Giáo trình thủy lực biển ( Nxb ĐHQG Hà Nội ) Chương 5

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

92
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đặc trưng của trạng thái mặt biển là sự chuyển động phức tạp của nước biển mà có thể nói đặc trưng chủ yếu của nó là chuyển động sóng và dòng chảy. Chuyển động sóng trên biển chủ yếu được gây ra do gió và có chu kỳ cỡ

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình thủy lực biển ( Nxb ĐHQG Hà Nội ) Chương 5

Chương 5 TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG GIÓ LÊN CÔNG TRÌNH Đ ặ c tr ư ng c ủ a tr ạ ng thái m ặ t bi ể n là s ự c huy ể n đ ộ ng ph ứ c t ạ p c ủ a n ướ c bi ể n mà có th ể n ói đ ặ c tr ư ng ch ủ y ế u c ủ a nó là chuy ể n đ ộ ng sóng và dòng ch ả y. Chuy ể n đ ộ ng sóng trên bi ể n ch ủ y ế u đ ượ c gây ra do gió và có chu k ỳ c ỡ < = 10 1 s. Sóng đ ượ c gây ra do các tác nhân khác nh ư d ao đ ộ ng c ủ a áp su ấ t khí quy ể n, do đ ộ ng đ ấ t, do l ự c hút hành tinh thì th ườ ng có chu k ỳ d ao đ ộ ng dài h ơ n nhi ề u so v ớ i sóng gió. Còn đ ố i v ớ i dòng ch ả y thì ch ủ y ế u do tác đ ộ ng lôi kéo c ủ a gió, do chênh l ệ ch m ậ t đ ộ h ay m ự c n ướ c gây ra. Trên th ự c t ế , sóng gió và dòng ch ả y đ ã tác đ ộ ng m ạ nh m ẽ t rong d ả i ven b ờ v à t ạ o nên các quá trình đ ộ ng l ự c ph ứ c t ạ p c ủ a b ờ b i ể n, ả nh h ưở ng đ áng k ể đ ế n các công trình do con ng ườ i xây d ự ng trên bi ể n c ũ ng nh ư ả nh h ưở ng đ ế n các ho ạ t đ ộ ng kinh t ế , xã h ộ i c ủ a con ng ườ i trong d ả i b ờ b i ể n. Do v ậ y đ ánh giá đ ượ c các đ ặ c tr ư ng tác đ ộ ng c ủ a các y ế u t ố đ ộ ng l ự c là m ộ t v ấ n đ ề c ầ n thi ế t ph ụ c v ụ c ho ho ạ t đ ộ ng xã h ộ i c ũ ng nh ư c hi ế n l ượ c phát tri ể n kinh t ế . Trong ph ầ n này, các nghiên c ứ u tác đ ộ ng c ủ a sóng lên công trình s ẽ đ ượ c trình bày. Tuy nhiên, vi ệ c trình bày m ộ t cách c ặ n k ẽ v à t ổ ng h ợ p toàn b ộ c ác nghiên c ứ u hi ệ n nay v ề t ác đ ộ ng c ủ a sóng lên công trình thì n ằ m ngoài ph ạ m vi c ủ a ph ầ n này. Do đ ó trong ph ầ n này ch ỉ d ừ ng l ạ i ở v i ệ c trình bày các khái ni ệ m c ơ b ả n, các công th ứ c xác đ ị nh m ộ t s ố l ự c tác đ ộ ng c ủ a sóng lên công trình đ ượ c quan tâm trong các thi ế t k ế v à xây d ự ng công trình trên bi ể n. 5.1. ÁP SU Ấ T SÓNG LÊN T ƯỜ NG Đ Ứ NG 5 .1.1. Hi ệ n t ượ ng X ét m ộ t t ườ ng đ ứ ng đ ặ t trong n ướ c ở m ộ t đ ộ s âu xác đ ị nh h nào đ ó. Các sóng t ừ k h ơ i đ ế n th ẳ ng góc v ớ i t ườ ng, nó đ ậ p vào t ườ ng m ộ t l ự c, đ ộ l ớ n c ủ a l ự c này ph ụ t hu ộ c vào các đ ặ c tr ư ng c ủ a sóng. Khi sóng t ớ i có đ ộ c ao không quá l ớ n, sóng s ẽ b ị p h ả n x ạ h oàn toàn t ạ i t ườ ng và t ạ o nên m ộ t h ệ s óng đ ứ ng ngay phía tr ướ c c ủ a t ườ ng ch ắ n. Trong tr ườ ng h ợ p này áp l ự c sóng bi ế n đ ổ i d ầ n cùng v ớ i dao đ ộ ng c ủ a b ề m ặ t n ướ c (xem hình 5.1), đ ây là áp su ấ t c ủ a sóng đ ứ ng thông th ườ ng. ở m ộ t ch ừ ng m ự c nào đ ó thì các sóng l ớ n s ẽ t ạ o ra các áp l ự c sóng có hai đ ỉ nh nh ư t rong hình 5.1 b, khi các sóng t ớ i có đ ộ c ao l ớ n h ơ n n ữ a thì nó s ẽ x ả y ra hi ệ n t ượ ng phá hu ỷ c ủ a các sóng đ ứ ng, các đ ỉ nh sóng b ị s ụ p đ ổ v à t ạ o ra d ạ ng áp l ự c sóng b ấ t đ ố i x ứ ng; ph ầ n th ứ n h ấ t c ủ a đ ỉ nh sóng đ ôi l ớ n h ơ n nhi ề u so v ớ i ph ầ n th ứ h ai nh ư t rong hình 5.1c. Đ ó là các giai đ o ạ n chuy ể n ti ế p t ừ á p l ự c sóng đ ứ ng sang áp l ự c sóng đ ổ . Khi đ ộ 164
