua quan trắc thực tế. Nếu không có số liệu quan trắc thực tế thì có thể xác định ∆hset theo phương pháp đúng dần (coi độ sâu đáy biển là hằng số) ( ) bwset 2 w wset hcos.h.5,0dg L.v.Kh ∆+α∆+=∆ (2- 8) Trong đó: ∆hb - nước dâng do bão (chênh lệch áp suất), n b Ph γ ∆=∆ ; ∆P - độ chênh áp; γn - trọng lượng riêng của nước; ∆hset - nước dâng do nước dồn và bão; Lw - đà gió; vw - vận tốc gió tính toán; d - độ sâu trung bình trên đà gió; Kw - hệ số lấy theo bảng 2.4; wα - góc hợp của hướng gió với pháp tuyến của đường bờ. Bảng 2- 5. Hệ số Kw vw (m/s) Kw 20 2,1.10-6 30 3,0.10-6 40 3,9.10-6 50 4,8.10-6 2.3.3. Mực nước lan truyền sóng: ∇ lan truyền sóng = ∇ MNTT + ∆hset (2- 9) 2.4. Xác định thông số sóng khởi điểm. 2.4.1. Thông số sóng trong vùng không ảnh hưởng đường bờ. Chiều cao trung bình dh (m) và chu kỳ trung bình của sóng T (s) ở vùng nước sâu phải xác định theo đường cong bao trên cùng ở đồ thị 2.1. Căn cứ vào các giá trị của các đại lượng không thứ nguyên , , để xác định các trị số wV/gt 2/ wVgL 2/ wVgd 2/ Wd Vhg và wV/Tg , lấy các giá trị bé nhất tìm được để tính ra chiều cao và chu kỳ trung bình của sóng. Thời gian gió thổi t lấy bằng 21600s khi không có số liệu. 2-5 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước Nếu điểm tra nằm ngoài vùng đồ thị thì chỉ tra trên đường cong bao trên và khẳng định được sóng khởi điểm là sóng nước sâu, nếu điểm tra nằm dưới đường cong bao trên thì sóng khởi điểm sóng nước nông. Khi tốc độ gió thay đổi dọc theo đà gió thì cho phép lấy dh theo kết quả xác định liên tiếp chiều cao sóng cho các đoạn có tốc độ gió không đổi. 2.4.2. Thông số sóng trong vùng ảnh hưởng đường bờ Hình dạng đường bờ được coi là phức tạp nếu tỷ số Lmax/Lmin ≥2, trong đó Lmax và Lmin tương ứng là tia ngắn nhất và dài nhất trong số các tia vẽ từ điểm tính toán trong phạm vi hình quạt hai bên hướng gió cho đến điểm giao cắt với đường bờ phía đầu gió, trong đó các chướng ngại vật với góc mở ≤22,5 045± 0 không cần xét đến. Đối với vùng mà thông số sóng hình thành do có sự ảnh hưởng của đường bờ thì thông số sóng khởi điểm dh , T sẽ được xác định theo cách sau; -Lấy hướng gió chính; -Lấy thêm về 2 bên 3 tia (3 phương truyền sóng), góc hợp mỗi tia là 22,50; -Xác định đà gió theo mỗi tia: kéo dài các tia sao cho cắt đường bờ. Đà gió trên mỗi tia [ 1min LLi bL = Xác định : hình chiếu của trên tia chính. niL iL Dựa vào chiều sâu trung bình , , thời gian gió thổi t xác định id niL ih . ( ) ( ) ( )24242323222221 5,31321251,0 −−− ++++++= hhhhhhhhd (2- 10) Chu kỳ sóng xác định theo phương pháp 7 tia được xác định từ giá trị dh dh → w 2V h.g → wV T.g → T → π=λ .2 T.g 2 d 2.4.3. Thông số sóng trong vùng có nhiều vật cản nhỏ. Trong trường hợp trong vùng hình thành thông số sóng có nhiều vật cản thì cách xác định chiều cao sóng dh như sau: -Vẽ 7 tia giống như phương pháp 7 tia; -Xác định chiều cao sóng ih trên mỗi tia; -Lấy về 2 bên tia hợp 1 góc 11,250. Chiều cao sóng trên 1 tia: mj 2 m 1j mjni 2n 1i nin h.h.xh ∑∑ == ν+= (2- 11) Trong đó: mjni ,x ν - là kích thước góc của một vật cản thứ i và của khoảng hở thứ j giữa các vật cản; 2-6 