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 ≤dcr,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 thuỷLoại công trình thuỷ Suất bảo đảm tính toán của chiều cao sóng %

Công trình dạng đường

Công trình kiểu kết cấu hở và vật liệu cản cục bộ: - Cấp I

- Cấp II - Cấp III

1 5 13 Công trình gia cố bờ:

- Cấp I, II

- Cấp III, IV 1 5 Công trình chắn sóng có mái

dốc gia cố bằng: - Tấm, bản Bê tông - Đá đổ, các khối kỳ dị

1 2

Khi xác định độ che chắn sóng của khu nước cảng chiều cao sóng lấy với suất bảo đảm 5%;

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:

xabS

Trong đó:

n - hằng số sao cho quan hệ n

xS ~

lg là tuyến tính;

a, b - hằng số được xác định khi có quan hệ tuyến tính n

xS ~

lg ; 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

xS ~

lg Nếu giá trị n làm cho đồ thị n

xS ~

lg là đường thẳng thì giá trị này của n là giá trị được chấp nhận Ta cần xác định giá trị của x xuất hiện 1 lần trong N năm, hay nói cách khác

S =1 , thay vào công thức trên ta có:

lg.1⎟ +

⎠⎞⎜⎝⎛

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

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

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

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 vi≥ v theo cấp sau Năm

S3

lg lg S1 lg S2 lg S3 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

v lgS1,lgS2 dựa vào hệ phương trình:

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:

ttfw K K v

(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 khác

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:

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 cho trước

Bảng 2- 4 Giá trị đà gió theo vw

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)

Trong đó:

∆hb - nước dâng do bão (chênh lệch áp suất),

∆P - độ chênh áp;

γn - trọng lượng riêng của nước; ∆hset - nước dâng do nước dồn và bão; Lw - đà gió;

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/Vw2, gd/Vw2 để xác định các trị số hd /VW2và

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 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

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

g →

g → T →

T.g 2d

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 hi trên mỗi tia; -Lấy về 2 bên tia hợp 1 góc 11,250

Chiều cao sóng trên 1 tia:

Trong đó:

x ν - là kích thước góc của một vật cản thứ i và của khoảng hở thứ j giữa các vật cản;

h - là chiều cao sóng trung bình được xác định dựa vào đà gió sau khi đã lấy hình chiếu lên tia chính;

= ; mj mj05,22

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: dπ

2Tg 2

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.LVw2 Khi đường bờ có hình dạng phức tạp thì trị số 2

g phải xác định theo đại lượng g.hdVw2 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 ki

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

ic h

η xác định từ hình 2.3 ứng với giá trị hig.T2đã cho, trong đó lấy d λd =0,5 với sóng nước sâu, với sóng nước nông tra theo giá trị cụ thể

Hình 2- 3 Đồ thị xác định ηc

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 2λ

;

-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 hd 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 hki 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:

kt - hệ số biến hình; kr - hệ số khúc xạ; kl - hệ số tổn thất;

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

Bảng 2- 6 Xác định kl

Giá trị kl khi độ dốc i bằng Độ sâu tương đối

Giá trị kl khi độ dốc i bằng Độ sâu tương đối

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

λ và 2%1

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

λvà 2

2.7 Xác định thông số vùng sóng đổ

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

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

λ để tìm 2%1,

, 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:

k và n−1<0,43

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:

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

gTL = ; 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:

ξ = tan hoặc:

S = = π;

THgLHS = = π

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

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

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.

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:

γγγγξ rbh

)(

γh - hệ số hiệu chỉnh với sóng nước nông không tuân thủ phân bố Rayleigh (γh = 1 với phân bổ Rayleigh);

γb- hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của bậc cơ;

γβ - hệ số hiệu chỉnh do góc tới của sóng (γb=1, β=00 khi sóng tác dụng thẳng góc) a Mái dốc nhẵn:

Công thức Van der Meer (theo [2]):

R 2%=1,5ξ với 0,5 < ξop ≤ 2 (2- 20)

R với 2 < ξop < 3 ÷4 Với sóng tụt:

R 2%=0,33ξ với 0 < ξop ≤ 4 (2- 21)

R với ξop > 4 b Mái dốc không nhẵn:

-Sự ảnh hưởng của độ nhám khi sóng leo được thể hiện bởi γr được xác định bởi de Waal và Van der Meer trong đó 1< ξop < 3 ÷4, với các giá trị lớn hơn ξop giá trị của γr tiến tới 1 Giá trị của γr được lấy theo bảng sau:

0,55 ÷ 0,6 - Đá ≥2 lớp =1,5÷6,0

0,5 ÷ 0,55 - Các khối nhẵn trên mặt trơn (chiều dài theo đường nước

t, bề rộng b, cao h) Khối vuông t = b

h/b b/hs diện tích phủ

0,88 0,12 ÷0,19 1/9 0,7 ÷ 0,75 0,88 0,12 ÷0,24 1/25 0,75 ÷ 0,85 0,44 0,12 ÷0,24 1/25 0,85 ÷ 0,95 0,88 0,12 ÷0,18 1/25 0,85 ÷ 0,95 0,18 0,55 ÷1,1 1/4 0,75 ÷ 0,85

Ribs 0,18 0,12 ÷0,19 1/75 0,6 ÷ 0,7