Giáo trình thủy công Tập 1 - Chương 2 pdf

Chơng 2. Lực tác dụng lên công trình thuỷ lợi

ò1. phân loại và tổ hợp lực
Khi thiết kế các công trình thuỷ lợi - để đảm bảo an toàn và kinh tế chúng ta phải
xác định chính xác các lực tác dụng lên công trình, mặt khác cần phải lựa chọn đúng các
trờng hợp làm việc điển hình để chọn nhóm các lực đồng thời tác dụng lên công trình
phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của công trình. Điều này đỏi hỏi ngời thiết kế phải
nắm chắc kỹ thuật thiết kế, đồng thời phải có kinh nghiệm thực tiễn và nắm vững tình hình
đặc điểm của địa phơng nơi xây dựng công trình
Trong phạm vi chơng này ta chỉ nêu và giải quyết các lực phổ biến nhất đối với công
trình thuỷ lợi, còn các lực riêng với mỗi loại công trình sẽ đợc tính đến trong các chơng
tơng ứng.
I. Phân loại lực
Để phục vụ cho việc lập các tổ hợp đợc sử dụng trong tính toán thiết kế công trình,
ngời ta phân loại tải trọng theo thời gian và tính chất tác dụng. Theo đó các tải trọng tác
dụng lên công trình đợc phân thành tải trọng thờng xuyên và tải trọng tạm thời.
1. Các tải trọng thờng xuyên và tạm thời (dài hạn và ngắn hạn)
1. Trọng lợng của công trình và các thiết bị cố định đặt trên và trong công trình.
2. áp lực nớc tác dụng trực tiếp lên bề mặt công trình và nền; áp lực nớc thấm (bao
gồm lực thấm và lực đẩy nổi thể tích ở phần công trình và nền bị bão hoà nớc; áp
lực của nớc lên mặt không thấm của công trình) ứng với mực nớc lớn nhất khi xảy
ra lũ thiết kế trong điều kiện thiết bị lọc và tiêu nớc làm việc bình thờng. Riêng
các hạng mục nằm trong tuyến chịu áp của hồ chứa, đập dâng còn cần phải tính thêm
các lực nêu trong mục này ứng với mực nớc dâng bình thờng.
3. Trọng lợng đất và áp lực bên của nó; áp lực của nham thạch (gây ra cho các hầm lò,
tuynen).
4. Tải trọng gây ra do kết cấu chịu ứng suất trớc.
5. áp lực đất phát sinh do biến dạng nền và kết cấu công trình, do tải trọng bên ngoài
khác.
6. áp lực bùn cát.
7. Tác dụng của co ngót và từ biến.

8. Tải trọng gây ra do áp lực d của kẽ rỗng trong đất bão hoà nớc khi cha cố kết
hoàn toàn ở mực nớc dâng bình thờng, trong điều kiện thiết bị lọc và tiêu nớc làm
việc bình thờng.
9. Tác động nhiệt lên công trình và nền trong thời kỳ thi công và khai thác của năm có
biên độ dao động nhiệt độ bình quân tháng của không khí là trung bình.
10. Tải trọng do tàu thuyền và vật trôi (neo buộc, va đập).
11. Tải trọng do các thiết bị nâng, bốc dỡ, vận chuyển và các máy móc, kết cấu khác
(cần trục, cầu treo, palăng), chất hàng có xét đến khả năng chất vợt tải thiết kế.

