Phn 2 - Chng 5 1 Chơng 5 : Lực sóng 5.1 Tổng quát (Điều 5, Khoản 1 Thông báo) Lực sóng tác động lên một kết cấu đợc xác định bằng cách sử dụng các thử nghiệm mô hình thuỷ lực thích đáng hoặc các phơng pháp thiết kế mô tả trong 5.2 Lực sóng tác động lên tờng thẳng đứng, với sóng tính toán xác định bằng các phơng thức mô tả trong Chơng 4. Sóng [Chú giải] (1) Loại kết cấu và lực sóng Lực sóng nói chung có thể đợc phân loại theo loại kết cấu nh sau: (a) Lực sóng tác động lên một kết cấu loại tờng (b) Lực sóng tác động lên đá phủ bảo vệ hoặc khối bê tông (c) Lực sóng tác động lên các bộ phận ngập nớc (d) Lực sóng tác động lên các kết cấu gần mặt nớc Lực sóng khác nhau đối với mỗi loại kết cấu. Do đó cần sử dụng một phơng pháp thích hợp với loại kết cấu. Đối với một số kết cấu có ít kinh nghiệm xây dựng, lực sóng của chúng cha làm sáng tỏ đầy đủ. Và vì vậy nên tiến hành nghiên cứu kể cả các thí nghiệm mô hình thuỷ lực đối với các kết cấu đó. (2) Tính không ổn định của sóng và lực sóng Sóng biển không ổn định với chiều cao sóng và chu kỳ thay đổi từ con sóng này tới con sóng khác. Tuỳ thuộc vào chiều sâu nớc và địa hình đáy biển có thể xuất hiện các sóng không vỡ, các sóng vừa mới vỡ, và các sóng đã vỡ. Khi tính lực sóng, điều quan trọng là đa vào các sóng tác động nghiêm trọng nhất đến kết cấu. Cần xem đầy đủ đến tính không ổn định của sóng và các đặc trng của lực sóng đợc tạo ra tuỳ theo loại kết cấu Nói chung, có thể giả định rằng, chiều cao sóng càng lớn, lực sóng càng lớn. Do đó, có thể chấp nhận tập trung vào lực sóng của sóng cao nhất trong chuỗi sóng không ổn định tấn công kết cấu. Tuy nhiên, đối với độ ổn định của các kết cấu nổi và kết cấu hình trụ có độ cứng nhỏ, và của các khối bê tông hoặc đá phủ bảo vệ trên mái dốc, nên xem xét ảnh hởng của tác động liên tiếp của sóng không ổn định. (3) Tính lực sóng sử dụng thí nghiệm mô hình thuỷ lực Khi nghiên cứu lực sóng bằng mô hình thuỷ lực cần chú ý thích đáng đến quá trình h hỏng của kết cấu và sử dụng phơng pháp đo đạc thích hợp. Cũng cần chú ý thích đáng đến tính không đều của sóng. Đặc biệt, khi tiến hành thí nghiệm với sóng điều hoà, phải nghiên cứu với sóng cao nhất. 5.2 Lực sóng tác động lên tờng thẳng đứng 5.2.1. Các vấn đề quan tâm chung Lực sóng tác động lên một tờng thẳng đứng thay đổi theo các điều kiện của sóng, cũng nh mức nớc thuỷ triều, chiều sâu nớc, địa hình đáy biển, dạng mặt cắt ngang kết cấu và hình thức bố trí kết cấu. Lực sóng tác động lên một tờng thẳng đứng do đó phải tính toán thích đáng có xét đến các vấn đề đó. Một tờng thẳng đứng trên một đáy biển dốc hoặc một ụ cao thờng phải chực lực phá huỷ của sóng va đập mạnh, vì vậy phải chú ý đầy đủ đến các điều kiện trong đó lực đợc sinh ra khi tính toán lực sóng. [Chú giải] (1) Các thông số ảnh hởng đến lực sóng lên một tờng thẳng đứng 1) Các thông số chính ảnh hởng đến lực sóng tác động lên một đờng thẳng đứng là chu kỳ sóng, chiều cao sóng, hớng sóng, mực nớc, chiều sâu nớc, độ dốc đáy, chiều sâu nớc bên trên lớp đệm đá, chiều cao của tờng thẳng đứng, và chiều sâu nớc của chân tờng thẳng đứng. Ngoài ra, cũng cần xét đến ảnh hởng của cách bố trí tờng. Lực sóng lên một tờng thẳng đứng có hình dạng lõm có thể lớn hơn lực sóng lên một tờng Phn 2 - Chng 5 2 thẳng đứng phẳng có chiều dài vô hạn. Hơn nữa, nếu mặt trớc của tờng thẳng đứng đợc phủ một đống các khối bê tông tiêu sóng, đặc trng của các khối này và chiều cao đỉnh và bề rộng của lớp đệm đá sẽ ảnh hởng tới lực sóng (2) Các loại lực sóng Lực sóng tác động lên một tờng thẳng đứng có thể phân loại theo loại sóng nh một lực sóng đứng, một lực sóng đang vỡ, hoặc một lực sóng do một sóng đã vỡ. Ngời ta xem là lực sóng thay đổi liên tục từ loại này sang loại khác theo sự thay đổi chiều cao sóng ngoài khơi. Lực sóng đứng đợc tạo ra bởi các sóng có chiều cao nhỏ so với chiều sâu nớc, và sự thay đổi áp lực sóng theo thời gian thì dần dần. Khi chiều cao sóng tăng, lực sóng cũng tăng. Nói chung, lực sóng lớn nhất đợc sinh ra bởi các sóng vỡ ngay trớc tờng một chút. Theo đó, trừ các điều kiện nớc rất nông, lực tác động bởi các sóng vỡ ngay trớc một tờng thẳng đứng lớn hơn lực sóng do các sóng cao hơn đã vỡ hoàn toàn. Cần nhớ rằng khi sóng đang vỡ tác dộng lên một tờng thẳng đứng đặt trên một lớp đệm đá cao (cả khi nó đợc xây trên một đáy biển thoải), có thể sinh ra một lực sóng đang vỡ xung rất mạnh 5.2.2. Lực sóng của các sóng đứng và sóng vỡ [1] Lực sóng dới đỉnh sóng (Điều 5, khoản 