4.5.1. Tổng quát ( Điều 4, Khoản 3 Thông báo)
Theo quy tắc chung, các sóng đợc xem là tác động lên công trình cảng và bến phải là các sóng bất lợi nhất đối với độ ổn định của kết cấu hoặc đối với việc sử dụng các công trình cảng và bến. Về điểm này, phải chú ý thích đáng tới các biến dạng của sóng trong khi sóng lan truyền từ vùng nớc sâu vào bờ, gồm có nhiễu xạ, khúc xạ, cạn, vỡ v.v...
4.5.2. Khúc xạ sóng
Hiện tợng sóng khúc xạ xẩy ra ở vùng nớc có độ sâu trung gian tới vùng nớc nông. Đó là do sự thay đổi trong vận tốc cục bộ của sóng do sự thay đổi về chiều sâu nớc. Phải xét đến các sự thay đổi về chiều cao sóng và hớng sóng do khúc xạ.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Tính toán khúc xạ đối với sóng ổn định
(a) HIện tợng khúc xạ và hệ số khúc xạ (xem Hình T.4.5.1)
Nếu sóng đi tới một đờng ranh giới thẳng theo chiều xiên, tại đó chiều sâu nớc thay đổi từ h1 sang h2, các sóng sẽ bị khúc xạ tại đờng biên đó do sự thay đổi vận tốc sóng gây ra bởi chiều sâu nớc thay đổi. Giả dụ kết quả là khoảng cách giữa các tia sóng thay đổi từ b1 sang b2. Nếu sự thay đổi trong bề rộng tia sóng không quá lớn, có thể giả định không có dòng năng lợng sóng nào cắt ngang qua tia sóng và chảy ra ngoài. Nếu các nguồn tổn thất năng lợng khác ví nh ma sát dọc theo đáy biển đợc bỏ qua, khi đó tính liên tục trong dòng vận tải năng lợng dẫn đến sự thay đổi chiều cao sóng H1 ở độ sâu nớc h1 thành chiều cao sóng H2 ở độ sâu nớc h2 nh đợc cho trong phơng trình sau
®©y:
2 1 2 1 1
2
b b C C H
H
G
= G (4.5.1)
trong đó :
CG1, CG2 : vận tốc nhóm ở độ sâu nớc h1 và h2 (m/s)
b1, b2: khoảng cách giữa các tia sóng ở độ sâu nớc h1 và h2 (m) Trong phơng trình, b1/ b2 đại diện cho sự thay đổi chiều
cao sóng do khúc xạ, trong khi CG1/ CG2 đại diện cho sự thay đổi chiều cao sóng do thay đổi chiều sâu nớc. Sử dụng hệ số cạn (xem 4.5.5 Sóng cạn), CG1/ CG2 có thể
đại diện bằng CG1/ CG2 = Ks2/Ks1. Trong đó Ks1 và Ks2 là các hệ số cạn ở chiều sâu nớc h1 và h2.
Giả dụ bề rộng tia sóng là bo đối với sóng nớc sâu, thay
đổi thành b do hiện tợng khúc xạ. Tỷ số chiều cao sóng sau khi thay đổi với chiều cao sóng ban đầu trong trờng hợp
ChiÒu s©u níc h1
ChiÒu s©u níc h2
b b
K1 = 0/ (4.5.2)
(b) Phơng pháp tính khúc xạ
Phơng pháp tính khúc xạ đối với sóng ổn định bao gồm các phơng pháp tia sóng trong đó các tính toán có thể làm đợc với việc sử dụng máy tính và phơng pháp phân tích sự lan truyền của sóng bằng số trong đó các phơng trình sóng bề mặt đợc giải bằng máy tính có sử dụng các sơ đồ sai phân hữu hạn. Cần chọn một phơng pháp tính toán thích hợp phù hợp với vị trí.
Tuy nhiên, chú ý rằng với một đờng bờ các đờng đồng sâu thẳng và song song với nhau, sự thay đổi về hớng sóng và hệ số khúc xạ có thể tính đợc theo phơng trình sau:
L π h α
α 2
tanh sin
sin = 0 (4.5.3)
α α cos cos 0
r =
K (4.5.4)
ở đây, L, α và αo là chiều dài sóng ở độ sâu nớc h, góc tới của sóng ở độ sâu nớc h và góc tới của sóng ở nớc sâu (tơng ứng). Hình T.4.5.2 và T.4.5.3 cho hệ số khúc xạ và hớng sóng, bằng cách sử dụng tơng ứng các phơng trình (4.5.4) và (4.5.3)
Hình T.4.5.2. Hệ số khúc xạ của sóng ổn định tại bờ có các đờng đồng sâu thẳng và song song.
