Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt
K thut Cụng ngh
PHN TCH CC PHNG PHP TNH TI TRNG SểNG
LấN ấ CHN SểNG DNG TNG NG
Nguyn Iờng V *, Nguyn Th Duy**
TểM TT
p lc súng khụng v lờn tng ng c tớnh toỏn theo cỏc phng phỏp t n gin
n phc: theo lý thuyt súng tuyn tớnh, cỏc phng phỏp theo lý thuyt súng phi tuyn (Sainflou,
Miche Rundgren), phng phỏp tớnh theo tiờu chun ngnh 22TCN 222-95 ca Vit Nam, tiờu
chun k thut Cụng trỡnh cng Nht Bn, phng phỏp da trờn li gii bc bn ca phng trỡnh
Laplace (Goda v Kakikazi) v li gii ca phng trỡnh Navier Stokes (Duy) c s dng tng
chớnh xỏc cho cỏc giỏ tr tớnh toỏn. Kt qu tớnh toỏn c kim nh vi s liu thc nghim ca
Goda v Kakikazi (1966). Kt qu cho thy, cỏc phng phỏp ca Goda v Kakikazi (1966), Duy
(1996) v 22TCN 222-95 cho kt qu khỏ tt so vi s liu thc nghim.
T khúa: ti trng súng, ờ chn súng dng tng ng, tiờu chun ngnh22TCN222-95,
Goda and Kakikazi
ANALYSING METHODS OF CALCULATING THE WAVE LOADS
ON VERTICAL WALL BREAKWATER FORM
ABSTRACT
Wave load of non-breaking wave impacts on vertical wall breakwater is computed according
to the methods from the simple to the complex, such as: linear wave theory, the methods according
to the non-linear wave theory (Sainflou, Miche Rundgren), the method in 22TCN 222-95 standard,
the methods based on quaternary solution of the Laplace equation (Goda and Kakikazi) and the
solution of the Navier - Stokes equation (Duy) are used to increase the accuracy of the computed
values. The computation results of non-breaking wave impacts on vertical wall are verified by the
empiric data of Goda and Kakikazi (1966). It shows that the methods of Goda and Kakikazi (1966),
Duy (1996) and 22TCN 222-95 (branch standard) give good result to the empiric data.
Key Wrord: wave load, vertical wall breakwater, 22TCN222-95 standard, Goda and Kakikazi
*
**
Vin Vt lý thnh ph H Chớ Minh. Email:
Trng i hc Bỏch Khoa, i hc Quc gia thanh phụ Hụ Chi Minh.
76
Phân tích các . . .
I. GIỚI THIỆU
Tải trọng sóng là yếu tố rất quan trọng
trong xây dựng công trình biển, nó là yếu tố
quan trọng quyết định sự bền vững và tuổi thọ
của công trình. Tải trọng thường được xác định
theo 2 cách: theo hình thức kết cấu chịu lực tác
động và theo hình thức tác động của sóng đối
với kết cấu. Theo hình thức kết cấu chịu lực
tác động gồm có: kết cấu công trình trên nền
cọc, kết cấu công trình dạng tường và kết cấu
công trình dạng đá đổ. Theo hình thức tác động
của sóng tác động lên công trình: sóng không
vỡ (non-breaking waves), sóng vỡ (breaking
waves), sóng đã vỡ (broken waves).
Nghiên cứu này trình bày các phương
pháp tính tải trọng sóng không vỡ lên đê
chắn sóng dạng tường đứng. Các kết quả tính
toán sẽ được so sánh với số liệu thực nghiệm
để từ đó đề xuất phương pháp tính toán tải
trọng sóng cho kết quả đúng nhất.
II. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH
TOÁN TẢI TRỌNG SÓNG LÊN TƯỜNG
ĐỨNG
1. Lý thuyết sóng tuyến tính
Khi độ cao sóng tương đối nhỏ (H/h <<
1 và H/L << 1), lý thuyết sóng biên độ nhỏ
có thể áp dụng để phân tích phân bố áp lực
sóng [2]:
p
kH 2 sin 2 ωt
{sinh 2 k (d + η0 ) − sinh 2 k (d + z )}
=− z +
rg
sinh 2kd
cosh k (d + z ) cosh k (d + η0 )
+ η0 1 +
−
cosh kd
cosh kd
(1)
2. Phương pháp Sainflou
Sainflou (1928) đã dựa trên lý thuyết
sóng trocoide ở nước cạn để tính tải trọng
sóng lên công trình đối với sóng có dao động
lớn [4, 6]:
trong đó: H – chiều cao sóng tới, k – số sóng
(k = 2π/L, L – chiều dài sóng), ω – tần số góc
(ω = 2π/T, T – chu kỳ sóng ), c – vận tốc sóng,
t – thời gian, d – chiều sâu nước trước tường, x,
z – tọa độ theo phương ngang và phương đứng.
p
cosh k (h + z0 ) sinh k (h + z0 )
=
− z0 + H
−
cos kx0 cos ωt (2)
rg
sinh kh
cosh kh
3. Phương pháp Miche-Rundgren
Phương pháp Sainflou (1928) cho kết quả
tính tải trọng sóng lên tường đứng khá tốt đối
với sóng có độ dốc thấp, nhưng khi áp dụng
cho sóng có độ dốc lớn thì kết quả sai lệch
khá nhiều (được Rundgren kiểm định bằng thí
nghiệm năm 1958). Năm 1944, Miche đã sử
pI =
dụng lý thuyết sóng bậc cao hơn để cái tiến
phương pháp của Sainflou. Sau đó, phương
pháp này tiếp tục được Rundgren cải tiến vào
năm 1958 [1].
Khi đỉnh sóng xuất hiện ngay trước tường,
tải trọng tăng lên từ 0 ở mặt thoáng cho tới
γ d + pI ở đáy, trong đó pI được tính như sau:
1 + χ γ Hi
2 cosh(kd )
77
(3)
Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt
Khi chõn súng xut hin ngay trc tng, ti
trng tng lờn t 0 mt thoỏng cho ti d pI
ỏy. ln xp x ca ti trng súng cú th
c xỏc nh nu ỏp sut c gi s tng
tuyn tớnh t mt thoỏng xung ỏy. Tuy nhiờn,
xp x ny cú th sai s ln khi dc súng gn
t n gii hn v ca súng.
4. Tiờu chun thit k 22 TCN 222-95
Tiờu chun ngnh 22 TCN 222-95 l tiờu
chun hng dn tớnh toỏn ti trng v tỏc
ng (do súng v do tu) lờn cụng trỡnh thy
Vit Nam [7].
Bng 1: V trớ v ti trng tng ng do súng ng tỏc ng lờn tng ng
Khi chu nh súng
sõu z
Giỏ tr ỏp lc súng
c
0
0.25d
0.5d
d
sõu z
Khi chu chõn súng
Giỏ tr ỏp lc súng
0
p1 = 0
p2 = k2 H
p3 = k3 H
p4 = k4 H
p5 = k5 H
t
0.5d
d
p6 = 0
p7 = t
p8 = k8 H
p9 = k9 H
i p1 mc nc tnh, bng 0 chiu cao
bờn trờn mc nc tnh v p2 ỏy bin, ỏp
lc súng t ỏy ti nh ca tng thng ng
c tớnh nh sau [3]:
*
5. Tiờu chun k thut Cụng trỡnh cng
Nht Bn (TCNB)
Khi nh súng xut hin ngay trc tng,
ỏp lc súng phõn b tuyn tớnh vi giỏ tr cc
V trớ nh súng tip cn cụng trỡnh:
=
* 0.75(1 + cos b )l1 H D
Ti mc nc tnh, z = 0, ỏp lc súng ln nht tỏc ng lờn cụng trỡnh:
p1 = 0.5(1 + cos b )(a1l1 + a2 l2 + cos 2 b ) r w gH D
Ti ỏy bin, z = -d :
p1
p2 =
cosh kd
Ti ỏy cụng trỡnh hay nh m ỏ, z = h:
trong ú: H D chiu cao súng tớnh toỏn,
b gúc gia ng phỏp tuyn vi tng
ng v hng ti ca súng, l 1, l 2, l 3, 1,
2, 3 cỏc h s hiu chnh.
