Đê chắn sóng - Chương 2

Công trình đê chắn sóng được phân cấp dựa vào chiều cao sóng tính toán của tần suất H1% tại chân công trình chỗ có độ sâu lớn nhất dọc theo tuyến đê chính.

Chương 2

XÁC ĐỊNH THAM SỐ SÓNG VÀ MỰC NƯỚC

2.1 Các quy định chung

Khi xác định các thông số của sóng ở phía vùng nước không được che chắn và trong các khu nước được che chắn phải xét đến các yếu tố hình thành sóng, tốc độ gió, hướng gió, thời gian tác động liên tục của gió trên mặt nước Kích thước và hình dạng của vùng nước chịu gió, địa hình đáy biển và độ sâu vùng nước có xét đến các dao động mực nước

Mực nước tính toán và các đại lượng của gió phải xác định theo kết quả xử lý thống

kê các chuỗi số liệu quan trắc nhiều năm (≥25 năm) Khi xác định mực nước tính toán phải xét đến các dao động do thuỷ triều, nước dâng và nước rút do bão, các dao động theo mùa và theo năm

Khi tính toán các thông số sóng phải chia biển thành các vùng sau đây:

- Vùng nước sâu: độ sâu d≥0.5λd, ở vùng này đáy biển không ảnh hưởng đến các đặc trưng của sóng;

- Vùng nước nông: độ sâu d nằm trong phạm vi 0.5λd ≥d>dcr, ở vùng này sự lan truyền của sóng và các đặc trưng của sóng chịu ảnh hưởng của đáy biển

- Vùng sóng đổ: từ độ sâu dcr đến độ sâu dcr,u là độ sâu bắt đầu và kết thúc của sóng đổ;

- Vùng mép nước: nơi có độ sâu ≤d cr,u, ở đó sóng vỡ tràn lên bờ có chu kỳ;

- Khi xác định độ ổn định và độ bền của công trình thuỷ và các cấu kiện, suất bảo đảm tính toán của chiều cao sóng trong hệ sóng được lấy theo bảng:

Bảng 2- 1 Xác định suất bảo đảm của công trình thuỷ Loại công trình thuỷ Suất bảo đảm tính toán của chiều cao sóng %

Khi xác định chiều cao sóng leo chiều cao sóng lấy với suất bảo đảm là 1%

Khi xác định tải trọng sóng lên công trình cần lấy chiều cao sóng với suất đảm bảo

hi và chiều dài trung bình λ của sóng

2.2 Xác định tham số gió tính toán

Do sóng được xét đến là sóng do gió gây ra và không xét sóng do các nguyên nhân

khác nên ta cần phải xác định các thông số gió trước khi xác định thông số sóng Với gió

mạnh, sóng sẽ lớn và công trình sẽ có kích thước lớn Tuy nhiên nếu ta lấy gió yếu thì

thông số sóng sẽ nhỏ, công trình sẽ có kích thước nhỏ, tuổi thọ của công trình ngắn Để

dung hoà cần chọn thông số gió sao cho giá thành suy diễn của công trình là tối ưu

Trong đó K là giá thành xây dựng cơ bản, E là giá thành duy tu trong một năm

Để đơn giản hoá trong quy phạm 22TCN 222-95 nêu tần suất của gió theo cơn bão

tính toán là:

2% (1 lần trong 50 năm)- đối với công trình cấp I và II;

4% (1 lần trong 25 năm)- đối với công trình cấp III và IV

Theo yêu cầu trên ta cần xác định cấp công trình trước khi xác định tần suất gió

2.2.1 Vận tốc gió của cơn bão tính toán

Trên thực tế số liệu quan trắc của các cơn bão có thể không đầy đủ Để xác định vận

tốc gió của cơn bão có chu kỳ lặp với N năm nào đó ta sử dụng phương pháp

Alếchxâyev.G.A Đặt giả thiết ta cần xác định giá trị của x trong chu kỳ lặp N năm khi có

số liệu trong m năm

Alếchxâyep đề xuất công thức thực nghiệm sau:

n

x a b

x - đại lượng ngẫu nhiên;

S - số lần xuất hiện bình quân trong 1 năm theo các cấp giá trị của x

Trước hết cần xác định giá trị n bằng cách cho một số giá trị và vẽ đồ thị quan hệ

