(Luận văn thạc sĩ) Phân tích ứng xuất đập bê tông tràn nước dưới tác dụng của áp lực mạch động

i

L IC M

N

Lu n v n th c s chuyên ngành Xây d ng cơng trình Th y L i v i đ tài:
“Phân tích ng su t đ p bê tông tràn n
đ

cd

i tác d ng c a áp l c m ch đ ng”

c hoàn thành v i s giúp đ t n tình c a các Th y giáo, Cơ giáo trong và ngồi

B mơn Th y Cơng, Khoa Cơng trình, Tr

ng đ i h c Th y l i cùng các b n bè và

đ ng nghi p.
Tác gi xin chân thành c m n các Th y giáo, Cơ giáo, Gia đình, B n bè &
ng nghi p đã t o đi u ki n cho tác gi trong su t quá trình h c t p và th c hi n
lu n v n t t nghi p.

c bi t Tác gi xin bày t l i c m n sâu s c đ n TS. Lê

Thanh Hùng đã t n tình h

ng d n tác gi hoàn thành lu n v n này. Xin chân thành

c m n các gi ng viên Khoa Cơng Trình - Tr

ng

i h c Thu l i,Trung tâm

nghiên c u th y l c- Vi n Khoa H c Th y L i Vi t Nam đã cung c p tài li u ph c
v cho lu n v n này.
Tuy đã có nh ng c g ng nh t đ nh, nh ng do th i gian có h n và trình đ cịn
h n ch , vì v y cu n lu n v n này cịn có thi u sót. Tác gi kính mong Th y giáo,
Cô giáo, B n bè &
c u đ đ tài đ

ng nghi p góp ý đ tác gi có th ti p t c h c t p và nghiên

c hồn thi n h n, nâng cao trình đ khoa h c, ph c v s n xu t.

Xin chân thành c m n!
Hà N i, ngày 10 tháng 03 n m 2016
Tác gi lu n v n

Phan Liên Bang


ii

C NG HÒA XÃ H I CH NGH A VI T NAM
---

c l p – T do – H nh phúc --B N CAM K T

Kính g i: Ban Giám hi u Tr
Phòng ào t o

ng

i h c Th y l i

i h c và Sau

i h c – Tr

ng

i h c Th y l i

Tên tôi là: Phan Liên Bang
H c viên cao h c l p: 22C11
Chuyên ngành: Xây D ng Cơng Trình Th y
Mã h c viên: 1481580202001
Theo Quy t đ nh s 2039/Q - HTL ngày 27 tháng 10 n m 2015 c a Hi u
tr

ng Tr

ng

i h c Th y l i, v vi c giao đ tài lu n v n và cán b h

cho h c viên cao h c đ t 4 n m 2015, tôi đã đ

đ p bê tông tràn n

cd

ng d n

c nh n đ tài “Phân tích ng su t

i tác d ng c a áp l c m ch đ ng” d

is h

ng d n c a

th y giáo TS. Lê Thanh Hùng.
Tôi xin cam đoan lu n v n là k t qu nghiên c u c a tôi, không sao chép c a
ai. N i dung lu n v n có tham kh o và s d ng các tài li u, thông tin đ

c đ ng t i

trên các tài li u và các trang website theo danh m c tài li u tham kh o c a lu n v n.
Hà N i, ngày 10 tháng 03 n m 2016
Tác gi lu n v n

Phan Liên Bang


iii

DANH M C CÁC KÝ HI U

F LV
Qo
Xo

Di n tích l u v c
Dịng ch y trung bình n m
L ng m a trung bình nhi u n m

Qđb
Wo

L u l ng đ m b o
T ng l ng dòng ch y n m

MNDBT
MNC
MNLTK

M cn
M cn
M cn

c dâng bình th
c ch t
c l thi t k

MNLKT
MNTL
MNHL

∇ DMTL

M c n c l ki m tra
M c n c th ng l u
M cn ch l u
Cao trình đáy móng th

∇ DMHL

Cao trình đáy móng h l u

WTL

Áp l c n

c th

WHL

Áp l c n

ch l u

WBC

Áp l c bùn cát

WTH

Áp l c th m

WDN

Áp l c đ y n i

g
V
γn

ρ

ng

ng l u

ng l u

Gia t c tr ng tr ng
V nt c
Tr ng l ng riêng c a n

c

α

H s di n tích hi u d ng c a áp l c đ y
ng c
H s di n tích đáy móng ch u áp l c

γk

Dung tr ng khô bùn cát

n

H s r ng

γ bc

Dung tr ng đ y n i c a bùn cát

Ψ

Góc ma sát trong c a bùn cát


iv

M CL C
L I C M N .................................................................................................................. i
DANH M C CÁC KÝ HI U........................................................................................ iii
M C L C ...................................................................................................................... iv
DANH M C HÌNH V ................................................................................................. vi
DANH M C B NG BI U ............................................................................................ 1
Ch