cao sóng t ớ i đ ạ t đ ế n đ i ề u ki ệ n t ớ i h ạ n thì di ễ n bi ế n áp su ấ t sóng b ắ t đ ầ u t ừ á p su ấ t xung l ự c ti ế p theo là áp l ự c chóp sóng nh ư t rong hình 5.1d. Ngoài ra, các sóng b ị đ ổ t ấ n công vào t ườ ng và t ạ o ra m ộ t áp l ự c nh ỏ h ơ n áp l ự c xung (á p l ự c l ớ n nh ấ t). Trên hình 5.2 là thí d ụ v ề m ố i quan h ệ t h ự c nghi ệ m gi ữ a đ ộ c ao sóng t ớ i H o v à áp su ấ t sóng c ự c đ ạ i t ạ i m ự c n ướ c yên t ĩ nh P m a x . H ình 5.1 Các d ạ ng áp su ấ t sóng - áp su ấ t P đ ượ c tính b ằ ng gf =gram l ự c = 9.81x10 - 3 N H ình 5.2 Quan h ệ t h ự c nghi ệ m gi ữ a áp su ấ t t ạ i m ự c yên t ĩ nh và đ ộ c ao sóng (Horikawa và Hase, 1962) 165
5 .1.2. Áp l ự c gây ra do sóng đ ứ ng X ét phân b ố c ủ a áp l ự c sóng trên thành đ ứ ng c ủ a t ườ ng theo các lý thuy ế t khác nhau nh ư s au: a) Theo lý thuy ế t sóng biên đ ộ n h ỏ . Khi đ ộ c ao sóng nh ỏ , ta có th ể á p d ụ ng lý thuy ế t sóng biên đ ộ n h ỏ đ ể p hân tích s ự p hân b ố c ủ a áp su ấ t sóng. Khi đ ó profile sóng và th ế v ậ n t ố c c ủ a sóng đ ứ ng có th ể đ ượ c bi ể u di ễ n d ướ i d ạ ng: η = a cos k ( x − ct ) + a cos k ( x − ct ) = 2a cos(kx) cos(kct ) ( 5.1) ch k (h + y ) Φ = ac (sin k ( x − ct ) − sin k ( x + ct )) sh kh ( 5.2) ch k (h + y ) = −2ac cos(kx) sin(kct ) sh kh Th ế v ào ph ươ ng trình bi ể u di ễ n áp su ấ t ∂Φ p = − gy − ( 5.3) ρ ∂t g th kh , v ớ i kc = σ và 2a=H, ta thu đ ượ c: và s ử d ụ ng c 2 = k ch k ( h + y ) p = −y+ H cos kx cos σ t ( 5.4) ρg ch kh t ạ i v ị t rí mà cos(kx)=1, biên đ ộ d ao đ ộ ng c ủ a áp su ấ t đ ạ t c ự c đ ạ i. Đ ể t ă ng đ ộ c hính xác c ủ a phép x ấ p x ỉ t a s ử d ụ ng ph ươ ng trình bi ể u di ễ n áp su ấ t d ướ i d ạ ng đ ầ y đ ủ h ơ n: ∂Φ 1 ⎧⎛ ∂Φ ⎞ ⎛ ∂Φ ⎞ ⎫ 2 2 ⎪ ⎪ p ⎟ +⎜ ⎜ ∂y ⎟ ⎬ + f (t ) = − gy − − ⎨⎜ ( 5.5) ⎟ ρ ∂t 2 ⎪⎝ ∂x ⎠ ⎝ ⎠⎪ ⎩ ⎭ Đ ể ý t ạ i m ặ t ta coi P=Po=0 và η 0 = 2 a cos σ t = H cos σ t , do đ ó ph ươ ng trình (5.5) t ạ i m ặ t thoáng có d ạ ng: 166
∂Φ 1 ⎧⎛ ∂Φ ⎞ ⎛ ∂Φ ⎞ ⎫ 2 2 ⎪ ⎪ f (t ) = gη 0 + y = η0 ⎟ +⎜ ⎟ + ⎨⎜ ( 5.6) , ⎬ ∂t 2 ⎪⎝ ∂x ⎠ ⎜ ∂y ⎟ ⎪ ⎝ ⎠ ⎩ ⎭ T ạ i đ i ể m coskx=1, và thay (6) vào (5) ta có: [ ] kH 2 sin 2 σ t 2 p = −y + sh k (h + η 0 ) − sh 2 k (h + y ) gρ sh 2kh ( 5.7) ⎡ ch k (h + y ) ch k (h + η 0 ) ⎤ + η 0 ⎢1 + − ⎥ ch kh ch kh ⎣ ⎦ T ạ i th ờ i đ i ể m mà cos σt = 1; sin σt = 0 , và đ ỉ nh sóng đ ạ t t ạ i t ườ ng đ ứ ng thì phân b ố á p su ấ t sóng có d ạ ng: ⎡ ch k (h + y ) ch k (h + H ) ⎤ p = − y + H ⎢1 + − ( 5.8) ch kh ⎥ gρ ch kh ⎣ ⎦ T ạ i đ áy y=-h, ch k (h + H ) ⎤ ⎡ p 1 = h + H ⎢1 + − ( 5.9) ch kh ⎥ gρ ⎣ ch kh ⎦ b) Các ph ươ ng trình c ủ a Sainflou: Đ ố i v ớ i lý thuy ế t sóng biên đ ộ h ữ u h ạ n, chúng ta s ử d ụ ng ph ươ ng trình c ủ a Sainflou d ự a trên lý thuy ế t sóng trochoid. Tr ụ c l ớ n và nh ỏ c ủ a qu ĩ đ ạ o chuy ể n đ ộ ng c ủ a h ạ t ch ấ t l ỏ ng t ạ i v ị t rí trung bình (x o ,y o ) đ ượ c bi ể u di ễ n d ạ ng: ch k (h + y 0 ) sh k (h + y 0 ) γ' =a γ =a , ( 5.10) sh kh sh kh Theo Sainflou thì chuy ể n đ ộ ng c ủ a h ạ t n ướ c trong sóng đ ứ ng có d ạ ng: x = x 0 − 2γ sin kx 0 cos σ t ( 5.11) sh 2 k ( h + y 0 ) cos 2 σ t + 2γ ' cos kx 0 cos σ t y = y 0 + ka 2 2 sh kh Tích phân ph ươ ng trình liên t ụ c d ạ ng Lagrang thu đ ượ c 167
