GIÁO TRÌNH SÓNG GIÓ ( VŨ THANH CA ) - CHƯƠNG 9

Lực sóng lên các công trìnhChương này giải quyết các vấn đề liên quan tới áp lực của sóng lên các công trình. Việc xác định áp lực của sóng lên các công trình ngoài khơi và ven bờ là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất trong thiết kế công trình. Có rất nhiều loại công trình ngoài khơi như sân bay, cầu cảng, nhà nổi v.v… có dạng chân cắm xuống cát, nổi, có trụ hình vuông, hình tròn. Những dạng công trình ven bờ đặc trưng là kè, đê và đập chắn sóng. Sự phức tạp...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
GIÁO TRÌNH SÓNG GIÓ ( VŨ THANH CA ) - CHƯƠNG 9 Ch−¬ng 9 lùc sãng lªn c¸c c«ng tr×nh9.1 Giới thiệu chung Ch−¬ng nµy gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò liªn quan tíi ¸p lùc cña sãng lªn c¸c c«ng tr×nh. ViÖc x¸c ®Þnh ¸p lùc cña sãng lªn c¸c c«ng tr×nh ngoµi kh¬i vµ ven bê lµ mét trongnh÷ng nhiÖm vô quan träng nhÊt trong thiÕt kÕ c«ng tr×nh. Cã rÊt nhiÒu lo¹i c«ng tr×nhngoµi kh¬i nh− s©n bay, cÇu c¶ng, nhµ næi v.v… cã d¹ng ch©n c¾m xuèng c¸t, næi, cã trôh×nh vu«ng, h×nh trßn. Nh÷ng d¹ng c«ng tr×nh ven bê ®Æc tr−ng lµ kÌ, ®ª vµ ®Ëp ch¾n sãng. Sù phøc t¹p cña qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c gi÷a sãng vµ c«ng tr×nh lµm cho viÖc tÝnh to¸n ¸plùc sãng rÊt khã kh¨n. H¬n n÷a, v× tÝnh phi tuyÕn cña sãng ®¹i d−¬ng, kh«ng tån t¹i mét lýthuyÕt to¸n häc phi tuyÕn thÝch hîp ®Ó dù b¸o ¸p lùc cña sãng lªn c«ng tr×nh. Do vËy, cã baph−¬ng ph¸p sau ®Ó tÝnh ¸p lùc sãng lªn c«ng tr×nh: (a) Ph−¬ng tr×nh Morison, (b) LýthuyÕt Froude-Krylov (c) Lý thuyÕt nhiÔu x¹. Sù ph©n biÖt gi÷a c¸c ph−¬ng ph¸p nµy sÏ®−îc m« t¶ d−íi ®©y. Ph−¬ng tr×nh Morison cã thÓ ®−îc ¸p dông nÕu nh− dßng ch¶y tíi mét c«ng tr×nh nµo®ã bÞ t¸ch khái c«ng tr×nh vµ t¹o ra mét miÒn xo¸y lÇn l−ît t¹i phÝa tr−íc vµ phÝa sau c«ngtr×nh. Nh− vËy, khi kÝch th−íc cña c«ng tr×nh nhá so víi b−íc sãng, ph−¬ng tr×nh Morisonlµ thÝch hîp ®Ó ®¸nh gi¸ lùc sãng lªn c«ng tr×nh. Ph−¬ng tr×nh Morison bao gåm hai lùc:lùc qu¸n tÝnh vµ lùc c¶n ®−îc céng vµo víi nhau. C¸c hÖ sè cña hai lùc nµy lµ qu¸n tÝnh(hay khèi l−îng) vµ hÖ sè c¶n (do nhít). C¸c hÖ sè nµy cÇn ®−îc x¸c ®Þnh tõ thÝ nghiÖm. Cã thÓ ¸p dông lý thuyÕt Froude-Krylov khi mµ lùc c¶n nhá so víi lùc qu¸n tÝnhnh−ng kÝch th−íc cña c«ng tr×nh vÉn cßn lµ t−¬ng ®èi nhá. Trong tr−êng hîp nµy, lùc ®−îctÝnh b»ng c¸ch sö dông ¸p suÊt sãng tíi vµ ph−¬ng ph¸p bÒ mÆt ¸p suÊt. Ph−¬ng ph¸p nµycã −u ®iÓm lµ ®èi víi c¸c c«ng tr×nh ®èi xøng, c¸c lùc nµy cã thÓ ®−îc t×m d−íi d¹ng khÐpkÝn vµ cã thÓ dÔ dµng x¸c ®Þnh ®−îc c¸c hÖ sè lùc. Khi mµ kÝch th−íc c«ng tr×nh lín, tøc lµ khi mµ c«ng tr×nh cã chiÒu réng b»ng métphÇn ®¸ng kÓ cña b−íc sãng, sãng tíi sau khi x« vµo c«ng tr×nh sÏ bÞ ph©n t¸n hay nhiÔu