Đê chắn sóng - Chương 2

Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước
Chương 2
XÁC ĐỊNH THAM SỐ SÓNG VÀ MỰC
NƯỚC
2.1. Các quy định chung.
Khi xác định các thông số của sóng ở phía vùng nước không được che chắn và
trong các khu nước được che chắn phải xét đến các yếu tố hình thành sóng, tốc độ gió,
hướng gió, thời gian tác động liên tục của gió trên mặt nước. Kích thước và hình dạng
của vùng nước chịu gió, địa hình đáy biển và độ sâu vùng nước có xét đến các dao động
mực nước.
Mực nước tính toán và các đại lượng của gió phải xác định theo kết quả x
ử lý thống
kê các chuỗi số liệu quan trắc nhiều năm (≥25 năm). Khi xác định mực nước tính toán
phải xét đến các dao động do thuỷ triều, nước dâng và nước rút do bão, các dao động
theo mùa và theo năm.
Khi tính toán các thông số sóng phải chia biển thành các vùng sau đây:
- Vùng nước sâu: độ sâu
d
5.0d λ≥
, ở vùng này đáy biển không ảnh hưởng đến các
đặc trưng của sóng;
- Vùng nước nông: độ sâu d nằm trong phạm vi
crd
dd5.0 >≥λ
, ở vùng này sự lan
truyền của sóng và các đặc trưng của sóng chịu ảnh hưởng của đáy biển.
- Vùng sóng đổ: từ độ sâu d
cr
đến độ sâu d
cr,u
là độ sâu bắt đầu và kết thúc của sóng

đổ;
- Vùng mép nước: nơi có độ sâu
ucr
d
,
≤
, ở đó sóng vỡ tràn lên bờ có chu kỳ;
- Khi xác định độ ổn định và độ bền của công trình thuỷ và các cấu kiện, suất bảo
đảm tính toán của chiều cao sóng trong hệ sóng được lấy theo bảng:
Bảng 2- 1. Xác định suất bảo đảm của công trình thuỷ
Loại công trình thuỷ
Suất bảo đảm tính toán của
chiều cao sóng %
Công trình dạng đường
thẳng đứng
1
Công trình kiểu kết cấu hở
và vật liệu cản cục bộ:
- Cấp I
- Cấp II
- Cấp III


1
5
13
Công trình gia cố bờ:
- Cấp I, II
- Cấp III, IV

1
5
Công trình chắn sóng có mái
dốc gia cố bằng:
- Tấm, bản Bê tông
- Đá đổ, các khối kỳ dị


1
2
Khi xác định độ che chắn sóng của khu nước cảng chiều cao sóng lấy với suất bảo
đảm 5%;

2-1
Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước
Khi xác định chiều cao sóng leo chiều cao sóng lấy với suất bảo đảm là 1%.
Khi xác định tải trọng sóng lên công trình cần lấy chiều cao sóng với suất đảm bảo
h
i
và chiều dài trung bình
λ
của sóng.
2.2. Xác định tham số gió tính toán.
Do sóng được xét đến là sóng do gió gây ra và không xét sóng do các nguyên nhân
khác nên ta cần phải xác định các thông số gió trước khi xác định thông số sóng. Với gió
mạnh, sóng sẽ lớn và công trình sẽ có kích thước lớn. Tuy nhiên nếu ta lấy gió yếu thì
thông số sóng sẽ nhỏ, công trình sẽ có kích thước nhỏ, tuổi thọ của công trình ngắn. Để
dung hoà cần chọn thông số gió sao cho giá thành suy diễn của công trình là tối ưu.
p = 0,1k + E (2- 1)
Trong đó K là giá thành xây dựng cơ bản, E là giá thành duy tu trong một n

