ứng dụng lý thuyết độ tin cậy đánh giá an toàn công trình trên hệ thống

Xuất phát từ thực tế khai thác các hệ thống công trình thuỷ nông, cho thấy không ít hệ thống công trình bị sự cố dẫn đến phá huỷ công trình với nhiều lý do khác nhau, trong đó có những y

Cường, thầy PGS.TS Nguyễn Quang Hùng, cô Th.s Nguyễn Lan Hương, và

cùng sự nỗ lực của bản thân Đến nay, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

nghiên cứu và tính toán ổn định công trình trong hệ thống thủy nông, góp phần nâng cao độ chính xác trong quá trình đưa ra mức độ hư hỏng và độ tin cậy của công trình Tuy nhiên, trong khuôn khổ luận văn, đo điều kiện thời gian và trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những lời chỉ bảo và góp ý của các thầy, cô giáo và các đồng nghiệp

PGS.TS Nguyễn Quang Hùngvà cô Th.s Nguyễn Lan Hương đã hướng dẫn, chỉ

bảo tận tình và cung cấp các kiến thức khoa học cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo thuộc Bộ môn Thủy công- khoa Công trình, phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học trường Đại học Thủy lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành tốt luận văn thạc sỹ của mình

động viên, khích lệ tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Hà nội, tháng 8 năm 2013

Tác giả

Nguyễn Thị Lệ

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các thông tin, tài liệu trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc Kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây

Tác giả

Nguyễn Thị Lệ

Hình 1-2 Cống Xuân Quan (HTTL Bắc-Hưng-Hải)

Hình 1-3 Đập dâng Bái Thượng trên sông Chu (khi chưa tôn cao)

Hình 1-4 Công trình đầu mối Thạch Nham (Quảng Ngãi)

Hình 1-5 Đập dâng Đầm Chích – Kiên Giang

Hình 1-6 Cống Liên Mạc-đầu mối của HTTL Sông Nhuệ

Hình 1-7 Sơ đồ bố trí hệ thống kênh tưới

Hình 2-1: Định nghĩa biên hư hỏng Z = 0

Hình 2-2 Sơ đồ tính độ tin cậy của kết cấu công trình

Hình 2-3: Sơ đồ của hệ có cấu trúc các phần tử ghép nối tiếp

Hình 2-4: Sơ đồ của hệ có cấu trúc các phần tử ghép song song

Hình 2-5: Một dạng ghép hỗn hợp giữa các phần tử

Hình 2-6: Sơ đồ "cây sự cố"

Hình 2-7 Định nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số độ tin cậy

Hình 3-1: Sơ đồ đoạn kênh tính toán

Hình 3-2: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên cống Lăng Trình

Hình 3-5: Luật phân phối của ϕ cống Lăng Trình

Hình 3-6: Luật phân phối của C cống Lăng Trình

Hình 3-7: Luật phân phối của L cống Lăng Trình

Hình 3 – 8: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên cống tại Km0+317

Hình 3-10: Luật phân phối của ϕ cống tại Km0+317

Hình 3-11: Luật phân phối của C cống tại Km0+317

Hình 3-12: Luật phân phối của L cống tại Km0+317

Hình 3-13 : Ảnh hưởng của các đại lượng ngẫu nhiên đến ổn định trượt cống

Bảng 3-2: Tần suất lý thuyết ni’ của các lớp cống Lăng Trình

Bảng 3-4: Quy luật phân phối luật xác xuất

Bảng 3-7: Số liệu địa chất phục vụ tính toán kênh

Bảng 3- 8: Kết quả tính toán Kmin và Jmax cho từng mặt cắt kênh Bảng 3-9: Các giá trị cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam và Châu Âu

MỤC LỤC

I MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Nội dung nghiên cứu của đề tài 2