2σ 2 ⎡ p k2 = gy − ⎢ γ cos kx0 cos σt + 2 ( γ + γ' )(cos σt + cos 2σt ) 2 2 ρ k ⎣ ( 5.12) ⎤ ka 2 − cos 2kx cos 2 σt ⎥ + f (t ) 2 2 sh kh ⎦ Th ế p h ươ ng trình th ứ h ai c ủ a (5.11) vào (5.12) và lo ạ i b ỏ t hành ph ầ n k k hi so sánh v ơ i  t a có: σ2 p γ − γ ' ) cos kx 0 cos σ t + f ( t ) = − y0 + 2( ( 5.13) ρg gk t ừ b i ể u th ứ c σ 2 = gk tanh kh v à p=0 t ạ i y 0 =0 ta thu đ ượ c f(t)=0, do đ ó ⎡ ch k ( h + y 0 ) sh k ( h + y 0 ) ⎤ p = − y0 + H ⎢ − ⎥ cos kx 0 cos σ t ( 5.14) ρg ch kh sh kh ⎣ ⎦ Bi ể u th ứ c mô t ả p hân b ố c ủ a áp su ấ t d ọ c t ườ ng đ ứ ng có th ể t hu đ ượ c khi đ ặ t x 0 =0 vào ph ươ ng trình (5.14). S ự c hênh l ệ ch gi ữ a dao đ ộ ng trung bình và m ự c n ướ c yên t ĩ nh δ 0 nh ậ n đ ượ c nh ư s au: - Thay x 0 =0 vào ph ươ ng trình th ứ h ai c ủ a (5.11) ta thu đ ượ c: t ạ i m ự c yên t ĩ nh y=y 0 : sh 2 k ( h + y 0 ) cos 2 σ t + 2γ ' cos σ t y = y 0 + ka 2 ( 5.15) 2 sh kh t ạ i đ ỉ nh và chân sóng: sh 2 k ( h + y 0 ) cos 2 σ t + 2γ ' y crest = y 0 + ka 2 2 sh kh ( 5.16) sh 2 k ( h + y 0 ) ' = y 0 + ka 2 cos 2 σ t − 2γ y trough 2 sh kh T ừ c ác ph ươ ng trình trên ta có bi ể u th ứ c c ủ a m ự c n ướ c trung bình là: sh 2 k ( h + y 0 ) y = y 0 + ka 2 ( 5.17) sh 2 kh và đ ộ c hênh 168
sh 2 k ( h + y 0 ) δ = ka 2 ( 5.18) sh 2 kh t ạ i m ặ t t ự d o y 0 =0 2 sh 2 kh πH 2π h = ka 2 = 2 ka 2 cth kh = ( 5.19) δ cth 0 L L sh 2 kh Phân b ố á p su ấ t sóng t ớ i t ạ i t ườ ng đ ứ ng th ờ i đ i ể m đ ỉ nh sóng có d ạ ng: ⎡ ch k ( h + y 0 ) sh k ( h + y 0 )⎤ p = − y0 + H ⎢ − ( 5.20) ⎥ ρg ch kh sh kh ⎣ ⎦ Nh ư v ậ y: - t ạ i m ặ t thoáng y 0 =0 có p/ g=0 p H = h+ - t ạ i đ áy y 0 =-h có gρ cth kh M ộ t cách t ươ ng t ự , phân b ố á p su ấ t trên t ườ ng đ ứ ng t ạ i th ờ i đ i ể m b ụ ng sóng có d ạ ng: ⎡ ch k ( h + y 0 ) sh k ( h + y 0 ) ⎤ p = − y0 − H ⎢ − ( 5.21) ⎥ ρg ch kh sh kh ⎣ ⎦ - t ạ i m ặ t thoáng y 0 =0 có p/ g=0 p H =h− - t ạ i đ áy y 0 =-h có gρ cth kh C ác k ế t qu ả t hu đ ượ c minh ho ạ t rên hình (5.2) (5.3) H ình 5.3 Phân b ố áp su ấ t c ủ a sóng đứ ng theo lý thuy ế t c ủ a Sainf lou 169
T rên th ự c t ế đ ể đ ơ n gi ả n công th ứ c c ủ a Sainflou mà v ẫ n đ ả m b ả o đ ộ c hính xác c ầ n thi ế t, ng ườ i ta đ ã gi ả t hi ế t phân b ố á p su ấ t sóng có d ạ ng nh ư t rên hình 5.4 H ình 5.4 áp su ấ t sóng đ ứ ng tác đ ộ ng lên đ ê ch ắ n sóng H ình 5.5 Minh ho ạ cho công th ứ c đ ơ n gi ả n hoá c ủ a Sainflou C ông th ứ c đ ơ n gi ả n hoá có d ạ ng: (1) T ạ i th ờ i đ i ể m đ ỉ nh sóng áp su ấ t đ ượ c xác đ ị nh theo công th ứ c: ⎛ H + h0 ⎞ p1 = ( p2 + ρgh)⎜ ⎜ H + h + h ⎟ ( 5.22) ⎟ ⎝ 0⎠ H p 2 = ρg ( 5.23) 2πh ch( ) L 170