Khi chõn súng xut hin ngay trc
tng, ỏp lc súng bng 0 mc nc
tnh v cú mt giỏ tr khụng i p n t mt
chiu sõu 0.5H D di mc nc tnh cho
p3 = a 3 p1
(4)
(5)
(6)
(7)
ti chõn tng.
pn = 0.5 H D
(8)
6. Phng phỏp da trờn li gii bc cao
ca phng trỡnh Laplace (Goda v Kakizaki)
Nm 1960, Tadjbaksh v Keller ó gii
bi toỏn giỏ tr biờn theo phng trỡnh Laplace
vi xp x bc ba. n nm 1966, Goda v
Kakizaki m rng lờn thnh li gii bc bn
78
Phân tích các . . .
cho kết quả áp lực sóng như sau [8]:
p( x , y, t ) =− y + ε p(0) + ε 2 p(1) +
7. Phương pháp dựa trên lời giải phương
trình Navier – Stokes
Năm 1996, Nguyễn Thế Duy đã tính được
phân bố áp lực của sóng đứng lên tường đứng
ε 3 (2) ε 4 (3)
p +
p
2
6
(9)
bằng cách giải hệ phương trình bảo toàn về
khối lượng và động lượng của Navier-Stokes
trên lưới so le bằng phương pháp sai phân hữu
hạn [5].
Các phương trình chủ đạo từ được biến đổi trong miền tính toán như sau:
∂u
∂u
∂w
+ηx
+ηz
=
0
∂ξ
∂η
∂η
1 ∂P
∂u
∂u ∂u 2
∂u 2
∂ (uw)
∂P
+ ηt
+
+ηx
+ηz
=
−
+ηx
r ∂ξ
∂τ
∂η ∂ξ
∂η
∂η
∂η
2
∂ 2u
∂η
∂η
∂ 2u
2
2 ∂ u
+ v 2 + 2η x
+ (η x + η z ) 2 + x + η x x
∂ξ∂η
∂η ∂ξ
∂η
∂ξ
∂u
∂η
η ∂P
∂w
∂w ∂ (uw)
∂uw
∂w2
+ ηt
+
+ηx
+ηz
=− g − z
∂τ
∂η
∂ξ
∂η
∂η
r ∂η
∂2w
∂η ∂w
∂2w
∂ 2 w ∂η
+ v 2 + 2η x
+ (η x2 + η z2 ) 2 + x + η x x
∂ξ∂η
∂η ∂ξ
∂η ∂η
∂ξ
(10)
(11)
(12)
III. CÁC TRƯỜNG HỢP TÍNH TOÁN
Các phương pháp trên được tính toán
với các trường hợp cụ thể theo số liệu thực
nghiệm của Goda và Kakizaki (1966) được
trình bày trong bảng 1.
Bảng 1: Thông số thí nghiệm tải trọng sóng của Goda và Kakizaki (1966) [8]
Trường hợp
s
d (cm)
H (cm)
T (s)
TH1
0
70
17.1
2.31
TH2
0
70
26.4
2.33
TH3
0
70
14.4
2.86
TH4
0
70
263
2.88
TH5
0
70
37.6
2.33
(với: s – độ dốc đáy, d – chiều sâu nước, H – độ cao sóng, T – chu kỳ sóng)
79
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
IV. KẾT QUẢ TÍNH TỐN
1. Kết quả tính tốn theo các trường hợp
Hình 1:
Phân bố áp lực sóng lên tường đứng trong TH1
Hình 2:
Phân bố áp lực sóng lên tường đứng trong TH2
Hình 3:
Phân bố áp lực sóng lên tường đứng trong TH3
Hình 4:
Phân bố áp lực sóng lên tường đứng trong TH4
Hình 5:
Phân bố áp lực sóng lên
tường đứng trong TH5
80
Phân tích các . . .
