Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ - Chương 2 pptx

Các thông số quan trọng nhất là: mực nước tính toán ứng với các trường hợp tính toán khác nhau, mực nước dâng do gió, các yếu tố của sóng gió sóng do gió gây ra, để phân biệt sóng do tà

Chương iI

Tính toán các thông số của sóng vμ nước dâng

♣2-1 Khái niệm chung

Khi thiết kế đê sông cũng như đê biển, cần phải xác định các thông số thủy lực của dòng chảy mặt có ảnh hưởng đến kích thước và khả năng chịu lực của đê Các thông số quan trọng nhất là: mực nước tính toán ( ứng với các trường hợp tính toán khác nhau), mực nước 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, hướng của dòng chảy mặt và hướng chuyển bùn cát

đáy cũng ảnh hưởng tới các quá trình diễn biến bờ và an toàn của đê Vấn đề này được trình bày trong các chuyên đề về động lực học sông ngòi và động lực học vùng ven biển Trong chương này chỉ đề cập đến việc tính toán các thông số của sóng và nước 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), hướng gió ( β), đà sóng(D), thời gian gió thổi liên tục (t), độ sâu nước (h) v.v

Mô tả hình dạng của con sóng điển hình như trên hình 2-1

- Bụng sóng: Phần sóng nằm ở phía dưới đường 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 bước 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 hướng truyền sóng

- Vận tốc sóng(vs): Tốc độ di chuyển của đầu sóng theo hướng truyền sóng

Vì các yếu tố tạo sóng (w,β,D,t,h ) là các đại lượng thay đổi thường xuyên và có vô vàn các tổ hợp của chúng nên các yếu tố của sóng phải được xét như là các đại lượng ngẫu nhiên và được phản ánh thông qua các đặc trưng thống kê của sóng Trong thực tế, người ta

sử dụng 2 loại đặc trưng thống kê của sóng như 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 Hs: 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 (Hs 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 thường

được dùng nhiều trong các tài liệu của phương Tây hiện nay

- Chiều cao sóng Hs 1/10: Cách xác định cũng tương tự như Hs 1/3

2 Loại 2:

Sử dụng các trị số theo tần suất luỹ tích

Ví dụ: Hsp - 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 trưng loại này hay loại khác

đây) và 22TCN 222- 95 (Bộ giao thông vận tải) hiện nay

Sau đây trình bày cách xác định các yếu tố tạo sóng như là các số liệu đầu vào để tính toán sóng

I Gió:

1 Hướng gió:

Các đặc trưng của gió được thống kê theo từng hướng xác định hoặc là không kể hướng Theo hướng, các thông số của gió có thể được mô tả theo kiểu hoa hồng 4 cánh (gồm 8 hướng: Đ, T, N, B, ĐB, ĐN, TB, TN) hoặc hoa hồng 8 cánh (gồm 16 hướng) Khi công trình xây dựng ở vùng mà hướng gió thường xuyên thay đổi hoặc không xác định, có thể xác định các đặc trưng thống kê không kể hướng của gió

Với một tuyến công trình đê đập xác định, hướng gió được đặc trưng bởi góc β, là góc nhọn giữa hướng gió thổi và hướng vuông góc với tuyến công trình Khi hướng gió thổi vuông góc với tuyến công trình, ta có β = 0

5.4

Kđ - Hệ số tính đổi vận tốc gió sang điều kiện mặt nước

Khi đo trên bãi cát bằng phẳng, Kđ = 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

- Dạng địa hình B: Các thành phố có nhà cao < 25m, kể cả ngoại ô, các vùng rừng rậm

và các địa hình tương ứng có vật chướng ngại phân bố đều khắp, với chiều cao các vật

chướng ngại > 10m so với mặt đất

- Dạng địa hình C: Các khu thành phố có nhà cao hơn 25m

K10- Hệ số chuyển đổi sang vận tốc gió ở độ cao 10 m trên mặt nước, xác định theo

bảng 2-2

Bảng 2-2: Hệ số chuyển đổi vận tốc gió K 10

Khoảng cách giữa máy

3 Thời gian gió thổi liên tục (t):

Thời gian gió thổi liên tục có ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số của sóng gió Khi các điều kiện đã cho, có tồn tại một ngưỡng thời gian tmin để chiều cao sóng đạt cực đại (Hmax) Nếu thời gian gió thổi liên tục t < tmin sẽ cho chiều cao sóng H < Hmax

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 nước (thiên nhiên và nhân tạo), 12 giờ đối với biển

và 18 giờ đối với đại dương

II Đà sóng (D):

Đà sóng được xác định tùy theo tình hình thực tế ở địa điểm dự báo

1 Nếu địa điểm dự báo là vùng nước hẹp, D được xác định theo phương pháp đồ giải

i

i i

i

2 icos

cosr

Trong đó:

