Xem mẫu
- Chương 1
Tóm t t lý thuy t mô hình
1.1 S c n thi t mô hình hoá di n bi n đư ng b
B o v đư ng b và n đ nh đư ng b là nh ng nhi m v trung tâm trong lĩnh v c k
thu t b bi n. S bi n đ i bãi bi n b chi ph i b i các y u t gió, sóng dòng ch y, m c
nư c, đ c trưng bùn cát và ngu n cung c p. Đ d báo di n bi n b bi n gây ra b i m t
quá trình ph c t p như v y; r t c n m t công c h u ích như mô hình toán. Không nh ng
nó cho k t qu khách quan mà còn là công c h tr tính toán cho nh ng k ch b n khác
nhau trong các d án phát tri n.
Dù v y, c n nh n th c r ng mô hình toán không th hoàn toàn thay th vai trò c a k
thu t viên v n hành mô hình và h có trách nhi m v k t qu cu i cùng.
1.2 Kh năng c a mô hình
GENESIS là mô hình “đư ng đơn”, nghĩa là hình d ng m t c t ngang b không đ i mà ch
d ch chuy n theo chi u ngang. Tuy v y, s gi n hoá này l i khó phù h p trong th c ti n.
Trong cách mô ph ng này các đư ng đ ng m c đáy luôn song song v i nhau và do đó ch
c n đư c đ i di n b i m t đư ng cong duy nh t, đó là đư ng b .
V i m t s gi thi t phù h p, GENESIS có th đư c dùng cho các bãi bi n cát đ phân
tích các ph n ng c a đư ng b dư i tác d ng c a sóng trong nhi u bài toán k thu t.
Mô hình d đoán v trí c a đư ng b bi n đ i trong kho ng th i gian t vài tháng đ n
vài năm; và thích h p nh t đ i v i nh ng trư ng h p có m t xu hư ng bi n đ i đư ng b
dài h n và có quy lu t, ch ng h n s thoái lui đư ng b phía khu t c a m t đ p m hàn
ho c s phát tri n c a đư ng b phía sau m t đ p phá sóng.
Kho ng th i gian mô ph ng ph thu c vào các đi u ki n sóng và v n chuy n bùn cát,
đ chính xác c a các đi u ki n biên, tính ch t c a d án và m c đ g n gi ng c a bãi so
v i v trí cân b ng. Ngay sau khi xây d ng công trình, bãi bi n đã b thay đ i nhi u so v i
tr ng thái cân b ng c a nó. Trong trư ng h p này thay đ i do gia di n v n chuy n cát d c
b l n hơn nhi u so v i do bão và nh ng thay đ i theo mùa. Di n bi n kéo dài vài năm
5
- CHƯƠNG 1. TÓM T T LÝ THUY T MÔ HÌNH 6
này, khi m t c t đang bi n đ i gi a hai v trí cân b ng, đư c GENESIS mô t m t cách
hi u qu nh t.
Không gian đư c mô ph ng có th bi n đ i t vùng d án đơn l c vài trăm mét
đ n d i b bi n dài vài ch c km. C n lưu ý r ng, m c dù ph m vi c a công trình không
l n nhưng các đi u ki n có th m r ng trên m t vùng r ng l n hơn nhi u. Trong m t s
trư ng h p, ph m vi mô hình có th m r ng tuỳ theo yêu c u xem xét nh hư ng c a mô
hình t i các khu v c lân c n.
Như đã đ c p trên, mô hình bi n đ i đư ng b đư c xây d ng nh m mô ph ng quá
trình bi n đ i dài h n c a đư ng b trong quá trình ti n t i m t tr ng thái cân b ng.
Tr ng thái xáo tr n ban đ u thư ng là do nh ng công trình l n đư c xay d ng, ch ng h n
đê ch n cát t i c a sông ho c b n c ng. Mô hình không th mô ph ng đư c các bi n đ ng
ng u nhiên c a đư ng b mà không có xu th rõ r t, ch ng h n bi n đ i c a dòng ven b
do đi u ki n sóng khác nhau, ho c bi n đ i c a b bi n t i l ch tri u, bi n đ i dòng ch y
gây ra do gió, ho c v n chuy n bùn cát ngang b trong các tr n bão.
1.3 So sánh các mô hình bi n đ i đư ng b
Các mô hình gi i tích cho các nghiên c u đúng c a m t phương trình vi phân bi u th
di n bi n c a đư ng b . Nhưng đ có nghi m đúng, nhi u gi thi t ph i đư c ch p nh n
nh m lý tư ng hoá đi u ki n t nhiên. Do đó mô hình gi i tích n u c n, ch đư c áp d ng
trong giai đo n ti n kh thi, v i m c đích ch y u là nh n di n xu hư ng phát tri n chính
c a đư ng b và nh hư ng c a các y u t như sóng góc t i, đi u ki n biên, đi u ki n ban
đ u.
Đ n nay các mô hình xói l m t c t có th mô ph ng xói l bãi bi n dư i nh hư ng
c a bão (Kriebel và Dean, 1985; Larson, 1988) cũng như bi n đ i m t c t ngang ngay sau
khi đ cát nuôi bãi (Larson và Kraus, 1989a). Mô hình này b qua quá trình v n chuy n
bùn cát d c b . V nguyên t c, các mô hình di n bi n m t c t và di n bi n đư ng b có
th dùng k t h p đ mô ph ng bi n đ i v trí đư ng b c ng n h n l n dài h n.
Mô hình bi n đ i đư ng b , như GENESIS, t ng quát hoá t mô hình gi i tích, nhưng
xét t i nhi u y u t ph c t p hơn như công trình, sóng, các đi u ki n biên đi u ki n ban
đ u... Ngoài ra, các ngu n b sung bùn cát như nuôi bãi, b sung bùn cát t c a sông,
ho c các ho t đ ng khai thác cát, v.v. đ u đư c xét đ n.
