Tiêu chuẩn kỹ thuật và chú giải đối với các công trình cảng - Phần Các điều kiện thiết kế - Chương 4 pps

Khái quát 4.1.1 Phương pháp xác định sóng dùng trong thiết kế Điều 4, Khoản 1 của Thông báo Sóng dùng trong việc nghiên cứu độ ổn định của các công trình bảo vệ cảng và các công trình

Phần 2 - Chương 4 [1] 1

Các số liệu sóng 1) Số liệu đo đạc thực tế 2) Các giá trị tính toán

Phân tích thống kê 1) Sóng thường 2)Sóng bão

Tỷ lệ xuất hiện sóng nước sâu

Sóng nước sâuthiết kế

Biến dạng sóng Biến dạng sóng

Tỷ lệ xuất hiện sóng tại vị trí tính toán

Các thông số sóng tính toán1) Sóng có ý nghĩa

2) Sóng cao nhất

1) Độ yên tĩnh của bến2) Suất hoạt động thực tế,

số ngày làm việc 3) Năng lượng vận tải của sóng tới

4) Các vấn đề khác

1) Lực sóng tác động lên công trình

2) Lượng sóng tràn lên tường bến và

kè bảo vệ 4) Các vấn đề khác

Hình T-4.1.1 Quá trình xác định sóng để dùng trong thiết kế

Chương 4: Sóng

4.1 Khái quát

4.1.1 Phương pháp xác định sóng dùng trong thiết kế (Điều 4, Khoản 1 của Thông báo)

Sóng dùng trong việc nghiên cứu độ ổn định của các công trình bảo vệ cảng và các công trình bến khác, cũng như xem xét mức độ tĩnh lặng của luồng chạy tàu và bể cảng phải được xác định bằng cách sử dụng các số liệu sóng có được từ đo đạc sóng thực tế hoặc dự báo sóng tính toán Các đặc trưng của sóng phải xác định bằng cách tiến hành các thống kê cần thiết và phân tích các sự biến

động của sóng tuỳ theo địa hình đáy biển và các việc khác nữa Cần phải tiến hành xác định dự báo sóng tính toán bằng một phương pháp dựa trên một phương trình thích hợp để biểu thị quan hệ giữa vận tốc gió và phổ sóng hoặc các thông số sóng quan trọng

[Chú giải]

Kích thước và hình dạng kết cấu của công trình được

xác định bởi các yếu tố như chiều cao và chu kỳ của

sóng tác động lên chúng Vì vậy việc xác định các

điều kiện của sóng để dùng trong thiết kế phải tiến

hành cẩn thận VIệc xác định các điều kiện sóng phải

tiến hành riêng rẽ đối với “sóng thường” (Nghĩa là

sóng xẩy ra trong các điều kiện thông thường: cần

đến chúng để đánh giá mức độ tĩnh lặng của bến

hoặc năng suất bốc xếp hàng) và “sóng bão” (nghĩa

là sóng xẩy ra trong điều kiện bão: cần đến chúng để

xác định lực sóng tác động lên kết cấu)

Sóng có được từ các số liệu thống kê dựa trên các

đo đạc thực tế hoặc dự báo sóng tính toán thường là

sóng nước sâu không bị ảnh hưởng bởi địa hình đáy

biển Sóng nước sâu lan truyền về phía bờ, và một

khi sóng tới độ sâu nước bằng khoảng nửa chiều dài

sóng, chúng bắt đầu bị ảnh hưởng của địa hình đáy

biển và biến dạng với kết quả là chiều cao sóng thay

đổi “Sự biến dạng của sóng” bao gồm khúc xạ,

nhiễu xạ, phản xạ, vào chỗ cạn và vỡ ra Để xác định

các điều kiện sóng ở chỗ mà số liệu sóng cần đến (ví

dụ chỗ đặt kết cấu công trình) cần xem xét thích đáng

các sự biến dạng của sóng bằng các tính toán số học

hoặc bằng thử nghiệm mô hình

Trong phương pháp nói trên để xác định các điều

kiện sóng dùng trong thiết kế, cần xem xét dầy đủ

đến tính chất không đều đặn của sóng và xử lý chúng

với tính chất ngẫu nhiên càng nhiều càng tốt

Sóng dùng để thiết kế kết cấu thường được gọi là “Sóng có ỹ nghĩa” Sóng có ý nghĩa là một sóng có tính chất giả thuyết, nó là một chỉ số thống kê của một nhóm sóng không đều Sóng có ý nghĩa có kích thước xấp xỉ bằng các giá trị

từ các quan sát sóng bằng mắt, do đó chúng được dùng để tính toán sóng.Ta cũng biết rằng chu kỳ của một sóng có ý nghĩa xấp xỉ bằng chu kỳ ở đỉnh của phổ sóng Vì các lợi ích như vậy, các sóng có ý nghĩa thường được dùng đại diện cho nhóm sóng Tuy nhiên, tuỳ theo mục đích, có thể cần chuyển đổi sóng có ý nghĩa thành các sóng khác như sóng cao nhất và sóng một phần mười cao nhất

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1) Định nghĩa các thông số sóng

(a) Sóng có ý nghĩa (chiều cao sóng có ý nghĩa H1/3 và chu kỳ sóng có ý nghĩa T1/3)

Các sóng trong một nhóm sóng được sắp xếp lại theo thứ tự chiều cao của chúng và 1/3 các sóng cao nhất được lựa chọn; sóng có ý nghĩa là sóng giả thuyết có chiều cao và chu kỳ là chiều cao và chu kỳ trung bình của các sóng

được lựa chọn

(b) Sóng cao nhất (chiều cao sóng cao nhât Hmax và chu kỳ sóng cao nhất Tmax

Sóng cao nhất trong một nhóm sóng

(c) Sóng một phần mười cao nhất (H1/10, T1/10)

Sóng có chiều cao và chu kỳ bằng chiều cao và chu kỳ trung bình của các sóng một phần mười cao nhất trong một nhóm sóng

(d) Sóng trung bình (chiều cao sóng trung bình H , chu kỳ trung bình T )

Sóng có chiều cao và chu kỳ bằng chiều cao và chu kỳ trung bình của tất cả các sóng trong nhóm sóng

(e) Sóng nước sâu (chiều cao sóng nước sâu Ho và chu kỳ sóng nước sâu To)

Sóng ở một vị trí mà chiều sâu nước bằng ít nhất một nửa chiều dài sóng: các thông số sóng được biểu thị bằng các thông số của sóng có ý nghĩa ở vị trí đó

(f) Sóng nước sâu tương đương (Ho’)

Chiều cao một sóng giả thuyết đã được hiệu chỉnh vì ảnh hưởng của các thay đổi về địa hình hai chiều như khúc xạ

và nhiễu xạ; nó được biểu thị bằng chiều cao của sóng có ý nghĩa

(2) Sóng lớn nhất

Sóng có ý nghĩa lớn nhất trong một loạt các số liệu sóng có ý nghĩa đã quan sát được trong một thời kỳ nào đó (ví

dụ một ngày, một tháng hoặc một năm) được gọi là sóng lớn nhất Để xác định rõ độ dài của thời kỳ quan sát, nên gọi sóng lớn nhất là sóng có ý nghĩa lớn nhất trong một ngày (hoặc một tháng ,một năm vv ) Hơn nữa, khi người

ta muốn nói rõ người ta nói tới sóng có ý nghĩa đối với sóng lớn nhất xẩy ra trong thơì tiết giông bão, ta dùng thuật

ngữ “sóng đỉnh” (xem 4.4 Xử lý thống kê các số liệu quan sát và tính toán sóng).Chiều cao sóng lớn nhất là

giá trị cực đại của chiều cao sóng có ý nghĩa trong một thời kỳ nào đó, nó khác với định nghĩa của “chiều cao sóng cao nhất”

