GIÁO TRÌNH LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH THỦY LỢI pdf

GIÁO TRÌNH

LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG
TRÌNH THỦY LỢI

CH NG 2ƯƠ
L C TÁC D NG LÊN CÔNG TRÌNH TH Y L IỰ Ụ Ủ Ợ

GVC. ThS- Ph m Quang Thi nạ ề

§2.1. CÁC LO I T I TR NG VÀ T H P C A CHÚNGẠ Ả Ọ Ổ Ợ Ủ
I. Phân lo i t i tr ngạ ả ọ
1. T i tr ng th ng xuyên:ả ọ ườ Tr ng l ng b n thân và các thi t b c ọ ượ ả ế ị ố
đ nh.ị
2. T i tr ng t m th i:ả ọ ạ ờ
a) T i tr ng t m th i dài h n:ả ọ ạ ờ ạ
- Áp l c n c: Tĩnh, đ ng, th m trong và ngoài b m t ng v i MN ự ướ ộ ấ ề ặ ứ ớ
≤ MNL và các đi u ki n khác bình th ng ề ệ ườ
- Tr ng l ng và áp l c bên c a đ t, đá.ọ ượ ự ủ ấ
- T i tr ng do ng su t tr c gây ra.ả ọ ứ ấ ướ
- Áp l c đ t phát sinh do bi n d ng c a n n ho c CT.ự ấ ế ạ ủ ề ặ
- Áp l c bùn cát.ự

§2.1 CÁC LO I T I TR NG VÀ T H P C A CHÚNGẠ Ả Ọ Ổ Ợ Ủ
- T i tr ng gây ra do áp l c d c a k r ng trong đ t bão hoà n c ả ọ ự ư ủ ẽ ỗ ấ ướ
khi đ t ch a c k t hoàn toàn.ấ ư ố ế
- Tác đ ng nhi t.ộ ệ

- Áp l c sóng v i gió Wbqmax nhi u năm.ự ớ ề
- T i tr ng gió.ả ọ
- T i tr ng trong ng khi MNTL ả ọ ố ≤ MNDBT.
b) T i tr ng t m th i ng n h n:ả ọ ạ ờ ắ ạ
- T i tr ng do t u, thuy n, bè gây ra.ả ọ ầ ề
- T i tr ng do các thi t b v n chuy n, nâng đ đ t trên công trình.ả ọ ế ị ậ ể ỡ ặ
- Áp l c n c va khi khai thác bình th ng.ự ướ ườ
c) T i tr ng t m th i đ c bi t:ả ọ ạ ờ ặ ệ
- Áp l c th m, áp l c n c.ự ấ ự ướ

§2.1. CÁC LO I T I TR NG VÀ T H P C A CHÚNGẠ Ả Ọ Ổ Ợ Ủ
- T i tr ng do áp l c k r ng gây ra khi đ t ch a c k t hoàn toàn; ả ọ ự ẽ ỗ ấ ư ố ế
ng v i MNLKT và thi t b ch ng th m ho c thoát n c làm vi c ứ ớ ế ị ố ấ ặ ướ ệ
không bình th ng.ườ
- Áp l c sóng do gió có Wmax. ự
- Áp l c n c va khi đ t ng t c t t i hoàn toàn.ự ướ ộ ộ ắ ả
- T i tr ng do đ ng đ t, ho c mìn n .ả ọ ộ ấ ặ ổ
- Áp l c phát sinh do m c n c rút đ t ng t.ự ự ướ ộ ộ
II. T h p t i tr ng: ổ ợ ả ọ có 2 lo iạ
1. T h p t i tr ng c b n:ổ ợ ả ọ ơ ả
T h p t i tr ng là t p h p các t i tr ng và tác đ ng th ng xuyên, t m ổ ợ ả ọ ậ ợ ả ọ ộ ườ ạ
th i dài h n, t m th i ng n h n đ ng th i có th tác d ng lên công ờ ạ ạ ờ ắ ạ ồ ờ ể ụ
trình.

