8421-2010 Tải trọng tác dụng do sóng và gió

TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TCVN 8421 : 2010 CƠNG TRÌNH THỦY LỢI – TẢI TRỌNG VÀ LỰC TÁC DỤNG LÊN CƠNG TRÌNH DO SĨNG VÀ TÀU Hydraulic Structures – Loads and actions of wind-induced and Ship-induced waves on structures Phạm vi áp dụng Tiêu chuẩn áp dụng thiết kế xây dựng cải tạo cơng trình thủy lợi sơng biển Tiêu chuẩn quy định trị số tiêu chuẩn tải trọng tác động sóng tàu thuyền lên cơng trình thủy lợi Tải tính tốn phải xác định tích tải trọng tiêu chuẩn với hệ số vượt tải n, đề phòng trường hợp tải trọng lệch phía bất lợi so với trị số tiêu chuẩn Hệ số vượt tải phải lấy theo yêu cầu nêu tiêu chuẩn hành “Cơng trình thủy lợi – quy định chủ yếu thiết kế” Tải trọng sóng lên cơng trình thủy lợi, thủy điện cấp I cơng trình cấp II có luận chứng thích đáng, yếu tố tính tốn sóng vụng nước hở ngăn chắn phải xác định xác sở số liệu quan sát thực địa số liệu nghiên cứu phịng thí nghiệm Thuật ngữ ký hiệu 2.1 Thuật ngữ 2.1.1 Sóng trọng lực gió (gradient wave) Sóng gió gây ra, trọng lực đóng vai trị chủ yếu việc hình thành sóng 2.1.2 Các yếu tố sóng (essential factors) Chiều cao, chiều dài chu kỳ sóng 2.1.3 Sóng khơng ổn định (unstable wave) Sóng có yếu tố thay đổi cách ngẫu nhiên 2.1.4 Sóng ổn định (stable wave) Sóng có chiều cao chu kỳ không thay đổi điểm cho khơng gian chất lỏng chốn chỗ 2.1.5 Sóng tiến (chạy) (running wave) Sóng có hình dạng nhận thấy di chuyển khơng gian 2.1.6 Sóng đứng (standing wave) Sóng có hình dạng nhận thấy khơng di chuyển khơng gian 2.1.7 Hệ thống sóng (wave chain) Chuỗi sóng liên tục có nguồn gốc 2.1.8 Đường mặt cắt sóng (cross section wave) Giao tuyến mặt sóng với mặt phẳng thẳng đứng hướng tia sóng (Hình 1) Đường mặt cắt sóng yếu tố sóng gồm: Hình – Đường mặt cắt yếu tố sóng 2.1.9 Đường trung bình sóng (medium wave line) Vụng nước khu nước phía trước bến tàu cảng, vụng nước hở vụng nước trực tiếp thông biển, khơng ngăn đê phá sóng Đường phân chia dao động sóng ghi thành hai phần diện tích Với sóng ổn định, đường trung bình sóng đường qua mức đỉnh chân sóng 2.1.10 Thân sóng (wave body) Phần sóng nằm phía đường trung bình sóng 2.1.11 Đỉnh sóng (wave crest) Điểm cao thân sóng 2.1.12 Bụng sóng (under wave body) Phần sóng nằm phía đường trung bình sóng 2.1.13 Chân sóng (bed of wave) Điểm thấp bụng sóng 2.1.14 Chiều cao sóng (heigh of wave): Độ vượt cao đỉnh sóng với chân sóng đường mặt cắt sóng 2.1.15 Chu kỳ sóng (cycle of wave) Khoảng thời gian để hai đỉnh sóng qua đường thẳng đứng định 2.1.16 Front sóng (front wave) Đường nằm bề mặt