Nghien cuu ap luc song doi len mai de khi co them giam song

NGHIÊN CỨU ÁP LỰC SÓNG DỘI LÊN MÁI ĐÊ BIỂN KHI CÓ THỀM GIẢM SÓNG GS.TS Nguyễn Chiến – ĐHTL TS Hoàng Ngọc Tuấn – Viện KHTL miền Trung Tây Nguyên Tóm tắt : Biểu đồ áp lực sóng dội lên mái đê trị số áp lực sóng dương lớn lên mái nghiêng đơn trình bày nhiều tài liệu khác Nhưng với trường hợp mái có thềm giảm sóng yếu tố chưa làm rõ Trong trình bày sở thiết lập công thức xác định vị trí sóng dội lên mái có thềm giảm sóng Trị số áp lực sóng lớn tác dụng lên mái xác định công thức thực nghiệm khuyến cáo áp dụng cho đê biển Hải Hậu vùng khác có điều kiện tương tự Đặt vấn đề Trong thiết kế đê biển, biểu đồ áp lực sóng lên mái trị số áp lực sóng lớn sử dụng để kiểm tra ổn định độ bền kết cấu bảo vệ mái Đối với mái nghiêng đơn (khơng có thềm giảm sóng), dạng biểu đồ phân bố áp lực sóng trị số Pmax trình bày tương đối thống tài liệu khác ( [1], [2], [4] … ) Vị trí điểm B, nơi có áp lực sóng dội lớn lên mái xác nh nh trờn hỡnh vi : Đỉ nh công tr× nh MNT Z3 ZB  Hình : Phân bố áp lực sóng mái nghiêng đơn Z B h pg  : (1  m2 2m  1)(h pg  hd ) , h pg H S (0,47  0,023 H S  m2 ) LS m2 (1) ; (2)  H  hd H S (0,95  (0,84m  0,25) S  (3) LS   Ở : HS : chiều cao sóng lớn tính tốn (ứng với tần suất P%) HS  S : độ dốc sóng m : hệ số mái dốc; LS Trị số áp suất sóng lớn B xác định theo cơng thức : PB = kS.kt.Pd.ρ.g.HS, (4) : ks = 0,85 + 4,8δs + m(0,028 – 1,05δs); (5) kt : xác định theo bảng 1; Pd : áp suất sóng tương đối xác định theo bảng 2; ρ : khối lượng riêng nước; g : gia tốc trọng trường δs 0,1 Bảng : Xác định trị số kt 0,07 0,05 0,04 0,03 kt 1,0 1,15 1,3 1,35 Bảng : Xác định trị số áp suất sóng tương đối P Chiều cao sóng Hs (m) Pd 0,5 3,7 1,0 2,8 1,5 2,3 2,0 2,1 1,48 d 2,5 1,9 3,0 1,8 3,5 1,75 ≥4 1,7 Trường hợp mái có thềm giảm sóng việc xác định vị trí B trị số P B chưa đề cập nhiều cần tiếp tục nghiên cứu Biểu đồ phân bố áp lực lên mái trường hợp thay đổi so với hình Tuy nhiên việc xác định biểu đồ phân bố áp lực sóng trường hợp có thềm khơng thuộc phạm vi viết cần nhấn mạnh thiết kế trị số PB quan trọng nhất, sử dụng để kiểm tra độ bền ổn định kết cấu bảo vệ mái Khi mực nước trước đê thay đổi theo triều mực nước dâng bão thay đổi điểm B dịch chuyển giới hạn từ B (ứng với mực nước triều nhỏ nhất) đến Bmax (ứng với mực nước dâng lớn nhất) Đây sở để xác định phạm vi bố trí kết cấu bảo vệ mái đê Những nội dung nghiên cứu nhằm làm sáng tỏ phạm vi sóng dội mái đê trị số áp lực sóng lớn lên mái có thềm giảm sóng Xác định vị trí sóng dội lên mái đê 2.1 Trường hợp mái đơn [4] Với mực nước thượng lưu cho, vị trí điểm sóng dội lên mái đê (điểm B) xác định theo lý thuyết chuyển động hạt nước Đzunkovski [4] với sơ đồ hình Y A VA   hd MNT V'B YB YA VB Y2  B hpg h m=cotg XB X  Hình : Sơ đồ tia nước dội đập xuống mái [4] Theo kết nghiên cứu có quỹ đạo chuyển động hạt nước rơi xuống mái đê đa