x¹.Trong tr−êng hîp nµy, cÇn ph¶i tÝnh ®Õn sù nhiÔu x¹ sãng khi tÝnh ¸p lùc sãng. Lý thuyÕtnµy th−êng ®−îc gäi lµ lý thuyÕt nhiÔu x¹. B»ng ph−¬ng ph¸p nµy, cã thÓ t×m ®−îc lêi gi¶igi¶i tÝch trong mét sè tr−êng hîp; tuy nhiªn, lêi gi¶i th−êng cÇn mét kü thuËt tÝnh to¸n nµo®ã, thÝ dô ph−¬ng ph¸p hµm Green, ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n hay ph−¬ng ph¸p phÇn töbiªn ®Ó gi¶i ph−¬ng tr×nh Laplace víi c¸c ®iÒu kiÖn biªn. Ta sÏ tr×nh bµy c¸c ph−¬ng ph¸p 191sè trÞ trong môc 9.6. Ba sè kh«ng thø nguyªn lµ sè Reynolds, Re = U m l / ν , th«ng sè Keulegan-Carpenter,KC = U mT / l , vµ th«ng sè nhiÔu x¹ πl / L cã vai trß rÊt quan träng trong viÖc x¸c ®Þnhxem lý thuyÕt nµo lµ thÝch hîp cho mét vÊn ®Ò cô thÓ. ë ®©y U m = vËn tèc cùc ®¹i cña h¹tn−íc theo ph−¬ng n»m ngang, l = kÝch th−íc dµi (nh− b¸n kÝnh) cña c«ng tr×nh, ν = ®énhít ®éng häc, T = chu kú sãng, vµ L = b−íc sãng. Th«ng sè KC ®o møc ®é quan träng cña lùc c¶n vµ b»ng tû sè gi÷a kho¶ng c¸ch dÞchchuyÓn cùc ®¹i cña h¹t láng theo ph−¬ng ngang vµ ®−êng kÝnh c«ng tr×nh. Th«ng sè nhiÔux¹ b»ng tû sè cña chiÒu dµi ®Æc tr−ng cña h¹t láng theo ph−¬ng vu«ng gãc víi dßng ch¶y(nh− ®−êng kÝnh c«ng tr×nh) vµ b−íc sãng. Møc ®é quan träng t−¬ng ®èi cña hai th«ng sènµy sÏ ®−îc th¶o luËn sau. §èi víi rÊt nhiÒu c«ng tr×nh ven bê nh− kÌ, ®ª vµ ®Ëp ph¸ sãng, sù t−¬ng t¸c gi÷ac«ng tr×nh vµ sãng tíi th−êng cã thÓ ®−îc xem lµ mét vÊn ®Ò hai chiÒu (trong mÆt ph¼ngth¼ng ®øng) vÒ sãng t¸c ®éng lªn c«ng tr×nh, vµ do vËy cã thÓ ®−îc nghiªn cøu trªn métmÆt c¾t (nh− trong mét m¸ng sãng trong phßng thÝ nghiÖm). §iÒu nµy lµ ®óng v× c«ng tr×nh®ã th−êng lµ dµi h¬n b−íc sãng. NÕu c«ng tr×nh cã mét ®Çu tù do, thÝ dô nh− ®Ëp ph¸ sãngth× cÇn ph¶i xö lý vÊn ®Ò ba chiÒu.9.2 Các thông số và chế độ dòng chảy T−¬ng tù nh− trong môc 9.1, ký hiÖu l lµ mét ®é dµi ®Æc tr−ng cña c«ng tr×nh theoph−¬ng vu«ng gãc víi dßng ch¶y hay lµ mét kÝch th−íc dµi t−¬ng ®−¬ng nµo ®ã (thÝ dô nh−b¸n kÝnh r cña h×nh trô trßn th¼ng ®øng ). X¸o trén mµ c«ng tr×nh g©y ra cho tr−êng sãngtíi, hay nãi c¸ch kh¸c lµ sù ph©n t¸n sãng do c«ng tr×nh g©y ra, ®−îc x¸c ®Þnh bëi métth«ng kl , víi k lµ sè sãng tr−íc khi bÞ nhiÔu ®éng. Nh− ®· tr×nh bµy trong môc 9.1, kÝch th−íc t−¬ng ®èi cña c«ng tr×nh so víi b−íc sãnglµ rÊt quan träng trong viÖc x¸c ®Þnh chÕ ®é ch¶y xung quanh c«ng tr×nh vµ lùc t¸c ®éng lªnc«ng tr×nh. Do vËy, ta ph©n biÖt ba tr−êng hîp: kl >> 1, kl = Ο(1) , vaf kl > 1 ®−îc lý gi¶i b»ng mét ®Ëp ch¾n sãng víi l lµ chiÒu dµi tæng céngchØ ra trªn h×nh 9.1. Trong tr−êng hîp nµy, sù nhiÔu x¹ xung quanh ®Çu ®ª vµ ¶nh h−ëngcña nã lªn chuyÓn ®éng sãng gÇn ®ª bÞ giíi h¹n trong mét khu vùc cã kho¶ng c¸ch vµib−íc sãng tõ ®Çu ®ª. VËy, chuyÓn ®éng sãng gÇn phÇn trung t©m ®ª cßn l¹i cã thÓ ...