αi Góc lập giữa tia tính toán thứ i với hướng gió chính

ri Chiều dài đà sóng theo hướng tia thứ i

Hình 2-2: Sơ đồ xác định đà sóng tương đương D td

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 trước được xác định theo công thức:

Giá trị lớn nhất của đà sóng theo 22TCN222-95 được xác định theo bảng 2-3

Bảng 2-3: Trị số chiều dài đà sóng theo giới hạn Dmax (km)

- 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 nước tính toán và chiều sâu nước trước công trình:

1 Mực nước tính toán:

Mực nước tính toán được chọn theo các tần suất bảo đảm do qui phạm qui định, và theo các trường hợp tính toán tương ứng ở nước ta hiện nay, các qui phạm về đê sông, đê biển chưa được ban hành chính thức (đang ở mức dự thảo) nên có thể chọn các tần suất bảo

đảm theo các tài liệu chuyên môn tương ứng ở trong và ngoài nước Chẳng hạn, theo quy phạm đê của Trung Quốc:

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 nước 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 nước (theo tần suất bảo đảm) chưa kể đến chiều cao nước dâng do gió thì cần cộng thêm trị số mực nước dâng tính toán vào mực nước tính toán sóng

Khi trước công trình là bờ thoải liên tục thì trước hết phải xác định các yếu tố sóng tại vùng nước sâu, sau đó tính toán biến dạng của các yếu tố sóng nước sâu đó trong quá trình truyền vào bờ, đi qua các vùng nước nông, sóng đổ và sóng leo

♣2-3 Tính toán các thông số của sóng theo phương pháp Crưlốp

và W

tg Chọn lấy cặp giá trị bé nhất trong hai cặp số tìm được, từ đó sẽ tính ra H và s T s

Chiều dài sóng trung bình xác định theo công thức:

π

=2

T.gL

2 s

ở đây:

ao- Khoảng cách giữa những tia sóng cạnh nhau ở phía vùng nước sâu

a- khoảng cách giữa chính các tia đó, nhưng theo đường thẳng vẽ qua một điểm cho trước ở vùng nước nông (m)

Hình 2-5: Đồ thị xác định hệ số Kt (1) và đại lượng h pg /Ls (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

Trên mặt bằng khúc xạ, các tia sóng ở vùng nước sâu phải lấy theo hướng lan truyền

sóng đã cho trước, còn ở vùng nước nông phải kéo dài các tia đó theo phương pháp thể hiện

trên hình 2-6 Được phép lấy giá trị của hệ số Kr theo kết quả xác định hệ số khúc xạ đối

với các tia sóng vẽ từ điểm tính toán theo các hướng lệch 22,5o so với tia chính

Hệ số tổng hợp các tổn thất Ki được xác định theo bảng 2-4 ứng với các giá trị đã biết

của đại lượng h/Ls và độ dốc đáy i Khi i ≥ 0.03 thì Ki = 1

g

và 2

W

h.g

Chiều cao sóng có mức đảm bảo p% (Hsp) cũng xác định theo công thức (2-6), trong

đó Kp tra ở đồ thị hình 2-4 theo các đại lượng không thứ nguyên

2

W

D.g

và 2

W

h.g

, chọn lấy trị

số nhỏ trong hai giá trị Kp tìm được

Chiều dài sóng cũng xác định theo công thức (2-5)

- Các yếu tố sóng truyền từ vùng nước nông có độ dốc đáy i ≤ 0.001 vào vùng có i ≥ 0.002 cũng xác định theo phương pháp trình bày ở mục a), trong đó trị số chiều cao sóng trung bình ban đầu H lấy từ vùng nước sâu s

3 Các thông số của sóng tại vùng sóng đổ

a) Chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% (H đ 1% ):

Theo đồ thị (các đường cong 2,3,4 ) trên hình 2-5, ứng với đại lượng không thứ nguyên h/L và độ dốc đáy i, tìm được trị sốs

2 s

% 1

T.g

H

từ đó có Hđ1%

- Chiều dài sóng ở vùng sóng đổ L (m) xác định theo đường cong bao phía trên của dhình 2-7 ứng với đại lượng h/L , tìm được trị số d L /d L và suy ra s L d

b) Chiều sâu phân giới khi sóng đổ lần thứ nhất h pg (m):

Theo đồ thị đường cong 2,3,4 ) trên hình 2-5, ứng với đại lượng không thứ nguyên

h

và suy ra hpg

Khi xét đến khúc xạ của sóng, trị số hpg phải xác định theo phương pháp đúng dần Tự cho các giá trị độ sâu h, theo phương pháp nêu ở mục 2 - a (công thức 2 - 7, 2 - 8) xác định các đại lượng