Mô hình 3 chi u mô ph ng thay đ i đ cao, đ đáy theo c hai hư ng: d c b và ngang
b ; và do đó g b các gi thi t v hình d ng m t c t ngang không đ i (c a mô hình bi n
đ i đư ng b ) và v n chuy n bùn cát không đ i (c a mô hình bi n đ i m t c t). Sóng,
dòng ch y, v n chuy n bùn cát cũng đư c xác đ nh trên toàn b lư i tính toán. Mô hình
lo i này c n ch y trên nh ng máy tính m nh và đòi h i vi c ki m đ nh mô hình và phân
tích đ nh y r t sâu s c.
- CHƯƠNG 1. TÓM T T LÝ THUY T MÔ HÌNH 7
1.4 Vai trò c a mô hình bi n đ i đư ng b trong k
ho ch d án
Mô hình bi n đ i đư ng b liên h ch t ch và có th h tr đáng k cho các giai đo n l p
k ho ch d án như trên Hình 1.1.
Bư c b : Các d li u thu th p bao g m c nh ng quá trình t nhiên và nh ng y u t
g n v i công trình. Chú ý r ng nh ng c u trúc đ a ch t có th gián ti p nh hư ng đ n
mô hình bi n đ i đư ng b , ch ng h n s lún s t t i m t v trí nh t đ nh nào đó.
Các bư c c-d : GENESIS, qua vi c mô ph ng di n bi n b bi n v i nhi u phương án
khác nhau, có th là công c đánh giá các phương án và tìm ra gi i pháp t i ưu cu i cùng.
Ch ng h n, trong (Hanson và Kraus, 1986a), có 9 phương án đư c v ch ra nh m h n ch
xói mòn bãi bi n t i m t khu ngh mát. Phương án “s không” đư c đ t ra xem xét cùng
v i các phương án xây d ng dãy đ p m hàn v i các kích thư c và kho ng cách khác nhau,
nuôi bãi v i các kh i lư ng khác nhau, ho c đ p phá sóng. V i m i phương án, kh i lư ng
v t li u b bi n s đư c ư c tính, t đó căn c vào gi i pháp k thu t mà ch n ra phương
án kh thi nh t.
Bư c g : Mô hình bi n đ i đư ng b còn h tr hư ng d n cho k ho ch đo đ c, theo
dõi đư ng b . Các khu v c có đư ng b thay đ i m nh m nh t có th xác đ nh, t đó các
phương án h p lý nh m đo đ c t i nh ng vùng này (c v m t đ l n t n su t đo đ c).
- CHƯƠNG 1. TÓM T T LÝ THUY T MÔ HÌNH 8
Hình 1.1: Các bư c chính trong thi t l p k ho ch và th c hi n d án
- Chương 2
Lý thuy t mô hình
Chương này nh m gi i thi u lý thuy t mô hình bi n đ i đư ng b nói chung và các bi u
th c toán dùng trong GENESIS nói riêng. B t đ u t các gi thi t cơ b n c a mô hình,
ti p theo các phép tính v n chuy n bùn cát và di n bi n đư ng b s đư c trình bày. M t
đ c đi m c a ph n tính toán sóng cũng đư c xét đ n. Nhưng quan tr ng nh t là nh ng
khái ni m riêng c a GENESIS như “ô năng lư ng sóng” và các “mi n v n chuy n” s đư c
đi sâu xem xét, bên c nh các đi u ki n biên và công th c v n chuy n nói chung.
2.1 Các gi thi t trong mô hình bi n đ i đư ng b
Nhi u quan tr c cho th y m t c t ngang bãi bi n luôn duy trì m t hình d ng đ c trưng
c a nó, ch tr khi có bi n đ ng l n như sau các tr n bão. Nhưng thay đ i theo mùa c a
m t c t cũng bi n đ i nhi u so v i m t c t đ c trưng “trung bình theo th i gian” nói trên.
Pelnard-Considère (1956) đã đ xu t theo m t lý thuy t ph n h i c a đư ng b dư i tác
d ng c a sóng, v i m t gi thi t quan tr ng là m t c t ngang bãi chuy n đ ng t nh ti n
theo phương ngang trong su t quá trình b i xói. Mô hình này cũng đã đư c ông ki m đ nh
trong phòng thí nghi m.
V i gi thi t như v y, v trí c a m t c t có th xác đ nh đư c t m t đi m b t kỳ cho
trư c trên m t c t; và toàn b đ a hình đáy có th đ c trưng b i m t đư ng đ ng m c
duy nh t—thư ng là đư ng mép nư c (đư ng b ). Do đó, mô hình có tên là Mô hình bi n
đ i đư ng b hay Mô hình ph n h i đư ng b , hay đơn gi n hơn: Mô hình đư ng đơn theo
ý nghĩa bi u di n c a đ a hình đáy thông qua m t đư ng đ ng m c duy nh t.
M t gi thi t khác là cát ch đư c v n chuy n g n b trong m t ph m vi đ cao đã
đ nh trư c. Gi i h n c a ph m vi này là đ nh th m ho t đ ng, còn gi i h n dư i t i đ
sâu mà đó không có s b i/xói đáng k —“đ sâu gi i h n v n chuy n bùn cát”. Vi c h n
ch s di chuy n c a m t c t ngangtrong ph m vi nói trên cho ta m t phương pháp đơn
gi n xác đ nh chu vi c a ph n m t c t b b i l ng và xói l , t đó ư c tính đư c th bùn
cát tăng/gi m đi, tương ng v i nó là s d ch chuy n đư ng b .
