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.

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.

12ò2. 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

: 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

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

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




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

- 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
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


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


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


3,7 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

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

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

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.

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

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.