nối sóng qua điểm đỉnh sóng xét 2.1.17 Tia sóng (radiant wave): Đường vng góc với front sóng điểm 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 tốn (calculation stome): Cơn bão, quan trắc lần khoảng thời gian định (25, 50 100 năm), có vận tốc, hướng, đà sóng thời gian tác động gió gây nên điểm tính tốn sóng có yếu tố sóng lớn khoảng thời gian định 2.1.20 Vận tốc gió tính tốn (khi xác định yếu tố sóng) (calculation wind speed): Vận tốc gió độ cao 10 m mực nước 2.1.21 Mực nước tính tốn (calculation water level): Mực nước ấn định có xét đến dao động mùa năm, nước dềnh gió thủy triều lên, xuống 2.1.22 Đà sóng (momentum wave): Chiều dài vùng nước, chịu tác động gió, tính theo hướng gió đến điểm tính tốn 2.1.23 Áp lực sóng (pressurise wave): Phần (thành phần) áp lực thủy động sóng tạo mặt thống chất lỏng Áp lực sóng lấy hiệu số trị số áp lực thủy động điểm xét môi trường nước có sóng khơng có sóng 2.2 Ký hiệu Vw: Vận tốc gió ηc: Độ dâng cao đỉnh sóng so với mực nước tính tốn ηt: Độ hạ thấp chân sóng so với mực nước tính tốn h: Chiều cao sóng λ: Chiều dài sóng k: Số sóng T: Chu kỳ sóng ω: Tần số tuần hồn sóng c: Vận tốc sóng h/λ: Độ đốc sóng λ/h: Độ thoải sóng hi, λi, Ti: Tương ứng chiều cao, chiều dài chu kỳ sóng tần suất i% hệ thống h , λ , T : Tương ứng chiều cao, chiều dài chu kỳ trung bình sóng d: Chiều sâu ứng với mực nước tính tốn dcr: Chiều sâu phân giớ, sóng đổ lần đầu dcr,u: Chiều sâu, sóng đổ lần cuối Q: Lực tác động sóng lên cơng trình, vật cản P: Tải trọng đơn vị dài (của cơng trình, vật cản) p: Áp lực sóng ρ: Dung trọng nước g: Gia tốc trọng trường ϕ: Góc nghiêng mái (hoặc đáy) so với đường nằm ngang i: Độ dốc đáy Tải trọng tác động sóng lên cơng trình có mặt ngồi thẳng đứng nghiêng 3.1 Tải trọng sóng đứng lên cơng trình có mặt ngồi thẳng đứng 3.1.1 Phải tính tốn cơng trình theo tác động sóng đứng từ ngồi khơi (trước cơng trình) (Hình 2) chiều sâu tính đến đáy db > 1,5 h chiều sâu tính đến dbr ≥ 1,25 h; đồng thời, trường hợp này, cơng thức mặt thống sóng áp lực sóng, cần thay chiều sâu tính đến đáy db chiều sâu tính tốn quy ước d, m xác định theo công thức: d = df + kbr (db – df) (1) CHÚ DẪN: a) Trường hợp thân sóng; b) Trường hợp bụng sóng (có áp lực sóng đẩy lên khối cơ) Hình – Biểu đồ áp lực sóng đứng phía ngồi khơi lên tường thẳng đứng Trong đó: df: chiều sâu tính đến đáy cơng trình, m kbr: hệ số, lấy theo đồ thị Hình h: chiều cao sóng chạy, m, lấy theo Phụ lục A Hình – Các đồ thị hệ số kbr 3.1.2 Độ dâng cao hay hạ thấp mặt thống sóng η, m, mặt tường thẳng đứng, so với mực nước tính tốn phải xác định