20 Chơng iI Tính toán các thông số của sóng v nớc dâng 2-1. Khái niệm chung Khi thiết kế đê sông cũng nh đê biển, cần phải xác định các thông số thủy lực của dòng chảy mặt có ảnh hởng đến kích thớc và khả năng chịu lực của đê. Các thông số quan trọng nhất là: mực nớc tính toán ( ứng với các trờng hợp tính toán khác nhau), mực nớc dâng do gió, các yếu tố của sóng gió (sóng do gió gây ra, để phân biệt sóng do tàu thuyền và các tác nhân khác). Ngoài ra, hớng của dòng chảy mặt và hớng chuyển bùn cát đáy cũng ảnh hởng tới các quá trình diễn biến bờ và an toàn của đê. Vấn đề này đợc trình bày trong các chuyên đề về động lực học sông ngòi và động lực học vùng ven biển. Trong chơng này chỉ đề cập đến việc tính toán các thông số của sóng và nớc dâng. I. Các thông số của sóng: Sóng do gió tạo ra trên mặt hồ, sông, biển là kết quả tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau: vận tốc gió (w), hớng gió ( ), đà sóng(D), thời gian gió thổi liên tục (t), độ sâu nớc (h) v.v Mô tả hình dạng của con sóng điển hình nh trên hình 2-1 Hình 2-1: Mặt cắt và các thông số của sóng. Các thông số chính của sóng nh sau: - Đờng trung bình của sóng: Đờng cắt đờng ghi dao động sóng sao cho tổng diện tích ở trên và dới nó là nh nhau. - Đầu sóng: Phần sóng nằm trên đờng trung bình của sóng; - Đỉnh sóng: Điểm cao nhất của đầu sóng ; 21 - Bụng sóng: Phần sóng nằm ở phía dới đờng trung bình của sóng. - Chân sóng: Điểm thấp nhất của bụng sóng. - Chiều cao sóng(Hs): Khoảng cách thẳng đứng từ đỉnh sóng đến chân sóng; - Chiều dài sóng hay bớc sóng(Ls): Khoảng cách nằm ngang giữa hai đỉnh sóng kề nhau. - Chu kỳ sóng (Ts): Khoảng thời gian để hai đỉnh sóng kề nhau đi qua một mặt cắt xác định vuông góc với hớng truyền sóng. - Vận tốc sóng(v s ): Tốc độ di chuyển của đầu sóng theo hớng truyền sóng. Vì các yếu tố tạo sóng (w,,D,t,h .) là các đại lợng thay đổi thờng xuyên và có vô vàn các tổ hợp của chúng nên các yếu tố của sóng phải đợc xét nh là các đại lợng ngẫu nhiên và đợc phản ánh thông qua các đặc trng thống kê của sóng. Trong thực tế, ngời ta sử dụng 2 loại đặc trng thống kê của sóng nh sau : 1. Loại 1: Sử dụng giá trị trung bình của một bộ phận sóng trong liệt sóng thống kê, ví dụ: - Chiều cao sóng trung bình H s : là trị số trung bình toán học của tất cả các trị số chiều cao sóng trong liệt thống kê. - Chiều cao sóng có ý nghĩa (H s 1/3 ): Là chiều cao trung bình của nhóm sóng lớn bao gồm 1/3 số con sóng trong liệt thống kê, sắp xếp từ lớn đến nhỏ. Khái niệm này thờng đợc dùng nhiều trong các tài liệu của phơng Tây hiện nay. - Chiều cao sóng H s 1/10 : Cách xác định cũng tơng tự nh H s 1/3 . 2. Loại 2: Sử dụng các trị số theo tần suất luỹ tích. Ví dụ: H sp - Chiều cao sóng ứng với tần suất p%. Khi tính toán cần dựa vào các qui định của qui phạm hiện hành để xác định các đặc trng loại này hay loại khác. II. Các phơng pháp tính toán sóng: Tùy theo điều kiện số liệu đầu vào và yêu cầu của thiết kế mà có thể sử dụng các phơng pháp tính toán sau: 1. Phơng pháp Crlop (Liên Xô cũ): Phơng pháp này đã đợc đa vào các qui phạm của liên xô CHu 2.06.04.82- Tải trọng và lực tác dụng lên công trình thủy lợi ( do sóng, băng và tàu). ở Việt Nam phơng pháp này cũng đợc chấp nhận và đa vào các qui phạm QPTL C1-78 (Bộ Thủy lợi trớc đây) và 22TCN 222- 95 (Bộ giao thông vận tải) hiện nay. 22 2. Phơng pháp biểu đồ Hincat: Đợc giới thiệu nhiều trong tài liệu phơng Tây. Các trị số chiều cao sóng tìm đợc trực tiếp trên các biểu đồ Hincat là chiều cao sóng có ý nghĩa (H S 1/3 ). 2-2. Xác định các yếu tố tạo sóng Các yếu tố tạo sóng đợc xét ở đây bao gồm gió (hớng, vận tốc, thời gian thổi liên tục), đà sóng, chiều sâu nớc phía trớc công trình và sự biến đổi của các yếu tố này theo thời gian. Các thông số của sóng phụ thuộc vào nhiều yếu tố và chỉ khi hội đủ một số điều kiện nhất định thì sóng mới đạt đợc chiều cao lớn nhất (ứng với một mức đảm bảo đã cho). Sau đây trình bày cách xác định các yếu tố tạo sóng nh là các số liệu đầu vào để tính toán sóng. I. Gió: 1. Hớng gió: Các đặc trng của gió đợc thống kê theo từng hớng xác định hoặc là không kể hớng. Theo hớng, các thông số của gió có thể đợc mô tả theo kiểu hoa hồng 4 cánh (gồm 8 hớng: Đ, T, N, B, ĐB, ĐN, TB, TN) hoặc hoa hồng 8 cánh (gồm 16 hớng). Khi công trình xây dựng ở vùng mà hớng gió thờng xuyên thay đổi hoặc không xác định, có thể xác định các đặc trng thống kê không kể hớng của gió. Với một tuyến công trình đê đập xác định, hớng gió đợc đặc trng bởi góc , là góc nhọn giữa hớng gió thổi và hớng vuông góc với tuyến công trình. Khi hớng gió thổi vuông góc với tuyến công trình, ta có = 0. 2. Vận tốc gió: Trị số tính toán là vận tốc gió trung bình trong 10 phút tự ghi của máy đo gió ở độ cao 10 m trên mặt nớc: W 10 = K 1 .K đ .K 10 .W t (2-1) Trong đó: W t : Vận tốc gió thực đo, lấy trung bình trong 10 phút và với tần suất đảm bảo đợc quy định khi thiết kế công trình (theo các qui phạm hiện hành). K 1 - Hệ số tính đổi từ máy đo; K 1 = 0.675 + t W 5.4 , K 1 1. (2-2) 23 K đ - Hệ số tính đổi vận tốc gió sang điều kiện mặt nớc Khi đo trên bãi cát bằng phẳng, K đ = 1; Khi đo trên loại địa hình khác, theo bảng 2-1. Bảng 2-1: Giá trị của K đ ở các loại địa hình. Tốc độ gió Wt(m/s) Dạng địa hình A Dạng địa hình B Dạng địa hình C 10 1.10 1.30 1.47 15 1.10 1.28 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 Ghi chú: - Dạng địa hình A: Các địa hình trống trải (bờ biển, bờ hồ trống trải, đồng cỏ, đồng cỏ có rừng tha, rừng non). - Dạng