Kỹ thuật biển ( dịch bởi Đinh Văn Ưu ) - Tập 1 Nhập môn về công trình bờ - Phần 4 pdf

64





11 áp dụng các đặc trng thống kê của sóng
E.W. Bijker, W.W. Massie
11.1 Mở đầu
Các thông tin cung cấp trong chơng trớc đủ đáp ứng cho những ngời chỉ
quan tâm tới các số liệu cô đọng về sóng. Đối với chúng ta, những kỹ s, điều cần
thiết là ở phần ứng dụng các thông tin đó cho việc thiết kế.
Trong chơng này sẽ đa ra hai sự khác biệt giữa hai loại tình huống tơng
tự với các cách tiếp cận khác nhau trên quan điểm thống kê.
Trong loại thứ nhất, độ bền vững của một công trình có thể đợc đánh giá
thông qua một đặc trng thống kê nào đó của sóng, ví dụ H
sig
, độ cao sóng đặc
trng. Nh vậy nếu có yêu cầu triển khai mô hình vật lý hay mô hình toán chỉ
cần sử dụng phân bố Rayleigh đầy đủ căn cứ vào tham số đã chọn.
Một ví dụ dạng này có thể gắn liền với cấu trúc phá sóng mềm. Khi cấu trúc
đợc thử nghiệm trên mô hình vật lý, cần tái tạo toàn bộ phân bố Rayleigh đối với
độ cao sóng. Mặt khác, nếu sử dụng mô hình toán, các đặc trng sóng đã đợc kể
đến trong các công thức của mô hình. Ví dụ có thể đa ra công thức đối với từng
loại đê phá sóng.
Loại vấn đề này thờng dễ thiết lập. Xác suất xuất hiện của tham số thiết kế
thu đợc trực tiếp từ phân bố dài hạn độ cao sóng. Do loại vấn đề này sẽ đợc xem
xét kỹ trong các phần về thiết kế các công trình phá sóng chúng ta sẽ không xem
xét tiếp ở đây.

Trong loại vấn đề thứ hai, cấu trúc đợc thiết kế dựa trên cơ sở sóng đơn.
Mục đích của chơng này là xác định xác suất vợt qua của độ cao sóng thiết kế
cho trớc. Làm thế nào để thu đợc kết quả, nếu ta không muốn thiết kế cấu trúc
đáp ứng đối với sóng cao nhất. Điều này không thể đợc, vì căn cứ vào các phân
bố độ cao sóng trớc đây thì đối với độ cao bất kỳ nào của sóng lựa chọn, đều có
một phần trăm nhất định sẽ bị vợt qua. Một số rủi ro nào đó cần phải chấp
nhận. Vấn đề ở đây là xác định giới hạn cho phép của rủi ro đó, đó là mục đích
của chơng 13. Nhiệm vụ của chúng ta bây giờ là xác định khả năng một độ cao
sóng cho trớc sẽ bị vợt qua trong một khoảng thời gian cho trớc. Đối với nhiều
bài toán nh độ cao mặt bằng của một công trình ngoài khơi, thì số lần sóng ngập
không quan trọng, chỉ cần một lần đỉnh sóng đi qua thì công trình đã bị hỏng.


65
Đối với một loạt các bài toán khác, thì vấn đề kéo dài của sóng ngập lại quan
trọng. Ví dụ các đặc trng thống kê của chuyển động tàu theo phơng thẳng đứng
rất quan trọng cho việc xác định độ sâu lạch tàu. Thông thờng ngời ta quan
tâm nhiều tới vấn đề nếu có hàng chục tàu bị gặp khó khăn khi đi trong kênh hơn
là chỉ xẩy ra đối với một tàu duy nhất.
Bài toán về độ cao mặt bằng của công trình không phức tạp bằng đối với độ
sâu lạch tàu. Bài toán thứ nhất sẽ đợc đề cập tới trong phần tiếp của chơng
này, còn bài toán lạch tàu sẽ đợc xem xét kỹ trong tập II.
11.2 Đặt vấn đề và cách tiếp cận
Tiêu đề của bài toán đó là: với khả năng bao nhiêu khi độ cao sóng thiết kế
đã chọn, H
d
, sẽ bị vợt một hoặc nhiều lần trong thời gian tồn tại, l, của cấu
trúc? Khả năng này sẽ bằng tổng các khả năng rằng H
d
sẽ bị vợt n lần với n > 1.

Tổng này thờng rất khó đợc xác định. Sử dụng tính chất của xác suất: khả
năng xẩy ra + khả năng không xẩy ra = 1, cho rằng chúng ta muốn xác định khả
năng xẩy ra thì từ tính chất vừa nêu ta có thể đánh giá thông qua khả năng
không bao giờ xẩy ra; điều này sẽ đợc đề cập thờng xuyên trong các phần tiếp
theo.
Mỗi cơn bão xuất hiện có thể đợc đặc trng bởi giá trị cho trớc của H
sig
, độ
cao sóng đặc trng. Độ cao sóng này đặc trng cho một chuỗi N sóng tác động lên
công trình khi có bão. Số N sóng này đợc phân bố theo phân bố Rayleigh. Phân
bố đợc đặc trng bởi một tham số duy nhất là H
sig
.
Có thể cho rằng độ cao sóng đặc trng tuân theo phân bố tần số dài hạn
tơng tự thể hiện trên hình vẽ 10.3 trong chơng trớc.
11.3 Phép xử lý số
Trớc hết cho phép bàn luận về cách xác định N liên quan tới giá trị riêng
của H
sig
. Đôi khi, giá trị của N đợc đánh giá từ các băng ghi sóng trong quá trình
phân tích để xác định H
sig
, v.v Một cách lựa chọn khác là chia khoảng bão bằng
chính chu kỳ sóng đặc trng rút ra trong khi giảm độ dài chuỗi số liệu. Trong mọi
trờng hợp, N đợc biết tơng ứng với mỗi giá trị H
sig
.
Trớc hết, cho rằng một cơn bão chứa N sóng đợc đặc trng bởi H
sig
. Chúng

ta chọn một giá trị độ cao sóng thiết kế bất kỳ H
d
. Khả năng mà độ cao H
d
vợt
quá bất kỳ sóng nào sẽ là:
2
2
)(










sig
H
d
H
d
eHp

(11.01)