(2) Phạm vi áp dụng các tính toán khúc xạ với sóng ổn định
Các tính toán đó áp dụng cho các sóng có ít sự lan toả theo hớng và dải tần số hẹp, ví dụ, sóng loại sóng dâng và sóng thần. Với các sóng nh sóng do gió có nhiều sự lan toả theo hớng và dải tần số rộng, cần tiến hành tính toán khúc xạ đối với sóng không ổn định. Tuy nhiên, so sánh các đồ thị cho biết sự thay đổi về hệ số khúc xạ và hớng sóng đối với sóng ổn định và sóng không ổn định ở một bờ biển có các đờng đồng sâu thẳng và song song nhau, ngời ta có thể thấy chỉ có sự khác nhau nhỏ giữa sóng ổn định và sóng không ổn định trong trờng hợp này. Điều đó có nghĩa là khi địa hình của một bờ biển đơn điệu trong phạm vi mà các đờng đồng sâu đợc xem là thẳng và song song với đờng bờ, sự khác nhau giữa các kết quả tính toàn khúc xạ đối với sóng ổn định và sóng không ổn định th - ờng rất nhỏ, do đó các kết quả tính toán khúc xạ sử dụng sóng ổn định có thể dùng làm kết quả gần
đúng.
Hình T.4.5.3. Đồ thị cho thấy sự thay đổi về hớng sóng của sóng ổn định ở bờ biển có đờng sóng sâu thẳng và song song.
(3) Tính khúc xạ cho sóng không ổn định (a) Phơng pháp tính toán
Các phơng pháp tính toán khúc xạ đối với sóng không ổn định bao gồm các phơng pháp sau: 1) phơng pháp sóng thành phần, trong đó phổ sóng theo hớng đợc chia ra một số thích hợp các sóng thành phần, tính toán khúc xạ cho mỗi loại sóng thành phần và hệ số khúc xạ đối với sóng không ổn định đợc tính bằng cách lấy bình quân gia quyền các năng lợng sóng thành phần; 2) phơng pháp trong đó phơng trình cân bằng năng lợng sóng hoặc phơng trình sóng độ dốc thoải đợc giải trực tiếp bằng máy tính với các sơ
đồ sai phân hữu hạn. Về phơng pháp sóng thành phần, phơng trình cân bằng năng lợng đợc tìm ra bằng cách giả định năng lợng sóng không cắt qua các tia sóng và chảy đi. Điều đó có nghĩa là kỹ thuật về cơ
bản nh nhau trong cả hai trờng hợp. Tuy nhiên, với phơng pháp phơng trình cân bằng năng lợng, khúc xạ
đợc tính trong một vùng nhỏ nhng hữu hạn, có nghĩa là hệ số khúc xạ không trở thành vô hạn ngay cả tại một điểm có thể có hai tia sóng ổn định hội tụ. Mặt khác, phơng pháp phơng trình sóng độ dốc thoải phải là một phơng pháp giải tích chặt chẽ, nhng khó áp dụng cho 1 vùng rộng khi xác định hệ số khúc xạ đối với sóng không ổn định, chấp nhận việc sử dụng phơng pháp sóng thành phần, phơng pháp này hàm ý có sự xếp chồng tuyến tính các hệ số khúc xạ đối với sóng ổn định và do đó đơn giản và tiện lợi. Tuy nhiên, khi có sự giao nhau của các tia sóng xảy ra trong một tính toán khúc xạ đối với 1 sóng thành phần, có thể sử dụng phơng pháp cân bằng năng lợng đối với các mục đích thực tế, trừ khi mức độ giao nhau lớn.
(b) ảnh hởng của nhiễu xạ
Khi sóng nớc sâu bị nhiễu xạ bởi 1 đảo hoặc 1 mũi đất, phổ sóng thờng khác với dạng tiêu chuẩn đã
giả định ban đầu. Do đó cần sử dụng dạng phổ sau nhiễu xạ khi tiến hành tính khúc xạ
(c) Đồ thị hệ số khúc xạ và góc đối với sóng không ổn định ở 1 bờ biển với các đ ờng đồng sâu thẳng, song song.