1, số 1thông báo) (1) áp lực sóng lên mặt trớc của một tờng thẳng đứng Giả định một sự phân bố tuyến tính của áp lực sóng với giá trị cực đại p 1 ở mực nớc tĩnh, 0 ở chiều cao bên trên mực nớc tĩnh và p 2 ở đáy biển, áp lực sóng từ đáy tới đỉnh của tờng thẳng đứng đợc tính theo phơng trình sau: Trong đó: : Chiều cao bên trên mực nớc tĩnh ở đó cờng độ áp lức sóng là 0 (m) p 1 : Cờng độ áp lực sóng ở mức nớc tĩnh (kN/m 2 ) p 2 : Cờng độ áp lực sóng ở đáy biển (kN/m 2 ) p 3 : Cờng độ áp lực sóng ở chân tờng thẳng đứng (kN/m 2 ) o : Dung trọng của nớc (t/m 3 ) g : Gia tốc trọng trờng (m/s 2 ) : Góc giữa đờng pháp tuyến với tờng đứng và hớng tới của sóng Góc này phải giảm đi 15 o , nhng góc hợp thành phải không nhỏ hơn 0 0 Việc hiệu chỉnh này cho một dự phòng an toàn về tính không vững chắc trong hớng sóng. 1 , 2 : hệ số hiệu chỉnh áp lực sóng (1,0 là giá trị tiêu chuẩn) h : chiều sâu nớc ở trớc tờng thẳng đứng (m) L : chiều dài sóng ở chiều sâu nớc h dùng trong tính toán nh quy định trong mục (3) dới đây H D : chiều cao sóng dùng trong tính toán nh quy định trong mục (3) dới đây (m): Phn 2 - Chng 5 3 Trong đó : h b : chiều sâu nớc ở khoảng cách ngoài khơi bằng 5 lần chiều cao sóng có ý nghĩa kể từ tờng thẳng đứng (m) d : chiều sâu nớc ở đỉnh của công trình bảo vệ chân hoặc các khối bảo vệ lớp đệm đá, lấy số liệu nào cao hơn (m) h' : chiều sâu nớc ở chân tờng thẳng đứng (m) min {a,b} : giá trị nhỏ hơn của a hoặc b (2) Lực đẩy nổi dới tờng thẳng đứng Lực đẩy nổi tác động vào đáy một tờng đứng đợc diễn tả bằng một phân bổ tam giác, với cờng độ áp lực ở chân trớc p u đợc cho bởi phơng trình sau và bằng 0 ở chân sau p u = 0,5 (1 + cos) 1 3 3 0 g H D (5.2.8) Trong đó : p u : áp lực đẩy nổi tác động tại chân trớc của tờng thẳng đứng (kN/m 2 ) 3 : hệ số hiệu chỉnh áp lực đẩy nổi (1,0 là giá trị tiêu chuẩn) (3) Chiều cao sóng và chiều dài sóng dùng trong tính toán áp lực sóng Chiều cao sóng H D và chiều dài sóng L là chiều cao và chiều dài sóng của sóng cao nhất. Chiều dài sóng của sóng cao nhất tơng ứng với chu kỳ sóng có ý nghĩa, còn chiều cao của sóng cao nhất nh sau: (a) Khi tờng thẳng đứng nằm ngoài vùng sóng vỡ: Trong đó : H max : chiều cao sóng cao nhất của sóng tới tại chiều sâu nớc ở tờng thẳng đứng(m) H 1/3 : chiều cao sóng có ý nghĩa của sóng tới tại chiều sâu nớc ở tờng thẳng đứng (m) (b) Khi tờng thẳng đứng nằm trong vùng sóng vỡ : H D là chiều cao sóng lớn nhất có xét đến hiện tợng sóng không ổn định bị vỡ (m) [Chú giải] Tiêu chuẩn quy định phải tính lực sóng nằm ngang lớn nhất tác động lên một tờng thẳng đứng và áp lực đẩy nổi đồng thời theo phơng trình Goda mở rộng. Phn 2 - Chng 5 4 Công thức áp lực Goda mở rộng là công thức do Goda kiến nghị và đợc sửa đổi để đa vào các ảnh hởng của hớng sóng và các vấn đề khác. Công thức phơng trình đơn của nó cho phép tính lực sóng từ điều kiện sóng đứng tới sóng vỡ mà không có một chuyển tiếp đột ngột nào. Tuy nhiên, khi tờng thẳng đứng nằm trên một đáy biển dốc hoặc xây trên một lớp đệm đá cao, và chịu một áp lực sóng xung mạnh do các sóng đang vỡ, công thức có thể đánh giá thấp lực sóng. Bởi vậy, phải áp dụng cẩn thận có xét đến khả năng xẩy ra áp lực sóng xung do các sóng đang vỡ (xem 5.2.3 áp lực xung do sóng đang vỡ) áp lực sóng tính theo công thức Goda lấy áp lực thuỷ tĩnh ở điều kiện nớc tĩnh làm giá trị tham khảo. Phải xem xét riêng nếu có một độ chênh áp lực thuỷ tĩnh giữa các mặt trong và mặt ngoài của tờng. Ngoài ra, phơng trình có mục đích xem xét độ ổn định của toàn thể thân tờng thẳng đứng. Khi có tác động của sóng đang vỡ, phơng trình không nhất thiết biểu thị áp lực sóng cục bộ lớn nhất tại các vị trí tơng ứng; do đó các vấn đề đó phải xét đến trong khi nghiên cứu ứng suất của các thanh kết cấu [Chỉ dẫn kỹ thuật] (1) áp lực sóng ở mặt trớc theo công thức mở rộng Goda Hình T.5.2.1 minh hoạ sự phân bổ áp lực tác động lên một mặt cắt thẳng đứng của một đê chắn sóng. Việc hiệu chỉnh góc sóng tới đợc cho ví dụ trong Hình T.5.2.2 Hình T.5.2.1. Phân bổ áp lực sóng dùng trong tính toán thiết kế Hình T.5.2.2. Cách để có góc sóng tới (2) Sóng cao nhất Nói chung trong thiết kế đê chắn sóng, cần đánh giá lực sóng lớn nhất bằng cách tính công thức Goda và sử dụng sóng cao nhất. Sự xuất hiện sóng cao nhất trong một nhóm sóng không ổn định là theo xác suất, và do đó không thể xác định sóng cao nhất một cách rõ ràng. Tuy nhiên, sau khi nghiên cứu các kết quả áp dụng phơng pháp hiện hành cho các đê chắn