Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy - Chương 6 docx

Các cơ chề ñề cập trong chương này bao gồm: 1 Chảy tràn/sóng tràn 2 Trượt mái ñê 3 ðẩy trồi/ xói ngầm 4 Hư hỏng kết cấu bảo vệ mái, ñỉnh ñê-xói thân ñê 5 Xói ngầm/ñẩy trồi nền công trình

CHƯƠNG 6 – MÔ TẢ CƠ CHẾ XẢY RA SỰ CỐ ðỐI VỚI HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH PHÒNG CHỐNG LŨ VÀ HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN

Các chương 3, 4 và 5 cung cấp các cơ sở toán học trong phân tích thiết kế một hệ thống theo

lý thuyết ñộ tin cậy Chương này ñề cập ñến các cơ chế phá hỏng có thể xảy ra ñối với hệ thống công trình phòng chống lũ và hệ thống công trình bảo vệ bờ Các cơ chề ñề cập trong chương này bao gồm:

1) Chảy tràn/sóng tràn

2) Trượt mái ñê

3) ðẩy trồi/ xói ngầm

4) Hư hỏng kết cấu bảo vệ mái, ñỉnh ñê-xói thân ñê

5) Xói ngầm/ñẩy trồi nền công trình thuỷ công

6) Hư hỏng hệ thống ñóng mở cửa van của công trình thuỷ công

7) Xói mòn ñê tự nhiên/ñụn cát ven bờ

Ngoài ra, các cơ chế phá hỏng khác như mất ổn ñịnh cục bộ của thân ñê, mất ổn ñịnh cục bộ các bộ phận phụ thuộc công trình trong hệ thống cũng cần ñược xem xét trong bước phân tích chi tiết Trong phạm vị chương này chỉ trình bày cách xây dựng hàm tin cậy cho các cơ chế

hư hỏng phổ biến nêu trên

6.1 Sóng tràn

Nguyên nhân gây ra cơ chế phá hỏng này là do lượng nước rất lớn chảy qua bề mặt ñê Nếu gió có hướng ra biển hay do các nguyên nhân khác làm cho sóng nhỏ thì sự cố là chảy tràn (mực nước cao hơn bề mặt ñê) Trong các trường hợp khác thì nó là do sóng chảy tràn mặt ñê 6.1.1 Cơ chế sóng tràn

Cơ chế sóng tràn xảy ra tại một khu vực ñê khi có lượng nước lớn rất lớn mà mặt trong ñê chịu ñược tràn qua bề mặt ñê Sau ñó xảy ra xói mòn, vết nứt lớn dần ñến một lúc nào ñó thì một lượng nước lớn chảy vào vùng ñất trũng

6.1.2 Hàm tin cậy của cơ chế sóng tràn

ðối với dạng cơ chế phá hỏng này, tải trọng là lưu lượng nước thực tế chảy tràn qua ñỉnh công trình, q0 Thành phần ñộ bền là lưu lượng lớn nhất chảy qua ñỉnh công trình mà công trình vẫn có thể duy trì tình trạng an toàn, làm việc bình thường, gọi là lưu lượng tới hạn qc Nếu lưu lượng thực tế chảy tràn lớn hơn qc, công trình ñược coi là bị hư hỏng Do ñó, hàm tin cậy của cơ chế phá hỏng này ñược biểu diễn thông qua hàm trạng thái gới hạn:

Z = mqc qc - mq0 q0

trong ñó:

mqc = thông số mô hình xác ñịnh lưu lượng tràn tới hạn – không thứ nguyên

qc = lưu lượng tràn tới hạn gây vỡ ñê hay hư hỏng công trình [m3/s/m] hoặc [l/s/m]

mq0 = thông số mô hình xác ñịnh lưu lượng tràn thực tế - không thứ nguyên

q0 = lưu lượng tràn thực tế [m3/s/m] hoặc [l/s/m]

Trong hàm tin cậy xuất hiện hai thông số mô hình Các thông số này thường ñược xác ñịnh thông qua các mô hình vật lý Chúng chỉ ra tính bất ñịnh (không chắc chắn) trong mô hình mô phỏng và mô hình xác ñịnh

Cần lưu ý trong việc xác ñịnh các thông số hình học chủ yếu của công trình Trong trường hợp này thông số hình học chủ yếu của ñê bao gồm:

• Chiều dài mặt thoáng (ñà gió) và ñộ sâu tính toán tương ứng

• Kết cấu chân ñê

• Mái ngoài dưới cơ ñê

• Cơ ñê

• Mái ngoài trên cơ ñê

• Kết cấu ñỉnh ñê

• Mái trong của ñê (phía ñồng)

