Bài giảng Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển - Phần 5

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

101
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

TÍNH CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG TỪ GIÓ THEO SPM 1984 Nghiêm Tiến Lam Khoa Kỹ thuật Biển, Đại học Thuỷ lợi 1. Giới thiệu Do các điều kiện hạn chế về số liệu đo đạc sóng, việc tính toán sóng biển hoặc sóng trong hồ chứa từ số liệu gió thường được áp dụng bằng các công thức kinh nghiệm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển - Phần 5

Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 TÍNH CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG TỪ GIÓ THEO SPM 1984 Nghiêm Tiến Lam Khoa Kỹ thuật Biển, Đại học Thuỷ lợi 1. Giới thiệu Do các điều kiện hạn chế về số liệu đo đạc sóng, việc tính toán sóng biển hoặc sóng trong hồ chứa từ số liệu gió thường được áp dụng bằng các công thức kinh nghiệm. Có khá nhiều công thức tính sóng từ gió như Sverdrup và Munk (1944, 1946, 1947), Sverdrup-Munk- Bretschneider (SMB) (Bretschneider, 1952, 1958, 1970), Krylov (1966), Donelan (Donelan, 1980; Schawab et al., 1984; Donelan et al., 1985; Bishop et al., 1992), JONSWAP (Hasselmann et al., 1973), Kahma (1981), Dobson et al., (1989), SPM (CERC, 1973, 1975, 1977, 1984), Hurdle và Stive (1989), Young và Verhagen (1996). Trong đó công thức SPM phiên bản năm 1984 (SPM 1984) dựa trên cơ sở công thức JONSWAP được giới thiệu trong Shore Protection Manual (CERC, 1984) đã và đang được sử dụng một cách rộng rãi. Tài liệu này trình bày phương pháp SPM 1984 và cách áp dụng trong tính toán các điều kiện sóng nước sâu và sóng ở độ sâu nước hạn chế. 2. Tính sóng trong điều kiện gió thổi ổn định 2.1. Xác định đà gió và hiệu chỉnh tốc độ gió Trong 3 phiên bản đầu tiên năm 1973, 1975, 1977, SPM dựa trên công thức SMB với việc tính toán đà gió bình quân theo cosine và sử dụng vận tốc gió bề mặt bình quân mà không xét đến ảnh hưởng của cao độ hay sự chênh lệch nhiệt độ giữa nước biển và khí quyển. Trong phiên bản SPM 1984, đà gió sử dụng là giá trị trung bình số học được tính toán các đà gió trong khoảng hướng gió ±15° như công thức (1) và minh hoạ trên Hình 1. F1 F2 3° F3 F4 Điểm tính toán F5 Hướng gió F6 F7 F9 F8 Hình 1: Tính toán đà gió 1 01/10/2008
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 9 1 ∑ Fi F= (1) 9 i =1 Vận tốc gió đo đạc được chuyển về độ cao 10 m so với bề mặt sử dụng công thức (2). 1 ⎛ 10 ⎞ 7 U10 = U z ⎜ ⎟ , với z < 20 m (2) ⎝z⎠ 2 Hệ s ố hiệu chỉnh v ận tốc gió, RL 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0 5 10 15 20 25 Vận tốc gió trên đất liền, U (m/s) Hình 2: Hệ số hiệu chỉnh vận tốc gió thổi trên đất liền 1.3 Hệ s ố hiệu chỉnh v ận tốc gió, RT 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Chênh lệch nhiệt độ k hông khí và nướ c biển, (Ta-Ts ) (°C) Hình 3: Hệ số hiệu chỉnh vận tốc gió do chênh lệch nhiệt độ không khí và nước biển Ngoài ra, vận tốc gió cũng được hiệu chỉnh bằng 2 hệ số hiệu chỉnh: hệ số RL để hiệu chỉnh sự khác biệt giữa vận tốc gió thổi qua mặt đất (UL) và thổi qua mặt nước (UW), và hệ số RT cho ảnh hưởng ổn định của chênh lệch nhiệt độ nước và không khí. Hệ số hiệu chỉnh khi sử dụng số liệu gió đo đạc trên đất liền được tra trong Hình 2 và được lấy RL=1 nếu sử dụng vận tốc gió trên biển. Dùng RL=0.9 nếu UL >18.5 m/s. Hệ số hiệu chỉnh ổn định RT phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ nước biển và không khí cho trong Hình 3. Trong trường hợp không có số liệu về chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và nước biển thì có thể lấy giá trị mặc định là RT=1.1. 2 01/10/2008
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 Với các giả thiết là sự phát triển của sóng bị giới hạn về đà gió quan hệ chặt chẽ với vận tốc ma sát u* hơn là tốc độ gió đo đạc U, và mối quan hệ giữa u* và U cho vùng biển hở được áp dụng trực tiếp cho điều kiện đà gió giới hạn, công thức SPM 1984 sử đại lượng vận tốc gió hiệu chỉnh UA để hiệu chỉnh quan hệ phi tuyến thực đo giữa ứng suất và vận tốc gió theo (3) U A = 0.71⋅U 1.23 (3) U = RT RLU10 với (4) 2.2. Các đại lượng phi thứ nguyên Để thuận tiện cho việc tính toán, các đại lượng phi thứ nguyên sau đây được sử dụng gH s Hs = Độ cao sóng phi thứ nguyên (5) 2 UA gTp Tp = Chu kỳ sóng phi thứ nguyên (6) UA gF F= Đà sóng phi thứ nguyên (7) 2 UA gt t= Thời gian phát triển phi thứ nguyên (8) UA gd d= Độ sâu nước phi thứ nguyên (9) 2 UA 2.3. Tính toán sóng nước sâu Công thức SPM 1984 tính toán sóng nước sâu dựa trên cơ sở công thức JONSWAP và sử dụng vận tốc gió hiệu chỉnh UA như sau Chiều cao sóng có nghĩa 1 −3 H S = 1.6 ⋅10 F (10) 2 Chu kỳ sóng tại đỉnh phổ sóng 1 Tp = 0.286 F 3 (11) Thời gian sóng phát triển 2 t F = 68.8F 3 (12) Từ (12) sẽ tính được đà gió hiệu dụng 3 ⎛ t ⎞2 Feff = ⎜ (13) ⎟ ⎝ 68.8 ⎠ Sóng được tạo ra ở vùng nước sâu có thể ở ba trạng thái là bị hạn chế về đà gió, bị hạn chế về thời gian gió thổi hoặc là phát triển hoàn toàn. Khi tính cho vùng nước nhỏ (như trong hồ) 3 01/10/2008
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 sóng có thể bị hạn chế bởi đà gió ngắn, tức là F < Feff. Khi đó các giá trị HS và Tp được tính  trực tiếp từ các công thức (10) và (11). Ở các vùng nước lớn hơn có thể dùng các công thức này nhưng thời gian gió thổi có thể hạn chế độ cao sóng. Nếu thời gian trận bão nhỏ hơn tF, hay F > Feff, thì trạng thái biển sẽ là bị  giới hạn về thời gian gió thổi và các giá trị của HS và Tp vẫn được tính theo các công thức (10) và (11) nhưng sử dụng chiều dài đà gió hiệu dụng (đà gió cần thiết để tạo cùng độ cao sóng nếu thời gian gió thổi vô hạn) tính theo công thức (13). Nghĩa là giá trị nhỏ hơn trong các giá trị F bởi Feff được dùng để tính sóng. Ở vùng nước rất rộng lớn và gió có thời gian thổi lâu thì trạng thái biển có thể phát triển hoàn toàn. Điều kiện này xảy ra khi cả t và tF đều lớn hơn tfull tính theo (14). Với điều kiện sóng  phát triển hoàn toàn thì sử dụng các công thức giới hạn trên cho chiều cao và chu kỳ sóng tính theo (15) và (16): tfull = 7.15·104 (14) HS = 0.243  (15) Tp = 8.134 (16) Từ các công thức (10) và (11) cho thẩy chu kỳ sóng có mối quan hệ gần gũi với độ cao sóng nếu đà gió đã được xác định như