TCVN 8421:2010 Công trình thủy lợi-Tải trọng và lực tác dụng lên công trình do sóng và tàu

TIÊU CHUẨN VIỆT NAM

TCVN 8421:2010

CÔNG TRÌNH THỦY LỢI – TẢI TRỌNG VÀ LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH DO SÓNG VÀ TÀU

Hydraulic Structures – Loads and actions of wind-induced and Ship-induced waves on structures

1. Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này được áp dụng trong thiết kế xây dựng mới hoặc cải tạo các công trình thủy lợi trên sông và biển.

Tiêu chuẩn quy định trị số tiêu chuẩn của tải trọng và tác động do sóng và tàu thuyền lên các công trình thủy lợi. Tải trong tính toán phải được xác định bằng tích của tải trọng tiêu chuẩn với hệ số vượt tải n, đề phòng trường hợp tải trọng có thể lệch về phía bất lợi so với trị số tiêu chuẩn của nó. Hệ số vượt tải phải lấy theo các yêu cầu nêu trong tiêu chuẩn hiện hành về “Công trình thủy lợi – các quy định chủ yếu về thiết kế”.

Tải trọng do sóng lên các công trình thủy lợi, thủy điện cấp I và cả đối với công trình cấp II khi có luận chứng thích đáng, cũng như các yếu tố tính toán của sóng ở các vụng nước hở1 hoặc được ngăn chắn phải được xác định chính xác trên cơ sở các số liệu quan sát ngoài thực địa và các số liệu nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

2. Thuật ngữ và ký hiệu

2.1. Thuật ngữ

2.1.1. Sóng trọng lực do gió (gradient wave)

Sóng do gió gây ra, trọng lực đóng vai trò chủ yếu trong việc hình thành sóng này.

2.1.2. Các yếu tố cơ bản của sóng (essential factors)

Chiều cao, chiều dài và chu kỳ sóng.

2.1.3. Sóng không ổn định (unstable wave)

Sóng có các yếu tố thay đổi một cách ngẫu nhiên.

2.1.4. Sóng ổn định (stable wave)

Sóng có chiều cao và chu kỳ không thay đổi tại điểm đã cho trong không gian chất lỏng choán chỗ.

2.1.5. Sóng tiến (chạy) (running wave)

Sóng có hình dạng nhận thấy được của nó di chuyển trong không gian.

2.1.6. Sóng đứng (standing wave)

Sóng có hình dạng nhận thấy được của nó không di chuyển trong không gian.

2.1.7. Hệ thống sóng (wave chain)

Chuỗi sóng liên tục có cùng một nguồn gốc.

2.1.8. Đường mặt cắt sóng (cross section wave)

Giao tuyến giữa mặt nổi sóng với mặt phẳng thẳng đứng trong hướng tia sóng (Hình 1). Đường mặt cắt sóng và các yếu tố sóng gồm:

Hình 1 – Đường mặt cắt và các yếu tố của sóng

2.1.9. Đường trung bình sóng (medium wave line)

Đường phân chia các dao động sóng ghi được thành hai phần diện tích trên và dưới đều nhau. Với các sóng ổn định, đường trung bình sóng là đường đi qua mức giữa đỉnh và chân sóng.

2.1.10. Thân sóng (wave body)

Phần sóng nằm phía trên đường trung bình sóng.

2.1.11. Đỉnh sóng (wave crest)

Điểm cao nhất của thân sóng.

2.1.12. Bụng sóng (under wave body)

Phần sóng nằm phía dưới đường trung bình sóng.

2.1.13. Chân sóng (bed of wave)

Điểm thấp nhất của bụng sóng.

2.1.14. Chiều cao sóng (heigh of wave):

Độ vượt cao của đỉnh sóng với chân sóng kế tiếp trên cùng một đường mặt cắt sóng.