(2) T ạ i th ờ i đ i ể m b ụ ng sóng áp su ấ t đ ượ c xác đ ị nh theo công th ứ c: p1 = ρg ( H − h0 ) ( 5.24) H p ' 2 = p 2 = ρg ( 5.25) 2πh ch( ) L πH 2 2πh h0 = δ 0 = trong đ ó cth L L c ) M ộ t s ố n ghiên c ứ u khác Nh ư m ô t ả ở t rên thì công th ứ c c ủ a Sainflou d ự a trên lý thuy ế t quay còn v ớ i m ộ t s ố n hà nghiên c ứ u khác nh ư G ourret, Miche, Biesel, Rundgren, Kishi và Tadjbakhsh và Keller l ạ i gi ả i quy ế t v ấ n đ ề d ự a trên lí thuy ế t không xoáy và s ử d ụ ng phép x ấ p x ỉ b ậ c 2. Riêng Goda và Kakizaki thì s ử d ụ ng phép x ấ p x ỉ b ậ c 4. Trên hình 5.6 là k ế t qu ả s o sánh gi ữ a tính theo công th ứ c c ủ a Goda & Kakizaki v ớ i k ế t qu ả t hí nghi ệ m. Trên hình 5.7 mô t ả c ác vùng có th ể á p d ụ ng c ủ a công th ứ c c ủ a Sainflou và công th ứ c theo lý thuy ế t sóng tuy ế n tính. Hình 5.6 So sánh gi ữ a đ ườ ng cong lý thuy ế t và s ố l i ệ u thí nghi ệ m v ề p hân b ố á p su ấ t sóng đ ứ ng (Goda & Kakizaki, 1966) T ừ c ác s ơ đ ồ t rên hình 5.6, hình 5.7 cho th ấ y công th ứ c đ ơ n gi ả n c ủ a Sainflou không ph ả i th ườ ng xuyên cho giá tr ị a n toàn nh ấ t nh ư m ong đ ợ i trong các tr ườ ng h ợ p c ụ t h ể . Nói chung, phân b ố á p su ấ t sóng đ ứ ng v ề n guyên lý có th ể á p d ụ ng cho vi ệ c thi ế t k ế c ác đ ê ch ắ n sóng v ớ i đ iêù ki ệ n h ≥ 2 H nh ư ng nó không ph ả i đ úng cho t ấ t c ả c các tr ườ ng h ợ p. 171
5.1.3. Áp su ấ t sóng đ ổ C ác sóng đ ổ t h ự c hi ệ n các áp l ự c xung r ấ t m ạ nh lên các t ườ ng đ ứ ng trong kho ả ng th ờ i gian r ấ t ng ắ n th ườ ng nh ỏ h ơ n 1/10 giây nh ư ng giá tr ị c ự c đ ạ i c ủ a nó qu ả t h ậ t là r ấ t đ áng quan tâm. V ớ i các đ i ề u ki ệ n sóng nh ư n hau thì xung l ự c c ủ a áp su ấ t này là t ươ ng t ự . T ừ t h ự c t ế n ày nên áp su ấ t sóng đ ổ đ ượ c hi ể u nh ư l à s ự c huy ể n đ ổ i c ủ a đ ộ ng l ượ ng sóng. Trên hình 5.8 minh ho ạ c ác đ ặ c tr ư ng c ủ a áp l ự c sóng lên t ườ ng đ ứ ng đ ượ c đ ặ t t ạ i các đ ộ s âu khác nhau trên m ộ t m ặ t nghiêng 1/15 đ ố i v ớ i sóng đ ứ ng, sóng xô đ ang đ ổ v à sóng đ ổ . T ừ s ơ đ ồ h ình v ẽ c húng ta th ấ y r ằ ng áp su ấ t sóng đ ổ x u ấ t hi ệ n trong vùng có gi ớ i h ạ n theo đ ộ s âu t ươ ng đ ố i h/H 0 v à là hàm c ủ a đ ộ d ố c sóng trong vùng n ướ c sâu H 0 /L 0 . E q : ch ỉ p h ươ ng trình Hình 5.7 Tiêu chu ẩ n áp d ụ ng c ủ a các công th ứ c khác nhau đ ố i v ớ i áp su ấ t sóng đ ứ ng (Kishi, 1964) H ình 5.8 Phân lo ạ i áp su ấ t sóng lên t ườ ng đ ứ ng trên n ề n d ố c 1/15 172
Mithsuyasu đ ã trình bày m ộ t công th ứ c th ự c nghi ệ m đ ể x ác đ ị nh đ ộ s âu n ơ i mà áp l ự c xung đ áng quan tâm: 1/ 4 ⎛H ⎞ hM = CM ⎜ 0 ⎟ ( 5.26) ⎜L ⎟ H0 ⎝ 0⎠ C M l à m ộ t hàm c ủ a đ ộ n ghiêng tg θ nh ư m ô t ả t rên hình 5.9. Hi ệ n t ạ i các hi ệ n t ượ ng áp su ấ t sóng đ ổ l à quá ph ứ c t ạ p đ ể c ó th ể c ó đ ượ c nh ữ ng phân tích lý thuy ế t m ộ t cách chính xác. Do đ ó, các nghiên c ứ u hi ệ n t ượ ng này đ ượ c gi ớ i h ạ n trong vi ệ c xác đ ị nh áp su ấ t b ằ ng s ử d ụ ng các mô hình th ự c nghi ệ m. H ình 5.9 M ố i quan h ệ g i ữ a C M v à đ ộ n ghiêng đ áy (Horikawa&Hase, 1962) a) Công th ứ c th ự c nghi ệ m c ủ a Hiroi Hiroi đ ã trình bày m ộ t mô hình mà trong đ ó áp su ấ t sóng đ ượ c l ấ y đ ồ ng nh ấ t p = 1.5 ρgH ( 5.27) Áp su ấ t đ ượ c gi ả t hi ế t tác d ụ ng t ừ đ áy lên đ ế n đ ộ c ao 1.25H phía trên m ự c n ướ c yên t ĩ nh nh ư ng n ế u đ ộ c ao sóng bò lên nh ở h ơ n 1.25H thì áp su ấ t đ ượ c gi ả t hi ế t là tác đ ộ ng đ ế n đ ộ c ao sóng bò lên này. Trong đ ó H là đ ộ c ao c ủ a sóng ti ế n t ạ i t ườ ng. 173