trong (17) và (18) 2 Tp = 20.9 H S3 (17) 1 2 − Tp = 9.8U A H S 3 3 hay (18) Các bước tính toán các đặc trưng sóng nước sâu theo phương pháp SPM 1984 được thể hiện trong Hình 4 và Ví dụ 1 kèm theo sau đây. Ví dụ 1: Tính sóng nước sâu Tính các điều kiện sóng tạo ra từ vận tốc gió U10 = 15 m/s thổi trong thời gian t = 6 giờ trên đà gió F = 100 km. Bước 1: Tính vận tốc gió hiệu chỉnh theo công thức (3) với giá trị mặc định RT=1.1 được vận tốc gió hiệu chỉnh UA = 20 m/s. U A = 0.71⋅ ( RTU10 ) = 0.71× (1.1× 15 ) 1.23 1.23 = 22.3 (m/s) (19) Bước 2: Tính thời gian gió thổi phi thứ nguyên t với thời gian t được quy đổi ra giây và đà gió phi thứ nguyên F với đà gió F được quy đổi ra mét gt 9.81× 6 × 3600 t= = = 9492 (20) UA 22.3 gF 9.81× 100 × 103 F= = = 1969 (21) 2 22.32 UA Bước 3: Tính chiều dài đà gió hiệu quả Feff theo (13) 3 3 ⎛ t ⎞ 2 ⎛ 9492 ⎞ 2 Feff = ⎜ ⎟ =⎜ ⎟ = 1621 (22) ⎝ 68.8 ⎠ ⎝ 68.8 ⎠ Bước 4: So sánh F và Feff. Vì F > Feff nên sóng bị giới hạn về thời gian gió thổi và sẽ sử dụng   Feff thay thế cho F để tính các đặc trưng sóng:  4 01/10/2008
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 F ⇐ Feff = 1621 (23) Bắt đầu Nhập U10, F, t UA =0.71 (RTU10)1.23 t  = gt/UA F = gF/UA² Feff = (t  / 68.8)³/² Đúng: Sóng phát triển bị hạn chế về thời gian (F > Feff)? Sai: Sóng phát triển không F = Feff  bị hạn chế về thời gian Hs = 0.0016 F ½  Tp = 0.286 F ⅓  Đúng: Sóng phát triển hoàn toàn (Hs>0.243) và (Tp>8.134)?   Hs = 0.243  Sai: Sóng phát triển Tp = 8.134  bị hạn chế về đà gió Hs = HsUA²/g Tp = TpUA/g Kết thúc Hình 4: Sơ đồ thuật toán tính sóng nước sâu theo SPM (1984) 5 01/10/2008
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 Bước 5: Tính Hs và Tp sử dụng các công thức (10) và (11) 1 H s = 1.6 ⋅10−3 F 2 = 1.6 ×10−3 × 1621 = 0.064 (24) 1 Tp = 0.286 F 3 = 0.286 × 3 1621 = 3.36 (25) Bước 6: So sánh Hs và Tp với các giá trị Hs và Tp của điều kiện phát triển hoàn toàn trong các     công thức (15) và (16). Vì Hs = 0.064 < 0.243 và Tp = 3.36 < 8.134, đều nhỏ hơn trạng thái   phát triển hoàn toàn nên trạng thái của sóng là chưa phát triển hoàn toàn và bị hạn chế về chiều dài đà gió. Bước 7: Tính Hs và Tp từ các công thức (5) và (6) H sU A 0.064 × 22.32 2 Hs = = = 3.27 (m) (26) g 9.81 TpU A 3.36 × 22.3 Tp = = = 7.6 (s) (27) g 9.81 Vậy đáp số cuối cùng là sóng tạo ra có chiều cao Hs = 3.27 m và chu kỳ Tp = 7.6 giây trong điều kiện bị hạn chế về đà gió và thời gian gió thổi. 2.4. Tính toán sóng trong điều kiện độ sâu nước bị hạn chế Trong trường hợp khu vực tính toán sóng có độ sâu hạn chế, công thức tính toán sóng theo SPM (1984) cho vùng nước có độ sâu đều d như sau ⎧ ⎫ ⎪ ⎪ 1 ⎛ ⎞ ⎪ 0.00565 ⋅ F 2 ⎪ 3 H S = 0.283 ⋅ tanh ⎜ 0.530d ⎟ ⋅ tanh ⎨ (28) 3⎬ 4 ⎪ tanh ⎛ 0.530d 4 ⎞ ⎪ ⎝ ⎠ ⎜ ⎟⎪ ⎪ ⎝ ⎠⎭ ⎩ ⎧ ⎫ ⎪ ⎪ 1 ⎛ ⎞ 3 ⎪ 0.0379 ⋅ F 3 ⎪ Tp = 7.54 ⋅ tanh ⎜ 0.833d ⎟ ⋅ tanh ⎨ (29) 3⎬ 8 ⎪ tanh ⎛ 0.833d 8 ⎞ ⎪ ⎝ ⎠ ⎜ ⎟⎪ ⎪ ⎝ ⎠⎭ ⎩ Hạn chế về thời gian gió thổi 7 tlim = 537 ⋅ Tp 3 (30) Nếu thời gian gió thổi nhỏ hơn tlim thì sóng bị hạn chế về thời gian gió thổi và các giá trị chiều cao và chu kỳ sóng cần phải tính toán dựa vào đà gió hiệu chỉnh suy ra từ các công thức (29) và (30). Các bước tính toán các đặc trưng sóng khi độ sâu nước bị hạn chế theo phương pháp SPM 1984 được thể hiện trong Hình 5 và Ví dụ 2. 6 01/10/2008