sóng ở hiện trờng, có thể lấy 1,8 lần chiều cao sóng có ý nghĩa là chiều cao của sóng cao nhất khi tờng thẳng đứng nằm ngoài vùng sóng vỡ. Tiêu chuẩn cũng cho sử dụng chiều dài sóng tơng ứng với chiều dài sóng có ý nghĩa làm chiều dài sóng của sóng cao nhất. Đ ẩy nổi Đ ờn g pháp tu y ến tới tờn g Hớn g chính của són g Phn 2 - Chng 5 5 Để xác định xem sóng cao nhất có bị phá vỡ hay không, các đồ thị xác định chiều cao sóng cao nhất (Hình T.4.5.15 (a) ~(e) trong 4.5.6 Sóng vỡ) đợc sử dụng bằng cách dựa vào vị trí của chiều cao sóng đỉnh trong khu vực về phía của đờng suy giảm 2%. Có thể chấp nhận cho rằng sóng cao nhất không bị phá vỡ khi nớc sâu hơn chỗ có chiều cao đỉnh, và sóng đó bị phá vỡ khi nớc nông hơn. Nếu chiều cao sóng cao nhất có đợc bằng cách sử dụng phơng trình gần đúng (4.5.23) trong 4.5.6 Sóng vỡ, h b phải đợc thay thế vào h trong số hạng đầu trong dấu { } ở phía phải của phơng trình. Nếu sử dụng một giá trị khác 1,8 cho hệ số ở vế phải của phơng trình (5.2.9), cần tiến hành nghiên cứu đầy đủ về sự xuất hiện của sóng cao nhất và sau đó chọn một giá trị thích hợp (xem 4.1.3[2]. Tính chất thống kê của sóng) (3) Các hệ số hiệu chỉnh 1 , 2 , 3 Phơng trình (5.2.1) ~ (5.2.8) là dạng mở rộng của công thức Goda. Chúng có ba hệ số hiệu chỉnh để có thể áp dụng chúng cho tờng có các hình dạng khác nhau và điều kiện khác nhau. Với một tờng thẳng đứng, hệ số hiệu chỉnh tất nhiên là 1,0. áp lực sóng tác động lên các loại tờng khác ví dụ một giếng chìm có phủ một lăng thể các khối bê tông tiêu sóng hoặc một giếng chìm tờng có khoan lỗ có thể biểu thị bằng cách sử dụng công thức Goda mở rộng với các hệ số hiệu chỉnh thích hợp (xem 5.2.4. Lực sóng trên tờng thẳng đứng che phủ bằng các khối bê tông tiêu sóng) (4) áp dụng các phơng trình lý thuyết và tính toán khác Khi tỷ lệ chiều cao sóng và chiều sâu nớc nhỏ và có một lực sóng đứng tác động rõ ràng lên một tờng thẳng đứng, có thể áp dụng lý thuyết sóng đứng, chính xác cao. Tuy nhiên, trong trờng hợp này cần xem xét đầy đủ đến tính chất không ổn định của sóng ở hiện trờng và đánh giá lực do sóng cao nhất gây ra. Hơn nữa, khi khả năng sử dụng có thể kiểm tra dựa trên các kết quả trớc đây đối với các đê chắn sóng hiện có, cũng có thể sử dụng công thức Sainflou và công thức Hiroi để tính một lực sóng tính toán (5) Các đặc điểm và giới hạn áp dụng của công thức Goda Đặc điểm thứ nhất của công thức Goda là lực sóng từ sóng đứng cho tới sóng vỡ có thể đợc đánh giá liên tục, kể cả tác động của chu kỳ. Thông số 1 cho bởi phơng trình (5.2.5) biểu thị tác động của chu kỳ (nói chặt chẽ thì là h/L); nó có các giá trị giới hạn là 1,1 đối với sóng nớc cạn và 0,6 đối với sóng nớc sâu. Tác động của chu kỳ cũng xuất hiện khi đánh giá chiều cao sóng lớn nhất sử dụng trong tính toán; với chiều cao sóng nớc sâu không thay đổi, chu kỳ càng dài, chiều cao sóng lớn nhất trong vùng sóng tung bọt càng lớn. Vì công thức Goda gắn kết tác động của chu kỳ vào áp lực sóng cũng nh vào chiều cao sóng lớn nhất, nên cần cẩn thận khi xác định chu kỳ trong các điều kiện thiết kế. Một đặc điểm khác của công thức Goda là sự thay đổi lực sóng theo chiều cao của lớp đệm đá và độ dốc đáy đợc xem xét theo thông số 2 . Có thể thấy từ phơng trình (5.2.6), khi chiều cao lớp đệm đá tăng dần từ số 0 (nghĩa là d = h) thì 2 tăng dần từ số 0 tới giá trị cực đại. Sau khi đạt giá trị cực đại, 2 giảm cho tới khi nó đạt số 0 lần nữa khi d = 0. Giá trị cực đại của 2 là 1,1; kết hợp điều này với giá trị cực đại của 1 là 1,1 , cờng độ áp lực sóng p, ở mực nớc tính đợc cho bởi 2,2 0 gH 0 Về ảnh hởng của độ dốc đáy, h b trong phơng trình cho 2 đợc lấy khi chiều sâu nớc ở khoảng cách 5 lần chiều cao sóng có ý nghĩa kể từ tờng thẳng đứng. Do vậy, một độ dốc đáy dốc dẫn đến cùng một ảnh hởng nh một lớp đệm đá cao. ảnh hởng của độ dốc đáy cũng xuất hiện khi đánh giá chiều cao sóng lớn nhất đợc dùng trong tính toán. Trong vùng sóng vỡ, độ dốc đáy càng dốc, chiều cao sóng lớn nhất ở khoảng cách 5H 1/3 về phía biển kể từ tờng thẳng đứng. Do đó, độ dốc đáy có một ảnh hởng lớn đến lực sóng, do đó cần cẩn thận khi xác định độ dốc đáy trong các điều kiện thiết kế. Nh đã giải thích trên đây, công thức Goda xem xét các ảnh hởng của chiều cao lớp đệm đá và độ dốc đáy đến áp lực nớc. Tuy nhiên, đối với tờng thẳng đứng đặt trên một lớp đệm đá cao hoặc một đáy biển dốc, có thể bị một lực sóng vỡ xung lớn tác động, và trong các điều kiện nh vậy, công thức Goda có thể đánh giá