theo công thức: η = - h cosωt Trong đó: ω = kh cth kd cos2ωt (2) 2π : Tần số tuần hồn sóng; T T : chu kỳ trung bình sóng, tính giây; t: thời gian, tính giây; k= 2π số sóng; λ λ : chiều dài trung bình sóng, tính mét Dưới tác động sóng đứng lên tường thẳng đứng, cần dự kiến ba trường hợp xác định η theo công thức (2) với giá trị cosωt sau: a) cosωt = 1, ứng với trường hợp đỉnh sóng tiến đến tường, cao mức nước tính tốn đoạn ηmax, m; b) > cosωt > 0, với trường hợp thân sóng cao mực nước tính tốn đoạn ηc, để có trị số lớn tải trọng sóng nằm ngang Pxc, kN/m, (tính theo mét chiều rộng), trị số cosωt phải tính theo cơng thức: cosωt = λ πh(4kd − 3) (3) c) cosωt = -1, trường hợp có trị lớn tải trọng sóng nằm ngang P xt, kN/m, (tính theo mét chiều rộng) ứng với chân sóng thấp mực nước tính tốn đoạn ηt CHÚ THÍCH: Khi d/ λ ≤ 0,2 trường hợp mà theo công thức (3) cho trị số cosωt > tính tốn phải lấy cosωt = 3.1.3 Ở vùng nước sâu, cường độ tải trọng ngang thân bụng sóng đứng lên tường thẳng đứng Px, kN/m, (Hình 2) phải lấy theo biểu đồ áp lực sóng, đồng thời đại lượng p, kPa, độ sâu z, m, phải xác định theo công thức: p = ρghe-kz cosωt - ρg kh e-2kz cos2ωt – ρg kh (1-e-2kz)cos2ωt - ρg k h3 e-3kz cos2ωtcosωt (4) 2 Trong đó: ρ: dung trọng nước, T/m3; g: gia tốc trọng trường, 9,81 m/s2; z: tung độ điểm kể từ mực nước tính tốn (z1 = ηc, z2 = 0, …, zn = d), m; với thân sóng điểm z1 = η, bụng sóng điểm z6 = 0, cần phải lấy p = 3.1.4 Ở vùng nước nông, cường độ tải trọng ngang thân bụng sóng đứng lên tường thẳng đứng Px (kN/m), (Hình 2), phải lấy theo biểu đồ áp lực sóng, đồng thời đại lượng p, kPa, độ sâu z (m), phải lấy theo Bảng Bảng – Cường độ tải trọng ngang thân bụng sóng đứng Điểm Độ sâu điểm z (m) Giá trị áp lực sóng p (kPa) Với thân sóng ηc p1 = p2 = k2ρgh 0,25d p3 = k3ρgh 0,5d p4 = k4ρgh d p5 = k5ρgh Với bụng sóng p6 = ηt p7 = -ρgηt 0,5d p8 = -k8ρgh d p9 = -k9ρgh CHÚ THÍCH: giá trị hệ số k2, k3, k4, k5, k6 k9 cần lấy theo đồ thị Hình 4, Hình 5, Hình Hình – Các đồ thị hệ số k2 k3 Hình – Các đồ thị hệ số k4 k5 Hình – Các đồ thị hệ số k8 k9 3.2 Tải trọng tác động sóng lên cơng trình có mặt ngồi thẳng đứng yếu tố sóng (các trường hợp đặc biệt) 3.2.1 Áp lực sóng p, kPa, lên tường thẳng đứng có đỉnh cao mức nước tính tốn khoảng zsup, m, nhỏ ηmax, cần phải xác định theo điều 3.1.3 3.1.4, sau nhân tiếp giá trị áp lực sóng tính với hệ số kc đây: kc = 0,76 ± 0,19 Z sup h (5) Trong đó: dấu “+” dấu “-“ tương ứng với trường hợp đỉnh cơng trình cao thấp mực nước tính tốn Độ dâng cao hay thấp mặt thống sóng η (xác định theo điều 3.1.2) cần nhân