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước mjni h,h - là chiều cao sóng trung bình được xác định dựa vào đà gió sau khi đã lấy hình chiếu lên tia chính; mjni L,L 0 ni ni 5,22 x α= ; 0mjmj 5,22 β=ν Sau khi xác định được các khoảng hở và các khoảng bị che bởi vật cản ta xác định được kích thước góc của chúng. Sau đó xác định được đà gió trong mỗi khoảng: đó là khoảng cách từ mép vật cản gần nhất đến điểm tính. Trong trường hợp của khoảng hở thì tính từ đường bờ hoặc lấy theo đà gió xác định theo vận tốc gió. Hình 2- 1. Đồ thị xác định chiều cao, chu kỳ sóng. 2.4.4. Chiều dài sóng khởi điểm. Chiều dài trung bình dλ của sóng xác định theo công thức sau: π=λ 2 Tg 2 d (2- 12) 2.4.5. Chiều cao sóng với suất bảo đảm i%. Chiều cao sóng có suất bảo đảm i% trong hệ hd,i (m) phải xác định bằng cách nhân chiều cao trung bình của sóng với hệ số ki lấy từ hình 2.2 ứng với đại lượng không thứ nguyên 2. wVLg . Khi đường bờ có hình dạng phức tạp thì trị số 2wVL.g phải xác định theo đại lượng 2. wd Vhg và đường cong bao trên cùng của hình 2.1. Các thông số của sóng với suất bảo đảm 1; 2; 4% phải lấy theo các hàm phân bố được xác định theo các số liệu hiện trường, còn nếu không có hoặc không đủ các số liệu đó thì lấy theo kết quả xử lý các bản đồ khí tượng. Khi sóng khởi điểm là nước nông thì tra theo L, d sau đó lấy giá trị nhỏ nhất. 2-7 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước Hình 2- 2. Đồ thị xác định ki 2.4.6. Độ vượt cao của sóng. Độ cao của đỉnh sóng trên mực nước tính toán cη (m) phải tính toán theo trị số ic hη xác định từ hình 2.3 ứng với giá trị 2.Tghi đã cho, trong đó lấy dd λ =0,5 với sóng nước sâu, với sóng nước nông tra theo giá trị cụ thể. Hình 2- 3. Đồ thị xác định ηc 2.4.7. Phân vùng sóng khởi điểm. Khi đã xác định được tham số sóng khởi điểm có thể là sóng nước sâu, có thể sóng nước nông, ta cần xác định ranh giới của vùng sóng khởi điểm. Vẽ mặt cắt dọc theo phương của gió. -Nếu là sóng nước sâu lấy từ MNTT một đoạn 2 λ ; -Nếu là sóng nước nông: ranh giới của sóng khởi điểm là vùng độ dốc i< 0,001 (Trong trường hợp giá trị của suất bảo đảm nằm ngoài đường cong trên thì dùng phương pháp nội suy). 2.5. Thông số sóng trong vùng i≤0,001. 2-8 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước Chiều cao sóng trung bình trong vùng từ ranh giới nước sâu đến vị trí i=0,001 dược xác định như sau: - Xác định đà gió L2 trong khoảng ranh giới sóng nước sâu và i=0,001, độ sâu tương ứng là d1 và d2; - Xác định đà gió tương đương L1 khi biết dh và d1 (bằng cách tra ngược lại); - Xác định chiều cao, chu kỳ sóng khi biết đà gió L1+L2 và độ sâu d2. - Chiều cao sóng hi lấy bằng ikh trong đó ki tra theo L, d sau đó lấy giá trị nhỏ nhất. Độ vượt cao của sóng xác định như sóng khởi điểm. 2.6. Thông số sóng biến dạng (độ dốc đáy i≥0,001). 2.6.1. Chiều cao sóng biến dạng. Chiều cao sóng có suất bảo đảm i% ở vùng nước nông với độ dốc đáy được xác định theo công thức: 0010,≥ dhilrti kkkkh = (2- 13) kt - hệ số biến hình; kr - hệ số khúc xạ; kl - hệ số tổn thất; ki - được xác định như sóng nước sâu. Hệ số biến hình kt lấy trên đồ thị 2.5 theo đường cong 1 và tỷ số d d λ . 