thấp lực sóng. Khi áp dụng công thức Goda, cần chú ý đến nguy cơ nảy sinh lực sóng vỡ xung. Đặc biệt, với một lớp đệm đá cao, cần xét không chỉ 2 trong phong trình (5.2.6) mà cả hệ số lực sóng vỡ xung 1 theo Takahasi và các cộng sự (xem 5.2.3. áp lực xung do sóng vỡ) và dùng 1 thay cho 2 nếu 1 lớn hơn 2. Một vấn đề khác đối với công thức Goda liên quan đến việc áp dụng nó vào nơi nớc rất nông, ví dụ gần bờ. Công thức Goda không thể áp dụng chính xác với các sóng đã vỡ. Tuy nhiên, khó xác định rõ ràng giới hạn khả năng áp dụng nằm ở đâu. Với các trờng hợp nh khi lực sóng tác động lên một tờng thẳng đứng gần bờ, nên sử dụng các phơng trình khác cùng với công thức Goda (xem 5.2.7. Lực sóng tác động lên một tờng thẳng đứng gần đờng bờ hoặc trên bi biển) (6) Sửa đổi công thức Goda nguyên thuỷ đối với hớng sóng Phn 2 - Chng 5 6 Tuy có thể có đợc các kết quả từ một số thí nghiệm về ảnh hởng của hớng sóng đến lực sóng, vẫn còn nhiều điểm cha rõ. Thông thờng, đối với sóng đứng, không có hiệu chỉnh về hớng sóng đối với lực sóng. ảnh hởng của sóng chỉ đợc xét đối với sóng đang vỡ, bằng cách nhân lực sóng với cos 2 , trong đó là góc giữa hớng sóng tới với đờng vuông góc với mặt tờng thẳng đứng. Tuy nhiên, việc này dẫn đến tình trạng phi lý vì lực sóng vỡ đợc giả định là giảm xuống khi góc sóng tăng lên, đạt tới không ở giá trị giới hạn = 90 0 , và sóng đứng đợc giả định là vẫn duy trì nh trong điều kiện sóng đứng hoàn hảo. Một cách giải thích là vì các đê chắn sóng là hữu hạn về độ dài, khi góc tới lớn (nghĩa là sóng tới xiên) nó sẽ cách xa đáng kể đầu đê chắn sóng trớc khi chiều cao sóng bằng hai lần chiều cao sóng tới. Khi tới gần giá trị giới hạn = 90 0 , khoảng cách tới chỗ mà chiều cao sóng lớn gấp hai lần tiến tới vô hạn. Nói cách khác, trong trờng hợp này, xem nh là áp lực sóng của các sóng phát triển không ngừng tác động lên tờng thẳng đứng. Xem xét các điểm đó và áp dụng vào các đê chắn sóng ở hiện trờng, ngời ta đã quyết định hiệu chỉnh phơng trình (5.2.2) đối với hớng sóng bằng cách nhân 2 (đại diện cho ảnh hởng của lớp đệm đá) với cos 2 , và sau đó nhân toàn bộ số hạng với 0,5 (1+ cos) (7) Lực sóng và chu kỳ sóng có ý nghĩa đối với các sóng tạo thành bởi hai nhóm sóng có chu kỳ khác nhau Ví dụ về hai nhóm sóng có chu kỳ khác nhau chồng lên nhau là trờng hợp các sóng từ bên ngoài biển vào trong vịnh và một nhóm sóng khác phát sinh trong vịnh do gió cục bộ. Trờng hợp khác là sự xếp chồng của các sóng nhiễu xạ đến từ cửa vào cảng và sóng truyền do tràn. Trong các trờng hợp đó, phổ sóng là "hai phơng thức" (nghĩa là có hai đỉnh) và có các trờng hợp thực tế quan sát đợc ngoài hiện trờng. Tanomoto thực hiện các thí nghiệm về lực sóng tác động lên tiết diện thẳng đứng của một đê chắn sóng hỗn hợp bằng cách sử dụng các sóng có phổ hai phơng thức, và kiểm tra thấy rằng công thức Goda cũng có thể áp dụng cho trờng hợp này. Ông ta cũng kiến nghị một phơng pháp để tính chu kỳ sóng có ý nghĩa để sử dụng trong tính toán lực sóng (xem 4.5.4. Sự phản xạ của sóng). Nếu mỗi phổ tần số của hai nhóm sóng trớc khi chồng có thể xem là loại Bretschneider - Mitsuyasu, chu kỳ sóng có ý nghĩa sau khi chồng có thể có đợc bằng cách sử dụng phơng pháp của Tanimoto. Sau đó có thể dùng chu kỳ sóng có ý nghĩa này trong tính toán lực sóng (8) Lực sóng đối với tờng thẳng đứng đỉnh thấp Theo các kết quả thí nghiệm mô hình, độ ổn định của tờng thẳng đứng có xu hớng tăng lên khi chiều cao đỉnh giảm. Nakata và Terauchi đã kiến nghị một phơng pháp để tính lực sóng đối với một đê chắn sóng có chiều cao đỉnh thấp. Trong phơng pháp này, áp lực sóng nằm ngang và áp lực đẩy nổi từ công thức Goda đợc nhân với hệ số hiệu chỉnh h , từ đó giảm lực sóng. (9) Lực sóng đối với tờng thẳng đứng đỉnh cao Khi đỉnh của một tờng thẳng đứng cao hơn đáng kể so với một đê chắn sóng bình thờng, sẽ không có sóng tràn, có nghĩa là lực sóng có thể lớn hơn lực sóng cho bởi công thức Goda. Mizuno và Sugimoto tiến hành thí nghiệm lực sóng tác động lên một đê chắn sóng đỉnh cao (10) Lực sóng lên tờng nghiêng Khi tờng nghiêng nhẹ, lực sóng nằm ngang ít nhiều vẫn là lực sóng đối với tờng hoàn toàn thẳng đứng. Tuy nhiên, cần xét đến thành phần thẳng đứng của lực sóng tác động lên bề mặt nghiêng, cùng với sự giảm áp lực đẩy nổi và các vấn đề khác. Tanimoto và Kimura đã tiến hành thí nghiệm về lực sóng đối với tờng thùng chìm hình thang, và đã kiến nghị một phơng pháp tính lực sóng. Với một thùng chìm mà phần trên của