với hệ số kc Tải trọng sóng nằm ngang Pxc, kN/m, theo mét chiều rộng, trường hợp phải xác định theo diện tích biểu đồ áp lực sóng phạm vi chiều cao tường chắn đứng 3.2.2 Khi front sóng từ phía ngồi khơi tiến đến cơng trình theo góc α, độ, (trong tính tốn ổn định cơng trình độ bền đất nền) phải giảm cường độ tải trọng sóng lên tường thẳng đứng, xác định theo điều 3.1.3 3.1.4, cách nhân với hệ số k cs đây: α, độ kcs 45 60 0,9 75 0,7 CHÚ THÍCH: Khi front sóng chuyển động dọc theo tường, nghĩa góc α gần 90o tải trọng sóng lên cơng trình cần xác định theo điều 3.2.3 3.2.3 Phải xác định tải trọng ngang sóng nhiễu từ phía bờ (đằng sau cơng trình) chiều dài tương đối đoạn cơng trình I/ λ ≤ 0,8 , đồng thời cho phép lấy biểu đồ tính tốn áp lực sóng với giá trị p, kPa, theo ba điểm trường hợp đây: a) Đỉnh sóng trùng với đoạn cơng trình (Hình 7a): z1 = ηmax = − hdif − kh dif cthkd , p1 = (6) z2 = 0,  hdif kh dif  − cthkd  , p2 = klρg    (7) z3 = df,  hdif kh dif    ; − p3 = klρg  chkd sh kd   (8) b) Chân sóng trùng với đoạn cơng trình (Hình 7b): z1 = 0, p1 = z2 = ηt = hdif − (9) kh dif cth kd, p2 = -klρgηt; (10)  hdif kh dif   +  2chkd sh 2kd  z3 = df, p3 = -klρg  (11) đó: hdif: chiều cao sóng nhiễu, m, xác định theo Phụ lục A; kl: hệ số, lấy theo Bảng Bảng – Giá trị hệ số kl theo độ dài tương đối đoạn Độ dài tương đối đoạn I/ λ 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Hệ số kl 0,98 0,92 0,85 0,76 0,64 0,51 0,38 0,26 CHÚ THÍCH: Khi chiều sâu nước phía bờ (đằng sau cơng trình) d ≥ 0,3 λ cần phải lập biểu đồ áp lực sóng tam giác với áp lực sóng chiều sâu z = 0,3 λ (Hình 7) CHÚ DẪN: a) Trường hợp thân sóng; b) Trường hợp bụng sóng Hình – Các biểu đồ áp lực sóng nhiễu từ phía vùng nước bờ lên tường thẳng đứng 3.2.4 Áp lực sóng đẩy mạch ngang khối xây đúc mặt đáy công trình phải lấy giá trị áp lực sóng nằm ngang tương ứng điểm biên (Hình 7) thay đổi theo luật đường thẳng phạm vi chiều rộng cơng trình 3.2.5 Vận tốc đáy lớn Vb,max, m/s, vị trí 0,25 λ trước tường thẳng đứng cần xác định theo công thức: 2k slπh Vb,max = π λ sh 2kdb h (12) Trong đó: ksl – hệ số, lấy theo Bảng Bảng – Giá trị hệ số ksl theo độ thoải sóng Độ thoải sóng Hệ số ksl λ /h 10 15 20 30 0,6 0,7 0,75 0,8 Trị số cho phép vận tốc đáy khơng xói Vb,adm, m/s, đất có độ thô hạt D (mm) xác định theo Hình Nếu Vb,max > bb,adm phải dự kiến bảo vệ khỏi bị xói lở Hình – Đồ thị trị số cho phép vận tốc đáy khơng xói 3.2.6 Biểu đồ áp lực đẩy sóng lên khối (áp lực ngược chiều với áp lực đẩy lên mặt đáy mạch ngang cơng trình) phải lấy theo dạng hình thang Hình 2b với tung