địa hình B: Các thành phố có nhà cao < 25m, kể cả ngoại ô, các vùng rừng rậm và các địa hình tơng ứng có vật chớng ngại phân bố đều khắp, với chiều cao các vật chớng ngại > 10m so với mặt đất. - Dạng địa hình C: Các khu thành phố có nhà cao hơn 25m. K 10 - Hệ số chuyển đổi sang vận tốc gió ở độ cao 10 m trên mặt nớc, xác định theo bảng 2-2. Bảng 2-2: Hệ số chuyển đổi vận tốc gió K 10 . Khoảng cách giữa máy đo gió và mặt nớc (m) 5 6 7 8 9 10 11 12 K 10 1.14 1.11 1.07 1.04 1.02 1.00 0.98 0.97 Khoảng cách giữa máy đo gió và mặt nớc (m) 13 14 15 16 17 18 19 20 K 10 0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 0.90 0.89 24 3. Thời gian gió thổi liên tục (t): Thời gian gió thổi liên tục có ảnh hởng trực tiếp đến các thông số của sóng gió. Khi các điều kiện đã cho, có tồn tại một ngỡng thời gian t min để chiều cao sóng đạt cực đại (H max ). Nếu thời gian gió thổi liên tục t < t min sẽ cho chiều cao sóng H < H max . Theo QPLT C1-78, khi không có tài liệu về thời gian tác dụng của gió, để tính toán sơ bộ cho phép lấy t=6 giờ đối với hồ chứa nớc (thiên nhiên và nhân tạo), 12 giờ đối với biển và 18 giờ đối với đại dơng. II. Đà sóng (D): Đà sóng đợc xác định tùy theo tình hình thực tế ở địa điểm dự báo. 1. Nếu địa điểm dự báo là vùng nớc hẹp, D đợc xác định theo phơng pháp đồ giải "đà sóng tơng đơng" (hình 2-2). D td = i i i i 2 i cos cosr (2-3) Trong đó: i Góc lập giữa tia tính toán thứ i với hớng gió chính r i Chiều dài đà sóng theo hớng tia thứ i Hình 2-2: Sơ đồ xác định đà sóng tơng đơng D td 25 Cách xác định cụ thể nh sau: - Từ vị trí dự báo vẽ một tia thẳng theo hớng gió chính (Tia xạ chính). Tia này có i = 0, 0 = 0. - Tiếp theo trong phạm vi 45 0 của hai phía tia xạ chính vẽ các góc i = 7,5 i (độ) Với i = -6 ữ +6; đo các đà sóng r i tơng ứng. Trị số đà sóng tơng đơng là trị số trung bình các hình chiếu của các tia r i lên tia xạ chính. 2. Đối với vùng không có yếu tố địa hình hạn chế, giá trị trung bình của đà sóng D (m) đối với một vận tốc gió tính toán w(m/s) cho trớc đợc xác định theo công thức: D = 5.10 11 w ; (2-4) Trong đó: là hệ số nhớt động học của không khí lấy bằng 10 -5 m 2 /s. Giá trị lớn nhất của đà sóng theo 22TCN222-95 đợc xác định theo bảng 2-3 Bảng 2-3: Trị số chiều dài đà sóng theo giới hạn Dmax (km). W(m/s) 20 25 30 40 50 Dmax (km) 1600 1200 600 200 100 Chú ý: - Vận tốc gió tính toán khi đà sóng nhỏ hơn 100km đợc phép xác định theo số liệu quan trắc thực tế đối với vận tốc gió cực đại hằng năm không xét đến độ dài thời gian có gió. - Khi đà sóng lớn hơn 100km thì vận tốc gió tính toán phải xác định có xét tới sự phân bố theo không gian của nó. III. Mực nớc tính toán và chiều sâu nớc trớc công trình: 1. Mực nớc tính toán: Mực nớc tính toán