(3) ý nghĩa của sóng nước sâu tương đương

Chiều cao sóng tại một nơi nào đó ở hiện trường được xác định bằng kết quả của các biến dạng do sóng vào chỗ cạn và vỡ ra, điều này phụ thuộc vào chiều sâu nước ở nơi đó và các biến dạng do nhiễu xạ và khúc xạ, điều này phụ thuộc các điều kiện địa lý hai chiều ở nơi đó Tuy nhiên, trong các thí nghiệm mô hình thuỷ lực về sự biến dạng hoặc vượt tràn của sóng trong máng hai chiều hoặc trong phân tích hai chiều theo lý thuyết biến dạng sóng thì không xét đến các sự thay đổi địa hình hai chiều Khi áp dụng các kết quả của thí nghiệm mô hình hai chiều hoặc một tính toán lý thuyết cho hiện trường, cần kết hợp trước các điều kiện đặc biệt của vị trí đang nghiên cứu, cụ thể

là ảnh hưởng của các sự thay đổi địa hình hai chiều (đặc biệt ảnh hưởng của nhiễu xạ và khúc xạ) vào các sóng nước sâu ở vị trí đang nghiên cứu, từ đó điều chỉnh các sóng nước sâu thành một dạng sao cho chúng tương ứng với chiều cao sóng khởi điểm nước sâu dùng cho thí nghiệm hoặc tính toán lý thuyết Chiều cao sóng nước sâu có

được bằng cách hiệu chỉnh các ảnh hưởng của nhiễu xạ và khúc xạ với các hệ số của chúng được gọi là “chiều cao sóng nước sâu tương đương” Chiều cao sóng nước sâu tương đương ở vị trí sẽ tiến hành thiết kế được xác định như sau:

Phần 2 - Chương 4 [1] 3

H o ’ = K d K r H o (4.1.1)

Trong đó :

K r : hệ số khúc xạ ở vị trí nghiên cứu (xem 4.5.2 Khúc xạ sóng)

Kd : hệ số nhiễu xạ ở vị trí nghiên cứu (xem 4.5.3 Nhiễu xạ sóng)

4.1.3 Tính chất của sóng

[1] Tính chất cơ bản của sóng

Các tính chất cơ bản của sóng như chiều dài sóng và vận tốc có thể được xác định bằng lý thuyết sóng biên độ nhỏ Tuy nhiên, chiều cao của sóng vỡ và chiều cao sóng leo phải được ước tính trong khi xem xét ảnh hưởng của biên độ hữu hạn

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1) Lý thuyết sóng biên độ nhỏ

Các tính chất cơ bản của sóng được biểu thị thành hàm số của chiều cao sóng, chu kỳ và độ sâu nước Các đặc tính khác của sóng nước nông có được bằng xấp xỉ bậc nhất của lý thuyết sóng biên độ nhỏ được liệt kê dưới đây Chú ý rằng , về toạ độ, chiều dương của trục x được lấy theo chiều sóng đi tới, còn chiều dương của trục z là chiều thẳng đứng đi lên với z = 0 tương ứng với cao độ nước tĩnh Chiều sâu nước h giả định là không đổi và các

đặc tính của sóng được giả định là đồng đều theo phương ngang (chiều y)

(a) Độ dâng cao (chuyển dịch từ cao độ nước tĩnh) (m)

H t

2 ) ,

π

2 tanh 2

L

h gT

π

π π

2 tanh 2

2 tanh

(d) Vận tốc hạt nước (m/s)

x L L

h L

h z T

H w

t T

x L L

h L

h z T

H u

π

π π

π π

π

π π

π π

2 2

cos 2

sinh

) (

2 cosh

2 2

sin 2

sinh

) (

2 cosh

x L L

h L

h z T

H dt

dw

t T

x L L

h L

h z T

H dt

du

π

π π

π π

π

π π

π π

2 2

sin 2

sinh

) ( 2 cosh 2

2 2

cos 2

sinh

) ( 2 cosh 2

2 2

2 2

H L

h z gH

) ( 2 cosh 2

1

trong đó :

ρo : dung trọng của nước (1,01 ~1,05 103 kg/m3 đối với nước biển)

(g) Năng lượng trung bình của sóng trên diện tích đơn vị của mặt nước (J)

gH g

E E

trong đó :

Ekvà Ep là các mật độ động năng và thế năng tương ứng với Ek=Ep

L h L

h

π

4 sinh

4 1

Như đã biểu thị trong phương trình (4.1.12)chiều dài sóng, vận tốc sóng và vận tốc nhóm với sóng nước sâu chỉ

phụ thuộc vào chu kỳ và không phụ thuộc vào chiều sâu nước

(b) Chiều dài sóng của sóng dài

Các sóng mà chiều dài sóng cực kỳ dài so với chiều sâu nước (h/L < 1/25) được gọi là sóng dài Các đặc tính khác của sóng dài có thể có được từ các phương trình của lý thuyết sóng biên độ nhỏ bằng cách lấy h/L cực nhỏ Chiều dài sóng, vận tốc sóng và vận tốc nhóm đối với sóng dài do đó trở thành như sau:

) / (

) (

s m gH C

C

m gH T

(3) Xem xét ảnh hưởng của biên độ hữu hạn

Các phương trình cho trọng (1) không phải luôn chính xác đối với các sóng nước nông và do đó đôi lúc cần sử dụng các phương trình đối với sóng biên độ hữu hạn Khi tiến hành tính toán theo các phương trình sóng biên độ hữu hạn, ta phải tham khảo “Sổ tay công thức thuỷ lực” do Hội các kỹ sư xây dựng Nhật Bản phát hành Số lượng các sai số trong tính toán nảy sinh từ việc sử dụng lý thuyết sóng biên độ nhỏ thay đổi tuỳ theo độ dốc của sóng H/L và tỷ lệ của chiều sâu nước đối với chiều dài sóng h/L Tuy nhiên, sai số trong các thông số của sóng thường không quá 20 ~ 30% trừ vận tốc nằm ngang của hạt nước u

Một trong các ảnh hưởng của biên độ hữu hạn của sóng xuất hiện ở cao độ đỉnh ηc so với chiều cao sóng, tỉ số này tăng khi chiều cao sóng tăng Định nghĩa của chiều cao đỉnh ηc được cho ở trên cùng Hình T.4.1.2 Hình này

được vẽ dựa trên các ghi chép mặt cắt ngang sóng ở hiện trường Nó cho thấy tỉ lệ của chiều cao đỉnh sóng cao nhất có được từ mỗi ghi chép quan sát so với chiều cao sóng cao nhất Hmax trong ghi chép đó như một hàm số của chiều cao sóng tương đối H1/3 /h

(4) Các loại lý thuyết sóng biên độ hữu hạn

Lý thuyết sóng biên độ hữu hạn bao gồm lý

chiều dài sóng tiến tới vô cùng Trừ lý thuyết sóng đơn độc, các phương trình trong tất cả các lý thuyết sóng biên

độ hữu hạn đều phức tạp có nghĩa là tính toán không dễ Đặc biệt, với lý thuyết sóng cnoidal, các phương trình có tích phân elip, làm cho việc sử dụng chúng rất bất tiện Nếu phương pháp chuỗi Dean được chấp nhận profile sóng

và vận tốc hạt nước có thể xác định được với độ chính xác cao ngay tại điểm mà sóng vỡ

Độ lệch tiêu chuẩn

Số điểm dữ liệu

Trung bình

Phần 2 - Chương 4 [1] 7

áp dụng lý thuyết sóng biên độ hữu hạn vào thiết kế kết cấu

Các lý thuyết phi tuyến, trong đó bao gồm cả các lý thuyết sóng biên độ hữu hạn, được áp dụng cho hàng loạt các

công trình xây dựng bờ biển Tuy nhiên vẫn còn một số lớn các điều chưa biết, và do đó, trong trường hợp thiết kế

hiên nay, chúng chỉ được áp dụng cho một số lượng hạn chế lĩnh vực như sẽ thảo luận dưới đây

