GIÁO TRÌNH SÓNG GIÓ ( VŨ THANH CA ) - CHƯƠNG 1 pdf

Trường Đại học Thuỷ lợi Hà nội SÓNG GIÓ Vũ Thanh Ca Tháng 4 năm 2005 Lời giới thiệu Giáo trình này được viết chung cho sinh viên năm thứ ba của khoa kỹ thuật bờ biển Trường đại học Thuỷ lợi. Giáo trình này cũng có thể được dùng để giảng dạy cho các chương trình sau đại học của các ngành liên quan. Ngoài ra, nó còn có thể được dùng làm sách tham khảo trong việc nghiên cứu sóng gió phục vụ cho việc khai thác và bảo vệ nguồn lợi biển. Giáo trình này được viết với tài trợ của Chính phủ Hà lan trong khuôn khổ dự án HWRU/CE. Tác giả xin chân thành cảm ơn GS J. A. Battjes về những ý kiến đề xuất cải tiến nội dung cho giáo trình. Lời cảm ơn cũng xin được gửi đến nhiều người khác như GS-TS Lê Minh Truyền, Hiệu trưởng Trường Đại học Thuỷ lợi, PGS-TS Vũ Minh Cát, GS K. d’Angremond, TS Van de Graaf, Ông C. Pilarczyc, TS J. Van Dijk, cô Van der Vast và nhiều đồng nghiệp khác tại Trường Đại học Thuỷ lợi Hà nội về sự giúp đỡ nhiệt tình của họ trong thời gian tác giả viết và chỉnh lý giáo trình. MỤC LỤC Trang 1 LỜI GIỚI THIỆU 1 1.1 Mục đích và nội dung của bài giảng 1 1.2 Sóng đại dương 1 1.3 Các định nghĩa cơ bản 3 1.4 Sóng ngắn và sóng dài 5 2 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA CƠ HỌC CHẤT LỎNG 7 2.1 Các phương pháp mô tả dòng chảy của chất lỏng 7 2.2 Đạo hàm thời gian 7 2.3 Phương trình thể tích kiểm tra 7 2.4 Định luật bảo toàn vật chất và phương trình liên tục 10 2.5 Định luật bảo toàn động lượng và phương trình chuyển động 10 2.5.1 Phương trình chuyển động của Cauchy 11 2.5.2 Chuyển dịch, quay và vận tốc biến dạng 13 2.5.3 Mối liên hệ giữa vận tốc biến dạng và ứng suất – Phương trình Navier-Stokes 17 2.5.4 Chất lỏng lý tưởng 18 3 LÝ THUYẾT TUYẾN TÍNH VỀ SÓNG BỀ MẶT TRONG VÙNG NƯỚC CÓ ĐỘ SÂU KHÔNG ĐỔI 21 3.1 Các phương trình cơ bản và điều kiện biên 21 3.1.1 Các giả thiết trong lý thuyết sóng tuyến tính 21 3.1.2 Điều kiện không nén được – Phương trình liên tục 22 3.1.3 Các phương trình động lượng 22 3.2 Lời giải giải tích của bài toán sóng trọng lực bề mặt 24 3.3 Mối liên hệ phân tán của chuyển động sóng 29 3.4 Chuyển động của hạt nước và áp suất 30 3.5 Vận tốc nhóm và năng lượng sóng 34 3.6 Năng lượng của sóng phức hợp 38 4 NHỮNG LÝ THUYẾT SÓNG PHI TUYẾN CHO VÙNG NƯỚC CÓ ĐỘ SÂU KHÔNG ĐỔI 41 4.1 Giới thiệu chung 41 4.2 Lý thuyết Stokes 41 4.2.1 Mặt cắt bề mặt nước 42 4.2.2 Vận tốc và quỹ đạo hạt nước 45 4.2.3 Mối liên hệ phân tán và vận tốc pha 46 4.2.4 Hàm lượng năng lượng và sự vận chuyển năng lượng 46 4.3 Lý thuyết Cnoidal 46 4.3.1 Mặt cắt bề mặt nước 48 4.3.2 Vận tốc và quỹ đạo hạt nước 48 4.3.3 Vận tốc pha 49 4.3.4 Hàm lượng năng lượng và sự vận chuyển năng lượng 49 4.4 Các lý thuyết số trị 49 4.5 Giới hạn áp dụng của các lý thuyết khác nhau 50 i 5 CÁC ĐẶC TRƯNG