Bài giảng hải dương học chương 3 đh thủy lợi

4/19/2009

Movement of water particles is circular and the orbit gets
smaller with depth until there is no motion at L/2.

Movement of water parcels is elliptical and the orbit gets
flatter until it is just a back and forth movement at
the bottom.

1


4/19/2009

4. Năng l-ợng sóng
1. Ph-ơng trình động năng sóng .

2. Ph-ơng trình thế năng.


dE t . dx. z. dz
0

. g
2

2 . dx
1
Et ..g.a 2 .
4

3. Năng l-ợng toàn phần của chất điểm n-ớc.
E = Eđ + Et
1/4/05

E


8

.h2 .
3

4. Tốc độ nhóm sóng
Định nghĩa

Tốc độ nhóm sóng là loại tốc độ đặc tr-ng mang năng
l-ợng sóng theo ph-ơng truyền sóng.

Cn
1/4/05

C1 C2
C1 C2

(4.1)
4

2

4/19/2009

4. Tèc ®é nhãm sãng (tt)
- NÕu C1C2C

Cn 

CC
C2
C


C  C 2  C 2 (4.2)

- §èi víi vïng n-íc n«ng

Cn 
-Khi

H





  2 

H



C 
2 
 1 
2  sh(2 ) 

th× (3) tiÕn tíi (2), cßn khi

H



0

(4.3)

th× , sh(2 )  2

khi ®ã tèc ®é nhãm sãng ®-îc tÝnh nh- lµ:

Cn 
1/4/05

C  2 
 1
C
2  2 

(4.4)

5

S

3


4/19/2009

Applicability of wave theories
0.1

Stokes 5th order

0.01

0.001

H
 0.142
L

deep water
breaking criterium

H
gT 2

Stokes 3rd order

shallow water
breaking criterium
H
 0.78
d

Stokes 2nd order

H
 26
gT 2

0.0001

0.0001

cnoidal
waves

linear wave theory
(Airy)

0.001

0.01

0.1

d
gT 2

1.0

4


4/19/2009

5. Qu¸ tr×nh h×nh thµnh sãng giã
Giai ®o¹n ph¸t sinh

Giai ®o¹n ph¸t triÓn

Giai ®o¹n æn ®Þnh

Giai ®o¹n triÖt tiªu
1/4/05

9

5


4/19/2009

Sự phát triển của sóng phụ thuộc vào:
1.
2.
3.
4.

Tốc độ gió (Wind speed - vw)
Đà gió (Wind Fetch - F)
Độ sâu nước (Water depth - h)
Thời gian duy trì gió (bão) (Storm duration - t)
 vw càng lớn sóng phát triển càng nhanh
 F càng lớn thì chiều cao sóng càng lớn
 h lớn  ảnh hưởng ma sát đáy nhỏ  sóng nhanh
chóng đạt tới trạng thái ổn định
 Thời hian duy trì dài sóng đạt tới trạng thái phát
triển hoàn toàn

Chiều cao sóng là hàm của vận tốc gió, độ
sâu nước và đà gió

6


4/19/2009

Chu kỳ sóng là hàm của vận tốc gió, độ sâu
nước và đà gió

Chiều cao sóng sóng là hàm của vận tốc
gió, thời gian gió thổi và đà gió

7


4/19/2009

Quá trình biến dạng sóng ven bờ
a- HiÖu øng n-íc n«ng
b- HiÖn t-îng khóc x¹ sãng
c- HiÖn t-îng nhiÔu x¹ sãng.
d- HiÖn t-îng ph¶n x¹ sãng
e- Sãng vì.
f- Sãng leo, Sãng tràn
g- N-íc d©ng

a. Hiệu ứng nước nông
Khi đi vào nước nông giả sử năng lượng sóng
không bị tiêu hao do ma sát
Năng lượng đơn vị không thay đổi
 Khi càng nông thì mực nước sẽ tăng lên tức thời
 Bước sóng sẽ giảm dần
 độ dốc sóng tăng lên
 Lưu tốc đỉnh lớn nhất Hiện tượng sóng đổ
Hiện tượng sóng vỡ
 Năng lượng sóng đã chuyển sang cho các chất điểm
nước hình thành dòng ven bờ

