Phân tích các phương pháp tính tải trọng sóng lên đê chắn sóng dạng tường đứng

76
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TẢI TRỌNG SÓNG 
LÊN ĐÊ CHẮN SÓNG DẠNG TƯỜNG ĐỨNG
 Nguyễn Iêng Vũ *, Nguyễn Thế Duy**
TÓM TẮT
Áp lực sóng không vỡ lên tường đứng được tính toán theo các phương pháp từ đơn giản 
đến phức: theo lý thuyết sóng tuyến tính, các phương pháp theo lý thuyết sóng phi tuyến (Sainflou, 
Miche – Rundgren), phương pháp tính theo tiêu chuẩn ngành 22TCN 222-95 của Việt Nam, tiêu 
chuẩn kỹ thuật Công trình cảng Nhật Bản, phương pháp dựa trên lời giải bậc bốn của phương trình 
Laplace (Goda và Kakikazi) và lời giải của phương trình Navier Stokes (Duy) được sử dụng để tăng 
độ chính xác cho các giá trị tính toán. Kết quả tính toán được kiểm định với số liệu thực nghiệm của 
Goda và Kakikazi (1966). Kết quả cho thấy, các phương pháp của Goda và Kakikazi (1966), Duy 
(1996) và 22TCN 222-95 cho kết quả khá tốt so với số liệu thực nghiệm.
Từ khóa: tải trọng sóng, đê chắn sóng dạng tường đứng, tiêu chuẩn ngành22TCN222-95, 
Goda and Kakikazi
ANALYSING METHODS OF CALCULATING THE WAVE LOADS 
ON VERTICAL WALL BREAKWATER FORM
ABSTRACT
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: linear wave theory, the methods according 
to the non-linear wave theory (Sainflou, Miche – Rundgren), the method in 22TCN 222-95 standard, 
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.
 Key Wrord: wave load, vertical wall breakwater, 22TCN222-95 standard, Goda and Kakikazi
Kỹ thuật – Công nghệ
* Viện Vật lý thành phố Hồ Chí Minh. Email: vu237@yahoo.com 
** Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.
77
I. GIỚI THIỆU
Tải trọng sóng là yếu tố rất quan trọng 
trong xây dựng công trình biển, nó là yếu tố 
quan trọng quyết định sự bền vững và tuổi thọ 
của công trình. Tải trọng thường được xác định 
theo 2 cách: theo hình thức kết cấu chịu lực tác 
động và theo hình thức tác động của sóng đối 
với kết cấu. Theo hình thức kết cấu chịu lực 
tác động gồm có: kết cấu công trình trên nền 
cọc, kết cấu công trình dạng tường và kết cấu 
công trình dạng đá đổ. Theo hình thức tác động 
của sóng tác động lên công trình: sóng không 
vỡ (non-breaking waves), sóng vỡ (breaking 
waves), sóng đã vỡ (broken waves).
Nghiên cứu này trình bày các phương 
pháp tính tải trọng sóng không vỡ lên đê 
chắn sóng dạng tường đứng. Các kết quả tính 
toán sẽ được so sánh với số liệu thực nghiệm 
để từ đó đề xuất phương pháp tính toán tải 
trọng sóng cho kết quả đúng nhất.
II. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH 
TOÁN TẢI TRỌNG SÓNG LÊN TƯỜNG 
ĐỨNG
1. Lý thuyết sóng tuyến tính
Khi độ cao sóng tương đối nhỏ (H/h << 
1 và H/L << 1), lý thuyết sóng biên độ nhỏ 
có thể áp dụng để phân tích phân bố áp lực 
sóng [2]:
trong đó: H – chiều cao sóng tới, k – số sóng 
(k = 2π/L, L – chiều dài sóng), ω – tần số góc 
(ω = 2π/T, T – chu kỳ sóng ), c – vận tốc sóng, 
t – thời gian, d – chiều sâu nước trước tường, x, 
z – tọa độ theo phương ngang và phương đứng.
2. Phương pháp Sainflou
Sainflou (1928) đã dựa trên lý thuyết 
sóng trocoide ở nước cạn để tính tải trọng 
sóng lên công trình đối với sóng có dao động 
lớn [4, 6]:
2 2
2 2
0
0
0
sin
{sinh ( ) sinh ( )}
sinh 2
cosh ( )cosh ( )
1
cosh cosh
p kH t
z k d k d z
g kd
k dk d z
kd kd
ω η
r
η
η
= − + + − +
++ + + − 
 
 (1)
0 0
0 0
cosh ( ) sinh ( )
cos cos
cosh sinh
k h z k h zp
z H kx t
g kh kh
ω
r
+ + = − + −  
 (2)
3. Phương pháp Miche-Rundgren
Phương pháp Sainflou (1928) cho kết quả 
tính tải trọng sóng lên tường đứng khá tốt đối 
với sóng có độ dốc thấp, nhưng khi áp dụng 
cho sóng có độ dốc lớn thì kết quả sai lệch 
khá nhiều (được Rundgren kiểm định bằng thí 
nghiệm năm 1958). Năm 1944, Miche đã sử 
dụng lý thuyết sóng bậc cao hơn để cái tiến 
phương pháp của Sainflou. Sau đó, phương 
pháp này tiếp tục được Rundgren cải tiến vào 
năm 1958 [1].