tiết diện thẳng đứng nghiêng (thùng chìm đầu dốc) lực sóng ngang giảm không chỉ ở phần dốc nghiêng mà cả ở phần thẳng đứng. Cũng cần xét đến thành phần thẳng đứng của lực sóng đối với phần dốc nghiêng để phân tích độ ổn định của đê chắn sóng. Mohira và các cộng sự là những ngời đầu tiên kiến nghị một phơng pháp để tính lực sóng trong trờng hợp này. Hosoyamada và các cộng sự đã tìm ra một phơng pháp dựa trên phơng pháp của Morihira, nhng phơng pháp của Hosoyamada tổng quát hơn và có thể áp dụng cho nhiều loại thùng chìm đầu dốc hơn (xem Phần VII, 3.2.4. Đê chắn sóng thùng chìm đầu dốc) (11) Lực đẩy nổi tác động lên một thùng chìm có đế Khi một thùng chìm có một đế, một lực sóng tác động xuống phía dới đối với bề mặt bên trên của đế về phía biển, và một áp lực đẩy nổi p' u tác động vào chân trớc, trong khi áp lực đẩy nổi ở chân sau bằng không. Tuy nhiên, nói chung hợp lực cũng không khác nhiều so với khi không có đế. Do đó, có thể chấp nhận bỏ qua đế, và giả định áp lực đẩy nổi có cách phân bổ tam giác nh đã cho trong Hình T.5.2.3 , với áp lực đẩy nổi p u ở chân trớc đợc cho bởi phơng trình (5.2.8) Phn 2 - Chng 5 7 và áp lực đẩy nổi ở chân sau bằng không Tuy nhiên, nếu đế rất dài, cần tính lực đẩy nổi một cách thích đáng, có xét đến sự thay đổi trong áp lực đẩy nổi p' u ở chân trớc của đế. (12) Thềm lớp đệm đá rộng ở trớc tờng thẳng đứng Lực sóng tác động lên một tờng thẳng đứng của một đê chắn sóng hỗn hợp thay đổi không chỉ với chiều cao lớp đệm đá mà cả với bề rộng thềm và độ dốc phía trớc của lớp đệm đá (xem 5.2.3. áp lực xung do sóng vỡ). Nh đã giải thích, trong ba yếu tố đó, Goda chỉ đa vào công thức ảnh hởng của chiều cao lớp đệm đá. Do đó nếu bề rộng và độ dốc của lớp đệm đá khác đáng kể với bình thờng, nên tiến hành nghiên cứu bằng thí nghiệm mô hình thuỷ lực. Tuy nhiên, nên nhớ rằng nếu thềm đủ rộng, nó có thể đợc xem nh một phần của địa hình đáy biển. Ngay với công thức tiêu chuẩn, nếu bề rộng lớn hơn một nửa chiều dài sóng, phải sử dụng chiều sâu nớc phía trên lớp đệm đá để đánh giá chiều cao sóng và chiều dài sóng đẻ dùng tính toán lực sóng. (13) Lực sóng tác động lên một tờng thẳng đứng đợc tạo thành bởi một hàng các hình trụ thẳng đứng Nagai cùng các cộng sự và Hayashi đã tiến hành nghiên cứu về lực sóng tác động lên một tờng thẳng đứng gồm có một hàng các hình trụ (đê chắn sóng cọc). Qua các nghiên cứu này, đã kiểm tra thấy rằng lực sóng không khác nhiều so với lực sóng tác động lên một tơng thẳng đứng có bề mặt phẳng. Do đó có thể chấp nhận coi tờng thẳng đứng gồm có một hàng các hình trụ nh tờng có một mặt phẳng và tính lực sóng bằng công thức Goda [2] Lực sóng dới chân sóng (Điều 5, Khoản 1 Số 2 Thông báo) Lực sóng âm ở thời điểm chân sóng tác động lên một tờng phải tính bằng cách sử dụng thí nghiệm mô hình thuỷ lực thích hợp hoặc một công thức tính toán thích hợp [Chú giải] Khi một chân sóng tác động vào một tờng, một lực sóng âm tác động tơng ứng với chiều sâu chân sóng của mặt nớc từ mực nớc tĩnh. Một "lực sóng âm" là lực hớng ra biển. Cần nhớ rằng lực sóng âm có thể so sánh đợc về cờng độ với lực sóng dơng khi nớc sâu và chiều dài sóng ngắn [Chỉ dẫn kỹ thuật] (1) Phân bổ áp lực sóng âm áp lực sóng âm tác động lên một tờng thẳng đứng lúc có chân sóng có thể ớc tính gần đúng nh đã cho trong Hình T.5.2.4. Cụ thể, có thể giả định rằng áp lực sóng tác động về phía biển, với cờng độ áp lực sóng này bằng không ở mức nớc tĩnh lặng và có một giá trị không đổi p n từ một chiều sâu 0,5 H D dới mực nớc tĩnh cho tới chân tờng. ở đây p n đợc cho bởi công thức : p n = 0,5 0 gH D (5.2.10) Trong đó : p n : cờng độ áp lực sóng ở vùng không thay đổi (kN/m 2 ) 0 : dung trọng nớc biển (thờng là 1,03 t/m 3 ) g : gia tốc trọng trờng (9,81 m/s 2 ) H D : chiều cao sóng sử dụng trong tính toán thiết kế Hình T.5.2.3. á p lực đẩy nổi khi có đế Phn 2 - Chng 5 8 Hình T.5.2.4. Phân bố áp lực sóng âm Ngoài ra, áp lực đẩy nổi âm tác động vào đáy tờng thẳng đứng có thể đợc giả định tác động nh trong Hình T.5.2.4. Cụ thể, có thể giả định một lực đẩy nổi tác động hớng xuống dới với cờng độ bằng p n (nh đã cho trong phơng trình (5.2.10) ở chân trớc, bằng không ở chân sau, và ở giữa hai chân này là sự phân bố tam giác. Cần sử dụng chiều cao sóng cao nhất làm chiều cao sóng H D dùng trong tính toán (2) Lực sóng âm theo lý thuyết sóng biên độ hữu hạn Goda và Kakizaki đã tiến hành một tính toán lực sóng dựa trên các lời giải gần đúng bậc bốn của lý thuyết sóng đứng