Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy - Chương 8 pot

CHƯƠNG 8 - ỨNG DỤNG PPTKNN ðÁNH GIÁ AN TOÀN HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ Mục ñích chương này là giới thiệu tổng quan một vấn ñề kỹ thuật bờ biển thực tế trong ñiều kiện Việt Nam và ứng

CHƯƠNG 8 - ỨNG DỤNG PPTKNN ðÁNH GIÁ AN TOÀN HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ

Mục ñích chương này là giới thiệu tổng quan một vấn ñề kỹ thuật bờ biển thực tế trong ñiều kiện Việt Nam và ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên ñể giải quyết Hệ thống công trình bảo vệ bờ biển Nam ðịnh ñược lựa chọn ñể phân tích trong chương này Nó phản ánh ñược tính ñại diện cho vấn ñề bảo vệ bờ biển của Việt Nam và tính cấp thiết trong vài thập kỷ gần ñây Nội dung của chương này chủ yếu ñược lấy từ nghiên cứu thực hiện gần ñây nhất cho khu vực này trong báo cáo thảo luận tại Hội nghị Cơ học Thủy khí toàn Quốc lần thứ X,

2005 tại Hạ Long, Quảng Ninh, thực hiện bởi nhóm tác giả Mai Cao Trí1, Mai Văn Công2 và Nguyễn Văn Mạo2, 2005

8.1 Giới thiệu chung vùng dự án

Red River

Day

iver

Ninh C

Rive

Ha lan estuary

Day estuary Lach Giang estuary

S iv r

TONKIN GULF

Giao Thuy District

NAM DINH

THAI BINH PROVINCE

NINH BINH PROVINCE

HA NAM PROVINCE

Hai Trieu Hai Ly

5 Km

Hai Hau District

Nghia Hung District Hai Thinh

Accretion

Acc

retion

Ero

sion

Stae

Hình 8.1 Thực trạng vùng bờ Nam ðịnhNam ðịnh là một tỉnh thuộc ñồng bằng sông Hồng vùng Bắc Bộ.Với tổng chiều dài bờ biển khoảng 70 km Phần lớn ñường bờ khu vực này nằm trong vùng chịu xói lở mạnh, hệ thống

ñê biển và công trình bảo vệ bờ, phòng chống lũ thường chịu các tác ñộng bất lợi từ phía biển

và xảy ra hư hỏng, thiệt hại nặng trong nhiều năm qua Do ñó vùng biển Nam ðịnh ñược xem như là một ñiển hình về các sự cố vùng bờ và công trình bảo vệ bờ Các công trình bảo vệ bờ khu vực này chủ yếu gồm ñê và kè bảo vệ mái ñê Nhìn chung, vấn ñề xói lở ñường bờ và hư hỏng các công trình bảo vệ bờ gây ra các hậu quả nghiêm trọng về kinh tế cũng như xã hội tại các khu vực có liên quan (ba huyện Giao Thủy, Hải Hậu và Nghĩa Hưng)

8.2 Các vấn ñề tồn tại

Nguyên nhân chính gây ra hư hỏng ñê kè biển là do tác ñộng của bão và sóng lớn thường là vượt quá ñiều kiện thiết kế Hơn nữa, sóng và xói lở bờ biển xảy ra nghiêm trọng tại khu vực trước chân ñê cũng là một nguyên nhân ñáng kể dẫn ñến hư hỏng thường xuyên của kết cấu bảo vệ chân và mái ngoài ñê Các vấn ñề cụ thể ñược liệt kê như sau:

Xói lở bờ biển xảy ra mạnh dưới cả hai hình thức: ảnh hưởng của quá trình vận chuyển bùn cát dọc bờ và các phản ứng phụ của các giải pháp công trình; ảnh hưởng của quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ trong ñiều kiện thời tiết bất lợi (gió mùa, bão ) Theo số liệu thống kê và các nghiên cứu gần ñây, tốc ñộ xói bãi vào khoảng 10-20m/năm và hạ thấp ñộ sâu bãi trung bình 0,3-0,6m/năm tại các bãi trước ñê ðiều này sẽ dẫn ñến hiện tượng biển tiến, mất ñất vùng bờ nhanh chóng nếu không có các biện pháp bảo vệ hữu hiệu và kịp thời