đợc chọn theo các tần suất bảo đảm do qui phạm qui định, và theo các trờng hợp tính toán tơng ứng. ở nớc ta hiện nay, các qui phạm về đê sông, đê biển cha đợc ban hành chính thức (đang ở mức dự thảo) nên có thể chọn các tần suất bảo đảm theo các tài liệu chuyên môn tơng ứng ở trong và ngoài nớc. Chẳng hạn, theo quy phạm đê của Trung Quốc: 26 Cấp đê I II III IV V Thời kỳ xuất hiện lại (năm) 100 50 ữ 100 30 ữ 50 20 ữ 30 10 ữ 20 Theo QPTL C1-78, khi xác định các yếu tố của sóng gió và nớc dâng, phải lấy tần suất bảo đảm của gió là 2% đối với công trình cấp I và II, 4% đối với công trình cấp III và IV. Chú ý rằng nếu trong số liệu tính toán mực nớc (theo tần suất bảo đảm) cha kể đến chiều cao nớc dâng do gió thì cần cộng thêm trị số mực nớc dâng tính toán vào mực nớc tính toán sóng. 2. Các vùng tính toán sóng: Khi tính toán cho các đê biển, đê sông có bờ thoải, độ sâu nớc h biến đổi dọc theo chiều truyền sóng và có ảnh hởng đến các thông số của sóng. Rõ ràng là khi nớc nông (h có trị số nhỏ) thì mặt đáy bãi sông, biển sẽ có tác dụng cản sóng. Vì vậy các yếu tố của sóng đợc tính theo các vùng nh sau: a) Vùng sóng nớc sâu: h 0.5 Ls, các yếu tố của sóng không chịu ảnh hởng của đáy sông, biển. b) Vùng sóng nớc nông: h pg < h < 0.5 Ls, địa hình đáy có ảnh hởng đến các yếu tố của sóng. ở đây h pg là độ sâu phân giới gây sóng vỡ. c) Vùng sóng đổ: h đ < h < h pg , trong đó h đ là độ sâu nơi kết thúc sóng đổ. d) Vùng sóng leo: h < h đ sau lần đổ cuối cùng, sóng hình thành dòng xung kích mạnh, trờn lên mặt dốc, leo lên đến độ cao nào đó thì rút xuống. Trong vùng này các yếu tố hình dạng sóng không còn tồn tại. Khi trớc công trình là bờ thoải liên tục thì trớc hết phải xác định các yếu tố sóng tại vùng nớc sâu, sau đó tính toán biến dạng của các yếu tố sóng nớc sâu đó trong quá trình truyền vào bờ, đi qua các vùng nớc nông, sóng đổ và sóng leo. 27 2-3. Tính toán các thông số của sóng theo phơng pháp Crlốp 1. Các thông số của sóng vùng nớc sâu (h 0.5 L s ) a) Các đặc trng sóng bình quân ( s H và s L ): Xác định theo đờng giới hạn trên trong đồ thị hình 2-3 theo đó tìm đợc các cặp giá trị 2 s W Hg và W Tg s từ các đại lợng không thứ nguyên 2 W D.g và W t.g . Chọn lấy cặp giá trị bé nhất trong hai cặp số tìm đợc, từ đó sẽ tính ra s H và s T . Chiều dài sóng trung bình xác định theo công thức: = 2 T.g L 2 s s (2-5) b) Chiều cao sóng có mức đảm bảo p% H sp = K p . s H (2-6) Trong đó: K p tra trên đồ thị hình 2-4 theo mức bảo đảm p% và thông số 2 W D.g . 