biên độ hữu hạn, và giới thiệu các biểu đồ tính toán áp lực sóng âm. Đã kiểm tra thấy rằng các kết quả tính toán của chúng phù hợp tốt với các kết quả thí nghiệm. Khi nớc sâu và hình thành rõ rệt sóng đứng, có thể chấp nhận sử dụng các kết quả của lý thuyết sóng đứng biên độ hữu hạn bậc gần đúng cao hơn. Cần nhớ rằng, với một đê chắn sóng nớc sâu, lực sóng âm ở chân sóng có thể trở thành lớn hơn lực sóng dơng ở đỉnh sóng, và tờng thẳng đứng có thể trợt ra phía biển. 5.2.3. áp lực xung do các sóng vỡ (1) Khi thấy rõ một áp lực sóng xung có thể đợc tạo ra do sóng đang vỡ, phải tiến hành nghiên cứu kể cả thí nghiệm mô hình thuỷ lực (2) Nên tránh không chấp nhận các dạng tiết diện ngang và các loại kết cấu có thể làm nảy sinh áp lực xung lớn do sóng vỡ. Nếu không thể tránh đợc một áp lực xung lớn do sóng vỡ, nên thiết kế lại kết cấu sao cho lực sóng giảm xuống, ví dụ bằng cách bố trí các công trình hấp thụ sóng thích hợp [Chú giải] Một áp lực xung sẽ phát sinh khi phía trớc của một sóng đang vỡ đập vào mặt tờng. Từ các thí nghiệm mô hình, có thể thấy rằng trong các điều kiện nào đó, áp lực sóng lớn nhất có thể lớn tới vài chục lần áp lực thuỷ tĩnh tơng ứng với chiều cao sóng (1,0 0 gH D ). Tuy nhiên, một áp lực sóng nh vậy chỉ tác động cục bộ và trong thời gian rất ngắn, và ngay cả các sự thay đổi nhẹ về các điều kiện dẫn đến sự giảm rõ rệt áp lực sóng. Do tính chất xung của lực sóng, các ảnh hởng đến độ ổn định và ứng suất trong các bộ phận kết cấu thay đổi theo các đặc điểm động lực của kết cấu. Theo đó, khi có nguy cơ phát sinh áp lực xung lớn do sóng vỡ gây ra, cần thiết phải có các biện pháp chống đỡ thích đáng bằng cách hiểu rõ các điều kiện phát sinh áp lực xung và các đặc trng của lực sóng thông qua thí nghiệm mô hình thuỷ lực [Chỉ dẫn kỹ thuật] (1) Điều kiện của áp lực xung do sóng đang vỡ Một loạt các yếu tố tham gia vào vấn đề làm phát sinh một áp lực xung do các sóng đang vỡ, do đó khó mô tả các điều kiện một cách tổng quát. Tuy nhiên, dựa trên các kết quả của rất nhiều thí nghiệm, có thể nói rằng một áp lực xung có khả năng xảy ra khi góc của sóng nhỏ hơn 20 0 trong các trờng hợp sau (a) Đáy dốc Hớn g ra biển Hớn g vào bờ Phn 2 - Chng 5 9 Khi ba điều kiện (độ dốc đáy hơn khoảng 1/30; có sóng vỡ nhẹ ngoài tờng thẳng đứng; và độ dốc sóng nớc sâu tơng đơng của chúng nhỏ hơn 0,13) đợc thoả mãn đồng thời, khi đó áp lực xung có khả năng phát sinh. (b) Lớp đệm cao Ngay khi nếu độ dốc đáy thoải, hình dạng của lớp đệm đá có thể tạo ra một áp lực xung. Trong trờng hợp này, ngoài các điều kiện của sóng, chiều cao đỉnh, chiều rộng thềm và độ dốc của lớp đệm đá đều có vai trò một phần, do đó khó xác định các điều kiện để có thể làm nảy sinh một áp lực xung. Nói chung, một áp lực xung sẽ đợc phát sinh khi lớp đệm đá tơng đối cao, chiều rộng thềm phù hợp hoặc độ dốc lớp đệm đá thoải, và các sóng đang vỡ tạo thành một bức tờng nớc thẳng đứng ở mái dốc hoặc ở đỉnh lớp đệm đá. Khi đáy biển có độ dốc nhỏ hơn khoảng 1/50 và tỷ lệ giữa chiều sâu nớc trên đỉnh lớp đệm đá (kể cả công trình phủ bảo vệ) và chiều sâu nớc bên trên đáy biển lớn hơn 0,6, có thể cho rằng sẽ không phát sinh áp lực xung lớn. (2) Các biện pháp chống lại Nếu có một áp lực xung lớn do các sóng đang vỡ tác động lên một tờng thẳng đứng, lực sóng có thể giảm nhiều bằng cách phủ lên mặt trớc một lăng thể các khối bê tông tiêu sóng. Đặc biệt, với một lớp đệm đá cao, một lớp phủ vừa đủ các khối bê tông tiêu sóng có thể ngăn chặn đợc việc xảy ra áp lực xung. Trong vài trờng hợp có thể tránh đợc tác động của 1 số áp lực xung bằng cách dùng các thùng chìm đặc biệt nh thùng chìm tờng có lỗ hoặc thùng đầu dốc nghiêng. Hớng sóng cũng có ảnh hởng lớn đến việc xảy ra áp lực xung và vì vậy một biện pháp chống lại có thể dùng là đảm bảo hớng sóng không vuông góc với tờng đê chắn sóng. (3) Nghiên cứu lực sóng bằng thí nghiệm mô hình Khi nghiên cứu lực sóng bằng cách thí nghiệm mô hình đối với trờng hợp có tác động của áp lực xung do sóng vỡ, cần xem xét các đáp tuyến của kết cấu đối với lực xung kích. Sẽ tốt hơn nếu nghiên cứu độ ổn định của toàn bộ tờng đứng bằng các thử nghiệm trợt, và nghên cứu cờng độ của các bộ phận kết cấu nh tờng đầu bằng cách đo đạc ứng suất và biến dạng. (4) áp lực xung các sóng vỡ tác động lên tờng thẳng đứng đặt trên đáy biển dốc (a) Chiều sâu nớc tạo ra áp lực sóng lớn nhất và cờng độ trung bình của áp lực sóng Mitsuyasu, Homma, Morihita, Goda và Haranaka, Horikawa và