8


4/19/2009

Wave Shoaling

9

4/19/2009

a. Hiệu ứng nước nông




o 

C

o
Co

1/ 2

C 
H  H0 0 
C 

 H 0 .K S

C o  g. H o

C  g. H

Ks lµ hÖ sè n-íc n«ng

 = o

1/ 2



o

H
Ho

C 
KS   0 
 C 

 (2n tanh kh)1/ 2

2. Khúc xạ sóng

10


4/19/2009

b. Khúc xạ sóng

Refraction of Wave Rays
Basic Presumption:

Wave energy flux

P0

conserved between
rays

P0 = P1

P1

11


4/19/2009

Wave Energy Flux Conservation
P  EC g b

In deep water:
1
Po  Eo Co bo
2

From point 0 to 1:

P   ECg b    ECg b 
0

Cg 0
H1


H0
Cg1

1

b0
1 1 Co

b1
2n C

bo
 KS KR
b

Shoaling coefficient

Refraction coefficient

Snell’s Law

Refraction:

sin 1  sin  2

L1
C
 sin  2 1
L2

C2

Wave ray spacing:

b1 cos 1

b2 cos  2

12


4/19/2009

c. Sóng nhiễu xạ

d. Phản xạ sóng
Kr =1
Kr<1
Kr = 0

Kr = Hr/Hi

Sóng phản xạ hoàn toàn
Sóng phản xạ ko hoàn toàn
Không có phản xạ

Tường đứng có cao trình cao hơn mực nước
Tường đứng chìm dưới nước
Kết cấu mái nghiêng bằng đá đổ

Kr = 0.7 - 1
0.5 – 0.7
0.3--0.6
0.3

Tường đứng có đỉnh thấp bị nước tràn nhiều

0.7

Kết cấu đê chắn sóng có mái bê tông đúc sẵn

0.3--0.5
0.3

Đê chắn sóng có kết cấu tiêu năng

0.3--0.6
0.3

Bãi biển tự nhiên

0.05--0.2
0.05

13


4/19/2009

e. Sóng vỡ

Khi tốc độ chất điểm nước u > c sẽ có hiện tượng đổ
 các chất điểm nước vượt ra ngoài mặt cắt sóng
Hiện tượng sóng vỡ

14


4/19/2009

Chỉ số sóng vỡ (Chỉ số Iribarren)  
Công thức tính chiều cao sóng vỡ

 2
H b  0.142 L tanh 
 L

trong đó:
đó:
 
 Hs
 L0
 T
 
 Hb,h
 L

tan 
Hs
L0


h


= chỉ số sóng vỡ
= chiều cao sóng tới
= độ dài sóng ở vùng nước sâu (=1.56 T2)
= chu kỳ sóng
= góc dốc của mặt bãi trước
= chiều cao và độ sâu sóng vỡ
= chiều dài sóng

Wave Breaking Criteria
Deep water:

Shallow water:

Ho
1
 0.142 
Lo
7

Hb
 0.78
db

15

4/19/2009

Các dạng sóng vỡ
Tràn (spilling)  < 0.5
Cuôn (plunging) 0.5 <  < 3
Đổ (collapsing)  = 3
Dâng (surging)  > 3

Types of Wave Breaking

16


4/19/2009

Độ sâu sóng vỡ
Sóng tuyến tính
 = 0.78
Đối với sóng ngẫu
nhiên, và chiều cao
sóng là Hs ,
thì chỉ số  nên lấy
= 0.5 - 0.6