2 s

spT.g

H Tiếp theo, từ các đồ thị 2,3, 4 hình 2-5 xác định tương ứng các trị số

s

pg

L

h

suy ra hpg Trị số được chọn sẽ tương ứng với trường hợp hpg = h

c) Độ sâu phân giới ứng với sóng đổ lần cuối h đ :

Khi độ dốc đáy không đổi, hđ xác định theo công thức:

Trong đó: Km hệ số lấy theo bảng 2-5;

n- Số lần đổ (bao gồm cả lần đầu), lấy từ dãy số n = 2, 3 và 4 khi thoả mãn các điều kiện Knmư2≥ 0.43 và n 1

m

K ư < 0.43

Khi độ dốc đáy lớn hơn 0.05, lấy hđ = hpg

♣2-4 Tính toán các thông số của sóng biển theo biểu đồ Hincat

1 Trường hợp độ sâu nước h > 15 m (sóng nước sâu)

Sử dụng biểu đồ trên hình 2-8 Từ giá trị vận tốc gió đã hiệu chỉnhWa và giá trị đà sóng D trên trục hoành, tra được chiều cao sóng có ý nghĩa H1/3 và chu kỳ sóng Ts

2 Trường hợp độ sâu nước h ≤ 15 m:

Sử dụng các biểu đồ trên hình từ 2-9 a,b Cách sử dụng cũng giống như trường hợp trên Trên các biểu đồ này còn có thêm đại lượng thời gian gió thổi tối thiểu tmin, tức là thời

Hình 2-8: Đồ thị xác định các thông số sóng nước sâu

a) ChiÒu s©u n−íc 3 m b) ChiÒu s©u n−íc 6 m

H×nh 2-9: C¸c th«ng sè cña sãng khi h < 15 m

3 Các trường hợp riêng:

a) Trường hợp đà sóng lớn, độ sâu khu nước thay đổi nhiều Lúc này chia đà sóng thành những đoạn riêng, trên mỗi đoạn độ sâu coi như không thay đổi và bằng trị số độ sâu trung bình Tiếnhành tính cho từng đoạn từ khu vực nước sâu trở vào với các giá trị Wa, Di,

hi, hsi tương ứng

b) Trường hợp thời gian gió thổi t< tmin Lúc này lấy giá trị Wa trên trục tung của các biểu đồ, tìm đến giao điểm với đường thời gian gió thổi t để xác định chiều cao sóng Hs và chu kỳ sóng Ts

Sử dụng đồ thị hình 2-9b, đường cong dự báo sóng ở vùng nước nông có độ sâu cố

định h = 6.0m, với Wa và D đã cho, tra được :

Hs = 0.6 m, Ts = 2s, thời gian tác dụng của gió tmin = 36 phút

c) Ví dụ 3:

Yêu cầu xác định các thông số của sóng Khi biết:

- Vận tốc gió Wa = 30 m/s

- Đà sóng D = 1000 m

- Độ sâu nước thiết kế h = 3.0 m

Thời gian gió thổi t = 30 phút

Giải:

Sử dụng đồ thị hình 2-9a, đường cong dự báo sóng ở vùng nước nông có độ sâu cố

định h = 3.0m, với Wa = 30 m/s và D = 1000m/s tra được tmin = 38 phút

Thực tế có t< tmin, nên chưa đủ thời gian để sóng phát triển đầy đủ Khi đó tra trên đồ thị đã dẫn, ứng với Wa = 30 m/s và t = 30 phút ta được:

- Chiều cao sóng hiệu quả Hs = 0.22m

- Chu kỳ sóng Ts = 1.5s

♣2-5 Tính toán chiều cao sóng leo

Chiều cao sóng leo lên mái đê phụ thuộc vào nhiều yếu tố như các thông số sóng trước

đê Hs,Ls, hệ số mái dốc đê, mức đảm bảo p%, độ nhám và tính thấm của mái, vận tốc gió, chiều sâu nước trước đê, hướng truyền sóng

I Trường hợp dốc đơn (mái nghiêng với một độ dốc):

1 Khi m = 1.5 ữ 5.0 ( trường hợp phổ biến):

Chiều cao sóng leo ứng với mức đảm bảo p% tính theo công thức:

Ls.Hsm

1

K.K.K.KH

2

pl w psl

H : Chiều cao và chiều dài sóng trung bình trước đê;

KΔ- hệ số kể đến độ nhám và tính thấm của mái tra theo bảng 2-6;

Kw- hệ số phụ thuộc vận tốc gió (w) và chiều sâu nước trước đê (h), tra theo bảng 2-7

Kpl- hệ số tính đổi tần suất luỹ tích của chiều cao sóng leo, xác định theo bảng 2-8

Kβ- hệ số xét đến góc nghiêng β giữa hướng truyền sóng và hướng vuông góc với tuyến đê, xác định theo bảng 2-9