độ pbr,i, (kPa), xác định theo công thức (với i = 1; 3); pbr,i = kbrρgh chk (d − d f ) cos kxi ≤ pf chkd (13) Trong đó: xi: khoảng cách từ tường đến mép tương ứng khối cơ, m; kbr: hệ số, lấy theo Bảng 4; pf: áp lực sóng tạo đáy cơng trình; Bảng – Giá trị hệ số kbr theo độ sâu tương đối Hệ số kbr độ thoại sóng λ /h ≤ 15 ≥ 20 < 0,27 0,86 0,64 0,27 đến 0,32 0,60 0,44 Độ sâu tương đối d/ λ > 0,32 0,30 0,30 3.3 Tải trọng sóng vỡ sóng xơ lên cơng trình có mặt ngồi thẳng đứng 3.3.1 Phải tính tốn cơng trình theo tác động sóng vỡ đến từ phía khơi chiều sâu dbr < 1,25h chiều sâu tới đáy db ≥ 1,5h (Hình 9) Hình – Các biểu đồ áp lực sóng vỡ lên tường thẳng đứng Tải trọng ngang mét chiều rộng Pxc, kN/m, sóng vỡ cần xác định theo diện tích biểu đồ áp lực sóng, đồng thời trị số p, kPa, tung độ z, m, phải xác định theo công thức: z1 = -h, p1 = (14) z2 = 0, p2 = 1,5ρgh (15) z3 = df, p3 = ρgh chkd f (16) Tải trọng đứng Pzc, kN/m, sóng vỡ phải lấy diện tích biểu đồ áp lực sóng đẩy xác định theo cơng thức: Pzc = µ p3a , (17) Với µ - hệ số, lấy theo Bảng Bảng – Giá trị hệ số µ cơng thức (17) a db − d f ≤3 Hệ số µ 0,7 0,8 0,9 Khi sóng vỡ, vận tốc dịng chảy lớn Vf, max, m/s, phía mặt trước tường thẳng đứng xác định theo công thức: Vf,max = gh chkd f (18) 3.3.2 Phải tính tốn cơng trình theo tác động sóng xơ từ phía ngồi khơi đoạn ngắn 0,5 λ , m, kề trước tường có chiều sâu db ≤ dcr (Hình 10), đồng thời độ dâng cao đỉnh sóng xơ lớn ηc, sur, m, so với mực nước tính tốn phải xác định theo công thức: ηc,sur = -0,5df - hsur Với (19) hsur: chiều cao sóng xơ, tính mét, xác định theo điều A.6.1 phụ lục A; dcr: chiều sâu tới hạn, tính mét CHÚ DẪN: a- có lớp đệm mặt đáy; b- có lớp đệm cao mặt đáy Hình 10 – Các biểu đồ áp lực sóng xơ lên tường thẳng đứng Tải trọng ngang mét chiều rộng Pxc, kN/m, sóng xơ cần xác định theo diện tích biểu đồ áp lực sóng, đồng thời trị số p, kPa, tung độ z, m, phải xác định theo công thức: z1 = -hsur, z2 = − hsur , p1 = (20) p2 = 1,5ρghsur (21) ... Độ hạ thấp chân sóng so với mực nước tính tốn h: Chiều cao sóng λ: Chiều dài sóng k: Số sóng T: Chu kỳ sóng ω: Tần số tuần hồn sóng c: Vận tốc sóng h/λ: Độ đốc sóng λ/h: Độ thoải sóng hi, λi,... dốc đáy Tải trọng tác động sóng lên cơng trình có mặt ngồi thẳng đứng nghiêng 3.1 Tải trọng sóng đứng lên cơng trình có mặt ngồi thẳng đứng 3.1.1 Phải tính tốn cơng trình theo tác động sóng đứng... % (theo trọng lượng) 10 20 40 đến 100 50 30 25 20 Tải trọng sóng lên vật cản dịng lên hệ vật cản dịng 4.1 Tải trọng sóng lên vật cản dòng thẳng đứng 4.1.1 Khi d > dα, lực lớn tác động sóng Qmax,