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

4 Mục tiêu của đề tài 2

5 Cách tiếp cận và nghiên cứu 2

6 Các kết quả và đóng góp của luận văn 2

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH THỦY NÔNG VIỆT NAM 4

1.1 Chức năng của công trình thủy lợi 4

1.2 Nhiệm vụ công trình thủy lợi 5

1.2.1 Công trình dâng nước 5

1.2.2 Công trình điều chỉnh dòng chảy 6

1.2.3 Công trình dẫn nước 7

1.3 Tổng quan về hệ thống công trình thủy lợi ở Việt Nam 7

1.3.1 Hệ thống thuỷ lợi Bắc - Hưng - Hải 8

1.3.2 Hệ thống thuỷ lợi sông Chu 9

1.3.3 Hệ thống thuỷ lợi Thạch Nham 10

1.3.4 Hệ thống thuỷ lợi Dầu Tiếng 11

1.3.5 Hệ thống thuỷ lợi Tứ giác Long Xuyên 11

1.4 Vai trò của các loại công trình trong hệ thống: 12

1.4.1 Công trình đầu mối 12

1.4.2 Công trình chuyển nước 13

1.4.3 Các công trình trên hệ thống 14

1.4.3.1Các cống lấy nước, cống điều tiết 14

1.4.3.2 Các công trình chuyển nước 14

1.4.3.3 Các công trình nối tiếp 15

1.4.3.4 Công trình đo nước 15

1.4.3.5 Các công trình bảo vệ kênh 15

1.4.3.6 Bể lắng cát 16

1.4.3.7 Công trình vận tải thuỷ trên kênh 16

1.4.3.8 Cầu giao thông qua kênh 16

1.5 Tổng quan các phương pháp đánh giá an toàn công trình trong hệ thống hiện hành 17

1.5.1 Phương pháp ứng suất cho phép 17

1.5.2 Phương pháp hệ số an toàn 17

1.5.3 Phương pháp trạng thái giới hạn 18

1.5.4 Phương pháp tính theo lý thuyết độ tin cậy 19

1.5.4.1 Sự hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên: 19

1.5.4.2 Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới 20

1.5.4.3 Các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên 20

1.6 Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 23

2.1 Giới thiệu phương pháp lý thuyết độ tin cậy 23

2.1.1 Giới thiệu chung 23

2.1.2 Những ưu điểm khi sử dụng lý thuyết độ tin cậy 26

2.2 Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên 27

2.2.1 Tính toán cấp độ I: 27

2.2.2 Tính toán cấp độ II 29

2.2.3 Tính toán cấp độ III 34

2.3 Cơ chế phá hoại ổn định tổng thể của hệ thống thủy nông 35

2.3.1 Khái niệm về hệ thống thủy nông trong lý thuyêt độ tin cậy 35

2.3.2 Hệ có cấu trúc ghép nối tiếp 36

2.3.3 Hệ có cấu trúc ghép song song: 36

2.3.4 Hệ có cấu trúc ghép hỗn hợp 37

2.3.5 Hệ có cấu trúc ghép bất kỳ 38

2.3.6 Sơ đồ cây sự cố hệ thống thủy nông 38

2.3.7 Các yếu tổ ngẫu nhiên tác động đến chất lượng công trình trong hệ thống thủy nông39 2.8 Lý thuyết áp dụng để phân tích 40

2.8.1 Lý thuyết áp dụng 40

2.8.2 Cơ sở đánh giá mức độ an toàn 43

2.9 Xác suất xảy ra sự cố đối với hệ thống thủy nông 43

2.9.1 Cống mất ổn định do trượt 43

2.9.2 Cống mất ổn định do lật 44

2.9.3 Mất ổn định đoạn kênh dẫn nước: 44

2.9.4 Xác suất xảy ra sự cố đối với đoạn kênh tính toán 45

2.10 Các phần mềm dùng trong luận văn 45

2.11 Kết luận chương 2 46

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH CHO MỘT ĐOẠN KÊNH THUỘC HỆ THỐNG SÔNG CẦU 47