ăm.
Để đơn giản hoá trong quy phạm 22TCN 222-95 nêu tần suất của gió theo cơn bão
tính toán là:
2% (1 lần trong 50 năm)- đối với công trình cấp I và II;
4% (1 lần trong 25 năm)- đối với công trình cấp III và IV.
Theo yêu cầu trên ta cần xác định cấp công trình trước khi xác định tần suất gió.
2.2.1. Vận tốc gió của cơn bão tính toán.
Trên thực tế số liệu quan trắc của các cơn bão có thể không đầy đủ. Để xác định vận
tốc gió của cơn bão có chu kỳ lặp với N năm nào đó ta sử dụng phương pháp
Alếchxâyev.G.A Đặt giả thiết ta cần xác định giá trị của x trong chu kỳ lặp N năm khi có
số liệu trong m năm.
Alếchxâyep đề xuất công thức thực nghiệm sau:
n
xabS .lg −=
(2- 2)
Trong đó:
n - hằng số sao cho quan hệ
n
xS ~lg
là tuyến tính;
a, b - hằng số được xác định khi có quan hệ tuyến tính
n
xS ~lg
;
x - đại lượng ngẫu nhiên;
S
- số lần xuất hiện bình quân trong 1 năm theo các cấp giá trị của x.
Trước hết cần xác định giá trị n bằng cách cho một số giá trị và vẽ đồ thị quan hệ
n
xS ~lg

. Nếu giá trị n làm cho đồ thị
n
xS ~lg
là đường thẳng thì giá trị này của n là giá
trị được chấp nhận. Ta cần xác định giá trị của x xuất hiện 1 lần trong N năm, hay nói
cách khác
N
S
1
=
, thay vào công thức trên ta có:
n
axb
N
−=
1
lg
hay suy ra:
NbaxaxbN
nn
lglg +=⇒−=−
()
n
n
Nb
a
x
1
1
lg.

1
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
(2- 3)

2-2
Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước
a, b - hệ số trong phương trình đường thẳng
n
xabS .lg
−=
được xác định bằng
cách lấy 2 điểm có giá trị x
1
, x
2
bất kỳ trên đồ thị và giải hệ phương trình:
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
−=
−=

n
n
xabS
xabS
22
11
.lg
.lg
(2- 4)
Trình tự tính toán thực hiện như sau:
-Lập bảng phân cấp giá trị của x và số lần xuất hiện của từng năm theo các cấp, tính
giá trị
m
S
S =
theo mỗi cấp, S là tổng số lần xuất hiện trong một cấp của m năm.
Bảng 2- 2. Phân cấp giá trị x và số lần xuất hiện
Số lần xuất hiện v
i
≥ v theo cấp sau
Năm
2 m/s 5 m/s 10 m/s 20 m/s 30 m/s 50 m/s
1963 m
11
m
12
m
13
... ... ...
1964 m

21
m
22
m
23
... ... ...
.....
1999 m
n1
m
n2
m
n3
.... .... ....
Với số năm quan trắc là m ta có:
S
∑
=1j
1j
m

∑
=1j
2j
m

.... .... .... ....
S

m

S
1

m
S
2

m
S
3

.... .... ....
Slg

1
lg S

2
lg S

3
lgS

.... .... ....
Cho n một số giá trị ví dụ 0,8; 1; 1,2; vẽ đồ thị quan hệ giữa
Slg
và v
n
Trong ví dụ trên khi n =1,0 thì quan hệ
Slg

và v
n
là đường thẳng nên ta chấp nhận
giá trị này. Lấy hai điểm bất kỳ trên đường thẳng ta có
và
n
2
n
1
v,v
21
lg,lg SS
dựa vào hệ
phương trình:
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
−=
−=
n
n
vabS
vabS
22
11
.lg
.lg

Xác định a, b với cấp công trình đã cho ta có chu kỳ lặp N có thể là 25 năm hoặc 50
năm, giá trị v được xác định theo công thức (2.3).
2.2.2. Chuyển tốc độ gió sang điều kiện mặt nước.
Khi xác định tham số sóng và nước dồn cần chuyển vận tốc gió sang điều kiện mặt
nước. Tốc độ gió trên 10m so với mực nước trên biển được xác định theo công thức:
ttfw
v.K.Kv =
(2- 5)
Trong đó:
v
t
- tốc độ gió ở độ cao 10m trên mặt đất, lấy trong khoảng 10’ với suất bảo đảm
đã xác định.
K
f
- hệ số tính đổi tốc độ gió bằng máy đo gió, xác định theo công thức:

2-3
Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước
t
f
v
5,4
675,0K +=
(2- 6)
(nhưng không lớn hơn 1)
K
t
- hệ số tính đổi tốc độ gió sang điều kiện mặt nước, K
t

=1 khi tốc độ gió v
t
đo
trên địa hình là bãi cát bằng phẳng và xác định theo bảng 2.3 với các dạng địa hình
khác.
Bảng 2- 3. Giá trị hệ số K
t
Giá trị K
t
khi địa hình thuộc loại Tốc độ gió v
t