• Bảo vệ chân ñê phía ñồng

Các mô hình tính toán thường sử dụng:

• Mô hình mô phỏng xác ñịnh mực nước (DELFT 3D, ZWENDL, SOBEK [5.2], WAQUA, etc )

• Mô hình sóng nước sâu(Bretschneider [5.3], Young and Verhagen [5.4])

• Mô hình truyền sóng và sóng nước nông (tại chân công trình)

• Mô hình xác ñịnh lưu lượng chảy tràn, sóng tràn (Van der Meer [5.5])

• Công thức Strickler mô hình hoá hệ số nhám của mái phía trong ñê

• Công thức về ñộ bền chống xói của mái ñê bảo vệ bằng cỏ

Bốn mô hình ñầu có ñầu vào là các ñiều kiện biên (gió, mực nước biển, hồ hay sông) Kết quả

là nước chảy tràn qua ñỉnh Hai mô hình sau xác ñịnh ñộ bền bãi cỏ mặt dốc bên trong qua lượng nước tới hạn

Lượng nước tới hạn qc có thể ñược xác ñịnh theo phương pháp nghiên cứu CIRIA hay CUR

169, Van der Meer Xem phụ lục 6-A

Ta có thể dùng phương pháp Van der Meer [5.5] ñể tính lượng nước tràn thực tế Theo mô hình này lượng nước tràn thực tế ñược xác ñịnh theo sóng breaking và non-breaking Lượng nước này bằng giá trị tối thiểu của 2 giá trị trên Xem phụ lục 6-B

6.2 Cơ chế chảy tràn

Nếu vùng ñược bảo vệ sau ñê nằm trong vùng ngọn gió (gió thổi từ ñất liền ra, sóng có hướng

ñi ra xa bờ thì yếu tố sóng chảy tràn ñược bỏ qua, khi ñó cần xem xét cơ chế chảy tràn Cơ chế này xảy ra khi mực nước xuất hiện trước ñê cao hơn cao trình ñỉnh ñê Khi ñó hàm tin cậy ñược viết như sau:

Z = hk - h

Trong ñó:

hk là cao ñộ của ñỉnh ñê và h là mực nước xuất hiện trước ñê

ðối với ñê biển, mực nước trước ñê ñược xác ñịnh

h = MSL + Z + ∆Z + ∆Z + ∆Z

Trong ñó:

MSL: mực nước biển trung bình theo cao ñộ quốc gia Mực nước này ñược xác ñịnh là cao ñộ triều trung bình của mặt biển ñối với tất cả các trạng thái thuỷ triều ñược ño liên tục trong chu

kỳ ít nhất là 19 năm

Ztide : Cao ñộ triều cường, so với MSL

∆Zwind setup: ñộ gia tăng mực nước trước ñê do bão hay ñộ dềnh nước do gió ðây là chiều cao nước dâng trên mực nước biển trung bình ở cửa biển phụ thuộc vào tác ñộng ma sát của gió lên mặt biển Khi có bão hoặc áp thấp xảy ra, cần phải kể thêm thành phần gia tăng mực nước

do có sự chênh lệch áp suất (thường áp thấp dẫn ñến gia tăng mực nước)

∆Zgust: mực nước gia tăng dưới tác ñộng của gió giật (trong bão)

∆Zrise:mực nước biển dâng cao do tác ñộng của hiệu ứng nhà kính

6.3 Cơ chế mất ổn ñịnh trượt mái-mất ổn ñịnh tổng thể

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 bố xác suất và ñưa ra xác suất phá hỏng mái dốc do trượt Cơ chế này xảy ra khi mái dốc không ñảm bảo tiêu chuẩn an toàn chống trượt hay nói cách khác hệ số an toàn ổn ñịnh trượt của mái ñê SF nhỏ hơn giá trị hệ số an toàn cho phép theo tiêu chuẩn thiết kế [SF] Hàm tin cậy ñược viết theo:

Z = [SF]-SF

Trường hợp ñơn giản có thể coi [SF]=1, khi ñó hàm tin cậy ñược viết lại:

Z = 1-SF

Hệ số an toàn ổn ñịnh mái ñê SF có thể ñược xác ñịnh bằng nhiều phương pháp khác nhau Phương pháp sư dụng phổ biến là mặt trượt trụ tròn theo Bishop, Ranbu hoặc tổng quát (xem thêm [6.8])