3.1 Đặt vấn đề 47

3.2 Giới thiệu về hệ thống 47

3.3 Nội dung tính toán 48

3.3.1 Sơ đồ tính toán 48

3.3.2 Nội dung tính toán 48

3.4 Tính toán ổn định Cống Lăng Trình 49

3.4.1 Các trường hợp tính toán ổn định Cống Lăng Trình 49

3.4.2 Các tài liệu tính toán 50

3.4.3 Tính toán ổn định trượt phẳng 51

3.4.3.1 Tính ổn định trượt của cống theo phương pháp hệ số an toàn 51

3.4.3.2 Tính ổn định trượt của cống theo lý thuyết độ tin cậy 53

3.4.4 Kiểm tra lật của cống 60

3.4.4.1 Kiểm tra lật của cống theo phương pháp hệ số an toàn 60

3.4.4.2 Kiểm tra lật của cống theo lý thuyết độ tin cậy 60

3.5 Tính toán ổn định của cống tại Km0+317 61

3.5.1 Tính toán ổn định trượt phẳng của cống 62

3.5.1.1 Tính toán ổn định trượt phẳng của cống theo phương pháp hệ số an toàn 62

3.5.1.2 Tính ổn định trượt của cống Km0+317 theo lý thuyết độ tin cậy 64

3.5.2 Kiểm tra lật quanh trục B 65

3.5.2.1 Kiểm tra lật của cống theo phương pháp hệ số an toàn 65

3.5.2.2 Kiểm tra lật của cống theo lý thuyết độ tin cậy 65

3.6 Đánh giá độ tin cậy cho các phần tử-kênh trong hệ thống chọn 68

3.7 Phân tích/Đánh giá kết quả 70

3.7.1.Phân tích/ Đánh giá kết quả tính toán ổn định trượt phẳng: 71

3.7.2 Phân tích/ Đánh giá kết quả tính toán ổn định lật 71

3.7.3 Phân tích/ đánh giá kết quả tính toán ổn định của hệ thống 72

3.7.3.1 Ảnh hưởng của các ĐLNN đến ổn định của kênh 73

3.8 Kết luận chương 3 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

1 Những kết quả đạt được: 79

2 Những tồn tại: 79

3 Kiến nghị: 80

4 Hướng tiếp tục nghiên cứu: 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

I Tiếng Việt 82

II Tiếng nước ngoài 83

I MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, việc đánh giá chất lượng kỹ thuật cho các công trình thuỷ lợi là một bài toán rất phức tạp, vì công trình thường nằm sâu trong đất và chịu tác dụng của nhiều yếu tố phức tạp như lực tĩnh, lực động áp lực thấm…vv Việc đánh giá đúng nguyên nhân hư hỏng lại càng khó khăn hơn

Hiện nay do sự biến đổi của khí hậu, thiên tai bão lụt xảy ra thường xuyên hơn nên các công trình nói chung đặc biệt là công trình thủy lợi phải chịu thêm nhiều yếu tố bất lợi Vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết xác suất và quá trình ngẫu nhiên nhằm phản ánh đúng thực tế hơn Là hướng nghiên cứu tất yếu trên thế giới cũng như trong nước, nhằm đầu tư cho công trình đạt hiệu quả Hơn nữa với việc phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ đặc biệt là công nghệ thông tin, việc áp dụng các lý thuyết mới như lý thuyết độ tin cậy vào bài toán đánh giá và chẩn đoán chất lượng công trình thủy lợi phải được quan tâm hơn

Xong nghiên cứu để đánh giá chất lượng kết cấu hệ thống công trình thủy lợi hiện nay chưa được nghiên cứu Trên thế giới hiện nay có quy trình đánh giá nhanh RAP của tác giả Charles Burt Tr−êng §¹i häc kü thuËt California Phương pháp này giúp đánh giá toàn diện hiện trạng hệ thống nhưng bằng định tính, hoàn toàn phụ thuộc vào chuyên gia và người được điều tra để trả lời hơn 700 câu hỏi đối với một hệ thống Việt Nam cũng đã có đề tài nghiên cứu áp dụng phương pháp này nhưng rất nhiều câu hỏi trong điều kiện các hệ thống thủy lợi ở Việt Nam không thể trả lời được Hơn nữa, RAP không đánh giá được bản chất thực của kết cấu công trình bằng định lượng

Xuất phát từ thực tế khai thác các hệ thống công trình thuỷ nông, cho thấy không ít hệ thống công trình bị sự cố dẫn đến phá huỷ công trình với nhiều lý do khác nhau, trong đó có những yếu tố không được xét đến do hạn chế của các phương pháp trong tính toán truyền thống nên đã gây ra những tổn thất đáng tiếc đối với sản xuất, kinh tế, an toàn môi trường và con người Hơn nữa, các nghiên

cứu trước đây mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu đánh giá chất lượng cho một công trình cụ thể, đơn lẻ mà chưa có một nghiên cứu nào nhằm đánh giá chất lượng kỹ thuật về kết cấu của một nhóm công trình cũng như cả hệ thống công trình thủy lợi

Từ những lý do đó, luận văn tiến hành nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy nhằm đánh giá an toàn công trình trên hệ thống mang tính khoa học và thực tiễn cao

2 Nội dung nghiên cứu của đề tài

thống thủy lợi

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

4 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu khắc phục các khiếm khuyết của phương pháp tính truyền thống, bằng cách dựa trên áp dụng các phương pháp xác suất của lý thuyết độ tin cậy để đánh giá và từ đó nâng cao chất lượng như mong muốn của công trình trên hệ thống xây dựng trong điều kiện Việt Nam