Trong mô hình, m t công th c v n chuy n bùn cát d c b đư c xác đ nh. Đ i v i bãi
bi n m (nhìn ra bi n khơi), lưu lư ng v n chuy n bùn cát là hàm c a chi u cao và hư ng
9
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 10
sóng v . đây không xét đ n chi ti t dòng ch y ven b .
Cu i cùng là gi thi t đư ng b có xu hư ng bi n đ i dài h n m t cách rõ r t. Xu
hư ng ch đ o này chi ph i s bi n đ ng đư ng b trên n n các “nhi u đ ng” gây ra b i
bão, ch đ sóng, thu tri u, v.v. Ch có tác đ ng c a sóng gây ra v n chuy n bùn cát d c
b và các đi u ki n biên là nh ng đi u ki n chi ph i bi n đ i đư ng b dài h n. Trong
nh ng d án có đ p m hàn, kè hư ng dòng c a sông và đ p phá sóng (đ u gây ra chênh
l ch v n chuy n cát d c b ), gi thi t này thư ng đư c tho mãn.
Tóm l i, các gi thi t cơ b n c a mô hình bi n đ i đư ng b bao g m:
• Hình d ng m t c t bãi bi n không đ i
• Gi i h n phía b và phía bi n c a m t c t ngang đ u không đ i
• V n chuy n cát d c b gây ra b i sóng v
• B qua chi ti t dòng ch y g n b
• Có xu hư ng phát tri n đư ng b dài h n
Nh ng gi thi t cơ b n làm đơn gi n hoá mô hình t o đi u ki n cho vi c mô ph ng đư c
thu n l i hơn. Tuy v y c n lưu ý r ng trong m t s trư ng h p, nh ng gi thi t này có th
b vi ph m, ch ng h n khu v c g n công trình. Phía đư c b i c a đ p m hàn s tho i
hơn phía m t c t c a bãi trung bình. Trong trư ng h p này m c dù đư ng b bi n bi n
đ i phù h p v i th c đo nhưng c n có s di n gi i c n th n v t ng lư ng v n chuy n cát.
Bên c nh đó, gi thi t r ng đ sâu v n chuy n bùn cát và đ cao th m không đ i d c
su t b bi n là không hoàn toàn phù h p v i th c t và do đó c n th n tr ng l a ch n hai
giá tr đ c trưng này cho m i d i b bi n đư c mô ph ng.
Dòng v n chuy n bùn cát đư c gây ra b i sóng v do đó s không phù h p trong m t
s trư ng h p mà đóng góp c a gió, dòng tri u v.v. là đáng k . GENESIS cũng có th mô
ph ng chi ti t dòng ch y và chuy n cát theo phương ngang và phương th ng đ ng, do đó
không th mô ph ng các dòng tách b , dòng h i quy, v.v.
Xu hư ng bi n đ i dài h n c a đư ng b ch có đư c khi có tác đ ng c a đi u ki n
biên ho c m t quá trình mang tính quy lu t như b sung bùn cát c a sông ra ho c thay
đ i tr ng thái c a sóng gây ra b i đ p phá sóng xa b .
2.2 Phương trình cơ b n c a bi n đ i đư ng b
2.2.1 Phương trình cơ b n
Ch n h to đ Đ -các v i tr c x hư ng song song v i đư ng b và tr c y hư ng vuông góc
v i b ra ngoài khơi. Xét đo n đư ng g n b ∆x, trong kho ng th i gian ∆t d ch chuy n
m t đo n ∆y . N u ph m vi thay đ i t m t c t là t th m bãi (cao đ Db ) xu ng t i đ
sâu gi i h n v n chuy n bùn cát (Dc ) thì thay đ i th tích bùn cát trong th i gian ∆t là:
∆V = ∆x∆y (Db + Dc )
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 11
Trong khi đó, chênh l ch v n chuy n bùn cát (Q) theo hư ng d c b (x), đã d n đ n
s thay đ i th tích bùn cát là:
∆Q∆t = (∂Q/∂x)∆x∆t
T cân b ng v n chuy n bùn cát ∆V = ∆x∆y (Db + Dc ) = (∂Q/∂x)∆x∆t có xét thêm
lư ng b sung bùn cát q theo phương ngang b và chuy n ∆t → 0 ta đư c phương trình
vi phân:
∆y 1 ∂Q
−q
+ =0 (2.1)
∆t Db + Dc ∂x
Đ gi i phương trình (2.1) c n có v trí đư ng b ban đ u, hai đi u ki n biên cho hai
đ u đư ng b , cũng như các giá tr Q, q , Db và Dc .
2.2.2 Lưu lư ng v n chuy n bùn cát
V n chuy n cát d c b
Công th c tính lưu lư ng v n chuy n cát d c b là:
∂H
Q = (H 2 Cg )b a1 sin 2θbs − a2 cos θbs (2.2)
∂x b
trong đó:
H = Chi u cao sóng
Cg = V n t c nhóm sóng trong lý thuy t sóng tuy n tính
b = Ch s bi u th đi u ki n tính đư ng sóng v
θbs = Góc sóng v t o v i đư ng b
Các h s không th nguyên đư c a1 và a2 đư c cho b i:
K1
a1 = (2.3)
− 1 (1 − ρ) (1,416)5/2
ρs
16 ρ
K2
a2 = (2.4)
7/2
ρs
− 1 (1 − n) tan β (1,416)
16 ρ
trong đó:
K1 , K2 = Các h s kinh nghi m đóng vai trò thông s c a mô hình
ρs = Kh i lư ng riêng c a cát (2650 kg/m3 đ i v i cát quartz)
ρ = Kh i lư ng riêng c a nư c (1030 kg/m3 đ i v i nư c bi n)
n = Đ r ng c a l p cát đáy (l y = 0,4)
tan β = Đ d c trung bình c a đáy bi n l y ph m vi t đư ng b xu ng đ n đ sâu
gi i h n v n chuy n bùn cát
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 12
H s 1,416 là d quy đ i chi u cao sóng ý nghĩa đư c nh p vào GENESIS, sang chi u
cao sóng căn quân phương.