Trong 100 năm qua, dưới tác dụng của ñiều kiện biên phía biển như sóng lớn và bão quá trình xói bãi diễn ra liên tục, nhiều lần xảy ra vỡ ñê và phải lùi tuyến bảo vệ làm mất tổng cộng khoảng 3000m bãi Tổng diện tích ñất bị mất khoảng 15000 ha (gần bằng huyện Hải Hậu hiện nay) (Theo[9])

Bão lớn với gió từ cấp 9 ñến 12 gây nhiều thiệt hại về người và tài sản Trong khoảng thời gian 20 năm từ 1976 ñến 1995, bão ñã lấy ñi 4.028 ngôi nhà, chìm 6 tàu ñánh cá, làm 25 người chết và 34 người bị thương

Vỡ ñê dẫn ñến nước biển tràn vào gây ra lũ lụt và nhiễm mặn trên diện rộng, mất ñất canh tác nông nghiệp Theo các các số liệu thống kê cho thấy có 38.273 ha ñất canh tác bị nhiễm mặn, mất mùa dẫn ñến thiệt hại gần 80.000 tấn hoa màu Các ruộng muối,

hồ nuôi tôm bị thiệt hại nặng nề

Sóng lớn ñi ñôi với thuỷ triều dâng gây thiệt hại hàng năm cho ñê biển Nam ðịnh Từ năm 1976 ñến năm 1995 có khoảng 934.000m3 ñất và 30.400 m3 ñá của ñê biển bị cuốn ñi Do ñó chi phí bảo trì là rất lớn (hàng triệu Euro)

Các công trình bảo vệ bờ bị hư hỏng và phá hủy, ñê, kè lát mái và kết cấu chân kè biển

Có nhiều kiểu sự cố xuất hiện tại những ñoạn ñê và kè ñã bị hư hỏng

Hệ thống ñê biển Nam ðịnh ñược thiết kế và xây dựng với hai nhiệm vụ chính là phòng chống lũ phía biển và bảo vệ vùng ñất bên trong không bị xói lở Trong mọi tình huống cần phải có ñê biển ñể bảo vệ vùng bờ trũng nằm ngay sau ñê có chiều rộng từ 3 ñến 10 km Bằng chứng là các ñê biển này ñã tồn tại hằng ngàn năm nay Tuy nhiên, hầu hết hệ thống ñê trước ñây ñều ñược xây dựng chủ yếu dựa theo kinh nghiệm của ñịa phương (chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của nhân dân trong vùng) và theo các phương pháp thiết kế ñã lỗi thời Theo thời gian, hệ thống ñê này không còn ñáp ứng ñược trước các ñiều kiện biên thực tế

Dưới ñây là một số hình ảnh mô tả thực trạng ñường bờ và công trình bảo vệ bờ biển tại Hải Hậu trong vài năm gần ñây Các hình ảnh phản ánh rõ tính nghiêm trọng và gây ấn tượng ñối với các vấn ñề ñang xảy ra cho vùng bờ Nam ðịnh

Hình 8.2 Một ñoạn ñê bị hư hỏng(Hải Hậu 1998).

Hình 8.3 ðặc trưng mặt cắt ngang còn lại của một ñoạn ñê sau khi bị vỡ (Văn Lý 1995)