(a) Vận tốc nằm ngang cực đại của hạt nước Umax ở mỗi độ cao bên dưới đỉnh sóng Thông tin này cực kỳ quan

trọng trong việc đánh giá lực sóng lên một bộ phận kết cấu thẳng đứng Các phương trình từ lý thuyết sóng

Stokes được sử dụng khi tỷ lệ chiều sâu nước với chiều dài sóng lớn, và các phương trình từ lý thuyết sóng đơn

độc được sử dụng khi tỷ lệ giữa chiều sâu nước và chiêù dài sóng nhỏ Một tính toán gần đúng có thể thực

hiện được bằng cách sử dụng phương trình kinh nghiệm sau đây:

L h z h

h z h

H T

H z

u

/ ) 2 ( sinh

/ )) (

2 ( cosh 1

) (

3 2

/ 1

π α

trong đó hệ số α được cho trong Bảng T.4.1.2

Bảng T.4.1.2 Hệ số α để tính vận tốc nằm ngang cực đại của hạt nước

0,03 0,05 0,07 0,10 0,14

1,5 1,50 1,43 1,25 0,97

0,2 0.3 0.5 0.7

0.68 0.49 0.25 0.27

(b) Sóng vào cạn

Sóng vào cạn xẩy ra khi chiều sâu nước giảm, có thể tính được bằng cách sử dụng một lý thuyết sóng dài bao

gồm các số hạng phi tuyến Một cách khác, có thể áp dụng lý thuyết song cnoidal hoặc lý thuyết sóng Hypecbolic

cho hiện tượng này (xem 4.5.5 Sóng vào cạn)

(c) Sự dâng lên và hạ xuống của mực nước trung bình

Mực nước trung bình hạ xuống dần dần khi sóng tiến vào điểm bị phá vỡ và sau đó dâng lên bên trong vùng vỡ

cho tới bờ, có thể tính được từ lý thuyết giao thoa phi tuyến giữa các sóng và dòng chảy Phải xét đến sự thay đổi

mức nước trung bình này để tính toán sự thay đổi chiều cao sóng do sóng bị phá vỡ ngẫu nhiên (xem 4.5.6 Sóng

vỡ)

(d) Khoảng lọt khí của các cấu kết ngoài khơi

Khi xác định các khoảng lọt khí của các cấu kết ngoài khơi bên trên mực nước tĩnh, nên xét đến độ tăng tương đối

trong các chiều cao đỉnh sóng do ảnh hưởng của biên độ hữu hạn như đã trình bày trong Hình T.4.1.2

[2] Các tính chất thống kê của sóng

Trong thiết kế công trình cảng và bến, cần xem xét các tính chất thống kê của sóng liên quan đén

chiều cao và chu kỳ sóng và nên sử dụng sự phân bố Rayleigh đối với chiều cao sóng của một

nhóm sóng nước sâu không đều

[Chú giải]

Hình T-4.1.2 Quan hệ giữa chiều cao cực

đại của đỉnh sóng (ηc)max /Hmax

và chiều cao sóng tương đối H1/3/h

Giả thuyết đằng sau phân bố Rayleigh là một tiền đề rằng năng lượng sóng được tập trung trong một dải cực kỳ hẹp xung quanh một tần số nào đó Do đó các vấn đề còn tồn tại khi áp dụng chúng vào các sóng đại dương có dải tần số rộng Tuy nhiên, đã chỉ ra rằng chừng nào mà các sóng còn được xác định bằng phương pháp qua 0, có thể vẫn áp dụng được phân bố Rayleigh cho các sóng đại dương như một giải pháp gần đúng có thể chấp nhận được

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1) Biểu thức của phân bố Rayleigh

Phân bố Rayleigh được cho bởi phương trình sau:

) / (

H

H H

H H

H

trong đó :

p ( H / H ): hàm số mật độ xác suất của chiều cao sóng

H : chiều cao sóng trung bình (m)

Theo phân bố Rayleigh, chiều cao sóng một phần mười cao nhất H1/10 , chiều cao sóng có ý nghĩa H1/3, và chiều cao sóng trung bình H có liên quan giữa chúng với nhau theo các phương trình sau :

H1/10 =1,27 H1/3

H1/3 =1,60 H (4.1.16)

Trung bình, các quan hệ này thoả mãn tốt với các kết quả quan sát sóng tại chỗ

Chiều cao sóng cao nhất Hmax khó xác định chính xác như sẽ được thảo luận trong (2) dưới đây, nhưng nói chung

nó có thể được quyết định như trong quan hệ sau:

(2) Xác suất xuất hiện của chiều cao sóng lớn nhất

Chiều cao sóng cao nhất Hmax là một lượng thống kê không thể xác định chính xác; chỉ có thể cho xác suất xuất hiện của nó Nếu chiều cao sóng được giả định tuân theo phân bố Rayleigh, khi đó giá trị mong đợi H max của

Hmax, khi tập hợp được một số lượng lớn các mẫu mỗi mẫu gồm có N sóng, được cho như sau :

3 / 1 max

ln 2

5722 , 0 ln

706 ,

N N

Tuy nhiên,cần nhớ rằng khi Hmax có được cho mỗi số lượng lớn các mẫu mỗi mẫu bao gồm N sóng, có một số lớn các trường hợp mà H max vượt quá Hmax Do đó nếu chỉ đơn giản sử dụng H max làm sóng tính toán, có thể đặt kết cấu vào một tình trạng nguy hiểm Do đó, ta có thể dự kiến phương pháp trong đó sử dụng một chiều cao sóng (Hmax)μ với μ =0,05 hoặc 0,1, khi đó (Hmax)μ được xác định sao cho xác suất của giá trị Hmax vượt quá (Hmax)μ là μ (nghĩa là mức độ quan trọng là μ) Giá trị của (Hmax)μ với một mức độ quan trọng μ đã cho được xác định bởi phương trình sau:

H (4.1.21)

Bảng T.4.1.4 liệt kê các giá trị có được từ phương trình này Vì Hmax không phải là một giá trị xác định mà là một biến số theo xác suất, giá trị của Hmax/ H1/3 thay đổi lớn với N và μ Tuy nhiên, xét đến vấn đề là chiều cao sóng chỉ gần đúng theo phân bố Rayleigh và công thức áp lực sóng được tìm thấy trong khi có một mức độ phân tán nhất

định của các dữ liệu nên có thể sử dụng Hmax = (1,6 ~ 2,0 ) H1/3 và bỏ qua các giá trị rất nhỏ hoặc rất lớn trong bảng

Số lượng sóng

N

Phương thức (H max ) phương thức

Mức quan trọng 50%

(H max ) 0,5

Trung bình (H max )

Mức quan trọng 10%

(H max ) 0,1

Mức quan trọng 5%

1,46H1/3 1,58H1/3 1,68H1/3 1,81H1/3 1,91H1/3 2,00H1/3 2,10H1/3 2,19H1/3

1,50H1/3 1,61H1/3 1,72H1/3 1,84H1/3 1,94H1/3 2,02H1/3 2,12H1/3 2,19H1/3

1,76H1/3 1,85H1/3 1,94H1/3 2,06H1/3 2,14H1/3 2,22H1/3 2,31H1/3 2,39H1/3

1,86H1/3 1,95H1/3 2,03H1/3 2,14H1/3 2,22H1/3 2,30H1/3 2,39H1/3 2,47H1/3

Hàm số biểu thị trong các phương trình sau đây có thể sử dụng cho S(f) và G(f,θ) Phổ tần số của phương trình

(4.1.23) được gọi là phổ Bretschneider Mitsuyasu, còn phương trình (4.1.24) được gọi là hàm lan truyền loại

Mitsuyasu:

S(f) = 0,257 H 2

1/3 T -4

1/3 ƒ- -5 exp [ -1.03(T1/3f) -4] (4.1.23) G(f,θ) = Go cos2s θ/2 (4.1.24) trong đó:

Go : là một hằng số tỷ lệ thoả mãn điều kiên chuẩn hoá sau đây:

min

1 ) , (θ

trong đó:θmax và θmin là các góc lệch tối đa và tối thiểu so với phương chính

Số hạng S trong phương trinh (4.1.24) là một thông số biểu thị mức độ lan truyền theo phương của năng lượng

sóng Nó được cho bởi công thức sau:

m m

f f f

f S

S

f f f

f S

(2) Giá trị của thông số lan truyền theo hướng

Phải lấy một giá trị bằng 10 cho giá trị cực đại Smax của thông số lan truyền theo hướng trong trường hợp sóng do gió ở nước sâu Trong trường hợp nước dâng ,xét đến quá trình phân rã của sóng và các vấn đề khác, nên lấy một

giá trị bằng 20 hoặc hơn là thích hợp Hình T.4.1.4 cho một đồ thị các giá trị gần đúng của Smax tuỳ theo độ dốc của sóng Xét đoán qua giá trị của độ dốc sóng, có thể thấy rằng Smax <20 đối với sóng do gió Đồ thị này có thể

sử dụng để xác định giá trị gần đúng của Smax Goda và Suzuki kiến nghị sử dụng các giá trị chuẩn Smax = 10 đối với sóng do gió, Smax = 25 đối với mặt nước dâng trong khi bắt đầu phân rã, và Smax = 75 đối với mặt nước dâng có khoảng cách phân rã dài

(3)Thay đổi của Smax do khúc xạ

Dạng của hàm số lan truyền theo hướng thay đổi khi sóng trải qua quá trình khúc xạ Khi tiến hành tính toán nhiễu xạ trên sóng không đều, bằng cách sử dụng các sóng đã bị khúc xạ, khi đó điều rất quan trọng là xem xét

các sự thay đổi đó trong hàm số lan truyền theo hướng Hình T.4.1.5 cho các giá trị của Smax sau khi các sóng đã

bị khúc xạ tại một bờ biển có các đường đồng mức sâu thẳng và song song Trong hình, (αp)o là góc tới của hướng sóng chính ở ranh giới nước sâu, nghĩa là góc giữa hướng sóng chính và đường vuông góc với đường đồng mức

Phần 2 - Chương 4 [1] 11

(4) Mô hình cải tiến cho phổ tần số

Nếu các sóng được tạo ra trong một máng thí nghiệm bằng cách sử dụng phổ Bretschneider – Mitsuyasu được

biểu thị bằng phương trình (4.1.23), chu kỳ của sóng có ý nghĩa của các sóng được tạo ra thường lệch với chu kỳ của sóng có ý nghĩa mục tiêu Lý do có độ lệch như vậy là phương trình gốc (4.1.23) được cho theo các số hạng

của tần số đỉnh ƒm nhưng được thay bằng chu kỳ sóng có ý nghĩa T1/3 bằng việc sử dụng phương trình (4.1.27) Do

đó Goda đã kiến nghị dạng phổ tiêu chuẩn sau đây, với dạng này chu kỳ sóng có ý nghĩa của sóng được tạo ra không lệch với chu kỳ sóng có ý nghĩa mục tiêu

tuỳ theo độ dốc sóng

HìnhT.4.1.5 Đồ thị cho

sự thay đổi của Smax do

khúc xạ

S(f) = 0,205 2

3 / 1

Tần số đỉnh của phương trình (4.1.28) thấp hơn khoảng 8% so với tần số đỉnh của phương trình (4.1.23), mật độ

phổ ở đỉnh cao hơn khoảng 18%, và toàn bộ phổ bị dịch về phía tần số thấp ít nhất, nên sử dụng dạng phổ biểu

thị bằng phương trình (4.1.28) cho phổ mục tiêu trong các thí nghiệm mô hình thuỷ lực

(5) Quan hệ giữa phổ sóng và các giá trị điển hình của các đặc trưng của sóng

(a) Phổ sóng và giá trị điển hình của chiều cao sóng

Nếu hàm mật độ xác suất để một chiều cao sóng H xuất hiện được giả định là tuân theo phân bố Rayleigh, khi đó quan hệ giữa chiều cao sóng trung bình H và momen gốc của phổ sóng mo được cho bởi phương

trình (4.1.30), trong đó mômen thứ n của phổ sóng được xác định trong phương trình (4.1.29)

/

1 4 , 0 m

H = được thoả mãn.Trường hợp khác, có một tương quan rất mạnh giữa H1/3 và mo Do đó có

thể chấp nhận sử dụng phương trình (4.1.31) và tính chiều cao sóng có ý nghĩa từ phổ

(b) Phổ sóng và gía trị điển hình của chu kỳ

Khi xác định sóng theo phương pháp qua 0, chu kỳ trung bình Tz được cho bởi phương trinh sau theo lý thuyết Rice

Tính chu kỳ trung bình sử dụng phổ loại Breschneider- Mitsuyasu, ta có quan hệ sau

Tz = 0,74 T1/3 (4.1.33)

vi tấn số cao của phổ

(6) Phổ cho sóng chu kỳ dài

xem 4.8.Sóng chu kỳ dài và sóng hồ

4.2 Phương pháp xác định các điều kiện của sóng dùng trong thiết kế

4.2.1 Các nguyên tắc để xác định các sóng nước sâu dùng trong thiết kế (Điều 4, Khoản

2 Thông báo)

Phải xác định một cách thoả đáng khoảng thời gian của các dữ liệu thống kê của sóng dùng để

xác định các điều kiện sóng nước sâu để nghiên cứu ổn định của các kết cấu công trình cảng và

bến v.v , có xem xét nghiêm túc đến các chức năng của các công trình cảng và bến và các đặc

trưng của kết cấu

[Chú giải]

(1) Đối với các dữ liệu đo đạc thực tế, nên có thời gian đo đạc tương đối dài (10 năm hoặc hơn) tuy nhiên, khi thiếu

khí tượng của ít nhất khoảng 30 năm các giá trị này được hiệu chỉnh bằng các dữ liệu đo đạc sóng thực tế có

thể có được

(2) Khi các giá trị đã dự báo có được từ các dữ liệu khí tượng được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng các dữ liệu đo đạc

thực tế cần thiết là các dữ liệu đo đạc phải có được trong một thời kỳ ít nhất 3 năm và có được một số luượng

đáng kể các trường hợp bão lớn Tuy nhiên, nếu các con sóng được ghi lại trong một thời tiết khác thường chỉ

xảy ra một lần trong một số ít đợt 10 năm và giá trị của các sóng đó vượt quá tất cả các giá trị đã dự báo, các

giá trị quan sát được có thể được dùng làm sóng nước sâu tính toán

(3) Nếu tuyệt đối không có các dữ liệu đo đạc thực tế tại địa điểm cần nghiên cứu, hoặc nếu các số liệu đo đạc có

được chỉ là trong các điều kiện cực kỳ hạn chế, có thể sử dụng các số liệu đo đạc cho một địa điểm lân cận có

các điều kiện tự nhiên tương tự Trường hợp này, có thể sử dụng các số liệu NOWPHAS (nationwide ocean

wave information Network for Ports and Harbors)

(4) Nếu được biết một cơn bão khác thường xuất hiện trong khu vực trước thời kỳ mà việc dự báo sóng có sử dụng

các số liệu khí tượng được thực hiện (ví dụ trong một thập niên trước đó), các số liệu ghi chép của sự kiện đó

phải được xét đến

(5) Khi sử dụng các giá trị dự báo cho một cơn bão giả thuyết, nên nghiên cứu đầy đủ độ lớn của các cơn bão trước

đây và các hành trình chúng đã đi, bao gồm cả một nghiên cứu về xác suất xuất hiện của một cơn bão như thế

(6) Khi ước tính sóng nước sâu có sử dụng các số liệu đo đạc thực tế, cần xét đến vấn đề là chiều cao sóng đo

được đã bị ảnh hưởng bởi khúc xạ và cạn Khi đó chiều cao sóng của sóng nước sâu phải hiệu chỉnh bằng cách

Hình T.4.1.6 Phân bố tần số của tỷ số giữa chu

chia chiều cao đo được cho hệ số khúc xạ và hệ số cạn Trong trường hợp đó, cũng cần xem xét đến các sự thay đổi trong hướng sóng

(7) Nếu chiều cao sóng có ý nghĩa có được từ các số liệu đo đạc thực tế lớn hơn một nửa chiều sâu nước tại địa

điểm đo đạc, có thể cho rằng việc ghi chép sóng này đã bị ảnh hưởng bởi hiện tượng sóng vỡ Với các số liệu sóng như vậy, các thông số của sóng nước sâu phải được tính bằng cách dự báo sóng Tuy nhiên, cần nhớ

rằng đối với sóng nước sâu (hindcasted), sóng có ý nghĩa ở vị trí đo đạc phải ước tính như miêu tả trong 4.5 Các biến dạng của sóng, và phải so sánh với các số liệu đo đạc thực tế

(8) Nên xác định sóng nước sâu sẽ được sử dụng trong thiết kế có xét đến xác suất gặp ngẫu nhiên dưạ trên chu kỳ trở lại và tuổi thọ của kết cấu đang xét Tuy nhiên, cách lý giải xác suất gặp ngẫu nhiên sẽ tuỳ thuộc vào các chức năng, tầm quan trọng và thời hạn thu hồi vốn của kết cấu và các yếu tố khác, và do đó không thể xác

định nó cho trường hợp chung Vì vậy nó phải được xác định riêng cho mỗi trường hợp riêng rẽ bằng sự xét

đoán của kỹ sư chịu trách nhiệm ở đây, “xác suất gặp ngẫu nhiên” nghĩa là xác suất mà sóng với chiều cao lớn hơn chiều cao sóng phản hồi với một chu kỳ lặp đã cho sẽ suất hiện ít nhất một lần trong thời hạn tuổi thọ của kết cấu đang nghiên cứu

(9) Khi xác định sóng nước sâu sẽ sử dụng trong thiết kế, cần xem xét các ngoại lực và các hư hỏng đã qua của các kết cấu hiện có lân cận với kết cấu đang thiết kế

(10) Phải xác định các thông số sóng nước sâu riêng biệt cho mỗi hướng của các phương vị mười sáu điểm, tuy nhiên các hướng có chiều cao sóng nhỏ và ảnh hưởng của chúng lên kết cấu đã được xét đoán là không đáng

kể thì có thể loại bỏ Hướng sóng ở đây là hướng của thành phần sóng không đều có mật độ năng lượng cao nhất, nói cách khác, là hướng chính Vì lực sóng tác động lên kết cấu đang xét không thay đổi lớn khi hướng sóng thay đổi chỉ một vài độ, có thể chấp nhận trong thiết kế sử dụng hệ phương vị 16 điểm để đại diện cho hướng sóng

Các thông số của sóng tính toán được xác định theo phương thức sau:

(1) Các ảnh hưởng của sự biến dạng của sóng như khúc xạ, nhiễu xạ, cạn và vỡ áp dụng cho sóng nước sâu xác

định theo 4.2.1 Nguyên tắc xác định sóng nước sâu dùng trong thiết kế để xác định các thông số của

sóng tính toán tại vị trí thiết kế

(2) Nếu vị trí đang xét phải chịu các điều kiện đặc biệt (ví dụ các sự nhiễu loạn do các sóng phản xạ từ ngoài hoặc một sự tăng chiều cao sóng do các góc lõm), cũng phải xét đến các điều kiện này

(3) Lực sóng và các tác động khác của sóng lên kết cấu đang xét như việc sóng tràn bờ được xác định đối với các sóng có được trên đây

(4) Tuỳ theo các điều kiện khác nhau liên quan đến các hoạt động của sóng, có thể có trường hợp lực sóng trở thành lớn nhất khi mực nước thấp, và do đó, phải tiến hành nghiên cứu cho tất cả các mực nước có thể nhận thức được

(5) Việc tính toán trên được thực hiện cho mỗi hướng có thể có theo đó sóng nước sâu có thể tiến vào Sóng nước sâu có tác động lớn nhất hoặc có các ảnh hường lên kết cấu đang nghiên cứu hoặc các công trình ở hậu phương bất lợi nhất được chọn làm sóng tính toán

4.3 Dự báo sóng

4.3.1 Tổng quát

Phải tiến hành dự báo sóng bằng một phương pháp thích hợp

[Chú giải]

(1) Việc dự báo sóng được làm theo hai bước sau:

Phần 2 - Chương 4 [2] 3

(2) Trường trong đó sóng được sinh ra và phát triển được gọi là trường gió và trường gió được đặc trưng bởi bốn thông số: vận tốc gió, hướng gió, đà gió và thời gian gió thổi Khi đã xác định được trường gió, phải tính toán

sự phát triển và sự suy giảm của sóng bằng cách sử dụng phương pháp dự báo thích hợp nhất với các điều kiện của trường gió

[Chỉ dẫn kỹ thuật ]

Trường gió được xác định theo các phương thức sau:

(a) Thu thập các bản đồ thời tiết và các dữ liệu khí tượng

(b) Xác định khoảng thời gian dự báo cho mỗi trường hợp

(c) Tính các gió gradien từ các bản đồ thời tiết

(d) Ước tính các gió mặt biển bằng các công thức kinh nghiệm và số liệu đo đạc

(e) Chuẩn bị bản đồ trường gió

4.3.2 Dự báo sóng trong vùng phát sinh

Để dự báo sóng trong vùng phát sinh, nên xem các phương pháp phổ và phương pháp sóng có ý nghĩa là các phương pháp chuẩn

Các phương pháp phổ có thể phân loại thành phương pháp thành phần phổ đã được phát triển bằng cách giả

định rằng các thành phần của phổ cho mỗi tần số và hướng phát triển độc lập cho tới khi đạt được trạng thái cân bằng nào đó, và phương pháp thông số dựa trên ý đồ rằng sự phát triển và suy giảm cuả một phổ sóng có thể

được mô tả bằng một số nhỏ nào đó các thông số Với phương pháp trên, sự phát triển sóng được mô tả bằng dòng năng lượng từ gió truyền vào các sóng thành phần làm nên phổ và sự tương tác phi tuyến yếu giữa các sóng thành phần Với phương pháp sau, sự phát triển sóng được xem là kết quả tổng hợp của các ảnh hưởng phi tuyến mạnh và một loại cơ chế đồng dạng được giả định cùng với việc đưa vào một số ít thông số Các tính toán được thực hiện bằng cách lập công thức và giải các phương trình chỉ đạo các quá trình phát triển và biến dạng của sóng có sử dụng các thông số

Độ chính xác của việc dự báo sóng bằng phương pháp phổ chưa được nghiên cứu đầy đủ Tuy nhiên, do độ chính xác của việc dự báo sóng phụ thuộc lớn vào độ chính xác của việc xác định gió đại dương, hiện nay, sẽ là hợp lý để tin rằng độ chính xác của phương pháp phổ cũng tương đương như của phương pháp sóng có ý nghĩa.Tuy nhiên, phải nhớ rằng ngay với cùng mô hình dự báo sóng, các kết quả có thể thay đổi 10 ~ 20% do các sự khác nhau về nhiều vấn đề như mạng tính toán, các điều kiện biến hoặc các hắng số kinh nghiệm Theo