11
12. áp lực do sóng đợc xác định theo tốc độ gió lớn nhất trung bình nhiều năm.
13. Tải trọng gió.
14. áp lực nớc va trong thời kỳ khai thác bình thờng.
15. Tải trọng động sinh ra trong đờng dẫn có áp và không áp khi dẫn với mực nớc
dâng bình thờng.
2. Các tải trọng tạm thời đặc biệt
1.Tải trọng do động đất hoặc nổ.
2. áp lực nớc tơng ứng với mực nớc khi xảy ra lũ kiểm tra.
3. Tải trọng gây ra do áp lực d của kẽ rỗng trong đất bão hoà nớc khi cha cố kết
hoàn toàn ứng với mực nớc kiểm tra lớn nhất trong điều kiện thiết bị lọc nớc và
tiêu nớc làm việc bình thờng hoặc mực nớc dâng bình thờng nhng thiết bị lọc
và tiêu nớc bị hỏng.
4. áp lực nớc thấm gia tăng khi thiết bị chống thấm và tiêu nớc không làm việc bình
thờng.
5. Tác động do nhiệt trong thời kỳ thi công và khai thác của năm có biên độ dao động
nhiệt độ bình quân tháng của không khí là lớn nhất.
6. áp lực sóng khi xảy ra tốc độ gió lớn nhất thiết kế.
7. áp lực nớc va khi đột ngột cắt toàn bộ phụ tải.
8. Tải trọng động sinh ra trong đờng dẫn có áp và không áp khi dẫn ở mực nớc lớn
nhất thiết kế.

9. áp lực phát sinh trong mái đất do mực nớc sông, hồ bị hạ thấp đột ngột (rút nhanh).
II. Tổ hợp lực
Để có cơ sở khi lựa chọn các lực đồng thời tác dụng lên công trình, ngời ta phân
các lực tác dụng thành hai loại tổ hợp lực - đó là tổ hợp lực cơ bản và tổ hợp lực đặc biệt
1. Tổ hợp lực cơ bản
Bao gồm các tải trọng và tác động : thờng xuyên, tạm thời dài hạn, tạm thời ngắn hạn
mà đối tợng đang thiết kế có thể tiếp nhận cùng một lúc.
2. Tổ hợp lực đặc biệt
Vẫn bao gồm các tải trọng và tác động đã xét trong tổ hợp tải trọng cơ bản nhng một
trong chúng đợc thay thế bằng tải trọng (hoặc tác động) tạm thời đặc biệt. Trờng hợp tải
trọng cơ bản có xét thêm tải trọng động đất hoặc nổ cũng đợc xếp vào tổ hợp đặc biệt.
Khi có luận chứng chắc chắn có thể lấy hai trong các tải trọng hoặc tác động tạm thời đặc
biệt để kiểm tra.
Lu ý :
- Khi thiết kế phải lựa chọn để đa ra tổ hợp tải trọng cơ bản và tổ hợp tải trọng đặc
biệt bất lợi nhất có thể xảy ra trong thời kỳ thi công và khai thác công trình
- Khi thiết kế công trình phải tính toán theo tổ hợp tải trọng cơ bản và kiểm tra theo
tổ hợp tải trọng đặc biệt.
- Hệ số an toàn khi tính với tổ hợp cơ bản lớn hơn tính với tổ hợp đặc biệt.

12


ò2. Xác định trị số của lực tác dụng
I. áp lực nớc
1. áp lực thuỷ tĩnh
Phụ thuộc vào chiều cao cột nớc, hình dạng công trình và trọng lợng riêng của
nớc. Trị số và áp lực nớc tác dụng xác định theo các phơng pháp đã trình bày trong
thuỷ lực.
W

W
W
W
W
t
W
đn
1
W
2
4
3
b
G

H
ình 2.1
S
ơ đồ áp lực nớc bùn
cát và đẩy ngợc. W
1
, W
2
, W
3
,
W
4
: áp lực nớc tĩnh; W
b

: áp
lực bùn cát; W
đn
: áp lực đẩy
nổi, W
t
: áp lực thấm; G : trọn
g
lợng bản thân
2. áp lực thuỷ động W
đ

áp lực thuỷ động sinh ra do dòng chảy tác động lên bộ phận công trình chắn
ngang nó (trụ pin của tràn, tờng tiêu năng,). Trị số w
đ
phụ thuộc vào lu tốc và hình
dạng của mặt tác dụng, w
đ
đợc xác định từ nguyên lý biến thiên động lựợng của khối
chất lỏng:
W
đ
=
dM
dt

- Nếu công trình chịu tác dụng là phẳng thì :
dM= Q..v.dt
W
đ

= Q..v
- Khi có kể đến hình dạng mặt tác dụng và hớng dòng chảy thì :
W
đ
= k.Q..v(1-cos)
Trong đó :
Q : lu lợng phần dòng chảy tác dụng trực tiếp vào công trình (m
3
/s)
: khối lợng riêng của nớc (kg/m
3
)
g: Gia tốc trọng trờng (m/s
2
)
v : lu tốc trung bình dòng chảy đến phia công trình (m/s)
: Góc giữa hớng dòng chảy với mặt phẳng tác dụng
k : là hệ số chảy vòng
k = 1 với đầu mố dạng phẳng

13
k = 0,7 đầu mố dạng tròn
k = 0,4 đầu mố dạng tam giác hay lu tuyến
k= 0,3 ữ 0,4 với tờng tiêu năng bố trí cách chân đập tràn từ (0,6 ữ 2)H
1
, H
1
:
chiều sâu cột nớc tràn.
Lu ý: Khi dòng chảy có lu tốc lớn, chịu ảnh hởng của hiện tợng sóng và các điều

kiện biên sẽ phát sinh mạch động lu tốc. Kết quả là gây ra một áp lực mạch động lên
công trình, lực này thay đổi theo thời gian và có thể xác định bằng công thứcgiải tích,
công thức nửa thực nghiệm hay bằng thí nghiệm.
II. Tác động của sóng
Khi có gió thổi liên tục, mặt hồ phát sinh sóng làm tăng mực nớc trớc công trình và
gây áp lực phụ tác dụng lên công trình.
1. Xác định các thông số của sóng
h
h
/
2
h
o

s

c
h

ốnh soùng
ỏửu soùng
Chỏn soùng
Buỷng soùng
Mổỷc nổồùc tốnh
ổồỡng trung bỗnh soùng
h
/
2
Các thông số của sóng nh chiều cao sóng h, chu kỳ sóng , bớc sóng phụ thuộc vào
nhiều nguyên nhân nh tốc độ gió w, thời gian gió thổi liên thục t, độ sâu của nớc trong

hồ H, chiều dài đà sóng D (D : khoảng cách từ bờ đến công trình tơng ứng với hớng
gió)







H
ình 2.2 Các thông số của sóng


- Tuỳ theo chiều sâu nớc tại vùng gây ra sóng ngời ta chia ra 4 vùng :
1. Vùng nớc sâu: Khi H > /
2
. Trong vùng này đáy hồ không ảnh hởng đến hình
dạng và kích thớc của sóng
2. Vùng nớc nông : Khi /
2
>H>Hpg (Hpg là độ sâu phân giới, sóng bắt đầu đổ,
có thể lấy gần đúng Hpg =(1,25-1,8)h
i
). Trong vùng này, càng gần bờ sóng
càng dốc về phía trớc, và tới độ sâu nớc Hpg sóng sẽ đổ xuống.
3. Vùng sóng xô : khi H < Hpg khu này sóng bắt đầu tan, các chất điểm nớc
bắt đầu chuyển động tịnh tiến (không còn dao động sóng)
4. Khu tiếp bờ: Sóng bị phá hoại và leo lên bờ theo chu kỳ.
- Đối với hồ chứa nớc thờng ở vùng nớc sâu. Các thông số của sóng đợc xác định
theo phơng pháp Crlốp (thể hiện trong qui phạm hiện hành QP.TL.C1-78) nh sau :

Trị số của
h và

xác định theo đờng giới hạn bao trên dồ thị hình 2.3, theo đó tìm
đợc các cặp giá trị
w
hg
2
và
w
g

từ các đại lợng không thứ nguyên
g.D
w
2
và
gt
w
. Chọn lấy
cặp giá trị bé nhất trong hai cặp số tìm đợc, từ đó xác định ra
h và

. Trị số bớc sóng
trung bình lấy theo công thức :

14

.2
2
g
=
Và chiều cao sóng xác định với mức đảm bảo p% :
h
p
= k
p
. h
Trong đó k
p
tra trên đồ thị hình 2.4 theo xác suất p và thông số
gD
w
2
.
Xác định các thông số sóng ở các vùng khác, xem trong QPTL C1-78.