Khả năng sóng này không bị vợt qua sẽ là:
1 p(H

d
) (11.02)






66
Khả năng sóng này không vợt qua một loạt N sóng sẽ:
[1 p(H
d
)]
N
(11.03)

Cuối cùng, khả năng rằng độ cao sóng này, H
d
, vợt qua cơn bão chứa N sóng
sẽ:
E
1
= 1 - [1 p(H
d
)]
N
(11.04)

Nh một khả năng lựa chọn khác, một số ngời muốn sử dụng xấp xỉ Poisson
để xác định E

1
. Khi mà P(H
d
) còn nhỏ (thông thờng đối với vấn đề của chúng ta)
thì sự khác nhau ở đây không đáng kể. Trong trờng hợp đó:
)(
1
1
d
HNP
eE



(11.05)

Bớc tiếp theo là kết hợp khả năng này, E
1
, với khả năng rằng giá trị H
sig
đã
sử dụng trên đây cũng xuất hiện. Khả năng H
sig
xuất hiện có thể lấy từ phân bố
dài hạn của độ cao sóng đặc trng. Các giá trị đa ra trên đồ thị hình 10.3 cho ta
thông tin về khả năng một giá trị cho trớc của độ cao H
sig
bị vợt qua. Chúng ta
cần xác định gần đúng khả năng H
sig

xuất hiện. Giá trị này, p(H
sig
), co thể xem
nh khả năng độ cao sóng, H
sig
- H
sig
, bị vợt qua trừ đi khả năng độ cao H
sig
+
H
sig
bị vợt qua:
p(H
sig
) = P(H
sig
- H
sig
) P(H
sig
+ H
sig
) (11.06)


p(H
sig
) là khả năng H
sig

nằm trong khoảng :


(H
sig
+ H
sig
) > H
sig
> (H
sig
- H
sig
)
(11.07)

Khoảng này có độ rộng bằng 2H
sig
đợc đặc trng bởi giá trị nằm giữa
chúng. Thông thờng, giá trị p(H
sig
) phụ thuộc vào giá trị đã chọn cho H
sig
. Mối
phụ thuộc này sẽ không còn đáng kể và đạt giá trị rất nhỏ nh đợc trình bày
trong phần cuối mục này. Nh một hớng đơn giản, có thể chọn H
sig
sao cho giá
trị E
1

tính theo (11.05) không biến đổi nhiều nếu H
sig
H
sig
đợc sử dụng. Giá trị
H
sig
vào khoảng 0,5 m.
Nh vậy khả năng giá trị đã chọn H
sig
sử dụng trong tính toán E
1
trên đây đã
đợc xác định, chúng ta có thể xác định khả năng H
d
xuất hiện trong một chu kỳ
bão bất kỳ.
E
2
= p(H
sig
) E
1

(11.08)
Tuy nhiên, đây chỉ mới là bớc mở đầu của việc giải bài toán. Rất có khả
năng rằng H
d
sẽ xuất hiện trong một trờng sóng khác đợc đặc trng bởi giá trị
H

sig
khác hoàn toàn nằm ngoài khoảng mô tả trong (11.7) mà chúng ta đã sử dụng
cho đến bây giờ. Bởi vì giá trị mới của H
sig
sẽ đợc sử dụng để thể hiện cho điều
kiện bão khác, một giá trị E
1
khác cũng cần đợc tính mới. Để mang tính liên tục,
chúng ta đa thêm một chỉ số khác, i, đặc trng cho giá trị đã chọn H
sig
đối với cả
E
1
lẫn E
2
. Phơng trình 10.8 bây giờ có dạng:
E
2i
= p(H
sig i
) E
1i
(11.09)

trong lý thuyết chúng ta có thể chọn các giá trị H
sig
đủ bao quất toàn bộ
khoảng độ cao sóng bão từ 0 cho đến độ cao sóng tối đa. Số lợng các khoảng
đó, N, sẽ phụ thuộc vào giá trị của H
sig

đã chọn trớc đây. Khi H
sig
tăng N sẽ


67
giảm về giá trị một vài E
2i
. Trong thực tế, nh sẽ đợc trình bày trong mục 11.4
không phải lúc nào cũng cần chọn các giá trị H
sigi
trên toàn khoảng biến đổi độ
cao sóng. Đối với giá trị H
d
cho trớc- nó sẽ trở nên hằng số cho toàn bộ bài toán-
sẽ thấy rằng E
1
tăng lên cả trong khi p(H
sigi
) giảm lẫn trong khi H
sigi
tăng. Kết
quả cho E
2 i
nhỏ cả trong khi H
sigi
đạt tới hạn, cũng nh khi giá trị E
2 i
trở nên rất
nhỏ, vì thế không cần thiết phải tính toán đối với các giá trị H

sig
rất lớn và rất bé.
Kết quả này sẽ đợc trao đổi tiếp cùng với ví dụ trong mục 11.4.
Vì mỗi một cơn bão chỉ đợc đặc trng bởi một giá trị H
sigi
, hai cơn bão khác
nhau không thể cùng xuất hiện đồng thời; các giá trị H
sigi
có thể nh nhau, nhng
sẽ tơng ứng với các giá trị p(H
sigi
) khác nhau. Tổng của tất cả giá trị có thể của
p(H
sigi
) cần phải bằng 1.
Khả năng độ cao sóng thiết kế, H
d
, bị vợt quá ít nhất một lần trong một chu
kỳ bão sẽ là:



'
1
23
N
i
i
EE

(11.10)

Dựa vào các phân tích trên đây, khả năng sóng thiết kế không bị vợt sẽ là:
1 - E
3
(11.11)

Hơn nữa, chúng ta biết (chơng 10) rằng mỗi năm có thể có M cơn bão, và
công trình của chúng ta có tuổi thọ l năm, thì cấu trúc chịu M
l
cơn bão tác động
đến. Khả năng rằng H
d
không bị vợt qua trong suốt l năm sẽ là:


l
M
E
3
1

(11.12)

và cuối cùng khả năng rằng độ cao sóng thiết kế H
d
bị vợt qua tối thiểu một
lần trong suốt quãng tồn tại của cấu trúc sẽ là:

l
M
d
EHp
3
11)(

(11.13)

Đây là mục tiêu hiện nay của chúng ta. Tất nhiên nếu chúng ta tìm thấy giá
trị p(H
d
) không mong muốn lớn quá hoặc nhỏ quá- thì công việc duy nhất đó là
chọn (đoán) một giá trị khác của H
d
và lặp lại toàn bộ quy trình xem mục 11.6.
Quy trình này có thể tiến hành thông qua dạng bảng đợc tiến hành đối với một
giá trị H
d
trong mục tiếp theo.
11.4 Ví dụ
Xác định khả năng độ cao sóng thiết kế H
d
, có giá trị 30 mét, xuất hiện ít
nhất một lần trong khoảng tồn tại, l, bằng 25 năm, đối với công trình trên Biển
Bắc gần Dunlin. Các giá trị độ cao sóng và thời gian tồn tại đợc lấy theo giá trị
phổ biến cho Biển Bắc.
Chúng ta chọn H
sig
bằng 0,5 mét và chọn các giá trị H

sig
giá trị nguyên nh
trên cột 1 bảng 11.1. Cần thấy rằng các khoảng giới hạn (cột 2) đúng tại điểm nửa
mét ngoại trừ phần cuối của bảng.





68
Các giá trị p(H
sig
) trong cột 3 đợc lấy ra từ đồ thị hình 10.3 và p(H
sig
) cột 4-
là hiệu giữa các giá trị kề nhau trong cột 3.
Các giá trị chu kỳ sóng trung bình, T, đa ra trong cột 5 đợc xác định dựa
vào phơng trình 10.13 và giá trị cho trớc đối với H
sig
trong cột 1. Nếu nh bất
kỳ giá trị chu kỳ nào trong cột 5 quá nhỏ sẽ dẫn tới kết thúc vì P(H
sig
) hơi lớn.
Ngời đọc có thể kiểm tra điều này. Giá trị của N dựa vào công thức:
T
N
36006


(11.14)

và đợc thể hiện trên cột 6.
Khi các giá trị H
sigi
(cột 1), H
d
= 30 m, và N (cột 6) đã biết, P(H
d
) và tiếp đến
E
1
có thể tính theo 11.01 và 11.04 tơng ứng. Các giá trị đợc thể hiện trên các
cột 7 và 8. E
2 i
tính theo 11.09 đợc thể hiện trên cột 9. Tổng cột này cho ta
E
3
= 81,59 x 10
-6
(11.15)


Bảng 11.1. Tính toán xác suất độ cao sóng thiết kế (trích)
Khu vực bắc Biển Bắc, H
d
=30 m, l =25 năm
H
sig

khoảng

giới hạn
p(H
sig
) p(H
sig
)

T
N p(H
d
) E
l
E
2j

m m - - s - - - -
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)

0

1,000







1

0,21

3,94

5480

0,00

0,00

0,00

2

1.5

0,79

0,32

5,11

4230

0,00

0,00

0,00

3

2.5

0,47

0,20

5,96

3620

1,30.10
-87

0,00

0,00

4

3,5

0,27

0,137

6,64

3250

1,39.10
-49

0,00

0,00



















20

19,5

10
-6

1,6.10
-6

12,15

1780

11,1.10
-3

1,000

1,6.10
-6



0,00

= 1,000


E
3
= E
2i

= 81,59.10
-6


Với M = 1460 (bão kéo dài 6 giờ nh trên hình 10.3) và l = 25 năm, có thể tính
theo 11.13 với kết quả
p(H
d
) = 0,949 (11.16)





69
hay ta có khoảng 95% khả năng trong suốt 25 năm tối thiểu một lần sóng
vợt qua 30 mét trên Biển Bắc. Điều này cho thấy khả năng quá cao đối với điều
kiện sóng thiết kế. Một phần nguyên nhân đóng góp cho giá trị cao đó là chu kỳ
sóng nhỏ dẫn đến các giá trị lớn của N và từ đó E

1
. Cơ sở lý luận cho việc xác định
các giá trị có thể chấp nhận đợc đối với điều kiện thiết kế sẽ đợc trình bày
trong chơng 13.
Có thể thấy từ bảng 11.1 rằng, trong trờng hợp đó, các tính toán đối với sóng
H
sig
8 m không đóng góp gì vào giá trị E
2i
. Nh vậy việc tính toán này có thể bỏ
qua. Phần cuối khác của bảng cho thấy các tính toán dừng lại trong khoảng từ
19,5 m đến , đợc đặc trng bởi H
sig
= 20 m. Trong trờng hợp đó, vì E
1
= 1,000
và giữ nguyên cho các giá trị H
sig
cao hơn, các giá trị E
2 i
giống hoàn toàn p(H
sig
).
Nếu nh có nhiều khoảng trên H
sig
= 20 m đợc sử dụng cho tính tổng các giá trị
p(H
sig
) và E
2i

