Giáo trình thủy lực biển ( Nxb ĐHQG Hà Nội ) Chương 5

Đặc trưng của trạng thái mặt biển là sự chuyển động phức tạp của nước biển mà có thể nói đặc trưng chủ yếu của nó là chuyển động sóng và dòng chảy. Chuyển động sóng trên biển chủ yếu được gây ra do gió và có chu kỳ cỡ
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình thủy lực biển ( Nxb ĐHQG Hà Nội ) Chương 5 Chương 5 TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG GIÓ LÊN CÔNG TRÌNH Đ ặ c tr ư ng c ủ a tr ạ ng thái m ặ t bi ể n là s ự c huy ể n đ ộ ng ph ứ c t ạ p c ủ a n ướ c bi ể n mà có th ể n ói đ ặ c tr ư ng ch ủ y ế u c ủ a nó là chuy ể n đ ộ ng sóng và dòng ch ả y. Chuy ể n đ ộ ng sóng trên bi ể n ch ủ y ế u đ ượ c gây ra do gió và có chu k ỳ c ỡ < = 10 1 s. Sóng đ ượ c gây ra do các tác nhân khác nh ư d ao đ ộ ng c ủ a áp su ấ t khí quy ể n, do đ ộ ng đ ấ t, do l ự c hút hành tinh thì th ườ ng có chu k ỳ d ao đ ộ ng dài h ơ n nhi ề u so v ớ i sóng gió. Còn đ ố i v ớ i dòng ch ả y thì ch ủ y ế u do tác đ ộ ng lôi kéo c ủ a gió, do chênh l ệ ch m ậ t đ ộ h ay m ự c n ướ c gây ra. Trên th ự c t ế , sóng gió và dòng ch ả y đ ã tác đ ộ ng m ạ nh m ẽ t rong d ả i ven b ờ v à t ạ o nên các quá trình đ ộ ng l ự c ph ứ c t ạ p c ủ a b ờ b i ể n, ả nh h ưở ng đ áng k ể đ ế n các công trình do con ng ườ i xây d ự ng trên bi ể n c ũ ng nh ư ả nh h ưở ng đ ế n các ho ạ t đ ộ ng kinh t ế , xã h ộ i c ủ a con ng ườ i trong d ả i b ờ b i ể n. Do v ậ y đ ánh giá đ ượ c các đ ặ c tr ư ng tác đ ộ ng c ủ a các y ế u t ố đ ộ ng l ự c là m ộ t v ấ n đ ề c ầ n thi ế t ph ụ c v ụ c ho ho ạ t đ ộ ng xã h ộ i c ũ ng nh ư c hi ế n l ượ c phát tri ể n kinh t ế . Trong ph ầ n này, các nghiên c ứ u tác đ ộ ng c ủ a sóng lên công trình s ẽ đ ượ c trình bày. Tuy nhiên, vi ệ c trình bày m ộ t cách c ặ n k ẽ v à t ổ ng h ợ p toàn b ộ c ác nghiên c ứ u hi ệ n nay v ề t ác đ ộ ng c ủ a sóng lên công trình thì n ằ m ngoài ph ạ m vi c ủ a ph ầ n này. Do đ ó trong ph ầ n này ch ỉ d ừ ng l ạ i ở v i ệ c trình bày các khái ni ệ m c ơ b ả n, các công th ứ c xác đ ị nh m ộ t s ố l ự c tác đ ộ ng c ủ a sóng lên công trình đ ượ c quan tâm trong các thi ế t k ế v à xây d ự ng công trình trên bi ể n. 5.1. ÁP SU Ấ T SÓNG LÊN T ƯỜ NG Đ Ứ NG 5 .1.1. Hi ệ n t ượ ng X ét m ộ t t ườ ng đ ứ ng đ ặ t trong n ướ c ở m ộ t đ ộ s âu xác đ ị nh h nào đ ó. Các sóng t ừ k h ơ i đ ế n th ẳ ng góc v ớ i t ườ ng, nó đ ậ p vào t ườ ng m ộ t l ự c, đ ộ l ớ n c ủ a l ự c này ph ụ t hu ộ c vào các đ ặ c tr ư ng c ủ a sóng. Khi sóng t ớ i có đ ộ c ao không quá l ớ n, sóng s ẽ b ị p h ả n x ạ h oàn toàn t ạ i t ườ ng và t ạ o nên m ộ t h ệ s óng đ ứ ng ngay phía tr ướ c c ủ a t ườ ng ch ắ n. Trong tr ườ ng h ợ p này áp l ự c sóng bi ế n đ ổ i d ầ n cùng v ớ i dao đ ộ ng c ủ a b ề m ặ t n ướ c (xem hình 5.1), đ ây là áp su ấ t c ủ a sóng đ ứ ng thông th ườ ng. ở m ộ t ch ừ ng m ự c nào đ ó thì các sóng l ớ n s ẽ t ạ o ra các áp l ự c sóng có hai đ ỉ nh nh ư t rong hình 5.1 b, khi các sóng t ớ i có đ ộ c ao l ớ n h ơ n n ữ a thì nó s ẽ x ả y ra hi ệ n t ượ ng phá hu ỷ c ủ a các sóng đ ứ ng, các đ ỉ nh sóng b ị s ụ p đ ổ v à t ạ o ra d ạ ng áp l ự c sóng b ấ t đ ố i x ứ ng; ph ầ n th ứ n h ấ t c ủ a đ ỉ nh sóng đ ôi l ớ n h ơ n nhi ề u so v ớ i ph ầ n th ứ h ai nh ư t rong hình 5.1c. Đ ó là các giai đ o ạ n chuy ể n ti ế p t ừ á p l ự c sóng đ ứ ng sang áp l ự c sóng đ ổ . Khi đ ộ 164 cao sóng t ớ i đ ạ t đ ế n đ i ề u ki ệ n t ớ i h ạ n thì di ễ n bi ế n áp su ấ t sóng b ắ t đ ầ u t ừ á p su ấ t xung l ự c ti ế p theo là áp l ự c chóp sóng nh ư t rong hình 5.1d. Ngoài ra, các sóng b ị đ ổ t ấ n công vào t ườ ng và t ạ o ra m ộ t áp l ự c nh ỏ h ơ n áp l ự c xung (á p l ự c l ớ n nh ấ t). Trên hình 5.2 là thí d ụ v ề m ố i quan h ệ t h ự c nghi ệ m gi ữ a đ ộ c ao sóng t ớ i H o v à áp su ấ t sóng c ự c đ ạ i t ạ i m ự c n ướ c yên t ĩ nh P m a x . H ình 5.1 Các d ạ ng áp su ấ t sóng - áp su ấ t P đ ượ c tính b ằ ng gf =gram l ự c = 9.81x10 - 3 N H ình 5.2 Quan h ệ t h ự c nghi ệ m gi ữ a áp su ấ t t ạ i m ự c yên t ĩ nh và đ ộ c ao sóng (Horikawa và Hase, 1962) 165 5 .1.2. Áp l ự c gây ra do sóng đ ứ ng X ét phân b ố c ủ a áp l ự c sóng trên thành đ ứ ng c ủ a t ườ ng theo các lý thuy ế t khác nhau nh ư s au: a) Theo lý thuy ế t sóng biên đ ộ n h ỏ . Khi đ ộ c ao sóng nh ỏ , ta có th ể á p d ụ ng lý thuy ế t sóng biên đ ộ n h ỏ đ ể p hân tích s ự p hân b ố c ủ a áp su ấ t sóng. Khi đ ó profile sóng và th ế v ậ n t ố c c ủ a sóng đ ứ ng có th ể đ ượ c bi ể u di ễ n d ướ i d ạ ng: η = a cos k ( x − ct ) + a cos k ( x − ct ) = 2a cos(kx) cos(kct ) ( 5.1) ch k (h + y ) Φ = ac (sin k ( x − ct ) − sin k ( x + ct )) sh kh ( 5.2) ch k (h + y ) = −2ac cos(kx) sin(kct ) sh kh Th ế v ào ph ươ ng trình bi ể u di ễ n áp su ấ t ∂Φ p ...