Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ - Chương 2 pptx

20
Chơng iI
Tính toán các thông số của sóng v nớc dâng


2-1. Khái niệm chung
Khi thiết kế đê sông cũng nh đê biển, cần phải xác định các thông số thủy lực của
dòng chảy mặt có ảnh hởng đến kích thớc và khả năng chịu lực của đê. Các thông số
quan trọng nhất là: mực nớc tính toán ( ứng với các trờng hợp tính toán khác nhau), mực
nớc dâng do gió, các yếu tố của sóng gió (sóng do gió gây ra, để phân biệt sóng do tàu
thuyền và các tác nhân khác). Ngoài ra, hớng của dòng chảy mặt và hớng chuyển bùn cát
đáy cũng ảnh hởng tới các quá trình diễn biến bờ và an toàn của đê. Vấn đề này đợc trình
bày trong các chuyên đề về động lực học sông ngòi và động lực học vùng ven biển. Trong
chơng này chỉ đề cập đến việc tính toán các thông số của sóng và nớc dâng.
I. Các thông số của sóng:
Sóng do gió tạo ra trên mặt hồ, sông, biển là kết quả tổng hợp của nhiều yếu tố khác
nhau: vận tốc gió (w), hớng gió ( ), đà sóng(D), thời gian gió thổi liên tục (t), độ sâu
nớc (h) v.v
Mô tả hình dạng của con sóng điển hình nh trên hình 2-1







Hình 2-1: Mặt cắt và các thông số của sóng.

Các thông số chính của sóng nh sau:
- Đờng trung bình của sóng: Đờng cắt đờng ghi dao động sóng sao cho tổng diện

tích ở trên và dới nó là nh nhau.
- Đầu sóng: Phần sóng nằm trên đờng trung bình của sóng;
- Đỉnh sóng: Điểm cao nhất của đầu sóng ;

21
- Bụng sóng: Phần sóng nằm ở phía dới đờng trung bình của sóng.
- Chân sóng: Điểm thấp nhất của bụng sóng.
- Chiều cao sóng(Hs): Khoảng cách thẳng đứng từ đỉnh sóng đến chân sóng;
- Chiều dài sóng hay bớc sóng(Ls): Khoảng cách nằm ngang giữa hai đỉnh sóng kề
nhau.
- Chu kỳ sóng (Ts): Khoảng thời gian để hai đỉnh sóng kề nhau đi qua một mặt cắt xác
định vuông góc với hớng truyền sóng.
- Vận tốc sóng(v
s
): Tốc độ di chuyển của đầu sóng theo hớng truyền sóng.
Vì các yếu tố tạo sóng (w,,D,t,h .) là các đại lợng thay đổi thờng xuyên và có vô
vàn các tổ hợp của chúng nên các yếu tố của sóng phải đợc xét nh là các đại lợng ngẫu
nhiên và đợc phản ánh thông qua các đặc trng thống kê của sóng. Trong thực tế, ngời ta
sử dụng 2 loại đặc trng thống kê của sóng nh sau :
1. Loại 1:
Sử dụng giá trị trung bình của một bộ phận sóng trong liệt sóng thống kê, ví dụ:
- Chiều cao sóng trung bình H
s
: là trị số trung bình toán học của tất cả các trị số chiều
cao sóng trong liệt thống kê.
- Chiều cao sóng có ý nghĩa (H
s 1/3
): Là chiều cao trung bình của nhóm sóng lớn bao
gồm 1/3 số con sóng trong liệt thống kê, sắp xếp từ lớn đến nhỏ. Khái niệm này thờng
đợc dùng nhiều trong các tài liệu của phơng Tây hiện nay.

- Chiều cao sóng H
s 1/10
: Cách xác định cũng tơng tự nh H
s 1/3
.
2. Loại 2:
Sử dụng các trị số theo tần suất luỹ tích.
Ví dụ: H
sp
- Chiều cao sóng ứng với tần suất p%.
Khi tính toán cần dựa vào các qui định của qui phạm hiện hành để xác định các đặc
trng loại này hay loại khác.
II. Các phơng pháp tính toán sóng:
Tùy theo điều kiện số liệu đầu vào và yêu cầu của thiết kế mà có thể sử dụng các
phơng pháp tính toán sau:
1. Phơng pháp Crlop (Liên Xô cũ):
Phơng pháp này đã đợc đa vào các qui phạm của liên xô CHu 2.06.04.82- Tải
trọng và lực tác dụng lên công trình thủy lợi ( do sóng, băng và tàu). ở Việt Nam phơng
pháp này cũng đợc chấp nhận và đa vào các qui phạm QPTL C1-78 (Bộ Thủy lợi trớc
đây) và 22TCN 222- 95 (Bộ giao thông vận tải) hiện nay.

22
2. Phơng pháp biểu đồ Hincat:
Đợc giới thiệu nhiều trong tài liệu phơng Tây. Các trị số chiều cao sóng tìm đợc trực
tiếp trên các biểu đồ Hincat là chiều cao sóng có ý nghĩa (H
S 1/3
).