ng I. T NG QUAN V M CH

TRÀN N

NG DỊNG CH Y

P BÊ TƠNG

C ................................................................................................................. 2

1.1. T ng quan v đ p bê tông tràn n

c

Vi t Nam và trên Th gi i...................... 2

1.2. T ng quan v m ch đ ng, áp l c m ch đ ng c a dòng ch y trên đ p bê tông
tràn n
1.3. S

c. ..................................................................................................................... 2
nh h

tông tràn n

ng c a áp l c m ch đ ng đ n phân b

ng su t b m t đ p bê

c. ............................................................................................................. 4

1.4. Gi i h n ph m vi nghiên c u c a lu n v n. ......................................................... 9
Ch

ng II. NGHIÊN C U LÝ THUY T V M CH

C A ÁP L C M CH

NG

N

NG VÀ

NH H

NG

NG SU T ....................................................... 10

2.1. C s lý thuy t m ch đ ng, xác đ nh áp l c m ch đ ng: .................................. 10
2.1.1. Hi n t

ng m ch đ ng........................................................................................... 10

2.1.2. Xác đ nh tính tốn áp l c m ch đ ng .................................................................... 15

2.2. Lý thuy t v

ng su t, ph

2.2.1. Lý thuy t v ph

ng pháp tính toán ng su t: ................................... 17

ng pháp ph n t h u h n. ......................................................... 17

2.2.2. Các ph n m m tính tốn, l a ch n ph n m m tính tốn........................................ 21
2.2.3. Phân tích ng su t đ p bê tông tràn n

cd

i tác d ng c a áp l c m ch đ ng

b ng ph n m m SAP2000................................................................................................ 21

2.3. K t lu n ch
Ch

ng 2: ............................................................................................. 24

ng III. TÍNH TỐN

NG SU T

P BÊ TƠNG TRÀN N

C CHO

CƠNG TRÌNH TH C T ............................................................................................ 26
3.1 Gi i thi u cơng trình tràn x l : .......................................................................... 26
3.1.1. Lý l ch cơng trình, c p cơng trình. ......................................................................... 26

v

C p cơng trình: II ............................................................................................................. 27
3.1.2. Hi n tr ng và các thông s k thu t. ...................................................................... 27

3.2 Tính tốn ng su t đ p bê tơng tràn n

c: .......................................................... 34

3.2.1. Các s li u đ u vào dùng cho tính tốn. ................................................................ 34
3.2.2. Tính tốn ng su t đ p bê tông tràn n

c khi b qua áp l c m ch đ ng. ............. 36

3.2.3. Tính tốn ng su t đ p bê tơng tràn n

c có k đ n áp l c m ch đ ng. ............... 52

3.3 K t lu n ch

ng 3: .............................................................................................. 63

K T LU N & KI N NGH : ....................................................................................... 64
TÀI LI U THAM KH O ............................................................................................. 66
PH L C TÍNH TỐN ............................................................................................... 67


vi

DANH M C HÌNH V

Hình 1.1: Phân B

ng su t σ3 đ p tràn th y đi n Trung S n khi có áp l c m ch

đ ng ................................................................................................................................. 5
Hình 1.2: Phân B

ng su t σ1 đ p tràn th y đi n Trung S n khi có áp l c m ch

đ ng ................................................................................................................................ 5
Hình 1.3: Phân B

ng su t σ3 đ p tràn th y đi n Trung S n khi khơng có áp l c

m ch đ ng ....................................................................................................................... 6
Hình 1.4: Phân B

ng su t σ1 đ p tràn th y đi n Trung S n khi khơng có áp l c

m ch đ ng ....................................................................................................................... 7
Hình 1.5: Phân B

ng su t σ1 đ p tràn th y đi n Trung S n khi khơng có áp l c

m ch đ ng ....................................................................................................................... 7
Hình 1.6: Phân B

ng su t σ1 đ p tràn th y đi n Trung S n khi khơng có áp l c

m ch đ ng ....................................................................................................................... 8
Hình 1.7: Phân B

ng su t σ3 đ p tràn th y đi n Trung S n khi khơng có áp l c

m ch đ ng ....................................................................................................................... 8
Hình 1.8: Phân B

ng su t σ3 đ p tràn th y đi n Trung S n khi không có áp l c

m ch đ ng ....................................................................................................................... 9
Hình 2.1: Tr s m ch đ ng và tr s bình quân theo th i gian .................................... 12
Hình 2.2: M ch đ ng áp l c có trong dịng ch y r i ( o trong máng thí nghi m) a)
V trí sau n

c nh y, trên tr c đáy máng; b)

ph n gi a n

c nh y; c) Trong ng

x c a turbin cánh quay................................................................................................. 14
Hình 2.3: Tr s tiêu chu n m ch đ ng áp su t ............................................................. 16
Hình 2.4: Ch n đ n v tính tốn .................................................................................... 21
Hình 2.5:

ng chu vi đ p vè n n .............................................................................. 22

