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

Phn 2 - Chng 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 thờng 2)Sóng bão
T
ỷ
lệ xuất hiện són
g

nớc sâu
Són
g
nớc sâu
thiết kế
Biến d
ạ
n
g
són
g
Biến d
ạ
n
g
són
g

Tỷ lệ xuất hiện sóng
tại vị trí tính toán
Các thôn
g
số són
g
tính toán
1) Sóng có ý nghĩa
2) Sóng cao nhất
1
)
Đ
ộ

y
ên tĩnh của bến
2) Suất hoạt động thực tế,
số ngày làm việc
3) Năng lợng vận tải của
sóng tới
4) Các vấn đề khác
1
)
L
ự
c són
g
tác đ
ộ

n
g
lên
công trình
2) Lợng sóng tràn lên
tờng 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
Chơng 4: Sóng
4.1. Khái quát
4.1.1 Phơng 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 nh xem xét mức độ tĩnh lặng của luồng chạy tàu và bể cảng phải đợc xác định bằng
cách sử dụng các số liệu sóng có đợc từ đo đạc sóng thực tế hoặc dự báo sóng tính toán. Các đặc
trng 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 phơng pháp dựa trên một phơng 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 thớc và hình dạng kết cấu của công trình đợc
xác định bởi các yếu tố nh 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 thờng (Nghĩa là
sóng xẩy ra trong các điều kiện thông thờng: 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 đợc từ các số liệu thống kê dựa trên các
đo đạc thực tế hoặc dự báo sóng tính toán thờng là
sóng nớc sâu không bị ảnh hởng bởi địa hình đáy
biển. Sóng nớc sâu lan truyền về phía bờ, và một
khi sóng tới độ sâu nớc bằng khoảng nửa chiều dài
sóng, chúng bắt đầu bị ảnh hởng 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 phơng 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.

[Chỉ dẫn kỹ thuật]
Một trình tự mẫu để xác định các điều kiện sóng dùng trong thiết kế đợc cho trong Hình T.4.1.1
4.1.2. Sóng dùng trong thiết kế
Sóng có ý nghĩa, sóng cao nhất, sóng nớc sâu, sóng nớc sâu tơng đơng và các sóng khác là
các sóng đợc dùng trong thiết kế các công trình bến và cảng.
[Chú giải]

Phn 2 - Chng 4 [1] 2
Sóng dùng để thiết kế kết cấu thờng đợc 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 thớc xấp xỉ bằng các giá trị
từ các quan sát sóng bằng mắt, do đó chúng đợc 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 nh vậy, các sóng có ý nghĩa thờng đợc 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 nh sóng
cao nhất và sóng một phần mời cao nhất.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Định nghĩa các thông số sóng
(a) Sóng có ý nghĩa (chiều cao sóng có ý nghĩa H
1/3
và chu kỳ sóng có ý nghĩa T
1/3
)
Các sóng trong một nhóm sóng đợc sắp xếp lại theo thứ tự chiều cao của chúng và 1/3 các sóng cao nhất đợc
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
đợc lựa chọn.
(b) Sóng cao nhất (chiều cao sóng cao nhât H
max
và chu kỳ sóng cao nhất T
max
.
Sóng cao nhất trong một nhóm sóng.
(c) Sóng một phần mời cao nhất (H
1/10
, T
1/10
).
Sóng có chiều cao và chu kỳ bằng chiều cao và chu kỳ trung bình của các sóng một phần mời 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 nớc sâu (chiều cao sóng nớc sâu H
o
và chu kỳ sóng nớc sâu T
o
).
Sóng ở một vị trí mà chiều sâu nớc bằng ít nhất một nửa chiều dài sóng: các thông số sóng đợc biểu thị bằng
các thông số của sóng có ý nghĩa ở vị trí đó .
(f) Sóng nớc sâu tơng đơng (H
o
).
Chiều cao một sóng giả thuyết đã đợc hiệu chỉnh vì ảnh hởng của các thay đổi về địa hình hai chiều nh khúc xạ
và nhiễu xạ; nó đợc 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 đợc trong một thời kỳ nào đó (ví
dụ một ngày, một tháng hoặc một năm) đợc 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 ngời
ta muốn nói rõ ngời 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 nớc sâu tơng đơng
Chiều cao sóng tại một nơi nào đó ở hiện trờng đợc xác định bằng kết quả của các biến dạng do sóng vào chỗ
cạn và vỡ ra, điều này phụ thuộc vào chiều sâu nớc 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 vợt 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 trờng, cần kết hợp trớc các điều kiện đặc biệt của vị trí đang nghiên cứu, cụ thể
là ảnh hởng của các sự thay đổi địa hình hai chiều (đặc biệt ảnh hởng của nhiễu xạ và khúc xạ) vào các sóng
nớc sâu ở vị trí đang nghiên cứu, từ đó điều chỉnh các sóng nớc sâu thành một dạng sao cho chúng tơng ứng
với chiều cao sóng khởi điểm nớc sâu dùng cho thí nghiệm hoặc tính toán lý thuyết. Chiều cao sóng nớc sâu có
đợc bằng cách hiệu chỉnh các ảnh hởng của nhiễu xạ và khúc xạ với các hệ số của chúng đợc gọi là chiều cao
sóng nớc sâu tơng đơng. Chiều cao sóng nớc sâu tơng đơng ở vị trí sẽ tiến hành thiết kế đợc xác định
nh sau:


Phn 2 - Chng 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)
K
d
: 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 nh chiều dài sóng và vận tốc có thể đợc xác định bằng lý thuyết
sóng biên độ nhỏ. Tuy nhiên, chiều cao của sóng vỡ và chiều cao sóng leo phải đợc ớc tính
trong khi xem xét ảnh hởng của biên độ hữu hạn.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Lý thuyết sóng biên độ nhỏ
Các tính chất cơ bản của sóng đợc biểu thị thành hàm số của chiều cao sóng, chu kỳ và độ sâu nớc. Các đặc
tính khác của sóng nớc nông có đợc bằng xấp xỉ bậc nhất của lý thuyết sóng biên độ nhỏ đợc liệt kê dới đây.
Chú ý rằng , về toạ độ, chiều dơng của trục x đợc lấy theo chiều sóng đi tới, còn chiều dơng của trục z là
chiều thẳng đứng đi lên với z = 0 tơng ứng với cao độ nớc tĩnh. Chiều sâu nớc h giả định là không đổi và các
đặc tính của sóng đợc giả định là đồng đều theo phơng ngang (chiều y)
(a) Độ dâng cao (chuyển dịch từ cao độ nớc tĩnh) (m)







= t
T
x
L
H
tx


22
sin
2
),(

(4.1.2)
trong đó :


: độ dâng cao (m)
H : chiều cao sóng (m)
L : chiều dài sóng (m)
T : chu kỳ (s)
(b) Chiều dài sóng (m)

L
hgT
L


2
tanh
2
2
= (4.1.3)
trong đó :
h : chiều sâu nớc (m) ;
g : gia tốc trọng trờng (m/s
2
)
(c) Vận tốc sóng (m/s)

L
hgL
L

hgT
C




2
tanh
2
2
tanh
2
==
(4.1.4)
(d) Vận tốc hạt nớc (m/s)


Phn 2 - Chng 4 [1] 4

+
=







+
=
t
T
x
L
L
h
L
hz
T
H
w
t

T
x
L
L
h
L
hz
T
H
u








22
cos
2
sinh
)(2
cosh
22
sin
2
sinh
)(2
cosh

(4.1.5)
trong đó :
u : thành phần vận tốc hạt nớc theo phơng x (m/s)
w : thành phần vận tốc hạt nớc theo phơng z (m/s)
(e) Gia tốc hạt nớc (m/s
2
)


















+
=

+
=
t
T
x
L
L
h
L
hz
T
H
dt
dw
t
T
x
L
L
h
L
hz
T
H
dt
du

22
sin
2
sinh
)(2
cosh
2
22
cos
2
sinh
)(2
cosh
2
2
2
2
2
(4.1.6)
Trong đó :

dt

du
: thành phần gia tốc hạt nớc theo phơng x (m/s
2
)

dt
dw
: thành phần gia tốc hạt nớc theo phơng y (m/s
2
)
(f) áp lực trong nớc khi sóng tác động (N/m
2
)

gzt
T
x
L
L
H
L
hz
gHp
oo

+
=
22
sin
2
cosh
)(2
cosh
2
1
(4.1.7)
trong đó :

o
: dung trọng của nớc (1,01 ~1,05 . 10
3
kg/m
3
đối với nớc biển)
(g) Năng lợng trung bình của sóng trên diện tích đơn vị của mặt nớc (J)