2-2. Xác định các yếu tố tạo sóng

Các yếu tố tạo sóng đợc xét ở đây bao gồm gió (hớng, vận tốc, thời gian thổi liên
tục), đà sóng, chiều sâu nớc phía trớc công trình và sự biến đổi của các yếu tố này theo
thời gian. Các thông số của sóng phụ thuộc vào nhiều yếu tố và chỉ khi hội đủ một số điều
kiện nhất định thì sóng mới đạt đợc chiều cao lớn nhất (ứng với một mức đảm bảo đã
cho).
Sau đây trình bày cách xác định các yếu tố tạo sóng nh là các số liệu đầu vào để tính
toán sóng.
I. Gió:
1. Hớng gió:
Các đặc trng của gió đợc thống kê theo từng hớng xác định hoặc là không kể
hớng. Theo hớng, các thông số của gió có thể đợc mô tả theo kiểu hoa hồng 4 cánh
(gồm 8 hớng: Đ, T, N, B, ĐB, ĐN, TB, TN) hoặc hoa hồng 8 cánh (gồm 16 hớng). Khi
công trình xây dựng ở vùng mà hớng gió thờng xuyên thay đổi hoặc không xác định, có
thể xác định các đặc trng thống kê không kể hớng của gió.
Với một tuyến công trình đê đập xác định, hớng gió đợc đặc trng bởi góc , là góc
nhọn giữa hớng gió thổi và hớng vuông góc với tuyến công trình. Khi hớng gió thổi
vuông góc với tuyến công trình, ta có = 0.
2. Vận tốc gió:
Trị số tính toán là vận tốc gió trung bình trong 10 phút tự ghi của máy đo gió ở độ cao
10 m trên mặt nớc:
W
10
= K
1
.K
đ
.K
10
.W
t

(2-1)
Trong đó:
W
t
: Vận tốc gió thực đo, lấy trung bình trong 10 phút và với tần suất đảm bảo đợc
quy định khi thiết kế công trình (theo các qui phạm hiện hành).
K
1
- Hệ số tính đổi từ máy đo;
K
1
= 0.675 +
t
W
5.4
, K
1
1. (2-2)

23
K
đ
- Hệ số tính đổi vận tốc gió sang điều kiện mặt nớc
Khi đo trên bãi cát bằng phẳng, K
đ
= 1;
Khi đo trên loại địa hình khác, theo bảng 2-1.


Bảng 2-1: Giá trị của K

đ
ở các loại địa hình.
Tốc độ gió Wt(m/s) Dạng địa hình A Dạng địa hình B Dạng địa hình C
10 1.10 1.30 1.47
15 1.10 1.28 1.44
20 1.09 1.26 1.42
25 1.09 1.25 1.39
30 1.09 1.24 1.38
35 1.09 1.22 1.36
40 1.08 1.21 1.34

Ghi chú:
- Dạng địa hình A: Các địa hình trống trải (bờ biển, bờ hồ trống trải, đồng cỏ, đồng cỏ
có rừng tha, rừng non).
- Dạng địa hình B: Các thành phố có nhà cao < 25m, kể cả ngoại ô, các vùng rừng rậm
và các địa hình tơng ứng có vật chớng ngại phân bố đều khắp, với chiều cao các vật
chớng ngại > 10m so với mặt đất.
- Dạng địa hình C: Các khu thành phố có nhà cao hơn 25m.
K
10
- Hệ số chuyển đổi sang vận tốc gió ở độ cao 10 m trên mặt nớc, xác định theo
bảng 2-2.

Bảng 2-2: Hệ số chuyển đổi vận tốc gió K
10
.
Khoảng cách giữa máy
đo gió và mặt nớc (m)
5 6 7 8 9 10 11 12
K

10
1.14 1.11 1.07 1.04 1.02 1.00 0.98 0.97
Khoảng cách giữa máy
đo gió và mặt nớc (m)
13 14 15 16 17 18 19 20
K
10
0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 0.90 0.89

24
3. Thời gian gió thổi liên tục (t):
Thời gian gió thổi liên tục có ảnh hởng trực tiếp đến các thông số của sóng gió. Khi
các điều kiện đã cho, có tồn tại một ngỡng thời gian t
min
để chiều cao sóng đạt cực đại
(H
max
). Nếu thời gian gió thổi liên tục t < t
min
sẽ cho chiều cao sóng H < H
max
.
Theo QPLT C1-78, khi không có tài liệu về thời gian tác dụng của gió, để tính toán sơ
bộ cho phép lấy t=6 giờ đối với hồ chứa nớc (thiên nhiên và nhân tạo), 12 giờ đối với biển
và 18 giờ đối với đại dơng.
II. Đà sóng (D):
Đà sóng đợc xác định tùy theo tình hình thực tế ở địa điểm dự báo.
1. Nếu địa điểm dự báo là vùng nớc hẹp, D đợc xác định theo phơng pháp đồ giải
"đà sóng tơng đơng" (hình 2-2).
D

td
=




i
i
i
i
2
i
cos
cosr
(2-3)
Trong đó:

i
Góc lập giữa tia tính toán thứ i với hớng gió chính
r
i
Chiều dài đà sóng theo hớng tia thứ i