Hình 2.6: Mơ hình m ng l

i ph n t .......................................................................... 23

Hình 3.1: M t c t tràn v n hang ph

ng án thi t k ..................................................... 27


vii

Hình 3.2: M t c t tính tốn ng su t đ p tràn a M’Bri .............................................. 34
Hình 3.3: Áp l c n

c th

ng l u TH1........................................................................ 37

Hình 3.4: Áp l c th m TH1 .......................................................................................... 38
Hình 3.5: Áp l c bùn cát TH1 ....................................................................................... 39
....................................................................................................................................... 40
Hình 3.5a: Áp l c n

c t nh TH1 ................................................................................. 40

Hình 3.6: Áp l c n

c th

ng l u TH2........................................................................ 41

Hình 3.7: Áp l c n

c h l u TH2 ............................................................................... 42

Hình 3.8: Áp l c th m TH2 .......................................................................................... 43
Hình 3.9: Áp l c đ y n i TH2 ...................................................................................... 44
Hình 3.10: Áp l c bùn cát TH2 ..................................................................................... 45
Hình 3.11: Áp l c n

c t nh TH2 ................................................................................. 46

Hình 3.12: Áp l c n

c th

Hình 3.13: Áp l c n

c h l u TH3 ............................................................................. 48

ng l u TH3...................................................................... 47

Hình 3.14: Áp l c th m TH3 ........................................................................................ 49
Hình 3.15: Áp l c đ y n i TH3 .................................................................................... 50
Hình 3.16: Áp l c bùn cát TH3 ..................................................................................... 51
Hình 3.17: Áp l c n

c t nh TH3 ................................................................................. 52

....................................................................................................................................... 53
Hình 3.18: Bi u

Phân B Áp Su t T c Th i Trên Tràn ......................................... 53

Hình 3.19: Áp l c m ch đ ng tác d ng lên m t tràn ng v i Q=800 m3/s .................. 54
Hình 3.20: Áp l c m ch đ ng tác d ng lên m t tràn ng v i Q=1200 m3/s ................ 55
Hình 3.21: Áp l c m ch đ ng tác d ng lên m t tràn ng v i Q=1612 m3/s ................ 55
Hình 3.22: Áp l c m ch đ ng tác d ng lên m t tràn ng v i Q=1935.8 m3/s ............. 56
Hình 3.23: V trí m t s đi m nút đ i di n trên tràn ..................................................... 56
Hình 3.24: Bi u đ phân b

ng su t S11 trên m t tràn TH1, TH1A, TH1B .............. 57

Hình 3.25: Bi u đ phân b

ng su t S11 trên m t tràn TH2,TH2A ........................... 57

Hình 3.26: Bi u đ phân b

ng su t S11 trên m t tràn TH3,TH3A ........................... 58

Hình 3.27: Bi u đ phân b

ng su t S22 trên m t tràn TH1,TH1A,TH1B ................ 59


viii

Hình 3.28: Bi u đ phân b

ng su t S22 trên m t tràn TH2,TH2A ........................... 59

Hình 3.29: Bi u đ phân b

ng su t S22 trên m t tràn TH3,TH3A ........................... 60

Hình 3.30: Bi u đ phân b

ng su t S12 trên m t tràn TH1,TH1A,TH1B ................ 61

Hình 3.31: Bi u đ phân b

ng su t S12 trên m t tràn TH2,TH2A ........................... 61

Hình 3.32: Bi u đ phân b

ng su t S12 trên m t tràn TH3,TH3A ........................... 62


1

DANH M C B NG BI U

b ng 3.1: b ng thơng s chính c a cơng trình ®a m'bri ........................................... 29
B NG 3.2: CÁC S LI U

U VÀO ....................................................................... 35

B ng 3.3: K t Qu Thí Nghi m Áp Su t Trên M t Tràn, D c Tim Tràn ..................... 53
B ng 3.4: S thay đ i ng su t S11 khi có xét t i Áp l c m ch đ ng ......................... 58
B ng 3.5: S thay đ i ng su t S22 khi có xét t i Áp l c m ch đ ng ......................... 60
B ng 3.6: S thay đ i ng su t S12 khi có xét t i Áp l c m ch đ ng ......................... 62

2

Ch

ng I. T NG QUAN V M CH
P BÊ TÔNG TRÀN N

1.1. T ng quan v đ p bê tông tràn n

c

tràn n

C

Vi t Nam và trên Th gi i.