Trong công th c (2.2), s h ng th nh t bi u th công th c SPM (1984) tính dòng v n
chuy n bùn cát d c b do sóng v xiên góc v i b . Komar và Inman (1970) g i ý giá tr
K1 = 0,77, trong khi theo Kraus và nnk. (1982), K1 trong kho ng t 0,77 xu ng 0,58; và
kho ng giá tr này đư c coi là đi n hình.
S h ng th hai trong (2.2) bi u th nh hư ng c a m t y u t khác đ n v n chuy n
bùn cát d c b , đó là gra-đien theo hư ng d c b c a chi u cao sóng v ∂Hb /∂x, (theo
Ozasa và Brampton, 1980). Y u t này thư ng nh hơn nhi u so v i các y u t sóng v
xiên góc đã đ c p trên, trong đi u ki n b bi n tr ng tr i. Nhưng g n các công trình
khi có nhi u x sóng thì y u t này góp ph n đáng k c i thi n k t qu mô ph ng (Kraus,
1983).
M c dù có th ư c tính theo kinh nghi m, các h s K1 và K2 c n đư c xem xét là các
thông s ki m đ nh mô hình.
Thông s K1 cùng v i giá tr 1/(Db + Dc ) chi ph i th i gian bi n đ i đư ng b , cũng
như đ l n lưu lư ng v n chuy n bùn cát d c b . Giá tr K2 n m trong kho ng t 0,5 đ n
1,0 l n K1 . Không nên l y K2 quá l n so v i 1,0K1 , do đư ng b có th di n bi n m nh
g n các công trình và mô hình s không n đ nh.
Ngu n và t đi m bùn cát
Đ i lư ng q trong phương trình (2.1) bi u th ngu n c p ho c thu bùn cát ch y theo hư ng
song song đư ng b . Các ngu n c p thư ng là c a sông ho c b vách đ ng (d s t l ), còn
ngu n thu thư ng là các l ch sâu ho c kênh d n vào c ng. Ngoài ra, tác đ ng c a gió có
th g i là ngu n c p ho c ngu n thu tuỳ thu c vào hư ng gió th i ra bi n hay vào b .
Thay đ i tr c ti p v trí đư ng b
S thay đ i tr c ti p này có th do nuôi dư ng bãi ho c n o vét. Trong trư ng h p này,
m t c t ngang có th d ch chuy n v phía b ho c bi n m t cách đ nh trư c, có th là m t
hàm s theo th i gian và kho ng cách d c b .
2.2.3 Các thông s kinh nghi m
Chi u sâu v n chuy n bùn cát d c b
B r ng c a m t c t có x y ra v n chuy n bùn cát hư ng d c đư c l y x p x b ng b
r ng đ i sóng v , v n ch y u ph thu c vào chi u cao sóng v .
Thu t toán chuy n cát trong GENESIS yêu c u thông s đ sâu ho t đ ng c a v n
chuy n bùn cát d c b , t đó liên quan t i b r ng đ i sóng v . “Đ sâu ho t đ ng c a v n
chuy n bùn cát d c b ”, DLT , đư c l y b ng chi u sâu sóng t n su t 1/10 phía thư ng lưu
công trình. Theo các gi thi t cơ b n trong GENESIS thì đ sâu này tương đương v i:
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 13
1,27
DLT = H1/3 (2.5)
b
γ
trong đó:
1,27 = H s chuy n đ i gi a chi u cao sóng 1/10 và chi u cao sóng ý nghĩa
γ = Ch s sóng v , t s gi a chi u cao sóng và đ sâu nư c t i đi m sóng v
H1/3 b = Chi u cao sóng ý nghĩa t i đi m v
N u l y γ = 0,78 ta đư c DLT ≈ 1,6(H1/3 )b . Như v y đ sâu ho t đ ng DLT nh hơn
nhi u so v i đ sâu gi i h n v n chuy n bùn cát Dc , tr trư ng h p sóng đăc bi t l n.
M t đ c trưng khác là “đ sâu l n nh t c a v n chuy n bùn cát d c b ” DLT o đ xác
đ nh đ d c bãi trung bình tan β trong phương trình (2.2), DLT o đư c cho b i:
Ho
DLT o = (2,3 ÷ 10,9Ho ) (2.6)
Lo
trong đó:
Ho /Lo = Đ d c c a sóng nư c sâu
Ho = Chi u cao sóng ý nghĩa vùng nư c sâu
Lo = Chi u dài sóng nư c sâu
Theo lý thuy t sóng tuy n tính Lo = gT 2 /2π v i g là gia t c tr ng trư ng và T là chu
kỳ sóng. N u có s li u ph sóng thì l y T ng v i đ nh năng lư ng, còn không thì l y T
ng v i chi u cao sóng ý nghĩa (xem Hallermeier, 1983). Trong GENESIS, DLT o đư c tính
v i m i bư c th i gian và là giá tr chung đ i di n cho c đư ng b ; nó thay đ i tuỳ thu c
vào đi u ki n sóng vì v y ph n ánh tính ch t bi n đ i theo mùa c a hình d ng và đ d c
m t c t.
Hình d ng và đ d c trung bình c a m t c t
Hình d ng m t c t trung bình c a Bruun (1954) và Dean (1977) đư c s d ng:
D = Ay 2/3 (2.7)
trong đó D là đ sâu, A là m t tham s kinh nghi m ph thu c vào đư ng kính h t cát
vùng g n b , d50 (Moore, 1982).