2
1

gH
g
EEE
opk

=+= (4.1.8)
trong đó :
E
k
và E
p
là các mật độ động năng và thế năng tơng ứng với E
k
=E
p



Phn 2 - Chng 4 [1] 5
(h) Tỉ lệ trung bình của năng lợng đợc chuyển tải theo phơng chuyển động của sóng trong thời gian đơn vị và cho
bề rộng đơn vị của sóng( N.m/m/s)
W = C
G
E = nCE (4.1.9)
C
G
=nC (4.1.10)
trong đó:
C
G

:vận tốc nhóm của sóng (m/s)













+=
L
h
L
h
n


4
sinh
4
1
2
1
(4.1.11)

(2) Các đặc trng của sóng nớc sâu và chiều dài sóng
(a) Sóng nớc sâu
Sóng trong nớc có chiều sâu lớn hơn một nửa chiều dài sóng (h/L >1/2) đợc gọi là sóng nớc sâu. Các đặc
trng khác nhau của sóng nớc sâu có thể có đợc từ các phơng trình của lý thuyết sóng biên độ nhỏ bằng cách
đặt h/L . Chiều dài sóng L
o
, vận tốc sóng C
o
và vận tốc nhóm C
G
đối với sóng nớc sâu từ đó trở thành nh
dời đây. Chú ý rằng đơn vị của chu kỳ T là giây (s)
L
o
= 1,56T
2
(m), C
o
= 1,56T (m/s) (4.1.12)
C
c
= 0,78T (m/s)
= 1,52T (kt)
= 2,81T (km/h)
Nh đã biểu thị trong phơng trình (4.1.12)chiều dài sóng, vận tốc sóng và vận tốc nhóm với sóng nớc sâu chỉ
phụ thuộc vào chu kỳ và không phụ thuộc vào chiều sâu nớc
(b) Chiều dài sóng của sóng dài
Các sóng mà chiều dài sóng cực kỳ dài so với chiều sâu nớc (h/L < 1/25) đợc gọi là sóng dài. Các đặc tính khác
của sóng dài có thể có đợc từ các phơng 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 nh sau:

)/(
)(
smgHCC
mgHTL
o
==
=
(4.1.13)
(3) Xem xét ảnh hởng của biên độ hữu hạn
Các phơng trình cho trọng (1) không phải luôn chính xác đối với các sóng nớc nông và do đó đôi lúc cần sử
dụng các phơng trình đối với sóng biên độ hữu hạn. Khi tiến hành tính toán theo các phơng trình sóng biên độ
hữu hạn, ta phải tham khảo Sổ tay công thức thuỷ lực do Hội các kỹ s xây dựng Nhật Bản phát hành. Số lợng
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 nớc đối với chiều dài sóng h/L. Tuy nhiên, sai số trong các thông số của sóng thờng
không quá 20 ~ 30% trừ vận tốc nằm ngang của hạt nớc u.
Một trong các ảnh hởng của biên độ hữu hạn của sóng xuất hiện ở cao độ đỉnh
c
so với chiều cao sóng, tỉ số
này tăng khi chiều cao sóng tăng. Định nghĩa của chiều cao đỉnh
c
đợc cho ở trên cùng Hình T.4.1.2. Hình này
đợc vẽ dựa trên các ghi chép mặt cắt ngang sóng ở hiện trờng. Nó cho thấy tỉ lệ của chiều cao đỉnh sóng cao
nhất có đợc từ mỗi ghi chép quan sát so với chiều cao sóng cao nhất H
max
trong ghi chép đó nh một hàm số của
chiều cao sóng tơng đối H
1/3
/h.
(4) Các loại lý thuyết sóng biên độ hữu hạn

Phn 2 - Chng 4 [1] 6
Lý thuyết sóng biên độ hữu hạn bao gồm lý
thuyết sóng Stokes, lý thuyết sóng cnoidal và
các lý thuyết khác. Trong lý thuyết thứ nhất, độ
dốc sóng đợc giả định tơng đối thấp ,và hình
dạng của sóng đợc biểu thị bằng một chuỗi các
hàm lợng giác. Một số các nhà nghiên cứu đã
kiến nghị một số lời giải chuỗi gần đúng. Tuy
nhiên trong lý thuyết này độ hội tụ của các chuỗi
trở thành cực chậm khi tỷ lệ chiều sâu nớc so với
chiều dài sóng giảm. Điều đó có nghĩa lý thuyết
không thể áp dụng khi tỷ lệ chiều sâu nớc so với
chiều dài sóng quá nhỏ. Mặt khác, lý thuyết sóng
cnoidal có đợc là từ phơng pháp giãn nở
nhiễu loạn với tỷ lệ chiều sâu nớc so với chiều
dài sóng đợc giả định là cực kỳ nhỏ, điều đó có
nghĩa nó có giá trị khi tỷ lệ chiều sâu nớc so với
chiều dài sóng nhỏ. Tuy nhiên, sai số lại lớn lên
khi tỷ lệ chiều sâu nớc so với chiều dài sóng tăng
lên. Ngoài hai lý thuyêt đó, còn lý thuyết sóng
hypecbolic, trong đó một sóng cnoidal đợc xem
gần đúng là một sự khai triển các hàm
hypecbolic và lý thuyết sóng đơn độc, nó là
trờng hợp tiệm cận của lý thuyết sóng cnoidal khi
chiều dài sóng tiến tới vô cùng. Trừ lý thuyết sóng đơn độc, các phơng 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 phơng trình có
tích phân elip, làm cho việc sử dụng chúng rất bất tiện. Nếu phơng pháp chuỗi Dean đợc chấp nhận profile sóng
và vận tốc hạt nớc có thể xác định đợc với độ chính xác cao ngay tại điểm mà sóng vỡ.

Độ lệch
tiêu chuẩn
Số điểm
dữ li
ệ
u
Trung
bình


Phn 2 - Chng 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, đợc áp dụng cho hàng loạt các
công trình xây dựng bờ biển. Tuy nhiên vẫn còn một số lớn các điều cha biết, và do đó, trong trờng hợp thiết kế
hiên nay, chúng chỉ đợc áp dụng cho một số lợng hạn chế lĩnh vực nh sẽ thảo luận dới đây.
(a) Vận tốc nằm ngang cực đại của hạt nớc U
max
ở mỗi độ cao bên dới đỉnh sóng. Thông tin này cực kỳ quan
trọng trong việc đánh giá lực sóng lên một bộ phận kết cấu thẳng đứng. Các phơng trình từ lý thuyết sóng
Stokes đợc sử dụng khi tỷ lệ chiều sâu nớc với chiều dài sóng lớn, và các phơng trình từ lý thuyết sóng đơn
độc đợc sử dụng khi tỷ lệ giữa chiều sâu nớc và chiêù dài sóng nhỏ. Một tính toán gần đúng có thể thực
hiện đợc bằng cách sử dụng phơng trình kinh nghiệm sau đây:

[]
[]
Lh
Lhz
h
hz
h
H
T
H
zu
/)2(sinh
/))(2(cosh
1)(
32/1
max

+






+






+=

(
4.1.14
)

trong đó hệ số đợc cho trong Bảng T.4.1.2
Bảng T.4.1.2 Hệ số để tính vận tốc nằm ngang cực đại của hạt nớc
h/L


h/L

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 nớc giảm, có thể tính đợc 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 tợng này (xem 4.5.5. Sóng vào cạn)
(c) Sự dâng lên và hạ xuống của mực nớc trung bình
Mực nớc 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 đợc từ lý thuyết giao thoa phi tuyến giữa các sóng và dòng chảy. Phải xét đến sự thay đổi
mức nớc 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 nớc tĩnh, nên xét đến độ tăng tơng đối
trong các chiều cao đỉnh sóng do ảnh hởng của biên độ hữu hạn nh 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 nớc sâu không đều.
[Chú giải]
Hình T-4.1.2. Quan hệ giữa chiều cao cực
đại của đỉnh sóng (
c
)
max
/H
max

và chiều cao sóng tơng đối
H
1/3
/h


Phn 2 - Chng 4 [1] 8
Giả thuyết đằng sau phân bố Rayleigh là một tiền đề rằng năng lợng sóng đợc 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 dơng có dải tần số
rộng. Tuy nhiên, đã chỉ ra rằng chừng nào mà các sóng còn đợc xác định bằng phơng pháp qua 0, có thể vẫn áp
dụng đợc phân bố Rayleigh cho các sóng đại dơng nh một giải pháp gần đúng có thể chấp nhận đợc.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Biểu thức của phân bố Rayleigh
Phân bố Rayleigh đợc cho bởi phơng trình sau:

=
2
4
exp
2
)/(
H
H
H
H
HHp

(4.1.15)

trong đó :

)/( HHp : 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 mời cao nhất H
1/10
, chiều cao sóng có ý nghĩa H
1/3
, và chiều
cao sóng trung bình
H
có liên quan giữa chúng với nhau theo các phơng trình sau :
H
1/10
=1,27 H
1/3

H
1/3
=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 H
max
khó xác định chính xác nh sẽ đợc thảo luận trong (2) dới đây, nhng nói chung
nó có thể đợc quyết định nh trong quan hệ sau:

H
max
= (1,6 ~ 2,0) H
1/3
(4.1.17)
Các chu kỳ liên quan với nhau nh sau:
T
max
= T
1/3
= (1,1 ~ 1,3) T (4.1.18)
Tuy nhiên cần nhớ rằng khi sóng tiến gần đến bờ, các sóng có chiều cao lớn hơn giới hạn vỡ bắt đầu bị vỡ và
chiều cao của chúng giảm xuống do đó không thể dùng phân bố Rayleigh cho các chiều cao sóng trong khu vực
vỡ.
(2) Xác suất xuất hiện của chiều cao sóng lớn nhất
Chiều cao sóng cao nhất H
max
là một lợng thống kê không thể xác định chính xác; chỉ có thể cho xác suất xuất
hiện của nó. Nếu chiều cao sóng đợc giả định tuân theo phân bố Rayleigh, khi đó giá trị mong đợi
H
max
của
H
max
, khi tập hợp đợc một số lợng lớn các mẫu mỗi mẫu gồm có N sóng, đợc cho nh sau :
3/1max
ln2
5722,0
ln706,0 H
N

NH








+
(4.1.20)
Tuy nhiên,cần nhớ rằng khi H
max
có đợc cho mỗi số lợng lớn các mẫu mỗi mẫu bao gồm N sóng, có một số lớn
các trờng hợp mà
H
max
vợt quá H
max
. 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 phơng pháp trong đó sử dụng một chiều cao sóng
(H
max
)

với =0,05 hoặc 0,1, khi đó (H
max

)

đợc xác định sao cho xác suất của giá trị H
max
vợt quá (H
max
)

là
(nghĩa là mức độ quan trọng là ). Giá trị của (H
max
)

với một mức độ quan trọng đã cho đợc xác định bởi
phơng trình sau:


Phn 2 - Chng 4 [1] 9










=
)]1/(1ln[

ln706,0)(
3/1max


N
HH
(4.1.21)
Bảng T.4.1.4 liệt kê các giá trị có đợc từ phơng trình này. Vì H
max
không phải là một giá trị xác định mà là một
biến số theo xác suất, giá trị của H
max
/ H
1/3
thay đổi lớn với N và . Tuy nhiên, xét đến vấn đề là chiều cao sóng chỉ
gần đúng theo phân bố Rayleigh và công thức áp lực sóng đợc tìm thấy trong khi có một mức độ phân tán nhất
định của các dữ liệu nên có thể sử dụng H
max
= (1,6 ~ 2,0 ) H
1/3
và bỏ qua các giá trị rất nhỏ hoặc rất lớn trong
bảng.

Bảng T.4.1.4. Quan hệ giữa chiều cao sóng cao nhất H
max
và
chiều cao sóng có ý nghĩa H
1/3
.

Số lợng sóng
N
Phơng thức
(H
max
)
phơng 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%
(H

max
)
0,05
50
100
200
500
1.000
2.000
5.000
10.000
1,40H
1/3

1,52H
1/3
1,63H
1/3
1,76H
1/3
1,86H
1/3
1,95H
1/3
2,05H
1/3
2,12H
1/3

1,46H

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

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

2,19H
1/3

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

1,86H
1/3
1,95H
1/3
2,03H
1/3
2,14H
1/3
2,22H
1/3

2,30H
1/3
2,39H
1/3
2,47H
1/3


[3] Phổ sóng
Trong thiết kế công trình cảng và bến, phải xem xét nghiêm túc tới dạng hàm số của phổ sóng
và sử dụng một biểu thức thích hợp
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Dạng chung của phổ sóng
Dạng chung của phổ sóng thờng đợc biểu thị bằng phơng trình sau đây
S(f,

) = S(f) G (f,

) (4.1.22)
trong đó:
f : tần số
: phơng vị so với phơng chính của sóng
S(f, ) : phổ hớng.
Trên đây, S(f) là một hàm số biểu thị sự phân bố của năng lợng sóng liên quan tới tần số, nó đợc gọi là phổ
tần số; G() là một hàm số biểu thị sự phân bố của năng lợng sóng liên quan tới hớng, nó đợc gọi là hàm lan
truyền theo hớng
Hàm số biểu thị trong các phơng trình sau đây có thể sử dụng cho S(f) và G(f,). Phổ tần số của phơng trình
(4.1.23) đợc gọi là phổ Bretschneider Mitsuyasu, còn phơng trình (4.1.24) đợc gọi là hàm lan truyền loại
Mitsuyasu:

Phn 2 - Chng 4 [1] 10
S(f) = 0,257 H
2
1/3
T
-4
1/3


- -5
exp
[
-1.03(T
1/3
f)
-4
]
(4.1.23)

G(f,) = G
o
cos
2s
/2 (4.1.24)
trong đó:
G
o
: là một hằng số tỷ lệ thoả mãn điều kiên chuẩn hoá sau đây:

=
max
min
1),(



dfG
(4.1.25)
trong đó:
max
và
min
là các góc lệch tối đa và tối thiểu so với phơng chính
Số hạng S trong phơng trinh (4.1.24) là một thông số biểu thị mức độ lan truyền theo phơng của năng lợng
sóng. Nó đợc cho bởi công thức sau:

=
>








=
+

m
m
m
m
ff
f
f
SS
ff
f
f
SS
:

:
5
max
5,2
max
(4.1.26)
Trong đó f
m
là tần số tại đó đỉnh phổ xuất hiện. Nó có thể đợc biểu thị bằng các số hạng của chu kỳ sóng có ý
nghĩa T
1/3
nh trong phơng trình sau:
f
m
= 1/ (1,05 T
1/3
) (4.1.27)
Nếu các đơn vị của H
1/3
và

T
1/3
là mét và giây, đơn vị của S(f,) là m
2
s.
(2) Giá trị của thông số lan truyền theo hớng
Phải lấy một giá trị bằng 10 cho giá trị cực đại S
max
của thông số lan truyền theo hớng trong trờng hợp sóng do

gió ở nớc sâu. Trong trờng hợp nớc 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 S
max
tuỳ theo độ dốc
của sóng. Xét đoán qua giá trị của độ dốc sóng, có thể thấy rằng S
max
<20 đối với sóng do gió. Đồ thị này có thể
sử dụng để xác định giá trị gần đúng của S
max
. Goda và Suzuki kiến nghị sử dụng các giá trị chuẩn S
max
= 10 đối
với sóng do gió, S
max
= 25 đối với mặt nớc dâng trong khi bắt đầu phân rã, và S
max
= 75 đối với mặt nớc dâng có
khoảng cách phân rã dài.
(3)Thay đổi của S
max
do khúc xạ
Dạng của hàm số lan truyền theo hớng 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 hớng. Hình T.4.1.5 cho các giá trị của S
max
sau khi các sóng đã
bị khúc xạ tại một bờ biển có các đờng đồng mức sâu thẳng và song song. Trong hình, (
p
)
o

là góc tới của hớng
sóng chính ở ranh giới nớc sâu, nghĩa là góc giữa hớng sóng chính và đờng vuông góc với đờng đồng mức.