1 1

lg

a, b - hệ số trong phương trình đường thẳng n

x a b

lg = − được xác định bằng cách lấy 2 điểm có giá trị x1, x2 bất kỳ trên đồ thị và giải hệ phương trình:

x a b S

x a b S

2 2

1 1

.lg

.lg

Trình tự tính toán thực hiện như sau:

-Lập bảng phân cấp giá trị của x và số lần xuất hiện của từng năm theo các cấp, tính

giá trị

m

S

S = theo mỗi cấp, S là tổng số lần xuất hiện trong một cấp của m năm

Bảng 2- 2 Phân cấp giá trị x và số lần xuất hiện

Số lần xuất hiện v i ≥ v theo cấp sau Năm

Cho n một số giá trị ví dụ 0,8; 1; 1,2; vẽ đồ thị quan hệ giữa lgS và vn

Trong ví dụ trên khi n =1,0 thì quan hệ lgSvà vn là đường thẳng nên ta chấp nhận

giá trị này Lấy hai điểm bất kỳ trên đường thẳng ta có n và

2

n

1,v

v lgS1, lgS2 dựa vào hệ phương trình:

v a b S

v a b S

2 2

1 1

.lg

.lg

Xác định a, b với cấp công trình đã cho ta có chu kỳ lặp N có thể là 25 năm hoặc 50

năm, giá trị v được xác định theo công thức (2.3)

2.2.2 Chuyển tốc độ gió sang điều kiện mặt nước

Khi xác định tham số sóng và nước dồn cần chuyển vận tốc gió sang điều kiện mặt

nước Tốc độ gió trên 10m so với mực nước trên biển được xác định theo công thức:

t t f

5,4675,0

(nhưng không lớn hơn 1)

Kt - hệ số tính đổi tốc độ gió sang điều kiện mặt nước, Kt =1 khi tốc độ gió vt đo

trên địa hình là bãi cát bằng phẳng và xác định theo bảng 2.3 với các dạng địa hình

B - thành phố rừng rậm hoặc địa hình tương tự có chương ngai vật phân bố đều,

chiều cao hơn 10m so với mặt đất;

C - địa hình thành phố với nhà chiều cao hơn 25m

2.2.3 Xác định đà gió

Khi xác định sơ bộ các thông số sóng thì giá trị của đà gió (m) đối với vận tốc gió

tính toán vw (m/s) cho trước được xác định theo công thức:

w vis w

v K

Trong đó:

Kvis - hệ số, lấy bằng 5.1011;

υ - hệ số nhớt động học của không khí lấy bằng 10-5 m2/s

Giá trị đà gió lớn nhất Lw (m) cho phép lấy theo bảng đối với vận tốc gió tính toán

Khi xác định thông số sóng và tính tải trọng sóng cũng như cao trình đỉnh công

trình ta cần xác định mực nước lan truyền sóng Để có mực nước này ta cần xác định mực

nước tính toán và nước dâng do gió

Mực nước tính toán được lấy không lớn hơn:

1% (1 lần trong 100 năm) đối với công trình cấp I;

5% (1 lần trong 20 năm) đối với công trình cấp II, III;

10% (1 lần trong 10 năm) đối với công trình cấp IV

2.3.2 Chiều cao nước dâng do gió

Chiều cao nước dâng do gió (∆hset) được xác định qua quan trắc thực tế Nếu không

có số liệu quan trắc thực tế thì có thể xác định ∆hset theo phương pháp đúng dần (coi độ

sâu đáy biển là hằng số)

set

2 w w

h.5,0dg

L.v

K

∆+

Ph

γn - trọng lượng riêng của nước;

∆hset - nước dâng do nước dồn và bão;

2.3.3 Mực nước lan truyền sóng:

∇ lan truyền sóng = ∇ MNTT + ∆hset (2- 9)

2.4 Xác định thông số sóng khởi điểm

2.4.1 Thông số sóng trong vùng không ảnh hưởng đường bờ

Chiều cao trung bình hd(m) và chu kỳ trung bình của sóng T(s) ở vùng nước sâu

phải xác định theo đường cong bao trên cùng ở đồ thị 2.1 Căn cứ vào các giá trị của các