0,41(d50 )0,94 v i d50 < 0,4
0,23(d )0,32 v i 0,4 ≤ d < 10
50 50
M= (2.8)
0,28
v i 10,0 ≤ d50 < 40,0
0,23(d50 )
0,46(d50 )0,11 v i 40,0 ≤ d50
Trong đó đơn v tính: d50 (mm) và A (m1/3 )
Trư ng h p có nhi u m t c t th c đo trong vùng nghiên c u thì có th dùng Hình 2.1
đ xác đ nh m t giá tr d50 đ i di n, t đó tính ra A.
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 14
Hình 2.1: Đư ng cong đ xác đ nh đư ng kính trung bình
Tương ng v i giá tr tham s A và đ sâu l n nh t v n chuy n bùn cát DLT o [cho b i
P.T. (2.6)], đ d c trung bình c a m t c t cân b ng vùng g n b là:
A3
tan β = (2.9)
DLT o
Đ sâu gi i h n v n chuy n bùn cát Dc
Dc chính là đ sâu đó t i đó dư ng như không có s thay đ i đ cao đáy, và thư ng r t
khó xác đ nh trên th c t . M t khác, n u coi Dc là đ sâu gi i h n v n chuy n bùn cát
trong m t kho ng th i gian nh t đ nh như 1 năm thì có th dùng l i công th c (2.6) v i
chi u cao c a sóng ý nghĩa l n nh t, ch x y ra 12 gi trong c năm (nghĩa là t n su t
0,137% trong năm) (Hallermeier, 1983). Tuy v y c n so sánh gi a giá tr tính toán v i các
s li u th c đo, đ ng th i c n lưu ý r ng giá tr Dc có th thay đ i khu v c lân c n công
trình.
2.3 Tính toán sóng
Tài li u sóng xa b dùng cho mô hình có th là th c đo ho c tính toán, v i các bư c th i
gian c đ nh, thư ng t 6 đ n 24 gi . Chi u cao và hư ng sóng t i đi m đo (ho c tính)
ph i đư c di n toán đ n đi m sóng v trư c khi tính bi n đ i đư ng b .
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 15
H phương trình GENESIS bao g m 2 thành ph n: m t tính toán v n chuy n bùn cát
d c b và di n bi n đư ng b ; ph n kia tính toán chi u cao và hư ng sóng v t s li u
sóng ngoài khơi cho trư c. Thành ph n này là mô hình truy n sóng n i t i c a GENESIS,
khác v i m t mô hình truy n sóng “ngoài” có th l a ch n đ cung c p thêm thông tin
sóng g n b cho GENESIS.
Vi c l a ch n mô hình sóng nào ph thu c vào s lư ng, ch t lư ng tài li u sóng cũng
như đ ph c t p c a đ a hình g n b .
Trên (Hình 2.2a), mô hình truy n sóng n i t i đư c áp d ng cho vùng g n b , coi r ng
các đư ng đ ng m c g n như th ng và song song, các đ c trưng chi u cao và hư ng sóng
đư c tính t i các đi m trên lư i tính toán d c b , k t đ sâu tương ng v i các s li u
sóng ngoài khơi. N u áp d ng mô hình sóng “ngoài” (Hình 2.2b), quá trình truy n sóng s
xét đ n đ a hình đáy không đ u, k t đ sâu c a tài li u sóng ngoài khơi. K t qu tính
toán chi u cao và hư ng sóng t i các đi m d c b ( đó sóng chưa v cho trư c) đư c lưu
vào m t file làm đ u vào cho mô hình truy n sóng n i t i, đ tính ti p đ n đi m sóng v .
2.3.1 Mô hình truy n sóng n i t i
Sóng v
Tính toán quá trình truy n sóng t nư c sâu đ n đư ng tham chi u g n b ư c lư ng ban
đ u không xét đ n nh hư ng c a nhi u x sóng g n các v t c n, sau đó s ch nh c c b
tính đ n nhi u x c a t ng khu v c g n v t c n.
N u b qua nhi u x , bài toán truy n sóng s có 3 n s : chi u cao sóng, góc sóng t i
và đ cao sóng t i đi m sóng v . Chúng đư c tìm ra t h 3 phương trình: (2.10), (2.14),
và (2.11).
Phương trình (2.10) bi u th chi u cao sóng v sau khi b bi n đ i qua khúc x và nh
hư ng nư c nông.
H2 = KR KS Href (2.10)
trong đó:
H2 = chi u cao sóng v t i đi m b t kỳ d c b
KR = h s khúc x
KS = h s nh hư ng do nư c nông
Href = chi u cao sóng t i đ sâu tham kh o (ngoài khơi ho c g n b , tuỳ theo mô hình
sóng đư c lưa ch n)
H s khúc x sóng KR là m t hàm s c a góc t i (θ1 ) và góc tia khúc x (θ2 ) (t i đi m
sóng v P2 ) và đư c cho b i:
cos θ1
KR = (2.11)
cos θ2
H s nh hư ng nư c nông KS ph thu c vào chu kỳ sóng, đ sâu t i P1 (đi m đ u),
và đ sâu sóng v đư c cho b i:
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 16
Hình 2.2: S d ng các mô hình truy n sóng.
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 17
Cg 1
KS = (2.12)
Cg 2
trong đó Cg1 và Cg2 l n lư t là v n t c nhóm sóng các đi m P1 và P2 .
Cg ≡ C · n (2.13)
v i C = v n t c truy n sóng = L/T và L = chi u cao sóng t i đ sâu D
2πD/L
n = 0,5 1 +
sinh(2πD/L)
Chi u dài sóng đư c tính t phương trình phân tán:
2πD
L = Lo tanh
L
Trong GENESIS, phương trình trên đư c gi i b ng phương pháp x p x phân th c
(Hunt, 1979) so v i sai s 0,1%.