Hình 2-2: Sơ đồ xác định đà sóng tơng đơng D
td


25
Cách xác định cụ thể nh sau:
- Từ vị trí dự báo vẽ một tia thẳng theo hớng gió chính (Tia xạ chính). Tia này có i =
0,
0
= 0.
- Tiếp theo trong phạm vi
45

0
của hai phía tia xạ chính vẽ các góc
i
= 7,5 i (độ)
Với i = -6 ữ +6; đo các đà sóng r
i
tơng ứng. Trị số đà sóng tơng đơng là trị số trung
bình các hình chiếu của các tia r
i
lên tia xạ chính.
2. Đối với vùng không có yếu tố địa hình hạn chế, giá trị trung bình của đà sóng D (m)
đối với một vận tốc gió tính toán w(m/s) cho trớc đợc xác định theo công thức:
D = 5.10

11
w

; (2-4)
Trong đó:
là hệ số nhớt động học của không khí lấy bằng 10
-5
m
2
/s.
Giá trị lớn nhất của đà sóng theo 22TCN222-95 đợc xác định theo bảng 2-3

Bảng 2-3: Trị số chiều dài đà sóng theo giới hạn Dmax (km).
W(m/s) 20 25 30 40 50
Dmax (km) 1600 1200 600 200 100

Chú ý:
- Vận tốc gió tính toán khi đà sóng nhỏ hơn 100km đợc phép xác định theo số liệu
quan trắc thực tế đối với vận tốc gió cực đại hằng năm không xét đến độ dài thời gian có
gió.
- Khi đà sóng lớn hơn 100km thì vận tốc gió tính toán phải xác định có xét tới sự phân
bố theo không gian của nó.
III. Mực nớc tính toán và chiều sâu nớc trớc công trình:
1. Mực nớc tính toán:
Mực nớc tính toán đợc chọn theo các tần suất bảo đảm do qui phạm qui định, và
theo các trờng hợp tính toán tơng ứng.
ở nớc ta hiện nay, các qui phạm về đê sông, đê
biển cha đợc ban hành chính thức (đang ở mức dự thảo) nên có thể chọn các tần suất bảo
đảm theo các tài liệu chuyên môn tơng ứng ở trong và ngoài nớc. Chẳng hạn, theo quy
phạm đê của Trung Quốc:

26

Cấp đê I II III IV V
Thời kỳ xuất hiện lại (năm)
100 50 ữ 100 30 ữ 50 20 ữ 30 10 ữ 20

Theo QPTL C1-78, khi xác định các yếu tố của sóng gió và nớc dâng, phải lấy tần
suất bảo đảm của gió là 2% đối với công trình cấp I và II, 4% đối với công trình cấp III và
IV. Chú ý rằng nếu trong số liệu tính toán mực nớc (theo tần suất bảo đảm) cha kể đến
chiều cao nớc dâng do gió thì cần cộng thêm trị số mực nớc dâng tính toán vào mực nớc
tính toán sóng.
2. Các vùng tính toán sóng:
Khi tính toán cho các đê biển, đê sông có bờ thoải, độ sâu nớc h biến đổi dọc theo
chiều truyền sóng và có ảnh hởng đến các thông số của sóng. Rõ ràng là khi nớc nông (h
có trị số nhỏ) thì mặt đáy bãi sông, biển sẽ có tác dụng cản sóng. Vì vậy các yếu tố của
sóng đợc tính theo các vùng nh sau:
a) Vùng sóng nớc sâu:
h 0.5 Ls, các yếu tố của sóng không chịu ảnh hởng của đáy sông, biển.
b) Vùng sóng nớc nông:
h
pg
< h < 0.5 Ls, địa hình đáy có ảnh hởng đến các yếu tố của sóng. ở đây h
pg
là độ
sâu phân giới gây sóng vỡ.
c) Vùng sóng đổ:
h
đ

< h < h
pg
, trong đó h
đ
là độ sâu nơi kết thúc sóng đổ.
d) Vùng sóng leo:
h < h
đ
sau lần đổ cuối cùng, sóng hình thành dòng xung kích mạnh, trờn lên mặt dốc,
leo lên đến độ cao nào đó thì rút xuống. Trong vùng này các yếu tố hình dạng sóng không
còn tồn tại.
Khi trớc công trình là bờ thoải liên tục thì trớc hết phải xác định các yếu tố sóng tại
vùng nớc sâu, sau đó tính toán biến dạng của các yếu tố sóng nớc sâu đó trong quá trình
truyền vào bờ, đi qua các vùng nớc nông, sóng đổ và sóng leo.