§2.1. CÁC LO I T I TR NG VÀ T H P C A CHÚNGẠ Ả Ọ Ổ Ợ Ủ
2. T h p t i tr ng đ c bi t: ổ ợ ả ọ ặ ệ
G m các t i tr ng và tác đ ng th ng xuyên, t m th i dài h n, t m ồ ả ọ ộ ườ ạ ờ ạ ạ
th i ng n h n, m t ho c hai t i tr ng tác đ ng t m th i đ c bi t ờ ắ ạ ộ ặ ả ọ ộ ạ ờ ặ ệ
đ ng th i có th tác đ ng lên công trình.ồ ờ ể ộ
M t ho c hai t i tr ng t m th i đ c bi t đ c hi u là thay th t i ộ ặ ả ọ ạ ờ ặ ệ ượ ể ế ả

tr ng t ng ng ho c thêm vào.ọ ươ ứ ặ
- Trong thi t k ph i tính đ n nhi u t h p trong hai lo i t h p trên.ế ế ả ế ề ổ ợ ạ ổ ợ
- Vi c phân lo i có ý nghĩa kinh t , kinh t k thu t th hi n qua các ệ ạ ế ế ỹ ậ ể ệ
h s : h s t h p t i tr ng; các h s an toàn v i 2 t h p là khác ệ ố ệ ố ổ ợ ả ọ ệ ố ớ ổ ợ
nhau.

Đ2.2. P L C TH Y TNH V TH Y NG
I. p lc thy tnh
G
W
W
W
W
W
W
W
4
3
1
b
2
t
đn
a
b
c
c' b'
a'
H

H
h
b
2
2


H ình 3-1: Sơ đồ áp lực n ớc, bùn cát và đẩy ng ợc
- Cú thng ng v nm ngang; cú thng l u v h l u (h ỡnh 3.1).
- Ngoi ra cũn ỏp lc thy tnh ỏy W
a
cựng ỏp lc thm W
t
.

§2.2. ÁP L C TH Y TĨNH VÀ TH Y Đ NGỰ Ủ Ủ Ộ
II. Áp lực thủy động
- Do nước chảy tác động vào các kết cấu chắn nước, bao nước (mố trụ,
tường tiêu năng, mặt tràn )
- Ngoài ra còn có áp lực mạch động tác dụng lên bề mặt nước chảy qua.
- Thường thì áp lực thủy động: P =
Pd
+ P
m
(3-1)
Áp lực thủy động trung bình thời gian
Pd
tính theo:

d

p

2
p n
v
C
2g
= γ
(3-2)

Áp lực mạch động P
m
tính theo
:
2
m n
v
p k
2g
= γ (3-3)

C
p
: hệ số áp lực, K hệ số mạch động.

§2.2. ÁP L C TH Y TĨNH VÀ TH Y Đ NGỰ Ủ Ủ Ộ
- Áp lực thủy động tác dụng theo ph ng dươ òng chảy vào mặt vật chắn
theo :
2
d n n

V
p K F ,
2g
= γ
(3-4)
Trong đó: F- diện tích chịu áp chiếu lên ph ng vuông góc vươ ới dòng chảy.
V- l u tư ốc trung bình phần dòng chảy tác động vào mặc chắn.
K- hệ số động lực lấy bằng 1,2 ÷ 1,3
n- hệ số hình dạng vật chắn s bơ ộ chọn 1,2

§2.3. TÁC Đ NG C A SÓNGỘ Ủ
I. Các thông số của sóng và xác định
* Các thông số của sóng.
- Khi gió thổi liên tục, mặt hồ có sóng. Sóng gặp công trình gây ra áp
lực sóng.
- Các thông số: Chiều cao sóng h, chu kỳ sóng
τ
, chiều dài sóng (bước
sóng)
λ
(hình 3-2); chiều cao từ đỉnh sóng đến mực nước tĩnh:
η
s
; Chiều sâu
từ mực nước tĩnh đến chân sóng:
η
ch
.
§Ønh sãng
ChiÒu cao sãng h

Møc n íc tÜnh$
§ êng trung b×nh sãng$
Ch©n sãng
buíc sãng
λ
η
η
h
h/2
h/2
h
s
ch
O

H ×nh 3-2: C¸c th«ng sè cña sãng.


§3.3. TÁC Đ NG C A SÓNGỘ Ủ
- Có sóng nước nông (0,5 λ > H > H
gh
= (1,25 ÷ 1,8)hp%), sóng nước
sâu (H>0,5λ).
- Các đặc tr ng cư ủa sóng phụ thuộc vào: tốcđộ gió (W), thời gian gió
thổi liên tục (τ); độ sâu mực nước trước đập (H), chiều dài gió thổi (D).
Chiều dài gió thổi là khoảng cách liên tục lớn nhất từ bờ đến công trình
theo ph ng gươ ió thổi ở mực nước tính toán (s bơ ộ có thể lấy D = 5 L
đập
).
1. Các thông số của sóng nước sâu

a) Các thông số của sóng trung bình:
Từ
2
W
gD
tra đồ thị (3-6) theo đường bao có cặp 1:
2
W
hg
và
W
τ
g