Th ự c t ế c ho th ấ y áp su ấ t sóng đ ổ đ ượ c đ ánh giá theo công th ứ c c ủ a Hiroi không phù h ợ p v ớ i c ườ ng đ ộ s óng đ ị a ph ươ ng t ạ i t ừ ng đ i ể m quan sát trong phòng thí nghi ệ m hay trên th ự c t ế n h ư ng nó l ạ i đ úng v ớ i áp su ấ t trung bình cho toàn mi ề n ch ị u ả nh h ưở ng c ủ a áp su ấ t sóng. Trong h ầ u h ế t các tr ườ ng h ợ p thì c ườ ng đ ộ á p su ấ t th ự c là l ớ n h ơ n ở v ùng lân c ậ n m ự c n ướ c trung bình và nh ỏ h ơ n ở g ầ n đ áy. Tuy nhiên n ế u trong tr ườ ng h ợ p áp su ấ t sóng đ ổ m ạ nh ở g ầ n m ặ t thì công th ứ c c ủ a Minikin th ườ ng đ ượ c s ử d ụ ng tính toán. b) Công th ứ c c ủ a Minikin Minikin cho r ằ ng áp su ấ t sóng đ ổ l ên t ườ ng đ ứ ng đ ượ c gây ra do va đ ậ p c ủ a các front sóng đ ổ m à ta ị đ ó có m ộ t l ớ p m ỏ ng c ủ a các b ọ t khí. Minikin đ ã d ự a vào r ấ t nhi ề u các thí nghi ệ m đ o đ ạ c và các đ o đ ạ c, quan tr ắ c th ự c t ế đ ã đ ư a ra các công th ứ c sau: (1) Áp su ấ t xung đ ượ c tính theo công th ứ c: d⎞H ⎛ Pm = 102.4 ρgd ⎜1 + ⎟ ( 5.28) h⎠ L ⎝ 2 ⎞ ⎛H −2y ⎟ Py = Pm ⎜ ( 5.29) ⎟ ⎜H ⎠ ⎝ trong đ ó y là kho ả ng cách tính t ừ m ặ t m ặ t n ướ c yên t ĩ nh và có giá tr ị t rong kho ả ng -H/2 đ ế n +H/2. (2) Áp su ấ t t ĩ nh đ ượ c tính theo công th ứ c: ⎛H ⎞ Ps = ρg ⎜ − y ⎟ , y : 0 đ ế n H/2 (5.30) ⎝2 ⎠ H Ps' = ρg ( 5.31) 2 Ở đ ây, P y l à áp su ấ t xung trong kho ả ng -H/2 đ ế n +H/2 xung quanh m ự c yên t ĩ nh; P m l à giá tr ị c ự c đ ạ i c ủ a áp su ấ t shock t ạ i m ự c n ướ c yên t ĩ nh; Ps là áp su ấ t t ĩ nh trên m ự c n ướ c yên t ĩ nh; Ps' l à áp su ấ t t ĩ nh d ướ i m ự c n ướ c yên t ĩ nh; H là đ ộ c ao sóng t ạ i đ ộ s âu h; L đ ộ d ài sóng t ạ i đ ộ s âu h; d đ ộ s âu t ạ i chân t ườ ng. Hình 5.10 d ướ i đ ây mô t ả p hân b ố á p su ấ t theo công th ứ c c ủ a Minikin. 174
H ình 5.10 Phân b ố á p su ấ t sóng đ ổ t heo công th ứ c c ủ a Sainflou 5 .1.4. L ự c nâng c ủ a sóng. pn=p2 mực trung bình pn=1.25rgH pn Hình 5.11 a. Hình 5.11 b. Lực nâng âm H ình 5.11 S ơ đ ồ l ự c nâng do tác đ ộ ng c ủ a sóng Trên th ự c t ế c ác l ự c nâng do tác đ ộ ng c ủ a sóng đ ượ c phát sinh d ọ c theo chân c ủ a các đ ê ch ắ n sóng là m ộ t v ấ n đ ề r ấ t đ áng quan tâm. Tính th ấ m c ủ a môi tr ườ ng n ề n cho phép áp su ấ t c ủ a ch ấ t l ỏ ng truy ề n vào và d ẫ n đ ế n các bi ế n đ ổ i c ủ a áp l ự c có th ể g ây ra các l ự c nâng tác đ ộ ng lên công trình. Gi ả s ử đ ộ 175
cao c ủ a đ ê ch ắ n sóng đ ủ đ ể n g ă n không cho các sóng tràn qua. Phân b ố t heo ph ươ ng ngang c ủ a l ự c nâng gi ả t hi ế t có d ạ ng nh ư t rên hình 5.11a. áp l ự c nâng t ạ i chân phía ngoài c ủ a đ ê là P 2 đ ượ c xác đ ị nh theo công th ứ c c ủ a Sainflou trong tr ườ ng h ợ p sóng đ ứ ng ho ặ c theo công th ứ c p=1.25 gH trong tr ườ ng h ợ p sóng đ ổ . Khi đ ộ c ao c ủ a đ ê th ấ p h ơ n so v ớ i đ ộ c ao c ủ a đ ỉ nh sóng bò qua (xe m hình 5.11b.) thì l ự c nâng có th ể b ỏ q ua và c ầ n quan tâm đ ế n l ự c nâng âm khi mà b ụ ng sóng ti ế n đ ế n. 5.2. ÁP L Ự C SÓNG LÊN TRÊN CÁC CÔNG TRÌNH. 