Hình 8.4a Làng Hải Triều năm 1995 Hình 8.4b Viết tích làng Hải Triều năm 2001

8.3 Hiện trạng ñê kè biển Nam ðịnh

Theo VCZVA (1996), ñộ dốc mái ngoài của ñê Nam ðịnh thường ñược thiết kế theo tỉ lệ 1:3 ñến 1:4; cao trình ñỉnh ñê khoảng 5 ñến 5,5 m so với cao ñộ lục ñịa Thân ñê ñược cấu tạo bằng vật liệu ñịa phương sẵn có, lõi cát và cát pha, mái ngoài bọc ñất sét pha, ñất thịt Mái ngoài ñê ñược bảo vệ bằng kè ñá ñổ hoặc ñã xếp trên tầng lọc hạt Một số ñoạn ñê mới xây dựng sử dụng kè lát khan bằng các cấu kiện bê tông ñúc sẵn kiểu lập phương hoặc tự chèn, TSC-178 Hệ thống bảo vệ có hai tuyến bảo vệ chính, tuyến ngoài và tuyến trong Hình 8.5 & 8.6 mô tả mặt bằng hệ thống và các mặt cắt ngang ñại ñiện của ñê

Hình 8.5 Phác thảo hệ thống ñê kép-hai tuyến bảo vệ - tại bờ biển Hải Hậu Nam ðịnh

Hệ thống ñê biển Nam ðịnh chia thành ba ñoạn chính riêng biệt, ngăn cách bởi các cửa sông

và theo ba huyện vùng biển (tính theo chiều dài ñê biển):Xuân Thuỷ (32 km), Hải Hậu (33 km)

và Nghĩa Hưng (26 km)

Mặt cắt thiết kế:

- Mực nước thuỷ triều thiết kế MSL+ 2,29m (tần suất vượt quá 5%); chiều cao nước dâng do bão +1,0m; Mực nước thiết kế MSL + 3,29 m

- Khoảng tự an toàn ñỉnh ñê : 0,21m;

- Cao trình ñỉnh ñê + 5,50m (tính toán với sóng leo trên mái dốc 1:4);

- ðộ dốc mái ñê phía biển 1:4, ñộ dốc mai trong ñê (phía ñất liền) 1:2;

- Chiều rộng ñỉnh 4÷5m;

Mái ñê ñược bảo vệ bằng kè theo hai dạng:

- Dưới MSL +3,5m chiều dày 45cm (tính theo công thức Hudson ñối với kè ñá ñổ tự do); kích thước cấu kiện thiết kế 0,50 x 0,50 x 0,45, trọng lượng trung bình xấp xỉ 250kg

- Trên MSL +3,5 m chiều dày kè 0,3m

- Tầng lọc: chiều dày lớp sỏi là 25 và lớp cát 15 cm, ñặt trên lớp sét pha dày 70÷50cm

321

+5.5m 500

o Các vấn ñề liên quan ñến biên thuỷ ñộng học

o Các vấn ñề liên quan ñến biên ñịa kỹ thuật

o Các vấn ñề liên quan ñến bài toán kết cấu công trình

Các tính toán phân tích ñối với ñê biển Nam ðịnh trong ví dụ này áp dụng theo phương pháp tính toán cấp ñộ II

8.4 Tóm tắt lý thuyết

Việc tính toán xác suất phá hỏng của một thành phần ñược dựa trên hàm ñộ tin cậy của từng

cơ chế phá hỏng Hàm ñộ tin cậy Z ñựợc thiết lập căn cứ vào trạng thái giới hạn tương ứng với cơ chế phá hỏng ñang xem xét, và là hàm của nhiều biến và tham số ngẫu nhiên Theo ñó, Z<0 ñược coi là có xảy ra hư hỏng Hư hỏng không xảy ra nếu Z nhận các giá trị còn lại, xem Hình 8.7 Do ñó, xác suất phá hỏng ñược xác ñịnh là P{Z<0}

Hình 8.7 ðịnh nghĩa biên hư hỏng (sự cố)

Bài báo này trình bày việc tính toán theo mức ñộ II1, trong ñó ñể xác ñịnh xác suất xảy ra phá hỏng của ñê biển Nam ðịnh Hàm tin cậy thiết lập theo dạng chung Z=R-S Trong ñó R và S

là hàm của ñộ bền và tải trọng, cả hai hàm này ñược giả thiết tuân theo luật phân phối chuẩn Các ñặc trưng thống kê của Z ñược xác ñịnh như sau:

Phương sai: σ2(Z) = σ2(R) + σ2(S) (8-2) Hàm mật ñộ xác suất của Z ñược xác ñịnh theo:

2 2 2 ) ( 2

2

1)

=

=

a

N z

Z

adX

Xfa

(}

(−β

ΦN Giá trị phân phối chuẩn của biến ngẫu nhiên β

Hình 8.8 ðịnh nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số ñộ tin cậy

Thông thường Z là hàm của nhiều (n) biến ngẫu nhiên, X1, X2, ,Xn, của cả Tải S và Sức chịu tải R ðể thực hiện tính toán mức ñộ II, các biến X1, X2, ,Xn ñược giả thiết là biến ñộc lập, tuân theo luật phân bố chuẩn và phải ñảm bảo thoả mãn ñiều kiện tuyến tính hoá hàm Z trong toàn miền tính toán

Tuyến tính hoá hàm Z theo khai triển Taylor bậc nhất như sau:

0

*)(

),

,(

* 1

*

*

* 2

i

i i n

lin

X

ZXXX

XXZ

Xi=Xi* = ðạo hàm từng phần của hàm Z theo Xi, tại vị trí Xi =Xi*

Trị trung bình và ñộ lệch chuẩn của ZLin :

* 1

*

*

* 2

*

()

(

i

i X X n

i

i i X n

lin

X

ZXX

XXZZ

)

(

* i X i X i

X lin

n i

Z

XZ

(}

0

với

)(

)(

Lin

Lin

Z

Zσ

à

β = là chỉ số ủộ tin cậy

Nếu biờn sự cố là phi tuyến, thực hiện tuyến tớnh hoỏ hàm ủộ tin cậy tại ủiểm thiết kế (Design Point) sẽ cho kết quả chấp nhận ủược ðiểm thiết kế ủược ủịnh nghĩa tại biờn sự cố mà tại ủú mật ủộ xỏc suất là lớn nhất ðiểm thiết kế ủược xỏc ủịnh thụng qua:

X

ZZ

)(

σ

σ

α (Hệ số ảnh hưởng của biến ngẫu nhiờn thứ i) (8-11)

8.5 ðặt vấn ủề - Xõy dựng bài toỏn mẫu

Cỏc cơ chế phỏ hoại cú thể xảy ra tại ủờ kố vựng bờ biển Nam ðịnh là ủa dạng và phức tạp, chi tiết xem thờm [5] Trong khuụn khổ bài bỏo này, tỏc giả ủề cập năm cơ chế phỏ hỏng chớnh, bao gồm: Súng tràn/chảy tràn qua ủỉnh ủờ; Mất ổn ủịnh trượt của mỏi; Xúi chõn ủờ vượt quỏ giới hạn bảo vệ; Xúi ngầm nền ủờ/ủẩy trồi chõn ủờ; và mất ổn ủịnh kết cấu bảo vệ mỏi ủờ Bài toỏn ủược xõy dựng cho ủoạn ủờ ủại diện nguy hiểm nhất dọc bờ biển Nam ðịnh, tại vị trớ Hải Triều

Sự cố của toàn hệ thống ủờ khụng xảy ra nếu tất cả cỏc ủoạn ủờ thành phần khụng gặp hư hỏng Với mỗi ủoạn ủờ thành phần, sự cố cú thể xảy ra nếu một trong cỏc cơ chế phỏ hỏng xuất hiện Trong trường hợp này, sơ ủồ sự cố của hệ thống ủờ ủược trỡnh bày theo hỡnh 8.9

Hỡnh 8.9 Sơ ủồ hư hỏng (sự cố) ủờ kố biển Nam ðịnh) [5]

Mất ổn định kết cấu bảo vệ mái

Xói chân

đê/chân kè v−ợt quá ht

8.6 Xác ñịnh xác suất xảy ra sự cố, ñánh giá an toàn ñê kè biển Nam ðịnh

Zmax ={MHWL(MSL+High tide) + Surge + Sea level rise}+ Run-up level

Hình 8.10 Phân phối MHWL dựa theo dữ liệu thống kê bằng phương pháp BESTFIT Các biến ngẫu nhiên cơ bản khác có liên quan cũng có thể xác ñịnh tương tự theo phương pháp trên Bao gồm:

- Surge: ðộ dềnh cao do gió (wind setup)

- MS Rise: Mực nước dâng cao do hiệu ứng nhà kính

- Run-up level: Nước dâng do sóng leo

Chiều cao sóng và sóng leo xác ñịnh theo Bảng 1 Trong ñó chiều cao sóng xác ñịnh theo phương pháp ñộ sâu giới hạn Chiều cao sóng leo xác ñịnh theo [8]

Bảng 8.1 Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế sóng tràn/chảy tràn ñỉnh ñê

ðặc trưng thống kê

kính

Hs Chiều cao sóng thiết kế m = a*d = a*{(MHWL+Surge+S.L.Rise)-Zbed}

(Nom: Giá trị theo thiết kế tất ựịnh; Nor: biến ngẫu nhiên theo luật phân phối chuẩn) Hàm tin cậy trở thành: Zovetopping.=Zc-Zmax=Zc-(MHWL+Surge+S.L.Rise+Z2%)

Khi luật phân phối của các biến ngẫu nhiên thành phần ựã ựược xác ựịnh, việc tắnh toán xác suất xảy ra sự cố dựa vào hàm tin cậy sẽ thực hiện ựược Sử dụng mô hình VAP với phương pháp FORM (First Order Reliability Method) và thuật giải Monte Ờ Carlo, kết quả tắnh toán thu ựược trình bày tại Bảng 2

Bảng 8.2 Kết quả tắnh toán xác suất sự cố và ựộ tin cậy

đê thiết kế mới theo phương pháp thiết

kế tất ựịnh

vị

đê hiện tại

có ảnh hưởng một lượng ựáng kể ựến kết quả tắnh toán

MHWL 4.53%

Surge 36.10%

S.L rise 2.25%

Zbed 2.28%

a 12.10%

Hình 8.11 Ảnh hưởng của các biến ñến cơ chế sóng tràn/ chảy tràn ñỉnh ñê

8.6.2 Mất ổn ñịnh kết cấu bảo vệ mái

Hàm ñộ tin cậy chung: Z= (Hs/∆D) R - (Hs/∆D) S (8-13) Trong ñó: (Hs/∆D) R (1): ðặc trưng không thứ nguyên của sức chịu tải; (Hs/∆D) S (2): ðặc trưng không thứ nguyên của tải; ∆ là tỉ trọng của vật liệu kết cấu bảo vệ mái; D là ñường kính trung bình của viên ñá (cấu kiện)

Báo cáo này trình bày việc áp dụng phương pháp kiểm tra ổn ñịnh cấu kiện bảo vệ mái của (1) Pilarczyk; (2) Jan Van der Meer; [7] Xác ñịnh các biến ngẫu nhiên liên quan theo Bảng 3 Kết quả tính toán theo Bảng 4 Kết quả ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên ñến Py theo bảng

Hàm tin cậy theo Pilarczyk, áp dụng cho kết cấu bảo vệ mái bêtông

D Kắch thước ựá yêu cầu m Deter nom

Hàm tin cậy theo Van der Meer áp dụng cho kè ựá xếp

Bảng 8.4 Kết quả tắnh toán xác xuất phá hỏng với các trường hợp kết cấu mái kè

đê thiết kế mới theo T.K tất ựịnh

Bảng 8.5 Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên ựến cơ chế mất ổn ựịnh kết cấu bảo vệ mái Theo tiêu chuẩn Pilarczyk Theo tiêu chuẩn Van der Meer

2 Hs 0,646 0,417 41,73 2 Hs 0,824 0,679 67,90

8.6.3 Hiện tượng xói ngầm nền ñê và ñẩy trồi phía chân hạ lưu ñê (Piping)

Hiện tượng này xảy ra khi ñồng thời thoả mãn hai ñiều kiện [2]:

(1) Lớp sét nền ñê bị chọc thủng

(2) Xuất hiện dòng chảy vận chuyển cát ngầm dưới ñê

- Hàm tin cậy cho ñiều kiện 1: Z1= ρc*g*d - ρw*g*∆H (8-14)

- Hàm tin cậy cho ñiều kiện 2: Z2= m*Lt/c - ∆H (8-15) Trong ñó: ρc : Khối lượng riêng của lớp sét

ρw : Khối lượng riêng của nước

Dềnh nước do gió bão Surge m Nor 1,0 0,2

Xác suất xảy ra xói ngầm và ñẩy trồi ñược tính toán bằng mô hình VAP Kết quả tính toán ghi tại Bảng 7 Hình 8.12 trình bày ảnh hưởng của các ñại lượng ngẫu nhiên ñến xác suất xảy ra hiện tượng piping

MHWL

1.17%

Lt 61.29%

Surge

9.18%

Hình 8.12 Ảnh hưởng của các ñại lượng ngẫu nhiên ñén xác suất xảy ra hiện tượng ñẩy trồi/ xói ngầm

Hiện tượng Piping xảy ra nếu (1) và (2) thoả mãn [3] Do ñó xác suất phá hỏng do Piping là:

) 1 ( 2

n i i

Với ρ là hệ số tương quan Các tham số khác tương tự như trong mục 2

piping failure condition 1

d 39%

Z_inlan 35%

Surge 23% MHWL

3%

áp dụng cho trường hợp này ta có ρ=0,408 và β*=5,93 ; β*

=0,51 Xác suất xảy ra sự cố:

max{ΦN(-6,72) * ΦN(-0,51); ΦN(-3,21) * ΦN(-5,93)} ≤≤≤≤ P{Z2<0|Z1<0} ≤≤≤≤ {ΦN(-6,72) * ΦN0,51) + ΦN(-3,21) * ΦN(-5,93)};

(-Biên trên : P{piping}=P{ Z2<0 | Z1<0 } = 3,1x10-10

Biên dưới: P{piping}= P{ Z1<0}* P{ Z2<0 | Z1<0 }=9x10-12*3,1x10-10=3x10-12

Với kết quả này có thể kết luận rằng hiện tượng xói ngầm/ñẩy trồi gần như không xảy ra Chiều dài ñường viền thấm, chênh lệch mực nước (cột nước thấm) và chiều dày tầng sét có ảnh hưởng nhiều nhất ñến kết quả phân tích

8.6.4 Mất ổn ñịnh trượt mái ñê

Phân tích ổn ñịnh mái dốc theo phương pháp ngẫu nhiên cho phép kể ñến sự thay ñổi của các thông số ñầu vào của bài toán theo các luật phân phối xác suất và ñưa ra xác suất phá hỏng mái dốc do trượt Báo cáo này trình bày việc phân tích ổn ñịnh mái ñê theo phương pháp Bishop, sử dụng chương trình SLOPE/W, thuật giải tính toán theo Monte Carlo Các thông số chỉ tiêu của ñất và lực tác dụng ñược coi là các biến ngẫu nhiên, tuân theo luật phân phối chuẩn [4]

Hàm tin cậy: Z = SF (hệ số an toàn)

Do ñó, xác suất phá hỏng ñược ñịnh nghĩa là xác suất ñể SF nhỏ hơn 1,0: Pfailure= P(Z<1) Danh sách các biến ngẫu nhiên trình bày trong Bảng 8-8 Kết quả tính toán ghi tại Bảng 8-9

Bảng 8.8 Danh sách biến ngẫu nhiên ñầu vào bài toán ổn ñịnh mái dốc

Mô tả biến ngẫu nhiên Kí

hiệu ðơn vị

Luật P.P Kỳ vọng ðộ lệch Dung trọng tự nhiên của ñất γunsat. kN/m3 Nor nom 0,05*nom Dung trọng bão hòa của ñất γsat. kN/m3 Nor nom 0,05*nom