CHƯƠNG 5: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ÁP LỰC SÓNG LÊN TƯỜNG CHẮN

Đồ án tốt nghiệp



GVHD: Th.s Lê Văn Thảo



năng lượng tiêu hao, sóng gió sẽ tăng trưởng. Ngược lại, sóng sẽ suy yếu. Vì vậy

có thể xây dựng phương trình cân bằng năng lượng, thông qua phương pháp toán

học xác lập biểu đồ quan hệ giữa sóng và gió, sau đó sử dụng những biểu đồ đó

để dự báo.

+ Phương pháp phổ: Coi sóng thực tế gồm rất nhiều sóng hình sin có biên độ



không bằng nhau, có tần suất và phương khác nhau, sắp xếp lộn xộn...chồng lên

nhau mà thành. Năng lượng này phân bố theo tần suất của các sóng thành phần.

Nếu tìm ra được quy luật phân bố năng lượng này thì có thể căn cứ vào quan hệ

giữa phổ và các yếu tố sóng để dự báo các yếu tố sóng.

Tuy có rất nhiều phương pháp tính toán yếu tố sóng, nhưng trong quá trình

suy diễn và sử dụng đều phải xử lý có tính chất kinh nghiệm, vì vậy phần lớn

đều thuộc loại phương pháp bán kinh nghiệm, bán lý thuyết.

Về phương thức tính toán, cũng tồn tại ba loại:

+ Tính toán theo các công thức kinh nghiệm (L.P Titop; SMB; Suleikin; Pierson-



Rayman-James..v.v)

+ Tính toán theo các biểu đồ, bảng biểu lập sẵn (biểu đồ của Hindcast; WMO;



22TCN-222-95..)

+ Tính toán theo các phần mềm máy tính dựa trên cơ sở các chương trình giải các



hệ phương trình lý thuyết về sóng (phần mềm ACES, RCPWAVE..).

Việc thiết kế và xây dựng đê chắn sóng là một trong những hạng mục

thường gặp trong các công trình xây dựng biển - cảng biển. Đê chắn sóng có

nhiều loại, phân loại theo hình dạng mặt cắt ngang (hình 5-1):

+ Đê tường đứng trọng lực.

+ Đê chắn sóng mái nghiêng.

+ Đê chắn sóng bằng cừ, cọc.

+ Đê chắn sóng hỗn hợp.

+ Đê có kết cấu khối hình thang.

+ Đê có kết cấu dạng tường lõm có lỗ tiêu năng...



Trang: 53



Đồ án tốt nghiệp



GVHD: Th.s Lê Văn Thảo



Hình 5.1 Đê chắn sóng

a.) Tường đứng b.) Mái nghiêng c.) Cọc bê tông

d.) Đê hỗn hợp e.) Khối hình thang f.) Tường lõm có lỗ tiêu năng

5.1 Công thức Snip 2.06.04.82:

5.1.1 Tải trọng sóng đứng tác dụng lên công trình:



Khi xác định tải trọng do sóng đứng tác động lên công trình cần xét đến sự hiện

diện đồng thời của sóng truyền từ khơi vào (phía ngoài) và sóng nhiễu xạ từ phía khu

nước được che chắn (phía trong).

Do vậy 2 tổ hợp tải trọng bất lợi tác dụng lên công trình có khả năng xảy ra:

+ Đỉnh sóng tiếp cận công trình từ phía ngoài và bụng sóng từ phía trong.

+ Bụng sóng tiếp cận công trình từ phía ngoài và đỉnh sóng nhiễu xạ từ phía trong.



Trang: 54



Đồ án tốt nghiệp



GVHD: Th.s Lê Văn Thảo



Ngoài ra, cần phải xét đến lực đẩy nổi của sóng tác dụng lên móng công trình và

tấm chống xói.