Từ
W
gt
tra ra cặp 2:
2
W
hg
,
W
τ
g


§2.3 TÁC Đ NG C A SÓNGỘ Ủ
Chọn cặp bé h n trong 2 cơ ặp trên. Từ đó có:

h
= (
2
W
hg
).
g
2
W
.
π
τ
λ
τ
τ
2
.
2
g
g
W
W
g
=









=

b) Các thông số ứng với P%:
h
i
= K
i
.
h
;
λ
=
λ
,
τ
=
τ

Với K
i
tra theo hình (3.5) theo (P,
2
W
gD
)

§2.3. TÁC Đ NG C A SÓNGỘ Ủ
O 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

O 2000 4000 6000 8000 10000 12000
gD/V
gH/V
1,5
2,0
2,5
3,0
Ki=hi/h
-
i=
0,1%
1%
2%
5%
13%
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006

0,007
0,008
0,009
0,010
0.3 4 5 6 8
1
2 3 4 5 6 8
10
2 3 4 5 6 8 2 3 4 5 6 8 2
1000
3 4 5 6 8 2 3
10000
100
100 2 3 4 5 6 8 100 2 3 4 5 6 8 10000 2 3 4 5 6
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,08
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,8
1
2

3
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
3,0
4,0
5,0
5,6
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,12
0,14
gH/V
gD/V
2
gt/V
gt/V gh/V
gh/Vgt/V
H×nh 3-6 §å thÞ x¸c ®Þnh c¸c yÕu tè cña sãngH×nh 3-5 §å thÞ x¸c ®Þnh Ki

§2.3. TÁC Đ NG C A SÓNGỘ Ủ
2. Các thông số của sống nước nông:
* Khi đáy hồ, ao i > 0,002
+ Xác định
h
,
λ
,
τ
theo sóng nước sâu.
+ Lấy
•

τ
=
τ

•
h
p
= K
1
.K
p
.K
n
.K.
h

Các hệ số K
1
: hệ số biến dạng
K
p
: hệ số khúc xạ
k
n
: hệ số tổn thất

•

λ
λ
λ
λ






=
với









=
τ
λλ
λ

%
,
1
g
h
H
f
và tra đồ thị
+ Xác định các thông số
λ
,
h
,
τ
theo






22
W

,
W
gHgD
và
2
W
,
W
gHgt
(chọn cặp
có
2
W
hg
,
W
τ
g
bé hơn).
+ Sau đó
λ
=
λ
,
τ
=
τ

h
i

= K
i
.K
p
.K
n
.K
1
.
h
.

§2.3. TÁC Đ NG C A SÓNGỘ Ủ
II. Tác dụng của sóng lên công trình có bề mặt thẳng đứng
- Cần xác định:
η
s
,
η
ch
, P
max
, M
max
(hình 3-4):
η
η
P
H
h

η
H
h/2
a)
b)
c) d)
e)
h
o
®
max
s
ch

H ×nh 3-4: S¬ ®å ¸p lùc sãng lªn c«ng tr×nh cã mÆt th îng l u th¼ng ®øng 


§2.3. TÁC Đ NG C A SÓNGỘ Ủ

-
η
s
theo (3-7):

η
s
= k
η
s
h ; (3-7)

-
η
ch
theo (3-8):
η
ch
= k
η
ch
h, (3-8)
- Độ dềnh của sóng khi áp lực ngang của sóng lớn nhất là
η
đ
theo (3-9):

η
d
= k
η
d
. h . (3-9)
- Áp lực sóng, khi có
η
s
như hình (3-4c).
- Áp lực sóng lớn nhất (hình 3-4d) là P
max
theo (3-10)
P

m ax
= k
®

γ
h
h
H
2
 
+
 
 
(3-10)
- Mô men của áp lực sóng lớn nhất là M
max
theo (3-11)
M
m ax
= k
m
γ
h
2 2
h hH H
6 2 2
 
+ +
 
 

 
, (3-11)
Trong đó: K
η3
, K
ηch
, K
ηđ
, K
m
xác định theo đồ thị (3-7).

§2.3. TÁC Đ NG C A SÓNGỘ Ủ
III. Tác dụng của sóng lên công trình có mặt nghiêng
- Với mặt nghiêng có sóng leo.
- Với P = 1%, H
≥
3h
H1%
với vùng nước sâu hoặc H > 2h
1%
với sóng
nước nông thì h
SL1%
tính theo (3-12).
h
sl1%
= k
1
k

2
k
3
k
4
k
α
h
1%
, (3-12)
h
H1%
chiều cao sóng của độ sâu H
≥
0,5
λ
với p = 1%
h
1%
chiều cao sóng với 1%
K
1
, K
2
, K
3
,K
4
, K
α

là những hệ số tra theo các bảng.
- Với p% thì h
slp
=Kp.h
sl
1%

Với Kp tra bảng (3-4)
- Biểu đồ áp suất sóng leo như hình (3-9)