sẽ giữ nguyên.
Các tính toán theo bảng thờng cho kết quả khá tốt; đôi khi cũng có yêu cầu
các máy tính số (dạng máy tính bỏ túi là đủ). Sau này, nếu muốn giảm các sai số
do phép làm tròn số, nên tiến hành tính toán các cột 7, 8 và 9 cũng nh tổng E
3

thông qua các biểu đồ có sẵn trên máy tính. Điều đó đã đợc dẫn ra trong bảng
khi không làm tròn số trong quá trình tính.
11.5 Phơng hớng phát triển
Những luận điểm cơ bản trong các phần trên có thể đợc củng cố và phát
triển. Một số thí dụ đã cho thấy khả năng đó. Chẳng hạn việc phân tích khả năng
biến đổi của độ thoáng đáy tàu trong lạch. Những phát triển mới nhất của luận
điểm này thể hiện qua sự kết hợp thông tin về môi trờng và các đặc trng thống
kê khác với những thông tin thống kê về vật liệu xây dựng và chất lợng của công
nhân dẫn đến khả năng công trình bị hỏng. Chủ đề tổng thể này sẽ đợc đề cập
đến trong các giáo trình về thiết kế thống kê và không đợc trình bày ở đây.
Trớc khi kết thúc loại vấn đề này, cũng cần nhắc lại rằng phơng pháp đã
sử dụng chứa đựng rất nhiều phép đơn giản hoá. Trong một số vấn đề, ví dụ lực
tác động sóng thiết kế hoặc vận chuyển cát trên bãi biển, các điều kiện tổng hợp
phụ thuộc chủ yếu vào chu kỳ sóng và hớng sóng cũng nh độ cao sóng. Điều
này có thể trở nên quan trọng khi xét thời gian hiện diện của sóng độ cao một
mét trong cả chuỗi sóng lừng kéo dài hay một đoạn ngắn sóng lăn tăn. Phụ thêm
các kiến thức trình bày trong mục 11.3 là các số liệu về hớng và chu kỳ chi tiết
của sóng, nhng trong khuôn khổ quyển sách này chúng ta sẽ không xem xét đến.
11.6 Vấn đề tiếp cận nghịch đảo
Phơng pháp trình bày trong mục 11.3 cho phép xác định khả năng rằng độ
cao sóng thiết kế cho trớc, H
d
, bị vợt qua trong khoảng tồn tại, l, của công
trình. Vấn đề ngợc lại có thể là: Độ cao sóng, H

d
, nào sẽ xuất hiện với khả năng
cho trớc, p(H
d
), sẽ bị vợt trong khoảng tồn tại, l, của công trình? Vấn đề nghịch
đảo này không thể giải trực tiếp đợc. Quay trở về mục 11.3, ta có thể dễ dàng
giải phơng trình 11.3 đối với E
3
, nhng phơng trình 11.10 không thể giải đợc.


70
Không một giá trị nào của E
2i
có thể biết đợc, vì vậy cách giải ngợc này không
thể có.
Trong thực tế, ngời ta có thể tiến hành tính toán cho toàn bộ chuỗi của các
giá trị H
d
nh trình bày trong mục 11.3 . Kết quả cho phép thiết lập tơng quan
giữa p(H
d
) và H
d
. Tơng quan này có thể xây dựng thành đồ thị cho phép nội
ngoại suy dễ dàng.
11.7 Vấn đề thứ hai
Một loại vấn đề hoàn toàn khác có thể xuất hiện trong thực tế. Theo các quy
trình thiết kế ngời ta có thể chỉ ra rằng công trình đợc thiết kế đối với sóng tối
đa xuất hiện trong bão với khả năng vợt qua cho trớc. Có thể viết điều đó nh

sau: Thiết kế cho sóng cực đại trong bão 100 năm.
Trên cơ sở các hiểu biết của chúng ta có thể nói rằng không thể bàn luận đợc
về sóng cực đại, nó chỉ có nghĩa gây rắc rối đối với các kỹ s và vụ lợi đối với các
luật gia.
Là kỹ s, chúng ta có hai cách tiếp cận. Thứ nhất, chúng ta có thể, không qua
con đờng trực tiếp, xác định độ cao sóng, H
d
, có một khả năng vợt qua, E
l
, trong
một cơn bão cụ thể nào đó với khả năng vợt qua cho trớc. Chúng ta có thể tìm
đợc H
d
tơng ứng khả năng vợt qua, ví dụ, 1/1000 trong bão 100 năm tại Biển
Bắc. Khái niệm bão 100 năm sẽ đợc phân tích trên cơ sở mục 10.3. Với R bằng
100 năm thì f sẽ bằng 1/100 với 1460 bão có khả năng xuất hiện trong một năm:
6
10849,6
)100)(1460(
1
)(


sig
Hp

(11.17)

Sử dụng kết quả đồ thị hình 10.3, ta có:

H
sig
= 17,6 m (11.18)

và, sử dụng (10.14):

T =11.58 s (11.19)

sẽ thu đợc thông qua (11.14)

N = 1860 (11.20)


Biết rằng E
1
ở đây bằng 1/100, ta có thể xác định p(H
d
) bằng cách giải
phơng trình 11.04:

N
d
EHp
1
1
11)(

(11.21)

hay khi thay thế các giá trị

6
1860
1
10538,0
1000
1
11)(









d
Hp

(11.22)

Phơng trình 10.01 có thể giải đối với H
d
:

)(ln
2
1
dsigd

HPHH

(11.23)

Cuối cùng thu đợc:


71
H
d
= 47,3 mét.
Cách tiếp cận thứ hai dựa vào tính toán cực đại độ cao sóng có thể có trong
cơn bão thiết kế đã chọn. Điều tốt nhất và cũng là khó nhất là cần sử dụng các
chuỗi đo sóng dài ngày với bớc cho trớc( ví dụ 6 giờ), đối với mỗi chuỗi đợc đặc
trng bởi giá trị lựa chọn H
sig
. Mỗi chuỗi sẽ bao gồm một số sóng nhất định, chẳng
hạn N. Nếu ta có các chuỗi nh vậy thì chỉ cần lấy các giá trị sóng cực đại của các
chuỗi và tiến hành phân tích thống kê. Độ cao sóng cực đại có khả năng nhất có
thể lấy theo mật độ xác suất cao nhất của mẫu phân tích. Nếu nh các chuỗi số
liệu sóng đều tuân thủ phân bố Rayleigh thì vấn đề có thể giải quyết bằng
phơng pháp lý thuyết. Kết quả sẽ là:
NHH
sigd
ln
2
1


(11.24)

Sử dụng phơng trình này và các số liệu đã có trên đây, ta thu đợc:
15,34)1840ln(6,17
2
1

d
H
m
(11.25)

Bằng cách này, cũng thu đợc kết quả tơng tự nếu nh thay P(H
d
) = 1/N vào
phơng trình 11.01.



72
12 Số liệu sóng
W.W. Massie
12.1 Mở đầu
Trong các chơng 10 và 11 chúng ta đã sử dụng số liệu độ cao sóng mà không
đề cập nhiều đến phơng pháp thu thập các số liệu đó. Trong chơng này chúng
ta trình bày một cách ngắn gọn bằng cách nào để có đợc các thông tin cần thiết
này.
12.2 Các số liệu hiện có
Các cơ quan nhà nớc tại nhiều nớc đã tập hợp đợc số liệu sóng và dòng
chảy tại một số khu vực thuộc chủ quyền của mình. Một số trong đó đã đợc công
bố, một phần lớn đợc cung cấp theo yêu cầu, và cũng có một số đợc giữ bí mật.

Tập tài liệu của Dorrestein (1967) là một trong những công bố tốt nhất. Các
thông tin đợc cung cấp trong dạng bảng số.
Nhìn chung loại thông tin cần thiết trên đợc lu trữ tại các cơ quan quản lý
thời tiết và thuỷ văn quy mô quốc gia. Trên quy mô địa phơng các quan trắc
thờng phục vụ cho công tác thiết kế vì vậy chúng đợc lu trữ tại các cơ quan
nh các công ty hoặc sở.
Một số cơ quan thuỷ văn lớn có các số liệu gió, sóng và dòng chảy trên phạm
vi lớn, toàn cầu. Có lẽ nơi có khả năng cung cấp số liệu lớn nhất quy mô toàn cầu
thuộc Hải quân Liên Hiệp Vơng quốc Anh. Cơ quan thuỷ văn Hải quân Hoa kỳ
cũng có một tập hợp số liệu đáng kể.
12.3 Chơng trình đo đạc
Tuy nhiên vẫn có những vùng biển hầu nh không có số liệu. Vậy chúng ta
cần làm gì? Tất nhiên trong điều kiện có tiền và thời gian thì cần tiến hành
chơng trình đo đạc. Độ kéo dài của chơng trình đo đạc cũng khác nhau. Trong
một số trờng hợp chu kỳ quan trắc có thể kéo dài phụ thuộc vào mối tơng quan
đồng thời giữa số liệu đo tại khu vực với chuỗi số liệu dài ngày tại một vị trí gần
đó. Chuỗi số liệu không nên chỉ giới hạn đo đạc sóng, mà trong trờng hợp có thể
nên tìm mối tơng quan với số liệu gió.
Có nhiều loại dụng cụ, máy móc đo độ cao sóng. Một số dựa vào đo trực tiếp
mực nớc biển, số khác đo gia tốc mặt nớc theo phơng thẳng đứng. Loại thứ ba
đo dạc chênh lệch áp suất tại một điểm nào đó trong nớc. Chúng ta sẽ không đi
sâu vào các thiết bị đo đạc đó.


73
12.4 Sử dụng các số liệu thay thế
Nhiều khi có thể tính toán số liệu sóng theo thông tin khi tợng. Những dạng
số liệu này có thể lấy từ các tàu thuyền và đợc công bố trong dạng các tập bản đồ
chuyên về gió hay áp suất. Các số liệu gió có thể sử dụng trong các công nghệ dự
báo sóng.

Có phải lúc nào cũng có mối tơng quan giữa sóng và gió? Không hoàn toàn
nh vậy, vì vẫn có lúc sóng tồn tại không có gió (sóng lừng) và gió không tạo ra
sóng (khi gió thổi từ bờ ra không tạo ra sóng lớn).
Làm thế nào để có số liệu sóng từ số liệu áp? Gió thờng đợc dự báo theo
gradient áp suất. Sự cân bằng giữa lực gradient áp suất, lực Coriolis và lực ly tâm
sẽ cho ta vận tốc gió. Việc tính toán này cũng đơn giản nh khi ta tính dòng chảy
đại dơng đợc trình bày trong chơng 3 của tập này. Mỗi khi đã có gió ta có thể
sử dụng các công nghệ dự báo sóng.
Ưu thế của dự báo so với đo đạc hiện trờng đợc thể hiện thông qua mức độ
cung ứng nhanh lại đợc tiến hành trong văn phòng. Tuy nhiên những dự báo
này đòi hỏi nhiều công việc liên quan kể cả mối phụ thuộc vào số liệu quan trắc.
12.5 Phơng pháp dự báo SMB
Bretscheneider (1952) đã hiệu chỉnh tơng quan dự báo bán thực nghiệm của
Sverdrup và Munk (1947) và thu đợc công nghệ đợc gọi là phơng pháp
Sverdrup-Munk-Brescheneider (SMB).
Trong cơ sở của phơng pháp này có 3 phơng trình không thứ nguyên:
)0125,0tanh(283,0
42,0
2


w
sig
U
gH

(12.01)