2. Các thông số của sóng vùng nớc nông: a) Trờng hợp độ dốc đáy i 0.002 - Chiều cao sóng với mức đảm bảo p% xác định theo công thức: H sp = K t .K r .K i .K p . s H; (2-7) Trong đó: K i là hệ số tổng hợp các tổn thất, (bảng 2-4). K t hệ số biến dạng lấy theo đồ thị 1, (hình 2-5). K r hệ số khúc xạ, xác định theo công thức: K r = a a o (2-8)  28 H×nh 2-3: §å thÞ x¸c ®Þnh c¸c yÕu tè cña sãng H×nh 2-4: §å thÞ x¸c ®Þnh Ki 29 ở đây: a o - Khoảng cách giữa những tia sóng cạnh nhau ở phía vùng nớc sâu a- khoảng cách giữa chính các tia đó, nhng theo đờng thẳng vẽ qua một điểm cho trớc ở vùng nớc nông (m). Hình 2-5: Đồ thị xác định hệ số Kt (1) và đại lợng h pg / s L (2,3,4). Hình 2-6: Sơ đồ và các đồ thị lập bình đồ khúc xạ a) Mặt bằng khúc xạ; b) Đồ thị xác định góc khúc xạ [...]... Z4 h h p3 = ksp2 ( 2- 2 3) ( 2- 2 4) ( 2- 2 5) ( 2- 2 6) b) Khi độ dốc đáy i > 0.04: - Tại độ sâu Z1: p1 xác định theo ( 2- 2 3) và ( 2- 2 4) - Tại độ sâu Z2: p2 = (Z2 +Z4) ( 2- 2 7) - Tại độ sâu Z3 = h: p3 = p2 ( 2- 2 8) Trong đó: Z1: Khoảng cách từ đỉnh công trình tới mực nớc tính toán; Z2: Khoảng cách từ mực nớc tính toán tới chân sóng lấy theo đại lợng tơng đối Z2/h ở bảng 2- 1 3 K5: Hệ số lấy theo bảng 2- 1 4 Z4: Khoảng... .Hs.(0.033 Zđ = Pđ/ Ls +0.75) h ( 2- 3 0) ( 2- 3 1) 43 b) Khi vị trí công trình ở vùng gần mép nớc (hình 2- 1 3,b) Pm = (1 - 0.3 ld ).Pđ Ld ( 2- 3 2) Zđ = Pm/ ( 2- 3 3) c) Khi vị trí công trình ở trên bờ sau đờng mép nớc, trong phạm vi sóng leo (hình 2- 1 3,c): Pb = 0.7(1 - lm ).Pđ Ll ( 2- 3 4) Zđ = Pb/ ( 2- 3 5) Trong đó: Z - độ vợt cao của đỉnh sóng trên mực nớc tính toán ở mặt cắt tờng chắn sóng (m) l - Khoảng cách từ mặt cắt... 2- 1 2 - Trọng lợng riêng của nớc; Hs- Chiều cao sóng tính toán (với mức đảm bảo p%) Bảng 2- 1 1: Hệ số Knb Độ thoải của sóng L s /Hs 10 15 20 25 35 Knb 1.0 1.15 1.30 1.35 1.48 Bảng 2- 1 2: Trị số áp lực sóng tơng đối p 2 Chiều cao Hs (m) Trị số P2 0.5 1.0 1.5 2. 0 2. 5 3.0 3.5 4.0 3.7 2. 8 2. 3 2. 1 1.9 1.8 1.75 1.7 Độ sâu Z2 tính bằng mét, của điểm chịu áp suất p2 xác định theo công thức: Z2 = A + 1 m 2 (1 2. .. bảng 2- 1 6 46 Hình 2- 1 6: Biểu đồ áp lực sóng lên đê mỏ hàn a) Mặt bằng bố trí đê; b) Mặt cắt ngang đê s- Chiều dài của một phần tử đê a- Chiều rộng đê Bảng 2- 1 6: Hệ số áp lực sóng kn trong công thức ( 2- 3 9) Mặt chịu áp Trị số a.cotg b (m) Trị số kn khi s/ Ls bằng 0.10 0 .2 - 1 0.75 0.65 0.60 0.7 0.65 0.60 0.55 0.5 0.45 0.45 0.45 0.45 1 .2 0.18 0 .22 0.30 0.35 2. 5 Mặt khuất 0.05 0 Mặt ngoài 0.03 0 0 0 0 2- 7 ... 2 m 2 + 1 ).(A + B ) ( 2- 1 8) Trong đó: A, B là các đại lợng tính bằng mét, xác định nh sau: A = Hs.(0.47 + 0. 023 Ls 1 + m2 ) Hs m2 B = Hs.[(0.95 - 0.84m - 0 .25 ) Hs ] Ls ( 2- 1 9) ( 2- 2 0) Độ cao Z3 đợc xác định theo chiều cao sóng leo nêu ở tiết 2- 5 40 ở các phần gia cố mái cao hơn và thấp hơn điểm 2 (hình 2- 1 0), lấy trị số tung độ biểu đồ áp lực sóng nh sau: ở khoảng cách l1 = 0.0 125 Lm và l3 = 0. 