Khi đỉnh sóng xuất hiện ngay trước tường, 
tải trọng tăng lên từ 0 ở mặt thoáng cho tới 
γ + Id p ở đáy, trong đó pI được tính như sau: 
γχ+
=
1
2 cosh( )
i
I
H
p
kd
 (3)
Phân tích các . . .
78
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Khi chân sóng xuất hiện ngay trước tường, tải 
trọng tăng lên từ 0 ở mặt thoáng cho tới γ − Id p 
ở đáy. Độ lớn xấp xỉ của tải trọng sóng có thể 
được xác định nếu áp suất được giả sử tăng 
tuyến tính từ mặt thoáng xuống đáy. Tuy nhiên, 
xấp xỉ này có thể sai số lớn khi độ dốc sóng gần 
đạt đến giới hạn vỡ của sóng.
4. Tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 222-95
Tiêu chuẩn ngành 22 TCN 222-95 là tiêu 
chuẩn hướng dẫn tính toán tải trọng và tác 
động (do sóng và do tàu) lên công trình thủy 
ở Việt Nam [7].
Bảng 1: Vị trí và tải trọng tương ứng do sóng đứng tác động lên tường đứng
Khi chịu đỉnh sóng Khi chịu chân sóng
Độ sâu z Giá trị áp lực sóng Độ sâu z Giá trị áp lực sóng
cη−
0
0.25d
0.5d
d
1 0p =
2 2p k Hγ=
3 3p k Hγ=
4 4p k Hγ=
5 5p k Hγ=
0
tη
0.5d
d
6 0p =
7 tp γη= −
8 8p k Hγ= −
9 9p k Hγ= − 
5. Tiêu chuẩn kỹ thuật Công trình cảng 
Nhật Bản (TCNB)
Khi đỉnh sóng xuất hiện ngay trước tường, 
áp lực sóng phân bố tuyến tính với giá trị cực 
đại p
1
 ở mực nước tĩnh, bằng 0 ở chiều cao *η 
bên trên mực nước tĩnh và p
2
 ở đáy biển, áp 
lực sóng từ đáy tới đỉnh của tường thẳng đứng 
được tính như sau [3]:
Vị trí đỉnh sóng tiếp cận công trình:
*
10.75(1 cos ) DHη b l= + (4)
Tại mực nước tĩnh, z = 0, áp lực sóng lớn nhất tác động lên công trình:
2
1 1 1 2 20.5(1 cos )( cos ) w Dp a gHb a l l b r= + + + (5) 
Tại đáy biển, z = -d :
 12 cosh
p
p
kd
=
 (6)
Tại đáy công trình hay đỉnh đệm đá, z = h’: 3 3 1p pa= (7)
trong đó: H
D
 – chiều cao sóng tính toán, 
b – góc giữa đường pháp tuyến với tường 
đứng và hướng tới của sóng, l
1
, l
2
, l
3
,
α
1
, 
α
2
,
α
3
 – các hệ số hiệu chỉnh. 
Khi chân sóng xuất hiện ngay trước 
tường, áp lực sóng bằng 0 ở mức nước 
tĩnh và có một giá trị không đổi p
n
 từ một 
chiều sâu 0.5H
D
 dưới mực nước tĩnh cho 
tới chân tường. 
γ= 0.5n Dp H (8)
6. Phương pháp dựa trên lời giải bậc cao 
của phương trình Laplace (Goda và Kakizaki)
Năm 1960, Tadjbaksh và Keller đã giải 
bài toán giá trị biên theo phương trình Laplace 
với xấp xỉ bậc ba. Đến năm 1966, Goda và 
Kakizaki mở rộng lên thành lời giải bậc bốn 
79
cho kết quả áp lực sóng như sau [8]:
3 4
(0) 2 (1) (2) (3)( , , )
2 6
ε εε ε= − + + + +p x y t y p p p p (9)
7. Phương pháp dựa trên lời giải phương 
trình Navier – Stokes
Năm 1996, Nguyễn Thế Duy đã tính được 
phân bố áp lực của sóng đứng lên tường đứng 
bằng cách giải hệ phương trình bảo toàn về 
khối lượng và động lượng của Navier-Stokes 
trên lưới so le bằng phương pháp sai phân hữu 
hạn [5].