5 .2.1. Tính ổ n đ ị nh c ủ a các đ ụ n s ỏ i, bê tông b ề m ặ t. Đ ố i v ớ i các đ ê ch ắ n sóng có t ườ ng đ ứ ng thì ch ứ c n ă ng chính là ch ặ n và làm ph ả n x ạ c ác sóng t ớ i, còn đ ố i v ớ i các đ ê ch ắ n sóng d ạ ng tho ả i thì đ ượ c xây d ự ng b ằ ng s ỏ i cu ộ i ho ặ c các kh ố i bê tông có ch ứ c n ă ng làm đ ổ c ác sóng t ớ i và tiêu tán n ă ng l ượ ng c ủ a sóng trên các s ườ n d ố c nghiêng c ủ a đ ê. V ớ i m ụ c đ ích xây d ự ng m ộ t c ấ u trúc ổ n đ ị nh cho đ ê ch ắ n sóng d ạ ng này thì tr ọ ng l ượ ng c ủ a đ á hay các kh ố i bê tông trên l ớ p m ặ t ph ả i đ ủ l ớ n đ ể c h ố ng l ạ i các tác đ ộ ng c ủ a sóng. Tr ọ ng l ượ ng c ầ n thi ế t c ủ a các kh ố i bê tông đ ó đ ượ c xác đ ị nh nh ờ c ác tr ợ g iúp th ự c nghi ệ m trong r ấ t nhi ề u n ă m qua. T ừ n ă m 1938, Irbarren đ ã đ ư a ra m ộ t công th ứ c xác đ ị nh kh ố i l ượ ng c ủ a kh ố i bê tông, s ỏ i c ầ n thi ế t. Khi sóng t ấ n công và đ ổ t rên m ặ t nghiêng c ủ a công trình thì m ộ t kh ố i l ượ ng xác đ ị nh c ủ a n ướ c đ ổ s ậ p lên m ặ t nghiêng này và t ạ o ra m ộ t áp su ấ t âm lên các kh ố i đ ấ t đ á, bê tông. Chính áp su ấ t âm này làm gi ả m tr ọ ng l ượ ng h ữ u hi ệ u c ủ a các kh ố i s ỏ i đ á, bê tông này và làm gi ả m s ự c h ố ng đ ỡ c ủ a nó đ ố i các tác đ ộ ng c ủ a sóng. Ta ký hi ệ u F là l ự c nâng tác đ ộ ng lên kh ố i đ á s ỏ i, A là di ệ n tích chi ế u lên h ướ ng c ủ a l ự c nâng, W là kh ố i l ượ ng c ủ a kh ố i đ á s ỏ i, H là đ ộ c ao sóng phía tr ướ c c ủ a đ ê ch ắ n sóng. L ự c nâng và di ệ n tích chi ế u s ẽ l à: F=k gAH (5.32) 2/3 ⎛W ⎞ A~⎜ ⎜ρ g⎟ ( 5.33) ⎟ ⎝r⎠ Trong đ ó l à t ỉ t r ọ ng c ủ a kh ố i s ỏ i đ á, k: h ằ ng s ố t h ự c nghi ệ m. r K ế t h ợ p hai bi ể u th ứ c này l ạ i thu đ ượ c: 2/3 ⎛W ⎞ ⎜ρ g⎟ F = K ρgH ⎜ ' ( 5.34) ⎟ ⎝r⎠ 176
K ' l à m ộ t h ằ ng s ố . Đ i ề u ki ệ n ổ n đ ị nh cho s ự t r ượ t c ủ a kh ố i s ỏ i trên m ặ t nghiêng là: ⎡⎛ ⎛W ⎞ ⎤ 2/3 ⎛ ρ⎞ ρ⎞ ⎟ sin α − μ ⎢W ⎜1 − W ⎜1 − ⎟ cos α − K ρgH ⎜ ⎜ρ g⎟ ⎥ ' ( 5.35) ⎜ ρr ⎟ ⎜ ρr ⎟ ⎟ ⎢⎝ ⎝r⎠ ⎥ ⎝ ⎠ ⎠ ⎣ ⎦ Trong đ ó: là góc nghiêng phía tr ướ c c ủ a đ ê,  l à h ệ s ố m a sát gi ữ a các kh ố i s ỏ i đ á. Gi ả i ph ươ ng trình (5.35) đ ố i v ớ i W ta thu đ ượ c: Kμ 3 ρ r gH 3 W= ( 5.36) ( ρ r / ρ − 1) 3 ( μ cos α − sin α ) 3 F ρ ) sin α W (1 − ρr ρ ) cos α W (1 − ρr ρ W (1 − ) ρr a Hình 5.12 Mô t ả l ự c tác đ ộ ng lên m ộ t v ậ t b ề m ặ t ở đ ây K=(K ’ ) 3 l à h ằ ng s ố x ác đ ị nh t ừ t h ự c nghi ệ m. Hudson đ ã th ự c hi ệ n l ặ p đ i l ặ p l ạ i nhi ề u thí nghi ệ m đ ể x ác đ ị nh h ằ ng s ố K t rình bày trong ph ươ ng trình (5.36) và cu ố i cùng đ ã phát hi ệ n ra các gi ớ i h ạ n c ủ a ph ạ m vi có th ể á p d ụ ng c ủ a ph ươ ng trình này. D ự a trên công vi ệ c này, Hudson đ ã đ ư a ra m ộ t công th ứ c d ướ i đ ay, công th ứ c này hi ệ n nay r ấ t hay đ ượ c s ử d ụ ng. ρ r gH 3 W= ( 5.37) K D ( ρ r / ρ − 1) 3 coth α Công th ứ c này th ự c t ế k hông ch ắ c v ề m ặ t lý thuy ế t xong đ ã đ ượ c kh ẳ ng đ ị nh là cho k ế t qu ả h ợ p lý trong r ấ t nhi ề u các tr ườ ng h ợ p th ự c nghi ệ m khác 177