2.6.2. Hệ số khúc xạ. Hệ số khúc xạ được xác định theo công thức: a a k dr = (2- 14) Trong đó: ad - khoảng cách giữa các tia sóng cạnh nhau vùng nước sâu (m); a - khoảng cách giữa các chính các tia sóng đó nhưng theo đường thẳng vẽ qua một điểm cho trước ở vùng nước nông (m). Trên mặt bằng khúc xạ, các tia sóng ở vùng nước sâu phải lấy theo hướng lan truyền sóng đã cho trước, còn ở vùng nước nông thì phải kéo dài các tia đó phù hợp với sơ đồ và các đồ thị trên hình 2.5. 2-9 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước Hình 2- 4. Sơ đồ khúc xạ sóng Hình 2- 5. Đồ thị xác định kt. Hệ số tổn thất kl lấy theo bảng 2.6 ứng với các giá trị đã biết của đại lượng d d λ (d - chiều sâu khu nước) và độ dốc đáy i, khi thì k03,0i ≥ l=1. Bảng 2- 6. Xác định kl Giá trị kl khi độ dốc i bằng Độ sâu tương đối d d λ 0,025 0,02÷0,002 0,01 0,82 0,66 0,02 0,85 0,72 0,03 0,87 0,76 0,04 0,89 0,78 0,06 0,9 0,81 2-10 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước Giá trị kl khi độ dốc i bằng Độ sâu tương đối d d λ 0,025 0,02÷0,002 0,08 0,92 0,84 0,1 0,93 0,86 0,2 0,96 0,92 0,3 0,98 0,95 0,4 0,99 0,98 0,5 và > 1 1 2.6.3. Chiều dài sóng biến dạng. Bước sóng truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông phải xác định theo đồ thị 2.6 từ các đại lượng d d λ và 2 %1 Tg h trong đó chu kỳ sóng được lấy bằng chu kỳ sóng vùng nước sâu. Hình 2- 6. Đồ thị xác định λ và surλ . 2.6.4. Độ vượt cao sóng biến dạng. Độ cao đỉnh sóng trên mực nước tính toán cη lấy theo đồ thị hình 2.3 dựa theo d d λ và 2Tg hi . 2.7. Xác định thông số vùng sóng đổ. 2.7.1. Vị trí sóng đổ lần đầu, phân vùng sóng biến dạng. Khi tính toán thông số sóng biến dạng cần xác định dọc theo tia khúc xạ đến tận đường bờ, coi như sóng chưa đổ thiết lập bảng sau: Bảng 2- 7. Giá trị độ sâu sóng đổ lần đầu di hii dcr 2-11 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước d1 hi1 dcr1 d2 hi2 dcr2 ... ... ... dn hin dcrn Trong đó dcr được xác định theo đồ thị 2.4 khi biết hi. Độ sâu tại vị trí sóng đổ lần đầu chính là vị trí mà di=dcri. Sau khi biết được độ sâu sóng đổ lần đầu tính lại các hi nằm trong vùng sóng đổ. 2.7.2. Chiều cao sóng đổ. Chiều cao sóng đổ hsur,1%(m) phải xác định đối với các độ dốc đáy i cho trước theo các đường 2,3,4 trên đồ thị 2.4. Cách xác định như sau: dựa vào d crd λ để tìm 2 %1, Tg hsur , từ đó tính ra hsur,1%. Chiều cao sóng đổ hi được xác định bằng cách nhân với hệ số ki tra trong bảng 2.11. 2.7.3. Chiều dài sóng đổ. Chiều dài vùng sóng đổ surλ được xác định theo đường cong bao trên cùng của đồ thị 2.6. 2.7.4. Độ vượt cao của sóng đổ. Độ lệch của đỉnh sóng so với MNTT được xác định theo đường cong bao trên cùng của đồ thị 2.3. 