Hình 6.1 ñưa ra sơ ñồ tổng quát mô tả cơ chế phá hỏng kiểu này tại mái hạ lưu ñê

Hình 6.1 Cơ chế bất ổn ñịnh trượt mái ñê

6.4 Cơ chế xói ngầm/ñẩy trồi

6.4.1 Cơ chế xói ngầm

Theo cơ chế này, khi lớp ñất bên dưới nền ñê bị rửa trôi do dòng thấm sẽ dẫn ñến sự sụp ñổ của thân ñê ðặc ñiểm chung cơ chế này là có một hay nhiều lớp ñất nền tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước và có sự chênh lệch lớn về mực nước trước và sau ñê (xem hình 6.2) Trước hết là sự xuất hiện ñẩy trồi nền ñê phía hạ lưu, tiếp theo là sự phát triển dòng chảy ngầm của vật liệu nền ñê (chủ yếu cát) Xói ngầm xảy ra khi sự xói mòn vật liệu nền ñê do dòng thấm tăng, làm cho các hạt cát thuộc lớp ñất nền ñê liên tục di chuyển về phía hạ lưu Quá trình này phát triển tiếp diễn trong một thời gian sẽ dẫn ñến sự xuất hiện dòng chảy cát dưới nền ñê và gây rỗng nền ñê, ñe dọa ñến sự ổn ñịnh của thân ñê [TAW-1999]

Hình 6.2 ðịnh nghĩa các biến trong cơ chế ñẩy trồi/xói ngầm

Hình 6.3 Cơ chế ñẩy trồi gây ra cho ñê (CUR 141, 1990)

Hình 6.4 Cơ chế xói ngầm ñối với lớp cát bên dưới chân ñê.

Cơ chế xói ngầm xảy ra khi nó ñồng thời thỏa mãn hai ñiều kiện:

(1) Lớp sét nền ựê bị chọc thủng

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

6.4.2 Hàm tin cậy của ựiều kiện (1)

Lớp ựất nền ựê bị chọc thủng khi áp lực dòng thấm do chênh cao cột nước lớn hơn trọng lượng ựơn vị bão hòa của lớp ựất nền Hàm tin cậy của ựiều kiện thứ nhất là:

Z1= ρc*g*d - ρw*g*∆H (6-18) trong ựó:

ρc trọng lượng ựơn vị bão hòa của lớp ựất nền;

ρw trọng lượng ựơn vị của nước;

g gia tốc trọng trường;

d là bề dày lớp ựất sét tắnh từ chân ựê ựến lớp cát bên dưới;

∆H cột nước áp lực

6.4.3 Hàm tin cậy của ựiều kiện (2)

6.4.3.1 Tiêu chuẩn Blight

Trong phần này, cơ chế xói ngầm ựược xem xét theo tiêu chuẩn Blight Hàm tin cậy của cơ chế xói ngầm là:

- Hàm tin cậy cho ựiều kiện 2:

Trong ựó: ρc : Khối lượng riêng của lớp sét

ρw : Khối lượng riêng của nước

∆H : Chênh lệch mực nước

Lt : Chiều dài tắnh toán ựường viền thấm, xác ựịnh theo Blight

C : Hệ số Blight

LỖ; L2; B theo ựịnh nghĩa hình 6.4

m là thông số mô hình, ựể tắnh toán sự phân tán theo kinh nghiệm khảo sát

Trong ựó:

Lt = LỖ+L2+B+d

c = cB là hằng số phụ thuộc vào loại ựất theo Blight

∆H là sai số giữa mực nước ở biển và ựất liền;

LỖ; L2; B ựịnh nghĩa theo hình 6.4

m là thông số mô hình, ựể tắnh toán sự phân tán theo kinh nghiệm khảo sát

6.4.3.2 Mô hình Sellmeijer

Khi mực nước trước ựê - h, dâng cao làm gia tăng cột nước áp lực thấm và xảy ra hiện tượng

di chuyển của các hạt cát theo dòng thấm Có thể biểu diễn áp lực lớn nhất mà không gây ra

sự di chuyển các hạt cát theo dòng thấm thông qua mực nước tới hạn đê có thể gặp sự cố do hiện tượng xói ngầm khi chênh lệch cột nước thấm h - hb lớn hơn cột nước tới hạn hp Hàm tin cậy khi ựó có dạng:

p p h b

Trong ñó: mp; mh là các thông số mô hình, xác ñịnh bằng kinh nghiệm hoặc từ mô hình vật lý Theo tiêu chuẩn Sellmeijr, chênh lệch cột nước tới hạn ñược xác ñịnh theo:

-* -* p 1 (0.68 0.1* ln ) tan

p

h

γ

γp: trọng lượng thể tích của cát nền;

ϕ : góc ma sát của cát nền

các hệ số ñược xác ñịnh theo các công thức sau:

2.8

0.28

1

D

B

D

B

α    − 

=   

1

2 2 3

10 70 70

2

10

c

κ

trong ñó:

B: hằng số White

d10: ñường kính hạt chiếm tỉ lệ 10% trong ñường cong cấp phối

d70: ñường kính hạt chiếm tỉ lệ 70% trong ñường cong cấp phối

κ : module hệ số thấm của lớp cát

6.5 Mất ổn ñịnh cấu kiện bảo vệ mái

Dưới tác dụng của ñiều kiện biên thủy ñộng lực học, kết cấu bảo vệ mái ñê (kè) có thể bị mất

ổn ñịnh Một trong những nguyên nhân chính gây nên cơ chế phá hoại này là do tác ñộng của sóng Hàm tin cậy chung cho trường hợp này ñược ñịnh nghĩa như sau:

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; D là ñường kính ñặc trưng viên ñá hoặc chiều dày cấu kiện

Có nhiều phương pháp xác ñịnh các ñặc trưng không thứ nguyên trên (tham khảo trong giáo trình Thiết kế công trình bảo vệ bờ, Sổ tay hướng dẫn sử dụng vật liệu ñá trong thiết kế thi công công trình thủy công, CEM ) Trong bài giảng này giới thiệu các hàm tin cậy xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn của Hudson, Van der Meer và Pilarczyk, ñược sử dụng trong Tiêu chuẩn Thiết kế ñê biển của Việt Nam, trong phân tích ổn ñịnh cấu kiệu bảo vệ mái

Công thức Hudson có dạng:

50

cotgα K D

H

D n

s =

γs, γn là trọng lượng ñơn vị thể tích của vật liệu sử dụng và nước

HS là chiều cao sóng thiết kế

KD là hệ số ổn ñịnh, phụ thuộc vào vật liệu/kiểu cấu kiện sử dụng là lớp ngoài của kè, xác ñịnh theo bảng 5.13

Bảng 5.13 Hệ số ổn ñịnh theo dùng với công thức Hudson, Theo TCVN

Loại vật liệu/kiểu cấu kiện Phương thức thi công/liên kết K D

(Tham khảo thêm Tiêu chuẩn thiết kế ñê biển Việt Nam, 2002)

Công thức Pilarczyk, K.W (Tham khảo thêm Tiêu chuẩn thiết kế ñê biển Việt Nam, 2002) Công thức Pilarczyk sử dụng trong Tiêu chuẩn thiết kế ñê biển Việt Nam có dạng:

b op u s

D

H

ξ

ϕ ψ

=

∆

50

trong ñó:

HS là chiều cao sóng thiết kế, xác ñịnh bằng H1/3

ξ là số sóng vỡ:

s

s

L H

α

ξ = tan

ϕ là hệ số ổn ñịnh phụ thuộc vào hình dạng và phương thức thi công, loại liên kết

ϕ = 3 ñối với lớp ngoài sử dụng vật liệu ñá (ñá ñổ trên mái dốc tự nhiên)

ϕ = 4 ÷ 4,5 ñối với cấu kiện ñúc sẵn lát khan

ϕ = 5 ñối với cấu kiện ñúc sẵn lát khan trên nền vải ñịa kỹ thuật (bề mặt nhẵn), ñất sét

ϕ = 6 ñối với cấu kiện Basalton, tăng cường liên kết ma sát bằng cốt liệu thô (ñá răm)

ϕ = 8 ñối với cấu kiện tự chèn trên nền thích hợp

Tiêu chuẩn Pilarczyk này có thể áp dụng ñược cho nhiều loại kết cấu bảo vệ mái (kè) khác nhau bằng cách lựa chọn áp dụng các hệ số phù hợp (xem thêm Pilarczyk et al, Dikes & Revetments, 1995)

ψu = hệ thống tăng cường ổn ñịnh hệ thống, xác ñịnh theo kinh nghiệm và thực nghiệm (ψu = 1,0 ñối với ñá tự nhiên, ψu > 1 ñối với các hệ thống khác),

b là số mũ trong công thức; có giá trị 0,5 ñối với ñá tự nhiên và nhận giá trị trong khoảng 0,5

÷ 1,0 cho các loại khác (xem thêm Pilarczyk et al, Dikes & Revetments, 1995)

Công thức Van de Meer: Tiêu chuẩn Van der Meer ñược phân biệt áp dụng cho hai ñiều kiện sóng khác nhau: ðiều kiện nước sâu và ðiều kiện nước nông

ðiều kiện nước sâu: thường áp dụng cho các công trình xa bờ, ñặt trong ñiều kiện nước sâu ðối với sóng cuộn:

ξ 0 5

2 0 18 0 50

2











=

n

s

N

S P D

H

(14) ðối với sóng trào:

α 0 5 2

0 13 0 50

cot 0











=

n

N

S P D

H

(15)

ðiều kiện nước nông

ðối với sóng cuộn (plunging waves):

ξ 0 5

2 0 18 0 50

% 2

7











=

S P D

H

(14b)

ðối với sóng trào (surging waves):

ξ

α 0 5

2 0 13 0 50

%

2

cot 4











=

n

an N

S P D

H

(15b) Trong ñó:

P: hệ số thấm biểu kiến, có thể nhận các giá trị từ 0,1 ñến 0,4 tùy theo tính thấm của nền kè

S: là mức ñộ hư hỏng thiết kế, Ý nghĩa vật lý của S là số diện tích ñơn vị kích thước cạnh D50 có tổng diện tích bằng diện tích vùng mái kè bị xói, hay S là số cấu kiện lập phương cạnh D50 ñặt vừa vùng mái bị xói trên chiều dài ñơn vị D50 Nếu ñộ dốc mái nằm từ 1 ñến 4 thì

S = 3 (xem thêm chi tiết tại Jan Van de Meer, 1993)

N: số con sóng tính toán, khuyến nghị sử dụng 7500 con sóng ñể ñạt gần ñến trạng thái cân bằng về phân bố hình dạng mặt cắt ngang kè (về mặt kinh tế)

Ngoài các cơ chế phá hoại nêu trên, có thể tiến hành xây dựng hàm ñộ tin cậy cho rất nhiều cơ chế phá hoại khác căn cứ vào các tiêu chuẩn theo phương pháp tất ñịnh (thiết kế truyền thống, xuất phát từ ñiều kiện an toàn của một cơ chế, hay một kiểu sự cố bất kỳ nào) Các cơ chế phổ biển khác thường gặp ñối với ñê, kè biển là như hư hỏng kết cấu bảo vệ chân công trình; Xói

lở thân ñê do hư hỏng kết cấu bảo vệ ngoài (có thể mái trong hoặc mái ngoài ñê, mái trong ñê không ñược bảo vệ, hoặc ñược bảo vệ bằng trồng cỏ, phủ bê tông Asphalt, phủ bằng ñá lát trên tầng lọc…); và cơ chế xói lở ñụn cát/ñê cát tự nhiên

Tài liệu tham khảo

6-1) Vrouwenvelder, A.C.W.M., et al., Theoriehandleiding PC-RING, Deel A: Mechanismenbeschrijving, (Theory manual PC-RING Part A: Description of Mechanisms, in Dutch), Delft, TNO Bouw 98-CON-1430, 1999

6-2) SOBEK Technical Reference Guide, Version 1.10, Delft Hydraulics & Ministry of Transport, Public Works and Water management, 1996

6-3) Bretschneider, Ch.L., Generation of windwaves over shallow bottom, Technical Memorandum No 51, Beach Erosion Board, Office of the Chief of Engineers, 1954

6-4) Young, I.R and L.A Verhagen, The growth of fetch limited waves in water of finite depth, Coastal Engineering 29 (1996), Elsevier Science B.V., December 1996

6-5) Meer van der, J.W., Golfoploop en golfoverslag bij dijken (Wave runup on and overtopping of dikes, in Dutch), Delft Hydraulics / Waterloopkundig Laboratorium, H2458/H3051, 1997

6-6) CIRIA Report 116, 1987

6-7) Verruijt, A., Geotechniek, (Soil mechanics, lecture notes, in Dutch), TU Delft

6-8) Manual MPROSTAB, Grondmechanica Delft, 1994

6-9) Meer van der, M Th., and W Meermans, Stabiliteitsfactor en kans op afschuiven van grondlichamen, (Stability factor and probability of slip of soil bodies, In Dutch), Technische Hogeschool Delft, Afdeling der Civiele Techniek, Vakgroep Waterbouwkunde, 1984 6-10) Calle, E.O.F., and J Weijers, Technical rapport for a check on the mechanism of piping, (Technisch rapport voor contriole op het mechanisme piping, In Dutch), Delft, TAW, 1994 6-11) Sellmeijer, J.B., On the mechanism of piping under impervious structures, Thesis TU Delft, Faculty of Civil Engineering, 1988

Phụ lục 6-A

Hệ số giảm tổng hợp γ, cho thấy ảnh hưởng của cơ ñê, mặt nhám ngoài (mặt dốc và góc sóng tới Phụ lục 6-C trình bày chi tiết hơn về hệ số giảm tổng hợp)