27
2-3. Tính toán các thông số của sóng theo phơng pháp Crlốp
1. Các thông số của sóng vùng nớc sâu (h

0.5 L
s
)
a) Các đặc trng sóng bình quân (
s
H
và
s
L
):
Xác định theo đờng giới hạn trên trong đồ thị hình 2-3 theo đó tìm đợc các cặp giá

trị
2
s
W
Hg
và
W
Tg
s
từ các đại lợng không thứ nguyên
2
W
D.g
và
W
t.g
. Chọn lấy cặp giá trị bé
nhất trong hai cặp số tìm đợc, từ đó sẽ tính ra
s
H
và
s
T
.
Chiều dài sóng trung bình xác định theo công thức:


=
2
T.g

L
2
s
s
(2-5)
b) Chiều cao sóng có mức đảm bảo p%
H
sp
= K
p
.
s
H (2-6)
Trong đó:
K
p
tra trên đồ thị hình 2-4 theo mức bảo đảm p% và thông số
2
W
D.g
.
2. Các thông số của sóng vùng nớc nông:
a) Trờng hợp độ dốc đáy i

0.002
- Chiều cao sóng với mức đảm bảo p% xác định theo công thức:
H
sp
= K
t

.K
r
.K
i
.K
p
.
s
H; (2-7)
Trong đó:
K
i
là hệ số tổng hợp các tổn thất, (bảng 2-4).
K
t
hệ số biến dạng lấy theo đồ thị 1, (hình 2-5).
K
r
hệ số khúc xạ, xác định theo công thức:
K
r
=
a
a
o
(2-8)

28

H×nh 2-3: §å thÞ x¸c ®Þnh c¸c yÕu tè cña sãng
H×nh 2-4: §å thÞ x¸c ®Þnh Ki

29
ở đây:
a

o
- Khoảng cách giữa những tia sóng cạnh nhau ở phía vùng nớc sâu
a- khoảng cách giữa chính các tia đó, nhng theo đờng thẳng vẽ qua một điểm cho
trớc ở vùng nớc nông (m).








Hình 2-5: Đồ thị xác định hệ số Kt (1) và đại lợng h
pg
/
s
L (2,3,4).

Hình 2-6: Sơ đồ và các đồ thị lập bình đồ khúc xạ
a) Mặt bằng khúc xạ; b) Đồ thị xác định góc khúc xạ

30

Trên mặt bằng khúc xạ, các tia sóng ở vùng nớc sâu phải lấy theo hớng lan truyền
sóng đã cho trớc, còn ở vùng nớc nông phải kéo dài các tia đó theo phơng pháp thể hiện
trên hình 2-6. Đợc phép lấy giá trị của hệ số Kr theo kết quả xác định hệ số khúc xạ đối
với các tia sóng vẽ từ điểm tính toán theo các hớng lệch 22,5
o
so với tia chính.
Hệ số tổng hợp các tổn thất Ki đợc xác định theo bảng 2-4 ứng với các giá trị đã biết
của đại lợng h/Ls và độ dốc đáy i. Khi i
0.03 thì Ki = 1

Bảng 2-4: Trị số hệ số tổn thất tổng hợp Ki
Độ sâu tơng đối h/
s
L
i = 0.002ữ0.02
i = 0.025
0.01 0.66 0.82
0.02 0.72 0.85
0.03 0.76 0.87
0.04 0.78 0.89
0.06 0.81 0.90
0.08 0.84 0.92
0.10 0.86 0.93

0.20 0.92 0.96
0.30 0.95 0.98
0.40 0.98 0.99
0.50
1.00 1.00

b) Trờng hợp vùng nớc nông có độ dốc đáy i

0.001
- Chiều cao
s
H và chu kỳ
s
T xác định theo đồ thị hình 2-3, theo các đại lợng không
thứ nguyên
2
W
D.g
và
2
W
h.g

Chiều cao sóng có mức đảm bảo p% (Hsp) cũng xác định theo công thức (2-6), trong
đó Kp tra ở đồ thị hình 2-4 theo các đại lợng không thứ nguyên
2
W
D.g
và
2

W
h.g
, chọn lấy trị
số nhỏ trong hai giá trị Kp tìm đợc.
Chiều dài sóng cũng xác định theo công thức (2-5)

31
- Các yếu tố sóng truyền từ vùng nớc nông có độ dốc đáy i
0.001 vào vùng có i
0.002 cũng xác định theo phơng pháp trình bày ở mục a), trong đó trị số chiều cao sóng
trung bình ban đầu
s
H lấy từ vùng nớc sâu.
3. Các thông số của sóng tại vùng sóng đổ.
a) Chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% (H
đ 1%
):
Theo đồ thị (các đờng cong 2,3,4 ) trên hình 2-5, ứng với đại lợng không thứ nguyên
h/
s
L và độ dốc đáy i, tìm đợc trị số
2
s
%1d
T.g
H
từ đó có H
đ1%