DO SÓNG GIÓ TẠO TA 52 5.1 Cơ chế tạo sóng do gió 52 5.1.1 Profile vận tốc gió và ứng suất gió trên mặt biển khơi 52 5.1.2 Các lý thuyết và cơ chế tạo sóng gió 53 5.1.3 Sóng gió và sóng lừng 57 5.2 Mô tả sóng gió 61 6 CÁC ĐẶC TRƯNG THỐNG KÊ CỦA SÓNG GIÓ 66 6.1 Các phương pháp thống kê dùng mô tả sóng ngẫu nhiên 66 6.1.1 Sóng mặt đại dương như là một hàm thống kê 66 6.1.2 Các định nghĩa và khái niệm cơ bản của phân tích chuỗi thời gian 69 6.1.3 Các cơ sở của việc mô tả phổ sóng đại dương 75 6.2 Mô tả sóng gió bằng phổ 76 6.2.1 Phổ năng lượng của sóng gió 76 6.2.2 Chiều rộng của phổ và dạng phổ 81 6.2.3 Các phổ tần số điển hình 86 6.2.4 Các hàm phổ hướng 93 6.3 Mô hình pha ngẫu nhiên 98 6.4 Xác định các đặc trưng phổ của sóng đại dương từ các ghi chép sóng ngoài hiện trường 110 7 CÁC QUÁ TRÌNH SÓNG VEN BỜ 110 7.1 Suy giảm sóng do ma sát đáy 110 7.2 Hiệu ứng nước nông 111 7.3 Khúc xạ sóng 117 7.3.1 Sự khúc xạ của sóng thường có đỉnh dài 117 7.3.2 Sự khúc xạ của sóng ngẫu nhiên 120 7.3.3 Tính sự khúc xạ của sóng ngẫu nhiên bằng phương trình thông lượng năng lượng 122 7.3.4 Sự khúc xạ cúa sóng ngẫu nhiên tại vùng biển có các đường đẳng sâu thẳng song song 124 7.4 Sự phản xạ sóng 126 7.4.1 Phân tích lý thuyết sự phản xạ sóng điều hoà 126 7.4.2 Sự phản xạ sóng ngẫu nhiên từ các công trình ven bờ 128 7.5 Sự nhiễu xạ sóng 132 7.5.1 Quá trình nhiễu xạ của sóng điều hoà 132 7.5.2 Nguyên lý Huygen 136 7.5.3 Đường xoắn ốc Cornu 136 7.5.4 Sự nhiễu xạ của sóng ngẫu nhiên 146 7.5.5 ứng dụng của giản đồ nhiễu xạ sóng điều hoà 153 7.6 Sóng có độ cao lớn nhất 153 7.7 Sóng vỡ 155 7.7.1 Sự vỡ của sóng điều hoà 155 7.7.2 Sự vỡ của sóng ngẫu nhiên 162 8 NƯỚC DÂNG VÀ DÒNG VEN DO SÓNG TẠO RA 173 8.1 Giới thiệu 173 8.2 Ứng suất bức xạ: trường hợp 1 chiều 173 8.3 Nước dâng do sóng: trường hợp 1 chiều 175 8.4 Ứng suất bức xạ: trường hợp hai chiều 180 ii 8.5 Dòng ven do sóng tạo ra 182 8.6 Nước dâng sóng gây ra do sóng vỡ 186 8.7 Dòng ven do sóng ngẫu nhiên gây ra trên một bãi phẳng 188 9 LỰC SÓNG LÊN CÁC CÔNG TRÌNH 191 9.1 Giới thiệu chung 191 9.2 Các thông số và chế độ dòng chảy 192 9.3 Lực sóng lên một bức tường 196 9.4 Lực sóng lên một công trình có thể tích lớn 199 9.5 Lực sóng lên một công trình nhỏ gọn 199 9.5.1 Giới thiệu chung 202 9.5.2 Lực của chất lỏng tác dụng lên các vật thể trong một dòng chảy đều và ổn định 202 9.5.3 Lực của chất lỏng tác dụng lên các vật thể trong một dòng chảy đều và không ổn định 205 9.5.4 Lực của chất lỏng tác dụng lên các vật thể nhỏ gọn khi có sóng 210 9.6 Tổng kết về các chế độ dòng chảy 212 9.7 Thí dụ 214 10 ĐO ĐẠC VÀ DỰ BÁO SÓNG ĐẠI DƯƠNG 217 10.1 Các kỹ thuật đo đạc sóng đại dương 217 10.1.1 Các kỹ thuật đo đạc tại chỗ 218 10.1.2 Các kỹ thuật viễn thám 221 10. Các phương pháp dự báo sóng cho FAS 224 10.2.1 Các đặc