Tính toán tải trọng sóng trong điều kiện việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN IÊNG VŨ TÍNH TỐN TẢI TRỌNG SĨNG TÁC ĐỘNG LÊN ĐÊ CHẮN SÓNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chun ngành : Xây dựng cơng trình biển Mã số: 60 58 45 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2012 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thế Duy (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: NCVCC TS Trương Đình Hiển (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: PGS TS Lê Song Giang (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 31 tháng 10 năm 2012 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) TS Trần Thu Tâm PGS.TS La Thị Cang TS Nguyễn Thế Duy NCVCC TS Trương Đình Hiển PGS TS Lê Song Giang Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA XÂY DỰNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tư – Hạnh phúc - - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Iêng Vũ MSHV: 10020389 Ngày, tháng, năm sinh: 23/07/1987 Nơi sinh: Quảng Nam Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình biển Mã số: 60 58 45 I TÊN ĐỀ TÀI: Tính tốn tải trọng sóng tác động lên đê chắn sóng điều kiện Việt Nam NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu phương pháp tính tải trọng sóng tác động lên đê chắn sóng Tìm phương pháp tính tốn phù hợp điều kiện Việt Nam II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THẾ DUY Tp HCM, ngày…tháng…năm 2012 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NGHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thế Duy, thầy trực tiếp hướng dẫn, cung cấp số liệu tận tình giúp đỡ em suốt thời gian thực luận văn Em xin cảm ơn thầy mơn Cảng – Cơng trình biển, khoa Kỹ thuật xây dựng truyền đạt kinh nghiệm, kiến thức quý suốt trình học tập Con xin cảm ơn cha mẹ gia đình ln động viên, khuyến khích tạo điều kiện để học tập làm việc Đây nguồn động lực lớn lao để hồn thành q trình học tập Xin cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè hỗ trợ tư liệu, nhiệt tình giúp đỡ lĩnh vực TĨM TẮT Luận văn trình bày kết nghiên cứu phương pháp tính tải trọng sóng lên đê chắn sóng dạng tường đứng mái nghiêng Các phương pháp tính tốn sử dụng phổ biến trình bày theo trường hợp cụ thể bao gồm: sóng khơng vỡ sóng vỡ tác động lên đê chắn sóng dạng tường đứng, sóng tác động lên đê chắn sóng dạng mái nghiêng Áp lực sóng khơng vỡ lên tường đứng tính tốn theo phương pháp từ đơn giản đến phức tạp như: tính tốn theo phân bố áp lực trung bình Hiroi, theo lý thuyết sóng tuyến tính, đến phương pháp theo lý thuyết sóng phi tuyến (Sainflou, Miche – Rundgren, …), 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 sóng khơng vỡ tác động lên tường đứng 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 Do khơng có số liệu thực nghiệm, thực tế trường hợp lại, nên trường hợp đánh giá sơ dựa kết tính tốn ABSTRACT This thesis represents the research results of the methods to compute wave load on vertical wall and rubble mound breakwater The computation methods are commonly used today are presented in the cases include: non-breaking and breaking wave impacts on the vertical wall breakwater, wave impacts on the rubble mound breakwater 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: computation based on the average pressure distribution of Hiroi, linear wave theory, the methods according to the non-linear wave theory (Sainflou, Miche – Rundgren, etc.) and 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 Because of the absent of the empiric data, practical data of the remaining methods, so these methods are preliminary estimated based on computed values LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Tính tốn tải trọng sóng tác động lên