- Chiều dài sóng ở vùng sóng đổ

d
L (m) xác định theo đờng cong bao phía trên của
hình 2-7. ứng với đại lợng h/
d
L, tìm đợc trị số
d
L/
s
L và suy ra
d
L.
b) Chiều sâu phân giới khi sóng đổ lần thứ nhất h
pg
(m):
Theo đồ thị đờng cong 2,3,4 ) trên hình 2-5, ứng với đại lợng không thứ nguyên
2
s
sp
T.g
H
tìm đợc
s
pg
L
h
và suy ra h
pg
.
Khi xét đến khúc xạ của sóng, trị số h
pg

phải xác định theo phơng pháp đúng dần. Tự
cho các giá trị độ sâu h, theo phơng pháp nêu ở mục 2 - a (công thức 2 - 7, 2 - 8) xác định
các đại lợng
2
s
sp
T.g
H
. Tiếp theo, từ các đồ thị 2,3, 4 hình 2-5 xác định tơng ứng các trị số
s
pg
L
h
suy ra h
pg
. Trị số đợc chọn sẽ tơng ứng với trờng hợp h
pg
= h.
c) Độ sâu phân giới ứng với sóng đổ lần cuối h
đ
:
Khi độ dốc đáy không đổi, h
đ
xác định theo công thức:
h
đ
=
pg
1n
m

hK

(2-9)
Trong đó: Km hệ số lấy theo bảng 2-5;
n- Số lần đổ (bao gồm cả lần đầu), lấy từ dãy số n = 2, 3 và 4 khi thoả mãn các điều
kiện
2n
m
K

0.43 và
1n
m
K

< 0.43.
Khi độ dốc đáy lớn hơn 0.05, lấy h
đ
= h
pg

32
Bảng 2-5: Trị số hệ số Km.
Độ dốc đáy i
0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05
Hệ số Km
0.75 0.63 0.56 0.50 0.45 0.42 0.40 0.37 0.35

Khi độ dốc đáy thay đổi cho phép xác định h
đ

theo kết quả xác định liên tiếp các chiều
sâu phân giới đối với đoạn đáy có độ dốc không đổi.












Hình 2-7: Đồ thị xác định các giá trị L/
s
L
ở vùng nớc nông
và các giá trị L
s
/
s
L ở vùng sóng đổ.


2-4. Tính toán các thông số của sóng biển theo biểu đồ Hincat
1. Trờng hợp độ sâu nớc h > 15 m (sóng nớc sâu).
Sử dụng biểu đồ trên hình 2-8. Từ giá trị vận tốc gió đã hiệu chỉnhWa và giá trị đà
sóng D trên trục hoành, tra đợc chiều cao sóng có ý nghĩa H
1/3

và chu kỳ sóng T
s
.
2. Trờng hợp độ sâu nớc h

15 m:
Sử dụng các biểu đồ trên hình từ 2-9 a,b. Cách sử dụng cũng giống nh trờng hợp
trên. Trên các biểu đồ này còn có thêm đại lợng thời gian gió thổi tối thiểu t
min
, tức là thời
gian cần thiết để sóng đạt tới trạng thái ổn định.

33

H×nh 2-8: §å thÞ x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè sãng n−íc s©u.

34

a) ChiÒu s©u n−íc 3 m b) ChiÒu s©u n−íc 6 m
H×nh 2-9: C¸c th«ng sè cña sãng khi h < 15 m.

35
3. Các trờng hợp riêng:
a) Trờng hợp đà sóng lớn, độ sâu khu nớc thay đổi nhiều. Lúc này chia đà sóng
thành những đoạn riêng, trên mỗi đoạn độ sâu coi nh không thay đổi và bằng trị số độ sâu
trung bình. Tiếnhành tính cho từng đoạn từ khu vực nớc sâu trở vào với các giá trị Wa, Di,
hi, hsi tơng ứng.
b) Trờng hợp thời gian gió thổi t< t
min
. Lúc này lấy giá trị Wa trên trục tung của các
biểu đồ, tìm đến giao điểm với đờng thời gian gió thổi t để xác định chiều cao sóng H
s
và
chu kỳ sóng T
s
.
4. Các ví dụ tính toán:

a) Ví dụ 1:
Yêu cầu xác định các thông số của sóng (chiều cao sóng H
s
, chu kỳ sóng T
s
, thời gian
tác dụng tối thiểu của gió t
min
), khi biết:
- Vận tốc gió Wa = 38 m/s.
- Đà sóng D = 10 km.
- Độ sâu nớc h > 15m.
Giải:
Sử dụng đồ thị hình 2-8, đờng cong dự báo sóng ở vùng nớc sâu, với Wa và D đã
cho tra đợc :
H
s
= 1.90 m, T
s
= 4.5s, thời gian gió thổi t
min
= 1.2 giờ.
b) Ví dụ 2:
Yêu cầu xác định các thông số của sóng (chiều cao sóng H
s
, chu kỳ sóng T
s
, thời gian
tác dụng tối thiểu của gió t
min

). khi biết:
- Vận tốc gió Wa = 35 m/s.
- Đà sóng D = 1000 m.
- Độ sâu nớc thiết kế h = 6,0m.
Giải:
Sử dụng đồ thị hình 2-9b, đờng cong dự báo sóng ở vùng nớc nông có độ sâu cố
định h = 6.0m, với Wa và D đã cho, tra đợc :
H
s
= 0.6 m, T
s
= 2s, thời gian tác dụng của gió t
min
= 36 phút.
c) Ví dụ 3:
Yêu cầu xác định các thông số của sóng. Khi biết:
- Vận tốc gió Wa = 30 m/s.