Phương trình sóng v gi i h n đ sâu là:
Hb = γDb (2.14)
Trong đó Db là đ sâu t i v trí sóng v và ch s sóng v γ là hàm s ph thu c đ
d c nư c sâu và đ d c trung bình c a bãi bi n (Smith và Kraus, ?).
Ho
γ =b−a (2.15)
L1
v i a = 5,00(1 − e−43 tan β ) và b = 1,12/(1 + e−60 tan β )
Góc t i c a sóng t i v trí v đư c tính d theo đ nh lu t Snel
sin θb sin θ1
= (2.16)
Lb L1
trong đó θb và Lb là góc t i và chi u dài sóng t i đi m sóng v còn θ1 và L1 t i v trí xa
b.
H phương trình (2.10), (2.14) và (2.16) đư c gi i theo phương pháp l p đ cho k t qu
Hb , Db và θb ng v i chi u cao, góc t i và chu kỳ sóng ngoài khơi cho trư c.
Góc sóng v θb tính đư c xét trong h to đ c đ nh. N u trong h to đ này, góc
phương v c a đư ng b là θs (xem hình 2.3), θs = arctan(∂y/∂x), thì góc sóng v dùng
đ tính lưu lư ng v n chuy n cát d c b là:
θbs = θb − θs (2.17)
Như v y n u θs = 0 thì sóng v vuông góc v i đư ng b . Góc θb trên Hình 2.3 đư c
quy ư c là dương.
Giá tr θb này s đư c s d ng đ tính v n chuy n cát d c b , n u như không có nhi u
x sóng do công trình mà ta s xét dư i đây.
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 18
Hình 2.3: Đ nh nghĩa v góc sóng v .
nh hư ng c a công trình đ n sóng v
Các công trình nhân t o (đ p phá sóng, đ p m hàn, jetty c a sông) đ u tác đ ng t i
sóng khi chúng chưa v ; các đ o mũi đ t t nhiêncũng đôi khi có tác đ ng tương t —ta
g i chung là công trình. S thay đ i các hình th sóng này d n đ n s thay đ i v n chuy n
bùn cát d c b . phía khu t c a công trình, đư ng đi vòng c a sóng nhi u x cùng v i
chi u cao sóng gi m đi làm cho dòng v n chuy n bùn cát hư ng vào phía khu t gây b i
l ng.
Hình 2.4 phác ho cách tính chi u cao và hư ng sóng v phía sau công trình (Kraus,
1981, 1982, 1984). Vùng tính toán đư c chia thành vùng đón sóng và vùng khu t l y ranh
gi i là tia sóng qua đ u công trình đư c kéo dài. Đ tính đư c chi u cao sóng v , c n xét
đ n nh hư ng c a nhi u x đ i v i ngay c vùng đón sóng. Đ tính góc t i c a sóng v
t i đi m P2 trong vùng khu t, c n gi thi t tia sóng xu t phát t P1 truy n theo m t góc
θ1 t i P2 .
Góc θ1 không th các đ nh trư c vì nó ph thu c vào đi u ki n sóng v , và đ đơn gi n
có th thay θ1 b ng θg là góc t o b i đư ng th ng P1 P2 .
Trong vùng nh hư ng b i nhi u x , chi u cao sóng v có xét đ n nh hư ng c a nhi u
x , khúc x , tán x nư c nông đư c cho b i:
Hb = KD (θD , Db )Hb (2.18)
V i KD = h s nhi u x
θD = góc gi a tia sóng t i P1 và tia n i P1 P2 n u như đi m P2 n m trong vùng khu t
sóng
Hb = góc sóng v trong cùng ô tính toán n u không xét nhi u x
Ba n s Hb , Db và θb đư c tính đ i v i m i đo n đư ng b , b ng cách gi i l p phương
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 19
Hình 2.4: Sơ đ tính sóng nhi u x .
trình (2.18) cùng v i các phương trình (2.14) và (2.16) như các hàm c a chi u cao, góc t i
c a sóng v và chu kỳ sóng.
Đ th và b ng tra nhi u x v i sóng đơn đã đư c thi t l p, nhưng chi u cao sóng
tra đư c thư ng nh hơn sóng ng u nhiên, trong th c t hư ng sóng bi n thiên trong m t
ph m vi. Đ gi i quy t bài toán th c t v i sóng ng u nhiên này GENESIS s d ng phương
pháp đ xu t b i Goda và nnk (1978). Cách áp d ng phương pháp này trong GENESIS
ch đúng v i các công trình ng n (Kraus, 1988a).
Hi u ch nh đư ng đ ng m c
S phân b không đ u c a v n chuy n bùn cát d c b d n đ n thay đ i đ a hình đáy bi n
và ngư c l i; s thay đ i này làm nh hư ng đ n khúc x sóng. Trong ph m vi mô hình
n i t i c a GENESIS, s tương tác nói trên đư c bi u di n trên hai khía c nh. Th nh t,
s thay đ i v trí đư ng b làm góc θ1 thay đ i (Hình 2.5). Th hai, hình d ng đư ng b
lân c n công trình b bi n d ng cũng gây nh hư ng cho các đư ng đ ng m c đáy bi n
bi n d ng tương t .
M t h th ng to đ đ a phương ch y theo đư ng đ ng m c v i h tr c to đ (x ,y )
trong Hình 2.5. H tr c này đư c xoay m t góc θs chính là hư ng c a đư ng b t i đi m
P3 : θs = arctan(∂y/∂x).
Trong h tr c m i, m t góc θ s có giá tr θ trong h tr c to đ c đ nh ban đ u sao
cho θ = θ + θs .