(m/s)
A B C
10 1,10 1,30 1,47
15 1,10 1,2 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
A- địa hình trống trải (bờ biển, đồng cỏ, rừng thưa, đồng bằng);
B - thành phố rừng rậm hoặc địa hình tương tự có chương ngai vật phân bố đều,
chiều cao hơn 10m so với mặt đất;
C - địa hình thành phố với nhà chiều cao hơn 25m.
2.2.3. Xác định đà gió.
Khi xác định sơ bộ các thông số sóng thì giá trị của đà gió (m) đối với vận tốc gió
tính toán v
w
(m/s) cho trước được xác định theo công thức:

w
visw
v
KL
υ
=
(2- 7)
Trong đó:
K
vis
- hệ số, lấy bằng 5.10
11
;
υ
- hệ số nhớt động học của không khí lấy bằng 10
-5
m
2
/s.
Giá trị đà gió lớn nhất L
w
(m) cho phép lấy theo bảng đối với vận tốc gió tính toán
cho trước.
Bảng 2- 4. Giá trị đà gió theo v
w
Tốc độ gió v
w
m/s 20 25 30 40 50
Giá trị đà gió L.10
-3

(m) 1600 1200 600 200 100
2.3. Mực nước lan truyền sóng.
2.3.1. Mực nước tính toán.
Khi xác định thông số sóng và tính tải trọng sóng cũng như cao trình đỉnh công
trình ta cần xác định mực nước lan truyền sóng. Để có mực nước này ta cần xác định mực
nước tính toán và nước dâng do gió.
Mực nước tính toán được lấy không lớn hơn:

2-4
Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước
1% (1 lần trong 100 năm) đối với công trình cấp I;
5% (1 lần trong 20 năm) đối với công trình cấp II, III;
10% (1 lần trong 10 năm) đối với công trình cấp IV.
2.3.2. Chiều cao nước dâng do gió.
Chiều cao nước dâng do gió (∆h
set
) được xác định qua quan trắc thực tế. Nếu không
có số liệu quan trắc thực tế thì có thể xác định ∆h
set
theo phương pháp đúng dần (coi độ
sâu đáy biển là hằng số)
()
bw
set
2
w
wset
hcos.
h.5,0dg
L.v

.Kh ∆+α
∆+
=∆
(2- 8)
Trong đó:
∆h
b
- nước dâng do bão (chênh lệch áp suất),
n
b
P
h
γ
∆
=∆
;
∆P - độ chênh áp;
γ
n
- trọng lượng riêng của nước;
∆h
set
- nước dâng do nước dồn và bão;
L
w
- đà gió;
v
w
- vận tốc gió tính toán;
d - độ sâu trung bình trên đà gió;

K
w
- hệ số lấy theo bảng 2.4;
w
α
- góc hợp của hướng gió với pháp tuyến của đường bờ.
Bảng 2- 5. Hệ số K
w
v
w
(m/s) K
w
20 2,1.10
-6
30 3,0.10
-6
40 3,9.10
-6
50 4,8.10
-6
2.3.3. Mực nước lan truyền sóng:
∇ lan truyền sóng = ∇ MNTT + ∆h
set
(2- 9)
2.4. Xác định thông số sóng khởi điểm.
2.4.1. Thông số sóng trong vùng không ảnh hưởng đường bờ.
Chiều cao trung bình
d
h
(m) và chu kỳ trung bình của sóng

T
(s) ở vùng nước sâu
phải xác định theo đường cong bao trên cùng ở đồ thị 2.1. Căn cứ vào các giá trị của các
đại lượng không thứ nguyên
, , để xác định các trị số
w
V/gt
2
/
w
VgL
2
/
w
Vgd
2
/
Wd
Vhg
và
w
V/Tg
, lấy các giá trị bé nhất tìm được để tính ra chiều cao và chu kỳ trung bình của
sóng. Thời gian gió thổi t lấy bằng 21600s khi không có số liệu.

2-5
Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước
Nếu điểm tra nằm ngoài vùng đồ thị thì chỉ tra trên đường cong bao trên và khẳng
định được sóng khởi điểm là sóng nước sâu, nếu điểm tra nằm dưới đường cong bao trên
thì sóng khởi điểm sóng nước nông.