36
- Đà sóng D = 1000 m.
- Độ sâu nớc thiết kế h = 3.0 m.
Thời gian gió thổi t = 30 phút.
Giải:
Sử dụng đồ thị hình 2-9a, đờng cong dự báo sóng ở vùng nớc nông có độ sâu cố
định h = 3.0m, với Wa = 30 m/s và D = 1000m/s tra đợc t
min
= 38 phút.
Thực tế có t< t
min
, nên cha đủ thời gian để sóng phát triển đầy đủ. Khi đó tra trên đồ

thị đã dẫn, ứng với Wa = 30 m/s và t = 30 phút ta đợc:
- Chiều cao sóng hiệu quả H
s
= 0.22m.
- Chu kỳ sóng T
s
= 1.5s.


2-5. Tính toán chiều cao sóng leo
Chiều cao sóng leo lên mái đê phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh các thông số sóng trớc
đê
ss
L,H , hệ số mái dốc đê, mức đảm bảo p%, độ nhám và tính thấm của mái, vận tốc gió,
chiều sâu nớc trớc đê, hớng truyền sóng
I. Trờng hợp dốc đơn (mái nghiêng với một độ dốc):
1. Khi m = 1.5
ữ
5.0 ( trờng hợp phổ biến):
Chiều cao sóng leo ứng với mức đảm bảo p% tính theo công thức:

Ls.Hs
m1
K.K.K.K
H
2
plw
psl
+
=

(2-10)
Trong đó:
m- Hệ số mái dốc của đê;
ss
L,H : Chiều cao và chiều dài sóng trung bình trớc đê;
K

- hệ số kể đến độ nhám và tính thấm của mái tra theo bảng 2-6;
K
w
- hệ số phụ thuộc vận tốc gió (w) và chiều sâu nớc trớc đê (h), tra theo bảng 2-7.
K
pl
- hệ số tính đổi tần suất luỹ tích của chiều cao sóng leo, xác định theo bảng 2-8.
K

- hệ số xét đến góc nghiêng giữa hớng truyền sóng và hớng vuông góc với
tuyến đê, xác định theo bảng 2-9.

37
Bảng 2-6: Hệ số nhám và thấm của mái dốc K


TT Loại hình gia cố mái
K


1 Trơn phẳng, không thấm nớc (BT nhựa đờng) 1.0
2 Bê tông và tấm lát bê tông. 0.9

3 Lát cỏ
0.85ữ0.90
4 Đá xây
0.75ữ0.80
5 Đá hộc đổ 2 lớp (nền không thấm nớc)
0.60ữ0.65
6 Đá hộc đổ 2 lớp (nền thấm nớc)
0.50ữ0.55
7 Khối vuông 4 chân (lắp đặt 1 lớp) 0.55
8 Khối tetrapod (2 lớp)- Xem chơng 4 0.40
9 Khối dolos (2 lớp)- Xem chơng 4 0.38

Bảng 2-7: Hệ số kinh nghiệm K
W
W /
h.g
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
5
K
W

1 1.02 1.08 1.06 1.22 1.25 1.28 1.30

Bảng 2-8: Hệ số tính đổi Kpl để tính chiều cao sóng leo
H
s/h P%
0.1 1 2 3 4 5 10 13 20 50
< 0.1 2.66 2.23 2.07 1.97 1.90 1.84 1.64 1.54 1.39 0.96
0.1 ữ 03
2.44 2.08 1.94 1.86 1.80 1.75 1.57 1.48 1.36 0.97

> 0.3 2.13 1.86 1.76 1.70 1.65 1.61 1.48 1.40 1.31 0.99

Trong đó:
p% - Mức bảo đảm xuất hiện của con sóng;
s
H - Chiều cao sóng trung bình trớc đê;
h - Độ sâu nớc trớc đê


38

Bảng 2-9: Hệ số K


;

: góc giữa hớng truyền sóng và hớng pháp tuyến với đê
(độ) 15
20 30 40 50 60
K


1.0 0.96 0.92 0.87 0.82 0.76

2. Khi m

1.25:
Theo công thức
H
slp

= K

.K
w
.K
pl
.K

.R
o
.
s
H (2-11)
Trong đó R
o
- chiều cao sóng leo dẫn suất, tính khi không có gió, mặt dốc trơn và
không thấm nớc (K

= 1), chiều cao sóng trung bình
s
H = 1m. Trị số của R
o
xác định
theo bảng 2-10. Các trị số khác nh ở mục trên.