Theo quy ư c này, ta có th vi t l i phương trình khúc x (2.16) cùng h s khúc x
[bi u th c (2.11)] v i các góc θ(.) trong h to đ m i. Sau khi tính đư c θb ta c n chuy n
v h to đ c đ nh đ tính v n chuy n bùn cát d c b theo phương trình (2.2). Như v y
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 20
Hình 2.5: Góc t i sóng có tính đ n bi n đ i đư ng đ ng m c.
trong vùng khu t chi u cao sóng v đư c tính b i:
Hb = KD (θD , Db )KR (θ1 , Db )Hb (2.19)
Trong đó: KR = h s khúc x trong h to đ xoay.
Phương pháp tính “hi u ch nh đư ng đ ng m c” này đư c t đ ng dùng trong mô hình
tính sóng n i t i c a GENESIS và cho k t qu góc sóng v g n v i th c t hơn (Kraus,
1983; Kraus và Harikai, 1983).
Truy n sóng xuyên qua đ p phá sóng
Khi thi t k đ p phá sóng, m t trong các y u t c n tính đ n t ng các mô hình toán là s
truy n sóng xuyên qua công trình ( đây bao hàm nghĩa sóng xuyên qua và vư t qua đ nh
công trình). Tính đư c sóng xuyên qua công trình giúp ta đưa ra gi i pháp kinh t hơn
đ i v i các công trình đ nh th p ho c có các khe r ng. GENESIS phiên b n 2 đã đư c áp
d ng tính kh năng truy n sóng cho dãy m hàn t i Louisiana, Hoa Kỳ (Hanson, Kraus,
và Nakashima, 1989).
Đ mô t truy n sóng xuyên trong mô hình m t h s truy n qua KT đư c ch đ nh
đ i v i m i đê ch n sóng. H s truy n qua là t s gi a chi u cao sóng ngay sau đê ch n
sóng v i chi u cao sóng ngay trư c đê ch n sóng, n m trong kho ng 0 ≤ KT ≤ 1, trong đó
giá tr 0 tương ng v i sóng không truy n qua và giá tr 1 tương ng v i sóng truy n qua
hoàn toàn.
Tính toán trong GENESIS đư c th c hi n theo các tiêu chí sau:
• N u KT → 0, tính toán sóng nhi u x gi ng như lý thuy t đ i v i nhi u x sau đ p
li n kh i cao vô t n.
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 21
Hình 2.6: S bi n đ i đư ng b ph thu c vào h s truy n sóng.
• N u hai ô năng lư ng sóng có cùng giá tr KT , s không x y ra nhi u x sóng (chi u
cao sóng đ ng nh t t i biên).
• T i biên gi i c a các ô năng lư ng có KT khác nhau năng lư ng sóng s đư c truy n
t ô có sóng l n sang ô có sóng nh . Năng lư ng sóng đư c truy n t l v i t s gi a
hai giá tr KT .
Tóm l i bi u th c cho h s truy n sóng xuyên qua đê ch n sóng có d ng:
KD + RKT (1 − KD ) v i θD > 0
KDT = KD − RKT (KD − 0,5) (2.20)
v i θD = 0
KD (1 − RKT ) v i θD < 0
Trong đó RKT là t s c a h s sóng truy n nh chia cho h s sóng truy n l n c a
hai đê ch n sóng.
Hình 2.6 là ví d tính toán bi n đ i đư ng b v i th i gian 180 gi trong đi u ki n sóng
H = 1,5 m và T = 6 s truy n vuông góc v i b , đê ch n sóng dài 200 m và cách b 250 m.
Rõ ràng là v i KT càng nh thì ph n b i l ng càng vươn xa.
Đư ng đ ng m c ngoài khơi đi n hình
M t gi thi t cơ b n trong mô hình bi n đ i đư ng b là m t c t ngang chuy n đ ng t nh
ti n; cũng có nghĩa là các đư ng đ ng m c ngoài khơi luôn di chuy n song song v i đư ng
b . Tuy v y n u áp d ng tr c ti p gi thi t này cho mô hình sóng n i t i thì s hình thành
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 22
Hình 2.7: Ví d v đư ng đ ng m c đi n hình.
nên khu v c có đư ng b bi n đ i đ t ng t, d n đ n m t n đ nh trong mô hình toán. Đ
kh c ph c h n ch này, GENESIS cho phép l a ch n làm trơn đư ng đ ng m c (Hình 2.7)
t đó mô ph ng t t hơn đ a hình ngoài khơi. Ph m vi đư ng đ ng m c đi n hình đ n t n
đ sâu sóng v , và vi c làm trơn đư ng đ ng m c trong th i gian tính toán là m i tháng
m t l n.
2.3.2 Mô hình truy n sóng “ngoài”: RCPWAVE
Các đư ng đ ng m c đáy bi n trên th c t thư ng không th ng và song song. Trong nh ng
trư ng h p này, tính toán sóng c n th c hi n trên đ a hình đáy bi n th c đo. Mô hình
truy n sóng RCPWAVE (Ebersole, 1985; Ebersole và nnk., 1986) có m t s ưu đi m sau:
• Tr c ti p cho k t qu chi u cao và góc sóng t i trên lư i tính toán;
• Hi u qu , cho phép mô ph ng m t vùng r ng;
• Bao g m c các tác đ ng phân tán sóng gây ra b i đáy bi n, cho phép mô ph ng
th c t hơn so v i khúc x đơn thu n;
• Tính n đ nh đã đư c ki m ch ng.
Hình 2.8 cho th y v trí c a RCPWAVE trong s k t h p v i GENESIS, trong đó RCP-
WAVE cung c p chi u cao và hư ng sóng t i đư ng tham chi u g n b , t đó GENESIS
s d ng mô hình n i t i đ tính truy n sóng đ n đư ng sóng v .
Th i kho ng tính toán trong mô hình bi n đ i đư ng b thư ng là c vài năm v i
ph m vi không gian c a vùng mô ph ng c vài km, tương đương hàng trăm đo n lư i. Vì
bư c th i gian mô ph ng thư ng là 6, 12, 24 h, c n ph i tính truy n sóng hàng nghìn l n.
