Tính toán điều kiện biên thiết kế công trình biển

Các hệ thống đê biển được xây dựng với mục đích chống ngập lụt gây ra bởi nước biển cho các vùng đất mà chúng bảo vệ, qua đó bảo vệ được tài sản, hoa màu và tính mạng của nhân dân cũng như cơ sở hạ tầng và các thành quả của nền kinh tế, nhất là trong các trận bão. Độ tin cậy của hệ thống đê biển phụ thuộc vào cường độ tác động của các nhân tố tự nhiên như triều cường, bão biển và sức chịu đựng của hệ thống đê trước các tác động đó. Nếu gọi Z là độ tin cậy của hệ thống đê biển trong mục tiêu bảo vệ của nó, S là tải trọng lên công trình đê biển và R là sức bền của công trình đê biển thì Z = R S (1) Các tác động chính (tải trọng S) lên hệ thống đê biển bao gồm mực nước và sóng và được gọi là điều kiện biên tự nhiên hay điều kiện biên thuỷ lực trong thiết kế đê biển. Sức chịu đựng của hệ thống đê biển (sức bền R) phụ thuộc vào quy mô công trình công trình (cao trình đỉnh, mặt cắt ngang (trong đó có bề rộng và cấu tạo đỉnh, các mái đê và cơ đê)), cấu tạo thân đê và kết cấu lớp bảo vệ (bảo vệ mái và chân) và địa chất nền đê. Chất lượng địa chất nền đê cũng đôi khi được gọi là điều kiện biên địa chất. Các điều kiện biên thuỷ lực có thể được chia ra các quá trình biến đổi chậm hoặc có chu kỳ dài (sóng dài: sóng lũ, sóng triều, nước dâng do bão, thay đổi mực nước do các nhiễu động khí quyển (seiches), sóng thần) và các quá trình biến đổi nhanh với chu kỳ và bước sóng ngắn hơn (sóng ngắn: sóng gió, sóng lừng, sóng do tàu thuyền). Các quá trình này có thể kết hợp với nhau gây ra các sự cố cho hệ thống đê biển làm giảm hoặc mất tác dụng bảo vệ của hệ thống đê (ví dụ như chảy trànsóng tràn qua đỉnh, xói lởtrượt mái trongngoài, mạch sủi, …). Do đó trong thiết kế đê biển cần phải xem xét đến các quá trình trên, nhất là sự dao động của các quá trình liên quan đến cao trình đỉnh của đê biển như: Thuỷ triều (thiên văn thuần tuý) Sóng lũ, sóng thần Nước dâng do bão, sự thay đổi mực nước do biến đổi của gió, gió giật Biến động mực nước do các nhiễu động khí tượng (ở xa truyền đến) Tác động của sóng biển (sóng ngắn) Chuyên đề này sẽ trình bày phương pháp xác định các quá trình chính thường xuyên hoặc có khả năng lớn xảy ra tác động đến các hệ thống đê biển ở nước ta và quan trọng trong việc xác định mực nước thiết kế và cao trình đê biển như thuỷ triều, nước dâng do bão, nước dâng do sóng. Ngoài ra các quá trình khác có thời gian biến đổi chậm hơn như sự dâng lên của mực nước biển trung bình (SLR) và sự sụt lún của địa tầng cũng cần xem xét trong quá trình thiết kế. Như thể hiện trong công thức (1), đê biển với quy mô càng lớn thì càng chống chọi lại được với các trận bão lớn, do đó rủi ro và thiệt hại cho các mục tiêu bảo vệ càng giảm đi. Tuy nhiên đê biển với quy mô càng lớn thì chi phí cho hệ thống đê biển càng tốn kém hơn. Hơn nữa, các tác động của thiên nhiên (như bão biển chẳng hạn) càng lớn thì khả năng xảy ra càng ít đi. Vì vậy trong quy hoạch và thiết kế hệ thống đê biển cần phải cân bằng giữa quy mô và chi phí cho hệ thống đê biển với rủi ro thiệt hại do sự mất khả năng bảo vệ của chúng và khả năng đầu tư của nền kinh tế cho hệ thống đê biển. Đê biển hay các công trình thuỷ lợi nói chung thường được thiết kế với một khả năng chịu đựng nhất định trước các tác động của tự nhiên xảy ra một cách tương đối thường xuyên. Có nghĩa là, đê biển được thiết kế để chịu đựng được các quá trình điều kiện biên có cường độ tác động S nhỏ hơn hoặc bằng một ngưỡng giới hạn nhất định với một xác suất luỹ tích tương đối lớn nào đó (gọi là tần suất đảm bảo). Trạng thái ngưỡng của sự cân bằng giữa cường độ chịu đựng (sức bền R) và cường độ tác động (tải trọng S) gọi là trạng thái giới hạn. Cường độ tác động S vượt quá ngưỡng này tuy xảy ra với tần suất hiếm hơn (gọi là tần suất vượt, thường được gọi tắt là tần suất) nhưng có thể gây ra sự cố cho đê biển. Tuỳ thuộc vào giá trị và tầm quan trọng của các mục tiêu bảo vệ mà các hệ thống đê biển được thiết kế với các ngưỡng tần suất vượt của các điều kiện biên khác nhau, gọi là các giá trị thiết kế, và các ngưỡng tần suất vượt này được gọi là các tần suất thiết kế đê biển. Trong chuyên đề này sẽ trình bày tóm tắt về phương pháp thống kê dùng để xác định các giá trị thiết kế trong phần 2. Phần 3 trình bày cách tính toán các yếu tố khí tượng, chủ yếu là gió, là nhân tố gây ra một số sóng dài và sóng ngắn. Phần 4 trình bày cách tính toán mực nước thiết kế do các nguyên nhân sóng dài. Phần 5 trình bày các khái niệm và quá trình cơ bản của sóng ngắn và các công thức tính toán. Cuối cùng là các phụ lục và ví dụ tính toán.

Trang 1

BỘ NÔNG NGHIỆP & PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

Trường Đại học Thủy lợi

*******************

ĐỀ TÀINGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG ĐÊ BIỂN HỢP LÝ VỚI TỪNG LOẠI ĐÊ VÀ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN TỪNG VÙNG TỪ

QUẢNG NINH ĐẾN QUẢNG NAM

(Thuộc chương trình khoa học công nghệ phục vụ xây dựng đê biển

và công trình thủy lợi vùng cửa sông ven biển, Giai đoạn I: 2007 - 2008)

CHUYÊN ĐỀ SỐ 10.2 1210Phương pháp tính toán điều kiện biên thuỷ-hải văn thiết kế

Hà Nội, tháng 12 năm 2008

Trang 2

BỘ NÔNG NGHIỆP & PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

Trường Đại học Thủy lợi

*******************

ĐỀ TÀINGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG ĐÊ BIỂN HỢP LÝ VỚI TỪNG LOẠI ĐÊ VÀ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN TỪNG VÙNG TỪ

QUẢNG NINH ĐẾN QUẢNG NAM

(Thuộc chương trình khoa học công nghệ phục vụ xây dựng đê biển

và công trình thủy lợi vùng cửa sông ven biển, Giai đoạn I: 2007 - 2008)

Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Thủy lợi Chủ nhiệm đề tài: PGS TS Vũ Minh Cát

CHUYÊN ĐỀ SỐ 10.2 2210Phương pháp tính toán điều kiện biên thuỷ-hải văn thiết kế

Thực hiện: ThS Nghiêm Tiến Lam

Trang 3

Hà Nội, tháng 12 năm 2008

Trang 4

MỤC LỤC

1 MỞ ĐẦU 5

2 PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ TRONG TÍNH TOÁN THUỶ, HẢI VĂN 6

2.1 Các thông số thống kê của đại lượng ngẫu nhiên 7

2.1.1 Trị số trung bình 7

2.1.2 Phương sai và hệ số phân tán CV 7

2.1.3 Hệ số thiên lệch CS 7

2.2 Phân bố thống kê 7

2.3 Các phân bố thống kê thường dùng 8

2.3.1 Phân bố Pearson III 8

2.3.2 Phân bố Kristky-Menkel 9

2.3.3 Phân bố Gumbel 10

2.3.4 Phân bố Weibull 11

2.3.5 Phân bố Rayleigh 12

2.4 Tổ hợp tần suất 13

2.4.1 Phương pháp tổ hợp xác suất 13

2.4.2 Phương pháp Monte Carlo 13

3 TÍNH TOÁN GIÓ 14

3.1 Phân bố tốc độ gió 14

3.2 Tính toán gió thiết kế từ số liệu thực đo 14

3.3 Tính toán gió trong bão 15

3.3.1 Trường gió trong bão 15

3.3.2 Vận tốc gió lớn nhất trong bão 15

3.3.3 Bán kính gió lớn nhất 16

3.3.4 Thành phần vận tốc gió do bão di chuyển 16

3.3.5 Thành phần vận tốc gió do chênh lệch khí áp 17

4 TÍNH TOÁN SÓNG THIẾT KẾ 19

4.1 Các đặc trưng của sóng biển 19

4.1.1 Các khái niệm và thông số đặc trưng của sóng biển 19

4.2 Các quá trình biến đổi của sóng 22

4.2.1 Khúc xạ sóng 22

4.2.2 Biến hình sóng nước nông 22

Trang 5

4.2.3 Nhiễu xạ sóng 24

4.2.4 Sóng phản xạ 24

4.2.5 Sóng vỡ 24

4.2.6 Tính toán sóng vỡ 25

4.2.7 Độ cao sóng nước nông 26

4.3 Phân bố ngắn hạn của sóng 26

4.3.1 Các đặc trưng thống kê ngắn hạn của sóng 26

4.3.2 Phân bố ngắn hạn của sóng 28

4.3.3 Phổ sóng 28

4.3.4 Quan hệ giữa các đặc trưng của phổ sóng 29

4.4 Phân bố dài hạn của sóng 31

4.5 Tính toán sóng thiết kế từ tài liệu thực đo 31

4.6 Tính toán chu kỳ sóng 32

4.7 Tính toán sóng từ số liệu gió 32

4.7.1 Phương pháp tính toán 32

4.7.2 Tính toán sóng từ gió ở vùng nước sâu 33

4.7.3 Tính toán sóng nước nông 43

4.7.4 Tính sóng trong bão 47

4.8 Tính toán truyền sóng đến chân công trình 52

4.8.1 Giới thiệu 52

4.8.2 Xác định chiều cao sóng có nghĩa Hm0 52

4.8.3 Xác định chiều cao sóng có nghĩa H⅓ 54

5 TÍNH TOÁN MỰC NƯỚC THIẾT KẾ 57

5.1 Các thành phần của mực nước thiết kế 57

5.2 Tính toán mực nước thiết kế trong điều kiện có nhiều số liệu đo đạc bằng phương pháp thống kê 58

5.3 Tính toán các thành phần của mực nước thiết kế 58

5.3.1 Mực nước biển trung bình, sự dâng lên của mực nước biển bình quân 58

5.3.2 Thuỷ triều 60

5.3.3 Nước dâng do gió, bão 62

5.3.4 Nước dâng do sóng 66

5.3.5 Ảnh hưởng của các loại sóng dài khác: sóng lũ, seiches, sóng thần 67

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

7 CÁC KÝ HIỆU 70

Trang 6

8 Phụ lục 1: MÔ HÌNH TRƯỜNG KHÍ ÁP TRONG BÃO 73

8.1 Phân bố khí áp trong bão 73

8.2 Chuyển đổi khí áp 74

9 Phụ lục 2: HỆ SỐ MA SÁT GIÓ 74

10 Phụ lục 3: TÍNH TOÁN TẦN SUẤT THEO PHÂN BỐ PEARSON III 76

10.1 Giới thiệu 76

10.1.1 Hàm mật độ xác suất 76

10.1.2 Hàm phân bố tần suất luỹ tích 76

10.1.3 Liên hệ với các phân bố thống kê khác 77

10.1.4 Xác định các thông số theo phương pháp moments 77

10.2 Tính toán hàm phân bố Pearson III bằng MS Excel 78

10.2.1 Lập bảng phân bố tần suất thực nghiệm (Bảng 1) 78

10.2.2 Tính các đăc trưng thống kê của chuỗi số theo phương pháp moments: 79

10.2.3 Tính các thông số của phân bố Pearson III theo phương pháp moments: 79

10.2.4 Lập bảng phân bố tần suất lý thuyết (Bảng 2) 79

10.2.5 Vẽ đường tần suất 79

10.3 Ví dụ tính toán 79

10.3.1 Tính các thông số thống kê theo phương pháp moments 79

10.3.2 Tính bảng tần suất kinh nghiệm 80

10.3.4 Lập bảng phân bố tần suất lý thuyết (Bảng 2) và đường tần suất 81

10.4 Chú ý 81

11 Phụ lục 4: TÍNH TOÁN TẦN SUẤT THEO PHÂN BỐ GUMBEL 82

11.1.5 Giá trị của hàm phân bố lý thuyết 83

11.2 Tính toán hàm phân bố Gumbel bằng MS Excel 84

11.2.3 Tính các đăc trưng thống kê của chuỗi số theo phương pháp đồ thị: 85

Trang 7

11.3.3 Tính các thông số thống kê theo phương pháp đồ thị 87

12 Phụ lục 5: TÍNH TOÁN TẦN SUẤT THEO PHÂN BỐ WEIBULL 89

12.1.5 Giá trị của hàm phân bố lý thuyết 90

12.2 Tính toán hàm phân bố Weibull bằng MS Excel 91

12.2.3 Tính các đăc trưng thống kê của chuỗi số theo phương pháp đồ thị: 92

12.3.3 Tính các thông số thống kê theo phương pháp đồ thị 93

Trang 8

1 MỞ ĐẦU

Các hệ thống đê biển được xây dựng với mục đích chống ngập lụt gây ra bởi nước biển chocác vùng đất mà chúng bảo vệ, qua đó bảo vệ được tài sản, hoa màu và tính mạng của nhândân cũng như cơ sở hạ tầng và các thành quả của nền kinh tế, nhất là trong các trận bão Độtin cậy của hệ thống đê biển phụ thuộc vào cường độ tác động của các nhân tố tự nhiên nhưtriều cường, bão biển và sức chịu đựng của hệ thống đê trước các tác động đó Nếu gọi Z là