Phn 2 - Chng 4 [1] 11


(4) Mô hình cải tiến cho phổ tần số
Nếu các sóng đợc tạo ra trong một máng thí nghiệm bằng cách sử dụng phổ Bretschneider Mitsuyasu đợc
biểu thị bằng phơng trình (4.1.23), chu kỳ của sóng có ý nghĩa của các sóng đợc tạo ra thờng lệch với chu kỳ
của sóng có ý nghĩa mục tiêu. Lý do có độ lệch nh vậy là phơng trình gốc (4.1.23) đợc cho theo các số hạng
của tần số đỉnh
m
nhng đợc thay bằng chu kỳ sóng có ý nghĩa T
1/3
bằng việc sử dụng phơng 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 đợc tạo ra
không lệch với chu kỳ sóng có ý nghĩa mục tiêu.
HìnhT.4.1.4. Đồ thị cho các giá trị ớc tính của S
max

tuỳ theo độ dốc sóng
HìnhT.4.1.5. Đồ thị cho
sự thay đổi của S
max
do
khúc xạ


Phn 2 - Chng 4 [1] 12

S(f) = 0,205
2
3/1
H
4
3/1

T
5
f
exp[-0,75 (T
1/3
f)
4
] (4.1.28)
Tần số đỉnh của phơng trình (4.1.28) thấp hơn khoảng 8% so với tần số đỉnh của phơng 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 phơng 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 trng 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 đợc 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 m
o
đợc cho bởi phơng
trình (4.1.30), trong đó mômen thứ n của phổ sóng đợc xác định trong phơng trình (4.1.29)

m
n

=


0
f
n
S(f) df (4.1.29)
00
5,22 mmH =

(4.1.30)
Sử dụng quan hệ H
1/3
= 1,60
H
, ta có quan hệ sau đây giữa chiều cao sóng quan trọng và phổ.

H
1/3
4,0
0
m (4.1.31)
Theo kết quả quan sát thực tế, thờng là trờng hợp quan hệ tốt nhất là
03/1
8,3 mH = . Các trờng hợp dữ
liệu về sóng trong nớc nông tại đó chiều cao sóng lớn, các sóng phi tuyến tính cao và do đó quan hệ
03/1
0,4 mH = đợc thoả mãn.Trờng hợp khác, có một tơng quan rất mạnh giữa H
1/3
và m

o
. Do đó có
thể chấp nhận sử dụng phơng 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 phơng pháp qua 0, chu kỳ trung bình T
z
đợc cho bởi phơng trinh sau theo lý thuyết
Rice

20
/ mmT
z
= (4.1.32)
Tính chu kỳ trung bình sử dụng phổ loại Breschneider- Mitsuyasu, ta có quan hệ sau

T
z
= 0,74 T
1/3
(4.1.33)



Phn 2 - Chng 4 [2] 1
Hình T.4.1.6 cho một sự so sánh giữa chu
kỳ
trung bình
T
có đợc từ các hình dạng
sóng

quan sát đợc thực tế và chu kỳ trung bình T
z
ớc
tính từ các tính toán từ phổ. Các giá trị T
z
/
T

đợc phân bố trong phạm vi khoảng 0,6 ~ 1,0,
trung bình là 0,83. Nói cách khác các giá trị trung
bình có đợc từ các hình dạng sóng có xu hớng
lớn hơn khoảng 20% so với giá trị tính đợc từ các
mômen của phổ. Độ lệch khỏi lý thuyết Rice
đợc cho là đã đợc gây ra bởi sự có mặt của
các thành phần phi tuyến cấp hai trong phạm
vi tấn số cao của phổ.
(6) Phổ cho sóng chu kỳ dài
Việc giải thích trên đây là đối với sóng do gió và thành
phần nớc dâng có chu kỳ tơng đối ngắn. Với các thành
phần sóng chu kỳ dài có chu kỳ bằng 10 giây hoặc hơn,
xem 4.8.Sóng chu kỳ dài và sóng hồ.



4.2. Phơng pháp xác định các điều kiện của sóng dùng trong thiết kế
4.2.1. Các nguyên tắc để xác định các sóng nớc 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 nớc 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

trng của kết cấu.
[Chú giải]
(1) Đối với các dữ liệu đo đạc thực tế, nên có thời gian đo đạc tơng đối dài (10 năm hoặc hơn) tuy nhiên, khi thiếu
các số liệu đo đạc thực tế nh vậy, phải sử dụng các giá trị đã dự báo có đợc bằng cách sử dụng các dữ liệu
khí tợng của ít nhất khoảng 30 năm các giá trị này đợc hiệu chỉnh bằng các dữ liệu đo đạc sóng thực tế có
thể có đợc
(2) Khi các giá trị đã dự báo có đợc từ các dữ liệu khí tợng đợc hiệu chỉnh bằng cách sử dụng các dữ liệu đo đạc
thực tế cần thiết là các dữ liệu đo đạc phải có đợc trong một thời kỳ ít nhất 3 năm và có đợc một số luợng
đáng kể các trờng hợp bão lớn. Tuy nhiên, nếu các con sóng đợc ghi lại trong một thời tiết khác thờng chỉ
xảy ra một lần trong một số ít đợt 10 năm và giá trị của các sóng đó vợt quá tất cả các giá trị đã dự báo, các
giá trị quan sát đợc có thể đợc dùng làm sóng nớc 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
đợc 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 tơng tự. Trờng hợp này, có thể sử dụng các số liệu NOWPHAS (nationwide ocean
wave information Network for Ports and Harbors)
(4) Nếu đợc biết một cơn bão khác thờng xuất hiện trong khu vực trớc thời kỳ mà việc dự báo sóng có sử dụng
các số liệu khí tợng đợc thực hiện (ví dụ trong một thập niên trớc đó), các số liệu ghi chép của sự kiện đó
phải đợc 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 trớc
đây và các hành trình chúng đã đi, bao gồm cả một nghiên cứu về xác suất xuất hiện của một cơn bão nh thế
.
(6) Khi ớc tính sóng nớc sâu có sử dụng các số liệu đo đạc thực tế, cần xét đến vấn đề là chiều cao sóng đo
đợc đã bị ảnh hởng bởi khúc xạ và cạn. Khi đó chiều cao sóng của sóng nớc sâu phải hiệu chỉnh bằng cách
Hình T.4.1.6. Phân bố tần số của t
ỷ
số
g
iữa chu
kỳ trung bình T
z

do tính theo phổ và chu kỳ trung
bình T đo th
ự
c tế.
Trung bình : 0,832
Độ lệch chuẩn : 0,072
N = 171 số liệu
n
N(T
z
/T)
p =
T
z
/T


