Bài giảng sóng trong kỹ thuật bờ biển

SÓNG TRONG KỸ THUẬT BỜ BIỂN

Viện QH Thủy Lợi
04/01/2007

Thiều Quang Tuấn

www.coastal.wru.edu.vn
Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Hình thành sóng
Mơ tả sóng, truyền sóng

NỘI DUNG

Thủy động lực học sóng

• Các khái niệm cơ bản
• Sóng qua vùng nước nơng
• Quan trắc sóng

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Vẻ đẹp ?? Thiên tai ??

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Sóng thần (Tsunami), 2004

/>
300,000 mạng người

Patong, Thailand

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Xói lở bờ bãi biển
(điều kiện thường)

Haitrieu 1995

Haitrieu 2001

Haitrieu 2003
Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Hậu Lộc, 2005

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Cát Hải, 2005
Hải Thịnh, 2005

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Hịa Dn, 2003
(sóng trong bão)

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Một số dạng tác động của sóng lên cơng trình

dịng

dịng, rối mạch động

dòng, lực động

gây mất ổn định

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Các khái niệm cơ bản

Sự hình thành và phân loại
Loại sóng
Mao dẫn
Sóng gió,
sóng cồn

Lực dẫn
Sức căng mặt ngồi

Chu kỳ
<0.1 sec.

Trọng lực

1 – 12 sec.

Sóng thần
(Tsunami)

Trọng lực

10 min. – 2 hrs.

Nước dâng

Trọng lực và trái đất
quay

1 – 10 hrs.

Thủy triều

Trọng lực, lực hấp
dẫn

12 – 24 hrs.

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển

Dòng
&
áp lực

Mực
nước
biển


Các khái niệm cơ bản

Sóng (do) gió

 2π x 2π t 
H
−
cos 
Đặc trưng 1 con sóng đơn (đều) η =

2
T 

 L
Tp

1.5
1

H (m)

0.5

H

a

0
0

5

10

15

-0.5
-1

Tm

-1.5

T (sec.)

20

a – biên độ
H – chiều cao
L – chiều dài (bước)
Tp – chu kỳ đỉnh
Tm – chu kỳ trung bình cắt 0

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Các khái niệm cơ bản

Các lý thuyết sóng
nước
nơng

trung gian

nước sâu
bậc 4
bậc 3

bậc 2

tuyến tính

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển

Các khái niệm cơ bản

Các thông số cơ bản theo thuyết sóng tuyến tính
Biên độ nhỏ : a <0 < d/L < 1/20
nước nông

1/20< d/L < 1/2
nước trung gian

d/L > 1/2
nước sâu

* Chiều dài sóng ở nước sâu L0 = g/2πT2 ≈ 1.56 T2
* Vận tốc đầu sóng c = L/T
* Số sóng k = 2π/L
* Chiều dài sóng ở độ sâu h: L = L0tanh(2πh/L)
* Độ dốc sóng s = H/L

L ≈ L0 tanh(2π h/L0 )

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Sóng và định lượng sóng
Độ sâu tương
đối

Vùng trung gian

Nước nơng
h

1

1

h

<

Vận tốc đầu
sóng

20

c = c

ta n h k h

c

= c =

g

2

g T

g T
L =

ta n h k h

1

g h

c

g

=

n c =

Vận tốc phân
tử nước
ngang u
đứng w

1
F

=

E c

g

ρ ga

=

L
M
N

g h

F

=

E c

s in h 2 k h

L

g

u = ω a

sin θ

cosh k

(

0

2 π
g T

=

g

c

T
F

n c

e j
1 +

cos θ

w = ω a

h

sin h k

(

2

2

a

8 π
h + z

)

u = ω a e

sin θ

w = ω a e

z

4 π

ρ g

=

s in h k h

h

=

0

2

2

u = a

=

1
c

2

ρ ga

=

g

O
P
Q

∗ c

1

2

2

w = ω a

2 k h

1 +

2

Thông năng
(trên 1 m
ngang)

2 π

T

2 π

Theo
lý thuyết
sóng
tuyến tính

g T

=

2

g h

L =

Vận tốc nhóm

2

=

0

2 π

T

L = T

L

L

=

T

Chiều dài

2

g T

c =

g h

1
>

L

L

=

h

<

20

L
c =

1

<

L

Nước sâu

kz

kz

sin θ
sin θ

)

h + z

cos θ

sin h k h

Chuyển dời
Ngang
Đứng

ξ = −

a

g

ω

ξ = − a

cos θ

co sh k

(

)

h + z

ξ = − a e

cos θ

sin h k h

h

ζ

sin h k

(

h + z

ζ

= a e

kz

kz

cos θ
sin θ

)
s in θ

= a
sin h k h

Áp suất
p = − ρ g z + ρ g a

p = − ρ g z + ρ g a sin θ

H
a =
2

ω

co sh k

(

h + z

)
sin θ

co sh kh

2 π
=

2 π
k =

T

θ = ω t − k x

L

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển

p = − ρ g z + ρ g a e

kz

s in θ

Các khái niệm cơ bản

Chuyển động của phần tử nước do sóng
Sóng khơng “cảm thấy”
đáy ở nước sâu

- Khuấy động bùn cát
- Gây dao động áp lực nước
yếu tố gây mất ổn định đáy
Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Các khái niệm cơ bản

gradient áp lực ở tầng lọc do sóng

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Các khái niệm cơ bản

Định lượng sóng ngẫu nhiên (khơng đều)
trong tự nhiên ?

Chiều sao sóng có nghĩa Hs (significant)

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển

Các khái niệm cơ bản
H1
H2
H3
.
.
H33
.
H100

Hs và T ?

1.

T1
T2
T3
.
.
T33
.
T100

Hs=ΣHi/33
Tm=ΣTi/33

Phân tích theo con sóng: (truyền thống)
- Đo và đếm H và T của các con sóng trong 1 bản ghi sóng
- Sắp xếp theo thứ tự chiều cao sóng nhỏ dần
- Hs = trung bình H (1/3 số sóng lớn nhất)

- Tm = trung bình T (1/3 số sóng lớn nhất)
- Có nhiều hạn chế

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Các khái niệm cơ bản

2. Phân tích theo phổ năng lượng sóng

E = E(f)

Mật độ năng lượng:

E(f)= ρgσ2η (độ chệch)

Mơ men phổ bậc n: mn= ∫ f nE(f)df

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Các khái niệm cơ bản

H s ≡ H1/ 3 ≡ H13.5% ≈ H m 0 = 4 m0 = Độ cao quan sát bằng mắt
Phân bố Rayleigh của H

Phổ E(f)

Chiều cao trung bình quân phương:H rms =

1
N

N

2
H
∑ i

Hs = 1.41Hrms

i =1

Chu kỳ phổ / Chu kỳ đặc trưng?

Tm 0.1 = m0 / m1 Tm 0.2 = m0 / m2
Chu kỳ đỉnh phổ:

Tm −1.0 = m−1 / m0

Tp = 1/fp

≈ 0.9 Tp
Tm-1.0 kể đến sự thay đổi hình dạng phổ ở nước nơng

Tm-1.0 được dùng trong tính tốn tải trọng lên
cơng trình xây dựng trong vùng nước nơng
Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển

Các khái niệm cơ bản

Thay đổi hình dạng phổ sóng ở nước nông

Nước nông: Tp =
??
dùng Tm-1.0
Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển


Các khái niệm cơ bản

Phổ tần số của các loại sóng
Bản
ghi

Dạng phổ

Sóng
đơn
đều
Sóng
gió
Nhiễu

Sóng
cồn

Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển