Công trình thủy lợi - Chương 2

Chương 2. Lực tác dụng lên công trình thủy lợi
Chương 2
LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH THUỶ
LỢI

2.1. Tải trọng, lực tác dụng và tổ hợp lực
Khi thiết kế các CTTL ngoài các lực tác dụng với kết cấu xây dụng, còn phải xét
đến các tải trọng và lực tác dụng sau :
1) Áp lực nước: áp lực thuỷ tĩnh + thuỷ động, áp lực sóng, áp lực thấm;
2) Áp lực bùn cát lắng đọng;
3) Áp lực của đất đắp, của đá;
4) Tải trọng của thuyề
n bè;
5) Tải trọng của các thiết bị nâng, bốc xếp, vận chuyển, cửa van, lưới chắn, kết cấu
và máy móc của các thiết bị điện, thuỷ lực;
6) Lực do biến dạng thể tích của vật liệu công trình, do thay đổi nhiệt độ, co dãn
của bêtông;
Các lực tác dụng lên CTTL được chia ra các tổ hợp lực cơ bản sau:
2.1.1. Tổ hợp lực cơ bản
Gồm các lực tác dụng thường xuyên hoặc có chu kỳ
1) Trọng lượng bản thân và các thiết bị thường xuyên đặt lên;
2) Áp lực nước ứng với mực nước dâng bình thường bao gồm mực nước tĩnh, áp
lực nước động do tác dụng của dòng chảy qua công trình gây lên;
3) Áp lực sóng;
4) Áp lực thấm với chế độ thấm ổn định;
5) Tải trọng gió;
6) Áp lực đất và áp lực đ
á;
7) Áp lực bùn cát lắng đọng;
8) Áp lực máy nâng,bốc dỡ vận chuyển;
9) Tải trọng của thuyền bè.

2.1.2. Tổ hợp lực đặc biệt
Là các lực ít xảy ra, các lực và tải trọng trong tổ hợp lực cơ bản nhưng:
1) Áp lực nước khi tháo lưu lượng lớn nhất ứng với mực nước lũ thiết;
2) Áp lực thấm khi thiết bị chống thấm hỏng;
3) Tải trọng gió khi bão;
4) Lực động đất;
5) Lực tác dụng do có thay đổi nhiệt độ và co giãn bê tông.
Trong xây dựng người ta dùng tổ hợp l
ực cơ bản để thiết kế, dùng tổ hợp lực đặc
biệt để kiểm tra.

2-1
Chương 2. Lực tác dụng lên công trình thủy lợi
Hệ số an toàn: đối với tổ hợp lực cơ bản k = 1,1÷1,4;
đối với tổ hợp lực đặc biệt k = 1,0÷1,2.
2.2. Áp lực thuỷ tĩnh và áp lực thủy động
2.2.1. Áp lực thuỷ tĩnh
Áp lực thuỷ tĩnh được xác định theo phương pháp thuỷ lực gồm hai thành phần:
+ Nằm ngang: W1, W2.
+ Thẳng đứng: W3, W4.

Hình 2- 1: Áp lực thủy tĩnh tác dụng lên công trình
Khối lượng riêng γ
n
= 1000 kg/m
3
. Trong nước có bùn cát tùy theo khối lượng bùn
cát mà tăng γ
n
lên 5÷10%.

2.2.2. Áp lực thuỷ động
Khi dòng chảy qua công trình, gặp các bộ phận trụ pin của đập tràn, tường tiêu năng
sẽ tác dụng vào công trình một lực do dòng chảy gây ra gọi là áp lực thuỷ động và xác
định theo công thức sau:
W
tđ
= k.Q.v.ρ.(1-cosϕ) (2.1)
Trong đó :
Q - lưu lượng trực tiếp tác dụng vào công trình;
v - lưu tốc trung bình;
ρ - trọng lượng riêng của nước;
k - hệ số chảy vòng có thể lấy:
+ Đầu mố đập vuông cạnh k = 1.0;
+ Đầu mố đập dạng tròn k = 0.7;
+ Đầu mố đập vuông cạnh k = 0.4;
+ Đối với tiêu năng bố trí chân đập tràn từ (0.6÷2)H
1
→ k = (0.3÷0.4)H
1

(H
1
: mực nước thượng lưu).



2-2
Chương 2. Lực tác dụng lên công trình thủy lợi
2.3. Áp lực sóng
Khi có gió thổi, mặt nước hồ sẽ sinh ra sóng và làm tăng thêm áp lực nước, các

yếu tố của sóng như: chiều cao sóng h, chu kỳ sóng T, chiều dài sóng λ phụ thuộc vào
nhiều nguyên nhân: tốc độ gió W, thời gian gió t, độ sâu của nước trong hồ H, chiều dài
đà sóng D.