Bảng 2-10: Trị số chiều cao sóng leo dẫn suất R
o.
Hệ số mái m 0 0.5 1 1.25
R
o

1.24 1.45 2.20 2.50

3. Khi 1.25 < m < 1.5:
Có thể nội suy chiều cao sóng leo từ các trị số tính theo m = 1.25 và m = 1.5.
II. Trờng hợp mái dốc phức hợp có thềm giảm sóng:
Khi mái dốc có thềm giảm sóng, chiều cao sóng leo vẫn đợc tính toán theo các công
thức đối với mái dốc đơn, nhng hệ số mái phải đợc tính đổi thành hệ số mái dốc tơng
đơng m
c
nh sau:
1. Khi mái trên và dới thềm giảm sóng có cùng độ dốc, tức
m = m
D
- m
T
= 0
m
C
= m
T
(1-4.0 Kb)
Ls
hw
(2-12)
với Kb = 1+3
Ls
bf
(2-13)
2. Khi

m > 0, m
D
> m
T

m
C
= (m
T
+0.3m-0.1m
2
).(1-4.5
Ls
hw
).hb (2-14)

39
3. khi

m < 0, m
D
< m
T
:
m
C
= (m
T
+0.5m+0.08m
2

).(1+3.0
Ls
hw
).hb (2-15)
Trong các công thức trên
m
T
, m
D
: hệ số mái dốc phần trên và dới thềm giảm sóng
hw: độ sâu nớc trên thềm giảm sóng
- Khi thềm giảm sóng ở dới mực nớc tĩnh thì hw > 0.
- Khi thềm giảm sóng ở trên mực nớc tĩnh thì hw < 0.
bf- Chiều rộng thềm giảm sóng (m).
Ls- chiều dài sóng (m)
Phơng pháp độ dốc tơng đơng thích hợp trong điều kiện:
m
T
= 1.0 ữ 4.0; m
D
= 1.5 ữ 3.0;
Ls
hw
= -0.067
ữ 0.067;
Ls
bf

0.25.

2-6. Tính toán áp lực sóng
I. áp lực sóng lên mái nghiêng:
1. áp lực sóng dơng:
Đối với mái dốc đợc gia cố bằng bê tông đổ tại chỗ hay tấm bê tông lắp ghép, khi hệ
số mái thoả mãn điều kiện 1.5
m 5 thì biểu đồ áp lực sóng dơng (sóng vỗ vào mái) có
dạng nh hình 2-10.







Hình 2-10: Biểu đồ áp lc sóng tính toán lớn nhất lên mái dốc đợc gia cố bằng các tấm bản.

40
Trong đó trị số áp suất sóng lớn nhất (p
2
) xác định theo công thức:
p
2
= K
no
.K
nb
.
2
p..H

s
(2-16)
Trong đó:
K
no
- hệ số xác định theo công thức:
K
no
= 0.85 + 4.8
s
s
L
H
+ m.(0.028-1.15
s
s
L
H
) (2-17)
K
nb
hệ số lấy theo bảng 2-11.
2
p- áp lực sóng tơng đối lớn nhất, lấy theo bảng 2-12.
- Trọng lợng riêng của nớc;
H
s
- Chiều cao sóng tính toán (với mức đảm bảo p%)

Bảng 2-11: Hệ số K

nb
Độ thoải của sóng
s
L
/H
s
10 15 20 25 35
K
nb
1.0 1.15 1.30 1.35 1.48

Bảng 2-12: Trị số áp lực sóng tơng đối
2
p
Chiều cao H
s
(m) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
4.0
Trị số
2
P
3.7 2.8 2.3 2.1 1.9 1.8 1.75 1.7

Độ sâu Z
2
tính bằng mét, của điểm chịu áp suất p
2
xác định theo công thức:
Z
2

= A +
)BA).(1m21.(
m
1
2
2
++
(2-18)
Trong đó:
A, B là các đại lợng tính bằng mét, xác định nh sau:
A = Hs.(0.47 + 0.023
2
2
s
s
m
m1
).
H
L
+
(2-19)
B = Hs.[(0.95 - 0.84m - 0.25).
s
s
L
H
] (2-20)
Độ cao Z
3

đợc xác định theo chiều cao sóng leo nêu ở tiết 2-5.

41
ở các phần gia cố mái cao hơn và thấp hơn điểm 2 (hình 2-10), lấy trị số tung độ biểu
đồ áp lực sóng nh sau:
ở khoảng cách l
1
= 0.0125L
m
và l
3
= 0.0265 L
m
: p = 0.4P
2

ở khoảng cách l
2
= 0.0325L
m
và l
4
= 0.0675 L
m
: p = 0.1P
2

Trong đó:
L
m

=
4
2
s
1m
Lm

(m) (2-21)
2. áp lực sóng âm (phản áp lực sóng):
Khi sóng rút, trị số tức thời của áp lực nớc lên tấm bảo vệ mái sẽ có hớng đẩy ngợc
từ dới lên trên theo phơng vuông góc với mặt tấm- đó là trị số áp lực sóng âm.
Cờng độ áp lực (áp suất) sóng âm xác định theo:
P
pa
= K
no
.K
nb
.
pa
p..H
s
(2-22)

Trong đó trị số K
no
, K
nb
, , H
s

nh đã giải thích ở trên;
pa
p - Trị số áp lực âm tơng đối, phụ thuộc vào bề rộng tấm bê tông (B
t
); vị trí đặt tấm
(X) và chiều dài L
s
, xác định theo các đồ thị hình 2-11











Hình 2-11: Đồ thị xác định áp suất sóng âm tơng đối
pa
p

Khi có các bậc cơ hoặc có các trị số thay đổi độ nghiêng trên từng đoạn mái dốc của
công trình thì tải trọng do sóng lên kết cấu gia cố mái cần đợc chính xác hoá theo các số
liệu thí nghiệm mô hình.