RCPWAVE là mô hình hai chi u, th i gian ch y s r t lâu so v i GENESIS là mô hình m t
chi u. Hơn n a n u xét đ n th c t là s li u sóng nh p vào thư ng không có ho c có đ
chính xác không cao thì vi c ch y RCPWAVE cho m i bư c th i gian cùng v i GENESIS
là m t s thi u h p lý.
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 23
Hình 2.8: Sơ đ tính toán k t h p GENESIS và RCPWAVE.
Thay vào đó, m t k thu t tính toán t t hơn là chia đi u ki n sóng ngoài khơi thành
nh ng kho ng chu kỳ và hư ng khác nhau (Kraus và nnk., 1988). Th i kho ng chia đ i
v i chu kỳ sóng là 1 s và hư ng sóng t i là 11,25◦ ho c 22,5◦ . B ng cách này ta có kho ng
t 50 đ n 100 kho ng chu kỳ sóng và các l n tính toán đ u s d ng chi u cao sóng đơn v
đ tình ra các “h s truy n sóng” d c theo đư ng tham chi u g n b . Sau đó chi u cao
sóng t i đư ng tham chi u này đư c tính b ng cách nhân “h s truy n sóng” v i chi u
cao sóng ngoài khơi có tài li u.
2.3.3 Gi i h n đ d c sóng ngoài nư c sâu
S li u sóng ngoài khơi có th thay đ i trong trư ng h p ta mu n phân tích đ nh y, ki m
tra v i nh ng trư ng h p c c h n nh t. Nhìn chung chi u cao sóng có th tăng lên, nhưng
n u không c n th n có th s t o ra sóng có đ d c quá l n, phi th c t . GENESIS th c
hi n ki m tra xem đ d c sóng ngoài khơi làm s li u đ u vào có th a mãn đi u ki n
(Mitchell, 1893) hay không
Ho
= 0,142 (2.21)
Lo
N u đ d c sóng tính đư c vư t quá 0,142 thì chi u cao sóng nư c sâu s gi m b t đ
tho mãn bi u th c (2.21) và gi nguyên chu kỳ sóng. Máy s thông báo trong trư ng h p
này.
- CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 24
2.3.4 Ô năng lư ng sóng
Khái ni m “ô năng lư ng sóng” đóng vai trò trung tâm và chi ph i c u trúc chương trình
GENESIS. Nó cho phép mô t đi u ki n sóng v d c b và lư ng v n chuy n bùn cát d c
b trong nhi u hình th c b trí công trình khác nhau.
Ô năng lư ng
M t ô năng lư ng là ph n di n tích sát b bi n, đón sóng t phía ngoài khơi. V nguyên
t c, ô năng lư ng đư c xác đ nh b i hai đư ng biên nh m h n ch sóng truy n đ n bãi
bi n đư c xét đ n. Các ô năng lư ng này đư c phân cách b i các đ p m hàn, jetty dài,
các đê ch n sóng không cho sóng xuyên qua (theo nghĩa M c 2.3.1), và đ u các đê ch n
sóng cho sóng xuyên qua. Năng lư ng sóng t i ph i đi qua m t trong các c a s này đ
t i m t đ a đi m trên vùng g n b . M t v trí có th (và cũng thư ng) đón sóng t vài ô
năng lư ng khác nhau.
Vùng tính toán v n chuy n cát
Mô hình GENESIS hi n t i gi thi t các công trình g n bó (kè m hàn, jetty và đê ch n
sóng g n b ) không cho năng lư ng sóng truy n qua. T đ c đi m này cùng v i khái ni m
ô năng lư ng, vùng b đư c chia thành các “vùng tính toán v n chuy n cát”. M i vùng này
đư c gi i h n b i các công trình g n v i b gây nhi u x sóng ho c là m t biên mô hình.
GENESIS s gi i phương trình bi n đ i đư ng b cho t ng vùng, tr trư ng h p trao đ i
cát vư t qua ranh gi i các vùng như hi n tư ng v n chuy n cát vòng qua đ u đ p m hàn.
Ví d
Hình 2.9 minh ho m t h th ng các ô năng lư ng và vùng v n chuy n cát. Ta quy ư c
các hình vòng cung cho đ u các công trình (đ p ch n sóng, m hàn) có x y ra nhi u x ;
và các công trình cho sóng truy n qua. Trên hình có 5 ô năng lư ng kí hi u E1-E5 và 6
công trình ký hi u S1-S6.
E1 là ô năng lư ng ch n b i phương trình phía tay ph i và có biên h phía tay trái.
Sóng ti n vào ô E1 s nhi u x t i đ u trái c a đ p S1. M i sóng đi qua ô E1 không th
nh hư ng đ n vùng k t bên tay ph i S3.
S1 là đê ch n sóng xa b có c hai b gây nhi u x ; đ u trái đ nh v cho biên ph i c a
ô E1 và đ u ph i đ nh v biên trái c a ô E2. Đ p S1 này không cho sóng truy n qua và do
đó b n thân không ph i là m t ô năng lư ng (so sánh v i S5).
S2 m t đ p m hàn ng n, không xác đ nh m t ô năng lư ng nào do đó nó không gây
nhi u x . S2 cũng không xác đ nh m t biên v n chuy n bùn cát nào mà ch đơn gi n n m
trong vùng v n chuy n bùn cát kéo dài t biên trái sang đ n phía trái c a đ p S3.
E2 ô này đư c bao b i các công trình nhi u x S1 và S3. Sóng truy n qua E2 có th
t i t n biên trái h th ng nhưng l i không th truy n qua S3. V y E2 n m cùng v i ô E1
trong cùng m t vùng v n chuy n cát.
nguon tai.lieu . vn