trưng thống kê của sóng ngoài hiện trường 225 10.2.2 Dự báo sóng cho FAS 228 10.3 Các phổ trung bình của sóng gió 235 10.4 Các phương pháp đơn giản để dự báo cho một vùng có độ sâu giới hạn 237 10.5 Sóng trong khu vực dự báo 242 10.6 Sóng trong khu vực phân tán 245 10.7 Các mô hình số trị để dự báo sóng 249 10.7.1 Các mô hình phân giải pha 250 10.7.2 Các mô hình tính pha trung bình cho vùng nước sâu 254 10.7.3 Các mô hình tính pha trung bình cho vùng nước nông 261 11 CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÓ TRONG VÙNG BIỂN VIỆT NAM 265 11.1 Chế độ gió vùng biển nước ta 265 11.1.1 Những nhận xét chung 265 11.1.2 Vùng khí hậu biển miền Bắc và Bắc Trung bộ 266 11.1.3 Vùng khí hậu biển miền Trung và Nam Trung bộ 269 11.1.4 Vùng khí hậu biển miền đồng bằng miền Nam 270 11.1 Chế độ sóng vùng biển nước ta 272 11.2.1 Sóng tại Miền Bắc và Bắc Trung bộ 272 11.2.2 Các đặc trưng sóng gió ngoài khơi và duyên hải miền Trung 273 11.2.3 Các đặc trưng sóng gió ngoài khơi và duyên hải miền Nam 274 Tài liệu tham khảo 275 iii Chơng 1 Lời giới thiệu 1.1 Mục đích và nội dung của giáo trình Giáo trình này trình bày những vấn đề liên quan tới việc tạo ra, lan truyền, biến dạng và tiêu tán của sóng gió. Nội dung của giáo trình này nằm trung gian giữa một giáo trình lý thuyết cơ sở và một giáo trình thực hành dành cho kỹ s. Lý thuyết toán học về sóng tiến hình sin và phơng pháp thống kê mô tả sóng gió đợc trình bày chi tiết bởi vì chúng là cơ sở để hiểu về các quá trình sóng. Các trờng hợp phức tạp hơn đợc trình bày sơ lợc hơn vì chúng quá phức tạp (nh mô hình số trị về sự lan truyền và biến dạng của sóng trong vùng ven bờ), hoặc là vì những lý thuyết toán học về chúng không tồn tại (thí dụ hiện tợng sóng vỡ),. Sinh viên đăng ký học giáo trình này cần có những kiến thức cơ bản về giải tích và cơ học chất lỏng. Tuy nhiên, để giúp đỡ sinh viên có thể hiểu đợc những phơng trình cơ bản của động lực học sóng, trong chơng 2 những phơng trình cơ bản và cần thiết của cơ học chất lỏng sẽ đợc rút ra và phân tích. 1.2 Sóng đại dơng Năng lợng sóng (tỷ lệ Rất khó tìm thấy một mặt nớc thoáng trong tự nhiên mà không có sóng. Các sóng này là sự thể hiện của các lực tác động lên mặt nớc, chống lại những lực có xu hớng giữ cho mặt nớc nằm ngang là trọng lực và sức căng mặt ngoài. Các lực này có thể là những lực gây nên bởi một cơn gió giật, hay lực gây nên bởi một hòn đá rơi xuống mặt nớc. Các lực này sẽ tạo ra sóng, và trọng lực và sức căng mặt ngoài sẽ làm cho sóng lan truyền. ớc định) Sóng chu kỳ dà i Sóng ngọai trọn l g ự c Sóng gió và sóng lừng Sóng sức căng mặt ngòai Tần số (vòn g /s) Hình 1. 