độ tin cậy của hệ thống đê biển trong mục tiêu bảo vệ của nó, S là tải trọng lên công trình đêbiển và R là sức bền của công trình đê biển thì

Z = R - S 33\* MERGEFORMAT ()

Các tác động chính (tải trọng S) lên hệ thống đê biển bao gồm mực nước và sóng và được gọi

là điều kiện biên tự nhiên hay điều kiện biên thuỷ lực trong thiết kế đê biển Sức chịu đựng

của hệ thống đê biển (sức bền R) phụ thuộc vào quy mô công trình công trình (cao trình đỉnh,

mặt cắt ngang (trong đó có bề rộng và cấu tạo đỉnh, các mái đê và cơ đê)), cấu tạo thân đê vàkết cấu lớp bảo vệ (bảo vệ mái và chân) và địa chất nền đê Chất lượng địa chất nền đê cũngđôi khi được gọi là điều kiện biên địa chất

Các điều kiện biên thuỷ lực có thể được chia ra các quá trình biến đổi chậm hoặc có chu kỳdài (sóng dài: sóng lũ, sóng triều, nước dâng do bão, thay đổi mực nước do các nhiễu độngkhí quyển (seiches), sóng thần) và các quá trình biến đổi nhanh với chu kỳ và bước sóng ngắnhơn (sóng ngắn: sóng gió, sóng lừng, sóng do tàu thuyền) Các quá trình này có thể kết hợpvới nhau gây ra các sự cố cho hệ thống đê biển làm giảm hoặc mất tác dụng bảo vệ của hệthống đê (ví dụ như chảy tràn/sóng tràn qua đỉnh, xói lở/trượt mái trong/ngoài, mạch sủi, …)

Do đó trong thiết kế đê biển cần phải xem xét đến các quá trình trên, nhất là sự dao động củacác quá trình liên quan đến cao trình đỉnh của đê biển như:

- Thuỷ triều (thiên văn thuần tuý)

- Sóng lũ, sóng thần

- Nước dâng do bão, sự thay đổi mực nước do biến đổi của gió, gió giật

- Biến động mực nước do các nhiễu động khí tượng (ở xa truyền đến)

- Tác động của sóng biển (sóng ngắn)

Chuyên đề này sẽ trình bày phương pháp xác định các quá trình chính thường xuyên hoặc cókhả năng lớn xảy ra tác động đến các hệ thống đê biển ở nước ta và quan trọng trong việc xácđịnh mực nước thiết kế và cao trình đê biển như thuỷ triều, nước dâng do bão, nước dâng dosóng Ngoài ra các quá trình khác có thời gian biến đổi chậm hơn như sự dâng lên của mựcnước biển trung bình (SLR) và sự sụt lún của địa tầng cũng cần xem xét trong quá trình thiếtkế

Như thể hiện trong công thức 3, đê biển với quy mô càng lớn thì càng chống chọi lại đượcvới các trận bão lớn, do đó rủi ro và thiệt hại cho các mục tiêu bảo vệ càng giảm đi Tuy

Trang 9

nhiên đê biển với quy mô càng lớn thì chi phí cho hệ thống đê biển càng tốn kém hơn Hơnnữa, các tác động của thiên nhiên (như bão biển chẳng hạn) càng lớn thì khả năng xảy ra càng

ít đi Vì vậy trong quy hoạch và thiết kế hệ thống đê biển cần phải cân bằng giữa quy mô vàchi phí cho hệ thống đê biển với rủi ro thiệt hại do sự mất khả năng bảo vệ của chúng và khảnăng đầu tư của nền kinh tế cho hệ thống đê biển Đê biển hay các công trình thuỷ lợi nóichung thường được thiết kế với một khả năng chịu đựng nhất định trước các tác động của tựnhiên xảy ra một cách tương đối thường xuyên Có nghĩa là, đê biển được thiết kế để chịu

đựng được các quá trình điều kiện biên có cường độ tác động S nhỏ hơn hoặc bằng một

ngưỡng giới hạn nhất định với một xác suất luỹ tích tương đối lớn nào đó (gọi là tần suất đảm

bảo) Trạng thái ngưỡng của sự cân bằng giữa cường độ chịu đựng (sức bền R) và cường độ tác động (tải trọng S) gọi là trạng thái giới hạn Cường độ tác động S vượt quá ngưỡng này

tuy xảy ra với tần suất hiếm hơn (gọi là tần suất vượt, thường được gọi tắt là tần suất) nhưng

có thể gây ra sự cố cho đê biển Tuỳ thuộc vào giá trị và tầm quan trọng của các mục tiêu bảo

vệ mà các hệ thống đê biển được thiết kế với các ngưỡng tần suất vượt của các điều kiện biênkhác nhau, gọi là các giá trị thiết kế, và các ngưỡng tần suất vượt này được gọi là các tần suấtthiết kế đê biển Trong chuyên đề này sẽ trình bày tóm tắt về phương pháp thống kê dùng đểxác định các giá trị thiết kế trong phần 2 Phần 3 trình bày cách tính toán các yếu tố khítượng, chủ yếu là gió, là nhân tố gây ra một số sóng dài và sóng ngắn Phần 4 trình bày cáchtính toán mực nước thiết kế do các nguyên nhân sóng dài Phần 5 trình bày các khái niệm vàquá trình cơ bản của sóng ngắn và các công thức tính toán Cuối cùng là các phụ lục và ví dụtính toán

2 PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ TRONG TÍNH TOÁN THUỶ, HẢI VĂN

Với nhiệm vụ bảo vệ con người và tài sản trước các thiên tai ngập lụt ven biển, đê biển phảichịu tác động trực tiếp của các quá trình sóng gió, dòng chảy của biển Để thiết kế đê biển thìcác điều kiện biên thuỷ, hải văn như mực nước và sóng đóng vai trò quan trọng và quyết địnhchính đến quy mô và kích thước của công trình đê biển Mặc dù các quá trình thuỷ, hải vănnày đều có các nguyên nhân và quy luật vật lý chi phối song sự tương tác của các quá trìnhvật lý đó với nhau và với các điều kiện địa hình rất phức tạp Để tránh phải tính toán chi tiếtcác các quá trình thuỷ, hải văn phức tạp mà nhiều khi vẫn nằm ngoài kiến thức hiểu biết củakhoa học và khả năng của các tiến bộ kỹ thuật hiện đại, các phương pháp thống kê đơn giảnhơn thường được áp dụng Phương pháp thống kê dựa trên cơ sở coi các hiện tượng thuỷ, hảivăn là các hiện tượng ngẫu nhiên và các biến thuỷ, hải văn là các đại lượng ngẫu nhiên và cóthể được mô tả bởi các quy luật thống kê Điều kiện ứng dụng của phương pháp thống kê làcần phải có chuỗi số liệu quan trắc đủ dài phản ánh được đặc tính và quy luật thống kê củađại lượng ngẫu nhiên theo các tiêu chuẩn thống kê Từ các chuỗi số liệu thống kê đó sẽ xácđịnh được quy luật và các tham số thống kê của đại lượng ngẫu nhiên Các quy luật thống kênày sẽ được dùng để nội suy (làm trơn) hay ngoại suy (dự báo) giá trị của đại lượng ngẫunhiên (biến thuỷ, hải văn) theo các tần suất hay khoảng thời gian xuất hiện lại