2.1.15. Chu kỳ sóng (cycle of wave)

Khoảng thời gian để hai đỉnh sóng kế tiếp nhau đi qua một đường thẳng đứng đã định.

2.1.16. Front sóng (front wave)

Đường nằm trên bề mặt nối sóng và đi qua các điểm đỉnh của con sóng đang xét.

2.1.17. Tia sóng (radiant wave):

Đường vuông góc với front sóng tại điểm đang xét.

2.1.18. Vận tốc sóng (wave speed):

Vận tốc dịch chuyển thân sóng theo hướng truyền sóng.

2.1.19. Cơn bão tính toán (calculation stome):

Cơn bão, quan trắc được một lần trong một khoảng thời gian đã định (25, 50 hoặc 100 năm), có vận tốc, hướng, đà sóng và thời gian tác động của gió gây nên tại điểm tính toán các con sóng có các yếu tố sóng lớn nhất trong khoảng thời gian đã định đó.

2.1.20. Vận tốc gió tính toán (khi xác định các yếu tố sóng) (calculation wind speed):

Vận tốc gió ở độ cao 10 m trên mực nước.

2.1.21. Mực nước tính toán (calculation water level):

Mực nước được ấn định có xét đến dao động mùa và năm, nước dềnh do gió và thủy triều lên, xuống.

2.1.22. Đà sóng (momentum wave):

Chiều dài vùng nước, chịu tác động của gió, tính theo hướng gió đến điểm tính toán.

2.1.23. Áp lực sóng (pressurise wave):

Phần (thành phần) áp lực thủy động do sóng tạo ra trên mặt thoáng của chất lỏng. Áp lực sóng được lấy bằng hiệu số giữa các trị số áp lực thủy động tại điểm đang xét trong môi trường nước khi có sóng và khi không có sóng.

2.2. Ký hiệu

V_w: Vận tốc gió.

h_c: Độ dâng cao của đỉnh sóng so với mực nước tính toán.

h_t: Độ hạ thấp của chân sóng so với mực nước tính toán.

h: Chiều cao sóng.

l: Chiều dài sóng.

k: Số sóng.

T: Chu kỳ sóng.

w: Tần số tuần hoàn của sóng.

c: Vận tốc của sóng.

h/l: Độ đốc của sóng.

l/h: Độ thoải của sóng.

h_i, l_i, T_i: Tương ứng là chiều cao, chiều dài và chu kỳ sóng tần suất i% trong hệ thống.

: Tương ứng là chiều cao, chiều dài và chu kỳ trung bình của sóng.

d: Chiều sâu ứng với mực nước tính toán.

d_cr: Chiều sâu phân giớ, tại đó sóng đổ lần đầu.

d_cr,u: Chiều sâu, tại đó sóng đổ lần cuối.

Q: Lực tác động của sóng lên công trình, vật cản.

P: Tải trọng trên đơn vị dài (của công trình, vật cản).

p: Áp lực sóng.

r: Dung trọng nước.

g: Gia tốc trọng trường.

j: Góc nghiêng của mái (hoặc đáy) so với đường nằm ngang.

i: Độ dốc đáy.

3. Tải trọng và tác động của sóng lên công trình có mặt ngoài thẳng đứng hoặc nghiêng

3.1. Tải trọng do sóng đứng lên công trình có mặt ngoài thẳng đứng

3.1.1. Phải tính toán công trình theo tác động của sóng đứng từ ngoài khơi (trước công trình) (Hình 2) khi chiều sâu tính đến đáy d_b > 1,5 h và chiều sâu tính đến cơ d_br ≥ 1,25 h; đồng thời, trong trường hợp này, trong các công thức về mặt thoáng sóng và áp lực sóng, cần thay thế chiều sâu tính đến đáy d_b bằng chiều sâu tính toán quy ước d, m được xác định theo công thức:

d = d_f + k_br (d_b – d_f)                    (1)

CHÚ DẪN:

a) Trường hợp thân sóng;

b) Trường hợp bụng sóng (có áp lực sóng đẩy nổi lên khối cơ)

Hình 2 – Biểu đồ áp lực sóng đứng phía ngoài khơi lên tường thẳng đứng

Trong đó:

d_f: chiều sâu tính đến đáy công trình, m.

k_br: hệ số, được lấy theo các đồ thị ở Hình 3.

h: chiều cao sóng chạy, m, được lấy theo Phụ lục A.