1: Sơ đồ phân bố năng lợng sóng theo tần số (Massel, 1996) Nói chung, các sóng trong đại dơng có thể đợc phân chia thành 5 loại: sóng âm, 1 sóng sức căng mặt ngoài, sóng trọng lực, sóng nội và sóng có quy mô hành tinh. Sóng âm gây ra do tính nén đợc của nớc biển. Sóng trọng lực là do lực trọng trờng tác động lên các hạt nớc đã bị dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng trên bề mặt biển hay là trên một bề mặt đẳng địa thế bên trong một chất lỏng phân tầng (sóng mặt hay sóng nội). Tại bề mặt tiếp xúc giữa khí và nớc, sự kết hợp của rối do gió và lực căng mặt ngoài tạo ra sóng sức căng mặt ngoài với tần số lớn. Mặt khác, sóng có quy mô hành tinh hay sóng Rossby đợc tạo ra bởi những biến đổi của độ xoáy thế trong tình trạng cân bằng, gây ra bởi những thay đổi của độ sâu hoặc vĩ độ. Tất cả những dạng sóng trên có thể xảy ra đồng thời, tạo ra những dạng dao động phức tạp. Bảng 1.1: Chu kỳ và cơ chế thành tạo của các loại sóng khác nhau Dạng sóng Cơ chế vật lý thành tạo Chu kỳ Són g sức căn g mặt ngoài Sức căng mặt ngòai < 10 -1 s Sóng gió ứng suất cắt của gió, trọng lực < 15 s Sóng lừng Sóng gió < 30 s Sóng đập Nhóm sóng 1 - 5 min Seiche Thay đổi về trờng gió 2 - 40 min Cộng hởng cảng Sóng đập, seich 2 - 40 min Tsunami Động đất, đất đá lở 10 min - 2 h Nớc dâng bão ứn g suất g ió và biến đổi của áp suất không khí 1 - 3 days Sóng triều Trọn g lực g â y ra do tác độn g của mặt trăn g , mặt trời và lực ly tâm do trái đất quay 12 - 24 h Dải tần số liên quan đến ngoại lực rất rộng và những phản ứng của bề mặt đại dơng có một dải bớc sóng và chu kỳ đặc biệt rộng, từ các sóng sức căng mặt ngoài có chu kỳ nhỏ hơn 1s, sóng gió và sóng lừng có chu kỳ tới chừng 15s, tới những sóng triều và sóng nớc dâng do gió có chu kỳ vài giờ tới vài ngày. Hình 1.1 và Bảng 1.1 trình bày sơ đồ phân bố năng lợng sóng bề mặt theo tần số cũng nh cơ chế hình thành các sóng này. Hình vẽ này cho ta khái niệm về tầm quan trọng tơng đối của các dạng dao động khác nhau của bề mặt biển, nhng không nhất thiết phản ánh năng lợng thực sự của mỗi sóng ở một vùng nào đó. Sóng trọng lực có tầm quan trọng lớn nhất đối với những hoạt động kỹ thuật trên biển, vì ảnh hởng của sóng do gió gây ra đối với các công trình biển là nguy hiểm nhất. Các 2 công trình biển cần đợc thiết kế sao cho chúng có khả năng chịu đựng tất cả các lực và vận tốc dòng nớc do các sóng đó gây ra. Một hiểu biết đầy đủ về tơng tác của sóng với các công trình ngoài khơi hiện nay đã trở thành một yếu tố quyết định cho việc tính toán thiết kế các công trình biển bền vững với chi phí tiết kiệm nhất. Thủ tục tính toán áp lực sóng nói chung bao gồm những bớc sau đây: a) thiết lập chế độ sóng gần công trình b) đánh giá những điều kiện sóng thiết kế cho công trình và c) lựa chọn và áp dụng một mô hình tính sóng để xác định tải trọng của lực tác động lên công trình. Để thực hiện các việc trên, cần biết kiến thức về sóng bề mặt. Vai trò của sóng đối với môi