Trang 10

2.1 Các thông số thống kê của đại lượng ngẫu nhiên

Các thông số thống kê thường dùng và quan trọng nhất là trị số trung bình (kỳ vọng), hệ số

phân tán CV và hệ số thiên lệch CS

2.1.1 Trị số trung bình

Trị số trung bình (bình quân, kỳ vọng) của chuỗi số (x1, x2, … xN) của đại lượng ngẫu nhiên

X, với n là số giá trị đo đạc (độ dài chuỗi)

44\* MERGEFORMAT ()

2.1.2 Phương sai và hệ số phân tán C V

Phương sai của chuỗi số

55\* MERGEFORMAT ()

với σx là khoảng lệch quân phương của chuỗi số

Hệ số phân tán CV dùng để đánh giá mức độ phân tán của các chuỗi số khác nhau từ trị bìnhquân của từng chuỗi

66\* MERGEFORMAT ()

2.1.3 Hệ số thiên lệch C S

Hệ số thiên lệch CS biểu thị độ lệch về bên trái (CS > 0) hay bên phải (CS < 0) của độ thị phân

bố mật độ tần suất so với giá trị bình quân của nó

77\* MERGEFORMAT ()

2.2 Phân bố thống kê

Luật phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên là quan hệ giữa các giá trị của đại lượngngẫu nhiên và xác suất xuất hiện của chúng Quan hệ này được thể hiện bằng hàm mật độ xácsuất

88\* MERGEFORMAT ()Hàm phân phối xác suất (hoặc hàm phân phối luỹ tích, gọi ngắn ngọn hàm phân phối, hàmphân bố)

Trang 11

99\* MERGEFORMAT ()Trong tính toán thiết kế tuổi thọ hoặc khả năng bị phá hoại của công trình, người ta sử dụngtần suất vượt (gọi tắt là tần suất)

1010\* MERGEFORMAT ()

2.3 Các phân bố thống kê thường dùng

2.3.1 Phân bố Pearson III

Phân bố Pearson loại III (P3) là phân bố xác suất rất thông dụng trong thuỷ văn dùng để môhình hoá phân bố xác suất của các đại lượng thuỷ văn như mực nước, lưu lượng dòng chảy

Trang 12

3 Xác định các thông số theo phương pháp moments

Theo phương pháp moments, các thông số của phân bố P3 được xác định như sau

1717\* MERGEFORMAT ()1818\* MERGEFORMAT ()

1919\* MERGEFORMAT ()Việc tính toán hàm phân bố P3 có thể thực hiện bằng phần mềm MS Excel như hướng dẫntrong Phụ lục 3 hoặc sử dụng bảng tra tham khảo trong giáo trình Thuỷ văn công trình

2.3.2 Phân bố Kristky-Menkel

Phân bố Kristky-Menkel (KM) là phân bố được sử dụng trong thuỷ văn cho các đại lượngkhông xuất hiện giá trị âm như lưu lượng dòng chảy lũ Phân bố KM còn được gọi là phân bốGamma tổng quát

Trang 13

Các thông số của phân bố KM xác định theo phương pháp moments bằng việc giải đồng thời

hệ 2 phương trình sau

2626\* MERGEFORMAT ()Việc tính toán hàm phân bố KM có thể sử dụng bảng tra tham khảo trong giáo trình Thuỷ văncông trình

2.3.3 Phân bố Gumbel

Phân bố xác suất Gumbel (hay còn gọi là phân bố xác suất Fisher-Tippett loại I hoặc phân bốxác suất log-Weibull) thường được dùng để mô hình hoá thống kê các đại lượng cực trị nhưdòng chảy lũ, dòng chảy kiệt, vận tốc gió lớn nhất và các thiên tai như động đất

1 Hàm mật độ xác suất

2727\*MERGEFORMAT ()

với a – thông số vị trí, b – thông số tỷ lệ

2 Hàm phân bố tần suất luỹ tích

2828\* MERGEFORMAT()

3 Quan hệ tuyến tính hoá

Phương trình 28 được tuyến tính hoá như sau

Trang 14

Theo phương pháp moments, các thông số của phân bố Gumbel được xác định như sau

3030\* MERGEFORMAT ()3131\* MERGEFORMAT ()Việc tính toán hàm phân bố Gumbel có thể thực hiện bằng phần mềm MS Excel như hướngdẫn trong Phụ lục 4

2.3.4 Phân bố Weibull

Phân bố xác suất Weibull (hay còn gọi là phân bố xác suất Rosin-Rammler) là một dạng nữathường dùng để mô tả thống kê sự xuất hiện của các đại lượng cực trị trong khí tượng, thuỷvăn và dự báo thời tiết như dòng chảy lũ, sóng, gió lớn nhất Ngoài ra phân bố này cũng hayđược dùng trong phân tích xác suất sống sót hoặc phá huỷ trong lý thuyết độ tin cậy, dùngtrong lý thuyết cực trị; biểu diễn thời gian sản xuất và phân phối trong công nghiệp; sự phântán tín hiệu radar và sự suy giảm tín hiệu trong liên lạc vô tuyến

1 Hàm mật độ xác suất

với a – thông số vị trí, b – thông số tỷ lệ, c – thông số hình dạng

Trang 15

Quan hệ giữa các thông số của phân bố với các đặc trưng thống kê như sau

Để xác định các thông số của phân bố xác suất, giải phương trình 38 để xác định thông số

Với chuỗi số liệu đo đạc độ cao sóng các con sóng xuất hiện liên tiếp H thì b = 4σ²

với σ² là phương sai của chuỗi số liệu chiều cao sóng, σ là khoảng lệch quân phương.

Trang 16

Như vậy, thông số b có thể xác định thông qua hệ số góc của đường quan hệ 41 giữa x² và ln{1-F(x)} xây dựng dựa vào các giá trị quan sát của x và tần suất kinh nghiệm của nó.