nhau. H ệ s ố k hông th ứ n guyên K D đ ượ c g ọ i là h ệ s ố ổ n đ ị nh nó th ườ ng có giá tr ị t rong kho ả ng 2.8 đ ế n 4.3 đ ố i v ớ i s ỏ i, t ừ 6 .6 đ ế n 13.6 đ ố i v ớ i các kh ố i bê tông xi m ă ng d ướ i đ i ề u ki ệ n kh ố i l ượ ng b ị p há hu ỷ l à t ừ 0 % đ ế n 1%. Trong các ph ươ ng trình trên, s ự ả nh h ưở ng c ủ a chu k ỳ s óng hay đ ộ d ài sóng là không đ ượ c k ể đ ế n, xong các kh ả o sát trong phòng thí nghi ệ m đ ã ch ỉ r a r ằ ng v ớ i đ ộ c ao sóng nh ư n hau thì sóng có chu k ỳ d ài h ơ n gây phá hu ỷ c ông trình l ớ n h ơ n. Trong tr ườ ng h ợ p đ ỉ nh c ủ a công trình b ị s óng t ấ n công t ừ n hi ề u h ướ ng khác nhau thì l ớ p ph ủ c ó th ể b ị x ê d ị ch ho ặ c b ị đ ẩ y r ơ i, do đ ó t ạ i đ ỉ nh kh ố i l ượ ng c ủ a các kh ố i che ph ủ c ầ n đ ượ c t ă ng thêm b ằ ng 1,5 l ầ n giá tr ị x ác đ ị nh theo công th ứ c (5.37). 5 .2.2. Áp l ự c c ủ a sóng lên các c ấ u trúc ố ng. G ia s ố á p l ự c sóng tác đ ộ ng lên m ộ t ố ng đ ượ c bi ể u di ễ n d ướ i d ạ ng: 1 & dF = ρ C DU U dS + ρ C M UdV ( 5.38) 2 trong đ ó dF - áp l ự c sóng vi phân ngang, dV - th ể t ích, dS - ti ế t di ệ n c ắ t chi ế u lên ph ươ ng ngang, -m ậ t đ ộ n ướ c, C D v à C M - h ệ s ố k éo và h ệ s ố q uán tính, U và U ’ - v ậ n t ố c và gia t ố c c ủ a n ướ c theo ph ươ ng ngang t ạ i tr ụ c c ủ a ố ng. Trong tr ườ ng h ợ p ố ng tr ụ c ó đ ườ ng kính D (xem hình 5.13) thì ph ươ ng trình (5.38) tr ở t hành: π D2 & 1 dF = ( ρ C D DU U dS + ρ C M U )dV ( 5.39) 2 4 H ình 5.13 Mô t ả đ ị nh ngh ĩ a áp l ự c sóng lên tr ụ đ ứ ng C ông th ứ c này l ầ n đ ầ u tiên đ ượ c Morison, O’bien, Johnson và Schaaf trình bày v ớ i gi ả t hi ế t áp l ự c sóng có th ể b i ể u di ễ n nh ư l à s ự k ế t h ợ p tuy ế n 178
tính c ủ a l ự c kéo và l ự c quán tính đ ượ c gây ra do v ậ n t ố c và gia t ố c c ủ a h ạ t n ướ c. Trong quá trình nghiên c ứ u đ ã có r ấ t nhi ề u cu ộ c kh ả o sát đ ượ c th ự c hi ệ n đ ể x ác đ ị nh h ệ s ố C D v à C M . T rên hình 5.14 là tóm l ượ c các k ế t qu ả k h ả o sát và đ ườ ng cong thi ế t k ế đ ượ c CERC* đ ư a ra. Hoàng tuy ế n trong hình 5.14 đ ượ c gán là s ố R eynold Re=U m a x D/ v ớ i U m a x l à v ậ n t ố c ngang c ự c đ ạ i t ạ i y=0, D là đ ườ ng kính ố ng. M ặ t khác giá tr ị c ủ a C M t h ự c t ế b ằ ng v ớ i giá tr ị x ác đ ị nh theo lý thuy ế t và là hàm c ủ a t ỉ s ố g i ữ a đ ườ ng kính ố ng và đ ộ d ài sóng. H ình 5.14 Quan h ệ g i ữ a h ệ s ố k éo C D v à s ố R eynolds (Theo các s ố l i ệ u thí nghi ệ m CERC, 1973) Á p l ự c sóng ph ụ t hu ộ c vào th ờ i gian, do v ậ y vi ệ c tính toán nó là c ự c k ỳ p h ứ c t ạ p. Gia s ố á p l ự c sóng c ự c đ ạ i dF m a x t hì d ễ d àng xác đ ị nh đ ượ c theo ph ươ ng trình: ⎧ 2 dFM ⎪dF + khi 2dFD > dFM = ⎨ D 4dFD dFmax (5.40) ⎪dF khi 2dFD < dFM ⎩M 179