15


16
2. Tác dụng của sóng lên công trình có bề mặt thẳng đứng
- Để xác định áp lực sóng, trớc hết phải xác định độ dềnh cao nhất
s
và độ hạ thấp
nhất

ch
của sóng so với mức nớc tĩnh (hình 2.5a, b).

s
= k
s
.h

ch
= k
ch
.h
- ở thời điểm sóng làm mức nớc dâng cao nhất là
s
thì áp lực sóng Ps không phải là
lớn nhất vì lúc đó một bộ phận phía dới phát sinh áp lực âm (hình 2.5c). Khi độ dềnh
của sóng là
đ
thì áp lực sóng là lớn nhất.

đ
= k

đ
.h


đ

ch

+
-
h/2
+

đ
H
+
h
H
a) b)
c) d) e)

H
ình 2.5
S
ơ đồ áp lực sóng lên
công trình có mặt thợng thợn
g
lu thẳng đứng

- Lúc đó áp lực ngang lớn nhất của sóng (tính cho 1m chiều rộng, =
đ
) (hình 2.5d) là
Pmax = k
đ
..h(H +
h
2
)

- Mô men của áp lực sóng lấy với đáy công trình :
M
max
= k
m
h(
h
2
6
+
hH
2
+
H
2
2
)
Trong đó k

s
, k

ch
, k
đ
, k
m
: là các hệ số xác định từ các đồ thị hình 2.6

17



18
3. Xác định áp lực sóng lên công trình có mái nghiêng
- Khi sóng tiếp xúc với bề mặt công trình là nghiêng thì sẽ có sóng leo. Độ cao sóng
leo với mức đảm bảo 1% khi sóng đi tới công trình từ vùng nớc sâu có H3h
H1%
hoặc
từ vùng nớc nông H2h
1%
đợc xác định theo công thức :
h
sl1%
= k
1
.k
2
.k
3
.k
4
.h
1%
Trong đó :
h
H1%

chiều cao sóng ở độ sâu H>/2 với mức đảm bảo 1%
h
1%
chiều cao sóng với mức đảm bảo 1%
k
1
,k
2
phụ thuộc độ nhám tơng đối : /h
1%
và vật liệu gia cố mái đập (tra bảng 2.1)
k
3
phụ thuộc tốc độ gió và mái dốc (tra bảng 2.2)
k
4
phụ thuộc tỷ số /h và hệ số mái nghiêng của công trình (tra theo đồ thị hình 2-
7)
H
ình 2.7

- Chiều cao sóng leo với tần suất p% là h
slp%
đợc xác định bằng cách :
h
slp%
= k
p
. h
sl1%
Với k
p
tra ở bảng 2.3 theo tần suất bảo đảm p.
Bảng 2.1 : Hệ số k
1
, k
2
Đặc trng lớp gia cố mái
Độ nhám tơng đối /h
1%
k
1
k
2
- Bản bêtông (bêtông cốt thép)
- Cuội, sỏi, đá, khối bêtông
(bêtông cốt thép)

<0,002

0,5ữ0,01
0,02
1
1
0,95
0,90
0,90
0,90
0,85
0,80

19
0,05
0,10
>0,20
0,80
0,75
0,70
0,70
0,60
0,50
Bảng 2.2 : hệ số k
3
Hệ số mái 0,4
0,4ữ2 3ữ5
>5
Vận tốc gió 20m/s
1,3 1,4 1,5 1,6
K
3