Các phương trình chủ đạo từ được biến đổi trong miền tính toán như sau:
0x z
u u wη η
ξ η η
∂ ∂ ∂
+ + =
∂ ∂ ∂
 (10)
( )
2 2
2 2 2
2 2
2 2
( ) 1
2
t x z x
x x
x x z x
u u u u uw P P
u u u u
v
η η η η
τ η ξ η η r ξ η
η η
η η η η
ξ ξ η η ξ η η
 ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
+ + + + = − + ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ 
  ∂ ∂∂ ∂ ∂ ∂
+ + + + + +  ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂  
 (11)
( )
2
2 2 2
2 2
2 2
( )
2
z
t x z
x x
x x z x
w w uw uw w Pg
w w w w
v
ηη η η
τ η ξ η η r η
η η
η η η η
ξ ξ η η ξ η η
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
+ + + + = − −
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
  ∂ ∂∂ ∂ ∂ ∂
+ + + + + +  ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂  
 (12)
III. CÁC TRƯỜNG HỢP TÍNH TOÁN
Các phương pháp trên được tính toán 
với các trường hợp cụ thể theo số liệu thực 
nghiệm của Goda và Kakizaki (1966) được 
trình bày trong bảng 1.
Bảng 1: Thông số thí nghiệm tải trọng sóng của Goda và Kakizaki (1966) [8]
Trường hợp s d (cm) H (cm) T (s)
TH1 0 70 17.1 2.31
TH2 0 70 26.4 2.33
TH3 0 70 14.4 2.86
TH4 0 70 263 2.88
TH5 0 70 37.6 2.33
(với: s – độ dốc đáy, d – chiều sâu nước, H – độ cao sóng, T – chu kỳ sóng)
Phân tích các . . .
80
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
IV. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
1. Kết quả tính toán theo các trường hợp
Hình 1: 
Phân bố áp lực sóng lên tường đứng trong TH1
Hình 2: 
Phân bố áp lực sóng lên tường đứng trong TH2
Hình 5: 
Phân bố áp lực sóng lên 
tường đứng trong TH5
Hình 4: 
Phân bố áp lực sóng lên tường đứng trong TH4
Hình 3: 
Phân bố áp lực sóng lên tường đứng trong TH3 
81
2. Độ lệch của giá trị áp lực sóng tính toán so với thí nghiệm
Bảng 2 trình bày giá trị của độ dốc sóng H/L và giá trị tiêu chuẩn cho sóng bể vỡ (H/L)
b
theo các trường hợp, trong đó giá trị (H/L)
b
 được tính theo công thức của Miche (1944) như sau:
 0.14 tanh( )
b
H
kd
L
  = 
 
 (13)
Phân tích các . . .
82
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Bảng 2: Độ dốc sóng theo các trường hợp thí nghiệm
TH1 TH2 TH3 TH4 TH5
H/L 0.031 0.047 0.020 0.037 0.067
(H/L)
b
0.093 0.092 0.077 0.077 0.092
Từ các kết quả trên, ta thấy rằng giá trị 
H/L có ảnh hưởng quan trọng trong việc chọn 
phương pháp tính toán áp lực sóng lên tường 
đứng. Nếu H/L nhỏ hơn 0.4(H/L)
b
 các phương 
pháp Duy, Goda và Kakizaki, 22TCN 222-95 
cho kết quả tính toán áp lực sóng lên tường 
đứng tốt hơn các phương pháp còn lại. Còn 
nếu H/L lớn hơn 0.4(H/L)
b
 ta sử dụng các 
phương pháp Duy, Goda và Kakizaki sẽ cho 
ra kết quả tính toán tải trọng sóng lên tường 
đứng tốt nhất. Điều này được thể hiện trong 
bảng 3.
Bảng 3: Điều kiện sử dụng các phương pháp tính áp lực sóng
Tỉ số H/L và (H/L)
b
Phương pháp tính toán
< 0.4
Duy
Goda và Kakizaki
22TCN 222-95
> 0.4
Duy
Goda và Kakizaki
V. KẾT LUẬN
Kết quả tính toán và so sánh các phương 
pháp tính toán tải trọng sóng không vỡ tác 
động lên đê chắn sóng dạng tường đứng cho 
thấy độ chính xác của các phương pháp rất 
chênh lệch. Do đó, cần phải chọn phương 
pháp tính phù hợp trong từng điều kiện cụ 
thể để có kết quả tính toán tốt nhất. Các 
phương pháp được đề xuất dùng để tính 
toán tải trọng sóng không vỡ tác động lên 
đê chắn sóng dạng tường đứng được trình 
bày trong bảng 3.
83
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 và Thềm lục địa Việt Nam (2004). Tiêu chuẩn Kỹ thuật và Chú giải đối với 
các công trình Nhật Bản.
[4] Kyoshi Horikawa (1978). Coastal Engineering. University of Tokyo Press.
[5] Nguyen The Duy (1996). A Tubulent Flow and Sand Suspension Model in the Surf Zone. Ph.D. 
Dissertation, Dept. Civil Engineering, Yokohama Nation University.
[6] Trần Minh Quang (2006). Công trình biển. NXB Giao thông vận tải.
[7] Tiêu chuẩn ngành 22TCN 222-95 (1995). Tải trọng và tác động (do sóng và tàu) lên công trình thủy.
[8] 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.
Phân tích các . . .
Lễ kỷ niệm 15 năm thành lập trường và khai giảng năm học mới.