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 Bắt đầu Nhập d, U10, F, t UA =0.71 (RTU10)1.23 d  = gd/UA² t  = gt/UA F = gF/UA² d1 = tanh(0.530 d ¾) d2 = tanh(0.833 d ⅜) Feff ={tanh-1[(t /537)3/7/(7.54·d2)](d2/ 0.0379)}³  Đúng: sóng bị hạn chế về thời gian gió thổi (F (F > Feff)? Sai: sóng không bị F = Feff hạn chế về thời gian Hs = 0.283·d1·tanh(0.00565·F ½/d1)  Tp = 7.54·d2·tanh(0.0379·F ⅓/d2)  Hs = HsUA²/g Tp = TpUA/g Kết thúc Hình 5: Sơ đồ thuật toán tính sóng theo SPM (1984) khi độ sâu nước hạn chế Ví dụ 2: Tính sóng nước nông Tính các điều kiện sóng tạo ra từ vận tốc gió U10 = 15 m/s thổi trong thời gian t = 6 giờ trên đà gió F = 100 km trong khu vực có độ sâu nước bình quân 15 m. 7 01/10/2008
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 Bước 1: Tính vận tốc gió hiệu chỉnh theo công thức (3) với giá trị mặc định RT=1.1 được vận tốc gió hiệu chỉnh UA = 20 m/s. U A = 0.71⋅ ( RTU10 ) = 0.71× (1.1× 15 ) 1.23 1.23 = 22.3 (m/s) (31) Bước 2: Tính độ sâu phi thứ nguyên, thời gian gió thổi phi thứ nguyên t với thời gian t được quy đổi ra giây và đà gió phi thứ nguyên F với đà gió F được quy đổi ra mét gd 9.81×15 d= = = 0.295 (32) 2 22.32 UA gt 9.81× 6 × 3600 t= = = 9492 (33) UA 22.3 gF 9.81×100 × 103 F= = = 1969 (34) 2 22.32 UA Bước 3: Tính các đại lượng trung gian trong các công thức (28) và (29) ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ 3 3 d1 = tanh ⎜ 0.530 ⋅ d ⎟ = tanh ⎜ 0.530 × 0.295 4 ⎟ = 0.209 (35) 4 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ 3 3 d 2 = tanh ⎜ 0.833 ⋅ d ⎟ = tanh ⎜ 0.833 × 0.295 ⎟ = 0.483 (36) 8 8 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ Bước 4: Tính chiều dài đà gió hiệu quả Feff từ các công thức (30) và (29)  3 ⎧ ⎫ ⎡ ⎤ 3 ⎛ t ⎞ 7 ⎥ d2 ⎪ ⎪ 1 ⎢ Feff = ⎨atanh ⎬ ⎢ 7.54 ⋅ d 2 ⎜ 537 ⎟ ⎥ 0.0379 ⎪ ⎝ ⎠ ⎪ ⎣ ⎦ ⎩ ⎭ (37) 3 ⎧ ⎫ ⎡ ⎤ 3 ⎪ ⎛ 9492 ⎞ 7 ⎥ 0.483 ⎪ 1 ⎢ = ⎨atanh ⎬ = 10858 ⎢ 7.54 × 0.483 ⎜ 537 ⎟ ⎥ 0.0379 ⎪ ⎝ ⎠ ⎪ ⎣ ⎦ ⎩ ⎭ Bước 5: So sánh F và Feff. Vì F < Feff nên sóng không bị giới hạn về thời gian gió thổi và sẽ  sử dụng F để tính các đặc trưng sóng. Bước 6: Tính Hs và Tp sử dụng các công thức (28) và (29)   ⎛ ⎞ 1 ⎟ = 0.283 × 0.209 × tanh ⎛ 0.00565 × 1969 ⎞ = 0.049 0.00565 ⋅ F 2 H s = 0.283 ⋅ d1 ⋅ tanh ⎜ (38) ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ d1 0.209 ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ 1 ⎟ = 7.54 × 0.483 × tanh ⎛ 0.0379 × 1969 ⎞ = 2.75 0.0379 ⋅ F 3 3 Tp = 7.54 ⋅ d 2 ⋅ tanh ⎜ (39) ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ d2 0.483 ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ Bước 7: Tính Hs và Tp từ các công thức (5) và (6) H sU A 0.049 × 22.32 2 Hs = = = 2.51 (m) (40) g 9.81 8 01/10/2008