đó, cần nghiên cứu tính chất xác đáng và độ chính xác của các kết quả dự báo bằng cách so sánh chúng với

cân bằng được quy định làm giới hạn cho sự phát triển của sóng trong các phương pháp phổ hiện hành Người

ta cho rằng độ chính xác của bản thân phổ giả định ảnh hưởng lớn đến các kết quả, do đó sẽ là ý hay khi nghiên cứu độ chính xác đối với các dạng hàm số của phổ tần số hoặc của phổ theo hướng đó là vì chiều cao sóng có ý nghĩa tỷ lệ với căn bậc hai của tích phân của phổ theo hướng, có nghĩa là việc tính toán cho thấy chiều cao sóng có ý nghĩa không thay đổi nhiều ngay cả nếu bản thân dạng phổ thay đổi ít nhiều, và do đó cách xác đáng nhất để tiến hành tính toán là xem xét dạng phổ

Phương pháp phổ có các lợi ích sau đây so với phương pháp sóng có ý nghĩa:

(1) Các ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ gió và hướng gió đến sự phát triển của sóng được mô tả cụ thể

(2) Các kết quả ước tính gần đúng về chiều cao sóng và chu kỳ sóng có được ngay cả khi trường gió chuyển động cùng với việc truyền sóng

(3) Sóng do gió và nước dâng cùng với các điều kiện của biển có thể được tái hiện trong một tính toán

Do đó, nếu các kết quả dự báo sử dụng một phương pháp sóng có ý nghĩa xem ra không đáng tin, nên dự báo lần nữa bằng phương pháp phổ Nhân đây, phương pháp phổ đã được nghiên cứu và phát triển, tập trung chủ yếu vào nước sâu Chỉ có một số ít nghiên cứu liên quan đến sóng nước nông, cụ thể là Collins, Cavaleri, Golding và Yamaguchi vv

(b) Chi tiết

Các phương pháp dự báo sóng bằng phương pháp phổ đã được phát triển bởi nhiều nhà nghiên cứu từ các năm

1960 Các phương pháp do các nhà nghiên cứu Nhật Bản gồm có mô hình Inoue, mô hình Isozaki và Uji’s MRI, và mô hình Yamaguchi và Tsuchiya Cơ sở của các mô hình này là phương trình cân bằng năng lượng sau đây:

β (f, U) : hệ số khuyếch đại số mũ trong lý thuyết Miles

Phương pháp S-M-B được dùng khi trường gió tĩnh Chiều cao và chu kỳ của sóng nước sâu có ý nghĩa

được ước tính từ vận tốc gió và thời gian gió thổi trong trường gió và chiều dài hướng gió bằng Hình 4.3.1 Về chiều cao sóng có được từ vận tốc gió và từ thời gian gió thổi, chiều cao nào thấp hơn được chấp nhận là giá trị đã dự báo , cũng như vậy đối với chu kỳ Hình 4.3.1 được vẽ dựa trên mối quan hệ bởi các phương trình (4.3.2), (4.3.3) và (4.3.4), chúng được viết lại bởi Wilson năm 1965

ư

2 / 1 2 2

3

/

1

004 , 0 1

1 1

30 , 0

U gF U

ư

3 / 1 2

3 / 1

008 , 0 1

1 1

37 , 1 2

U gF U

gT

Phần 2 - Chương 4 [2] 5

dF C

t : thời gian tối thiểu (h: giờ)

(2) Xác định chiều dài hữu hiệu của trường gió

Khi trường gió có chiều rộng rất nhỏ so với chiều dài (ví dụ trong một vịnh dài), chiều dài trường gió được xác định

là khoảng cách tới bờ đối diện Nếu khoảng cách tới bờ đối diện thay đổi lớn khi hướng gió chỉ thay đổi một chút,

nên sử dụng chiều dài hữu hiệu của trường gió được xác định trong phương trình (4.3.5) khi tiến hành dự báo

F F

Hình 4.3.1 Biểu đồ dự báo sóng bằng phương pháp S-M-B (b) Phương pháp Willson

Phương pháp Willson là sự mở rộng của phương pháp S-M-B Nó gồm có các sự cải tiến để có thể áp dụng

sự lan truyền của sóng được vạch ra trong mặt phẳng F-T, trong khi sự phát triển của chiều cao sóng có ý

này có được bằng tính toán dựa trên các phương trình (4.3.2), (4.3.3) và (4.3.4)

(c) Dự báo đối với sóng nước nông

Trong các phương pháp có xét đến ảnh hưởng của chiều sâu nước tới sự phát triển của sóng (nghĩa là tổn thất năng lượng do ma sát với đáy biển) có phương pháp Sakamato – Ijima Được biết qua kinh nghiệm rằng chu kỳ sóng có ý nghĩa và chiều cao sóng có ý nghĩa thoả mãn quan hệ sau (chú ý rằng điều này chỉ áp dụng cho sóng do gió trong khu vực đà gió)

thể tiến hành việc dự báo các sóng nước nông trong một trường gió có đà gió thay đổi

đã tiến hành nghiên cứu so sánh với các dữ liệu đo đạc thực tế

Hình T.4.3.4 Đồ thị dự báo sóng lừng

nghĩa tại điểm dự báo sóng dâng Nếu chiều cao và chu kỳ của sóng có ý nghĩa được xác định bởi vận tốc gió

ứng với thời gian và vận tốc của gió

Thời gian t cần thiết cho sóng lan truyền trên chiều dài suy giảm D được tính từ phương trình sau:

D

GD gT

D C

D

trong đó :

4.4 Xử lý thống kê các dữ liệu quan trắc và sóng đ∙ dự báo

(1) Các đặc trưng của sóng được biểu thị như sự phân bố chung của chiều cao sóng và chu kỳ sóng theo hướng sóng bằng việc sử dụng các dữ liệu sóng hàng tháng, mùa và hàng năm (2) Các dữ liệu sóng bão phải được phân loại bằng phương pháp đỉnh – trên – ngưỡng để có

được bộ dữ liệu các chiều cao sóng cực hạn dùng cho việc phân tích thống kê cực hạn , và các chiều cao sóng cực hạn phải biểu thị bằng chu kỳ phản hồi

[Chú giải]

(1) Các đặc trưng phân phối của sóng trong các điều kiện bình thường được biểu thị riêng biệt cho mỗi hướng sóng như một sự phân bố chung của chiều cao và chu kỳ sóng Các dữ liệu quan sát thường có thể có được với chiều cao và chu kỳ sóng, do đó phải dùng các dữ liệu đó Nếu không thể có được các dữ liệu quan trắc, khi đó

Phần 2 - Chương 4 [2] 9

sử dụng dữ liệu đã dự báo Vì các sóng trong điều kiện bình thường thường bị ảnh hưởng bởi gió địa phương nên cần có sự hiểu biết đầy đủ các đặc trưng của gió địa phương Thường không có nhiều dữ liệu về hướng sóng , vì vậy phải dự báo Cần xem xét đầy đủ ảnh hưởng của sóng dâng

(2) Cần thể hiện chiều cao các sóng sử dụng trong thiết kế các công trình bảo vệ là “chiều cao sóng phản hồi” đối với chu kỳ phản hồi của các sóng đỉnh sử dụng các dữ liệu thời gian dài (theo nguyên tắc chung ít nhất là 30 năm) Vì chỉ ít nơi có được một thời gian dài như vậy, nên thường phải sử dụng các dữ liệu dự báo

thời điểm mà chiều cao sóng trở thành lớn nhất trong quá trình phát triển và suy giảm của sóng trong một điều kiện khí tượng nào đó Người ta cho rằng các sóng đỉnh mẫu độc lập lẫn nhau về ý nghĩa thống kê Khi ước tính chiều cao sóng phản hồi, có thể sử dụng chuỗi thời gian của các dữ liệu có các sóng đỉnh vượt quá một giá trị ngưỡng nào đó trong thời kỳ xem xét Cách khác, có thể có giá trị cực đại của “sóng đỉnh” cho mỗi năm, và do

đó sử dụng các dữ liệu là sóng cực đại hàng năm Trong trường hợp khác, hàm phân bố lý thuyết của chiều cao sóng phản hồi không được biết, và do đó ta phải thử một số hàm phân bố như hàm phân bố Gumbell và hàm phân bố Weibull, tìm dạng hàm nào phù hợp nhất với các dữ liệu, sau đó ngoại suy nó để ước tính các chiều cao sóng theo một chu kỳ quay lại khác nhau (ví dụ 50 năm, 100 năm vv ) Độ chính xác của các giá trị ước tính như vậy phụ thuộc nhiều vào độ tin cậy của các dữ liệu sử dụng hơn là vào phương pháp xử lý thông kê Khi vẽ bộ dữ liệu sóng đỉnh dùng dự báo sóng, cần cẩn thận trong việc lựa chọn thích đáng phương pháp dự báo và kiểm tra chặt chẽ các kết quả dự báo Về chu kỳ sóng tương ứng với chiều cao sóng phản hồi, quan hệ giữa chiều cao và chu kỳ sóng được lập đồ thị với dữ liệu các sóng đỉnh( đã được sử dụng khi ước tính chiều cao sóng phản hồi) và sau đó chu kỳ sóng được xác định thích đáng dựa trên tương quan giữa chúng

kỳ sóng được lấy từ các số liệu của các sóng đỉnh (dùng để xác định chiều cao sóng theo chu kỳ quay laị), sau

đó chu kỳ sóng được xác định trên cơ sở hiệu chỉnh giữa hai số liệu

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1) Ước tính chiều cao sóng theo chu kỳ quay lại

Trong khi xử lý thống kê, các chiều cao sóng được sắp xếp lại theo thứ tự thấp dần, và tính xác suất của mỗi giá trị chiều cao sóng không được vượt qua Nếu có N dữ liệu và chiều cao sóng lớn nhất thứ m được biểu thị

H

Bảng T.4.4.1 Các thông số sử dụng trong tính toán xác suất

không vượt quá một chiều cao sóng nào đó

Phân bố Gumbel

Phân bố Weibull (k = 0,75)

(k = 0,85) (k = 1,0) (k = 1,1) (k = 1,25) (k = 1,5) (k = 2,0)

0,44 0,54 0,51 0,48 0,46 0,44 0,42 0,39

0,12 0,64 0,59 0,53 0,50 0,47 0,42 0,37 Các giá trị dùng cho α và β trong phương trình này phụ thuộc vào hàm phân bố Đặc biệt các giá trị được sử

dụng được ghi trong Bảng T.4.4.1 Các giá trị dùng cho phân bố Gumbel được xác định bởi Gringorten sao cho

các ảnh hưởng của mức độ phân tán thống kê trong các dữ liệu được giảm đến tối thiểu Các giá trị dùng cho phân bố Weibull được xác định bởi Petruaskas và Aagaard cũng cùng nguyên tắc đó

Đồ thị Thomas thường được dùng trong thuỷ văn tương ứng với trường hợp α = 0, β = 1 và đồ thị Hazen tương ứng với trường hợp α = 0,5, β = 0

Hàm phân bố được dùng trong thuỷ văn gồm có các phân bố chuẩn Gumbell (phân bố số mũ kép), phân

bố giá trị lôgarit cực hạn, và phân bố chuẩn (trường hợp sau cùng, các dữ liệu phải được biến đổi trước một cách thích đáng) Vì các dữ liệu về các chiều cao sóng đỉnh không được thu thập trong một khoảng thời gian dài, nên chưa biết rõ hàm phân bố nào là phù hợp nhất

Theo Petruaskas và Aagaard, chúng tôi giới thiệu phương pháp mà người ta thử tám hàm phân bố, cụ thể

hàm phân bố Gumbel (phương trình 4.4.2) và hàm phân bố Weibull (phương trình 4.4.3) với k = 0,75; 0,85; 1,0;

1,1; 1,25; 1,5 và 2,0; hàm phân bố nào hợp nhất với các dữ liệu của một bộ dữ liệu nào đó sẽ được lựa chọn làm hàm phân bố cực hạn cho bộ dữ liệu đó

x H

H

Để cho các dữ liệu khớp với hàm phân bố, “xác suất không vượt quá” (xác suất không vượt quá một chiều cao

Nếu dữ liệu ăn khớp hoàn toàn với phương trình (4.4.2) hoặc (4.4.3) khi đó có một quan hệ tuyến tính giữa x và

được xác định bằng cách sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất, từ đó cho phương trình để ước tính chiều cao sóng phản hồi

) ( 1

1

x H P N

(2) Hàm phân bố ứng cử và tiêu chuẩn loại trừ

(a) Thêm phân bố loại II Fisher- Tippett vào các phân bố ứng cử

Phân bố loại II Fisher-Tippett được cho bởi phương trình sau:

Chín hàm số sau đây được sử dụng làm hàm số ứng cử để thử cho khớp: hàm phân bố Gumbel (phương trình

(4.4.2)), hàm phân bổ Weibull (phương trình (4.4.3)), với k = 0,75; 1,0; 1,4; và 2,0 (4 giá trị cho trước) và hàm

phân bổ loại II Fisher-Tippett với k = 2,5; 3,33; 5 và 10 (4 giá trị cho trước)

Thay vào các giá trị liệt kê trong Bảng T.4.4.1 các phương trình sau đây được dùng đối với α và β trong phương

trình (4.4.1)

Với phân bổ Gumbel :

Với phân bố Weibull:

(b) Chọn hàm tôt nhất thông qua tiêu chuẩn loại bỏ

Các hàm không thích hợp bị loại bỏ bằng hai bộ tiêu chuẩn Bộ thứ nhất là các tiêu chuẩn REC Đối với phần dư của hệ số tương quan cho mỗi hàm số phân bố, mức xác suất không vượt quá 95% được xác định trước Nếu phần dư của hệ số tương quan vượt quá gía trị ngưỡng này đối với một hàm phân bố khi dữ liệu giá trị cực hạn phù hợp với hàm số phân bổ này, hàm số đang xét bị loại bỏ vì không thích hợp Bộ thứ hai là tiêu chuẩn DOL Giá trị cực đại trong dữ liệu được làm thành không thứ nguyên bằng cách sử dụng độ lệch trung bình và chuẩn cho toàn bộ dữ liệu Nếu giá trị đó thấp hơn mức 5% hoặc trên mức 95% của sự phân bố cộng dồn độ lệch không thứ nguyên của hàm phân bổ, hàm này bị loại bỏ vì không thích hợp Sau đó, hàm tốt nhất được chọn không đơn giản theo giá trị của hệ số tương quan, mà còn phải theo tiêu chuẩn MIR Tiêu chuẩn này xét

đến vấn đề là số trung bình của phần dư của hệ số tương quan liên quan tới 1,0 sẽ thay đổi theo hàm phân bố Hàm mà tỷ số của phần dư của hệ số tương quan của mẫu và phần dư trung bình đối với hàm phân bố thích hợp là thấp nhất thì được xem là hàm phân bố khớp nhất

4.5 Sự biến dạng của sóng

4.5.1 Tổng quát ( Điều 4, Khoản 3 Thông báo)

Theo quy tắc chung, các sóng được xem là tác động lên công trình cảng và bến phải là các sóng bất lợi nhất đối với độ ổn định của kết cấu hoặc đối với việc sử dụng các công trình cảng

và bến Về điểm này, phải chú ý thích đáng tới các biến dạng của sóng trong khi sóng lan truyền từ vùng nước sâu vào bờ, gồm có nhiễu xạ, khúc xạ, cạn, vỡ v.v

4.5.2 Khúc xạ sóng

Hiện tượng sóng khúc xạ xẩy ra ở vùng nước có độ sâu trung gian tới vùng nước nông Đó là do

sự thay đổi trong vận tốc cục bộ của sóng do sự thay đổi về chiều sâu nước Phải xét đến các

sự thay đổi về chiều cao sóng và hướng sóng do khúc xạ

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1) Tính toán khúc xạ đối với sóng ổn định