Hi n nay trên th gi i đ p bê tông đ
nh ng n

NG DÒNG CH Y

c s d ng r t ph bi n trên th gi i,

c có nhi u thành t u l n nh là M , Nh t, Trung Qu c….
cb tđ uđ

c s d ng vào cu i th k XIX đ u th k XX, trong nh ng

ngày đ u do trình đ khoa h c còn h n ch đ ng th i ch a l
nh h
đ

ng h t đ

c nh ng

ng c a ng su t trong đ p bê tông kh i l n nên hình th c đ p này ch a

c dùng nhi u. Tuy nhiên, vài th p k sau đó v i s phát tri n c a khoa h c k

thu t và cơng ngh thì đ p bê tông tràn n
đ

p bê tông

c đã b t đ u phát tri n m nh và r t

c a chu ng trên Th gi i và Vi t Nam.

1.2. T ng quan v m ch đ ng, áp l c m ch đ ng c a dòng ch y trên đ p bê
tông tràn n

c.

Trong nh ng n m v a qua, nhi u cơng trình th y l i, th y đi n l n đã đ
d ng. Các cơng trình này th

ng có c t n

c xây

c l n, có l u t c dịng ch y l n trên m t

tràn, l u t c vùng m i phun. Nhi u đ p tràn đ t đ n l u t c t 25m/s đ n 35m/s,
nh : Tràn B n V , Sê San 3A, Sê San 4, Sông Tranh 2, B n Chát, Kanak, C a

t,

nh Bình …
t

Dịng ch y trên đ p bê tơng tràn n c có l u t c cao khơng ch gây ra hi n
ng khí th c mà còn gây ra hi n t ng m ch đ ng l u t c. Khi m ch đ ng l u t c

đ l n gây rung đ ng v i cơng trình, nh h
bi t là ng su t l p biên m t tràn.

ng đ n phân b

ng su t đ p tràn, đ c

M ch đ ng áp su t c a dòng ch y r i có quan h v i s rung đ ng, xâm th c,
tiêu n ng, xói l , bong tróc b m t, phân b ng su t c a cơng trình th y cơng. Hi n
t ng m ch đ ng c a dịng ch y có l u t c cao sinh ra t i tr ng đ ng c a n c trên
đ nh nhà máy th y đi n ng m sau đ p, t i tr ng đ ng đ i v i c a van có c t n c
cao, t i tr ng đ ng c a n c tác d ng trên b n đáy c a b tiêu n ng, t i tr ng đ ng
c a dòng ch y đ i v i t ng h ng dòng, t i tr ng đ ng đ i v i t ng bên c a d c

3

n c… . Các v n đ nêu trên đ u liên quan đ n tính n đ nh và rung đ ng c a k t
c u cơng trình th y công.
i v i bê tông kh i l n, vi c tính tốn và d đốn đ c tr c ng su t là
m t v n đ r t quan tr ng, đ c bi t là ng su t kéo. p bê tông tràn n c không
ph i là m t ngo i l , d i tác d ng c a áp l c m ch đ ng s làm phát sinh ng su t
kéo trên b m t đ p tràn n c n u hình dáng thi t k khơng t t ho c là l p b m t
khơng tính tốn c ng nh thi công t t s gây ra rung đ ng phát sinh ti ng n, bong
tróc, xâm th c n mòn các lo i v t li u b o v b m t cơng trình, phá ho i k t c u
bê tông nh h ng nghiêm tr ng đ n tu i th và kh n ng làm vi c c a cơng trình.
a) V m ch đ ng l u t c
Dòng ch y trong cơng trình th y l i, th y đi n th

ng là dịng r i; đ c bi t

các cơng trình có dịng l u t c cao thì đ r i càng l n. Chính k t c u đ r i này
kh ng ch chuy n đ ng theo th i gian c a dòng ch y, quy lu t s c c n và đ c tính
đ ng l c có ý ngh a th c t đ i v i cơng trình nh tiêu n ng, tr n khí (hàm khí), khí
th c, rung đ ng .v.v.
Trong nghiên c u k t c u dòng r i theo ph

ng pháp Reynol, đem l u t c

m t đi m b t k c a dòng ch y phân thành ba thành ph n: U, V, W; áp l c p dùng
các tham s v t lý khác có liên quan di n t thành “Tr s bình quân theo th i gian”
và “tr s m ch đ ng” t c là: U= U + U ' ; V= V + V ' ϖ= ϖ + ϖ ' ; P= P + P ' (1.1)
Thông s “Tr s m ch đ ng” là ch l

ng sóng dao đ ng trên d

i tr s bình quân

theo th i gian. Nó đ c tr ng cho q trình đ ng thái c a dòng ch y chuy n đ ng;
trong đó tr s U ,V ,ϖ , P ch tr s bình quân th ng kê theo th i gian (t c là k v ng
s h c), dùng ký hi u E[U, V, w, p ] đ di n t các tr ng thái c a quá trình di n ra.
b) V m ch đ ng áp su t
Nghiên c u m ch đ ng áp su t c a dịng ch y r i trong phịng thí nghi m là
m t v n đ quan tr ng trong th y l c cơng trình. B i l tác d ng trên biên c a cơng
trình th y công; m ch đ ng áp su t c a dịng ch y r i có quan h v i s rung đ ng,
xâm th c, tiêu n ng, xói l c a cơng trình th y cơng. Các v n đ này bao g m các
m t:


4

+ Liên quan đ n t i tr ng c a dòng ch y
th

ng g p các v n đ d

biên cơng trình; trong cơng trình th c t

i đây:

i tác d ng c a dịng ch y có l u t c cao, t i tr ng đ ng c a n

D

m t đ p bê tông tràn n
đ ng c a n
đ iv it

c, t i tr ng đ ng đ i v i c a van có c t n

c lên b

c cao, t i tr ng

c tác d ng trên b n đáy c a b tiêu n ng, t i tr ng đ ng c a dòng ch y
ng h

ng dòng, t i tr ng đ ng đ i v i t

ng bên c a d c n

c… Các

v n đ nêu trên đ u liên quan đ n tính n đ nh và rung đ ng c a k t c u cơng trình
th y cơng.
+ Ti ng n c a dịng ch y r i và khí hố (gi m áp)

th i đi m t c th i trong dòng

ch y: Khi biên c ng t n t i áp su t âm bình quân theo th i gian, do m ch đ ng áp
su t mà xu t hi n khí hố t c th i c a dòng ch y và trong n i b dòng ch y c a khu
phân ly do m ch đ ng áp su t t o ra. Khi xác đ nh s khí hố s sinh th
đ n tr s m ch đ ng áp su t. V n đ ng

ng tính

c l i là do khí hố c a dịng ch y gây ra

ti ng n.
+ Hi n t

ng m ch đ ng c a dịng ch y có l u t c l n trên đ

ng tràn s sinh ra

các tác h i trên b m t c ng nh bên trong các cơng trình tháo l .
1.3. S

nh h

ng c a áp l c m ch đ ng đ n phân b

tông tràn n

ng su t b m t đ p bê

c.

Trong th c t , khi tính tốn thi t k các cơng trình th y l i trong đó có đ p bê
tông tràn n

c, do nh h

ng c a áp l c m ch đ ng không quá nhi u nên v i

nh ng công trinh không quá quan tr ng và l u t c dòng ch y không l n l m, ng
ta th

ng b qua nh h

ng c a m ch đ ng t i công trình.

i


5

Hình 1.1: Phân B

ng su t σ3 đ p tràn th y đi n Trung S n khi có áp l c
m ch đ ng

Hình 1.2: Phân B

ng su t σ1 đ p tràn th y đi n Trung S n khi có áp l c m ch
đ ng


6

Hình 1.3: Phân B

ng su t σ3 đ p tràn th y đi n Trung S n khi khơng có áp

l c m ch đ ng


7

Hình 1.4: Phân B

ng su t σ1 đ p tràn th y đi n Trung S n khi khơng có áp
l c m ch đ ng

Hình 1.5: Phân B

ng su t σ1 đ p tràn th y đi n Trung S n khi khơng có áp
l c m ch đ ng


8

Hình 1.6: Phân B

ng su t σ1 đ p tràn th y đi n Trung S n khi khơng có áp
l c m ch đ ng

Hình 1.7: Phân B

ng su t σ3 đ p tràn th y đi n Trung S n khi khơng có áp
l c m ch đ ng


9

Hình 1.8: Phân B

ng su t σ3 đ p tràn th y đi n Trung S n khi khơng có áp
l c m ch đ ng

Các hình nh
đã thi cơng

trên là bi u đ phân b

ng su t c a m t s cơng trình th y đi n

Vi t Nam. Ta có th th y đ

c r ng, khi khơng có áp l c m ch đ ng,

trên b m t đ p ch xu t hi n ng su t âm. Cịn tr

ng h p có k đ n áp l c m ch

đ ng thì trên b m t đ p tràn xu t hi n ng su t d

ng. Và vi c xu t hi n ng su t

này s gây ra các hi n t

ng b t l i v i k t c u c a v t li u đó là: hi n t

đ ng, phát sinh ti ng n; hi n t

m t cơng trình; hi n t

ng rung

ng xâm th c n mòn các lo i v t li u b o v b

ng xâm th c phá ho i k t c u bê tông; và làm gi m tu i th

c a cơng trình.
1.4. Gi i h n ph m vi nghiên c u c a lu n v n.
- Nghiên c u các lý thuy t v hi n t
l n trên đ p bê tông tràn n c.

ng m ch đ ng dịng ch y có l u t c

- Nghiên c u nh h ng c a áp l c m ch đ ng dòng ch y có l u t c l n đ n
phân b ng su t đ p bê tông tràn n c.
- Nghiên c u lý thuy t ph n t h u h n và các ph n m m tính tốn ng su t.
tràn n

ng d ng ph m m m tính tốn Sap2000 vào tính tốn ng su t đ p bê tơng
c khi có xét t i áp l c m ch đ ng và khi không xét t i áp l c m ch đ ng.