5 Cách tiếp cận và nghiên cứu

- Thu thập, nghiên cứu tài liệu của các công trình trên hệ thống thực tế

- Tiếp cận với lý thuyết độ tin cậy trong tính toán đánh giá an toàn công trình

đánh giá an toàn công trình trên hệ thống

6 Các kết quả và đóng góp của luận văn

- Nghiên cứu lý thuyết độ tin cậy trong đánh giá an toàn công trình

- Ví dụ minh họa công nghệ tính toán công trình bằng lý thuyết độ tin cậy

- Đưa ra các kiến nghị về nâng cao an toàn công trình trên hệ thống theo lý thuyết độ tin cậy

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Áp dụng lý thuyết độ tin cậy trong tính toán công trình thủy lợi

- Sử dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao an toàn hệ thống công trình thủy lợi

- Áp dụng cho hệ thống công trình hiện đang tồn tại nhằm chứng minh tính thực tiễn và khả năng áp dụng được của kết quả tính toán

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH

THỦY NÔNG VIỆT NAM 1.1 Chức năng của công trình thủy lợi [19]

Nước ta có lượng mưa dồi dào và có mạng lưới sông phong phú Tổng lượng nước hàng năm của các song ngòi chảy qua nước ta khoảng 845km3 và 350 triệu m3 phù sa truyền tải trên 2360 con sông, tổng lưu lượng bình quân hàn năm trên các con sông là 27.500m3/s Nguồn nước phong phú đó đủ thỏa mãn cho nhu cầu kinh

tế quốc dân với điều kiện phải có kế hoạch quản lý, phân phối, điều hòa, sử dụng hợp lý

lũ, đồng thời phân bố không đều trên toàn bộ lãnh thổ Vì vậy cần phải xây dựng các công trình thủy lợi để phân phối lại nguồn nước theo không gian và điều chỉnh dòng chảy theo thời gian một cách hợp lý Nguồn nước được sử dụng vào các mục đich giao thông vận tải, tăng nguồn điện, cung cấp nước cho dân cư và công nghiệp, tưới ruộng, thau chua rửa mặn, nuôi trồng thủy sản…

Căn cứ vào mục đích trên, cần phải xây dựng các công trình thủy lợi bao gồm các lĩnh vực sau:

+ Thuỷ nông: Dùng biện pháp thuỷ lợi để tưới tiêu, thau chua rửa mặn chống xói mòn

+ Cung cấp nước và thoát nước cho khu công nghiệp, thành phố, nông thôn, nhà máy, nông trường, trại chăn nuôi v.v

+ Giao thông thuỷ : lợi dụng nước sông, hồ, biển để phát triển đường thuỷ

Ngoài ra biện pháp thuỷ lợi có liên quan đến công trình phục vụ công cộng khác như công trình vệ sinh môi trường, công trình phục vụ thể thao và du lịch + Khi khai thác nguồn nước, việc thực hiện nguyên tắc lợi dụng tổng hợp rất phức tạp vì các lĩnh vực thuỷ lợi yêu cầu dùng nước không giống nhau, có ngành cần nước thường xuyên như cấp nước, thuỷ điện, có ngành dùng nước theo từng

thời kỳ như tưới ruộng; có ngành tiêu phí nước như cấp nước, tưới ruộng, nhưng có ngành sau khi sử dụng, nước không mất đi như thuỷ điện, vận tải thuỷ, nuôi cá Do

đó có khi cùng một lúc không thoả mãn được nhiều ngành thì phải dựa vào nguyên tắc ưu tiên cho ngành trọng điểm và có chú ý thích đáng đến các ngành khác Mọi biện pháp thuỷ lợi để lợi dụng tổng hợp nguồn nước sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất

1.2 Nhiệm vụ công trình thủy lợi [19]

Nhiệm vụ chủ yếu của các công trình thuỷ lợi là làm thay đổi, cải biến trạng thái tự nhiên dòng chảy của sông, hồ, biển, nước ngầm để sử dụng nước một cách hợp lý

có lợi nhất và bảo vệ môi trường xung quanh tránh khỏi những tác hại của dòng nước gây nên Công trình thuỷ lợi có thể làm hình thành dòng chảy nhân tạo để thoả mãn nhu cầu dùng nước, khi dòng chảy tự nhiên ở nơi đó không đủ hoặc không có Căn cứ vào tính chất tác dụng lên dòng chảy, công trình thuỷ lợi có thể chia ra: công trình dâng nước, công trình điều chỉnh và công trình dẫn nước