)077,0tanh(540,7
25,0

w
sig
U
gH

(12.02)




ln8798,0]2024,2ln3692,0)(ln0161,0exp5882,6
2

w
U
gd

(12.03)

và

w
U
gF
2

(12.04)


trong đó:
F là độ dài đà sóng,
g là gia tốc trọng trờng,
H
sig
là độ cao sóng đặc trng,
d là thời gian tác động của gió,
T
sig
là chu kỳ của sóng đặc trng,
U
w
là vận tốc gió, và

là tham số xác định theo (12.04)


74
Do phơng trình 12.03 thờng rất phức tạp cho sử dụng vì đòi hỏi xác định
tham số

tơng ứng giá trị (gd/U
w
), phơng trình này đợc thể hiện trên hình
12.1.
Những phơng trình này chỉ đúng cho điều kiện nớc sâu. Việc sử dụng
chúng trong thực tiễn theo các bớc sau:

Hình 12.1. Tơng quan các đặc trng sóng với đà sóng và thời gian tác động
(trục tung: tham số thời gian (gd/U
w
) , trục hoành: tham số đà sóng

)
Các đặc trng nh khoảng cách đà, F, vận tốc gió, U
w
, và độ kéo dài của gió,
d, đợc xác định từ các nguồn số liệu sẵn có.

đợc xác định từ 12.04








75

Bảng 12.1 Số liệu về sự phát triển của sóng

Cấp
Baufort

Giới
hạn vận

tốc gió
Đà sóng
cực tiểu
Thời gian
tác động
tối thiểu
Giới hạn
độ cao
đặc trng
sóng
Giới hạn
chu kỳ
sóng
Chu
kỳ
trung
bình
Mô tả trạng thái biển
- m/s km h m s s -
0 đến 0,5 - - - - - Mặt gơng
1 0,5-1,5 đến 9 đến 0,3 đến 0,2 đến 0,7 0,5 Sóng lăn tăn
2 2,1-3,1 10-15 0,3-0,7 0,03-0,09 0,4 2,8 1,4 Sóng vừa, cha đổ
3 3,6-5,2 18-19 1,0-2,4 0,3-0,4 0,8-6,0 2,5 Sóng có đỉnh bắt đầu
đổ
4 5,7- 8,3 30 - 75 3,8 6,6 0,7 1,4 1,0 8,8 4,0 Sóng có đầu bạc
5 8,7-
10,8
100-140 8,3-10 1,9-2,4 2,5-11 5,4 Sóng đa dạng, bạc đầu
nhiều
6 11,3-

14,0
180-330 12-17 3,0-4,6 3,4-15 6,8 Sóng lớn, nhiều bọt và
tia nớc
7 14,4-17 420-630 20-27 5,5-7,9 4,5-18 8,5 Bọt trắng phát triển
mạnh
8 17-21 780-1300 30-42 9,1-13,7 5,5-22 10,5 Bọt trắng bao phủ, tia
nớc làm giảm tầm nhìn

9 21-24 1500-
2100
47-57 15-20 7,0-25 12,5 Bọt trắng bao phủ tầm
nhìn hạn chế
10 24-28 2300-
3300
63-81 22-29 7,5-30 14,7 Bọt trắng phủ toàn biển
11 29 - 33 3900-
4600
88 -101 31 - 38 8,5 - 32 16,7 Bọt bị cuốn bay theo gió

12 Hơn 33 Khí quyển đầy bọt
Tầm nhìn tối thiểu







76
Tính tham số (gd/U

w
) theo cùng thứ nguyên nh khi xác định

.
Sử dụng hình 12.1 trên cơ sở hai tham số vừa đợc xác định ở các bớc trên.
Nếu các tham số nằm phía trên đờng cong trong hình thì độ cao sóng đợc
xác định theo đà sóng căn cứ vào tham số

đã xác định ở bớc b. Ngợc lại, khi
điểm các tham số nằm dới đờng cong thì độ cao sóng xác định theo độ kéo dài d,
tính toán theo giá trị nhỏ nhất của xác định theo tham số độ kéo dài và giới hạn
đờng cong.
Sử dụng giá trị đã kiểm tra của , các tham số sóng H
sig
và T
sig
có thể đợc
xác định thông qua phơng trình 12.01 và 12.02
f. Các độ cao sóng với những xác suất xuất hiện có thể xác định dễ dàng theo
các phơng pháp trình bày trong chơng 11.
Những phơng pháp giải khác dựa vào toán đồ đợc trình bày trong tập I
quyển Cẩm nang bảo vệ bờ (1973).
Bảng 12.1 đợc lấy theo Saunders (1965) dẫn ra một số số liệu đặc trng cho
điều kiện sóng phát triển hoàn toàn. Các điều kiện sóng đợc dẫn ra cho vận tốc
gió lớn hơn cấp 8 Beaufort, điều mà chúng ta ít gặp trong tự nhiên. Tuy nhiên
vẫn có thể xẩy ra sóng với độ cao đặc trng tới 15 mét với gió cấp 11 trong một
khoảng thời gian ngắn.
Một hạn chế đã đợc sử dụng trong các tính toán trên là việc cho hớng và
vận tốc gió không đổi trong toàn bộ khoảng thời gian phát triển sóng trên cả
khoảng cách đà sóng. Hạn chế này đang đợc giảm bớt dần khi sử dụng các

phơng pháp dự báo sóng sau này

















77
13 . Thiết kế tối u
E.W. Bijker, A.Paape
13.1 Mở đầu
Một vấn đề đã đợc đề cập đến trong chơng 11 liên quan tới một số rủi ro có
thể chấp nhận trong thiết kế các công trình kỹ thuật. Câu hỏi đầu tiên đặt ra là
sự rủi ro cơ bản nào cần đợc xử lý?
Trong chơng này chúng ta chỉ tiến hành trao đổi những nét chung. Các ứng
dụng kỹ thuật chuyên sâu về kỹ thuật bờ sẽ đợc xem xét muộn hơn trong tập
sau của giáo trình này. Kỹ thuật thiết kế tối u có thể sử dụng trong nhiều vấn
đề của các dự án.
13.2 Chỉ tiêu dự án