2.7.5. Độ sâu sóng đổ lần cuối, phân vùng mép nước. Độ sâu lâm giới ứng với sóng đổ lần cuối dcr,u khi độ dốc đáy không đổi tính theo công thức: cr n uucr dkd 1 , −= (2- 15) Trong đó: ku lấy theo bảng 2.8. Bảng 2- 8. Xác định ku Độ dốc đáy i 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 ku 0,75 0,63 0,56 0,5 0,45 0,42 0,4 0,37 0,35 n - số lần sóng đổ lấy từ n=2,3,4 với điều kiện thoả mãn bất phương trình: 43,02 ≥−nuk và 43,01 <−nuk Khi i>0,05 thì dcr=dcr,u. Kẻ đường song song với mực nước lan truyền sóng, cách một khoảng dcr,u, cắt đường đáy tại vị trí nào thì đó là vị trí sóng đổ lần cuối. 2.7.6. Dạng sóng đổ trên mái dốc Dạng sóng đổ trên mái dốc được xác định theo số Irribarren: 0 0 tan S αξ = (2- 16) 2-12 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước Trong đó: α - góc nghiêng của mái dốc; S0 - độ dốc sóng nước sâu (H0/L0); H0 - chiều cao sóng nước sâu; L0 - chiều dài sóng nước sâu π2 2 0 gTL = ; T - chu kỳ sóng; g - gia tốc rơi tự do. Với chiều cao sóng vỡ Hb ta có ξb (tại vị trí sóng vỡ). Giá trị ξ0 được xác định cho mái dốc không thấm và kiểu sóng vỡ tương ứng. Hình 2- 7. Các dạng sóng vỡ trên mái dốc. Với sóng không điều hoà tham số bề mặt được xác định như sau: om om S αξ tan= hoặc: op op S αξ tan= (2- 17) Trong đó: 2 2 m S om S om T H gL H S π== ; 2 2 op S op S op T H gL HS π== ; Hs - chiều cao sóng đáng kể tại chân công trình; Tm - chu kỳ trung bình; Tp - chu kỳ ứng với đỉnh phổ sóng. 2.8. Chiều cao sóng leo. 2.8.1. Theo TCN 222-95 2-13 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước Chiều cao sóng leo trước hết được xác định với độ bảo đảm 1%. %1%1 hkkkkh runspprrun = (2- 18) %1runh - chiều cao sóng leo lên mái dốc với độ bảo đảm 1%; kr,kp - các hệ số nhám và hệ số cho nước thấm qua mái dốc, lấy theo bảng. Bảng 2- 9. Xác định hệ số kr và kp Kết cấu gia cố Độ nhám tương đối r/h1% kr kp Bản bê tông - 1 0,9 <0,002 1 0,9 0,005÷0,01 0,95 0,85 0,02 0,9 0,8 0,05 0,8 0,7 0,1 0,75 0,6 Cuội, sỏi, hoặc khối BTCT >0,2 0,7 0,5 Chú ý: kích thước r(m) của độ nhám phải lấy bằng đường kính trung bình các hạt vật liệu gia cố mái dốc hoặc bằng kích thước trung bình của các khối BT. ksp lấy theo bảng sau: Bảng 2- 10. Xác định hệ số Ksp Trị số )(ctg ϕ 1÷2 3÷5 >5 Tốc độ gió ≥ 20m/s 1,4 1,5 1,6 Tốc độ gió = 10m/s 1,1 1,1 1,2 Hệ số ksp Tốc độ gió ≤ 5m/s 1,0 0,8 0,6 Trong đó: ϕ - góc nghiêng của mái dốc; krun - hệ số lấy theo đồ thị 2.8 phụ thuộc vào độ thoải %1d d h λ của sóng nước sâu. Khi độ sâu nước trước công trình d<2h1% thì hệ số krun lấy theo các độ thoải của sóng ghi trong các dấu ngoặc. 2-14 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước Hình 2- 8. Đồ thị xác định krun . Chiều cao sóng leo với độ bảo đảm i% phải nhân với ki lấy theo bảng 2.9: Bảng 2- 11. Xác định hệ số ki Suất bảo đảm i% 0,1 1 2 5 10 30 50 Hệ số ki 1,1 1,0 0,96 0,91 0,86 0,76 0,68 Khi sóng tiến đến công trình với một góc α từ phía vùng không được che chắn thì phải giảm chiều cao sóng leo lên mái dốc bằng cách nhân với hệ số . αk Bảng 2- 12. Xác định hệ số αk α 0 10 20 30 40 50 60 αk 1 0,98 0,96 0,92 0,87 0,82 0,76 2.8.2. Theo CEM 2000 Chiều cao sóng leo tương đối Ru/H là hàm của ξ, góc tới của sóng, đặc trưng hình học của mái dốc, độ thẩm thấu của bề mặt. Các mặt được coi là không thẩm thấu là: đê nông nghiệp, gia cố bờ, đê chắn sóng có bề mặt không cho thấm hoặc lõi tương đối tốt. Đê chắn sóng đá đổ với lớp đá lót, tầng lọc ngược được coi là có bề mặt thẩm thấu. 2.8.2.1. Sóng leo trên mái dốc không thấm: Chiều cao sóng leo và sóng tụt trên mái dốc không thấm được biểu diễn bằng công thức sau: βγγγγξ hbr S ui CA