Hình 3 – Các đồ thị hệ số k_br

3.1.2. Độ dâng cao hay hạ thấp của mặt thoáng sóng h, m, tại mặt tường thẳng đứng, so với mực nước tính toán phải được xác định theo công thức:

h = - h coswt - cth kd cos²wt                      (2)

Trong đó: w = : Tần số tuần hoàn của sóng;

: chu kỳ trung bình của sóng, tính bằng giây;

t: thời gian, tính bằng giây;

k = số sóng;

: chiều dài trung bình của sóng, tính bằng mét.

Dưới tác động của sóng đứng lên tường thẳng đứng, cần dự kiến ba trường hợp xác định h theo công thức (2) với các giá trị coswt sau:

a) coswt = 1, ứng với trường hợp đỉnh của con sóng tiến đến tường, cao hơn mức nước tính toán một đoạn h_max, m;

b) 1 > coswt > 0, với trường hợp thân sóng cao hơn mực nước tính toán một đoạn h_c, để có được trị số lớn nhất của tải trọng sóng nằm ngang P_xc, kN/m, (tính theo một mét chiều rộng), trị số coswt phải được tính theo công thức:

coswt =                (3)

c) coswt = -1, trường hợp này có trị lớn nhất của tải trọng sóng nằm ngang P_xt, kN/m, (tính theo một mét chiều rộng) và ứng với chân sóng thấp hơn mực nước tính toán một đoạn h_t.

CHÚ THÍCH: Khi d/≤ 0,2 cũng như trong mọi trường hợp mà theo công thức (3) cho trị số coswt > 1 thì trong các tính toán tiếp theo phải lấy coswt = 1.

3.1.3. Ở vùng nước sâu, cường độ tải trọng ngang của thân hoặc bụng sóng đứng lên tường thẳng đứng P_x, kN/m, (Hình 2) phải được lấy theo biểu đồ áp lực sóng, đồng thời đại lượng p, kPa, ở độ sâu z, m, phải được xác định theo công thức:

p = ρghe^-kz coswt - ρge-2^kz cos²wt – ρg(1-e^-2kz)cos2wt - ρge^-3kz cos²wtcoswt    (4)

Trong đó:

ρ: dung trọng của nước, T/m³;

g: gia tốc trọng trường, bằng 9,81 m/s²;

z: tung độ của các điểm kể từ mực nước tính toán (z₁ = h_c, z₂ = 0, …, z_n = d), m;

với các thân sóng khi ở điểm z₁ = h, và bụng sóng khi ở điểm z₆ = 0, cần phải lấy p = 0.

3.1.4. Ở vùng nước nông, cường độ tải trọng ngang của thân hoặc bụng sóng đứng lên tường thẳng đứng P_x (kN/m), (Hình 2), phải được lấy theo biểu đồ áp lực sóng, đồng thời đại lượng p, kPa, ở độ sâu z (m), phải được lấy theo Bảng 1.

Bảng 1 – Cường độ tải trọng ngang của thân hoặc bụng sóng đứng

Hình 4 – Các đồ thị hệ số k₂ và k₃

Hình 5 – Các đồ thị hệ số k₄ và k₅

Hình 6 – Các đồ thị hệ số k₈ và k₉

3.2. Tải trọng và tác động của sóng lên công trình có mặt ngoài thẳng đứng và các yếu tố sóng (các trường hợp đặc biệt)

(Mời xem tiếp trong file tải về)