Vận tốc gió 10m/s
1,1 1,1 1,1 1,2
Bảng 2.3 : hệ số k
p
Tần suất tính toán p% 0,1 1 2 5 10 30 50
Hệ số k
p
1,1 1,0 0,96 0,91 0,86 0,76 0,68
- Biểu đồ phân bố áp suất sóng trên mái nghiêng đợc gia cố bằng các tấm bêtông có
độ dốc mái 1,5 m 5 đợc tính nh hình 2.8, trong đó áp suất sóng lớn nhất p
2
đợc
xác định theo công thức:
p
2
= k
no
k
nb
2
p
h T/m
2
Trong đó :
k
no
: hệ số xác định theo công thức :
k
no
= 0,85 + 4,8

h
+ m(0,028 1,15

h
)
k
nb
: hệ số xác định theo bảng 2.4
2
p
: áp suất sóng tơng đối lớn nhất lên điểm 2 (hình 2.8) lấy theo bảng 2.5
P2
0.4P2
0.1P2
0.4P2
0.1P2
ốnh cọng trỗnh
1
2
3
4
5
L
2
L
1
Z
2
Z

3
L
4
L
3

H
ình 2.8 Phân bố áp suất sóng
lên mái nghiêng đợc gia cố bằng
các tấm bêtông
Bảng 2.4 : Hệ số k
nb
h/


10 15 20 25 35
k
nb
1,0 1,15 1,30 1,35 1,48


20
Bảng 2.5 áp suất tơng đối
2
p

Chiều cao sóng h (m) 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
4
2
p

3,7 2,8 2,3 2,1 1,9 1,8 1,75 1,70

Trong biểu đồ trên, các tung độ Z
2
, Z
3
đợc tính :

(
)
%3
2
2
2
2
2
25,0.84,095,0
1
023,047,0
)(121
1
sli
hZ
h
mhB
m
m
h
hA

BAm
m
AZ
=






=
+








+=
+++=



l
1
= 0,0125.L

, l

3
= 0,0265.L

l
2
= 0,0325.L

, l
4
= 0,0675.L

)(
1
.
4
2
m
m
m
L

=


(Ghi chú : các bảng tra, biểu đồ và công thức tính ở trên đợc thiết lập thông qua các
nghiên cứu lý luận kết hợp với thí nghiệm)
III. áp lực gió
- áp suất gió tiêu chuẩn đợc tính theo công thức:
q
tc

=
V
2
16
kg/m
2
v : vận tốc gió, m/s
- Tốc độ gió và áp suất gió có thể lấy theo các vùng theo bảng 2.6
Bảng 2.6 : áp suất gió tiêu chuẩn
Vùng V(m/s) q
tc
(kg/m
2
)
Hải đảo, ven biển
Đồng bằng
Trung du
Miền núi
44
40
36
31
120
100
80
60
- Tổng áp lực gió tiêu chuẩn tác dụng lên công trình đợc tính:
P
tc
= q

tc
.S
q
tc
- áp suất gió tính toán đã xác định
S - diện tích chắn gió của công trình (m
2
)

21
IV. áp lực bùn cát
Phía trớc các công trình dâng nớc đợc xây dựng ở các sông suối thờng có bùn
cát lắng đọng, chiều sâu bùn cát xác định theo thuỷ văn dòng chảy và tuổi thọ công
trình. Nó tác dụng lên công trình với trị số áp suất phụ thuộc vào tính chất cơ lý của
bùn cát và độ dày lắng đọng của bùn cát, và có thể xác định theo công thức sau :
P
b
=
b
.y.
b

b
: Dung trọng đẩy nổi của bùn cát

b
=


k

- (1-n)

k:
Dung trọng khô của bùn cát
: Dung trọng của nớc
n: Độ rổng của bùn cát

b
: hệ số áp lực bên của bùn cát, phụ thuộc vào mức độ di chuyển của công
trình, đợc xác định nh sau :
+ Khi công trình kết thúc chuyển vị thì
b
=
0
với
0
hệ số áp lực bên của
bùn cát ở trạng thái tĩnh. Giá trị của nó có thể lấy nh sau (theo Snitco
N.K, 1970) : Đối với đất cát rời (có hệ số rỗng =0,9) thì
0
=0,64; với cát
có độ chặt trung bình (=0,7) thì
0
=0,52; cát chặt
0
=0,49; đối với hạt
sét
0
=0,7ữ1,0.
+ Khi công trình chuyển vị (ra xa bàn cát) sẽ sinh ra áp lực đất chủ động,