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 TpU A 2.75 × 22.3 Tp = = = 6.3 (s) (41) g 9.81 Vậy đáp số cuối cùng là sóng tạo ra có chiều cao Hs = 2.51 m và chu kỳ Tp = 6.3 giây. 3. Tính sóng trong bão Các công thức tính sóng ở phần trên áp dụng trọng trường hợp gió thổi ổn định. Tuy nhiên, trong các cơn bão thì vận tốc và hướng gió luôn thay đổi theo thời gian nên việc sử dụng các công thức ở trên sẽ có khó khăn và không còn phù hợp. Với các trận bão nhiệt đới như thường xuất hiện ở nước ta, chúng thường có phân bố vận tốc gió trong bão tương đổi ổn định và có thể mô hình hoá dựa trên một số thông số của trận bão. 3.1. Phương pháp SPM 1984 Với các cơn bão di chuyển chậm, SPM 1984 đưa ra phương pháp tính toán sóng trong bão ở vùng nước sâu khi biết các đặc trưng của trận bão như tốc độ di chuyển của cơn bão, bán kính từ tâm bão đến điểm xuất hiện vận tốc gió lớn nhất trong cơn bão và độ hạ áp tại tâm bão. Tại điểm xuất hiện vận tốc gió lớn nhất của cơn bão, độ cao sóng và chu kỳ sóng có nghĩa có thể tính toán theo (42) và (43) (Bretschneider, 1958) ⎛ R ⋅ ΔP ⎞ ⎧ ⎫ α ⋅U f ⎪ ⎪ H s = 5.03 ⋅ exp ⎜ ⎟ ⎨1 + 0.29 (42) ⎬ ⎝ 4700 ⎠ ⎪ UR ⎪ ⎩ ⎭ ⎛ R ⋅ ΔP ⎞ ⎧ ⎫ α ⋅U f ⎪ ⎪ Ts = 8.60 ⋅ exp ⎜ ⎟ ⎨1 + 0.145 (43) ⎬ ⎝ 9400 ⎠ ⎩ UR ⎪ ⎪ ⎭ Trong đó R Bán kính của điểm xuất hiện vận tốc gió lớn nhất trong cơn bão (km) ΔP Độ giảm áp của tâm bão (mmHg) α Hệ số phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của cơn bão và đà gió. Với trận bão di chuyển chậm có thể lấy α = 1. Uf Tốc độ di chuyển của cơn bão (m/s) UR Vận tốc gió ổn định lớn nhất xuất hiện trong cơn bão tại bán kính R (m/s) U R = 0.865 ⋅U max + 0.5 ⋅U f (44) Umax Vận tốc gió gradient lớn nhất ở độ cao 10 m so với mặt biển (m/s) U max = 0.447 ⎡14.5 ⋅ ΔP − R ( 0.31 f ) ⎤ (45) ⎣ ⎦ f Hệ số Coriolis f = 2ω sin ϕ (46) Vận tốc góc của Trái Đất (1 vòng trong 23 giờ 56 phút 4.09 giây) (s-1) ω 2π ω= = 0.2625 (47) 23.93 φ Vĩ độ địa lý (rad) 9 01/10/2008
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 Công thức (42) và (43) tính các đặc trưng sóng tại điểm xuất hiện gió lớn nhất trong bão. Độ cao sóng tại các điểm khác được tính toán dựa vào độ cao sóng có nghĩa tính theo (42) và được điều chỉnh bằng một hệ số suy giảm trong Hình 6. Chu kỳ sóng tại các điểm tính toán được tính theo (48). H s′ Ts′ = 12.1 (48) g với H’s và T’s là độ cao và chu kỳ sóng tại điểm tính toán. Hình 6: Biểu đồ hệ số hiệu chỉnh độ cao sóng trong bão 3.2. Phương pháp Young (1988) Để sử dụng công thức tính sóng nước sâu từ phổ JONSWAP, Young (1988) đưa ra khái niệm đà gió tương tương và được tính như sau F = ψ R′ ( aU max + bU maxU f + cU 2 + dU max + eU f + f ) 2 (49) f với a = -2.175×10-3, b = 1.506×10-2, c = -1.223×10-1, d = 2.190×10-1, e = 6.737×10-1, và f = 7.980×10-1. Thông số tỷ lệ ψ có thể tính như sau (Young và Burchell, 1996) 10 01/10/2008
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 ψ = −0.015 ⋅U max + 0.0431⋅ U f + 1.30 (50) Giá trị hiệu chỉnh R’ tính từ R như sau R′ = 22.5 × 103 ⋅ log e R − 70.8 × 103 (51) Đơn vị của Umax, Uf là m/s, đơn vị của F, R, R’ là m. Khi đó độ cao sóng có nghĩa lớn nhất trong bão có thể tính theo (10) với tốc độ gió sử dụng để tính toán là Umax. Ví dụ 3: Tính sóng trong bão theo SPM 1984 Tính các điều kiện sóng tại khu vực xuất hiện vận tốc gió lớn nhất trong một cơn bão tại vĩ tuyến 17º có áp suất tâm bão P0 = 940 mbar, bán kính