Breaker Depth Index
Hb/db is a function of wave steepness and slope

17

4/19/2009

 Sóng qua vùng nước nông
Ví dụ : Công trình kè bảo vệ bờ tại tỉnh N

Điều kiện thường: H0 = 1.5m, Tp = 6 s, MNBTB = 0.5m
Điều kiện bão: H0 = 5.0 m, Tp = 10 s, MNTK=3.5m
Góc sóng tới 300
a) Với các con sóng trên thì ở độ sâu nào được xem là nước sâu
b) Vị trí sóng vỡ cách chân đê bao xa, xác định hb, Hb
c) Xác định chiều cao sóng trước (chân) đê

f. Sóng leo là mực nước lớn nhất trên mái công trình R u

18


4/19/2009

Tính toán sóng leo trên mái dốc.
Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của N.N. Đrunkôvski
(1936) :
hsl = 3.2 .kn.h.tg
(1)
Trong đó:
h - độ cao sóng tr-ớc mái dốc công trình;
kn - hệ số nhám mái dốc,
nếu mái dốc là mặt nhẵn phẳng kn = 1.0 ,
nếu mái dốc phẳng lát đá kn = 0.77;
- là góc nghiêng của mái dốc.

Công thức này đ-ợc dùng trong điều kiện của mái dốc có hệ số
m=ctg. = 14 và độ dốc sóng /h = 7.

Tính toán sóng leo trên mái dốc (tt)
Năm 1947, B.A. P-skin cũng đã thí nghiệm với mái
dốc m = 16 và độ dốc sóng /h= 1020 và đ-a ra công
thức tính độ cao sóng leo:

hl

0.565
h.tg
n

(3)

ở đây n: hệ số nhám.
Cả hai công thức này đều cho kết quả tính lớn hơn so
với độ cao bình quân quan trắc đ-ợc từ 10 đến 20%.

19


4/19/2009

Tính toán sóng leo trên mái dốc (tt)
Năm 1975 Krasnozon G.F. đã đi đến kết luận sử dụng công thức:

hlp = k. kn.kp. kc .kw.k.hlo.hp

(9)

k - hệ số nhám cấu trúc.
kn - hệ số thấm mái dốc.
hlo- đô cao sóng leo t-ơng đối trên mái dốc chữ nhật phẳng
không thấm, đ-ợc xác định bằng các blểu đồ phụ thuộc vào
mái dốc và độ dốc sóng vùng n-ớc sâu hay ở độ sâu H = 2h.
kp - hiệu chỉnh tần suất,
kw - hiệu chỉnh tốc độ gió,
kc - hiệu chỉnh phổ sóng,
k - hệ số hiệu chỉnh h-ớng truyền sóng tới công trình

g. Nc dõng do súng
max = 0.3 br Hb
Trong ú:
br = Ch s súng v hoc giỏ tr ln nht ca H/h = 0.78
Hb =Chiu cao súng ti ng súng v (súng u)

20


4/19/2009

Các phương pháp tính sóng gió
a- Ph-¬ng ph¸p kinh nghiÖm
b- Ph-¬ng ph¸p n¨ng l-îng
c- Ph-¬ng ph¸p phæ sãng.

Đo đạc & sử dụng TL sóng toàn cầu (Global wave statistics – GWS)
a)

b)
c)
d)

Toàn bộ đại dương được chia thành 102 mảnh
Các tàu chuyên dùng và các tàu buôn được giao đo đạc sóng và gió
Hiện nay còn sử dụng vệ tinh để đo sóng
Việt nam nằm ở vùng 40

21


4/19/2009

Phân bố sóng trong thời đoạn dài
Hs

22


4/19/2009

Ví dụ về số liệu sóng dài hạn
Phân lớp
chiều cao
sóng Hs

Phân bố dài hạn (tiếp)
Từ cột cuối cùng có thể đi đến kết luận rằng:
100 % thời gian có H > 0 m s

23 % thời gian có H > 1 m s
12 % thời gian có H > 2 m s
::
::
0.01 % thời gian có H > 9 m s
.

23


4/19/2009

Tính toán tần suất bão từ tần suất sóng
Giả sử có một “cơn bão” duy trì trong vòng 12 hrs.
===> 730 cơn bão/năm
Tsuất có 1 cơn bão xhiện 1 lần/1 năm = 100/730 = 0.13 % => 6.7 m
Tsuất có 1 cơn bão xhiện 1 lần/10 năm = 0.013 % => 9.4 m
Tsuất có 1 cơn bão xhiện 1 lần/100 năm = 0.0013 % => 11.9 m

Sóng trong nghiên cứu thí nghiệm mô hình

Máng sóng

24


4/19/2009

Bể sóng

25