Tù đó đ a ra đánh giá v s phân b

ng su t trên đ p trong hai tr

ng h p này.

10

Ch

ng II. NGHIÊN C U LÝ THUY T V M CH

NH H

NG C A ÁP L C M CH

NG

N

NG VÀ
NG SU T

2.1. C s lý thuy t m ch đ ng, xác đ nh áp l c m ch đ ng:
2.1.1. Hi n t

ng m ch đ ng

a) Khái Ni m
M ch đ ng là s dao đ ng c a giá tr các thông s ch y ( L u t c, áp l c, đ
sâu…) xung quanh giá tr trung bình th i gian.
Có th bi u di n giá tr t c th i c a các thơng s ch y qua giá tr trung bình
th i gian và giá tr m ch đ ng c a chúng:
L u t c: U= U + U ' ;

Áp su t: P= P + P ' ;

Trong đó:
+ u,p là tr s t c th i c a l u t c, áp su t t i đi m đang xét trong dòng
ch y
+ U , P là ch s trung bình th i gian c a U,P
+ U’,P’ là m ch đ ng c a l u t c áp su t
Tr s U’,P’ có th d

- V m ch đ ng l u t c:

ng, âm ho c b ng không


11

Dịng ch y trong cơng trình th y l i, th y đi n th

ng là dòng r i ; đ c bi t các

cơng trình có dịng l u t c cao thì đ r i càng l n. Chính k t c u đ r i này kh ng
ch chuy n đ ng theo th i gian c a dòng ch y, quy lu t s c c n và đ c tính đ ng
l c có ý ngh a th c t đ i v i công trình nh tiêu n ng, tr n khí (hàm khí), khí th c,
rung đ ng…
Trong nghiên c u k t c u dòng r i theo ph

ng pháp Reynol, đem l u t c m t

đi m b t k c a dòng ch y phân thành ba thành ph n: U, V, W; áp l c p dùng các
tham s v t lý khác có liên quan di n t thành “Tr s bình quân theo th i gian” và
“tr s m ch đ ng” t c là:
U= U + U '

P= P + P '

(2.1)

V= V + V '
ϖ= ϖ + ϖ '

Thông s “Tr s m ch đ ng” là ch l

ng sóng dao đ ng trên d

i tr s bình qn

theo th i gian. Nó đ c tr ng cho quá trình đ ng thái c a dịng ch y chuy n đ ng;
trong đó tr s U , P ,V ,ϖ ch tr s bình quân th ng kê theo th i gian (t c là k v ng
s h c), dùng ký hi u E[U, V, w, p ] đ di n t các tr ng thái c a quá trình di n ra,
đ i v i th ng kê bình quân theo th i gian thay cho bình quân c a t p h p.
, V , w, p ] U=
, P , V ,ϖ limtdO
E [U=

T

1
[U ,V , w, p ]d
T O∫

(2.2)

12

Hình 2.1: Tr s m ch đ ng và tr s bình quân theo th i gian
- V m ch đ ng áp su t
Trên biên c a cơng trình th y công; m ch đ ng áp su t c a dịng ch y r i có
quan h v i s rung đ ng, xâm th c, tiêu n ng, xói l c a cơng trình th y cơng. Các
v n đ này bao g m các m t:
+ Liên quan đ n t i tr ng c a dòng ch y
th c t th
D

ng g p các v n đ d

biên cơng trình; trong cơng trình

i đây:

i tác d ng c a dịng ch y có l u t c cao, t i tr ng đ ng c a n

c trên

đ nh nhà máy th y đi n ng m sau đ p, t i tr ng đ ng đ i v i c a van có c t n
cao, t i tr ng đ ng c a n
c a dòng ch y đ i v i t
n

c

c tác d ng trên b n đáy c a b tiêu n ng, t i tr ng đ ng
ng h

ng dòng, t i tr ng đ ng đ i v i t

ng bên c a d c

c…, Các v n đ nêu trên đ u liên quan đ n tính n đ nh và rung đ ng c a k t

c u cơng trình th y cơng.
+ Ti ng n c a dịng ch y r i và khí hố (gi m áp)

th i đi m t c th i trong

dòng ch y:
Khi biên c ng t n t i áp su t âm bình quân theo th i gian, do m ch đ ng áp
su t mà xu t hi n khí hố t c th i c a dòng ch y và trong n i b dòng ch y c a khu
phân ly do m ch đ ng áp su t t o ra. Khi xác đ nh s khí hố s sinh th

ng tính


13

đ n tr s m ch đ ng áp su t. V n đ ng

c l i là do khí hố c a dịng ch y gây ra

ti ng n.