Trong các công thức tính toán, độ sâu thực tế đến đáy d b được thay bằng độ sâu

tính toán quy ước d :



d = d f + kbr ( db − d f )



(5-1)



Trong đó:

df (m) - Độ sâu đến móng tường.

kbr - Hệ số xét đến sự ảnh hưởng của tấm chống xói lấy theo hình 5.1.

Độ vượt cao hoặc hạ thấp của mặt sóng η ở tường đứng được tính từ mực nước

tính toán :



η = h cosϖ t − ( kh 2 cthkd cos 2 ϖ t ) / 2

Trong đó :

h(m) - Chiều cao sóng tới.



ϖ = 2π / T



- Tần số góc của sóng.



T (s) - Chu kỳ trung bình của sóng.

t (s) – Thời gian.



k = 2π / λ - Số sóng.



λ (m) – Trị số trung bình của chiều dài sóng.



Trang: 55



(5-2)



Đồ án tốt nghiệp



GVHD: Th.s Lê Văn Thảo



Hình 5.2 Biểu đồ giá trị hệ số kbr

Thời điểm đỉnh sóng hoặc bụng sóng tiếp cận công trình được đặc trưng bởi

hàm cosωt. Giá trị cosωt được xác định cho ba trường hợp có thể xảy ra :

a) Khi đỉnh sóng tiếp cận công trình cao hơn so với mực nước tính toán η max thì

cosωt = 1.

b) Khi chân sóng tiếp cận công trình thấp hơn mực nước tính toán η t ứng với giá

trị thành phần tải trọng sóng nằm ngang lớn nhất thì cosωt = -1.

c) Khi đỉnh sóng tiếp cận công trình vượt cao so với mực nước tính toán η c thì

giá trị cosωt nằm trong khoảng o < cosωt < 1 và được xác định theo công thức :



cosϖt =



λ



πh( 4kd − 3)



(5-3)



Cao trình đỉnh sóng ηmax được xác định bằng cách thay cosωt = 1 vào (5-2). Khi

xác định cao trình chân sóng ηt thay cosωt = -1 , còn khi xác định ηc tương ứng với giá

trị lực ngang lớn nhất Pxc phải thay giá trị cosωt tính theo (5-3). Khi d / λ ≤ 0,2, nếu

theo công thức đó giá trị cosωt > 1 thì trong tất cả các phép tính lấy cosωt = 1.

Ở vùng nước sâu, tung độ p của biểu đồ áp lực sóng đứng tác dụng lên tường

đứng xác định như sau :



Trang: 56



Đồ án tốt nghiệp



GVHD: Th.s Lê Văn Thảo



(



)



kh 2 − 2kz 2

kh 2

k 2 h 3 − 3kz

− 2 kz

p = ρ ghe cosϖ t − ρ g e . cos ϖ t − ρ g

1 − e cos 2ϖ t −

e cos 2ϖ t cosϖ t

2

2

2

− kz



(5-4)

Trong đó :

ρ (t/m3) - Tỉ trọng của nước.

h (m) - Chiều cao sóng tới.



k = 2π λ - Số sóng.



λ (m) - Bước sóng trung bình.

ω = 2π T - Tần số vòng của sóng.



T (s) - Chu kỳ trung bình của sóng.

e = 2,72 - Cơ số logarit tự nhiên .

g - Gia tốc trọng trường.

z – Tung độ của các điểm (z 1 = ηc ; z2 = 0 ; ...zn = d), được tính từ mực nước tính

toán, đối với đỉnh sóng khi z1 = - ηc và bụng sóng khi z6 = 0 lấy p = 0.



Hình 5.3 Biểu đồ áp lực sóng đứng tác động lên tường đứng từ phía ngoài

a) Khi đỉnh sóng tiếp cận công trình

Trang: 57



b) Khi bụng sóng tiếp cận công trình



Đồ án tốt nghiệp



GVHD: Th.s Lê Văn Thảo



Biểu đồ áp lực sóng đứng tác dụng lên tường đứng từ phía ngoài được thể hiện

trên hình 5-3.



Bảng 5.1 Giá trị áp lực sóng p.

