Áp lực sóng không vỡ lên tường đứng được tính toán theo các phương pháp từ đơn giản đến phức: theo lý thuyết sóng tuyến tính, các phương pháp theo lý thuyết sóng phi tuyến (Sainflou, M[r]
(1)PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TẢI TRỌNG SÓNG
LÊN ĐÊ CHẮN SÓNG DẠNG TƯỜNG ĐỨNG
Nguyễn Iêng Vũ *, Nguyễn Thế Duy** TĨM TẮT
Áp lực sóng khơng vỡ lên tường đứng tính tốn theo phương pháp từ đơn giản đến phức: theo lý thuyết sóng tuyến tính, phương pháp theo lý thuyết sóng phi tuyến (Sainflou, Miche – Rundgren), phương pháp tính theo tiêu chuẩn ngành 22TCN 222-95 Việt Nam, tiêu chuẩn kỹ thuật Cơng trình cảng Nhật Bản, phương pháp dựa lời giải bậc bốn phương trình Laplace (Goda Kakikazi) lời giải phương trình Navier Stokes (Duy) sử dụng để tăng độ xác cho giá trị tính tốn Kết tính tốn kiểm định với số liệu thực nghiệm Goda Kakikazi (1966) Kết cho thấy, phương pháp Goda Kakikazi (1966), Duy (1996) 22TCN 222-95 cho kết tốt so với số liệu thực nghiệm.
Từ khóa:tải trọng sóng, đê chắn sóng dạng tường đứng, tiêu chuẩn ngành22TCN222-95, Goda and Kakikazi
ANALYSING METHODS OF CALCULATING THE WAVE LOADS ON VERTICAL WALL BREAKWATER FORM
ABSTRACT
Wave load of non-breaking wave impacts on vertical wall breakwater is computed according to the methods from the simple to the complex, such as: linear wave theory, the methods according to the non-linear wave theory (Sainflou, Miche – Rundgren), the method in 22TCN 222-95 standard, the methods based on quaternary solution of the Laplace equation (Goda and Kakikazi) and the solution of the Navier - Stokes equation (Duy) are used to increase the accuracy of the computed values The computation results of non-breaking wave impacts on vertical wall are verified by the empiric data of Goda and Kakikazi (1966) It shows that the methods of Goda and Kakikazi (1966), Duy (1996) and 22TCN 222-95 (branch standard) give good result to the empiric data.
Key Wrord: wave load, vertical wall breakwater, 22TCN222-95 standard, Goda and Kakikazi
Kỹ thuật – Công nghệ
(2)I GIỚI THIỆU
Tải trọng sóng yếu tố quan trọng xây dựng cơng trình biển, yếu tố quan trọng định bền vững tuổi thọ cơng trình Tải trọng thường xác định theo cách: theo hình thức kết cấu chịu lực tác động theo hình thức tác động sóng kết cấu Theo hình thức kết cấu chịu lực tác động gồm có: kết cấu cơng trình cọc, kết cấu cơng trình dạng tường kết cấu cơng trình dạng đá đổ Theo hình thức tác động sóng tác động lên cơng trình: sóng khơng vỡ (non-breaking waves), sóng vỡ (breaking waves), sóng vỡ (broken waves)
Nghiên cứu trình bày phương pháp tính tải trọng sóng khơng vỡ lên đê chắn sóng dạng tường đứng Các kết tính tốn so sánh với số liệu thực nghiệm để từ đề xuất phương pháp tính tốn tải trọng sóng cho kết
II CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TẢI TRỌNG SĨNG LÊN TƯỜNG ĐỨNG