Hình T.4.5.4 và T.4.5.5 cho thấy hệ số khúc xạ Kr và hớng sóng chính αp (tơng ứng) đối với sóng không ổn định tại một bờ có đờng đồng sâu thẳng và song song, với hớng chính của sóng nớc sâu (αp)o làm thông số. Hớng (αp)o đợc biểu thị là góc giữa hớng sóng và đờng pháp tuyến với đờng ranh giới của nớc sâu. Smax là giá trị cực đại của thông số biểu thị mức độ truyền theo hớng của năng lợng sóng (xem 4.1.3 [3] Phổ sóng)
Hình T.4.5.4. Hệ số khúc xạ của sóng không ổn định tại bờ biển có đờng đồng sâu thẳng và song song
Hình T.4.5.5 Sự thay đổi do khúc xạ trong hớng chính αp
của sóng không ổn định ở bờ biển có đờng đồng sâu thẳng và song song
(4) ở các vị trí mà độ sâu nớc không còn bằng khoảng 1 nửa chiều cao sóng nớc sâu, các sóng biểu thị các đặc tính của dòng chảy hơn là các đặc tính của các chuyển động sóng. Điều này có nghĩa các tính toán khúc xạ đối với hớng sóng và hệ số khúc xạ chỉ có thể áp dụng cho nớc có độ sâu ít nhất bằng 1 nửa chiều cao sóng nớc sâu.
4.5.3. Nhiễu xạ sóng [1] Nhiễu xạ
Chiều cao sóng trong các vùng mà sóng đợc dự liệu trớc sẽ bị ảnh hởng lớn bởi hiện t- ợng nhiễu xạ do các vật chớng ngại nh đê chắn sóng hoặc các đảo phải đợc tính toán bằng 1 phơng pháp thích hợp.
[Chú giải]
Nhiễu xạ là một hiện tợng trong đó sóng đi vào một vùng đợc che chắn bởi các vật nh đê chắn sóng. Đó là hiện tợng quan trọng nhất khi xác định chiều cao sóng trong một cảng. Tính chất không ổn định của sóng phải đựơc xét đến trong tính toán nhiễu xạ. Đối với một cảng trong đó chiều sâu nớc đợc giả định
đồng đều. Đã lập đợc các đồ thị nhiễu xạ cho sóng không ổn định đối với một đê chắn sóng bán vô hạn hoặc một đê chắn sóng thẳng có đúng một cửa vào. Tỷ lệ của chiều cao sóng sau nhiễu xạ so với chiều cao sóng ban đầu đợc gọi là hệ số nhiễu xạ Kd. Nói cách khác, hệ số nhiễu xạ Kd đợc cho bởi phơng trình
Hi: Chiều cao sóng tới ngoài cảng
Hd: Chiều cao sóng trong cảng sau nhiễu xạ.
Đồ thị nhiễu xạ và phơng pháp tính nhiễu xạ giả định rằng chiều sâu nớc trong cảng là đồng đều.
Nếu có các sự thay đổi lớn về chiều sâu nớc trong cảng, các sai số sẽ lớn, trong trờng hợp đó nên nghiên cứu chiều cao sóng trong cảng bằng các thử nghiệm mô hình thuỷ lực hoặc các phơng pháp tính toán bằng số có xét cả khúc xạ.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Các đồ thị nhiễu xạ đối với sóng không ổn định
Các hình T.4.5.6 (a) ~ (c) cho các đồ thị nhiễu xạ gần một đê chắn sóng bán vô hạn đối với sóng không ổn định với các thông số lan truyền theo hớng Smax = 10; 25 và 75. Các hình T.4.5.6 (a) ~ (l) cho các đồ thị nhiễu xạ qua 1 cửa vào có B/L = 1; 2; 4; 8 đối với sóng không ổn định với Smax = 10; 25 và 75.