b) Nguyên nhân
S hình thành c a m ch đ ng có liên quan đ n các biên c a dịng ch y: s thay

đ im cn

c th

ng h l u, tác đ ng c a sóng, gió trong h ch a, nh h

đ nhám lịng d n … có r t nhi u y u t có th
bê tơng tràn n

nh h

ng c a

ng đ n dòng ch y trên đ p

c. S t h p c a các y u t này có tính ng u nhiên. K t qu là các

thơng s dịng ch y c ng s bi n đ i m t cách ng u nhiên. Tuy v y s bi n đ i đó
v n tuân theo nh ng quy lu t nh t đ nh mà vi c nghiên c u lý thuy t và th c
nghi m đã d n làm sáng t chúng.
c) nh h

ng

M ch đ ng nh h
h

ng đ n dịng ch y và cơng trình trên nhi u m t. Các nh

ng quan tr ng nh t là:

- Thay đ i t i tr ng lên b m t cơng trình
Theo th i gian c a áp su t lên cơng trình, thành lịng d n c ng ch u s thay đ i

c a áp su t ki u t

ng t , k t qu là áp l c lên b m t cơng trình ln ln thay đ i.

i u này có nh h

ng đ n n đ nh và đ b n c a k t c u.

Khi đáy lòng d n (d c n

c, b tiêu n ng, sân sau) là các t m làm vi c đ c l p

thì s h th p đ t ng t áp l c th y đ ng lên đó có th làm cho t m b m t n đ nh
do đ y n i. Ng

c l i khi áp l c đ t ng t gia t ng, có th làm cho t m b n t v do

ng su t kéo t i m t s đi m v

t quá gi i h n c a v t li u.

Khi thành lòng d n là các đi m làm vi c đ c l p ( không n i li n v i b n đáy)
thì s h th p đ t ng t áp l c th y đ ng lên t
b ng và b đ y tr
theo h

t v phía tr

ng có th làm cho nó b m t cân

c; ng su t trong t

ng c ng có nh ng thay đ i

ng b t l i.
i v i các ng có áp, s thay đ i áp l c n

dù t ng hay gi m đ u gây b t l i, áp l c n

c nên thành ng theo c hai h

ng

c t ng s làm t ng ng su t kéo trong


14

thành ng; áp l c gi m có th sinh ra chân khơng gây b p ng……..

Hình 2.2: M ch đ ng áp l c có trong dịng ch y r i ( o trong máng thí
nghi m) a) V trí sau n

c nh y, trên tr c đáy máng; b) ph n gi a n
Trong ng x c a turbin cánh quay

c nh y; c)

- Gây rung đ ng
S thay đ i t i tr ng s d n đ n h qu là dây rung đ ng công trình. S rung
đ ng m nh có th d dàng nh n ra

các k t c u m nh. Và n u k t c u có t n s

giao đ ng t do x p x b ng t n s giao đ ng c
th phát sinh c ng h

ng làm đ v cơng trình.

Rung đ ng m nh c ng làm nh h
c n l u ý v i cơng trình d
- Làm thay đ i m c n
S gia t ng m c n
n

c ki u h , nh h
- nh h

ng b c do m ch đ ng gây ra thì có

i đ t nh đ

ng đ n đ b n c a các kh p n i .

i u này

ng h m, c ng ng m.

c

c trong lịng d n có th d n đ n tràn b các cơng trình tháo

ng đ n an tồn cơng trình.

ng đ n s khí hóa dịng ch y

T i các đi m mà m ch đ ng áp su t có “đ nh âm” thì có th sinh ra chân khơng,
làm cho dịng ch y b khí hóa , có th d n đ n khí th c làm h h ng thành lòng d n.
- nh h

ng đ n xói lịng d n

Khi g p các “đ nh d

ng” c a m ch đ ng l u t c tr s l u t c t c th i c a


15

dịng ch y có th v
t

t q l u t c kh i đ ng c a v t li u đáy và mái lịng d n. Hi n

ng xói h l u x y ra ph bi n

các đ

ng tràn, c ng t

i, tiêu đ u m i và trên

h th ng.
i v i các ng có áp, s thay đ i áp l c n
dù t ng hay gi m đ u gây b t l i, áp l c n

c nên thành ng theo c hai h

ng

c t ng s làm t ng ng su t kéo trong

thành ng; áp l c gi m có th sinh ra chân không gây b p ng……..
2.1.2. Xác đ nh tính tốn áp l c m ch đ ng
Do m ch đ ng mang đ c tr ng c a hàm ng u nhiên nên đ xác đ nh nó c n các
thông s quan tr ng nh tr s tiêu chu n (σ), biên đ c c đ i (A) và t n s (f).
a) Tr s tiêu chu n m ch đ ng
ây là tr s quân ph

ng c a các giá tr t c th i c a m ch đ ng . V i m ch

đ ng áp su t σ p :
σp =

n

∑ (p ')