gió lớn nhất R = 50 km, tốc độ di chuyển của cơn bão là 50 km/giờ. Lấy α = 1 và áp suất ở vùng không có bão là Pn = 1013.25 mbar. Bước 1: Tính hệ số Coriolis f theo công thức (46) f = 2ω sin ϕ = 2 × 0.2625 × sin (17 × 3.14 /180 ) = 0.1535 (52) Bước 2: Quy đổi áp suất từ mbar sang mmHg và tính độ giảm áp tâm bão 1013.25 Pn = = 760 (mmHg) (53) 1.333224 940 P0 = = 705 (mmHg) (54) 1.333224 ΔP = Pn − P0 = 760 − 705 = 55 (mmHg) (55) Bước 3: Quy đổi vận tốc di chuyển của cơn bão từ km/giờ sang m/s 50 ×1000 Uf = = 13.89 (m/s) (56) 3600 Bước 4: Tính vận tốc gió gradient lớn nhất cách tâm bão bán kính R U max = 0.447 ⎡14.5 ⋅ ΔP − R ( 0.31 f ) ⎤ ⎣ ⎦ (57) ( ) = 0.447 × 14.5 × 55 − 50 × 0.31× 0.1535 = 47.0 Bước 5: Tính vận tốc gió ổn định lớn nhất xuất hiện trong cơn bão tại bán kính R U R = 0.865 ⋅U max + 0.5 ⋅ U f = 0.865 × 47.0 + 0.5 × 13.89 = 47.60 (m/s) (58) Bước 6: Độ cao sóng có nghĩa và chu kỳ sóng có nghĩa tại vùng nước sâu xuất hiện vận tốc gió lớn nhất tại bán kính R ⎛ R ⋅ ΔP ⎞ ⎧ ⎫ α ⋅U f ⎪ ⎪ H s = 5.03 ⋅ exp ⎜ ⎟ ⎨1 + 0.29 ⎬ ⎝ 4700 ⎠ ⎪ UR ⎪ ⎩ ⎭ (59) ⎛ 50 × 55 ⎞ ⎧ 1× 13.89 ⎫ = 5.03 × exp ⎜ ⎟ ⎨1 + 0.29 × ⎬ = 14.3 ⎝ 4700 ⎠ ⎩ 47.60 ⎭ 11 01/10/2008
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 ⎧ ⎫ α ⋅U f ⎛ R ⋅ ΔP ⎞ ⎪ ⎪ Ts = 8.60 ⋅ exp ⎜ ⎨1 + 0.145 ⎬ ⎟ ⎝ 9400 ⎠ ⎪ UR ⎪ ⎩ ⎭ (60) ⎛ 50 × 55 ⎞ ⎧ 1× 13.89 ⎫ = 8.60 × exp ⎜ ⎟ ⎨1 + 0.145 ⎬ = 14.89 ⎝ 9400 ⎠ ⎩ 47.60 ⎭ Như vậy, cơn bão tạo ra sóng có độ cao sóng có nghĩa Hs = 14.3 m và chu kỳ sóng có nghĩa Ts = 14.89 giây tại vùng nước sâu xuất hiện vận tốc gió lớn nhất cách tâm bão 50 km. Ví dụ 4: Tính sóng trong bão theo Young (1988) Tính các điều kiện sóng tại khu vực xuất hiện vận tốc gió lớn nhất của cơn bão trên theo phương pháp Young (1988). Bước 1: Tính thông số tỷ lệ ψ theo (50) ψ = −0.015 ⋅U max + 0.0431⋅ U f + 1.30 (61) = −0.015 × 47.0 + 0.0431× 13.89 + 1.30 = 1.1935 Bước 2: Tính bán kính hiệu chỉnh R’ theo (51) R′ = 22.5 × 103 ⋅ log e R − 70.8 × 103 (62) = 22.5 ×103 × log e ( 50 ×1000 ) − 70.8 × 103 = 172645 Bước 3: Tính đà gió tương tương F theo (49) F = ψ R′ ( aU max + bU maxU f + cU 2 + dU max + eU f + f ) 2 f =1.1935 × 172645 × (-2.175 ×10−3 × 47.02 (63) +1.506 × 10−2 × 47.0 × 13.89-1.223 × 10−1 × 13.892 +2.190 × 10−1 × 47.0+6.737 ×10−1 × 13.89+7.98 ×10−1 )=388091 Bước 4: Tính đà gió phi thứ nguyên F 9.81× 388091 gF F= = = 1723 (64) 2 47.02 U max Bước 5: Tính Hs và Tp sử dụng các công thức (10) và (11) 1 H s = 1.6 ⋅10 F = 1.6 ×10−3 × 1723 = 0.066 −3 (65) 2 1 Tp = 0.286 F = 0.286 × 3 1723 = 3.43 (66) 3 Bước 6: Tính Hs và Tp từ các công thức (5) và (6) H sU max 0.066 × 47.02 2 Hs = = = 14.96 (m) (67) g 9.81 TpU max 3.43 × 47.0 Tp = = = 16.4 (s) (68) g 9.81 Như vậy, cơn bão tạo ra sóng có độ cao sóng có nghĩa Hs = 14.96 m và chu kỳ sóng Tp = 16.4 giây tại vùng nước sâu xuất hiện vận tốc gió lớn nhất cách tâm bão 50 km. 12 01/10/2008