B¶ng 2-6: HÖ sè nh¸m vµ thÊm cña m¸i dèc KΔ

Bảng 2-9: Hệ số Kβ; β: góc giữa hướng truyền sóng và hướng pháp tuyến với đê

Bảng 2-10: Trị số chiều cao sóng leo dẫn suất R o

3 Khi 1.25 < m < 1.5:

Có thể nội suy chiều cao sóng leo từ các trị số tính theo m = 1.25 và m = 1.5

II Trường hợp mái dốc phức hợp có thềm giảm sóng:

Khi mái dốc có thềm giảm sóng, chiều cao sóng leo vẫn được tính toán theo các công thức đối với mái dốc đơn, nhưng hệ số mái phải được tính đổi thành hệ số mái dốc tương

3 khi Δm < 0, m D < m T :

mC = (mT+0.5Δm+0.08Δm2).(1+3.0

Ls

hw).hb (2-15) Trong các công thức trên

mT, mD: hệ số mái dốc phần trên và dưới thềm giảm sóng

♣2-6 Tính toán áp lực sóng

I áp lực sóng lên mái nghiêng:

1 áp lực sóng dương:

Đối với mái dốc được gia cố bằng bê tông đổ tại chỗ hay tấm bê tông lắp ghép, khi hệ

số mái thoả mãn điều kiện 1.5 ≤ m ≤ 5 thì biểu đồ áp lực sóng dương (sóng vỗ vào mái) có dạng như hình 2-10

Hình 2-10: Biểu đồ áp lưc sóng tính toán lớn nhất lên mái dốc được gia cố bằng các tấm bản.

Trong đó trị số áp suất sóng lớn nhất (p2) xác định theo công thức:

H + m.(0.028-1.15

s

sL

H) (2-17)

sm

m1)

ở các phần gia cố mái cao hơn và thấp hơn điểm 2 (hình 2-10), lấy trị số tung độ biểu

Lm

2 áp lực sóng âm (phản áp lực sóng):

Khi sóng rút, trị số tức thời của áp lực nước lên tấm bảo vệ mái sẽ có hướng đẩy ngược

từ dưới lên trên theo phương vuông góc với mặt tấm- đó là trị số áp lực sóng âm

Cường độ áp lực (áp suất) sóng âm xác định theo:

II áp lực sóng lên các công trình bảo vệ bờ

1 Đê ngầm giảm sóng:

Tải trọng sóng tác dụng lên đê trong trường hợp bụng sóng lấy theo sơ đồ hình 2-12 Biểu đồ áp lực sóng khi đó được xác định bởi các thông số Z1, Z2, Z3, Z4, P1, P2, P3 Cần phân biệt 2 trường hợp:

Z1: Khoảng cách từ đỉnh công trình tới mực nước tính toán;

Z2: Khoảng cách từ mực nước tính toán tới chân sóng lấy theo đại lượng tương đối Z2/h ở bảng 2-13

b) Khi vị trí công trình ở vùng gần mép nước (hình 2-13,b)

Pm = (1 - 0.3

d

dL

l

Trong đó:

Zđ- độ vượt cao của đỉnh sóng trên mực nước tính toán ở mặt cắt tường chắn sóng (m)

lđ- Khoảng cách từ mặt cắt sóng đổ lần cuối cùng tới công trình (m)

Lđ- Khoảng cách từ mặt cắt sóng đổ lần cuối cùng tới mép nước (m)

Lm- Khoảng cách từ mép nước tới công trình (m)

Ll- Khoảng cách từ mép nước tới đường giới hạn của sóng vỡ leo lên bờ khi không có

công trình (m)

Hsl1% Chiều cao sóng leo với mức đảm bảo 1% (m)

Nếu khoảng cách từ đỉnh công trình tới mực nước tính toán Z1 < 0.3Hs thì các trị số áp

lực sóng xác định theo công thức (2-30), (2-32), (2-34) phải được nhân với hệ số Kg lấy theo bảng 2-15

Bảng 2-15: Hệ số K g

Khoảng cách từ đỉnh công trình tới

Hình 2-13: Các biểu đồ áp lực sónglên tường chắn sóng thẳng đứng

3 Tường đứng liền bờ:

Tải trọng lên tường khi sóng rút có sơ đồ như hình 2-14 Cường độ áp lực pr xác định theo công thức:

Trong đó:

Zr - độ hạ thấp của mặt nước kể từ mực nước tính toán ở trước đường thẳng đứng khi sóng rút được lấy như sau:

- Khi ở trước tường có bãi với chiều rộng ≥ 3Hs: Zr = 0

- Khi chiều rộng bãi < 3Hs: Zr = 0.25Hs

Hình 2-14: Biểu đồ áp lực sóng lên tường đứng liền bờ khi sóng rút