(2) Xử lý với sóng tới xiên
Khi các sóng đi tới một đê chắn sóng xiên chéo, đê này có một cửa vào nên có đồ thị nhiễu xạ bằng một tính toán bằng số. Khi không làm đợc nh vậy hoặc khi đồ thị nhiễu xạ chỉ đợc yêu cầu nh một tài liệu hớng dẫn sơ lợc, có thể sử dụng phơng pháp gần đúng nh sau đây:
(a) Xác định trục của sóng nhiễu xạ
Khi sóng tới một đê chắn sóng có một cửa theo hớng xiên, hớng θ’ của trục các sóng nhiễu xạ (xem Hình T.4.5.8) thay đổi nhẹ so với hớng của góc tới θ. Bảng T.4.5.1 (a)~(c) liệt kê hớng của trục sóng nhiễu xạ nh một hàm số của tỷ lệ B/L của cửa vào và hớng tới. Các bảng này đợc sử dụng để có hớng θ’ của trục các sóng nhiễu xạ, và từ đó tỷ lệ hiệu dụng B/L của cửa vào tơng ứng với θ’ có đợc từ phơng trình sau
®©y:
B /L = (B/L) sin’ θ’ (4.5.11) Bảng T.4.5.1 Góc của trục sóng khúc xạ θ’
a) Smax = 10
B/L Góc giữa đê chắn sóng và hớng đi tới của sóng θ
150 300 450 600
1,02,0 4,0
530 (380) 460 (310) 410 (260)
580 (280) 530 (230) 490 (190)
650 (200) 620 (170) 600 (150)
710 (110) 700 (100) 700 (100) b) Smax = 25
B/L Góc giữa đê chắn sóng và hớng đi tới của sóng θ
150 300 450 600
1,02,0 4,0
490 (340) 410 (260) 360 (210)
520 (220) 470 (170) 420 (120)
610 (160) 570 (120) 540 (90)
700 (100) 670 (70) 650 (50) c) Smax = 75
B/L Góc giữa đê chắn sóng và hớng đi tới của sóng θ
150 300 450 600
1,02,0 4,0
410 (260) 360 (210) 300 (150)
450 (150) 410 (110) 360 (60)
550 (100) 520 (70) 490 (40)
660 (60) 640 (40) 620 (20) Chú thích : Góc trong ngoặc đơn là góc lệch so với góc đi tới
Tỷ lệ chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.6 (a) đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng bán vô hạn (θ = 900) với Smax = 10
Híng sãng θ = 900
Híng sãng θ = 900
Hình T.4.5.6 (b) đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng bán vô hạn (θ = 900) với Smax = 25
Híng sãng θ = 900
Híng sãng θ = 900
Tỷ lệ chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.6 (c) Đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng bán vô hạn (θ = 900) với Smax = 75 .
Híng sãng θ = 900
Híng sãng θ = 900
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.7 (a) Đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng có 1 cửa vào (B/L = 1,0) với Smax =10 Híng sãng
Híng sãng
Tỷ lệ chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.7 (b) Đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng có 1 cửa vào (B/L = 1,0) với Smax =25 Híng sãng
Híng sãng
Tỷ lệ chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.7 (c) Đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng có 1 cửa vào (B/L = 1,0) với Smax =75 Híng sãng
Híng sãng
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.7 (d) Đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng có 1 cửa vào (B/L = 2,0) với Smax =10 Híng sãng
Híng sãng
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.7 (e) Đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng có 1 cửa vào (B/L = 2,0) với Smax =25 Híng sãng
Híng sãng
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.7 (f) Đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng có 1 cửa vào (B/L = 2,0) với Smax =75 Híng sãng
Híng sãng
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.7 (g) Đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng có 1 cửa vào (B/L = 4,0) với Smax =10 Híng sãng
Híng sãng
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.7 (h) Đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng có 1 cửa vào (B/L = 4,0) với Smax =25 Híng sãng
Híng sãng
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.7 (i) Đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng có 1 cửa vào (B/L = 4,0) với Smax =75
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ Híng sãng
Híng sãng
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.7 (j) Đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng có 1 cửa vào (B/L = 8,0) với Smax =10 Híng sãng
Híng sãng
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.7 (k) Đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng có 1 cửa vào (B/L = 8,0) với Smax =25 Híng sãng
Híng sãng
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Tỷ số chu kỳ Hệ số nhiễu xạ
Hình T.4.5.7 (l) Đồ thị nhiễu xạ bởi đê chắn sóng có 1 cửa vào (B/L = 8,0) với Smax =75 Híng sãng
Híng sãng
Hình 4.5.8 Chiều rộng cửa quy đổi B' và góc của trục sóng nhiễu xạ (b) Điều chỉnh đồ thị nhiễu xạ
Trong đồ thị nhiễu xạ sóng tới pháp tuyến trong Hình T.4.5.7 (a)~(l) đồ thị nhiễu xạ nào có một tỷ lệ khẩu độ gần bằng với tỷ lệ hiệu dụng thì đợc chọn. Đồ thị nhiễu xạ này sau đó đợc quay cho tới khi hớng tới trùng khít với hớng nhiễu xạ nh đã xác định trong Bảng T.4.5.1. Sau đó đồ thị nhiễu xạ đợc sao lại và đợc lấy làm đồ thị nhiễu xạ cho sóng tới nghiêng. Sai số trong phơng pháp gần đúng thì
lớn xung quanh cửa mở của đê chắn sóng, về hệ số nhiễu xạ, sai số lớn nhất có thể lên tới khoảng 0,1 về giá trị tuyệt đối.