Phn 2 - Chng 4 [2] 2
chia chiều cao đo đợc cho hệ số khúc xạ và hệ số cạn. Trong trờng hợp đó, cũng cần xem xét đến các sự
thay đổi trong hớng sóng .
(7) Nếu chiều cao sóng có ý nghĩa có đợc từ các số liệu đo đạc thực tế lớn hơn một nửa chiều sâu nớc tại địa
điểm đo đạc, có thể cho rằng việc ghi chép sóng này đã bị ảnh hởng bởi hiện tợng sóng vỡ. Với các số liệu
sóng nh vậy, các thông số của sóng nớc sâu phải đợc tính bằng cách dự báo sóng. Tuy nhiên, cần nhớ
rằng đối với sóng nớc sâu (hindcasted), sóng có ý nghĩa ở vị trí đo đạc phải ớc tính nh 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 nớc sâu sẽ đợc sử dụng trong thiết kế có xét đến xác suất gặp ngẫu nhiên dạ 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 trờng hợp chung. Vì vậy nó phải đợc xác định riêng cho mỗi trờng hợp riêng rẽ bằng sự xét
đoán của kỹ s 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 nớc sâu sẽ sử dụng trong thiết kế, cần xem xét các ngoại lực và các h 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 nớc sâu riêng biệt cho mỗi hớng của các phơng vị mời sáu điểm, tuy
nhiên các hớng có chiều cao sóng nhỏ và ảnh hởng của chúng lên kết cấu đã đợc xét đoán là không đáng
kể thì có thể loại bỏ. Hớng sóng ở đây là hớng của thành phần sóng không đều có mật độ năng lợng cao
nhất, nói cách khác, là hớng chính. Vì lực sóng tác động lên kết cấu đang xét không thay đổi lớn khi hớng
sóng thay đổi chỉ một vài độ, có thể chấp nhận trong thiết kế sử dụng hệ phơng vị 16 điểm để đại diện cho
hớng sóng
4.2.2. Phơng thức để có các thông số của sóng tính toán
Đầu tiên, sóng nớc sâu phải xác định theo 4.2.1 Nguyên tắc để xác định sóng nứơc sâu
dùng trong thiết kế . Sau đó, phải đánh giá các biến dạng do khúc xạ, nhiễu xạ, cạn và vỡ.
Cuối cùng các song có các ảnh hởng bất lợi nhất đến kết cấu đang nghiên cứu hoặc các
công trình trong hậu phơng phải đợc dùng làm sóng tính toán.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
Các thông số của sóng tính toán đợc xác định theo phơng thức sau:
(1) Các ảnh hởng của sự biến dạng của sóng nh khúc xạ, nhiễu xạ, cạn và vỡ áp dụng cho sóng nớc sâu xác
định theo 4.2.1 Nguyên tắc xác định sóng nớc 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 nh việc sóng tràn bờ đợc xác định đối với các
sóng có đợc trên đây.
(4) Tuỳ theo các điều kiện khác nhau liên quan đến các hoạt động của sóng, có thể có trờng hợp lực sóng trở
thành lớn nhất khi mực nớc thấp, và do đó, phải tiến hành nghiên cứu cho tất cả các mực nớc có thể nhận
thức đợc.
(5) Việc tính toán trên đợc thực hiện cho mỗi hớng có thể có theo đó sóng nớc sâu có thể tiến vào. Sóng nớc
sâu có tác động lớn nhất hoặc có các ảnh hờng lên kết cấu đang nghiên cứu hoặc các công trình ở hậu
phơng bất lợi nhất đợc chọn làm sóng tính toán.

4.3 Dự báo sóng
4.3.1 Tổng quát
Phải tiến hành dự báo sóng bằng một phơng pháp thích hợp
[Chú giải]
(1) Việc dự báo sóng đợc làm theo hai bớc sau:
(a) Xác định trờng gió


Phn 2 - Chng 4 [2] 3
(b) Tính toán sự phát triển và sự suy yếu dần của sóng
(2) Trờng trong đó sóng đợc sinh ra và phát triển đợc gọi là trờng gió và trờng gió đợc đặc trng bởi bốn
thông số: vận tốc gió, hớng gió, đà gió và thời gian gió thổi. Khi đã xác định đợc trờng gió, phải tính toán
sự phát triển và sự suy giảm của sóng bằng cách sử dụng phơng pháp dự báo thích hợp nhất với các điều
kiện của trờng gió.
[Chỉ dẫn kỹ thuật ]
Trờng gió đợc xác định theo các phơng thức sau:
(a) Thu thập các bản đồ thời tiết và các dữ liệu khí tợng.
(b) Xác định khoảng thời gian dự báo cho mỗi trờng 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 trờng gió.
4.3.2 Dự báo sóng trong vùng phát sinh
Để dự báo sóng trong vùng phát sinh, nên xem các phơng pháp phổ và phơng pháp
sóng có ý nghĩa là các phơng pháp chuẩn.
[Chú giải]
Độ tin cậy của các kết quả của việc dự báo sóng phải đợc xem xét thông qua so sánh với các số liệu đo
sóng.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Các phơng pháp phổ
(a) Tổng quát

Các phơng pháp phổ có thể phân loại thành phơng pháp thành phần phổ đã đợc phát triển bằng cách giả
định rằng các thành phần của phổ cho mỗi tần số và hớng phát triển độc lập cho tới khi đạt đợc trạng thái cân
bằng nào đó, và phơng pháp thông số dựa trên ý đồ rằng sự phát triển và suy giảm cuả một phổ sóng có thể
đợc mô tả bằng một số nhỏ nào đó các thông số. Với phơng pháp trên, sự phát triển sóng đợc mô tả bằng
dòng năng lợng từ gió truyền vào các sóng thành phần làm nên phổ và sự tơng tác phi tuyến yếu giữa các
sóng thành phần. Với phơng pháp sau, sự phát triển sóng đợc xem là kết quả tổng hợp của các ảnh hởng
phi tuyến mạnh và một loại cơ chế đồng dạng đợc giả định cùng với việc đa vào một số ít thông số. Các tính
toán đợc thực hiện bằng cách lập công thức và giải các phơng 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 phơng pháp phổ cha đợc 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 dơng, hiện nay, sẽ là
hợp lý để tin rằng độ chính xác của phơng pháp phổ cũng tơng đơng nh của phơng 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 nh 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
các giá trị quan sát (các ví dụ so sánh nh vậy đợc cho trong sách tham khảo
6) 15)
.Đặc biệt, một dạng phổ
cân bằng đợc quy định làm giới hạn cho sự phát triển của sóng trong các phơng pháp phổ hiện hành. Ngời
ta cho rằng độ chính xác của bản thân phổ giả định ảnh hởng 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 hớng đó là vì chiều cao sóng có ý
nghĩa tỷ lệ với căn bậc hai của tích phân của phổ theo hớng, 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.
Phơng pháp phổ có các lợi ích sau đây so với phơng pháp sóng có ý nghĩa:
(1) Các ảnh hởng của sự thay đổi tốc độ gió và hớng gió đến sự phát triển của sóng đợc mô tả cụ thể
(2) Các kết quả ớc tính gần đúng về chiều cao sóng và chu kỳ sóng có đợc ngay cả khi trờng gió chuyển động
cùng với việc truyền sóng.
(3) Sóng do gió và nớc dâng cùng với các điều kiện của biển có thể đợc tái hiện trong một tính toán.

Phn 2 - Chng 4 [2] 4
Do đó, nếu các kết quả dự báo sử dụng một phơng pháp sóng có ý nghĩa xem ra không đáng tin, nên dự báo lần
nữa bằng phơng pháp phổ. Nhân đây, phơng pháp phổ đã đợc nghiên cứu và phát triển, tập trung chủ yếu vào
nớc sâu .Chỉ có một số ít nghiên cứu liên quan đến sóng nớc nông, cụ thể là Collins, Cavaleri, Golding và
Yamaguchi vv
(b) Chi tiết
Các phơng pháp dự báo sóng bằng phơng pháp phổ đã đợc phát triển bởi nhiều nhà nghiên cứu từ các năm
1960. Các phơng pháp do các nhà nghiên cứu Nhật Bản gồm có mô hình Inoue, mô hình Isozaki và Ujis MRI, và
mô hình Yamaguchi và Tsuchiya. Cơ sở của các mô hình này là phơng trình cân bằng năng lợng sau đây:
=


)(),,,( fCxtfE
t
G

E(f,

,t,x)+

(f,U)+

(f,U)E(F,

,t,x) +F
3
+F
4
+F

5

(4.3.1)
trong đó :
E(f,,t,x) : mật độ năng lợng của phổ sóng hai chiều.
(f, U) : hệ số khuyếch đại tuyến tính trong lý thuyết cộng hởng phillips
(f, U) : hệ số khuyếch đại số mũ trong lý thuyết Miles
F
3
: năng lợng mất đi do sóng vỡ
F
4
: tổng thất năng lợng do ma sát trong khi sóng lan truyền vv
F
5
: sự trao đổi năng lợng do sự tơng tác phi tuyến giữa các sóng thành phần
f, : tần số và góc của sóng thành phần
t: thời gian
x : véc tơ vị trí
C
G
(f) : véc tơ vận tốc nhóm
U : vận tốc gió
: toán tử vi phân
(2) Các phơng pháp sóng có ý nghĩa
(a) Phơng pháp S-M-B
1. Tổng quát
19), 20)

Phơng pháp S-M-B đợc dùng khi trờng gió tĩnh. Chiều cao và chu kỳ của sóng nớc sâu có ý nghĩa

