Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Ý nghĩa Việt Nam có đường bờ biển dài gần 3.300km và khu đặc quyền kinh tế biển rộng lớn. Do đó, tiềm năng kinh tế biển là vô cùng to lớn, cần được khai thác một cách triệt để nhằm góp phần thúc đẩy sự phát triển nền kinh tế chung của cả nước. Trong những năm gần đây, Nhà nước đã có những chính sách đặc biệt ưu tiên cho việc phát triển kinh tế biển: sự ra đời nhiều cảng biển dọc theo bờ biển từ Bắc vô Nam, các công trình lấn biển phục vụ cho du lịch, nuôi trồng thủy hải sản, các công trình thăm dò, khai thác dầu khí,… Để phát triển kinh tế biển thì việc xây dựng các công trình biển như: kè biển, giàn khoan, cảng, cầu, đê chắn sóng… là không thể thiếu. Các công trình này ngoài chịu tác động do các hoạt động của con người, còn thường xuyên phải chịu tác động của các yếu tố tự nhiên như: sóng, gió, dòng chảy…Vì vậy, việc nghiên cứu, tính toán tác động của các yếu tố tự nhiên lên công trình cần phải cẩn trọng và chính xác, vì những chuyển biến của tự nhiên là rất phức tạp, để đảm bảo cho công trình không bị phá hủy (hoặc bị phá hủy có kiểm soát) trong suốt thời gian phục vụ của nó.
Tải trọng sóng lên công trình là một trong những yếu tố rất phức tạp, nó 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). Thường trong tính toán tải trọng sóng chỉ xét hai loại là: tác động 2 của sóng không vỡ và sóng vỡ (ngay tại công trình), do sóng đã vỡ gần như đã bị tiêu tán toàn bộ năng lượng nên ít ảnh hưởng đến công trình.
Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp tính sóng khác nhau. Trong luận văn này sẽ khảo sát và hệ thống hóa các phương pháp tính toán sóng của các nghiên cứu hiện có. Từ đó phân tích các điểm giống và khác nhau, các ưu nhược điểm để đề nghị một phương pháp tính toán tải trọng sóng tác động lên công trình phù hợp nhất trong điều kiện ở Việt Nam.1: Sóng tác động lên đê chắn sóng 1.2 Mục đích và phạm vi nghiên cứu 1.1 Mục đích của đề tài • Hệ thống hóa các phương pháp tính toán tải trọng sóng tác động lên công trình biển đang được áp dụng trên thế giới (trong đó có Việt Nam). • Khảo sát, so sánh các phương pháp tính toán áp lực sóng nêu trên và đề xuất phương pháp tính toán tải trọng sóng đối với việc thiết kế đê chắn sóng.2 Phạm vi nghiên cứu • Phân tích chi tiết các phương pháp tính toán tải trọng sóng theo hình thức tác động sóng gồm: sóng không vỡ và sóng vỡ, theo hình dạng của công trình gồm: đê chắn sóng dạng tường đứng và đê chắn sóng dạng mái nghiêng.
• Áp dụng tính toán tải trọng sóng lên đê chắn sóng trong điều kiện Việt Nam.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu • Kế thừa các kết quả nghiên cứu từ trước đến nay về tính toán tải trọng sóng tác động lên công trình. • Thu thập, thống kê, phân tích phương pháp tính toán tải trọng sóng phổ biến trên thế giới • Tính toán trường hợp sóng tác động lên đê chắn sóng theo các phương pháp trên để có sự so sánh cụ thể. 4 Chương 2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ TẢI TRỌNG SÓNG Hiroi (1919) đưa ra phương pháp tính tải trọng sóng vỡ tại chân công trình, đây là phương pháp được sử dụng trong thời gian dài tại Nhật Bản. Phương pháp này dựa trên nguyên lý là áp lực nước tác động lên công trình là do nước rơi từ trên đỉnh sóng vỡ (cho trường hợp sóng nước sâu) với chiều cao 2H kể từ đáy sóng với tốc độ rơi của phân tử nước vn là: vn = 2 gz Từ đó, ông đưa ra công thức tính áp lực sóng: (vn2 + v 2 ) ⎛ KH ⎞ p = 2γ = γ H ⎜3 + ⎟ = 1.5ρ gH 2g ⎝ 2 ⎠ trong đó: v - tốc độ quỹ đạo của phân tử nước trước khi sóng vỡ z - chiều cao đỉnh sóng vỡ tính từ mực nước tĩnh ρ - mật độ nước biển, H là chiều cao sóng tới.
Áp lực sóng p được xem là phân bố đều trên suốt chiều cao của tường đứng tính từ đáy tường lên đến vị trí có độ cao gấp 1.25 lần độ cao sóng tính từ mực nước tĩnh. Công thức Hiroi chỉ phản ánh được áp lực sóng trung bình trên tường đứng chứ không tính được áp lực sóng tại từng vị trí công trình, gây khó khăn trong việc tính toán kết cấu chịu lực cho công trình. Ito (1942) đưa ra phương pháp đơn giản để tính tải trọng sóng lên tường đứng. Áp lực phân bố tại mặt trước công trình có dạng hình chữ nhật, với chiều cao sóng tính toán là Hmax, giá trị Hmax được lấy bằng 2Hs hoặc Hb nếu ở vùng nước cạn.