(3) Phơng pháp xác định hệ số nhiễu xạ trong một cảng
Hệ số nhiễu xạ trong một cảng có hình dạng phức tạp thờng đợc tính bằng máy tính. Các phơng pháp tính nhiễu xạ gồm có phơng pháp Takayama, phơng pháp thừa nhận việc xếp chồng các lời giải giải tích cho các đê chắn sóng tách riêng, và phơng pháp tính sử dụng các hàm số Green.
(4) Phơng pháp lan truyền theo hớng
Khi chiều dài của một đảo hoặc chiều rộng lối vào một vịnh bằng ít nhất mời lần chiều dài sóng của sóng tới, sẽ không có sự khác biệt lớn giữa chiều cao sóng có đợc bằng tính toán nhiễu xạ trực tiếp và ớc tính bằng cách sử dụng lợng năng lợng sóng theo hớng đi tới trực tiếp điểm đang quan tâm
đằng sau đảo hoặc bên trong vịnh; phơng pháp sau gọi là phơng pháp lan truyền theo hớng. Tuy nhiên, nếu điểm đang quan tâm nằm ngay sau đảo hoặc mũi đất , ảnh hởng của sóng nhiễu xạ sẽ lớn, do đó không áp dụng đợc phơng pháp lan truyền theo hớng.
(5) Nghiên cứu sử dụng thí nghiệm mô hình thuỷ lực
Nhờ các cải tiến trong các thiết bị tạo sóng ngẫu nhiên đa hớng, ngày nay dễ dàng tạo ra các sóng lan truyền theo hớng trong các phòng thí nghiệm có nghĩa là có thể tiến hành tơng đối dễ dàng các thí nghiệm nhiễu xạ. Khi tiến hành một thí nghiệm mô hình, một cửa mở trong mô hình cảng đợc tạo ra trong vùng tạo sóng hữu hiệu, và chiều cao sóng đợc đo đồng thời tại một điểm trong cảng. Hệ số nhiễu xạ có đợc bằng cách chia chiều cao sóng có ý nghĩa trong cảng cho chiều cao sóng có ý nghĩa tại cửa vào cảng lấy trung bình của ít nhất hai điểm quan sát.
[2] Kết hợp khúc xạ và nhiễu xạ
Khi tính toán nhiễu xạ đối với các sóng trong nớc có chiều sâu thay đổi lớn, phải xét cả sự khúc xạ của sóng.
[Chú giải]
(1) Khi chiều sâu nớc bên trong một cảng đợc làm ít nhiều đồng đều ví dụ bằng cách nạo vét (thờng là tr- ờng hợp trong bến lớn), sự khúc xạ của sóng sau khi bị nhiễu xạ có thể bỏ qua. Trong tr ờng hợp này
để xác định chiều cao sóng trong bến, có thể chấp nhận trớc tiên tiến hành tính toán chỉ xét đến khúc xạ và sóng vỡ từ điểm dự báo sóng nớc sâu tới cửa vào bến. Sau đó, tiến hành tính toán nhiễu xạ cho vùng bên trong bến, lấy chiều cao sóng tới bằng chiều cao sóng tính đợc tại cửa vào bến. Trong trờng hợp này, chiều cao sóng tại điểm đang quan tâm bên trong bến đợc biểu thị bằng phơng trình sau:
H = KdKrKsH0 (4.5.12)
trong đó:
Kd : hệ số nhiễu xạ tại điểm quan tâm trong cảng Kr : hệ số khúc xạ tại lối vào bến
Ks : hệ số cạn tại lối vào bến (xem 4.5.5. Sóng vào cạn) H0 : ChiÒu cao sãng níc s©u
Phơng pháp phơng trình cân bằng năng lợng hoặc phơng pháp cân bằng năng lợng cải tiến trong đó có thêm vào một số hạng biểu thị sự tiêu tán do sóng vỡ thì thích hợp là phơng pháp tính khúc xạ đối với biển hở. Phơng pháp tính độ tĩnh lặng của bến của Takayama, trong đó các lời giải nhiễu xạ đối
: Hớng chỉnh của sóng nhiễu xạ
: Hớng chỉnh của sóng tới