Dự án bền vững đối với ký thuật thiết kế tối u cần thoả mãn các chỉ tiêu sau
đây:
1. Cần phải có các giải pháp lựa chọn cho thiết kế. Chỉ cần có các công
trình tơng tự với một số chi tiết khác chẳng hạn nh kích thớc hoặc
độ bền.
2. Có thể đánh giá giá cả xây dựng của các thiết kế lựa chọn.
3. Có thể xác định khả năng h hỏng của các thiết kế lựa chọn.
4. Tổn thất kinh tế tổng cộng do h hại của công trình có khả năng xác
định đợc.
Chúng ta đã thấy trong chơng 11 rằng chỉ tiêu thứ 3 có thể đánh giá đối với
một số loại công trình ngoài khơi. Điều khó khăn nhất ở đây chính là việc đánh
giá chỉ tiêu 4. Hậu quả kỹ thuật do h hại công trình có thể dễ dàng xác định;
nhng các hậu quả xã hội, môi trờng và tâm lý rất khó đánh giá bằng các chỉ số
kinh tế. Tuy nhiên chúng ta sẽ trình bày cách đánh giá thông qua các chỉ số kinh
tế.

13.3 Các thủ tục tối u hoá
Quá trình tối u hoá đợc tiến hành nh sau:
a. Một thiết kế cần đợc lựa chọn trong số các thiết kế nêu ở chỉ tiêu 1.
b. Đối với thiết kế này, tổng vốn đầu t xây dựng cần đợc đánh giá
thông qua các đơn vị chuyển đổi ví dụ qua giá trị đồng tiền lu hành.
c. Bằng cách nhân khả năng h hỏng đợc xác định trong chỉ tiêu 3 với
hậu quả kinh tế của sự h hỏng đó chúng ta thu đợc giá trị tiền tệ
của tổn thất chung có thể xẩy ra trong thời gian tồn tại của thiết kế.
d. Chúng ta có thể tiến hành các bớc từ 1 đến 3 đối với các thiết kế lựa
chọn khác.


78
Mỗi khi các bớc nêu trên đã đợc tiến hành, chúng ta có thể lựa chọn thiết

kế với giá tổng cộng (tổng của giá xây dựng và tổn thất do h hại) nhỏ nhất. Đó
chính là phơng án tối u của chúng ta.
Một cách lựa chọn khác có thể ứng dụng đợc trình bày theo các bớc sau
đây:
a. Một thiết kế cần đợc lựa chọn trong số các thiết kế nêu ở chỉ tiêu 1.
b. Đối với thiết kế này cần xác định giá tổn thất hàng năm và giá xây
dựng. Thể hiện hai loại giá này trong đơn vị kinh tế tơng ứng.
c. Chọn tiếp thiết kế thứ hai và cũng tiến hành xác định các giá cả tơng
tự nh trên.
d. Đánh giá thiết kế thứ hai với việc so sánh với thiết kế thứ nhất theo
sự biến đổi của giá xây dựng và giá tổn thất.
e. Thông thờng, chỉ khi giá xây dựng tăng ít hơn giá tiết kiệm đợc do
giảm tổn thất thì mới chọn thiết kế thứ hai, biết rằng giá xây dựng
công trình theo thiết kế thứ hai cao hơn. Lặp lại các bớc nh trên
cũng sẽ dẫn tới một kết quả tối u giống nh kết quả theo thủ tục tối
u trớc.
Các ví dụ về kỹ thuật thiết kế tối u đợc dẫn ra trong các tập II, III, và IV
của giáo trình này.
13.4 Các tiếp cận ẩn
Có thể hiểu rằng các giá cả tổn thất bao gồm các giá trực tiếp và gián tiếp.
Không phải lúc nào tổn thất cũng chỉ do sửa chữa hoặc thay thế, mà còn có các
mất mát do phải ngừng sản xuất hoặc tổn thất về ngời.
Mặt khác, cách tiếp cận trên đây cho rằng tiền có thể quyết định cho việc tối
u hoá. Có thể xẩy ra trờng hợp khi chỉ có một khối lợng đầu t hạn chế trong
thời điểm hiện nay, ngời ta lựa chọn thiết kế với giá xây dựng thấp hơn nhng
lại có giá tổn thất lớn. Cách tiếp cận tơng tự có thể kéo theo nhiều nguyên tắc
kinh tế, tài chính nh lợng tiền mặt chẳng hạn, chúng ta sẽ không đi sâu trình
bày vấn đề này nữa.
Một điều kiện liên quan cần chú ý trong tối u hoá là sự hiện diện các quy
tắc, quy phạm thiết kế. Thông thờng các thiết kế cần đáp ứng tất cả các quy

phạm thiết kế đợc luật pháp quy định. Có thể nhận thấy rằng những quy phạm
này có khả năng làm cho các bản thiết kế trở nên cứng nhắc, bảo thủ liên kết với
các chỉ tiêu tối u hoá của chúng ta.