§2.3. TÁC Đ NG C A SÓNGỘ Ủ
α
L
L
L
L
Z
Z
2
1
3
4
5
p
0.4p
0.1p
0.4p
0.1p
1 : m
2

2
2
2
2
3
1
3
2
4
2

H ×nh 3-9: Ph©n bè ¸p suÊt sãng lín nhÊt lªn m¸i nghiªng
® îc gia cè b»ng c¸c tÊm bª t«ng


§2.3. TÁC Đ NG C A SÓNGỘ Ủ

* P
2
theo (3-13): p
2
= k
no
k
nb 2
p
γ
h T/m
2
, (3-13)

*K
ηo
theo (3-14)

k
no
= 0,85 + 4,8
h
λ
+ m
h
0,028-1,15
 
 
λ
 
(3-14)
*
2
P
là áp xuất sóng trung bình tương đối lớn nhất tại điểm 2.
*K
ηb
,
2
P
theo bảng.
*
Z
2

theo (3-15):z
2
= A +
2
1
m
(1-
2
2m 1
+
)(A+B) (3-15)
* l
1
, l
2
, l
3
, l
4
theo các công thức thực nghiệm.

§2.4. ÁP L C BÙN CÁTỰ
- Sau một thời gian làm việc, bùn cát lắng đọng tạo nên áp lực bùn cát.
- Áp suất ngang bùn cát tại 1 điểm ở độ sâu bùn cát h
b
theo (3-18)
p
b
=
γ

b
h
b

ξ
b
(3-18)
Với hệ số áp lực hông, khi mái thẳng đứng theo (3-19):

ξ
b

= tg
2

o
45
2
ϕ
 
−
 
 
, (3-19)
- khi m ái nghiêng theo (3-20)
:
ξ
b

=

2
2
cos
2
cos
2
α + ϕ
α − ϕ
(3-20)
- Áp lực đứng của bùn cát bằng trọng lượng trong nước.

§2.5. TÁC Đ NG C A Đ NG Đ TỘ Ủ Ộ Ấ
- Động đất là sự rung động của vỏ trái đất với chu kỳ T và gia tốc
τ
.
- Nguyên nhân sinh ra động đất rất phức tập. Ở đây giới thiệu phương
pháp đơn giản xác định tác động của động đất.
I. Lực quán tính động đất: F
đ


- Có điểm đặt tại trọng tâm, cùng ph ng ngươ ược chiều với
τ
và trị
số theo (3.21):
F
®
=
G
g

α τ= kαG, (3-21)
G: trọng lượng công trình.
K =
τ
/g: hệ số động đất (tra bảng).

α
: hệ số đặc tr ng đư ộng đất, với tháp, đập, tường chắn xác định
theo (3-22):
α
= 1 + 0,5
1
o
h
h
,
(3-22)

§2.5. TÁC Đ NG C A Đ NG Đ TỘ Ủ Ộ Ấ
Với kết cấu CT chịu lực xô ngang như vòm
α
= 2
Với các bộ phận liên kết cục bộ với CT như cột, dàn:
α
= 5
Với các công trình và bộ phận khác
α
= 1
II. Áp lực nước khi động đất
- Khi có động đất áp lực nước tăng thêm.

- Khi H < 50m và áp suất nước tăng thêm tính theo (3-23) hoặc (3-24).
hình 3-10
p = 0,9 k γ
1
H .y
, (3-23)
p = kγy, (3-24)

§2.5. TÁC Đ NG C A Đ NG Đ TỘ Ủ Ộ Ấ
F
®
F
®
F
®
®
F
W
®
0,42H
H
γ
ΚΗ
y
y
x
1
1
1

H ×nh 3-10 : Lùc qu¸n tÝnh vµ ¸p lùc n íc t¨ng thªm do ®éng ®Êt g©y nªn
- Tổng áp lực nước tăng thêm là W
đđ
= 0,6 K
γ
H
2
nếu theo (3-23) và đặt
cách đáy 0,42H
1
, hoặc (3-25): W
®
= 0,5 k
γ
2
1
H
(3-25) nếu theo (3-24)
- Với y: tính từ mặt nước đến điểm tính toán.



§2.5. TÁC Đ NG C A Đ NG Đ TỘ Ủ Ộ Ấ
III. Áp lực đất khi động đất
Khi có động đất, áp xuất đất là P'
cđ
, P'
bd
tính theo (3-26) và (3-27)
p'

c®
= (1 + 2ktgϕ)p
c®
; (3-26)
p'
b®
= (1 - 2ktgϕ)p
b®
; (3-27)
Với P
cđ
, P
bd
khi chưa có động đất.