trờng vùng ven biển cần đợc đánh giá đúng. Sóng tiến tới bờ, vỡ và tiêu tán năng lợng trên bãi cát. Sóng gió và sóng bão tác động những lực rất lớn lên các công trình tự nhiên và nhân tạo ven bờ. Dòng ven do sóng tạo ra kết hợp với các dòng chảy có nguyên nhân khác vận chuyển trầm tích và tạo ra những miền bồi và xói. Kiến thức về chuyển động sóng và cán cân bùn cát cho ta chìa khóa để lựa chọn đúng đắn phơng pháp và loại công trình cần thiết cho bảo vệ bờ. Những dạng khác của sóng đại dơng, nh sóng với quy mô hành tinh, sóng triều và nớc dâng do gió, bão, sóng nội và sóng bị chặn tại vùng bờ, có vai trò nhỏ hơn đối với ngành kỹ thuật bờ biển và đại dơng hoặc là đã đợc trình bày trong các sách chuyên khảo khác, sẽ không đợc trình bày ở trong giáo trình này. 1.3 Các định nghĩa cơ bản B ớ c s ó n g L Đỉnh Độ cao sóng H Bụn g Đáy biển h Mực n ớ c trun g bì n h ( MWL ) Vận t ố c tru yề n s ó n g c Hình 1.2 Các thông số để định nghĩa một sóng 3 Các thông số cần thiết để định nghĩa một sóng bề mặt đợc trình bày trên hình 1.2. Nh đã chỉ ra trên hình, mực nớc cao nhất trong một sóng đợc gọi là đỉnh sóng, mực nớc thấp nhất đợc gọi là bụng sóng. Khoảng cách giữa một bụng sóng và một đỉnh sóng liên tiếp đợc gọi là độ cao sóng (H). Một nửa của độ cao sóng là biên độ sóng a. Khoảng cách nằm ngang giữa hai đỉnh sóng liên tiếp đợc gọi là bớc sóng L. Đối với một sóng tiến, thời gian để hai đỉnh sóng liên tiếp tới một điểm cố định trong không gian đợc gọi là chu kỳ sóng T. Tốc độ di chuyển của đỉnh một sóng tiến đợc gọi là vận tốc pha hay vận tốc truyền sóng. Các sóng có chu kỳ và độ cao tại một vị trí không thay đổi theo thời gian đợc gọi là sóng điều hòa. Sóng trong tự nhiên rất hiếm khi là sóng điều hòa và truyền theo một hớng cố định. Nếu một sóng ký đợc đặt đâu đó tại một điểm ở giữa đại dơng để đo mực nớc nh là hàm của thời gian thì kết quả đo sẽ giống nh trong Hình 1.3. Các sóng biểu diễn trên hình này đợc gọi là sóng ngẫu nhiên. Sóng do gió tạo thành độ ngẫu nhiên rất cao, nhng sau khi lan truyền một quãng đờng dài, chúng trở thành các sóng lừng có tính chất gần sóng điều hòa hơn. () t Hình 1.3 Thí dụ về một giản đồ sóng ký z = ( x ,y,t ) MWL ( z= 0) u v w x y z z = - h Hình 1.4 Hệ tọa độ Để có thể mô tả chuyển động sóng, ta nhất thiết phải xác định một hệ tọa độ. Một hệ tọa độ Cartesian thông thờng đợc dùng để mô tả chuyển động sóng đợc vẽ trên Hình 1.4. 