Giá trị áp lực sóng trung bình p được xác định tùy theo mối quan hệ giữa độ cao sóng và chiều sâu nước trước công trình, như sau: p = 0.7 ρ w gH max khi Hmax < d 5 ⎛ H⎞ p = ⎜ 0.55 ⎟ ρ w gH max khi Hmax > d ⎝ d ⎠ Djunkovski (1949) đã đề nghị công thức tính toán áp lực sóng vỡ tại vị trí cách công trình 200 – 300m (lớn hơn một chiều dài sóng) và không lại vỡ ngay trước công trình. Áp lực sóng xô theo Djunkovski là: (0.7γ 2g trong đó: c’ – vận tốc truyền sóng, v’ – vận tốc quỹ đạo của phân tử nước, w = 0.75c’ + v’ – vận tốc dòng chảy do sóng xô gây ra. Biểu đồ áp lực sóng xô theo Djunkovski có dạng hình thang, gồm hình chữ nhật ở dưới đáy (từ đáy công trình đến mực nước tĩnh) và hình tam giác ở trên (từ mực H' (0.75c '+ v ')2 nước tĩnh lên độ cao z0 = + H0 + ). 2 2g Phương pháp Sainflou (1928) cho sóng có biên độ lớn (sóng phi tuyến), dựa trên lý thuyết sóng trocoide ở nước cạn.
Phương pháp này dựa trên các phương trình thủy động lực học của chất lỏng lý tưởng ở độ sâu hạn chế, giả thiết rằng trước công trình tường đứng xuất hiện sóng đứng có chiều cao gấp đôi chiều cao sóng tới. Tuy nhiên, lời giải của Sainflou chỉ là gần đúng bậc hai không hoàn toàn. Biểu đồ áp lực sóng theo Sainflou mô phỏng khá rõ ràng áp lực sóng theo chiều sâu tác động lên tường đứng, các giá trị lớn nhất, nhỏ nhất,…được tính toán cụ thể hơn so với các phương pháp trên. Tuy nhiên, phương pháp Sainflou chỉ cho kết quả tốt đối với sóng dài có độ dốc thấp, còn với sóng có độ dốc cao, thì kết quả tính toán cao hơn rất nhiều so với kết quả thực đo (theo kết quả thực nghiệm của Rundgren năm 1958).
Do công thức Sainflou được thiết lập dựa trên lý thuyết cho sóng đều với đỉnh và đáy sóng tại công trình tường đứng, do đó, không thể áp dụng cho các trường hợp sóng vỡ và sóng tràn. 6 Miche-Rundgren (Shore Projection Manual 1984) đã cải tiến phương pháp Sainflou với lý thuyết sóng phi tuyến bậc hai với giả thiết áp lực sóng phân bố tuyến tính theo chiều sâu. Lý thuyết này được Miche đưa ra vào năm 1944 và được Rundgren cải tiến năm 1958 với sự thêm vào hệ số phản xạ của công trình [1]. Kết quả tính từ công thức Miche-Rundgren trùng khớp khá tốt với số liệu thực nghiệm cho sóng dốc, trong khi phương pháp Saiflou cho kết quả cao hơn rất nhiều so với kết quả thực đo.
Goda (1974, 1985) đưa ra phương pháp dự báo tải trọng sóng lên tường đứng, đê chắn sóng trong cả hai trường hợp sóng vỡ và sóng không vỡ. Phương pháp này cho rằng áp lực sóng lên mặt trước của tường có thể được mô tả bằng phân bố hình thang, tải trọng sóng giảm từ mực nước trung bình xuống đáy công trình. Trên mực nước biển trung bình, tải trọng giảm đến không tại vị trí có độ cao sóng leo (η * ). Đồng thời, phương pháp này cũng tính áp lực đẩy nổi dưới đáy công trình do sóng gây ra.
Tuy nhiên, công thức của Goda có một số hạn chế là không áp dụng chính xác cho sóng đã vỡ tác động lên tường đứng ở vùng nước rất cạn, gần tuyến đường bờ. Do đó, phải dùng thêm một số công thức tính toán khác để tính toán áp lực sóng tại khu vực này. Phương pháp này cho rằng phân bố áp lực sóng không có dạng tuyến tính như các phương pháp trên mà có phân bố dạng parabol. Tải trọng sóng giảm theo hình parabol từ giá trị áp lực lớn nhất pmax ở mực nước tĩnh đến 0 tại khoảng cách Hb/2 ở trên và dưới mực nước tĩnh.
Duy (1996) dựa trên lời giải phương trình Navier-Stokes hai chiều đã tìm được phân bố của áp lực sóng đứng lên tường đứng. Kết quả tính toán phù hợp với các kết quả thí nghiệm đo đạc áp lực sóng của Goda và Kakikazi (1966) [10,11]. 7 Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH ÁP LỰC SÓNG LÊN TƯỜNG ĐỨNG Dựa vào số liệu về chiều cao sóng thiết kế được xác định với chu kỳ, xác xuất vượt nhất định cho tuổi thọ của công trình, hay với tần suất bảo đảm nhất định tương ứng với cấp công trình và theo hướng sóng nguy hiểm nhất, chúng ta có thể xác định tải trọng sóng lên công trình biển theo loại sóng thiết kế. Tùy theo loại công trình (tường đứng, tường nghiêng, mái nghiêng,…) mà lực tác động của sóng lên công trình biển có sự khác nhau phụ thuộc vào hình dáng mặt trực tiếp chịu tác động của sóng.
Ngoài ra, dựa theo mức độ quan trọng của công trình mà tải trọng sóng có thể được xác định bằng các phương trình toán (theo các công thức lý thuyết, nửa kinh nghiệm, hay kinh nghiệm) hay bằng các mô hình vật lý (đối với công trình quan trọng hay công trình có dạng đặc biệt). Trị số áp lực sóng đặc trưng thường được xác định tại một số điểm dọc theo chiều cao mặt trước và sau của tường công trình. Phân bố áp lực sóng dọc theo chiều cao tường thẳng đứng ứng với đỉnh sóng và chân sóng có dạng tổng quát như hình 3.