1 Lý thuyết sóng tuyến tính
Khi độ cao sóng tương đối nhỏ (H/h << H/L << 1), lý thuyết sóng biên độ nhỏ áp dụng để phân tích phân bố áp lực sóng [2]:
trong đó: H – chiều cao sóng tới, k – số sóng (k = 2π/L, L – chiều dài sóng), ω – tần số góc (ω = 2π/T, T – chu kỳ sóng ), c – vận tốc sóng, t – thời gian, d – chiều sâu nước trước tường, x, z – tọa độ theo phương ngang phương đứng
2 Phương pháp Sainflou
Sainflou (1928) dựa lý thuyết sóng trocoide nước cạn để tính tải trọng sóng lên cơng trình sóng có dao động lớn [4, 6]:
2
2
0
0
sin {sinh ( ) sinh ( )}
sinh
cosh ( )
cosh ( )
1
cosh cosh
p z kH t k d k d z
g kd
k d k d z
kd kd ω η r η η = − + + − + + + + + − (1) 0 0
cosh ( ) sinh ( ) cos cos
cosh sinh
k h z k h z
p z H kx t
g kh kh ω
r
+ +
= − + −
(2)
3 Phương pháp Miche-Rundgren
Phương pháp Sainflou (1928) cho kết tính tải trọng sóng lên tường đứng tốt sóng có độ dốc thấp, áp dụng cho sóng có độ dốc lớn kết sai lệch nhiều (được Rundgren kiểm định thí nghiệm năm 1958) Năm 1944, Miche sử
dụng lý thuyết sóng bậc cao để tiến phương pháp Sainflou Sau đó, phương pháp tiếp tục Rundgren cải tiến vào năm 1958 [1]
Khi đỉnh sóng xuất trước tường, tải trọng tăng lên từ mặt thoáng
γ
d p+ I đáy, pI tính sau:γ χ + =1
2 cosh( )i
I
H p
(3)Khi chân sóng xuất trước tường, tải trọng tăng lên từ mặt thoáng γ −d pI
ở đáy Độ lớn xấp xỉ tải trọng sóng xác định áp suất giả sử tăng tuyến tính từ mặt thống xuống đáy Tuy nhiên, xấp xỉ sai số lớn độ dốc sóng gần
đạt đến giới hạn vỡ sóng
4 Tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 222-95
Tiêu chuẩn ngành 22 TCN 222-95 tiêu chuẩn hướng dẫn tính tốn tải trọng tác động (do sóng tàu) lên cơng trình thủy Việt Nam [7]
Bảng 1:Vị trí tải trọng tương ứng sóng đứng tác động lên tường đứng
Khi chịu đỉnh sóng Khi chịu chân sóng
Độ sâu z Giá trị áp lực sóng Độ sâu z Giá trị áp lực sóng
c
η
−
0.25d 0.5d d0
p
=
2p
=
k H
γ
3
p k H
=
γ
4
p
=
k H
γ
5
p k H
=
γ
0 t
η
0.5d d0
p
=
tp
= −
γη
8
p
= −
k H
γ
9
p
= −
k H
γ
5 Tiêu ch̉n kỹ thuật Cơng trình cảng Nhật Bản (TCNB)
Khi đỉnh sóng xuất trước tường, áp lực sóng phân bố tuyến tính với giá trị cực
đại p1 mực nước tĩnh, chiều cao
η
* bên mực nước tĩnh p2 đáy biển, áp lực sóng từ đáy tới đỉnh tường thẳng đứng tính sau [3]:Vị trí đỉnh sóng tiếp cận cơng trình: *
1
0.75(1 cos ) HD
η = + b l (4)
Tại mực nước tĩnh, z = 0, áp lực sóng lớn tác động lên cơng trình:
2
1 0.5(1 cos )( 1 2 cos ) w D
p = + b a l +a l + b r gH (5) Tại đáy biển, z = -d :
coshp
p
kd
=
(6)
Tại đáy cơng trình hay đỉnh đệm đá, z = h’: p3 =a3 1p (7)
trong đó: HD – chiều cao sóng tính tốn,
b – góc đường pháp tuyến với tường
đứng hướng tới sóng, l1, l2, l3,α1, α2,α3 – hệ số hiệu chỉnh
Khi chân sóng xuất trước tường, áp lực sóng mức nước tĩnh có giá trị không đổi pn từ
chiều sâu 0.5HD mực nước tĩnh cho