42
II. áp lực sóng lên các công trình bảo vệ bờ.
1. Đê ngầm giảm sóng:

Tải trọng sóng tác dụng lên đê trong trờng hợp bụng sóng lấy theo sơ đồ hình 2-12.
Biểu đồ áp lực sóng khi đó đợc xác định bởi các thông số Z
1
, Z
2
, Z
3
, Z
4
, P
1
, P
2
, P
3
. Cần
phân biệt 2 trờng hợp:
a) Khi độ dốc đáy i

0.04
- Tại độ sâu Z
1
: p
1
= (Z
1
+Z
4
) khi Z
1

< Z
2
; (2-23)
p
1
= p
2
khi Z
1
Z
2
(2-24)
- Tại độ sâu Z
2
: p
2
= H
s
.(0.015
h
Zh
23.0
h
L
1s

+ ) + Z
4
(2-25)
- Tại độ sâu Z

3
= h, p
3
= k
s
p
2
(2-26)
b) Khi độ dốc đáy i > 0.04:
- Tại độ sâu Z1: p
1
xác định theo (2-23) và (2-24)
- Tại độ sâu Z2: p
2
= (Z2 +Z4) (2-27)
- Tại độ sâu Z3 = h: p
3
= p
2
(2-28)
Trong đó:
Z1: Khoảng cách từ đỉnh công trình tới mực nớc tính toán;
Z2: Khoảng cách từ mực nớc tính toán tới chân sóng lấy theo đại lợng tơng đối
Z2/h ở bảng 2-13.
K5: Hệ số lấy theo bảng 2-14.
Z4: Khoảng cách từ mặt nớc sau đê ngầm giảm sóng tới mực nớc tính toán xác định
theo công thức:
Z4 = K
o
.(Z1+Z5)-Z1 (2-29)

K
o
- Hệ số lấy theo bảng 2-13
Z5: Khoảng cách trung bình thời gian từ đỉnh sóng trớc đê ngầm tới mực nớc tính
toán, lấy theo đại lợng tơng đối Z5/h ở bảng 2-13

43










Hình 2-12: Biểu đồ áp lực sóng lên đê ngầm giảm sóng

Bảng 2-13: Các thông số của sóng trớc đê ngầm
Chiều cao tơng đối
Của sóng H
s
/h
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Độ hạ thấp tơngđối
của chân sóng Z
2
/h
0.14 0.17 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28

Độ vợt cao tơng đối
của đỉnh sóng Z5/h
0.13 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.37
Hệ số K
o
0.76 0.73 0.69 0.66 0.63 0.60 0.57

Bảng 2-14: Hệ số Ks
Độ thoải của sóng Ls /Hs
8 10 15 20 25 30 35
Hệ số ks 0.73 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.0

2. Tờng chắn sóng xa bờ:
a) Khi công trình nằm ở vị trí sóng đổ lần cuối (hình 2-13a)
P
đ
= .Hs.(0.033.
h
Ls
+0.75) (2-30)
Z
đ
= P
đ
/ (2-31)

44
b) Khi vị trí công trình ở vùng gần mép nớc (hình 2-13,b)
Pm = (1 - 0.3
d

d
L
l
).P
đ
(2-32)
Z
đ
= Pm/ (2-33)
c) Khi vị trí công trình ở trên bờ sau đờng mép nớc, trong phạm vi sóng leo (hình
2-13,c):
Pb = 0.7(1 -
l
m
L
l
).P
đ
(2-34)
Z
đ
= Pb/ (2-35)
Trong đó:
Z
đ
- độ vợt cao của đỉnh sóng trên mực nớc tính toán ở mặt cắt tờng chắn sóng (m).
l
đ
- Khoảng cách từ mặt cắt sóng đổ lần cuối cùng tới công trình (m).
L

đ
- Khoảng cách từ mặt cắt sóng đổ lần cuối cùng tới mép nớc (m).
Lm- Khoảng cách từ mép nớc tới công trình (m).
L
l
- Khoảng cách từ mép nớc tới đờng giới hạn của sóng vỡ leo lên bờ khi không có
công trình (m).
L
l
= H
sl1%
.m (2-36)
H
sl1%
.Chiều cao sóng leo với mức đảm bảo 1% (m)
Nếu khoảng cách từ đỉnh công trình tới mực nớc tính toán Z
1
< 0.3Hs thì các trị số áp
lực sóng xác định theo công thức (2-30), (2-32), (2-34) phải đợc nhân với hệ số K
g
lấy
theo bảng 2-15.

Bảng 2-15: Hệ số K
g

Khoảng cách từ đỉnh công trình tới
mực nớc tính toán Z
1
(m)

+0.3Hs 0 -0.3Hs -0.65Hs
Hệ số K
g
0.95 0.85 0.80 0.50