dạng Tuy nhà nghiên cứu sóng thống quỹ đạo chuyển động hạt nước đầu sóng có ý nghĩa hình parabol mà đỉnh A nhọn tải trọng sóng lên mái nguy hiểm.Vị trí điểm sóng dội B xác định từ thông số ban đầu [4] : g.LS 2h  g  h V A H S cth n th ; (6) LS LS 2 LS H m n 4,7 S  3,4(  0,85) , (7) LS  m2 : HS - chiều cao sóng tới theo tần suất tính tốn p%; LS : chiều dài sóng (m); h : độ sâu nước trước cơng trình; m : hệ số mái đê Vị trí điểm A xác định tung độ y0 = hpg + hd hình 2, đó: hpg : chiều sâu phân giới xác định theo công thức (2); hd : độ cao điểm A mực nước tĩnh, xác định theo công thức (3) Phương trình chuyển động hạt nước xuất phát từ A sau : -Theo phương ngang : x = VA.t (8) - Theo phương đứng : y  y  g t 2 (9) Giải hệ phương trình (8) (9) cho trường hợp mái đơn : V2 V2  1 x x B   V A A2  g y  A  ; yB  B (10) g  m  m m 2.2 Trường hợp có thềm giảm sóng Với cao trình thềm xác định, tùy theo thay đổi mực nước trước đê mà vị trí điểm sóng dội rơi vào mái dưới, mặt thềm hay mái a) Khi điểm B nằm thềm Sơ đồ tính tốn hình y Phân tích tương tự VA A mục trên, ta có quỹ đạo hạt nước từ A hd MNTT mt đến B cung parabol C' tb Gọi C’ điểm hpg D C B cung có hồnh yc XCB h độ xc’ = xc ; C D o điểm mép Xc bf md thềm  Hình : Sơ đồ tính toán tia nước dội xuống mặt thềm Xét chuyển động đoạn từ C’đến B ta có : g xCB yc'  y B  ( xC  xCB ) V A2 Theo điều kiện hình học (xem hình 3) ta có : y C '  y B hd  h pg  yC  y AC ' (11) (12) Cân (11) = (12) biến đổi ta : x2 V2 xCB  xC xCB  C  (hd  h pg  y C ) A 0 (13) g Phương trình (13) phương trình bậc để xác định ΔX CB Từ giá trị ΔXCB xác định vị trí điểm B sau : - Khi ΔXCB < : điểm B nằm mái dưới; - Khi ≤ ΔXCB ≤ bf : điểm B nằm mặt thềm; - Khi ΔXCB > bf : điểm B nằm mái b) Khi điểm B nằm mái Sơ đồ tính tốn hình Gọi D’ điểm cung parabol AB có hoành độ XD’ = XD = XC + bf Phân tích chuyển động ta có : g ( xC  b f ) y AD '  (14) 2V A2 g ( xC  b f ) x DB g x DB  VA VA VA Mặt khác theo điều kiện hình học (hình 4) ta có : x DB t  hd  y AD '  y D 'B mt y D 'B  (15) (16) X Thay (14), (15) vào (16) biến đổi ta : y VA A hd MNTT D' t B hpg yc h o D C Xc bf XDB  Hình : Sơ đồ tính tốn tia nước dội đập lên mái  V2  V2 x DB  2 xC  b f  A .x DB  ( xC  b f )  A (t  hd ) 0 , (17) g mt  g  : t : chiều sâu nước thềm (xem hình 4) Từ phương trình (17) xác định ΔXDB tức vị trí điểm B Xác định cường độ áp lực sóng lớn PB Trường hợp mái đơn trị số P B xác định theo cơng thức (4) hệ số k s xác định theo cơng thức (5) Trong cơng thức có yếu tố hệ số mái m; mái có thềm giảm sóng trị số m chưa xác định yếu tố thềm bề rộng thềm (b f), chiều dày lớp nước thềm (t) ảnh hưởng đến trị số PB thông qua quan hệ kS Ta xét trường hợp sau : 3.1 Khi điểm B nằm mái dưới: Thềm không ảnh hưởng đến trị số P B, hệ số kS xác định theo cơng thức (5), m thay md 3.2 Khi điểm B nằm thềm mái trên: Thềm có ảnh hưởng đến trị số P B, ta sử dụng công thức (4) để xác định P B, công thức (5) để xác định trị số kS, thay m mb (trị số mái tương đương có thềm) Do trị số PB phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nên để làm rõ quan hệ P B với thông số thềm, ta giữ nguyên yếu tố khác sử dụng thí nghiệm để xác định quan hệ : b f tb mb  f ( , , mt ) (18) HS HS Có thể chọn biểu thức cụ thể (18) sau : X1 X2  b f   tb     ( mt ) X mb  A. (19) H H  S  S Lấy logarit vế ta có :  bf   t    x ln b   x3 ln(mt ) ln(mb ) ln( A)  x1 ln  HS   HS   bf Đặt y ln(mb) ; ao ln(A) ; a1 ln  HS   t  ; a2 ln b   HS   ; a3 ln(mt ) ; x0 = 1,  ta : y a0 x0  a1 x1  a x  a3 x3  xi (20) i 0 Trong thí nghiệm, có sai số nên trị số lần đo yk khác so với y0, hàm y k  aik xi hàm xấp xỉ Các trị số xi xác định gần nhờ vào giá trị a ik i 0 n cho tổng bình phương sai số nhỏ : (y k  y )   k 1 Như sử dụng chương trình xử lý số liệu thống kê theo phương pháp bình phương nhỏ để xác định giá trị x i với (i = 1÷3) từ kết thí nghiệm Từ cụ thể hóa biểu thức (19) 3.3 Thí nghiệm xác định PB có thềm giảm sóng 3.3.1 Các điều kiện hạn chế Nghiên cứu thực cho trường hợp điển hình đê biển Hải Hậu – Nam Định với điều kiện biên sau : a) Mặt cắt đê : Thí nghiệm với phương án khác : - Cao trình đỉnh : 6,0m (lấy cao đỉnh đê để tránh sóng tràn) - Cao trình thềm : 2,2m (bằng mực nước thiết kế); Bề rộng thềm : bf = 3m; 5m; 7m - Mái thềm : md = 4,0; Mái thềm : mt = 3,0 ; 3,5 ; 4,0 - Bảo vệ mái : Bêtông cốt thép đổ chỗ (mái trơn) b) Mực nước trước đê: thí nghiệm với ht = 2,2m, 3,0 m (tương ứng với tb = 0,0m; 0,8 m) c) Sóng tới: tạo theo phổ sóng tự nhiên Hải Hậu – Nam Định với giá trị chiều cao sóng có ý nghĩa Hmo = 1,5m; 1,8m; 2,0m, ứng với HS1% = 2,25m; 2,70m; 3,0m theo [1] 3.3.2 Các seri thí nghiệm: Để làm sáng tỏ quan hệ (19), tiến hành thí nghiệm với giá trị thay đổi thông số sau : Chiều cao sóng tới (H mo) : giá trị (đã nêu trên); hệ số mái m t với giá trị; bề rộng thềm bf : giá trị; độ sâu nước thềm : giá trị; độ dốc sóng δ S : tương ứng với giá trị Hmo Như cần có : - Số lượng mơ hình chế tạo : 3*3 = - Mỗi mơ hình thí nghiệm với giá trị Hmo giá trị tb Tổng số seri thí nghiệm : 9*3*2 = 54 3.3.3 Mơ hình hóa thí nghiệm a) Tiêu chuẩn tương tự Sóng dội vào mái tác dụng trọng lực chủ yếu nên sử dụng luật tương tự Froude b) Tỷ lệ mơ hình: Thí nghiệm tiến hành Phịng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia động lực học sông biển Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Máng sóng có kích thước : dài 37m, rộng 2m, cao 1,5m Căn vào kích thước cơng trình thực tế, lựa chọn tỷ lệ mơ hình λ L = 20 thỏa mãn điều kiện λL ≤ 60 để đảm bảo điều kiện tương tự yếu tố sóng q trình lan truyền sóng [3] Với việc chọn λL = 20, theo tiêu chuẩn Froude tỷ lệ mơ hình đại lượng khác sau : Thời gian λT =  L = 4,472 ; Vận tốc λV =  L = 4,472 ; Tần số  f  = 0,2236 L c) Tương tự độ nhám: Như nêu, mơ hình khó đạt tương tự hồn tồn độ nhám Việc chọn vật liệu thí nghiệm mơ hình thực vào độ nhám tuyệt đối phận sau: - Mái đê: nguyên hình bê tơng đổ chổ với Δ N= (1 ÷ 4)mm, tương ứng với độ nhám tuyệt đối mơ hình ΔM= (0,05 ÷ 0,2)mm Vậy chọn vật liệu gia cố mái mơ hình vữa xi măng cát mịn đánh bóng máy có độ nhám tương đương - Đáy máng: đáy bãi trước đê nghiên cứu phủ cát mịn Chọn vật liệu đáy máng thép có độ nhám tương đương mơ hình 3.3.4 Thiết bị thí nghiệm - Máy tạo sóng : sóng sử dụng có kích thước rộng 1,98m, cao 2m, tạo sóng đều, sóng khơng theo dạng phổ biến (Person Moskowits, Jonswap), chiều cao sóng tạo (1,5 ÷ 30)cm, chu kỳ sóng TS = (0,5 ÷ 5)sec - Máng sóng : mô tả - Đầu đo sóng : sử dụng loại GOLF 3B dài 1,2m thép khơng rỉ với độ xác đo ±1% nối với máy tính để lưu giữ thơng số sóng - Đầu đo áp suất : W3 W2 Sử dụng đầu đo W1 PDCR 42 hãng P5 P4 P3 P2 P1 W4 DRVCK – Anh, hiển thị cho phép đọc trực tiếp giá trị đo áp suất, đơn MNT vị đo mBar, với dải đo từ ÷ 700mBar, đường kính đầu đo 0,5cm Bố trí thiết bị đo mơ Hình : Bố trí hệ thống đo mơ hình hình thể hình 3.3.5 Xác định số lần đo áp suất cho seri thí nghiệm Do số lượng đầu đo áp suất có hạn nên ứng với seri thí nghiệm cần phải tăng số lần đo để có hội bắt thời điểm mà điểm dội B rơi gần sát vị trí đầu đo (bắt đỉnh B) Từ sơ đồ phân bố áp lực sóng hình 1, với giả thiết sai số cho phép đo áp lực sóng 5% sóng dội phạm vi lân cận điểm B có bề rộng : 0,05P xd  (l1  l3 ) coi bắt đỉnh 0,6 P m t L S Ởđ L   m 1 Lấy trị số trung bình đại lượng xét : mt = 3,5; Ls = 20m; ta có L = 38,2m => xd = 0,124m với đầu đo chờ bắt đỉnh (tính từ thềm trở lên) phân bố chiều rộng Lp ≈ 14m xác suất để đầu đo bắt nh ỏp sut l : Đỉ nh công trì nh MNT Z3 ZB  Hình : Sơ đồ xác định phạm vi lực dội đập lớn PB p x d 4.0,124  3,5% Như số lần đo cho seri thí nghiệm : Lp 14 100 100 N  28,6 ; Chọn N = 30 lần đo p 3,5 3.3.6 Kết thí nghiệm phân tích Việc đo áp suất P B tiến hành với tổ hợp số liệu đầu vào tương ứng điểm dội B thềm mái tức ΔXCB ≥ với ΔXCB nghiệm phương trình (13).Với seri thí nghiệm sau tiến hành 30 lần đo, chọn lấy trị số P max từ đầu đo P2, P3, P4, P5 để đưa vào xử lý Từ kết đo bảng 1, tiến hành xử lý thống kê theo phương pháp nêu mục 3.2, xác định thông số bảng Bảng Kết xác định thông số công thức thực nghiệm mb Nội dung A x1 x2 x3 TT Trị số 0,74317 -0,04516 -0,08680 1,2622 Độ lệch tổng cộng 0,14363 0,02992 0,08958 0,08880 Hệ số tương quan R2 Trung bình, bình phương độ lệch 0,90 0,05414 Vậy công thức xác định hệ số mái tương đương có thềm điểm sóng dội khơng nằm mái : 0,04516  bf  mb = 0,74317    HS  0,08680  t   b   HS  (mt )1,2622 (21) Bảng Kết xác định mb ,PB theo thí nghiệm so sánh với PB tính tốn theo quy phạm (1) Mái mt (2) 3 0.8 1.52 1.97 0.53 3.05 61.48 60.52 -1.60 … 3 0.8 1.84 1.63 0.43 3.13 70.44 69.69 -1.08 17 18 4 5 0.8 0.8 1.74 1.98 2.87 2.53 0.46 0.40 4.36 4.44 67.54 73.38 67.73 74.27 0.28 1.20 23 24 