2. Độ lệch của giá trị áp lực sóng tính toán so với thí nghiệm
Bảng 2 trình bày giá trị của độ dốc sóng H/L và giá trị tiêu chuẩn cho sóng bể vỡ (H/L)b
theo các trường hợp, trong đó giá trị (H/L)b được tính theo công thức của Miche (1944) như sau:
H
(13)
= 0.14 tanh(kd )
L b
81
Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt
Bng 2: dc súng theo cỏc trng hp thớ nghim
H/L
(H/L)b
TH1 TH2 TH3 TH4 TH5
0.031 0.047 0.020 0.037 0.067
0.093 0.092 0.077 0.077 0.092
T cỏc kt qu trờn, ta thy rng giỏ tr
H/L cú nh hng quan trng trong vic chn
phng phỏp tớnh toỏn ỏp lc súng lờn tng
ng. Nu H/L nh hn 0.4(H/L)b cỏc phng
phỏp Duy, Goda v Kakizaki, 22TCN 222-95
cho kt qu tớnh toỏn ỏp lc súng lờn tng
ng tt hn cỏc phng phỏp cũn li. Cũn
nu H/L ln hn 0.4(H/L)b ta s dng cỏc
phng phỏp Duy, Goda v Kakizaki s cho
ra kt qu tớnh toỏn ti trng súng lờn tng
ng tt nht. iu ny c th hin trong
bng 3.
Bng 3: iu kin s dng cỏc phng phỏp tớnh ỏp lc súng
T s H/L v (H/L)b
Phng phỏp tớnh toỏn
Duy
Goda v Kakizaki
22TCN 222-95
Duy
Goda v Kakizaki
< 0.4
> 0.4
V. KT LUN
Kt qu tớnh toỏn v so sỏnh cỏc phng
phỏp tớnh toỏn ti trng súng khụng v tỏc
ng lờn ờ chn súng dng tng ng cho
thy chớnh xỏc ca cỏc phng phỏp rt
chờnh lch. Do ú, cn phi chn phng
phỏp tớnh phự hp trong tng iu kin c
th cú kt qu tớnh toỏn tt nht. Cỏc
phng phỏp c xut dựng tớnh
toỏn ti trng súng khụng v tỏc ng lờn
ờ chn súng dng tng ng c trỡnh
by trong bng 3.
82
Phân tích các . . .
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Coastal Engineering Research Center (1984). Shore Protection Manual. Vol II.
[2] Đinh Văn Ưu, Nguyễn Thọ Sáo, Phùng Đăng Hiếu (2006). Thủy lực biển. NXB Đại học Quốc gia
Hà Nội.
[3] Hội Cảng – Đường Thủy và Thềm lục địa Việt Nam (2004). Tiêu chuẩn Kỹ thuật và Chú giải đối với
các công trình Nhật Bản.
[4] Kyoshi Horikawa (1978). Coastal Engineering. University of Tokyo Press.
[5] Nguyen The Duy (1996). A Tubulent Flow and Sand Suspension Model in the Surf Zone. Ph.D.
Dissertation, Dept. Civil Engineering, Yokohama Nation University.
[6] Trần Minh Quang (2006). Công trình biển. NXB Giao thông vận tải.
[7] Tiêu chuẩn ngành 22TCN 222-95 (1995). Tải trọng và tác động (do sóng và tàu) lên công trình thủy.
[8] Yoshimi Goda, Shusaku Kakizaki (1996). Study on Finite Amplitude Standing Waves and Their
Pressures upon a Vertical Wall. Report of Port and Habour Research, Institute Ministry of Transport
Japan. Vol. 5, No. 10.
Lễ kỷ niệm 15 năm thành lập trường và khai giảng năm học mới.
83