đại lượng không thứ nguyên gt/Vw, gL/V w2, gd/V w2 để xác định các trị số h d /V W2và

w

V

/

T

g , lấy các giá trị bé nhất tìm được để tính ra chiều cao và chu kỳ trung bình của

sóng Thời gian gió thổi t lấy bằng 21600s khi không có số liệu

Nếu điểm tra nằm ngoài vùng đồ thị thì chỉ tra trên đường cong bao trên và khẳng

định được sóng khởi điểm là sóng nước sâu, nếu điểm tra nằm dưới đường cong bao trên

thì sóng khởi điểm sóng nước nông

Khi tốc độ gió thay đổi dọc theo đà gió thì cho phép lấy hdtheo kết quả xác định

liên tiếp chiều cao sóng cho các đoạn có tốc độ gió không đổi

2.4.2 Thông số sóng trong vùng ảnh hưởng đường bờ

Hình dạng đường bờ được coi là phức tạp nếu tỷ số Lmax/Lmin ≥2, trong đó Lmax và

Lmin tương ứng là tia ngắn nhất và dài nhất trong số các tia vẽ từ điểm tính toán trong

phạm vi hình quạt hai bên hướng gió cho đến điểm giao cắt với đường bờ phía đầu

gió, trong đó các chướng ngại vật với góc mở ≤22,5

0

45

±

0 không cần xét đến

Đối với vùng mà thông số sóng hình thành do có sự ảnh hưởng của đường bờ thì

thông số sóng khởi điểm hd, T sẽ được xác định theo cách sau;

-Lấy hướng gió chính;

-Lấy thêm về 2 bên 3 tia (3 phương truyền sóng), góc hợp mỗi tia là 22,50;

-Xác định đà gió theo mỗi tia: kéo dài các tia sao cho cắt đường bờ

Đà gió trên mỗi tia [1

min L

L i

b

Xác định Lni: hình chiếu của trên tia chính Li

Dựa vào chiều sâu trung bình , di Lni, thời gian gió thổi t xác định hi

4

2 4

2 3

2 3

2 2

2 2

2

251,

V

h

g →

w

V

T

g → T →

π

=λ

.2

T

g 2 d

2.4.3 Thông số sóng trong vùng có nhiều vật cản nhỏ

Trong trường hợp trong vùng hình thành thông số sóng có nhiều vật cản thì cách

xác định chiều cao sóng hd như sau:

-Vẽ 7 tia giống như phương pháp 7 tia;

-Xác định chiều cao sóng h i trên mỗi tia;

-Lấy về 2 bên tia hợp 1 góc 11,250

Chiều cao sóng trên 1 tia:

mj 2 m

1

ni 2 n

ni , h

h - là chiều cao sóng trung bình được xác định dựa vào đà gió sau khi

đã lấy hình chiếu lên tia chính;

mj

ni , L L

0

ni ni

5 , 22

= ; mj mj0

5,22

β

=ν

Sau khi xác định được các khoảng hở và các khoảng bị che bởi vật cản ta xác định

được kích thước góc của chúng Sau đó xác định được đà gió trong mỗi khoảng: đó là

khoảng cách từ mép vật cản gần nhất đến điểm tính Trong trường hợp của khoảng hở thì

tính từ đường bờ hoặc lấy theo đà gió xác định theo vận tốc gió

Hình 2- 1 Đồ thị xác định chiều cao, chu kỳ sóng

2.4.4 Chiều dài sóng khởi điểm

Chiều dài trung bình λ của sóng xác định theo công thức sau: d

2.4.5 Chiều cao sóng với suất bảo đảm i%

Chiều cao sóng có suất bảo đảm i% trong hệ hd,i (m) phải xác định bằng cách nhân

chiều cao trung bình của sóng với hệ số ki lấy từ hình 2.2 ứng với đại lượng không thứ

nguyên g.L V w2 Khi đường bờ có hình dạng phức tạp thì trị số 2

w

VL

g phải xác định theo đại lượng g.h d V w2 và đường cong bao trên cùng của hình 2.1

Các thông số của sóng với suất bảo đảm 1; 2; 4% phải lấy theo các hàm phân bố

được xác định theo các số liệu hiện trường, còn nếu không có hoặc không đủ các số liệu