đê chắn sóng điều kiện Việt Nam” cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu trích dẫn trình bày luận văn trung thực Toàn kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Tác giả luận văn NGUYỄN IÊNG VŨ i    MỤC LỤC Danh mục hình iv Danh mục bảng vii Chương GIỚI THIỆU 1.1 Ý nghĩa 1.2 Mục đích phạm vi nghiên cứu 1.2.1 Mục đích đề tài 1.2.2 Phạm vi nghiên cứu 1.3 Nội dung phương pháp nghiên cứu Chương TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ TẢI TRỌNG SÓNG Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH ÁP LỰC SĨNG LÊN TƯỜNG ĐỨNG 3.1 Tải trọng sóng khơng vỡ tác động lên cơng trình tường đứng 3.1.1 Lý thuyết sóng tuyến tính 3.1.2 Lý thuyết sóng phi tuyến 10 3.1.3 Phương pháp Sainflou 12 3.1.4 Phương pháp Miche-Rundgren 14 3.1.5 Tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 222-95 19 3.1.6 Tiêu chuẩn kỹ thuật Cơng trình cảng Nhật 24 3.1.6.1 Tải trọng sóng đỉnh sóng trước cơng trình 24 3.1.6.2 Tải trọng sóng chân sóng trước cơng trình 26 3.1.7 Phương pháp dựa lời giải bậc cao phương trình Laplace 26 3.1.7.1 Phương trình chủ đạo 26 ii    3.1.7.2 Điều kiện biên 28 3.1.7.3 Các giá trị xấp xỉ bậc bốn 29 3.1.7.4 Cơng thức tính tốn áp lực sóng 30 3.1.8 Phương pháp dựa lời giải phương trình Navier – Stokes 31 3.1.8.1 Phương trình chủ đạo 31 3.1.8.2 Các điều kiện biên 32 3.1.8.3 Tạo lưới sai phân 33 3.1.8.4 Phương trình Navier-Stokes biến đổi 35 3.1.7.5 Lưới so le 35 3.1.7.6 Lời giải số mơ hình 36 3.2 Tải trọng sóng vỡ tác động lên cơng trình tường đứng 37 3.2.1 Phương pháp Hiroi 37 3.2.2 Phương pháp Minikin 39 3.2.3 Theo 22TCN 222-95 40 Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH ÁP LỰC SÓNG LÊN MÁI NGHIÊNG 41 4.1 Áp lực sóng lên mái nghiêng 41 4.1.1 Phương pháp Djunkovski 41 4.1.2 Theo 22TCN 222-95 45 4.1.3 Phương pháp tính theo Klein Breteler 49 4.2 Ổn định mái dốc 51 Chương KẾT QUẢ TÍNH TỐN 54 5.1 Tải trọng sóng khơng vỡ tác động lên tường đứng 54 iii    5.2 Tải trọng sóng vỡ tác động lên tường đứng 72 5.3 Tải trọng sóng tác động lên mái nghiêng 74 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 6.1 Kết luận 78 6.2 Kiến nghị 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 68 Hình 5.13: Phân bố áp lực sóng lên tường đứng TH5 69 Hình 5.14: Độ lệch giá trị áp lực sóng tính tốn so với thí nghiệm TH1 Hình 5.15: Độ lệch giá trị áp lực sóng tính tốn so với thí nghiệm TH2 70 Hình 5.16: Độ lệch giá trị áp lực sóng tính tốn so với thí nghiệm TH3 Hình 5.17: Độ lệch giá trị áp lực sóng tính tốn so với thí nghiệm TH4 71 Hình 5.18: Độ lệch giá trị áp lực sóng tính tốn so với thí nghiệm TH5 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 5.3 Bảng 5.3: Điều kiện sử dụng phương pháp tính áp lực sóng Phương pháp Tỉ số H/L (H/L)b Duy < 0.4 Goda Kakizaki 22TCN 222-95 > 0.4 Duy Goda Kakizaki 72 5.2 Tải trọng sóng vỡ tác động lên tường đứng Tải trọng sóng khơng vỡ tính hai trường hợp bảng 5.4 Bảng 5.4: Thơng số sóng dùng để tính tải trọng sóng vỡ lên tường đứng Trường hợp s d (m) H (m) T (s) TH1 0.05 2.5 TH2 0.05 2.5 2.2 10 Kết tính tốn trình bày hình 5.21 5.22, ta thấy phương pháp tính tốn theo Minikin (1963) cho giá trị tính tốn lớn nhiều so với phương pháp Hiroi 22TCN 222-95 (TH1 gấp 15 lần, TH2 gấp lần) Phương pháp Hiroi cho áp lực sóng phân bố dạng hình chữ nhật từ điểm sóng vỡ tác động lên tường xuống tới đáy, không phù hợp với phân bố thơng thường áp lực sóng lên tường đứng Hình 5.19: Phân bố áp lực sóng vỡ lên tường đứng TH1 73 Hình 5.20: Phân bố áp lực sóng vỡ lên tường đứng TH2 Phương pháp theo 22TCN 222-95 cho thấy dạng phân bố áp lực sóng lên tường đứng theo vị trí khác nhau, giá trị áp lực xấp xỉ với phương pháp Hiroi Do đó, có thề dùng 22TCN 222-95 để tính tốn tải trọng sóng vỡ lên tường