Số TT các điểm



Tung độ z (m)



Giá trị áp lực sóng p



1



-ηc



p1 = 0



2



0



p2 = k2ρgh



Khi đỉnh sóng



3



0,25d



p3 = k3ρgh



tiếp cận công trình



4



0,5d



p4 = k4ρgh



5



d



p5 = k5ρgh



6



0



p6 = 0



Khi bụng sóng



7



ηt



p7 = -ρgηt



tiếp cận công trình



8



0,5d



p8 = -k8ρgh



9



d



p9 = -k9ρgh



Ở vùng nước nông, khi xây dựng biểu đồ áp lực sóng đứng tác dụng lên tường

đứng tung độ biểu đổ áp lực sóng được xác định theo các công thức ghi ở bảng 5.1.

Giá trị của các hệ số k1lấy theo bảng 5.2.

Bảng 5.2 Bảng tra hệ số k1.

Chiều dài tương đối

của phân đoạn 1/ λ

Hệ số k1



0,1



0,2



0,3



0,4



0,5



0,6



0,7



0,8



0,98



0,92



0,85



0,76



0,64



0,51



0,38



0,23



Giá trị của các hệ số k2 ,k3 ,k4 ,k5 ,k8 và k9 lấy theo các biểu đồ trên hình 5.4.

Tác động đẩy nổi của áp lực sóng lên móng công trình P zc và Pzt ,cũng như tại

các khe ngang giữa các khối xếp ở tiết diện bất kỳ được xác định từ biểu đồ tam giác

(hình 5.3). Ở các điểm biên của tiết diện nằm ngang tung độ áp lực sóng đẩy nổi được

Trang: 58



Đồ án tốt nghiệp



GVHD: Th.s Lê Văn Thảo



lấy bằng tung độ tương ứng của biểu đồ áp lực sóng, còn ở phía đối diện của tiết diện

nằm ngang áp lực sóng đẩy nổi được lấy bằng “0”.

Nếu như đường đỉnh sóng tiếp cận công trình dưới một góc α, thì áp lực sóng

tác dụng lên công trình sẽ bị giảm (nhân giá trị tải trọng sóng P xc và Pxt với hệ số kcslấy

ở bảng 5-2).

Bảng 5.3 Giá trị của hệ số kcs.

α ( độ )



kcs



45



1,0



60



0,9



75



0,7



Nếu sóng lan truyền dọc theo tường, nghĩa là khi α gần hoặc bằng 90 0, tải trọng

sóng lên một phân đoạn của công trình được xác định như là sóng nhiễu xạ.



Hình 5.4 Biểu đồ giá trị hệ số ki để xác định áp lực sóng đứng

tác dụng lên tường đứng trong vùng nước nông.

Trang: 59



Đồ án tốt nghiệp



GVHD: Th.s Lê Văn Thảo

a- k2 ; b- k3 ; c- k4 ; d- k5 ; e- k8 ; g- k9



5.1.2 Áp lực sóng nhiễu xạ lên tường đứng:



Tải trọng ngang do sóng nhiễu xạ từ hướng khu nước được che chắn cần được

xét đến khi chiều dài phân đoạn của công trình l ≤ 0,8 λ . Biểu đồ tính toán áp lực sóng

nhiễu xạ tác dụng lên tường từ phía khu nước được che chắn thể hiện trên hình 5-4.

a) Đỉnh sóng nhiễu xạ trùng với điểm giữa phân đoạn công trình: Tung độ

biểu đồ áp lực sóng được xác định cho 3 điểm như sau:



z1 = η max = −



hdif

2



−



2

khdif cthkd



8



; p1 = 0



2

 hdif khdif cthkd 





z 2 = 0; p2 = k1 ρ g

−

 2



8







(5-5)



2

 hdif

khdif 



z3 = d f ; p3 = k1 ρ g 

+

 2chkd 4sh 2kd 







Hình 5.5 Biểu đồ áp lực sóng nhiễu xạ từ khu nước được che chắn

tác dụng lên tường đứng.