Khi tốc độ gió thay đổi dọc theo đà gió thì cho phép lấy
d
h
theo kết quả xác định
liên tiếp chiều cao sóng cho các đoạn có tốc độ gió không đổi.
2.4.2. Thông số sóng trong vùng ảnh hưởng đường bờ
Hình dạng đường bờ được coi là phức tạp nếu tỷ số L
max
/L
min
≥2, trong đó L
max
và
L
min
tương ứng là tia ngắn nhất và dài nhất trong số các tia vẽ từ điểm tính toán trong
phạm vi hình quạt
hai bên hướng gió cho đến điểm giao cắt với đường bờ phía đầu
gió, trong đó các chướng ngại vật với góc mở ≤22,5
0
45±
0
không cần xét đến.
Đối với vùng mà thông số sóng hình thành do có sự ảnh hưởng của đường bờ thì
thông số sóng khởi điểm
d
h
,
T
sẽ được xác định theo cách sau;

-Lấy hướng gió chính;
-Lấy thêm về 2 bên 3 tia (3 phương truyền sóng), góc hợp mỗi tia là 22,5
0
;
-Xác định đà gió theo mỗi tia: kéo dài các tia sao cho cắt đường bờ.
Đà gió trên mỗi tia

[
1
min
L
L
i
b
L =
Xác định
: hình chiếu của trên tia chính.
ni
L
i
L
Dựa vào chiều sâu trung bình
, , thời gian gió thổi t xác định
i
d
ni
L
i
h
.

()( ) ( )
2
4
2
4
2
3
2
3
2
2
2
2
2
1
5,31321251,0
−−−
++++++= hhhhhhhh
d
(2- 10)
Chu kỳ sóng xác định theo phương pháp 7 tia được xác định từ giá trị
d
h

d
h
→
w
2
V

h.g
→
w
V
T.g
→
T
→
π
=λ
.2
T.g
2
d

2.4.3. Thông số sóng trong vùng có nhiều vật cản nhỏ.
Trong trường hợp trong vùng hình thành thông số sóng có nhiều vật cản thì cách
xác định chiều cao sóng
d
h
như sau:
-Vẽ 7 tia giống như phương pháp 7 tia;
-Xác định chiều cao sóng
i
h
trên mỗi tia;
-Lấy về 2 bên tia hợp 1 góc 11,25
0
.
Chiều cao sóng trên 1 tia:

mj
2
m
1j
mj
ni
2
n
1i
nin
h.h.xh
∑∑
==
ν+=
(2- 11)
Trong đó:
mjni
,x ν
- là kích thước góc của một vật cản thứ i và của khoảng hở thứ j giữa các
vật cản;

2-6
Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước
mjni
h,h
- là chiều cao sóng trung bình được xác định dựa vào đà gió sau khi
đã lấy hình chiếu lên tia chính;
mjni
L,L
0

ni
ni
5,22
x
α
=
;
0
mj
mj
5,22
β
=ν

Sau khi xác định được các khoảng hở và các khoảng bị che bởi vật cản ta xác định
được kích thước góc của chúng. Sau đó xác định được đà gió trong mỗi khoảng: đó là
khoảng cách từ mép vật cản gần nhất đến điểm tính. Trong trường hợp của khoảng hở thì
tính từ đường bờ hoặc lấy theo đà gió xác định theo vận tốc gió.

Hình 2- 1. Đồ thị xác định chiều cao, chu kỳ sóng.
2.4.4. Chiều dài sóng khởi điểm.
Chiều dài trung bình
d
λ
của sóng xác định theo công thức sau:
π
=λ
2
Tg
2

d
(2- 12)
2.4.5. Chiều cao sóng với suất bảo đảm i%.
Chiều cao sóng có suất bảo đảm i% trong hệ h
d,i
(m) phải xác định bằng cách nhân
chiều cao trung bình của sóng với hệ số k
i
lấy từ hình 2.2 ứng với đại lượng không thứ
nguyên
2
.
w
VLg
. Khi đường bờ có hình dạng phức tạp thì trị số
2
w
VL.g
phải xác định
theo đại lượng
2
.
wd
Vhg
và đường cong bao trên cùng của hình 2.1.
Các thông số của sóng với suất bảo đảm 1; 2; 4% phải lấy theo các hàm phân bố
được xác định theo các số liệu hiện trường, còn nếu không có hoặc không đủ các số liệu
đó thì lấy theo kết quả xử lý các bản đồ khí tượng. Khi sóng khởi điểm là nước nông thì
tra theo L, d sau đó lấy giá trị nhỏ nhất.