Noguchi, Fujisaky và Sasada và các công sự đã tiến hành nghiên cứu về áp lực xung do sóng vỡ tác động lên tờng thẳng đứng đặt trên đáy biển dốc. Đặc biệt Mitsuyasu tiến hành một phạm vi rộng các thí nghiệm sử dụng sóng ổn định nhờ đó ông ta nghiên cứu lực sóng vỡ tác động lên tờng thẳng đứng đặt trên mặt dốc đồng đều có độ dốc 1/50, 1/25 và 1/15 với nhiều chiều sâu n ớc khác nhau. Ông nghiên cứu sự thay đổi trong tổng lực sóng với chiều sâu nớc ở vị trí tờng đứng, và có đợc một phơng trình để tính chiều sâu nớc h M tại tờng thẳng đứng mà lực sóng xung và lớn nhất. Khi phuơng trình Mitsuyasu đợc viết lại theo chiều dài sóng nớc sâu, nó trở thành nh sau: H o : Chiều cao sóng nớc sâu (m) L o : Chiều dài sóng nớc sâu (m) tan: Độ dốc của mái dốc đồng đều Hom-ma, Horikawa và Hase kiến nghị một giá trị hơi khác đối với C M dựa trên các kết quả thí nghiệm với độ dốc bằng 1/15 và các dữ liệu khác. Trong mọi trờng hợp, áp lực sóng xung là lớn nhất khi kết cấu nằm hơi lùi về phía bờ so với điểm sóng vỡ đối với các sóng phát triển không ngừng. Hình T.5.2.5 cho tổng lực sóng khi lực sóng xung là lớn nhất đối với một số độ dốc đáy biển, dựa trên kết quả các thí nghiệm của Mitsuyasu. Trong hình này, có đợc p và sau đó chia cho o gH D để làm cho nó trở thành không thứ nguyên; sau đó đem các giá trị này lập thành biểu đồ theo độ dốc sóng nớc sâu. Có thể có đợc một sự hiểu biết về toàn thể xu hớng từ hình này. Cụ thể, có thể thấy rằng độ dốc sóng càng nhỏ, áp lực sóng xung đợc sinh ra càng lớn. Cũng vậy khi độ dốc đáy biển nhỏ hơn, cờng độ của áp lực xung cực đại giảm đi. Trong đó: Phn 2 - Chng 5 10 (b) Điều kiện để sinh ra áp lực sóng vỡ xung. Điều kiện để xuất hiện một áp lực xung trên một đáy biển dốc, nh mô tả trong (1) (a) đã đợc xác định trớc hết bằng cách dùng Hình T.5.2.5 nh một tài liệu hớng dẫn sơ bộ. Đối với sóng không ổn định ở biển, độ dốc sóng có thể ớc tính là tỷ số giữa chiều cao sóng nớc sâu tơng đơng tơng ứng với chiêù cao sóng cao nhất H max và chiều dài sóng nớc sâu tơng ứng với chu kỳ sóng có ý nghĩa: chiều cao sóng H max đợc ớc tính ở khoảng cách 5H 1/3 kể từ tờng thẳng đứng. Ta có thể dựa vào Hình T.5.2.5 để có một giá trị gần đúng của cờng độ trung bình của áp lực sóng đối với độ dốc sóng nớc sâu tơng đơng này. Trong trờng hợp này, H b phải đợc lấy làm H max nói trên. Ngời ta cũng có thể dự tính đặt một đê chắn sóng ở một nơi mà nguy cơ sinh ra áp lực xung không lớn đối với các sóng thiết kế. Tuy nhiên, khi đặt một tờng thẳng đứng gần hơn với bờ biển tại đó có sóng đã vỡ tác động lên tờng, vấn đề quan trọng là tiến hành nghiên cứu đối với các sóng có chiều cao nhỏ hơn so với chiều cao sóng thiết kế. (c) Lực sóng xung tác động lên một tờng thẳng đứng đặt trên một nền nằm ngang tiếp giáp một đáy dốc. Takahashi và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu áp lực sóng xung tác động lên một tờng thẳng đứng trên một nền nằm ngang tiếp giáp một đáy biển dốc. Ông dùng một thềm nằm ngang liên kết với một mặt dốc 1/10 hoặc 3/100 trong một máng sóng, sau đó đo áp lực sóng tác động lên một tờng thẳng đứng ở nhiều vị trí khác nhau với sóng ổn định. Ông kiến nghị một phơng trình (có giá trị với một số điều kiện nào đó) để tính vị trí tờng thẳng đứng tại đó lực sóng lớn nhất và tính lực sóng cực đại tại vị trí đó. (5) áp lực sóng xung tác động lên một đê chắn sóng hỗn hợp (a) ảnh hởng của hình dáng lớp đệm đá (hệ số áp lực sóng vỡ xung) Takahashi kiến nghị hệ số áp lực sóng vỡ xung dựa trên các kết quả thí nghiệm trợt. Đó là một hệ số tiêu biểu cho mức độ áp lực xung do sóng đang vỡ khi lớp đệm đá cao. Nó đợc biểu thị bằng hàm số của tỷ số chiều cao sóng với chiều sâu nớc bên trên lớp đệm đá đằng trớc lớp đệm đá H/d, tỷ số giữa chiều sâu nớc bên trên lớp đệm đá với chiều sâu nớc nguyên thuỷ tại tờng đứng d/h, và tỷ số của bề rộng thềm lớp đệm đá với chiều dài sóng tại chỗ đó B M /L. Nhớ rằng chiều cao sóng H là chiều cao sóng tính toán (chiều cao sóng lớn nhất). Hệ số áp lực sóng vỡ xung , đợc biểu thị bằng tích số của 10 và 11 nh trong phơng trình sau: Hình T-5.2.5 Cờn g độ trun g bình của áp lực són g đối với són g vỡ mạnh nhất (Tờng đứng trên mái dốc có độ dốc lớn) Hình T.5.2.6. Hệ số áp lực sóng vỡ xung 11 [...]... [Chỉ dẫn kỹ thuật ] (1) Công thức tính lực sóng đối với tờng đứng đợc che chắn đầy đủ bằng các khối bê tông tiêu sóng Lực sóng tác động lên một tờng thẳng đứng có che chắn bằng một lăng thể các khối bê tông tiêu sóng thay đổi tuỳ thuộc vào cấu tạo của công trình hấp thụ sóng, và vì vậy, nó phải đợc đánh giá bằng cách sử dụng các kết Phn 2 - Chng 5 11 quả mô hình tơng ứng với các điều kiện thiết kế Tuy... cần lấy các giá trị thích đáng cho các hệ số hiệu chỉnh áp lực sóng 1, 2, và 3 phù hợp với các điều kiện thiết kế (2) Các hệ số hiệu chỉnh với công thức Goda mở rộng Có thể áp dụng công thức Goda mỏ rộng bằng cách lấy các giá trị thích đáng cho các hệ số hiệu chỉnh 1, 2, và 3 Các nghiên cứu đã đợc tiến hành bởi Tanimoto,Takahashi và các cộng sự, Sekino và Kakuno, và Tanaka, Abe trong cùng các cộng... thuật] Một số các công thức lực sóng khác nhau đã đợc kiến nghị đối với tờng thẳng đứng gần bờ hoặc trên bờ Cần tiến hành tính toán thoả đáng lực sóng phù hợp với các điều kiện thiết kế Nói một cách đại khái, công thức tiêu chuẩn trong 5. 2.2 Lực của sóng đứng và sóng đang vỡ có thể áp dụng trong các vùng đáy biển có độ dốc thoải Phn 2 - Chng 5 13 và nớc tơng đối sâu Công thức của Tominaga và Kutsumi có... đỉnh của công trình hấp thụ sóng cao bằng đỉnh của tờng thẳng đứng và các khối bê tông tiêu sóng đủ vững vàng chống lại các tác động của sóng, lực sóng tác động lên tờng thẳng đứng có thể tính theo công thức Goda mở rộng Trong phơng pháp này với công thức tiêu chuẩn cho trong 5. 2.2 Lực sóng đứng và sóng vỡ, ta sử dụng các giá trị của , p1 và pu cho bởi các phơng trình (5. 2.1), (5. 2.2) và( 5. 2.8) nhng... định Phn 2 - Chng 5 21 (2) Hệ số ổn định đối với đá bảo vệ Hệ số ổn định Ns có thể xác định theo phơng pháp Inagaki và Katayama Phơng pháp này dựa trên công trình của Brebner và Donnnelly và kinh nghiệm h hại đã qua Tuy nhiên, các công trình sau đây của Tanimoto và các cộng sự dựa trên vận tốc dòng chảy gần lớp đệm và đa vào một loạt các điều kiện, và chúng đợc mở rộng bởi Takahashi, Kimura và Tanimoto... thuộc vào các điều kiện kết cấu của ngăn hấp thụ sóng, và do đó không thể tính lực sóng cho tất cả mọi trờng hợp có liên quan Tuy nhiên, đối với trờng hợp bình thờng không có tấm trần trong buồng sóng, ta có thể dùng công thức Goda mở rộng để tính lực sóng, với điều kiện có các sửa đổi cần thiết Takahashi và các cộng sự đã tiến hành các thí nghiệm đối với thùng chìm tờng có rãnh thẳng đứng, và đã trình. .. phơng trình 5. 3.1) (2) Hệ số ổn định và đờng kính danh nghĩa Hệ số ổn định trực tiếp tơng ứng với kích thớc cần thiết (đờng kính danh nghĩa) của đá bảo vệ hoặc khối bê tông đối với một chiều cao sóng đã cho Nói cách khác, bằng cách đa vào đờng kính danh nghĩa Dn = (M /r)1/3 và số hạng = Sr - 1 và thay chúng vào trong phơng trình (5. 3.1), ta có phơng trình tơng đối đơn giản sau đây: H / (Dn) = Ns (5. 3.2)... lệ h hại, mức độ h hại, h hại tơng đối) Từ đó, giá trị Ns sử dụng trong thiết kế phải xác định một cách thích đáng dựa trên các thí nghiệm mô hình thuỷ lực phù hợp với các điều kiện thiết kế tơng ứng So sánh các kết quả thí nghiệm sóng ổn định với các kết quả thí nghiệm sóng không ổn định, ta thấy tỷ số chiều cao sóng điều hoà với chiều cao quan trọng của sóng không điều hoà khi tỷ số này cho cùng một... tính Cả hai thành phần vận tốc và gia tốc hạt nớc trong phơng trình thay đổi theo thời gian và không gian Cần chú ý đầy đủ đến các biến đổi này và cần nghiên cứu sự phân bổ của lực sóng nghiêm trọng nhất cho cấu kiện hoặc kết cấu đang nghiên cứu (2) Thành phần vận tốc và gia tốc hạt nớc Các thành phần vận tốc và gia tốc hạt nớc và trong phơng trình (5. 4.1) đại diện cho các thành phần chuyển động của... đoạn đợc xác định đối với mức độ biến dạng của đá bảo vệ: h hại ban đầu, h hại trung gian và hỏng Với thiết kế tiêu chuẩn, thông thờng sử dụng mức độ biến dạng cho giai đoạn h hại ban đầu với N = 1000 sóng Tuy nhiên, với thiết kế cho phép một lợng biến dạng nào đó, có thể xem xét sử dụng giá trị đối với h hại trung gian Phn 2 - Chng 5 17 Bảng T .5. 3.1 Mức độ biến dạng cho giai đoạn hỏng với hai lớp bảo . bằng cách sử dụng các kết Phn 2 - Chng 5 12 quả mô hình tơng ứng với các điều kiện thiết kế. Tuy nhiên, nếu cao độ đỉnh của công trình hấp thụ sóng cao bằng đỉnh của tờng thẳng đứng và các. 1 , 2 , và 3 phù hợp với các điều kiện thiết kế. (2) Các hệ số hiệu chỉnh với công thức Goda mở rộng Có thể áp dụng công thức Goda mỏ rộng bằng cách lấy các giá trị thích đáng cho các hệ số. hợp với các điều kiện thiết kế. Nói một cách đại khái, công thức tiêu chuẩn trong 5. 2.2 Lực của sóng đứng và sóng đang vỡ có thể áp dụng trong các vùng đáy biển có độ dốc thoải Phn 2 - Chng