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 Chú ý Độ sâu nước tính toán trong trường hợp sóng nước nông là độ sâu trung bình của cả vùng nước mà sóng được tạo ra và phát triển. Do vậy không thể dùng các phương pháp trên tính toán sóng trực tiếp tại chân công trình nếu độ sâu ở trước công trình khác nhiều so với độ sâu chung của vùng nước mà sóng hình thành mà kết quả tính toán phải coi là ở xa bờ sau đó tính truyền vào. Hurdle và Stive (1989) đã phát hiện ra công thức SPM 1984 có sự không nhất quán trong việc chuyển tiếp giữa 3 trường hợp: sóng đang phát triển ở nước sâu, sóng đã phát triển hoàn toàn ở nước sâu và sóng phát triển ở vùng nước nông. Hai tác giả cũng đề nghị công thức nhằm điều chỉnh sự không nhất quán trên. Bởi vì việc xác định các giá trị của U, F, t và hướng gió một cách chính xác là rất khó, hơn nữa, bản thân các công thức trên cũng chứa các yếu tố bất định nên mọi kết quả tính toán theo các phương pháp kinh nghiệm như SPM 1984 hay các phương pháp kinh nghiệm khác chỉ nên coi là gần đúng và cần phải được kiểm chứng với các số liệu đo đạc thực tế. Tài liệu tham khảo CERC, 1984. Shore Protection Manual. 4th ed., 2 Vol., U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, U.S.Government Printing Office, Washington, D.C., 1,088 p. Hurdle, D. P., and Stive, R. J. H., 1989. Revision of SPM 1984 Wave Hindcast Model to Avoid Inconsistincies in Engineering Application. Coastal Engineering, 12: 339 – 351 Massel, S. R., 1996. Ocean Surface Waves: Their Physics and Prediction. Advanced Series on Ocean Engineering, 11. World Scientifics. Young, I.R., 1999. Wind Generated Ocean Waves. Elsevier Ocean Engineering Book Series, Vol. 2, Elsevier, Amsterdam. Các ký hiệu d Độ sâu nước (m) d Độ sâu nước phi thứ nguyên F Đà gió (m) F Đà gió phi thứ nguyên Feff Chiều dài đà gió hiệu dụng (m) Feff Chiều dài đà gió hiệu dụng phi thứ nguyên Fi Chiều dài đà gió của tia thứ i (m) g Gia tốc trọng trường (m/s²) HS Độ cao sóng có nghĩa (m) HS Độ cao sóng có nghĩa phi thứ nguyên RT Hệ số hiệu chỉnh tốc độ gió do sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và nước biển RL Hệ số hiệu chỉnh tốc độ gió thổi trên đất liên Ta Nhiệt độ không khí (°C) Tp Chu kỳ sóng tại đỉnh phổ sóng (s) Tp Chu kỳ sóng phi thứ nguyên tại đỉnh phổ sóng 13 01/10/2008
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 Ts Nhiệt độ nước biển (°C) t Thời gian gió thổi (s) t Thời gian gió thổi phi thứ nguyên tF Thời gian gió thổi nhỏ nhất để sóng không bị hạn chế về thời gian phát triển (s) t F Thời gian gió thổi nhỏ nhất phi thứ nguyên tfull Thời gian gió thổi cần thiết để đạt trạng thái sóng phát triển hoàn toàn (s) tfull Thời gian gió thổi cần thiết để đạt trạng thái sóng phát triển hoàn toàn (phi thứ nguyên) tlim Thời gian gió thổi nhỏ nhất để sóng không bị hạn chế về thời gian phát triển (s) tlim Thời gian gió thổi nhỏ nhất phi thứ nguyên U Tốc độ gió (m/s) U10 Tốc độ gió tại độ cao 10 m so với mặt biển (m/s) UA Tốc độ gió hiệu chỉnh (m/s) UL Tốc độ gió thổi trên đất liền (m/s) UW Tốc độ gió thổi trên mặt nước (m/s) Uz Tốc độ gió tại độ cao z m so với bề mặt (m/s) z Độ cao so với bề mặt (m) 14 01/10/2008