026 5 Lm... vào mái) có dạng nh hình 2- 1 0 Hình 2- 1 0: Biểu đồ áp lc sóng tính toán lớn nhất lên mái dốc đợc gia cố bằng các tấm bản 39 Trong đó trị số áp suất sóng lớn nhất (p2) xác định theo công thức: p2 = Kno.Knb p 2 .Hs ( 2- 1 6) Trong đó: Kno- hệ số xác định theo công thức: Kno = 0.85 + 4.8 Hs H + m.(0. 02 8-1 .15 s ) Ls Ls ( 2- 1 7) Knb hệ số lấy theo bảng 2- 1 1 p 2 - áp lực sóng tơng đối lớn nhất, lấy theo bảng 2- 1 2. .. lên các công trình bảo vệ bờ 1 Đê ngầm giảm sóng: Tải trọng sóng tác dụng lên đê trong trờng hợp bụng sóng lấy theo sơ đồ hình 2- 1 2 Biểu đồ áp lực sóng khi đó đợc xác định bởi các thông số Z1, Z2, Z3, Z4, P1, P2, P3 Cần phân biệt 2 trờng hợp: a) Khi độ dốc đáy i 0.04 - Tại độ sâu Z1: p1 = (Z1+Z4) khi Z1 < Z2; p 1 = p2 khi Z1 Z2 - Tại độ sâu Z2: p2 = Hs.(0.015 - Tại độ sâu Z3 = h, Ls h Z1 + 0 .23 ) +... 4 0.38 Bảng 2- 7 : Hệ số kinh nghiệm KW W / g.h 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 5 KW 1 1. 02 1.08 1.06 1 .22 1 .25 1 .28 1.30 Bảng 2- 8 : Hệ số tính đổi Kpl để tính chiều cao sóng leo 0.1 1 2 3 4 5 10 13 20 50 < 0.1 2. 66 2. 23 2. 07 1.97 1.90 1.84 1.64 1.54 1.39 0.96 0.1 ữ 03 2. 44 2. 08 1.94 1.86 1.80 1.75 1.57 1.48 1.36 0.97 > 0.3 2. 13 1.86 1.76 1.70 1.65 1.61 1.48 1.40 1.31 0.99 H s/h P% Trong đó: p% - Mức bảo đảm xuất... theo công thức ( 2- 3 0), ( 2- 3 2) , ( 2- 3 4) phải đợc nhân với hệ số Kg lấy theo bảng 2- 1 5 Bảng 2- 1 5: Hệ số Kg Khoảng cách từ đỉnh công trình tới mực nớc tính toán Z1 (m) +0.3Hs 0 -0 .3Hs -0 .65Hs Hệ số Kg 0.95 0.85 0.80 0.50 44 Hình 2- 1 3: Các biểu đồ áp lực sónglên tờng chắn sóng thẳng đứng 3 Tờng đứng liền bờ: Tải trọng lên tờng khi sóng rút có sơ đồ nh hình 2- 1 4 Cờng độ áp lực pr xác định theo công thức: pr... của chân sóng Z2/h Độ vợt cao tơng đối của đỉnh sóng Z5/h Hệ số Ko 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.14 0.17 0 .20 0 .22 0 .24 0 .26 0 .28 0.13 0.16 0 .20 0 .24 0 .28 0. 32 0.37 0.76 0.73 0.69 0.66 0.63 0.60 0.57 Bảng 2- 1 4: Hệ số Ks Độ thoải của sóng Ls /Hs 8 10 15 20 25 30 35 Hệ số ks 0.73 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.0 2 Tờng chắn sóng xa bờ: a) Khi công trình nằm ở vị trí sóng đổ lần cuối (hình 2- 1 3a) Pđ = .Hs.(0.033 . tetrapod (2 lớp )- Xem chơng 4 0.40 9 Khối dolos (2 lớp )- Xem chơng 4 0.38 Bảng 2- 7 : Hệ số kinh nghiệm K W W / h.g 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 5 K W 1 1. 02 1.08 1.06 1 .22 1 .25 1 .28 1.30 Bảng 2- 8 :. theo công thức: D = 5.10 11 w ; ( 2- 4 ) Trong đó: là hệ số nhớt động học của không khí lấy bằng 10 -5 m 2 /s. Giá trị lớn nhất của đà sóng theo 22 TCN 22 2-9 5 đợc xác định theo bảng 2- 3 . 15 1.10 1 .28 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 Ghi chú: - Dạng địa hình A: Các địa hình trống trải (bờ biển, bờ hồ trống