tới chân tường
γ
=0.5
n D
p H
(8)
6 Phương pháp dựa lời giải bậc cao của phương trình Laplace (Goda Kakizaki)
(4)cho kết áp lực sóng sau [8]:
3
(0) (1) (2) (3)
( , , )
2
ε ε
ε ε
= − + + + +
p x y t y p p p p (9)
7 Phương pháp dựa lời giải phương trình Navier – Stokes
Năm 1996, Nguyễn Thế Duy tính phân bố áp lực sóng đứng lên tường đứng
bằng cách giải hệ phương trình bảo tồn khối lượng động lượng Navier-Stokes lưới so le phương pháp sai phân hữu hạn [5]
Các phương trình chủ đạo từ biến đổi miền tính tốn sau:
x z
u η u η w
ξ η η
∂ + ∂ + ∂ =
∂ ∂ ∂ (10)
(
)
2
2 2
2
2
( )
2
t x z x
x x
x x z x
u u u u uw P P
u u u u
v
η η η η
τ η ξ η η r ξ η
η η η η η η ξ ξ η η ξ η η ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ + + + + = − + ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ + + + + + + ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ (11)
(
)
2 2
2
2
( )
z
t x z
x x
x x z x
w w uw uw w g P
w w w w
v
η
η η η
τ η ξ η η r η
η η η η η η ξ ξ η η ξ η η ∂ + ∂ +∂ + ∂ + ∂ = − − ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ + + + + + + ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ (12)
III CÁC TRƯỜNG HỢP TÍNH TỐN
Các phương pháp tính tốn với trường hợp cụ thể theo số liệu thực
nghiệm Goda Kakizaki (1966) trình bày bảng
Bảng 1:Thơng số thí nghiệm tải trọng sóng Goda Kakizaki (1966) [8]
Trường hợp s d (cm) H (cm) T (s)
TH1 70 17.1 2.31
TH2 70 26.4 2.33
TH3 70 14.4 2.86
TH4 70 263 2.88
TH5 70 37.6 2.33
(5)IV KẾT QUẢ TÍNH TỐN
1 Kết tính tốn theo trường hợp
Hình 1:
Phân bố áp lực sóng lên tường đứng TH1 Hình 2:Phân bố áp lực sóng lên tường đứng TH2
Hình 5:
Phân bố áp lực sóng lên tường đứng TH5
Hình 4:
Phân bố áp lực sóng lên tường đứng TH4 Hình 3:
(6)2 Độ lệch giá trị áp lực sóng tính tốn so với thí nghiệm
Bảng trình bày giá trị độ dốc sóng H/L giá trị tiêu chuẩn cho sóng bể vỡ (H/L)b theo trường hợp, giá trị (H/L)b tính theo cơng thức Miche (1944) sau:
0.14tanh( )
b
H kd
L =
(7)Bảng 2:Độ dốc sóng theo trường hợp thí nghiệm
TH1 TH2 TH3 TH4 TH5
H/L 0.031 0.047 0.020 0.037 0.067
(H/L)b 0.093 0.092 0.077 0.077 0.092
Từ kết trên, ta thấy giá trị H/L có ảnh hưởng quan trọng việc chọn phương pháp tính tốn áp lực sóng lên tường đứng Nếu H/L nhỏ 0.4(H/L)b phương pháp Duy, Goda Kakizaki, 22TCN 222-95 cho kết tính tốn áp lực sóng lên tường
đứng tốt phương pháp lại Còn H/L lớn 0.4(H/L)b ta sử dụng phương pháp Duy, Goda Kakizaki cho kết tính tốn tải trọng sóng lên tường đứng tốt Điều thể bảng
Bảng 3:Điều kiện sử dụng phương pháp tính áp lực sóng
Tỉ số H/L (H/L)b Phương pháp tính tốn
< 0.4 Goda KakizakiDuy
22TCN 222-95
> 0.4 Goda KakizakiDuy
V KẾT LUẬN
Kết tính tốn so sánh phương pháp tính tốn tải trọng sóng khơng vỡ tác động lên đê chắn sóng dạng tường đứng cho thấy độ xác phương pháp chênh lệch Do đó, cần phải chọn phương