a) Khi đỉnh sóng tiếp cận công trình b) Khi bụng sóng tiếp cận công trình

Trang: 60



Đồ án tốt nghiệp



GVHD: Th.s Lê Văn Thảo



b) Chân sóng trùng với điểm giữa phân đoạn công trình:



z1 = 0; p1 = 0

z2 = η t = −



hdif

2



−



2

khdif



8



cthkd ; p2 = − k1 ρ gη t



(5-6)



2

 hdif

khdif 





z3 = d f ; p3 = − k1 ρ g

+

 2chkd 4sh 2kd 







Trong đó :

hdif (m) - Chiều cao sóng nhiễu xạ.

k1 - Hệ số giảm áp lực sóng được lấy phụ thuộc vào độ dài tương đối

của phân đoạn công trình l / λ (bảng 5.2).

Nếu từ phía khu nước được che chắn có độ sâu tính toán d ≥ 0,3 λ thì xây dựng

biểu đồ hình tam giác với áp lực sóng bằng 0 tại độ sâu z3 = 0,3 λ

Vận tốc đáy cực đại vb.max(m/s) trước tường đứng (do tác động của sóng đứng) ở

khoảng cách 0,25 λ tính từ mặt trước của tường xác định theo công thức :



Vb. max =



2k slπ h



π

λ sh 2kd b

g



(5-7)



Với ksl - hệ số lấy theo bảng 5-4.

Bảng 5.4 Giá trị hệ số ksl .



Độ thoải của sóng

hệ số ksl

Trang: 61



λ /h



8



10



15



20



30



0.6



0.7



0.75



0.8



1



Đồ án tốt nghiệp



GVHD: Th.s Lê Văn Thảo



Giá trị cho phép của vận tốc đáy không gây xói vb.adm (m/s) đối với đất có đường

kính thành phần hạt D (mm) được lấy theo hình 5.6. Khi vận tốc đáy cực đại lớn hơn

vận tốc không gây xói (vb.max > vb.adm) cần phải áp dụng các biện pháp bảo vệ móng

công trình.



Hình 5.6 Biểu đồ giá trị cho phép của vận tốc đáy không gây xói

Biểu đồ áp lực sóng đẩy nổi tác dụng lên tấm chống xói có dạng hình thang

(hình 5-3,b). Các tung độ pbr.i được xác định (với i = 1, 2 và 3) theo công thức:



pbr.i = k br ρ gh



chk ( d − d f )

chkd



cos kxi ≤ p f



(5-8)



Trong đó :

xi (m) - Khoảng cách từ tường đến mặt tương ứng của khối chống xói.

kbr - Hệ số lấy theo bảng 5.5.

pr - Áp lực sóng tại chân công trình.

Bảng 5.5 Giá trị hệ số kbr



Hệ số kbr với độ thoải của sóng

Trang: 62



λ /h



Đồ án tốt nghiệp



Độ sâu tương đối d/ λ



GVHD: Th.s Lê Văn Thảo



15 và nhỏ hơn



20 và lớn hơn



< 0.27



0.86



0.64



0.27 ÷ 0.32



0.6



0.44



> 0.32



0.3



0.3



5.1.3 Tải trọng sóng vỡ lên tường đứng:



Để xác định tải trọng sóng vỡ Pxc tác dụng lên tường đứng cần thiết phải xây

dựng biểu đồ áp lực hông của sóng và tính diện tích biểu đồ đó. Biểu đồ áp lực sóng

vỡ lên tường đứng được thể hiện trên hình 5-7.

Các tung độ biểu đồ áp lực sóng vỡ được xác định cho 3 điểm theo chiều cao

công trình :



z1 = − h, p1 = 0

z 2 = 0; p2 = 1,5 ρ gh

z 3 = d f ; p3 =



ρ gh

2π

ch d f

λ



Hình 5.7 Biểu đồ áp lực sóng vỡ tác động lên tường đứng



Trang: 63



(5-9)