TOÁN ĐỒ TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG NƯỚC SÂU 50 22 20 45 17 s 21 m .5 13 14 15 m 42 s m m m 20 40 11 12 s 19 38 m m s 36 18 34 s 32 10 8 9 16 17 m m 20' m 15 30 6 7 s s m m s 28 r 4. 5 24 h 5 m m 12 13 14 26 3. 4 r 5 20 h 11 m s s s m r 10 24 18 h s Vận tốc gió hiệu chỉnh, Ua (m/s) s r r 16 h 3 30 h m 22 9s 2. 2 r 5 14 h m m 3.5 4.5 20 4s 1. 1. r 1. 12 h 25 75 5 s s 3s 8s m m m 1 r m 18 10 h 2.8 5.5 9 hr 5s 6s 7s 30' r s s 16 8 hr 1.5 h 1 hr 2 hr 3 hr 4 hr 5 hr 6 hr 7 hr 40' 50' 0. © 2008 by Nghiem Tien Lam 8 m 0. 0. 0. 6 7 9 2.4 2.6 14 m m m s s N Ạ 0. IH 5 2.2 12 2s m TỚ s N 0. IỂ 4 1.8 10 m R 1.6 T s 0. ÁT 3 s 9 m 0. 25 PH m 0. 2 8 m NG 1.4 SÓ s 7 0. 15 Chiều cao sóng có nghĩa, Hs (m) m Chu kỳ đỉnh phổ sóng, Tp (s) 6 0. Thời gian gió tối thiểu, t (h) 1 m 5 1 1.5 2 3 4 5 6 8 10 15 20 30 40 50 60 80 100 150 200 300 400 500 600 800 1000 Đà gió, F (km)
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984 Mục lục TÍNH CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG TỪ GIÓ THEO SPM 1984.................................................1 1. Giới thiệu................................................................................................................................1 2. Tính sóng trong điều kiện gió thổi ổn định ............................................................................1 2.1. Xác định đà gió và hiệu chỉnh tốc độ gió ........................................................................1 2.2. Các đại lượng phi thứ nguyên .........................................................................................3 Ví dụ 1: Tính sóng nước sâu ...................................................................................................4 2.4. Tính toán sóng trong điều kiện độ sâu nước bị hạn chế ..................................................6 Ví dụ 2: Tính sóng nước nông ................................................................................................7 3. Tính sóng trong bão................................................................................................................9 3.1. Phương pháp SPM 1984..................................................................................................9 3.2. Phương pháp Young (1988) ..........................................................................................10 Ví dụ 3: Tính sóng trong bão theo SPM 1984 ......................................................................11 Ví dụ 4: Tính sóng trong bão theo Young (1988).................................................................12 Chú ý ........................................................................................................................................13 Tài liệu tham khảo ....................................................................................................................13 Các ký hiệu ...............................................................................................................................13 Toán đồ tính sóng nước sâu theo SPM 1984............................................................................15 Mục lục .....................................................................................................................................16 16 01/10/2008