Quan hệ giữa các thông số của phân bố với các đặc trưng thống kê như sau

4444\* MERGEFORMAT ()Việc tính toán hàm phân bố Rayleigh có thể thực hiện bằng phần mềm MS Excel như hướngdẫn trong Phụ lục 6

2.4 Tổ hợp tần suất

2.4.1 Phương pháp tổ hợp xác suất

Một đại lượng ngẫu nhiên có thể là tổ hợp của các đại lượng ngẫu nhiên khác Ví dụ mựcnước lớn nhất ở một vị trí ven biển được tạo ra do sự tổ hợp của mực nước triều và nước dâng

do bão Nếu đã biết phân bố xác suất của mực nước triều và phân bố xác suất của nước dâng

do bão thì ta có thể xác định được phân bố mực nước lớn nhất chính là đường tần suất tổ hợpcủa 2 đường tần suất mực nước triều và nước dâng do bão

Nếu hai đại lượng ngẫu nhiên X và Y phụ thuộc lẫn nhau thì hàm mật độ xác suất tổ hợp củachúng sẽ là

Trong đó f Y|X (y|x) là phân bố xác suất có điều kiện của Y với điều kiện đã biết X = x và f X|Y (x|y)

là phân bố xác suất có điều kiện của X với điều kiện đã biết Y = y; f X (x) và f Y (y) là phân bố xác suất bản lề của X và Y

Trong trường hợp hai đại lượng ngẫu nhiên X và Y độc lập với nhau thì

4646\* MERGEFORMAT ()Các trường hợp trên có thể được mở rộng ra cho tổ hợp xác suất của nhiều biến

Trang 17

2.4.2 Phương pháp Monte Carlo

Trong trường hợp một đại lượng ngẫu nhiên là một tổ hợp phức tạp của nhiều đại lượng kháchoặc đường tần suất tổ hợp của đại lượng ngẫu nhiên khó xác định theo phương pháp tổ hợpxác suất thông thường thì đường tần suất của đại lượng ngẫu nhiên đó có thể được xác địnhbằng phương pháp Monte Carlo Các bước cơ bản của phương pháp như sau:

1 Xác định các đại lượng đầu vào và miền xác định của chúng

2 Tạo các giá trị đầu vào ngẫu nhiên trong miền xác định của chúng

3 Tính toán giá trị của đại lượng ngẫu nhiên đầu ra theo mô hình tất định quan hệ vào –

ra với các giá trị đầu vào đã được tạo ra

4 Tổng hợp các kết quả tính toán đầu ra để xây dựng phân bố xác suất của đại lượngngẫu nhiên

Nếu việc tính toán được thực hiện càng nhiều thì phân bố xác suất của đại lượng ngẫu nhiênđược xây dựng càng chính xác

Phân bố tốc độ gió theo phương đứng phía trên bề mặt có thể dùng quy luật loga

với u là tốc độ gió (m/s) tại độ cao z (m) so với bề mặt, κ=0.4 là hằng số von Kármán, z0 là độ

cao nhám tương đương, u* là vận tốc ma sát đại diện cho ứng suất bề mặt

Trang 18

với α=0.0185 là hằng số Charnock (Wu, 1980).

3.2 Tính toán gió thiết kế từ số liệu thực đo

Chuỗi số liệu dùng để tính toán các đặc trưng gió thiết kế là chuỗi quan trắc nhiều năm với sốnăm quan trắc cần đủ dài (tối thiểu từ 20 đến 25 năm) Thông thường, trong chuỗi số liệu mỗinăm chọn một giá trị vận tốc gió lớn nhất để tính toán thống kê Các đặc trưng gió thiết kế cóthể tính toán theo phương pháp thống kê sử dụng hàm phân phối xác suất Các phân phối xácsuất thường dùng là Gumbel (xem 2.3.3) hoặc Weibull (xem 2.3.4) Hướng dẫn và ví dụ tínhtoán đường tần suất Gumbel và Weibull có thể xem trong Phụ lục 4 và 5

3.3 Tính toán gió trong bão

Trong một trận bão, vận tốc gió luôn thay đổi theo không gian và thời gian Dựa vào cácthông số của trận bão như vị trí tâm bão, áp suất không khí tại tâm bão, tốc độ di chuyển củabão, vận tốc gió lớn nhất trong bão, bán kính xuất hiện vận tốc gió lớn nhất v.v… ta có thểxác định được vận tốc và hướng gió tại bất kỳ điểm nào của trường gió trong trận bão theocác công thức toán học trình bày trong các mục dưới đây

3.3.1 Trường gió trong bão

Các thành phần vân tốc gió theo các phương ngang x, y bao gồm thành phần vận tốc gió do bão di chuyển Wf và thành phần vận tốc gió do chênh lệch khí áp Wr

Hệ số kinh nghiệm C2 có thể lấy trong khoảng 0.6 – 0.8

Góc lệch giữa thành phần gió địa chuyển và gió thực (Bretschneider)

Trường gió có thể được tính toán từ các thông số của trận bão như vị trí tâm bão, độ giảm áptâm bão, vận tốc gió lớn nhất trong bão, bán kính xuất hiện vận tốc gió lớn nhất

Trang 19

3.3.2 Vận tốc gió lớn nhất trong bão

Vận tốc gió lớn nhất trong bão gây ra do chênh lệch áp suất giữa tâm bão và bên ngoài cơnbão có thể xác định theo các công thức sau

Wm Vận tốc gió gradient lớn nhất ở độ cao 10 m so với mặt biển,

Trang 20

3.3.3 Bán kính gió lớn nhất

Banton et al (2002) đề nghị công thức xác định bán kính xuất hiện vận tốc gió lớn nhất trongcơn bão

3.3.4 Thành phần vận tốc gió do bão di chuyển

Thành phần vận tốc gió gây ra do sự di chuyển của cơn bão được tính toán dựa vào tốc độ dichuyển của cơn bão theo các công thức

2 Mô hình Dube et al.

Trang 21

3 Mô hình xoáy Rankine cải tiến (Depperman, 1947)

với r1 là bán kính từ tâm bão mà tại đó vận tốc gió bị giảm nhanh chóng

6 Mô hình Holland (1980)

với B là thông số trong khoảng 1 < B < 2.5 và được xác định như sau

Trang 22

7 Mô hình DeMaria et al (1992)

với thông số b trong khoảng 0.2 < b < 0.8.

8 Mô hình SLOSH (Jelesnianski et al., 1992)

Trang 23

L

x Đỉnh sóng

Chân sóng

Mặt nước bình quân

4 TÍNH TOÁN SÓNG THIẾT KẾ

4.1 Các đặc trưng của sóng biển

4.1.1 Các khái niệm và thông số đặc trưng của sóng biển

Hình 1: Các đặc trưng của sóng

Ngọn sóng (lưng sóng) là phần sóng nằm trên mực nước cân bằng.

Bụng sóng là phần sóng nằm dưới mực nước cân bằng.

Đỉnh sóng (đầu sóng) là điểm cao nhất của ngọn sóng.

Chân sóng là điểm thấp nhất của bụng sóng.

Biên độ sóng là khoảng cách biến động lớn nhất theo phương đứng của sóng từ mực nước

tĩnh Ký hiệu biên độ sóng là a, đơn vị đo là mét (m).

Độ cao sóng là khoảng chênh lệch về cao độ mặt nước giữa đỉnh sóng và chân sóng trước nó.

Ký hiệu biên độ sóng là H, đơn vị đo là mét (m) Với sóng hình sin đều thì

Bước sóng là khoảng cách theo phương ngang giữa hai đỉnh sóng liên tiếp Ký hiệu bước

sóng là L, đơn vị đo là mét (m) Bước sóng còn được gọi là chiều dài bước sóng hay gọi tắt là

Trang 24

Hướng sóng (hướng truyền sóng) là góc được tính từ trục Bắc (N) về phía đông (theo chiều

kim đồng hồ) đến hướng mà từ đó sóng đi tới (hoặc là một trong 8 hướng thật của phươngtrời, mà từ đó sóng đi tới)

Chu kỳ sóng là khoảng thời gian giữa hai lần đỉnh sóng xuất hiện liên tiếp tại một điểm cố

định Ký hiệu chu kỳ sóng là T, đơn vị đo là giây (s).

Tần số sóng là số lượng đỉnh sóng truyền qua một điểm cố định trong thời gian một giây Ký

hiệu tần số sóng là f, đơn vị đo là hertz (Hz) Quan hệ giữa tần số và chu kỳ sóng là

7777\* MERGEFORMAT ()Trong một chu kỳ sóng một điểm trên mặt nước hoàn thành một chu trình từ đỉnh sóng trởthành bụng sóng và quay lại đỉnh sóng với góc quay là 2π radian

Tần số góc của sóng là số radian trong một đơn vị thời gian.

Số sóng là số đo chu trình của số lượng đỉnh sóng trên một đơn vị chiều dài.

Tốc độ truyền sóng là là tốc độ di chuyển của mặt sóng (bao gồm cả đỉnh và bụng sóng) Tốc

độ truyền sóng thường được gọi theo các tên khác là tốc độ sóng hoặc tốc độ pha Ký hiệu là

C, đơn vị đo là mét trên giây (m/s).

8080\* MERGEFORMAT ()Sóng biển là tập hợp của nhiều sóng có bước sóng khác nhau Các sóng có bước sóng gần

như nhau kết hợp với nhau tạo thành các nhóm sóng và truyền đi với vận tốc của nhóm.

Bảng 1: Phân loại sóng dựa vào độ sâuLoại sóng Khoảng giá trị của kd Khoảng giá trị của d/LSóng nước nông (sóng dài) 0 ≤ kd < π/10 0 ≤ d/L < 1/20 (1/25)

Sóng ở vùng nước chuyển tiếp π/10 ≤ kd < π 1/20 ≤ d/L < ½

Trang 25

Bảng 2: Các công thức tính các đặc trưng của sóngVùng nước nông Vùng chuyển tiếp Vùng nước sâuBước sóng

8383\* MERGEFORMAT ()Cũng có thể giải gần đúng 81 bằng khai triển Taylor với sai số 2% (Visser, 1984)

Hoặc có thể áp dụng công thức để tính gần đúng C trước theo Hunt (1979) dựa vào ω và d,sau đó dùng C để tính L

Trang 26

4.2 Các quá trình biến đổi của sóng

Khi sóng truyền từ nước sâu vào vùng nước nông, các quá trình có thể làm biến đổi sóng baogồm: khúc xạ sóng, biến hình sóng nước nông, nhiễu xạ sóng, tiêu tán năng lượng do ma sátđáy hoặc rừng ngập mặn, tiêu tán năng lượng do thẩm lậu, sóng vỡ, sóng phát triển bổ sung

do gió, tương tác giữa sóng và dòng chảy, tương tác giữa các sóng với nhau Để xem xét đầy

đủ các quá trình lan truyền và biến đổi sóng cần phải sử dụng đến các mô hình số trị Cácmục sau đây chỉ giới thiệu sơ lược và cách tính toán cho một số quá trình thông dụng thườnggặp trong thiết kế đê biển

Khi độ sâu biến đổi, chu kỳ sóng giữ nguyên (T = const) do đó cả vận tốc pha C và bước sóng

L đều giảm khi độ sâu d giảm.

4.2.1 Khúc xạ sóng

Khi sóng truyền vào vùng nước nông sẽ làm cho vận tốc pha C thay đổi Nếu hướng truyền

sóng không vuông góc với các đường đẳng sâu thì hiện tượng khúc xạ sóng xảy ra do sự thayđổi của vận tốc pha sẽ làm cho hướng truyền sóng biến đổi có xu hướng vuông góc với cácđường đẳng sâu và đường đỉnh sóng có xu hướng song song với đường đẳng sâu Quy luậtkhúc xạ sóng tuân theo định luật Snel:

Hệ số khúc xạ sóng

4.2.2 Biến hình sóng nước nông

Biến hình sóng nước nông là ảnh hưởng của đáy đến sóng khi truyền vào vùng nước nônghơn mà không làm thay đổi hướng sóng Thông thường thì hiện tượng này làm cho độ caosóng tăng lên Hiện tượng biến hình sóng do nước nông xảy ra khi độ sâu nước giảm thì do

Trang 27

bước sóng L giảm làm cho độ dốc mặt sóng H/L tăng lên Độ dốc của sóng chỉ tăng đến một

giới hạn nào đó cho đến khi sóng trở lên mất ổn định và vỡ

Tỷ lệ giữa chiều cao sóng nước nông H và chiều cao sóng nước sâu H0 (trong trường hợpkhông bị ảnh hưởng bởi hiện tượng khúc xạ và nhiễu xạ) được gọi là hệ số biến hình sóng

nước nông KS

Trong thực tế thì do ảnh hưởng của hiện tượng khúc xạ nên trong công thức trên H0 được

thay thế bằng chiều cao sóng tương đương nước sâu không bị khúc xạ H’0 và trong tính toánthì thường tính gộp lại theo công thức

Ví dụ: Cho sóng ở nước sâu có H0 = 2 m, T = 8 s, góc sóng đến φ0 = 45°, đáy dốc phẳng có

các đường đồng mức thẳng và song song Tính chiều cao sóng ở độ sâu nước d = 5 m, bỏ qua

các tiêu tán năng lượng khác

Chiều dài sóng nước sâu

Trang 28

Tính góc sóng tới φ

Tính hệ số khúc xạ

Tính độ cao sóng tại độ sâu d

(m) 9898\* MERGEFORMAT()

4.2.3 Nhiễu xạ sóng

Bất cứ quá trình nào làm thay đổi nhanh hay đột ngột chiều cao sóng dọc theo đường đỉnhsóng đều tạo ra hiện tượng nhiễu xạ sóng để phát tán năng lượng sóng từ vùng có độ cao sónglớn sang vùng có độ cao sóng nhỏ hơn Điển hình là quá trình nhiễu xạ sóng xảy ra khi sóngtruyền qua đầu của đập chắn sóng Quá trình nhiễu xạ sóng cũng quan trọng như đối với cácquá trình khúc xạ và biến hình sóng, nhất là đối với các công trình cảng Hiện tượng nhiễu xạsóng có thể tính toán trong các mô hình tính sóng hoặc tra trên các biểu đồ nhiễu xạ

Trang 29

thì quá trình phản xạ sóng thường được bỏ qua vì sóng phản xạ thường nhỏ hơn 10 lần sóngtới.

H0 chiều cao sóng nước sâu (m)

H b chiều cao sóng tại điểm sóng vỡ (m)

db độ sâu nước tại điểm sóng vỡ (m)

γb chỉ số độ sâu sóng vỡ (-)

Ωb chỉ số chiều cao sóng vỡ (-)

100100\* MERGEFORMAT ()Theo Munk (1949), chỉ số chiều cao sóng vỡ cho sóng đơn

101101\* MERGEFORMAT ()Komar và Gaughan (1973) đưa ra công thức bán thực nghiệm dựa vào lý thuyết sóng tuyếntính và số liệu đo đạc thí nghiệm và hiện trường

Chỉ số độ sâu sóng vỡ γb = 0.78 theo McCowan (1891) đối với sóng đơn chuyển động trênđáy ngang Giá trị này có thể dung để ước tính chỉ số sóng vỡ Từ số liệu thí nghiệm cho sóngđơn trên đáy dốc trơn phẳng, Weggel (1972) đề nghị công thức

Trang 30

4.2.6 Tính toán sóng vỡ

Các bước tính toán cho đáy biển dốc phẳng có các đường đồng mức song song

Bước 1 Giả thiết độ sâu d.