(a) HIện tượng khúc xạ và hệ số khúc xạ (xem Hình T.4.5.1)

sóng sẽ bị khúc xạ tại đường biên đó do sự thay đổi vận tốc sóng gây ra bởi chiều sâu nước thay đổi Giả dụ

quá lớn, có thể giả định không có dòng năng lượng sóng nào cắt ngang qua tia sóng và chảy ra ngoài Nếu các nguồn tổn thất năng lượng khác ví như ma sát dọc theo đáy biển được bỏ qua, khi đó tính liên tục trong

2

1 2

1 1

2

b

b C

C H

sâu

Chiều sâu nước h

sóng sau khi thay đổi với chiều cao sóng ban đầu trong trường hợp này được gọi là “hệ số khúc xạ” Hệ số khúc xạ

b b

(b) Phương pháp tính khúc xạ

Phương pháp tính khúc xạ đối với sóng ổn định bao gồm các phương pháp tia sóng trong đó các tính toán có thể làm được với việc sử dụng máy tính và phương pháp phân tích sự lan truyền của sóng bằng số trong đó các phương trình sóng bề mặt được giải bằng máy tính có sử dụng các sơ đồ sai phân hữu hạn Cần chọn một phương pháp tính toán thích hợp phù hợp với vị trí

Tuy nhiên, chú ý rằng với một đường bờ các đường đồng sâu thẳng và song song với nhau, sự thay đổi về hướng sóng và hệ số khúc xạ có thể tính được theo phương trình sau:

L h

π α

sâu (tương ứng) Hình T.4.5.2 và T.4.5.3 cho hệ số khúc xạ và hướng sóng, bằng cách sử dụng tương ứng các phương trình (4.5.4) và (4.5.3)

Hình T.4.5.2 Hệ số khúc xạ của sóng ổn định tại bờ có các đường đồng sâu thẳng và song song

(2) Phạm vi áp dụng các tính toán khúc xạ với sóng ổn định

Các tính toán đó áp dụng cho các sóng có ít sự lan toả theo hướng và dải tần số hẹp, ví dụ, sóng loại sóng dâng

và sóng thần Với các sóng như sóng do gió có nhiều sự lan toả theo hướng và dải tần số rộng, cần tiến hành tính toán khúc xạ đối với sóng không ổn định Tuy nhiên, so sánh các đồ thị cho biết sự thay đổi về hệ số khúc xạ và hướng sóng đối với sóng ổn định và sóng không ổn định ở một bờ biển có các đường đồng sâu thẳng và song song nhau, người ta có thể thấy chỉ có sự khác nhau nhỏ giữa sóng ổn định và sóng không ổn định trong trường hợp này Điều đó có nghĩa là khi địa hình của một bờ biển đơn điệu trong phạm vi mà các đường đồng sâu được xem là thẳng và song song với đường bờ, sự khác nhau giữa các kết quả tính toàn khúc xạ đối với sóng ổn định và sóng không ổn định thường rất nhỏ, do đó các kết quả tính toán khúc xạ sử dụng sóng ổn định

có thể dùng làm kết quả gần đúng

và do đó đơn giản và tiện lợi Tuy nhiên, khi có sự giao nhau của các tia sóng xảy ra trong một tính toán khúc xạ

đối với 1 sóng thành phần, có thể sử dụng phương pháp cân bằng năng lượng đối với các mục đích thực tế, trừ khi mức độ giao nhau lớn

(b) ảnh hưởng của nhiễu xạ

Khi sóng nước sâu bị nhiễu xạ bởi 1 đảo hoặc 1 mũi đất, phổ sóng thường khác với dạng tiêu chuẩn đã giả

định ban đầu Do đó cần sử dụng dạng phổ sau nhiễu xạ khi tiến hành tính khúc xạ

(c) Đồ thị hệ số khúc xạ và góc đối với sóng không ổn định ở 1 bờ biển với các đường đồng sâu thẳng, song song

sóng)

của sóng không ổn định ở bờ biển có đường đồng sâu thẳng và song song (4) ở các vị trí mà độ sâu nước không còn bằng khoảng 1 nửa chiều cao sóng nước sâu, các sóng biểu thị các đặc tính của dòng chảy hơn là các đặc tính của các chuyển động sóng Điều này có nghĩa các tính toán khúc xạ đối với hướng sóng và hệ số khúc xạ chỉ có thể áp dụng cho nước có độ sâu ít nhất bằng 1 nửa chiều cao sóng nước sâu

4.5.3 Nhiễu xạ sóng

[1] Nhiễu xạ

Chiều cao sóng trong các vùng mà sóng được dự liệu trước sẽ bị ảnh hưởng lớn bởi hiện tượng nhiễu xạ do các vật chướng ngại như đê chắn sóng hoặc các đảo phải được tính toán bằng 1 phương pháp thích hợp

[Chú giải]

Nhiễu xạ là một hiện tượng trong đó sóng đi vào một vùng được che chắn bởi các vật như đê chắn sóng Đó là hiện tượng quan trọng nhất khi xác định chiều cao sóng trong một cảng Tính chất không ổn định của sóng phải đựơc xét đến trong tính toán nhiễu xạ Đối với một cảng trong đó chiều sâu nước được giả định đồng đều Đã lập được các đồ thị nhiễu xạ cho sóng không ổn định đối với một đê chắn sóng bán vô hạn hoặc một đê chắn sóng thẳng có

đúng một cửa vào Tỷ lệ của chiều cao sóng sau nhiễu xạ so với chiều cao sóng ban đầu được gọi là hệ số nhiễu

Phần 2 - Chương 4 [2] 15

trong đó:

Đồ thị nhiễu xạ và phương pháp tính nhiễu xạ giả định rằng chiều sâu nước trong cảng là đồng đều Nếu có các sự thay đổi lớn về chiều sâu nước trong cảng, các sai số sẽ lớn, trong trường hợp đó nên nghiên cứu chiều cao sóng trong cảng bằng các thử nghiệm mô hình thuỷ lực hoặc các phương pháp tính toán bằng số có xét cả khúc xạ

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1) Các đồ thị nhiễu xạ đối với sóng không ổn định

Các hình T.4.5.6 (a) ~ (c) cho các đồ thị nhiễu xạ gần một đê chắn sóng bán vô hạn đối với sóng không ổn định với

(2) Xử lý với sóng tới xiên

Khi các sóng đi tới một đê chắn sóng xiên chéo, đê này có một cửa vào nên có đồ thị nhiễu xạ bằng một tính toán bằng số Khi không làm được như vậy hoặc khi đồ thị nhiễu xạ chỉ được yêu cầu như một tài liệu hướng dẫn sơ lược, có thể sử dụng phương pháp gần đúng như sau đây:

(a) Xác định trục của sóng nhiễu xạ

Khi sóng tới một đê chắn sóng có một cửa theo hướng xiên, hướng θ’ của trục các sóng nhiễu xạ (xem Hình

T.4.5.8) thay đổi nhẹ so với hướng của góc tới θ Bảng T.4.5.1 (a)~(c) liệt kê hướng của trục sóng nhiễu xạ như một

hàm số của tỷ lệ B/L của cửa vào và hướng tới Các bảng này được sử dụng để có hướng θ’ của trục các sóng nhiễu xạ, và từ đó tỷ lệ hiệu dụng B/L của cửa vào tương ứng với θ’ có được từ phương trình sau đây:

Phần 2 - Chương 4 [2] 17

Hình T.4.5.6 (b) đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng bán vô hạn (θ = 900) với Smax = 25

Tỷ lệ chu kỳ Hệ số nhiễu xạ

Tû sè chu kú HÖ sè nhiÔu x¹

H−íng sãng

H−íng sãng