2

i

(2.3)

/n

1

Trong đó: n- là s l n đo
p'i - tr s m ch đ ng áp su t

l n đo th i

b) Biên đ m ch đ ng
Biên đ m ch đ ng là đ chênh l n nh t gi a tr s c c đ i (hay c c ti u) so
v i tr s tiêu chu n c a đ i l
tính c a đ i l

ng m ch đ ng đang xét. Vì m ch đ ng mang đ c

ng ng u nhiên nên tr s c a biên đ (A) l i ph thu c vào t n s

xu t hi n (p) c a nó trong m t quan h g i là ph m ch đ ng .
Tính tốn thơng th

ng l y: A=3σ,

16

Hình 2.3: Tr s tiêu chu n m ch đ ng áp su t
a)

đáy long d n có n

v trí đ u n

c nh y hoàn ch nh: x- kho ng cách t m t c t đo đ n

c nh y; Ln : Chi u dài n

u : L u t c trung bình m t c t đ u n

c nh y; ρ : kh i l

ng riêng c a n

c;

c nh y; b) Áp su t bình quân p (o) khi

van m a=0,8h (1) và tiêu chu n m ch đ ng áp su t σ p trên tr n c ng x , khi
đ m a/h=0,8 (2); 0,5 (3) và 0,2 (4); pn áp su t tr

c c a van

Trong đó: + A là biên đ m ch đ ng

+ σ là tiêu chu n m ch đ ng
Trong nh ng tr

ng h p yêu c u đ an tồn cao h n, có th l y : A=4σ,

Các c c tr đ i l

ng X đang xét là:
X max,min= X ± Ax

Trong đó: X - Giá tr trung bình th i gian c a X

(2.4)


17

Ax - Biên đ m ch đ ng c a đ i l

ng X

c) T n s m ch đ ng
i v i giao đ ng đi u hịa thì t n s f có giá tr khơng đ i, cịn đ i v i m ch
đ ng f thì ch là giá tr t

ng đ i.

Dòng ch y qua cơng trình thì có 2 lo i m ch đ ng: m ch đ ng l n và m ch
đ ng nh . M ch đ ng nh thì t n s xu t hi n cao; m ch đ ng l n thì t n s xu t
hi n th p.

T n s m ch đ ng có ý ngh a l n khi xét rung đ ng c a cơng trình. Ch ng h n
dịng ch y qua đ p tràn có t n s m ch đ ng trung bình f=(200-300)Hz, cao h n
nhi u so v i t n s dao đ ng riêng c a đ p nên không th gây ra c ng h
2.2. Lý thuy t v

ng su t, ph

2.2.1. Lý thuy t v ph

ng .

ng pháp tính tốn ng su t:

ng pháp ph n t h u h n.

a) L ch s
Ph

ng pháp ph n t h u h n đ

c b t ngu n t nh ng yêu c u gi i các bài

toán ph c t p v lý thuy t đàn h i, phân tích k t c u trong xây d ng và k thu t
hàng khơng. Nó đ

c b t đ u phát tri n b i Alexander Hrennikoff (1941)

và Richard Courant (1942). M c dù h

ng ti p c n c a nh ng ng

i đi tiên phong

là khác nhau nh ng h đ u có m t quan đi m chung, đó là chia nh ng mi n liên t c
thành nh ng mi n con r i r c. Hrennikoff r i r c nh ng mi n liên t c b ng cách s
d ng l

it

ng t , trong khi Courant chia nh ng mi n liên t c thành nh ng mi n

có hình tam giác cho cách gi i th hai c a ph

ng trình vi phân t ng ph n elliptic,

xu t hi n t các bài toán v xo n c a ph n t thanh hình tr . S đóng góp c a
Courant là phát tri n, thu hút m t s ng
PPVPTP elliptic đ

i nhanh chóng đ a ra k t qu cho

c phát tri n b i Rayleigh, Ritz, và Galerkin. S

chính th c c a PPPTHH đ

phát tri n

c b t đ u vào n a sau nh ng n m 1950 trong vi c phân

tích k t c u khung máy bay và cơng trình xây d ng, và đã thu đ

c nhi u k t qu

Berkeley (xem Early Finite Element Research at Berkeley) trong nh ng n m 1960