2-7
Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước

Hình 2- 2. Đồ thị xác định k
i

2.4.6. Độ vượt cao của sóng.
Độ cao của đỉnh sóng trên mực nước tính toán
c
η
(m) phải tính toán theo trị số
ic
hη
xác định từ hình 2.3 ứng với giá trị
2
.Tgh
i
đã cho, trong đó lấy
d
d
λ
=0,5 với
sóng nước sâu, với sóng nước nông tra theo giá trị cụ thể.

Hình 2- 3. Đồ thị xác định
η
c
2.4.7. Phân vùng sóng khởi điểm.
Khi đã xác định được tham số sóng khởi điểm có thể là sóng nước sâu, có thể sóng
nước nông, ta cần xác định ranh giới của vùng sóng khởi điểm.

Vẽ mặt cắt dọc theo phương của gió.
-Nếu là sóng nước sâu lấy từ MNTT một đoạn
2
λ
;
-Nếu là sóng nước nông: ranh giới của sóng khởi điểm là vùng độ dốc i< 0,001
(Trong trường hợp giá trị của suất bảo đảm nằm ngoài đường cong trên thì dùng
phương pháp nội suy).
2.5. Thông số sóng trong vùng i
≤
0,001.

2-8
Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước
Chiều cao sóng trung bình trong vùng từ ranh giới nước sâu đến vị trí i=0,001 dược
xác định như sau:
- Xác định đà gió L
2
trong khoảng ranh giới sóng nước sâu và i=0,001, độ sâu tương
ứng là d
1
và d
2
;
- Xác định đà gió tương đương L
1
khi biết
d
h
và d

1
(bằng cách tra ngược lại);
- Xác định chiều cao, chu kỳ sóng khi biết đà gió L
1
+L
2
và độ sâu d
2
.
- Chiều cao sóng h
i
lấy bằng
i
kh
trong đó k
i
tra theo L, d sau đó lấy giá trị nhỏ nhất.
Độ vượt cao của sóng xác định như sóng khởi điểm.
2.6. Thông số sóng biến dạng (độ dốc đáy i
≥
0,001).
2.6.1. Chiều cao sóng biến dạng.
Chiều cao sóng có suất bảo đảm i% ở vùng nước nông với độ dốc đáy được
xác định theo công thức:
0010,≥
d
h
ilrti
kkkkh =
(2- 13)

k
t
- hệ số biến hình;
k
r
- hệ số khúc xạ;
k
l
- hệ số tổn thất;
k
i
- được xác định như sóng nước sâu.
Hệ số biến hình k
t
lấy trên đồ thị 2.5 theo đường cong 1 và tỷ số
d
d
λ
.
2.6.2. Hệ số khúc xạ.
Hệ số khúc xạ được xác định theo công thức:
a
a
k
d
r
=
(2- 14)
Trong đó:
a

d
- khoảng cách giữa các tia sóng cạnh nhau vùng nước sâu (m);
a - khoảng cách giữa các chính các tia sóng đó nhưng theo đường thẳng vẽ qua
một điểm cho trước ở vùng nước nông (m).
Trên mặt bằng khúc xạ, các tia sóng ở vùng nước sâu phải lấy theo hướng lan
truyền sóng đã cho trước, còn ở vùng nước nông thì phải kéo dài các tia đó phù hợp với
sơ đồ và các đồ thị trên hình 2.5.

2-9
Chương 2. Xác định tham số sóng và mực nước

Hình 2- 4. Sơ đồ khúc xạ sóng

Hình 2- 5. Đồ thị xác định k
t
.
Hệ số tổn thất k
l
lấy theo bảng 2.6 ứng với các giá trị đã biết của đại lượng
d
d
λ
(d -
chiều sâu khu nước) và độ dốc đáy i, khi
thì k
03,0i ≥
l
=1.
Bảng 2- 6. Xác định k
l

Giá trị k
l
khi độ dốc i bằng Độ sâu tương đối
d
d
λ

0,025
0,02÷0,002
0,01 0,82 0,66
0,02 0,85 0,72
0,03 0,87 0,76
0,04 0,89 0,78
0,06 0,9 0,81

2-10