Trong đó: 1 dFD = ρ C DU max dS 2 2 & dFM = ρ C M U max dV & U max ,U max Là biên độ của gia tốc và vận tốc hạt nước theo phương ngang. Hình 5.15 ch ỉ c ho th ấ y đ i ề u ki ệ n tiêu chu ẩ n (FD )max = (FM )max . Đ ườ ng cong trên hình này thu đ ượ c b ằ ng cách tích phân các thành ph ầ n kéo và thành ph ầ n quán tính t ừ m ặ t t ớ i đ áy s ử d ụ ng lý thuy ế t sóng biên đ ộ n h ỏ v à gi ả t hi ế t C D =1.0; C M =2.0. Phía trên và d ướ i c ủ a đ ườ ng cong t ớ i h ạ n là ho ặ c t ổ ng l ự c kéo (FD )max h o ặ c là t ổ ng l ự c quán tính (FM )max c hi ế m ư u th ế . H ình 5.15 Đ ườ ng cong H/D khi (F D ) m a x =(F M ) m a x , C D =1 và C M =2 (D ự a trên lý thuy ế t sóng tuy ế n tính, theo Dean và Harleman, 1966) & Lý thuy ế t sóng biên đ ộ h ữ u h ạ n c ũ ng đ ượ c s ử d ụ ng đ ể t ính toán U và U n h ằ m thu đ ượ c áp l ự c sóng v ớ i đ ộ c hính xác cao h ơ n. Trong tr ườ ng h ợ p đ ó, giá tr ị c ủ a C D v à C M p h ả i đ ượ c l ự a ch ọ n r ấ t th ậ n tr ọ ng b ở i vì h ầ u h ế t các s ố l i ệ u thí nghi ệ m đ ề u thu đ ượ c d ự a trên c ơ s ở c ủ a lý thuy ế t sóng tuy ế n tính. Áp l ự c sóng lên c ấ u trúc ố ng đ ượ c tính toán nh ư v ect ơ t ổ ng c ủ a áp l ự c sóng tác d ụ ng theo các h ướ ng khác nhau nh ư h ướ ng đ ứ ng, h ướ ng xiên, ph ươ ng ngang. Do v ậ y, giá tr ị c ự c đ ạ i c ủ a áp l ự c sóng đ ượ c xác đ ị nh b ằ ng t ổ ng c ủ a các giá t r ị á p l ự c sóng tác d ụ ng lên các h ướ ng và các khác bi ệ t v ề p ha tác đ ộ ng c ầ n ph ả i đ ượ c quan tâm xem xét. áp l ự c sóng tác đ ộ ng lên m ộ t h ướ ng thành ph ầ n đ ượ c tính theo công th ứ c (5.38). Trong đ ó các thành ph ầ n gia t ố c và v ậ n t ố c & h ạ t n ướ c tr ự c giao v ớ i tr ụ c c ủ a h ướ ng thành ph ầ n nên gán cho U và U . 180
Khi m ộ t n ề n n ặ ng đ ượ c ch ố ng đ ỡ b ở i các ố ng xây d ự ng trên vùng n ướ c khá sâu thì các phân tích c ấ u trúc đ ộ ng l ự c c ầ n đ ượ c th ự c hi ệ n đ ể p h ụ c v ụ t hi ế t k ế . Lý do là t ầ n s ố t ự n hiên c ủ a công trình có th ể c ó quan h ệ g ầ n v ớ i cho k ỳ s óng thì s ự c ộ ng h ưở ng có th ể x ả y ra và làm phá ho ạ i k ế t c ấ u c ủ a công trình. Do đ ó, các đ ặ c tr ư ng ph ả n h ồ i c ủ a công trình nên đ ượ c đ i ề u tra, kh ả o sát theo các đ i ề u ki ệ n sóng ph ứ c t ạ p. Trong các xem xét trên, đ ườ ng kính ố ng đ ã đ ượ c gi ả t hi ế t c ự c nh ỏ s o v ớ i đ ộ d ài sóng. Khi đ ườ ng kính c ủ a tr ụ c ông trình t ă ng thì l ự c quán tính tr ở n ên chi ế m ư u th ế n h ư đ ã ch ỉ r a trên hình (5.15). MacCamy và Fuchs đ ã gi ả i quy ế t v ấ n đ ề n ày trên c ơ s ở c ủ a lý thuy ế t sóng tuy ế n tính. ý t ưở ng là quan tâm đ ế n các sóng ph ả n x ạ v à nhi ễ u x ạ t ừ c ác tr ụ c ũ ng nh ư c ác sóng t ớ i nh ằ m tìm ra nghi ệ m cho hàm th ế φ t ho ả m ãn đ i ề u ki ệ n biên t ạ i b ề m ặ t c ủ a công trình. ⎛ ∂φ ⎞ ⎜ ⎟ =0 ⎝ ∂r ⎠ r =a T rong đ ó, φ l à th ế v ậ n t ố c t ổ ng h ợ p; r là bán kính t ừ t âm c ủ a tr ụ ; r=a là t ạ i b ề m ặ t c ủ a tr ụ . T ừ đ ó, các phân b ố l ự c d ọ c theo b ề m ặ t c ủ a tr ụ c ó th ể đ ượ c xác đ ị nh và do đ ó l ự c quán tính có th ể t ính đ ượ c. D ự a trên các k ế t qu ả t rên, Bretschneider và Denis đ ã xác đ ị nh giá tr ị c ủ a h ệ s ố q uán tính C M n h ư l à m ộ t hàm c ủ a D/L nh ư t rên hình (5.16). T ừ g i ả n đ ồ n ày có th ể n h ậ n th ấ y r ằ ng giá tr ị C M t ă ng t ừ 2 .0 và đ ạ t đ ế n m ộ t giá tr ị c ự đ ạ i t ạ i đ i ể m có D/L n ằ m trong kho ả ng 0.1 - 0.2. Ti ế p sau giá tr ị C M g i ả m xu ố ng r ấ t nhanh khi D/L t ă ng lên. H ình 5.16 H ệ s ố q uán tính c ủ a m ộ t c ộ t hình tr ụ ( Bretschneider và Denis, 1969). 181