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

+
=
2
2/1
2
2
3/1
004,01
1
130,0
U
gF
U
gH
(4.3.2)

+
=
5
3/1
2

3/1
008,01
1
137,1
2
U
gF
U
gT

(4.3.3)


Phn 2 - Chng 4 [2] 5


==
FF
G
gT
dF
C
dF
t
00
3/1
4/

(4.3.4)
trong đó :

H
1/3
: chiều cao sóng có ý nghĩa (m)
T
1/3
: chu kỳ sóng có ý nghĩa (s)
U : vận tốc gió ở 10 m trên mặt biển (m/s)
F : chiều dài của trờng gió (m)
g : gia tốc trọng trờng (m/s
2
) ( = 9,81 m/s
2
)
t : thời gian tối thiểu (h: giờ)
(2) Xác định chiều dài hữu hiệu của trờng gió.
Khi trờng gió có chiều rộng rất nhỏ so với chiều dài (ví dụ trong một vịnh dài), chiều dài trờng gió đợc xác định
là khoảng cách tới bờ đối diện. Nếu khoảng cách tới bờ đối diện thay đổi lớn khi hớng gió chỉ thay đổi một chút,
nên sử dụng chiều dài hữu hiệu của trờng gió đợc xác định trong phơng trình (4.3.5) khi tiến hành dự báo



=
i
ii
eff
F
F


cos

cos
2
(4.3.5)
trong đó :
F
eff
: chiều dài hữu hiệu của trờng gió (km)
F
i
: khoảng cách tới bờ đối diện theo hớng i (km)

i
: góc

giữa hớng của F
i
và

hớng gió thịnh hành (
o
)

Hình 4.3.1 Biểu đồ dự báo sóng bằng phơng pháp S-M-B
(b) Phơng pháp Willson
Đ
à
g
ió
(
km

)
Tốc độ gió U (m/s)


Phn 2 - Chng 4 [2] 6
Phơng pháp Willson là sự mở rộng của phơng pháp S-M-B. Nó gồm có các sự cải tiến để có thể áp dụng
nó cho cả trờng gió di động, ví dụ trong trờng hợp bão .Sử dụng đồ thị H
1/3
-t- F -T
1/3
cho trong Hình T.4.3.2
sự lan truyền của sóng đợc vạch ra trong mặt phẳng F-T, trong khi sự phát triển của chiều cao sóng có ý
nghĩa và chu kỳ của nó đợc vạch ra trong mặt phẳng H
1/3
t và mặt phẳng T
1/3
t (một cách tơng ứng). Hình
này có đợc bằng tính toán dựa trên các phơng trình (4.3.2), (4.3.3) và (4.3.4)
(c) Dự báo đối với sóng nớc nông
Trong các phơng pháp có xét đến ảnh hởng của chiều sâu nớc tới sự phát triển của sóng (nghĩa là tổn thất
năng lợng do ma sát với đáy biển) có phơng pháp Sakamato Ijima. Đợc 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)

3/13/1
86,3 HT =
(4.3.6)

trong đó :
H

1/3
: chiều cao sóng có ý nghĩa (m)
T
1/3
: chu kỳ sóng có ý nghĩa (s)



Hình T.4.3.2. Đồ thị H
1/3
-t - F - T
1/3

(từ các phơng trình Willson- 1965)

Trong phơng pháp Sakamato-Ijima, ý tởng trong phơng pháp Willson đối với sóng nớc sâu đã đợc đa
vào trờng hợp đối với sóng nớc nôdẫng đến đồ thị H
1/3
-t-F-C
G
nh trong Hình 4.3.3. Sử dụng đồ thị này có
thể tiến hành việc dự báo các sóng nớc nông trong một trờng gió có đà gió thay đổi.


Phn 2 - Chng 4 [2] 7




4.3.3. Dự báo sóng lừng

Khi cần thiết dự báo sóng dâng, phải dùng đến phơng pháp Bretschneider
[Chú giải]
Các phơng pháp dự báo sóng lừng gồm có phơng pháp Bretschneider, phơng pháp P-N-J và các phơng
pháp phổ. Với phơng pháp Bretschneider chiều cao sóng và chu kỳ sóng lừng đợc dự báo từ các thông số của
sóng có ý nghĩa. Với phơng pháp P-N-J các thông số của sóng dâng có đợc bằng cách ớc tính các ảnh
hởng của sự phân tán vận tốc và lan truyền theo hớng của các thành phần phổ. Với phơng pháp phổ nh đã
nói ở trên, sử dụng đến các tính toán bằng số; nói chung, không có sự khác biệt giữa sóng và sóng lừng trong
vùng phát sinh sóng trong việc tính toán đối với các sóng thành phần ở tất cả các tần số khác nhau đợc tiến
hành đồng thời, và kết quả là các thông số sóng có ý nghĩa để kết hợp các sóng do gió và sóng lừng. Nếu sử
dụng một phơng pháp sóng có ý nghĩa để dự báo các sóng trong vùng phát sinh sóng, cần phải dự báo sóng
lừng, trong trờng hợp đó, phải sử dụng phơng pháp Bretschneider, nó tơng đối đơn giản và dễ sử dụng. Tuy
nhiên, chú ý rằng số lợng các dữ liệu quan sát đáng tin cậy đã có đợc đối với sóng lừng là không đủ, do đó độ
chính xác của việc dự báo thấp hơn so với việc dự báo đối với sóng lừng trong vùng phát sinh sóng . Do đó, cần
xem các giá trị dự báo sóng lừng chỉ đại diện cho các giá trị gần đúng ,không hơn, và chỉ sử dụng chúng sau khi
đã tiến hành nghiên cứu so sánh với các dữ liệu đo đạc thực tế.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
Trong phơng pháp Bretschneider, việc dự báo sóng lừng đợc tiến hành bằng cách sử dụng Hình T.4.3.4.
(
A
)
Chú thích : Các số trên đồ
thị chỉ vận tốc gió(m/s) với
chiều sâu nớc (m) trong
ngoặc
Hình T.4.3.3. Đồ thị H
1/3
-t-F-C
G
đối với sóng nớc nông
(Phơng pháp Sakamato-Ijima)

Phn 2 - Chng 4 [2] 8

Hình T.4.3.4. Đồ thị dự báo sóng lừng

Số hạng F
min
trong đồ thị là chiều dài trờng gió tối thiểu, D là khoảng cách suy giảm của sóng dâng, H
F
và T
F
là
chiều cao và chu kỳ của sóng có ý nghĩa ở cuối trờng gió, và H
D
và T
D
là chiều cao và chu kỳ của sóng có ý
nghĩa tại điểm dự báo sóng dâng. Nếu chiều cao và chu kỳ của sóng có ý nghĩa đợc xác định bởi vận tốc gió
và chiều dài trờng gió trong phơng pháp S-M-B, chiều dài tối thiểu của trờng gió F
min
bằng chiều dài trờng
gió thực tế. Nếu sự phát triển của sóng bị chi phối bởi thời gian gió thổi , thì F
min
là chiều dài trờng gió tơng
ứng với thời gian và vận tốc của gió.
Thời gian t cần thiết cho sóng lan truyền trên chiều dài suy giảm D đợc tính từ phơng trình sau:

DGD
gT

D
C
D
t

4
==
(4.3.7)
trong đó :
C
GD
: vận tốc nhóm tơng ứng với T
D
(m/s)
4.4. Xử lý thống kê các dữ liệu quan trắc và sóng đ dự báo
(1) Các đặc trng của sóng đợc biểu thị nh sự phân bố chung của chiều cao sóng và chu kỳ
sóng theo hớng sóng bằng việc sử dụng các dữ liệu sóng hàng tháng, mùa và hàng năm.
(2) Các dữ liệu sóng bão phải đợc phân loại bằng phơng pháp đỉnh trên ngỡng để có
đợc 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 trng phân phối của sóng trong các điều kiện bình thờng đợc biểu thị riêng biệt cho mỗi hớng sóng
nh một sự phân bố chung của chiều cao và chu kỳ sóng. Các dữ liệu quan sát thờng có thể có đợc với
chiều cao và chu kỳ sóng, do đó phải dùng các dữ liệu đó. Nếu không thể có đợc các dữ liệu quan trắc, khi đó