Bước 2 Tính chiều dài sóng L.

Bước 3 Tính tốc độ sóng C = L/T.

Bước 4 Tính góc sóng tới φ

106106\* MERGEFORMAT ()Bước 4 Tính hệ số khúc xạ

107107\* MERGEFORMAT ()Bước 5 Tính hệ số nước nông

Bước 6 Tính độ cao sóng tại độ sâu d

110110\* MERGEFORMAT ()Bước 7 Tính

Trang 31

4.2.7 Độ cao sóng nước nông

Miche (1944), Divoky et al (1970), Chen và Wang (1983) đề nghị giới hạn độ cao sóng lớnnhất khi độ sâu nước hạn chế có dạng

Trong đó k là số sóng, γ1 ≈ 0.7 − 0.9 là giới hạn độ dốc mặt sóng ở nước sâu và γ2 = Hmax/d giới hạn độ cao sóng khi độ sâu nước hạn chế ở nước nông Thông thường γ2 = 0.78, nhưnggiảm dần khi độ dốc đáy giảm dần, và có thể nhận giá trị thấp đến 0.55 (Nelson, 1994)

4.3 Phân bố ngắn hạn của sóng

4.3.1 Các đặc trưng thống kê ngắn hạn của sóng

Trong đo đạc sóng biển bằng các thiết bị tự động, khoảng thời gian đo đạc mỗi lần đo tối ưu

là từ 15–35 phút với tần số đo đạc là từ 1–10 lần/giây

Trạng thái của bề mặt biển bao gồm nhiều con sóng có độ cao, chu kỳ và hướng khác nhau vàdao động của bề mặt nước biển có thể coi là hoàn toàn là ngẫu nhiên Nhưng nếu trạng tháicủa biển là ổn định thì sự phân bố và các đặc trưng của độ cao và chu kỳ sóng sẽ tương tựnhư nhau Do vậy có thể dùng các đặc trưng thống kê của sóng biển để mô tả cho một trạngthái biển (hoặc trạng thái sóng biển) Các đặc trưng thống kê sau đây thường được sử dụng:

Hmax (m): Chiều cao sóng lớn nhất xuất hiện trong lần đo

(m): Chiều cao sóng trung bình, là giá trị bình quân của tất cả các chiều cao sóng trong lầnđo

Hrms (m): Chiều cao sóng quân phương liên quan đến tổng năng lượng của sóng trên một đơn

vị diện tích ứng với trạng thái biển

114114\* MERGEFORMAT () (s): Chu kỳ cắt 0 trung bình Chu kỳ của từng con sóng được xác định trên biểu đồ tự ghi

độ cao sóng bằng cách đo đạc khoảng thời gian giữa các lần đường mặt nước cắt trục hoành(hoặc theo hướng đi lên hoặc theo hướng đi xuống) Sau cùng là tính chu kỳ trung bình chotoàn bộ các con sóng trong lần đo đạc

(m): Chiều cao sóng trung bình của 1/n số lượng các con sóng cao nhất Được xác định bằng cách sắp xếp toàn bộ n con sóng đo liên tục theo chiều cao sóng giảm dần, phần 1/n số

Trang 32

con sóng đầu tiên chứa các con sóng có chiều cao lớn nhất, tính giá trị trung bình của chiềucao các con sóng trong phần này.

H⅓, (m): Chiều cao sóng trung bình của 1/3 số các con sóng cao nhất trong một bản ghi

đo đạc sóng liên tục Giá trị này xấp xỉ với chiều cao sóng đo đạc trực quan (bằng mắt thườnghoặc bằng dụng cụ)

Hs (m): Chiều cao sóng có nghĩa (còn được gọi là chiều cao sóng chuẩn, chiều cao sóng ýnghĩa (Tôn Thất Vĩnh, 2003), chiều cao sóng đáng kể (Nguyễn Xuân Hùng, 1999)) Chiều

cao sóng có nghĩa Hs có thể lấy bằng với H⅓ tính theo phương pháp thống kê hoặc lấy bằng

với Hm0 tính theo phương pháp phổ sóng

, (s): Chu kỳ trung bình của 1/n số các con sóng cao nhất.

T⅓, (s): Chu kỳ trung bình của 1/3 số các con sóng cao nhất được gọi là chu kỳ sóng cónghĩa và có giá trị xấp xỉ với chu kỳ sóng tại đỉnh của phổ sóng

4.3.2 Phân bố ngắn hạn của sóng

Sự phân bố xác suất của chiều cao sóng trong một trạng thái biển có thể biểu diễn bằng phânphối xác suất Rayleigh (xem 2.3.5) Hàm phân phối bù của phân phối Rayleigh cho chiều caosóng như sau

P(H) là xác suất vượt của chiều cao sóng H.

Dựa vào phân phối Rayleigh có thể tìm ra các quan hệ

4.3.3 Phổ sóng

Phổ sóng là sự phân bố của năng lượng sóng theo tần số E(f) (phổ tần số, phổ mọi hướng, phổ

một chiều (Phillips, 1958; Longuet-Higgins et al, 1963; Toba, 1973)) hoặc theo cả tần số và

hướng E(f,θ) (phổ có hướng tần số-hướng, phổ có hướng, phổ hai chiều (Massel, 1996)) Nó

biểu diễn tổng năng lượng được truyền đi bởi trường sóng ứng với trạng thái biển nào đó

Trang 33

Phổ có hướng có thể được biểu diễn qua phổ tần số theo công thức (Longuet-Higgins et al,1963)

với α=0.0081, U19.5 là vận tốc gió (m/s) đo tại độ cao 19.5 m so với mặt biển

Từ phổ Pierson-Moskowitz có thể rút ra các quan hệ

Tần số sóng ứng với đỉnh của phổ (tần số đỉnh)

121121\* MERGEFORMAT ()Chiều cao sóng có nghĩa

với γ(f) là hàm số nâng cao đỉnh.

Từ phổ JONSWAP có thể rút ra quan hệ cho trạng thái sóng đang phát triển

Tần số sóng ứng với đỉnh của phổ (tần số đỉnh)

Trang 34

- Phổ TMA cho sóng ở vùng nước có độ sâu hạn chế (Bouws et al, 1985)

với Φ là hàm số xét đến ảnh hưởng của độ sâu nước.