lúc đó :

b
=tg
2
(45
0
-

2
)
: Góc ma sát trong của bùn cát
Nếu mặt trớc của công trình nghiêng một góc so với phơng ngang thì :

b
=
cos
2
+
2
cos
2
-
2

Đối với bùn cát là hạt sét và các hạt bụi lắng đọng ở hồ chứa có độ sâu nớc khá
lớn, thì 0, do đó
b
=1 không phụ thuộc vào sự dịch chuyển của nền công
trình.

Biểu đồ áp lực bùn cát có dạng tam giác. Trị số áp lực ngang của bùn cát lấy theo
biểu đồ áp lực bùn cát, còn thành phần thẳng đứng của áp lực bùn cát bằng trọng lợng
của khối bùn cát trong môi trờng nớc.
V.Lực động đất
Khi động đất vỏ qủa đất bị dao động với chu kỳ T (T = 0,8 ữ 1,2s) và gia tốc
phát sinh lực quán tính tác động lên công trình. Hiện nay thờng dùng phơng pháp
tĩnh lực để xác định lực quán tính động đất
1. Lực quán tính động đất của công trình
- Trị số của lực quán tính động đất :
F
đ
=
G
g


22
Trong đó: G : trọng lợng công trình
g : gia tốc trọng trờng (G/g là khối lợng công trình)
k = /g là hệ số động đất - tra bảng 2.7
: hệ số đặc trng động lực
Với các công trình tháp, tờng chắn đất, đập bê tông , đập bê tông cốt
thép cao hơn 10m thì :
= 1 + 0,5
h
1
h
0

h

1
: khoảng cách từ điểm tính đến mặt nền
h
0
: khoảng cách từ trọng tâm công trình đến mặt nền
Với công trình chịu lực xô ngang nh vòm = 2
Với các bộ phận liên kết cục bộ với nền nh cột, giàn = 5
Với công trình khác = 1
- Hớng F
đ
ngợc với hớng , mà là bất kỳ nên ta chọn F
đ
theo hớng bất lợi nhất
cho công trình về mặt ổn định và kết cấu. Điểm đặt của của lực quán tính, đợc xem
nh nằm ở trọng tâm công trình.

Bảng 2.7 : Hệ số động đất k
Cấp động đất 6 7 8 9
K 0,01 0,025 0,05 0,10
Khi động đất nhỏ hơn cấp 6, hệ số động đất rất bé nên thờng bỏ qua không xét
đến lực quán tính.
2.Lực quán tính động đất của nớc
- Với hồ có độ sâu H < 50 m, áp suất tăng thêm do động đất tại độ sâu y có thể tính:
p = 0,9.k..
H
1
.y , biểu diễn bởi đờng 1 hình 2.9 b
Hay p = k . . y , biểu diễn bởi đờng 2 hình 2.9 b
y : độ sâu từ mặt nớc đến điểm tính toán.
- Tổng áp lực nớc tăng thêm

W
đ
= 0,5 . k . . H
1
2













3.Lực quán tính động đất của đất
H
1
1
2
h
o
h
1
G
ióứm tờnh toaùn
b) a)

H
ình 2.9 : Lực quán tính và áp lực nớc tăng thêm do động đất gây ra

23
Khi có động đất, khối lợng đất cũng phát sinh lực quán tính tác dụng lên công trình.
Đối với tờng chắn thẳng đứng thì áp suất chủ động là P
cđ
và áp suất bị động P
bđ

đợc tính là:
P
cđ
= (1 + 2k tg) P
cđ
P
bđ
= (1 - 2k tg) P
bđ
Với: P
cđ
, P
bđ
: lần lợt là áp suất chủ động và bị động tại điểm tính toán khi cha có
động đất.
: Góc ma sát trong của đất.

24