H R )(% += (2- 19) Rui%- chiều cao sóng leo với suất bảo đảm i%; ξ- tham số đồng dạng bề mặt ξom hoặc ξop; A, C - tham số phụ thuộc vào ξ và i đối với trường hợp mái nghiêng không thấm, trơn, dài và chịu tác động sóng thẳng góc; γr - hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của độ nhám (γr = 1 với mái nghiêng nhẵn); 2-15 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước γh - hệ số hiệu chỉnh với sóng nước nông không tuân thủ phân bố Rayleigh (γh = 1 với phân bổ Rayleigh); γb- hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của bậc cơ; γβ - hệ số hiệu chỉnh do góc tới của sóng (γb=1, β=00 khi sóng tác dụng thẳng góc). a. Mái dốc nhẵn: Công thức Van der Meer (theo [2]): op S u H R ξ5,1%2 = với 0,5 < ξop ≤ 2 (2- 20) 0,3%2 = S u H R với 2 < ξop < 3 ÷4 Với sóng tụt: op S d H R ξ33,0%2 = với 0 < ξop ≤ 4 (2- 21) 5,1%2 = S d H R với ξop > 4 b. Mái dốc không nhẵn: -Sự ảnh hưởng của độ nhám khi sóng leo được thể hiện bởi γr được xác định bởi de Waal và Van der Meer trong đó 1< ξop < 3 ÷4, với các giá trị lớn hơn ξop giá trị của γr tiến tới 1. Giá trị của γr được lấy theo bảng sau: Bảng 2- 13. Xác định giá trị γr Mặt mái nghiêng γr - Trơn, bê tông, bê tông nhựa, asphalt 1,0 - Các khối gia cố bờ nhẵn 1,0 - Cỏ (cao 3cm) 0,9 ÷ 1,0 - Đá một lớp 0,35,1 ÷= D HS 0,55 ÷ 0,6 - Đá ≥2 lớp 0,65,1 ÷= D HS 0,5 ÷ 0,55 - Các khối nhẵn trên mặt trơn (chiều dài theo đường nước t, bề rộng b, cao h) Khối vuông t = b h/b b/hs diện tích phủ 0,88 0,12 ÷0,19 1/9 0,7 ÷ 0,75 0,88 0,12 ÷0,24 1/25 0,75 ÷ 0,85 0,44 0,12 ÷0,24 1/25 0,85 ÷ 0,95 0,88 0,12 ÷0,18 1/25 0,85 ÷ 0,95 0,18 0,55 ÷1,1 1/4 0,75 ÷ 0,85 Ribs 0,18 0,12 ÷0,19 1/75 0,6 ÷ 0,7 2-16 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước Sóng leo còn bị ảnh hưởng bởi bậc cơ của mái dốc (theo [2]): Hình 2- 9. Sơ đồ bậc cơ của mái dốc. Theo De waal và Van der Meer hiệu ứng của bậc cơ mái dốc có thể được xác định như sau: ββ γγγξγγγγξ hreqhbrop S u H R 5,15,1%2 == Khi 0,5<ξeq≤ 2 (2- 22) βγγγ hr S u H R 0,3%2 = Khi ξeq > 2 Trong đó: ξeq - tham số bề mặt đồng dạng của sóng vỡ trên mặt nghiêng tương đương. Hình 2- 10. Mái dốc tương đương của bậc cơ. γb được xác định như sau: ( dBB op eq b rr −−== 11ξ ) ξγ ; 0,6 ≤ γb ≤ 1,0 (2- 23) Trong đó: 2-17 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước α α tan tan 1 eqBr −= ; 2 5,0 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= S B dB H dr ; 0 ≤ rdB ≤ 1,0 (2- 24) Bậc cơ hiệu quả nhất khi nó nằm tại vị trí mực nước lặng, chiều rộng tối ưu khi γb=0,6. -Chiều cao sóng Hs được xác định là chiều cao sóng đáng kể của nước sâu, với điều kiện nước nông phân bố chiều cao sóng không phải là Releigh khi đó ta có: s h H H 4,1 %2=γ (2- 25) Hình 2- 11. Hệ số ảnh hưởng của góc lan truyền sóng. -Hệ số ảnh hưởng của góc tới β giữa hướng sóng và pháp tuyến của đường mép nước được xác định theo các công thức (theo [2]): Với sóng đỉnh dài (sóng cồn): γβ = 1 khi 00 ≤ β ≤ 100; γβ = cos(β - 100) khi 100 < β ≤ 630; (2- 26) γβ = 0,6 khi β > 630. Với sóng đỉnh ngắn: γβ = 1 - 0,0022 β. (2- 27) c. Mái dốc bằng đá đổ: Sóng leo trên mái dốc đá đổ, không thấm được xác định theo công thức