đứng 74 5.3 Tải trọng sóng tác động lên mái nghiêng Tải trọng sóng khơng vỡ tính hai trường hợp bảng 5.5 Bảng 5.5: Thông số sóng dùng để tính tải trọng sóng lên mái nghiêng Trường hợp α d (m) H (m) T (s) TH1 300 TH2 200 6.5 2.5 10 Hình 5.23 5.24 trình bày kết tính tốn theo phương pháp Djunskovki phương pháp 22TCN 222-95 trường hợp Đường màu đỏ đường phân bố áp lực sóng với giá trị tính tốn kế bên (đơn vị kN/m2), giá trị mặt nghiêng khoảng cách ξ l (đơn vị m) ứng với phương pháp trình bày chương Ta thấy kết theo hai phương pháp giống (hình 5.25), giá trị áp lực sóng chênh lệch khoảng kN/m2, cịn vị trí tác động lớn sóng khoảng cách biểu đồ phân bố hoàn toàn giống Hình 5.26 5.27 trình bày kết tính hai phương pháp trường hợp 2, kí hiệu tương tự trình bày Trong trường hợp này, giá trị áp lực sóng tác động lên mái nghiêng hai phương pháp tính gần vị trí tác động tải trọng sóng lớn chênh 0.54m Tuy có chênh lệch phương pháp tính, chênh lệch khơng đáng kể Do đó, sử dụng hai phương pháp việc tính tốn tải trọng sóng tác động lên mái nghiêng 75 Hình 5.21: Phân bố áp lực sóng lên mái nghiêng theo Djunskovki TH1 Hình 5.22: Phân bố áp lực sóng lên mái nghiêng theo 22TCN 222-95 TH1 76 Hình 5.23: So sánh phân bố áp lực sóng lên mái nghiêng theo 22TCN 222-95 Djunskovki TH1 Hình 5.24: Phân bố áp lực sóng lên mái nghiêng theo Djunskovki TH2 77 Hình 5.25: Phân bố áp lực sóng lên mái nghiêng theo 22TCN 222-95 TH2 Hình 5.26: So sánh phân bố áp lực sóng lên mái nghiêng theo 22TCN 222-95 Djunskovki TH2 78   Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận Với mục tiêu tìm hiểu phương pháp tính tải trọng sóng tác động lên đê chắn sóng, đề tài thực được: • Thống kê nhiều phương pháp để tính tốn tải sóng khơng vỡ sóng vỡ lên tường đứng, tải trọng sóng tác động lên mái nghiêng • Áp dụng phương pháp thu thập để tính tốn tải trọng sóng lên cơng trình với trường hợp sóng cụ thể, bao gồm: sóng khơng vỡ với đỉnh sóng chân sóng tác động lên tường đứng, sóng vỡ tác động lên tường đứng, sóng tác động lên mái nghiêng • Trường hợp tải trọng sóng khơng vỡ với đỉnh chân sóng tác động lên tường đứng, kết tính tốn so sánh với kết thí nghiệm Goda Kakikazi (1966) • Các trường hợp sóng vỡ tác động lên tường đứng, sóng tác động lên mái nghiêng, kết so sánh với đưa nhận xét sơ Kết tính tốn sóng khơng vỡ tác động cho thấy mức độ xác vượt trội phương pháp Duy (1996), Goda Kakikazi (1966), 22TCN 222-95 so với phương pháp lại (theo lý thuyết sóng tuyến tính, phi tuyến, Sainflou (1928), Miche – Rundgren (1958), TCNB) Do đó, nên sử dụng phương pháp Duy (1996), Goda Kakikazi (1966) để tính tốn áp lực sóng khơng vỡ lên tường đứng Nếu sóng xa giới hạn vỡ, hai phương pháp cịn sử dụng phương pháp trình bày 22TCN 222-95 để tính tốn áp lực sóng Đối với sóng vỡ tác động lên tường đứng, phương pháp Hiroi (1928) Minikin (1963) cho kết không phù hợp với phân bố thực tế áp lực sóng Do đó, trường hợp nên sử phương pháp trình bày 22TCN 222-95 79   để tính tốn áp lực sóng phương pháp cho kết tính tốt hai phương pháp Trường hợp tải trọng sóng tác động lên đê chắn sóng dạng mái nghiêng, hai phương pháp theo Djunkovski 22TCN 222-95 cho kết tính tốn tương tự nhau, nên trường hợp sử dụng hai phương pháp để tính tốn tải trọng sóng Bên cạnh vấn đề thực được, đề tài nhiều hạn chế cần khắc phục Các kết tính tải trọng sóng theo trường hợp sóng vỡ tác động lên tường đứng, sóng tác động lên mái nghiêng cần so sánh với số liệu thí nghiệm để tìm phương pháp tính tốn phù hợp Về đê chắn sóng dạng mái nghiêng, nghiên cứu áp lực sóng cịn hạn chế xu hướng thiên nghiên cứu ổn định khối bảo vệ bề mặt đê Do thời gian hạn chế nên đề tài chưa đề cập nhiều đến vấn đề 6.2 Kiến nghị Các trường hợp sóng vỡ tác động lên tường