chiÒu dµi sãng
Ch©n sãng
§−êng trung
b×nh sãng
MN tÜnh

Hình 2- 2: Các yếu tố của sóng
Sóng có hai loại:
+ Sóng nước sâu khi H > λ/2
+ Sóng nước nông khi λ/2 > H >H
gh
H
gh
= (1.25 ÷ 1.8 ) h
i
h
i
là chiều cao sóng với tần suất bảo đảm i%
Tốc độ gió được xác định ở độ cao 10 m so với mực nước lặng. Lấy với tần suất bảo
đảm 2% với công trình cấp I, II; 4% đối với công trình cấp III, IV.
2.3.1. Tác dụng của sóng lên công trình có biến dạng thẳng đứng
Khi tính toán tác dụng của sóng lên công trình cần xác định độ dềnh tăng lên η
s
và
độ dềnh thấp đi η
ch

so với mực nước tĩnh và xác định áp lực sóng với mômen đẩy.
Nói chung thời điểm sóng làm mực nước dâng cao lớn nhất trước công trình và trị
số áp lực sóng lớn nhất là không trùng nhau vì một phần dưới công trình có thể gây ra áp
lực sóng âm (hình 2-3c).
Để xác định sóng lên bề mặt công trình thẳng đứng dùng phương pháp Zagriadcaia,
công thức cho phép áp dụng sóng nước nông và sóng nước sâu, độ dềnh cao lớn nhât η
s

và độ hạ thấp nhất η
ch
của sóng được tính như sau:
η
s
= k
ηs
.h; η
ch
= k
ηch
.h
Độ dềnh ηđ khi áp lực ngang của sóng lớn nhất (hình 2-3d)
η
đ
= k
ηđ
.h
Lúc đó áp lực ngang của sóng lớn nhất tính cho 1m chiều rộng (hình 2-3e) là:


2-3

Chương 2. Lực tác dụng lên công trình thủy lợi

Hình 2- 3: Sơ đồ áp lực sóng tác dụng lên công trình
có mặt thượng lưu thẳng đúng
Mômen của áp lực sóng so với đáy công trình :
P
max
= k
m
.γ.h (
22
.
6
22
HKhh
++
) (2.2)
Trong đó : η
s
, η
đ
, η
ch
, k
m
là các hệ số phụ thuộc vào h/λ, λ/h được xác định ở đồ thị
2.5/23
2.3.2. Tác dụng của sóng lên công trình có mái nghiêng
Khi sóng tiếp xúc với công trình có mặt nghiêng thì sẽ có sóng leo với tần suất 15
được gọi là h

sl1%
.Đối với vùng nước sâu H ≥ 3.h
H1%
hoặc vùng nước nông H ≥ 2.h
1%

được tính theo công thức :
h
sl 1%
= k
1
. k
2
. k
3
. k
4
.h
1%
(2.3)
Trong đó:
h
H1%
: chiều cao sóng ở độ sâu H≥0.5λ với tần suất bảo đảm 1%;
h
1%
: chiều cao sóng với tần suất bảo đảm 1%;
k
4
: hệ số xác định theo sơ đồ 2-6/24 phụ thuộc vào λ/h và mái dốc m công

trình;
k
1
, k
2
: hệ số phụ thuộc vào độ nhám tương đối ∆/ h
i%
(bảng 2-1/22);
k
3
: hệ số phụ thuộc vào tốc độ gió và m ( bảng 2-2/22);
Chiều cao sóng với tần suất bảo đảm i% xác định theo công thức:
h
sl 1%
=.h
sl %
. k
i
(2.4)
k
i
: hệ số lấy theo bảng 2-3/24
Phân bố áp lực sóng lên mái công trình được gia cố bằng các tấm bêtông có độ dốc
mái 1.5≤ m ≤5 được tính như hình vẽ:
Tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng mái nghiêng được xác định theo công thức:

2-4
Chương 2. Lực tác dụng lên công trình thủy lợi
hPkkP
nbnod

....
2
γ
=
(T/m
2
) (2.5)
Trong đó:
γ-Trọng lượng riêng của nước (γ=1T/m
3
).
h-Chiều cao sóng.
2
P
-áp lực sóng tuơng đối lớn nhất trên điểm 1theo bảng 5-2/25
®Ønh ®ª

MNTT


Hình 2- 4: Sơ đồ áp lực sóng tác dụng lên mái nghiêng
k
nb
: hệ số xác định theo bảng 2.4 với phụ thuộc vào
h
λ

k
no
: hệ số xác định theo công thức:

).15,1028,0.(.8,485,0
λλ
h
m
h
k
no
−++=
(2.6)

λ
: chiều dài trung bình của bước sóng
Xác định tung độ z
2
:
))(1.21(
1
2
2
2
BAm
m
Az ++−+=
(2.7)
Trong đó:
A =
2
2
1
)23,047,0.(

m
m
h
h
+
+
λ
(2.8)
B =
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−−
λ
h
mh
).25,084,0(95,0.

- Tung độ Z
3
bằng chiều cao sóng leo;
- Các điểm cao hơn hoặc thấp hơn điểm 1 có áp lực sóng bé hơn, trị số được trình
bày bằng hình vẽ tương ứng các khoảng cách l
1
, l
2
, l

3
, l
4
được xác định:
l
1
=0,0125L
α
; l
2
=0,0265L
α
; l
3
=0,0325L
α
; l
4
=0,0675L
α
(2.9)
V ới L
α
=
42
1
.
−m
m
λ

m : độ dốc của mái đập.
f

Pd
0.4Pd
0.4Pd
0.1Pd

0.1Pd

2-5