4 Nh đã chỉ ra trên hình, hệ tọa độ có gốc đặt tại mực nớc trung bình (z=0), và có trục x nằm ngang hớng theo phơng truyền sóng và trục z hớng lên trên. Mực nớc tự do trên MWL đợc ký hiệu là , và phơng trình mô tả bề mặt thoáng trở thành ( tyxz ,, ) = , với là thời gian. t 1.4 Sóng ngắn và sóng dài Theo quan điểm thuỷ lực, có thể phân chia dòng chảy thành những dạng khác nhau dựa trên tầm quan trọng tơng đối của các thành phần khác nhau trong cán cân động lợng. Nếu nh ta xét đến động lợng theo phơng thẳng đứng, có thể phân biệt dòng chảy mà trong đó không có hay có thể bỏ qua gia tốc theo phơng thẳng đứng, và dòng chảy có giá trị đáng kể của gia tốc theo phơng thẳng đứng. Trong thuỷ lực của dòng chảy dừng trong kênh hở, các dòng chảy nêu trên tơng ứng là dòng chảy đều hay dòng chảy biến đổi chậm (đờng cong nớc vật) hoặc là dòng chảy dừng biến đổi nhanh (dòng chảy qua miệng cống, dòng chảy qua đập v.v.). Trong dòng chảy biến đổi chậm, tốc độ biến đổi của vận tốc theo không gian là nhỏ. Nói một cách khác, bán kính cong của các đờng dòng trong mặt phẳng thẳng đứng lớn hơn độ sâu nớc rất nhiều. Điều này có nghĩa là gia tốc theo phơng thẳng đứng là không đáng kể, và nh vậy phân bố áp suất theo phơng thẳng đứng rất gần với áp suất tĩnh. Khi đó, áp suất do sóng gây ra có thể coi là đồng nhất theo phơng thẳng đứng. Gradient áp suất sẽ có xu hớng duy trì một dòng chảy đồng nhất theo phơng thẳng đứng. Tuy rằng điều này có nghĩa là trong trờng hợp này, ảnh hởng của lực cản đáy trở nên đáng kể và nh vậy lớp biên sát đáy sẽ tạo ra một dòng chảy không đồng nhất theo phơng thẳng đứng, việc lấy trung bình dòng chảy theo phơng thẳng đứng là hoàn toàn chấp nhận đợc. Kết quả là tọa độ thẳng đứng nh một biến độc lập bị loại khỏi bài toán. Sự khác biệt giữa dòng chảy biến đổi chậm và dòng chảy biến đổi nhanh cũng giống nh sự khác biệt giữa sóng ngắn và sóng dài (thực ra thì sóng dài có thể coi là dòng chảy biến đổi chậm không dừng). Các khác biệt này đợc tập hợp trong Bảng 1.2 và đợc giải thích trên hình 1.5. Bảng 1.2 Sự khác biệt giữa dòng chảy dừng biến đổi chậm (sóng dài) và dòng chảy dừng biến đổi nhanh (sóng ngắn) Tính chất dòng chảy Dòng chảy dừng biến đổi chậm và sóng dài Dòng chảy dừng biến đổi nhanh và sóng ngắn 5 [...]... kể Đáng kể Phân bố áp suất Xấp xỉ thuỷ tĩnh Tính phi thuỷ tĩnh rất đáng kể Profile vận tốc Gần nh đồng nhất (ngoại Rất không đồng nhất trừ lớp biên đáy) Lực cản đáy Đáng kể (p) Không đáng kể (u) (p) a) Sóng dài (u) b) Sóng ngắn Hình 1. 4 Profile áp suất (p) và vận tốc (u) bên dới sóng dài và sóng ngắn 6 . của sóng đại dương từ các ghi chép sóng ngoài hiện trường 11 0 7 CÁC QUÁ TRÌNH SÓNG VEN BỜ 11 0 7 .1 Suy giảm sóng do ma sát đáy 11 0 7.2 Hiệu ứng nước nông 11 1 7.3 Khúc xạ sóng 11 7 7.3 .1. DO SÓNG GIÓ TẠO TA 52 5 .1 Cơ chế tạo sóng do gió 52 5 .1. 1 Profile vận tốc gió và ứng suất gió trên mặt biển khơi 52 5 .1. 2 Các lý thuyết và cơ chế tạo sóng gió 53 5 .1. 3 Sóng gió và sóng. ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÓ TRONG VÙNG BIỂN VIỆT NAM 265 11 .1 Chế độ gió vùng biển nước ta 265 11 .1. 1 Những nhận xét chung 265 11 .1. 2 Vùng khí hậu biển miền Bắc và Bắc Trung bộ 266 11 .1. 3 Vùng