79
14 Lịch sử phát triển cảng
E.W. Bijker
14.1 Mở đầu
Sau khi các thông tin cơ bản đã đợc trình bày trong 13 chơng đầu, chúng ta
chuẩn bị ứng dụng chúng cho một số vấn đề đặc trng của công trình bờ. Chúng
ta bắt đầu các nghiên cứu ứng dụng từ việc xem xét vấn đề cũ nhất trong 3 vấn
đề đã đợc nhắc đến trong chơng 1 đó là đảm bảo cảng an toàn cho tàu thuyền.
Các chi tiết khác nhau của vấn đề cảng sẽ hình thành nên nội dung của 10
chơng tiếp theo của tập này. Một số chi tiết khác cũng sẽ đợc đề cập trong tập
II; các công trình phá sóng đợc trình bày riêng.
Những khía cạnh lịch sử đợc lấy từ công trình của Bijker (1974).
14.2 Giai đoạn đầu
Ban đầu, các cảng đợc xây dựng tại những khu vực thoả mãn cả hai điều
kiện liên kết tốt với phần trong đất liền và đợc bảo vệ khỏi các tác động xấu của
biển. Những tác động xấu của biển bao gồm tác động tự nhiên (sóng và dòng
chảy) và con ngời (cớp biển). Do xung quanh các cảng cần có các công trình vì
vậy chúng đợc lựa chọn tại vùng sâu trong đất liền. Thông thờng các cảng đợc
xây dựng dọc các sông và cửa sông. Ví dụ cảng New Orleans nằm trên bờ sông
Mississipi cách cửa biển hơn 100 km.
Do hàng trăm năm trớc đây các tàu thuyền thờng nhỏ, có độ mớn nớc bé
nên có thể đi lại dễ dàng qua nhiều vùng nớc nông thờng gặp trên các đờng
thuỷ. Điều này cũng yêu cầu các hiểu biết đầy đủ về điều kiện tự nhiên của
đờng thuỷ. Vậy sẽ có những lợi thế và nhợc điểm nào đối với việc cập cảng của
các con tàu? Có thể nói rằng nếu có sự bất lợi trong thơng mại thì trong bão vệ

khỏi cớp biển sẽ có lợi thế hơn.
Thời gian qua đi, các con tàu càng ngày càng trở nên to hơn và vấn đề nớc
nông các trở nên cấp bách. Khả năng lái tàu càng trở nên tốt hơn, khi những
ngời lái hiểu rõ hơn các lạch sâu. Các nhà phát minh cũng tìm cách làm giảm độ
sâu mớm nớc cho các con tàu. Một cách thành công sử dụng các ship camel -
thuyền lạc đà đã đợc ứng dụng để đa các con tàu vợt qua doi cát gần đảo
Pampus trớc khi đi vào cảng Amsterdam. Sơ đồ của thuyền lạc đà đợc thể hiện
trên hình 14.1; đây thực tế là tiền thân của các âu tàu nổi hiện đại.
14.3 Tác động của nạo vét
Hơn một trăm năm trớc đây những nhà phát minh cũng đã đa ra ý đồ làm
sâu các vùng nớc nông bằng các máy xúc nạo vét. Nhiều khi ngời ta đã tạo ra


80
một lạch tàu hoàn toàn mới. Cả hai cảng lớn của Hà lan là Amsterdam và
Rotterdam đều đợc đảm bảo bằng kỹ thuật nạo vét. Tại cả hai cảng đó đều do
nạo vét mà có đợc các lạc tàu nhân tạo nối liền cảng với biển. Điều thú vị là hai
cảng này đã lựa chọn các lạch tàu nhân tạo rộng và sâu thay cho các lạch tàu tự
nhiên. Cảng Amsterdam đã không sử dụng kênh Bắc Hà lan nối liền Den Helder
mà thay bằng kênh Biển Bắc tạo nên đờng nối ngắn nhất với Ijmuiden. Đờng
thuỷ Rotterdam cũng là công trình do con ngời tạo ra.
Hình 14.1. Âu thuyền lạc đà

14.4 Các hớng phát triển hiện đại
Các con tàu càng lớn thì vấn đề nạo vét để mở và duy trì các lạch trên một
khoản cách dài đã trở thành một vấn đề kinh tế. Mặt khác việc các tàu chở dầu
hiện đại đi qua các lạch tàu nh vậy cũng là một vấn đề đối với giao thông. Vì
những lạch tàu thờng đi qua các khu tập trung dân c, vấn đề tổn thấy đối với
xã hội do các sự cố luôn đợc đặt ra. Hơn nữa đối với các tàu chở các hàng hoá giá
trị cao nh các conteiner thì thời gian khi đi dọc các lạch tàu dài cũng làm tăng

tổn thất kinh tế. Nhìn chung có thể nói rằng hàng hoá đi trên đất liền nhanh hơn
đi trên biển.
Những nguyên nhân trên, đồng thời với sự giảm nguy cơ cớp biển đã dẫn
đến sự phát triển các cảng gần đờng bờ hơn. Các cảng Maasvlakte và Europoort
ở Rotterdam là những thí dụ về giải pháp trên. Nhiều cảng khác nh London,
Amsterdam, và Hamburg cũng đã có các kế hoạch phát triển tơng tự. Rất nhiều
cảng mới đợc phát triển trên các vùng đất đợc lấp mới. Sự đắt đỏ của các vùng
đất đô thị cổ cũng góp phần đa các cảng đi ra phía biển.
Xu thế dich chuyển nêu trên còn cha đến hồi kết. Một số trang bị cơ sở biển
khơi cũng đợc phát triển rất nhanh. Chúng ta cần nghĩ tới xây dựng một đảo


81
cảng trên biển hoặc phát triển và ứng dụng các phao neo đơn có thể thay thế các
cảng truyền thống đối với một số chủng loại tàu vận tải.
Trong 10 chơng tiếp theo chúng ta sẽ xem xét chi tiết một số vấn đề chuyên
về cảng.