Delft Hydraulies (theo [2]): om s ui A H R ξ=% khi 1,0 < ξom ≤ 1,5 (2- 28) 2-18 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước C om s ui B H R )(% ξ= khi ξom > 1,5 Trong đó: 2/1 2 2 tan ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ = om S om gT Hπ αξ với Tom: chu kỳ trung bình thay cho ξop. Để thay Tom cho Top để có thể dùng được nhiều loại phổ; 87,079,0 ÷== op om op om T T ξ ξ với phổ JOINSWAP; 82,071,0 ÷== op om op om T T ξ ξ với phổ Pierson - Moskowitz. Bảng 2- 14. Các giá trị A, B, C. i% A B C 0,1 1,12 1,34 0,55 2,0 0,96 1,17 0,46 5,0 0,86 1,05 0,44 10,0 0,77 0,94 0,42 33,0 0,72 0,88 0,41 50,0 0,47 0,80 0,34 2.8.2.2. Sóng leo trên mái dốc thấm. a. Mái dốc đá đổ. Khi bề mặt mái dốc cho phép thấm thì chiều cao sóng leo thay đổi. Khả năng thấm được đặc trưng bởi hệ số thấm ước lượng P. Giá trị của P tuỳ theo loại công trình, xác định theo hình sau: Hình 2- 12. Giá trị hệ số thẩm thấu ước lượng với các loại kết cấu. Chiều cao sóng leo được xác định theo công thức sau (theo [2]): 2-19 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước om s ui A H R ξ=% với 1,0 < ξom ≤ 1,5 (2- 29) C om s ui B H R )(% ξ= với 1,5 < ξom < (D/B)1/C D H R s ui =% với (D/B)1/C ≤ ξom <7,5 Công thức trên được thành lập với P = 0,5 ÷0,6. Giá trị của các hệ tố A, B, C, D được xác định theo bảng. Bảng 2- 15. Các giá trị A, B, C, D. i% A B C D 0,1 1,12 1,34 0,55 2,58 2,0 0,96 1,17 0,46 1,97 5,0 0,86 1,05 0,44 1,88 10,0 0,77 0,94 0,42 1,45 33,0 0,72 0,88 0,41 1,35 60,0 0,47 0,80 0,34 0,82 b. Hàm phân bố của sóng leo (với đá đổ, mái dố thấm). Phân bố của sóng leo có thể xấp xỉ bằng phân bố Rayleigh (theo [2]). Rup% = B (-lnp)1/C (2- 30) Rup% - Sóng leo p%; B= HS [0,4(Som)-1/4 (cotα)-0,2] C = 3,0(ξom)-3/4 với ξom < ξomc (plunging waves) C = 0,52P-0,3(ξom)P αcot với ξom > ξomc (surging waves) ( )75,0/13,0 )tan77,5( += Pomc P αξ 2 2 om S om gT Hπξ = ; P - hệ số thẩm thấu ước lượng. 2.8.2.3.Sóng tụt trên mái dốc. Sóng tụt trên mái dốc được xác định theo công thức của Delft Hydraulies (theo [2]): ( omS S d eP H R 6015,0%2 5,12,1tan1,2 −+−= α ) (2- 31) 2.9. Xác chiều cao sóng nhiễu xạ. Chiều cao sóng nhiễu xạ hdif (m) trong khu nước được che chắn xác định theo công thức: idifdif h.kh = (2- 32) Trong đó: difk - hệ số nhiễu xạ; 2-20 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước ih - chiều cao sóng tới với suất bảo đảm i%, phải lấy ở ngay vị trí bắt đầu nhiễu xạ. ih Chiều dài tính toán của sóng được lấy bằng chiều dài sóng khởi điểm λ ở cửa vào của khu nước. 2.9.1. Nhiễu xạ qua một đê. ®iÓm tÝnh BKS BNX −β +β r φ sãng tíi Hình 2- 13. Nhiễu xạ qua 1 đê ϕ-góc hợp giữa biên khuất sóng và đập; β- góc hợp giữa biên khuất sóng và tia tới điểm tính, nếu nằm phía trong biên khuất sóng mang dấu dương, nếu nằm ngoài mang dấu âm. a1 1K s,dif += (2- 33) Trong đó: ( ) 5 3 cth.r..9,01.th.r.7,0th5,0a ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ϕλβ+ϕ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ λ= ϕ , β - radian. Hoặc có thể xác định theo qui phạm 22TCN 222-95 (tương đương nhau). Khi a≤0 thì 1K s,dif = 2.9.2. Nhiễu xạ qua 2 đê. 2-21 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước Hình 2- 14. Nhiễu xạ qua 2 đê Gọi: b- bề rộng cửa vào theo phương vuông góc hướng sóng; 21 ,ϕϕ - góc hợp giữa đập và biên khuất sóng tương ứng ( 21 ϕ<ϕ ). Các bước thực hiện: -vẽ đường biên khuất sóng. -vẽ đường mặt sóng → r1, r2 -vẽ đường biên nhiễu xạ. Biên nhiễu xạ được xác định bằng khoảng cách từ biên khuất sóng tương ứng theo công thức sau: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= 3 ..1,1. i i ii th r tgrl ϕλλλ Hoặc theo 22TCN 222-95 (tương đương nhau) - Vẽ tia sóng chính (chiều cao sóng trên tia chính là lớn nhất). Tia chính được xác định bằng khoảng cách từ BKS của đập có góc ϕ nhỏ theo công thức: ( ) 51 2 13 2 2 1 3 1 2 1 51 2 13 21 2 21 3 1 2 1 ... 1....1,1.. ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+ = ϕ ϕϕϕ ϕ ϕϕϕϕ th ththrthr th thththrrthrb x (2- 34) 21 r,r - bán kính tính từ các đỉnh của đập tương ứng. 21 ,ϕϕ - góc hợp của BKS và đập tương ứng. x có thể xác định theo công thức rút gọn trong 22TCN 222-95. - Xác định giao điểm của tia chính và đường mặt sóng (điểm B). 2-22 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước - Xác định đại lượng ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= 1 b ll . 2 1d 21c nếu xác định cϕ theo TCN 222-95 trong đó là khoảng cách từ BKS đến BNX tại vị trí điểm B. 21 l,l - Xác định hệ số nhiễu xạ cho điểm B: giống như nhiễu xạ 1 đập và có thể lấy ở đập bất kỳ (vì tính theo 2 đập thì tại B các hệ số nhiễu xạ phải bằng nhau) ϕ,difK - Xác định hệ số cϕ theo công thức hoặc có thể dùng đồ thị của 22TCN 222-95. ( ) 2 1 21 , 2 , 2 .11 2 ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +−++ = b llKK difdif c ϕϕ ϕ (2- 35) - Xác định hệ số cho điểm A: giống như trường hợp 1 đập, lấy đập mà điểm A nằm trong vùng khuất sóng, nếu A nằm ngoài BKS của cả hai đập thì có thể lấy 1 đập bất kỳ để tính. ρ,difK - Hệ số nhiễu xạ tại A: cdifdif KK ϕρ .,= (2- 36) 2.9.3. Nhiễu xạ qua đê đảo. Hệ số nhiễu xạ qua đê đảo được xác định theo công thức: 2 2 2 1 difdifdif kkk += (2- 37) Trong đó: kdif1 - hệ số nhiễu xạ đầu đê trái; kdif2 - hệ số nhiễu xạ đầu đê phải. 2.9.4. Sóng nhiễu xạ có tính đến phản xạ. Chiều cao sóng nhiễu xạ có xét đến sự phản xạ từ công trình và các vật cản hdif,s (m) tại một điểm trong khu nước được che chắn phải xác định theo công thức: ( irefdifs,dif h.kkh += ) (2- 38) Trong đó: ih - chiều cao sóng tới; difk - hệ số nhiễu xạ, giá trị được xác định như bình thường, chưa kể đến phản xạ; refk - hệ số phản xạ; θλ cos08,0,, r irefrsdifref ekkkk −= (2- 39) λ - bước của sóng tới; sdifk , -hệ số nhiễu xạ tại bề mặt phản xạ được xác định theo các phương pháp tương ứng (với 1 đê, 2 đê, đê đảo); 2-23 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước θ - góc hợp bởi tia sóng tới và pháp tuyến của bề mặt phản xạ. r - khoảng cách từ bề mặt phản xạ đến điểm tính theo tia sóng phản xạ; irefk , - hệ số phản xạ, phụ thuộc vào bề mặt phản xạ. Khi góc nghiêng của mặt phản xạ > 450 thì . Khi góc nghiêng < 451, =irefk 0 thì tra bảng 2.16. Bảng 2- 16. Xác định hệ số . irefk , kref,s khi góc nghiêng của bề mặt phản xạ là i bằng Độ thoải của sóng difhλ 1 0,5 0,25 10 0,5 0,02 