Phn 2 - Chng 4 [2] 9
sử dụng dữ liệu đã dự báo. Vì các sóng trong điều kiện bình thờng thờng bị ảnh hởng bởi gió địa phơng
nên cần có sự hiểu biết đầy đủ các đặc trng của gió địa phơng. Thờng không có nhiều dữ liệu về hớng
sóng , vì vậy phải dự báo. Cần xem xét đầy đủ ảnh hởng 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 đợc một thời gian dài nh vậy, nên thờng phải sử dụng các dữ liệu dự báo
(3) Các sóng đỉnh, các dữ liệu cơ bản để ớc tính chiều cao sóng phản hồi, là sóng (thờng là sóng có ý nghĩa) ở
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 tợng nào đó. Ngời ta cho rằng các sóng đỉnh mẫu độc lập lẫn nhau về ý nghĩa thống kê. Khi ớc tính
chiều cao sóng phản hồi, có thể sử dụng chuỗi thời gian của các dữ liệu có các sóng đỉnh vợt quá một giá trị
ngỡng 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 trờng hợp khác, hàm phân bố lý thuyết của chiều cao
sóng phản hồi không đợc biết, và do đó ta phải thử một số hàm phân bố nh 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 ớc 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 ớc
tính nh vậy phụ thuộc nhiều vào độ tin cậy của các dữ liệu sử dụng hơn là vào phơng 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 phơng pháp dự
báo và kiểm tra chặt chẽ các kết quả dự báo Về chu kỳ sóng tơng ứng với chiều cao sóng phản hồi, quan hệ
giữa chiều cao và chu kỳ sóng đợc lập đồ thị với dữ liệu các sóng đỉnh( đã đợc sử dụng khi ớc tính chiều
cao sóng phản hồi) và sau đó chu kỳ sóng đợc xác định thích đáng dựa trên tơng quan giữa chúng.

(4)
Để kiểm tra chu kỳ sóng cho chiều cao sóng theo một chu kỳ quay lại, thì sự liên quan giữa chiều cao và chu
kỳ sóng đợc 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 đợc 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 đợc sắp xếp lại theo thứ tự thấp dần, và tính xác suất của mỗi
giá trị chiều cao sóng không đợc vợt qua. Nếu có N dữ liệu và chiều cao sóng lớn nhất thứ m đợc biểu thị
bằng x
m,N
, xác suất P để chiều cao sóng không vợt quá x

m,N
đợc tính theo phơng trình sau:

[]


+

=
N
m
xHP
Nm
1
,
(4.4.1)
Bảng T.4.4.1. Các thông số sử dụng trong tính toán xác suất
không vợt quá một chiều cao sóng nào đó
Hàm phân bố

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 và trong phơng trình này phụ thuộc vào hàm phân bố. Đặc biệt các giá trị đợc sử
dụng đợc ghi trong Bảng T.4.4.1. Các giá trị dùng cho phân bố Gumbel đợc xác định bởi Gringorten sao cho
các ảnh hởng của mức độ phân tán thống kê trong các dữ liệu đợc giảm đến tối thiểu. Các giá trị dùng cho
phân bố Weibull đợc xác định bởi Petruaskas và Aagaard cũng cùng nguyên tắc đó.
Đồ thị Thomas thờng đợc dùng trong thuỷ văn tơng ứng với trờng hợp = 0, = 1 và đồ thị Hazen
tơng ứng với trờng hợp = 0,5, = 0.
Hàm phân bố đợc 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 (trờng hợp sau cùng, các dữ liệu phải đợc biến đổi trớc một cách
thích đáng) .Vì các dữ liệu về các chiều cao sóng đỉnh không đợc thu thập trong một khoảng thời gian dài, nên
cha biết rõ hàm phân bố nào là phù hợp nhất.
Theo Petruaskas và Aagaard, chúng tôi giới thiệu phơng pháp mà ngời ta thử tám hàm phân bố, cụ thể
hàm phân bố Gumbel (phơng trình 4.4.2) và hàm phân bố Weibull (phơng 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 đợc lựa chọn
làm hàm phân bố cực hạn cho bộ dữ liệu đó.

Phn 2 - Chng 4 [2] 10

[]



















=
A
expexp
Bx
xHP
(Phân bố Gumbel) (4.4.2)

[]

=
k
A
Bx
xHP
exp1 (Phân bố Weibull) (4.4.3)

Để cho các dữ liệu khớp với hàm phân bố, xác suất không vợt quá (xác suất không vợt quá một chiều cao
sóng nào đó) P đợc chuyển đổi thành biến số r
v
(= (x B)/A) bằng phơng trình (4.4.4) hoặc (4.4.5)
r
v

= - ln {- lnP [H x ]} (Phân bố Gumbel) (4.4.4)
r
v
= [- ln {1 P [H x ]}]
1/k
(Phân bố Weibull) (4.4.5)
Nếu dữ liệu ăn khớp hoàn toàn với phơng trình (4.4.2) hoặc (4.4.3) khi đó có một quan hệ tuyến tính giữa x và
r
v
. Theo đó, dữ liệu đợc cho là tuân theo quan hệ tuyến tính cho trong phơng trình (4.4.6). Thông số A và B
đợc xác định bằng cách sử dụng phơng pháp bình phơng nhỏ nhất, từ đó cho phơng trình để ớc tính chiều
cao sóng phản hồi


BrAx


+=

(4.4.6)
Trong đó Â và
B

là các gía trị ớc tính của các thông số A và B trong phơng trình (4.4.2) hoặc (4.4.3)
Chu kỳ quay lại R
p
của chiều cao sóng H liên quan tới xác suất không vợt quá P(Hx) theo phơng trình sau:

)(1
1

xHPN
K
R
p

=

hoặc : (4.4.7)

p
NR
K
xHP 1)( =

trong đó :
K : Số năm trong thời kỳ tiến hành phân tích
N: số các dữ liệu sóng đỉnh
(2) Hàm phân bố ứng cử và tiêu chuẩn loại trừ
Goda đã kiến nghị phơng pháp sau đây
51)~53)
, nó là một dạng sửa đổi lại của phơng pháp nói trên.
(a) Thêm phân bố loại II Fisher- Tippett vào các phân bố ứng cử
Phân bố loại II Fisher-Tippett đợc cho bởi phơng trình sau:

P[H x] = exp [- {1 + (x B)/ (kA)}
-k
] (4.4.8)
Chín hàm số sau đây đợc sử dụng làm hàm số ứng cử để thử cho khớp: hàm phân bố Gumbel (phơng trình
(4.4.2)), hàm phân bổ Weibull (phơng trình (4.4.3)), với k = 0,75; 1,0; 1,4; và 2,0 (4 giá trị cho trớc) và hàm
phân bổ loại II Fisher-Tippett với k = 2,5; 3,33; 5 và 10 (4 giá trị cho trớc)

Thay vào các giá trị liệt kê trong Bảng T.4.4.1 các phơng trình sau đây đợc dùng đối với và trong phơng
trình (4.4.1)
Với phân bổ Gumbel :
= 0,44 , = 0,12 (4.4.9)
Với phân bố Weibull:


Phn 2 - Chng 4 [2] 11
= 0,20 + 0,27
k
(4.4.10)
= 0,20 + 0,23
k

Với phân bổ loại II Fisher-Tippett:
= 0,44 + 0,52/k
= 0,12 0,11/k (4.4.11)
(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
d của hệ số tơng quan cho mỗi hàm số phân bố, mức xác suất không vợt quá 95% đợc xác định trớc.
Nếu phần d của hệ số tơng quan vợt quá gía trị ngỡng 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 đợc 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 đợc
chọn không đơn giản theo giá trị của hệ số tơng quan, mà còn phải theo tiêu chuẩn MIR. Tiêu chuẩn này xét
đến vấn đề là số trung bình của phần d của hệ số tơng quan liên quan tới 1,0 sẽ thay đổi theo hàm phân bố.
Hàm mà tỷ số của phần d của hệ số tơng quan của mẫu và phần d trung bình đối với hàm phân bố thích
hợp là thấp nhất thì đợc 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 đợc 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 nớc sâu vào bờ, gồm có nhiễu xạ, khúc xạ, cạn, vỡ v.v
4.5.2. Khúc xạ sóng
Hiện tợng sóng khúc xạ xẩy ra ở vùng nớc có độ sâu trung gian tới vùng nớc nông. Đó là do
sự thay đổi trong vận tốc cục bộ của sóng do sự thay đổi về chiều sâu nớc. Phải xét đến các
sự thay đổi về chiều cao sóng và hớng sóng do khúc xạ.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Tính toán khúc xạ đối với sóng ổn định
(a) HIện tợng khúc xạ và hệ số khúc xạ (xem Hình T.4.5.1)
Nếu sóng đi tới một đờng ranh giới thẳng theo chiều xiên, tại đó chiều sâu nớc thay đổi từ h
1
sang h
2
, các
sóng sẽ bị khúc xạ tại đờng biên đó do sự thay đổi vận tốc sóng gây ra bởi chiều sâu nớc thay đổi. Giả dụ
kết quả là khoảng cách giữa các tia sóng thay đổi từ b
1
sang b
2
. Nếu sự thay đổi trong bề rộng tia sóng không
quá lớn, có thể giả định không có dòng năng lợng sóng nào cắt ngang qua tia sóng và chảy ra ngoài. Nếu
các nguồn tổn thất năng lợng khác ví nh ma sát dọc theo đáy biển đợc bỏ qua, khi đó tính liên tục trong
dòng vận tải năng lợng dẫn đến sự thay đổi chiều cao sóng H
1
ở độ sâu nớc h
1
thành chiều cao sóng H

2
ở
độ sâu nớc h
2
nh đợc cho trong phơng trình sau đây:

2
1
2
1
1
2
b
b
C
C
H
H
G
G
=
(4.5.1)
trong đó :
C
G1
, C
G2
: vận tốc nhóm ở độ sâu nớc h
1
và h

2
(m/s)
b
1,
b
2
: khoảng cách giữa các tia sóng ở độ sâu nớc h
1
và h
2
(m)
Trong phơng trình,
21
/ bb đại diện cho sự thay đổi chiều cao sóng do khúc xạ, trong khi
21
/
GG
CC

đại diện
cho sự thay đổi chiều cao sóng do thay đổi chiều sâu nớc. Sử dụng hệ số cạn (xem 4.5.5 Sóng cạn),
Chiều
sâu
nớc h
1
Chiều sâu
nớc h


Phn 2 - Chng 4 [2] 12

21
/
GG
CC
có thể đại diện bằng
21
/
GG
CC
= K
s2
/K
s1
. Trong đó K
s1
và K
s2
là các hệ số cạn ở chiều sâu nớc h
1

và h
2
.
Giả dụ bề rộng tia sóng là b
o
đối với sóng nớc sâu, thay đổi thành b do hiện tợng khúc xạ. Tỷ số chiều cao
sóng sau khi thay đổi với chiều cao sóng ban đầu trong trờng hợp này đợc gọi là hệ số khúc xạ. Hệ số khúc xạ
K
r
đợc cho bởi phơng trình sau:

bbK /
01
= (4.5.2)
(b) Phơng pháp tính khúc xạ
Phơng pháp tính khúc xạ đối với sóng ổn định bao gồm các phơng pháp tia sóng trong đó các tính toán có thể
làm đợc với việc sử dụng máy tính và phơng pháp phân tích sự lan truyền của sóng bằng số trong đó các phơng
trình sóng bề mặt đợc giải bằng máy tính có sử dụng các sơ đồ sai phân hữu hạn. Cần chọn một phơng pháp
tính toán thích hợp phù hợp với vị trí.
Tuy nhiên, chú ý rằng với một đờng bờ các đờng đồng sâu thẳng và song song với nhau, sự thay đổi về
hớng sóng và hệ số khúc xạ có thể tính đợc theo phơng trình sau:

L
h


2
tanhsinsin
0
= (4.5.3)



cos
cos
0
=
r
K
(4.5.4)
ở đây, L, và

o
là chiều dài sóng ở độ sâu nớc h, góc tới của sóng ở độ sâu nớc h và góc tới của sóng ở nớc
sâu (tơng ứng). Hình T.4.5.2 và T.4.5.3 cho hệ số khúc xạ và hớng sóng, bằng cách sử dụng tơng ứng các
phơng 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 đờng 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 hớng và dải tần số hẹp, ví dụ, sóng loại sóng dâng
và sóng thần. Với các sóng nh sóng do gió có nhiều sự lan toả theo hớng 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 hớng sóng đối với sóng ổn định và sóng không ổn định ở một bờ biển có các đờng đồng sâu thẳng và
song song nhau, ngời ta có thể thấy chỉ có sự khác nhau nhỏ giữa sóng ổn định và sóng không ổn định trong
trờng hợp này. Điều đó có nghĩa là khi địa hình của một bờ biển đơn điệu trong phạm vi mà các đờng đồng
sâu đợc xem là thẳng và song song với đờng bờ, sự khác nhau giữa các kết quả tính toàn khúc xạ đối với
sóng ổn định và sóng không ổn định thờng rất nhỏ, do đó các kết quả tính toán khúc xạ sử dụng sóng ổn định
có thể dùng làm kết quả gần đúng.



Phn 2 - Chng 4 [2] 13

Hình T.4.5.3. Đồ thị cho thấy sự thay đổi về hớng sóng của
sóng ổn định ở bờ biển có đờng sóng sâu thẳng và song song.
(3) Tính khúc xạ cho sóng không ổn định
(a) Phơng pháp tính toán
Các phơng pháp tính toán khúc xạ đối với sóng không ổn định bao gồm các phơng pháp sau: 1) phơng pháp
sóng thành phần, trong đó phổ sóng theo hớng đợc chia ra một số thích hợp các sóng thành phần, tính toán
khúc xạ cho mỗi loại sóng thành phần và hệ số khúc xạ đối với sóng không ổn định đợc tính bằng cách lấy bình
quân gia quyền các năng lợng sóng thành phần; 2) phơng pháp trong đó phơng trình cân bằng năng lợng

sóng hoặc phơng trình sóng độ dốc thoải đợc giải trực tiếp bằng máy tính với các sơ đồ sai phân hữu hạn. Về
phơng pháp sóng thành phần, phơng trình cân bằng năng lợng đợc tìm ra bằng cách giả định năng lợng sóng
không cắt qua các tia sóng và chảy đi. Điều đó có nghĩa là kỹ thuật về cơ bản nh nhau trong cả hai trờng hợp.
Tuy nhiên, với phơng pháp phơng trình cân bằng năng lợng, khúc xạ đợc tính trong một vùng nhỏ nhng hữu
hạn, có nghĩa là hệ số khúc xạ không trở thành vô hạn ngay cả tại một điểm có thể có hai tia sóng ổn định hội tụ.
Mặt khác, phơng pháp phơng trình sóng độ dốc thoải phải là một phơng pháp giải tích chặt chẽ, nhng khó áp
dụng cho 1 vùng rộng khi xác định hệ số khúc xạ đối với sóng không ổn định, chấp nhận việc sử dụng phơng
pháp sóng thành phần, phơng pháp này hàm ý có sự xếp chồng tuyến tính các hệ số khúc xạ đối với sóng ổn định
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 phơng pháp cân bằng năng lợng đối với các mục đích thực tế, trừ khi
mức độ giao nhau lớn.

(b) ảnh hởng của nhiễu xạ
Khi sóng n
ớc sâu bị nhiễu xạ bởi 1 đảo hoặc 1 mũi đất, phổ sóng thờng 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 đờng đồng sâu thẳng, song song.
Hình T.4.5.4 và T.4.5.5 cho thấy hệ số khúc xạ K
r
và hớng sóng chính
p
(tơng ứng) đối với sóng không ổn
định tại một bờ có đờng đồng sâu thẳng và song song, với hớng chính của sóng nớc sâu (
p
)
o
làm thông
số. Hớng (
p
)

o
đợc biểu thị là góc giữa hớng sóng và đờng pháp tuyến với đờng ranh giới của nớc sâu.
S
max
là giá trị cực đại của thông số biểu thị mức độ truyền theo hớng của năng lợng sóng (xem 4.1.3 [3] Phổ
sóng)