4.3.4 Quan hệ giữa các đặc trưng của phổ sóng

Các đặc trưng của phổ sóng được biểu diễn qua mô-men của phổ Mô-men bậc n của phổ

128128\* MERGEFORMAT ()Các đặc trưng trường sóng rút ra từ biểu diễn phổ sóng và phân phối Rayleigh (Massel; Goda,1978)

129129\* MERGEFORMAT () 130130\* MERGEFORMAT () 131131\* MERGEFORMAT () 132132\* MERGEFORMAT () 133133\* MERGEFORMAT () 134134\* MERGEFORMAT ()Bởi vì

, 135135\* MERGEFORMAT ()nên chiều cao sóng có nghĩa có thể hoặc được lấy bằng

hoặc được lấy bằng

137137\* MERGEFORMAT ()Các thông số chu kỳ

fp: Tần số sóng tại vị trí của đỉnh phổ sóng, gọi tắt là tần số đỉnh

Trang 35

Tp: Chu kỳ sóng tương ứng với tần số đỉnh.

Tm01: Chu kỳ sóng tương ứng với tần số trung bình của phổ sóng

4.4 Phân bố dài hạn của sóng

Mỗi một lần lấy mẫu quan trắc độ cao H của các con sóng xuất hiện liên tục cho ta một phân

bố thống kê ngắn hạn (short-term) của sóng có thể biểu diễn bởi phân bố Rayleigh và được

đặc trưng bởi một giá trị Hs duy nhất đại diện cho trạng thái mặt biển khi quan trắc Tập hợp

các giá Hs của các lần quan trắc theo thời gian được gọi là phân bố dài hạn (long-term) củasóng

Phân bố sự xuất hiện dài hạn của sóng theo độ cao hoặc chu kỳ và hướng sóng được gọi làkhí hậu sóng (wave climate) được dùng để tính toán vận chuyển bùn cát và diễn biến xói lởđường bờ và tính toán thiết kế, bố trí các công trình chống xói lở đường bờ như đập mỏ hàn

Trang 36

(groyne, groin), đập phá sóng xa bờ (offshore breakwater, detatched breakwater), đập chắncát (jetty), đập chắn sóng (breakwater).

Tập hợp các giá Hs được quan trắc cho từng trận bão theo các năm được coi là phân bố cực trịdài hạn của sóng được dùng để tính toán thiết kế đê biển, đập chắn sóng và lớp bảo vệ củacác công trình công trình chống xói lở đường bờ như đập mỏ hàn, đập phá sóng xa bờ, đập

chắn cát Phân bố dài hạn của Hs có thể được biểu diễn bởi phân bố xác suất Weibull (xem2.3.4)

4.5 Tính toán sóng thiết kế từ tài liệu thực đo

Số liệu để tính toán sóng thiết kế cho đê biển cần phải được quan trắc đủ dài (tối thiểu từ 20

đến 25 năm) Chuỗi số liệu thường dùng là chuỗi các Hs giá lớn nhất của các năm, mỗi năm

chọn một giá trị chiều cao sóng Hs lớn nhất Các đặc trưng sóng thiết kế có thể tính toán theophương pháp thống kê sử dụng hàm phân phối xác suất Hàm phân phối xác suất thường

dùng cho các chuỗi số liệu độ cao sóng Hs lớn nhất là Weibull (xem 2.3.4) Ví dụ tính toánđường tần suất Weibull xem trong Phụ lục 5

4.6 Tính toán chu kỳ sóng

Theo kinh nghiệm, có thể xác định chu kỳ sóng dựa vào tương quan cho vùng biển 40 (Bắc

Bộ và Trung Bộ), (thống kê cho T < 9 s, H < 22.6 m, hệ số tương quan R = 0.975) (Nguyễn

4.7 Tính toán sóng từ số liệu gió

Trong trường hợp không có đủ số liệu sóng để tính toán theo phương pháp thống kê thì có thểtính sóng từ số liệu gió Do các điều kiện hạn chế về số liệu đo đạc sóng, việc tính toán sóngbiển hoặc sóng trong hồ chứa từ số liệu gió thường được áp dụng bằng các công thức kinhnghiệm 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 côngthức SPM phiên bản năm 1984 (SPM 1984) dựa trên cơ sở công thức JONSWAP được giớithiệu trong Shore Protection Manual (CERC, 1984) đã và đang được sử dụng một cách rộngrãi

Trang 37

một hướng nhất định được xác định bằng hàm tản hướng D(θ) Thông thường năng lượng

sóng giảm mạnh với các hướng sóng lớn hơn 30° tính từ hướng sóng chính

Thời gian gió thổi t là khoảng thời gian mà sóng lan truyền dưới tác dụng liên tục của gió.

Năng lượng sóng không thể phát triển vô hạn kể cả khi gió duy trì hướng thổi trùng vớihướng lan truyền sóng Đến một khoảng đà gió nhất định hoặc đến một khoảng thời gian nhấtđịnh, sóng sẽ đạt đến mức bão hoà khi năng lượng do gió cung cấp cân bằng với năng lượngsóng tiêu tán do ma sát đáy, sóng vỡ v.v…

Các phương pháp tính sóng từ gió thường đưa ra các quan hệ giữa các đại lượng không thứnguyên của đà gió, tốc độ gió, thời gian gió thổi với năng lượng và tần số của sóng

Thời gian phát triển phi thứ nguyên 151151\* MERGEFORMAT ()

Các công thức để tính toán sóng từ số liệu gió có dạng chung như sau

Trang 38

Phương pháp tính toán:

- Dựa vào số liệu độ sâu và gió, tính d̃, F̃, t̃ theo 149, 150 và 151.

- Tính H̃ và T̃ theo các công thức dạng 154 và 155.

- Tính Hs và T dựa vào 152 và 153.

4.7.2 Tính toán sóng từ gió ở vùng nước sâu

Trong trường hợp nước sâu ta có

MERGEFORMAT ()

Khi đó

Thời gian giới hạn tF cần thiết để trường sóng có đà gió F trở thành bị hạn chế về đà gió ứng với vận tốc gió đã cho U là

Với các hệ số K = 6.5882, A = 0.0161, B=0.3692, C=2.2024, D=0.8798 Độ cao và chu kỳ

sóng tính theo phương pháp SMB (công thức 159, 160) dựa vào giới hạn của đà gió tính từthời gian gió thổi theo 161

Trang 39

2 Biểu đồ JONSWAP

Công thức tính toán sóng từ gió trong điều kiện đà gió giới hạn từ dự án thực nghiệm

JONSWAP (Hasselmann et al., 1973)

162162\* MERGEFORMAT ()163163\* MERGEFORMAT ()Các quan hệ này được xác định dựa vào các số liệu đo đạc có độ tin cậy cao nhưng chỉ ápdụng với đà gió phi thứ nguyên nhỏ

Thời gian giới hạn tlim cần để trường sóng có đà gió F trở thành bị hạn chế về đà gió ứng với vận tốc gió đã cho U là

164164\* MERGEFORMAT ()Các công thức 162 và 163 và dùng để ước tính chiều cao sóng có nghĩa và chu kỳ sóng có nghĩa trong trạng thái bị hạn chế về đà gió

Từ các công thức 162, 163 và 164 nhận được các quan hệ

Trang 40

Hình 2: Tính toán đà gió

167167\* MERGEFORMAT ()Vận tốc gió đo đạc được chuyển về độ cao 10 m so với bề mặt sử dụng công thức 168

Định dạng
Số trang	105
Dung lượng	1,52 MB