đó thì lấy theo kết quả xử lý các bản đồ khí tượng Khi sóng khởi điểm là nước nông thì

tra theo L, d sau đó lấy giá trị nhỏ nhất

Hình 2- 2 Đồ thị xác định k i

2.4.6 Độ vượt cao của sóng

Độ cao của đỉnh sóng trên mực nước tính toánη (m) phải tính toán theo trị số c

2.4.7 Phân vùng sóng khởi điểm

Khi đã xác định được tham số sóng khởi điểm có thể là sóng nước sâu, có thể sóng nước nông, ta cần xác định ranh giới của vùng sóng khởi điểm

Vẽ mặt cắt dọc theo phương của gió

-Nếu là sóng nước sâu lấy từ MNTT một đoạn

2

λ

; -Nếu là sóng nước nông: ranh giới của sóng khởi điểm là vùng độ dốc i< 0,001 (Trong trường hợp giá trị của suất bảo đảm nằm ngoài đường cong trên thì dùng phương pháp nội suy)

2.5 Thông số sóng trong vùng i≤0,001

Chiều cao sóng trung bình trong vùng từ ranh giới nước sâu đến vị trí i=0,001 dược

xác định như sau:

- Xác định đà gió L2 trong khoảng ranh giới sóng nước sâu và i=0,001, độ sâu tương

ứng là d1 và d2;

- Xác định đà gió tương đương L1 khi biết h d và d1 (bằng cách tra ngược lại);

- Xác định chiều cao, chu kỳ sóng khi biết đà gió L1+L2 và độ sâu d2

- Chiều cao sóng hi lấy bằng h k i trong đó ki tra theo L, d sau đó lấy giá trị nhỏ nhất

Độ vượt cao của sóng xác định như sóng khởi điểm

2.6 Thông số sóng biến dạng (độ dốc đáy i≥0,001)

2.6.1 Chiều cao sóng biến dạng

Chiều cao sóng có suất bảo đảm i% ở vùng nước nông với độ dốc đáy được

xác định theo công thức:

0010,

≥

d

h

i l r t

ki - được xác định như sóng nước sâu

Hệ số biến hình kt lấy trên đồ thị 2.5 theo đường cong 1 và tỷ số

ad - khoảng cách giữa các tia sóng cạnh nhau vùng nước sâu (m);

a - khoảng cách giữa các chính các tia sóng đó nhưng theo đường thẳng vẽ qua

một điểm cho trước ở vùng nước nông (m)

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

truyền sóng đã cho trước, còn ở vùng nước nông thì phải kéo dài các tia đó phù hợp với

sơ đồ và các đồ thị trên hình 2.5

2.6.3 Chiều dài sóng biến dạng

Bước sóng truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông phải xác định theo đồ thị 2.6 từ các đại lượng

d

d

λ và 2

% 1

T g

h

trong đó chu kỳ sóng được lấy bằng chu kỳ sóng vùng nước sâu

Hình 2- 6 Đồ thị xác định λ và λ sur

2.6.4 Độ vượt cao sóng biến dạng

Độ cao đỉnh sóng trên mực nước tính toán η lấy theo đồ thị hình 2.3 dựa theo c

2.7.1 Vị trí sóng đổ lần đầu, phân vùng sóng biến dạng

Khi tính toán thông số sóng biến dạng cần xác định dọc theo tia khúc xạ đến tận đường bờ, coi như sóng chưa đổ thiết lập bảng sau:

Bảng 2- 7 Giá trị độ sâu sóng đổ lần đầu

d1 hi1 dcr1

Trong đó dcr được xác định theo đồ thị 2.4 khi biết hi Độ sâu tại vị trí sóng đổ lần

đầu chính là vị trí mà di=dcri Sau khi biết được độ sâu sóng đổ lần đầu tính lại các hi nằm

trong vùng sóng đổ

2.7.2 Chiều cao sóng đổ

Chiều cao sóng đổ hsur,1%(m) phải xác định đối với các độ dốc đáy i cho trước theo

các đường 2,3,4 trên đồ thị 2.4 Cách xác định như sau: dựa vào

d cr

d

λ để tìm 2

% 1 ,

T g

h sur

, từ đó tính ra hsur,1% Chiều cao sóng đổ hi được xác định bằng cách nhân với hệ số ki tra trong