3.5 3.5 7 0.8 0.8 1.84 2.02 3.80 3.47 0.43 0.40 3.66 3.70 70.90 77.14 70.31 76.65 -0.84 -0.64 25 26 4 7 0.8 0.8 1.48 1.86 4.73 3.76 0.54 0.43 4.20 4.33 55.98 70.05 55.71 70.32 -0.49 0.38 27 0.8 1.96 3.57 0.41 4.36 75.20 75.49 0.39 Seri TN mb (TN) Hs B= bf/HS C= tb/HS (4) (5) (6) (7) (8) bf (m) tb (m) (3) (11) =[(10)(9) ]/(9) (9) Ptt (max) (theo TN) (10) PB (21) (KN/m2) Sai số(%) (11) Kết luận 4.1 Trong thiết kế đê biển, tùy theo thay đổi mực nước trước đê vị trí sóng dội đập vào mái (điểm B) dịch chuyển giới hạn định Đây sở để xác định phạm vi bố trí kết cấu bảo vệ mái 4.2 Trường hợp có thềm giảm sóng vị trí điểm sóng dội xác định theo mục 2.2 4.3 Trị số cường độ áp lực sóng lớn P B mái có thềm giảm sóng xác định theo cơng thức (4) với hệ số k t lấy theo bảng số 1, trị số P d lấy theo bảng 2, hệ số k S theo công thức (5) với : - Nếu điểm B nằm mái : lấy m = md - Nếu điểm B không nằm mái : lấy m = mb với mb xác định theo công thức (21) - Công thức (21) đề nghị áp dụng cho đê biển Hải Hậu vùng khác có điều kiện biên tương tự Tài liệu tham khảo [1] Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn (2002) Hướng dẫn thiết kế đê biển 14 TCN1302002 Trung tâm Thông tin Nông nghiệp Phát triển nông thôn [2] Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn (2004) Quy phạm tải trọng lực tác dụng lên cơng trình thủy lợi sóng tàu QPTL -C1-78 Trung tâm Tin học Nông nghiệp Phát triển nông thôn [3] Lương Phương Hậu, Trần Đình Hợi (2003) Lý thuyết thí nghiệm mơ hình cơng trình thuỷ Nhà xuất xây dựng, Hà Nội [4] Ủy ban xây dựng Liên Xô (1982) Tải trọng tác động lên cơng trình Thuỷ - SNIP C06-04-82 (Bản tiếng Nga) The research to weve pressure onto the dike roof with the berm Abstract: Chart of wave pressure on the dike roof and the positive wave pressure values over the single tilt roof are presented in many different materials However, for the case where the roof has the berm, these factors have not been clarified In this article presented the basis of setting the formula for determining position of waves hitting on the roof terrace with the berm Value of the maximum wave pressure exerted on the roof is determined by modeling experiments and are recommended to be applied to Hai Hau sea dykes as well as other regions with similar conditions ... formula for determining position of waves hitting on the roof terrace with the berm Value of the maximum wave pressure exerted on the roof is determined by modeling experiments and are recommended to... trị ΔXCB xác định vị trí điểm B sau : - Khi ΔXCB < : điểm B nằm mái dưới; - Khi ≤ ΔXCB ≤ bf : điểm B nằm mặt thềm; - Khi ΔXCB > bf : điểm B nằm mái b) Khi điểm B nằm mái Sơ đồ tính tốn hình Gọi... quan hệ kS Ta xét trường hợp sau : 3.1 Khi điểm B nằm mái dưới: Thềm không ảnh hưởng đến trị số P B, hệ số kS xác định theo công thức (5), m thay md 3.2 Khi điểm B nằm thềm mái trên: Thềm có ảnh