0,01 15 0,8 0,15 0,02 20 1 0,5 0,04 30 1 0,7 0,05 40 1 0,9 0,06 pr kk , - hệ số nhám và hệ số cho nước thấm qua mái dốc, xác định theo bảng 2.17 Bảng 2- 17. Xác định hệ số kr, kp Kết cấu gia cố mái dốc Độ nhám tương đối %1hr kr kp Bản bê tông (bêtông cốt thép) - 1 0,9 Cuội sỏi, đá hoặc các khối bêtông (bêtông cốt thép) <0,002 0,005-0,01 0,02 0,05 0,1 >0,2 1 0,95 0,9 0,8 0,75 0,7 0,9 0,85 0,8 0,7 0,6 0,5 Ghi chú: kích thước đặc trưng r của độ nhám phải lấy bằng đường kính trung bình các hạt vật liệu gia cố mái dốc hoặc bằng kích thước trung bình của các khối bêtông (bêtông cốt thép) r - đường kính trung bình của vật liệu gia cố. 2.10. Thông số sóng thiết kế dọc theo công trình. Khi xác định thông số sóng tại chân công trình và thông số sóng đặc trưng cho chất lượng che chắn thì cần phải xác định các yếu tố sau: - Thông số sóng và ranh giới của sóng khởi điểm (có thể nước nông, sâu); - Ranh giới vùng sóng khúc xạ nhưng chưa bị đổ và các thông số tương ứng: ; ηλ ,h, - Các thông số và ranh giới của vùng sóng đổ; - Bằng cách cho nhiều chùm tia khúc xạ ta sẽ xác định được các thông số sóng dọc theo chiều dài đê. Dọc theo chiều dài đê, tối thiểu phải xác định được chiều cao sóng tại 3 vị trí (đầu, giữa, gốc đê) và trạng thái của sóng (đổ, chưa đổ). - Các thông số sóng nhiễu xạ cần phải được xác định cho các vị trí sau: 2-24 Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước - Tại các vị trí dọc mép bến: các chiều cao sóng tại vị trí này dùng để so sánh với tiêu chuẩn từ đó xác định được khả năng che chắn của đê; - Cần xác định giá trị sóng nhiễu xạ dọc theo chiều dài đê. Các thông số sóng tới tại chân công trình dùng để xác định vật liệu gia cố mặt ngoài còn các thông số sóng nhiễu xạ dùng để xác định việc gia cố mặt trong. Ngoài ra khi tính toán ổn định trượt, lật cho công trình thì cần phải xác định tổ hợp nguy hiểm nhất của sóng tới và sóng nhiễu xạ. Chương 2 ...................................................................................................... 2-1 2.1. Các quy định chung...........................................................................................2-1 2.2. Xác định tham số gió tính toán. ........................................................................2-2 2.3. Mực nước lan truyền sóng.................................................................................2-4 2.4. Xác định thông số sóng khởi điểm....................................................................2-5 2.5. Thông số sóng trong vùng i≤0,001. ..................................................................2-8 2.6. Thông số sóng biến dạng (độ dốc đáy i≥0,001). ...............................................2-9 2.7. Xác định thông số vùng sóng đổ. ....................................................................2-11 2.8. Chiều cao sóng leo. .........................................................................................2-13 2.9. Xác chiều cao sóng nhiễu xạ. ..........................................................................2-20 2.10. Thông số sóng thiết kế dọc theo công trình. .................................................2-24 2-25