bảng 2.11

2.7.3 Chiều dài sóng đổ

Chiều dài vùng sóng đổ λ được xác định theo đường cong bao trên cùng của đồ sur

thị 2.6

2.7.4 Độ vượt cao của sóng đổ

Độ lệch của đỉnh sóng so với MNTT được xác định theo đường cong bao trên cùng

của đồ thị 2.3

2.7.5 Độ sâu sóng đổ lần cuối, phân vùng mép nước

Độ sâu lâm giới ứng với sóng đổ lần cuối dcr,u khi độ dốc đáy không đổi tính theo

công thức:

cr n u u

Khi i>0,05 thì dcr=dcr,u

Kẻ đường song song với mực nước lan truyền sóng, cách một khoảng dcr,u, cắt

đường đáy tại vị trí nào thì đó là vị trí sóng đổ lần cuối

2.7.6 Dạng sóng đổ trên mái dốc

Dạng sóng đổ trên mái dốc được xác định theo số Irribarren:

0 0

tan

S

α

Trong đó:

α - góc nghiêng của mái dốc;

S0 - độ dốc sóng nước sâu (H0/L0);

H0 - chiều cao sóng nước sâu;

L0 - chiều dài sóng nước sâu

π2

2 0

gT

L = ;

T - chu kỳ sóng;

g - gia tốc rơi tự do

Với chiều cao sóng vỡ Hb ta có ξb (tại vị trí sóng vỡ) Giá trị ξ0 được xác định cho

mái dốc không thấm và kiểu sóng vỡ tương ứng

Hình 2- 7 Các dạng sóng vỡ trên mái dốc

Với sóng không điều hoà tham số bề mặt được xác định như sau:

om om

S

α

ξ = tan hoặc:

op op

S om

T

H g L

S op

T

H g L

Chiều cao sóng leo trước hết được xác định với độ bảo đảm 1%

% 1

h - chiều cao sóng leo lên mái dốc với độ bảo đảm 1%;

kr,kp - các hệ số nhám và hệ số cho nước thấm qua mái dốc, lấy theo bảng

Chú ý: kích thước r(m) của độ nhám phải lấy bằng đường kính trung bình các hạt

vật liệu gia cố mái dốc hoặc bằng kích thước trung bình của các khối BT

ksp lấy theo bảng sau:

Bảng 2- 10 Xác định hệ số K sp

Trị số ctg ϕ( ) 1 ÷2 3÷5 >5

Tốc độ gió ≥ 20m/s 1,4 1,5 1,6 Tốc độ gió = 10m/s 1,1 1,1 1,2

Hệ số ksp

Tốc độ gió ≤ 5m/s 1,0 0,8 0,6 Trong đó:

ϕ - góc nghiêng của mái dốc;

krun - hệ số lấy theo đồ thị 2.8 phụ thuộc vào độ thoải

% 1

d

d

h

λ của sóng nước sâu

Khi độ sâu nước trước công trình d<2h1% thì hệ số krun lấy theo các độ thoải của

sóng ghi trong các dấu ngoặc

Khi sóng tiến đến công trình với một góc α từ phía vùng không được che chắn thì

phải giảm chiều cao sóng leo lên mái dốc bằng cách nhân với hệ số kα

Chiều cao sóng leo tương đối Ru/H là hàm của ξ, góc tới của sóng, đặc trưng hình

học của mái dốc, độ thẩm thấu của bề mặt Các mặt được coi là không thẩm thấu là: đê

nông nghiệp, gia cố bờ, đê chắn sóng có bề mặt không cho thấm hoặc lõi tương đối tốt

Đê chắn sóng đá đổ với lớp đá lót, tầng lọc ngược được coi là có bề mặt thẩm thấu

2.8.2.1 Sóng leo trên mái dốc không thấm:

Chiều cao sóng leo và sóng tụt trên mái dốc không thấm được biểu diễn bằng công

thức sau:

β

γγγγ

ξ r b h

S

ui

C A H

R

) (

Rui%- chiều cao sóng leo với suất bảo đảm i%;

ξ- tham số đồng dạng bề mặt ξom hoặc ξop;

A, C - tham số phụ thuộc vào ξ và i đối với trường hợp mái nghiêng không thấm,

trơn, dài và chịu tác động sóng thẳng góc;

γr - hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của độ nhám (γr = 1 với mái nghiêng nhẵn);