đứng, sóng tác động lên mái nghiêng chưa có số liệu thực nghiệm để kiểm chứng phương pháp tính Do đó, cần có đo đạc thực tế phịng thí nghiệm áp lực sóng hai trường hợp để có đánh giá phương pháp tính Mặc dù phương pháp tính áp lực sóng không vỡ lên tường đứng theo phương pháp Goda Kakikazi (1966), Duy (1996), 22TCN 222-95 tốt sai số so với số liệu thực nghiệm theo trường hợp cụ thể Điều việc xử lý sóng phản xạ trước tường đứng chưa thực tốt Do đó, cần nghiên cứu cứu cụ thể điều kiện biên tường biên biển để thu kết tốt 80   TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Coastal Engineering Research Center (1984) Shore Protection Manual Vol II [2] Đinh Văn Ưu, Nguyễn Thọ Sáo, Phùng Đăng Hiếu (2006) Thủy lực biển NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [3] Hội Cảng – Đường Thủy Thềm lục địa Việt Nam (2004) Tiêu chuẩn Kỹ thuật Chú giải cơng trình Nhật Bản [4] J K Vrijling, C van der Horst, P van Hoof, P.H.A.J.M (2000) van Gelder The structural analysis of the block revetment on the dutch dikes Coastal Engineering, Volume Three [5] J B Herbich (1999) Handbook of Costal Engineering McGraw – Hill [6] Kyoshi Horikawa (1978) Coastal Engineering University of Tokyo Press [7] Kyoshi Horikawa (1988) Nearshore Dynamics and Coastal Processes University of Tokyo Press [8] M Calabrese, M Buccino (2000) Wave Impacts on Vertical and Composite Breakwaters, 10th International Conf ISOPE, USA [9] M Calabrese, W Allsop and M Buccino (2000) Effect of Random Multidirecional Wave Field on Wave Loads on Vertical and Composite Breakwater Coastal Engineering, Volume Three [10] Nguyễn Danh Thảo, Nguyễn Thế Duy (2009) Mơ hình tính tốn áp lực sóng tác dụng lên tường đứng dựa hệ phương trình Navier – Stokes hai chiều.Tạp chí Phát triển KH&CN Tập 12, số 18 [11] Nguyen The Duy (1996) A Tubulent Flow and Sand Suspension Model in the Surf Zone Ph.D Dissertation, Dept Civil Engineering, Yokohama Nation University 81   [12] Trần Minh Quang (2006) Cơng trình biển NXB Giao thơng vận tải [13] Trần Minh Quang (1993) Sóng Cơng trình chắn sóng NXB Giao thơng vận tải [14] Trần Thu Tâm (2003) Cơng trình ven biển NXB Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [15] Tiêu chuẩn ngành 22TCN 222-95 (1995) Tải trọng tác động (do sóng tàu) lên cơng trình thủy [16] T.S Hedges (2003) Wave Breaking and Reflection Dept Civil Engineering, Liverpool University [17] Yoshimi Goda, Shusaku Kakizaki (1996) Study on Finite Amplitude Standing Waves and Their Pressures upon a Vertical Wall Report of Port and Habour Research, Institute Ministry of Transport Japan Vol 5, No 10 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: NGUYỄN IÊNG VŨ Ngày, tháng, năm sinh: 23/07/1987 Nơi sinh: Quảng Nam Địa liên lạc: 4, đường 49, phường Bình Thuận, quận 7, Tp Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Từ 2005-2009: Đại học ngành Hải Dương, Khí tượng Thủy văn trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG-HCM Từ 2010 đến nay: Cao học ngành Xây dựng cơng trình biển, trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ 08/2009 đến nay: làm việc Viện Vật lý TP.HCM ... Nam Chun ngành: Xây dựng cơng trình biển Mã số: 60 58 45 I TÊN ĐỀ TÀI: Tính tốn tải trọng sóng tác động lên đê chắn sóng điều kiện Việt Nam NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu phương pháp tính tải. .. tính tốn tải trọng sóng theo hình thức tác động sóng gồm: sóng khơng vỡ sóng vỡ, theo hình dạng cơng trình gồm: đê chắn sóng dạng tường đứng đê chắn sóng dạng mái nghiêng • Áp dụng tính tốn tải. .. nghiêng • Áp dụng tính tốn tải trọng sóng lên đê chắn sóng điều kiện Việt Nam 1.3 Nội dung phương pháp nghiên cứu • Kế thừa kết nghiên cứu từ trước đến tính tốn tải trọng sóng tác động lên cơng trình