1.2.1 Công trình dâng nước

Phổ biến nhất của loại công trình dâng nước là các loại đập Đập được xây dựng ngăn các sông suối và hình thành nên độ chênh mực nước trước và sau công trình gọi là độ chênh mực nước thượng hạ lưu Ở trước đập, càng gần đến đập, lưu

diện tích ướt của lòng sông và dẫn đến ngập đất ở thượng lưu (hình 1-1a) Sự thay đổi lưu tốc dòng chảy ở thượng lưu làm thay đổi khả năng vận chuyển bùn cát của lòng sông Lưu tốc theo chiều dòng chảy giảm dần, các hạt bùn cát trong nước được lắng xuống đáy theo thứ tự từ những hạt lớn sau đó những hạt bé hơn và khi đến gần công trình lưu tốc hầu như bằng không nên các hạt cát rất bé cũng được lắng xuống, nước ở đó rất trong

b)

c)

Hình 1-1 : Sơ đồ đập dâng nước

Sự dâng mực nước còn làm thay đổi cả trạng thái nước ngầm dưới lòng sông

và hai bên bờ Do có độ chênh cột nước thượng hạ lưu nên có hiện tượng thấm qua nền và vòng quanh công trình qua 2 bên bờ từ thượng lưu về hạ lưu

Nước ở thượng lưu chảy về hạ lưu không mang bùn cát, do đó để trở về trạng thái cũ của dòng nước, lòng sông và bờ ở hạ lưu lại bị bào mòn xói lở

Như vậy công trình dâng nước có ảnh hưởng đến tất cả các yếu tố của dòng chảy, lòng sông và cả nước ngầm Nhưng nó có hiệu quả lớn, điều chỉnh lưu lượng

ở thượng lưu về hạ lưu, về mùa lũ nước được giữ lại ở thượng lưu (đối với hồ chứa)

và được tháo về hạ lưu vào thời kỳ cần thiết theo nhu cầu dùng nước Công trình dâng nước được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực kinh tế nước

1.2.2 Công trình điều chỉnh dòng chảy

trạng thái dòng chảy, làm thay đổi hướng của dòng chảy trong giới hạn lòng sông theo yêu cầu cần thiết và bảo vệ lòng sông tránh khỏi những tác hại nguy hiểm của dòng nước Công trình điều chỉnh bao gồm đê, đập, tường, kè Các đê đập đó không xây ngăn hết toàn bộ lòng sông, mà chỉ một phần theo hướng của mặt cắt ngang hoặc có khi theo hướng dọc lòng sông

hướng và lưu tốc dòng chảy, phân bố lại lưu tốc và ảnh hưởng đến hình dạng của lòng sông Các công trình này nhằm phục vụ các ngành khác nhau, có thể để giữ độ

sâu, lưu tốc và hình dạng lòng sông cần thiết cho tàu bè qua lại, đảm bảo điều kiện bình thường để lấy nước từ sông, giữ ổn định bờ sông để đảm bảo an toàn cho dân

cư và nhà máy, xí nghiệp ở hai bên bờ

1.2.3 Công trình dẫn nước

Những công trình này bao gồm các loại như kênh mương, đường hầm, cầu máng, đường ống làm bằng các vật liệu khác nhau Các công trình đó chuyển nước với các lưu lượng xác định vào các mục đích khác nhau : dẫn nước vào turbin của nhà máy thuỷ điện, đưa nước vào tưới ruộng và đồng cỏ, vào hệ thống cấp nước của thành phố, xí nghiệp, nhà máy , đồng thời nó có thể sử dụng làm đường giao thông cho tàu thuyền đi lại Thuộc loại công trình dẫn nước này phải kể đến cả công trình tháo lũ, đó là những công trình tháo nước thừa của hồ chứa từ thượng lưu về hạ lưu qua đập hoặc hai bên bờ của đập, các công trình phân lũ sang khu vực khác nhằm giảm lũ sông chính tránh ngập lụt hạ lưu

1.3 Tổng quan về hệ thống công trình thủy lợi ở Việt Nam [6]

Hệ thống thuỷ lợi (HTTL) là một tập hợp nhiều công trình trong một không gian nhất định và phục vụ cho một số nhiệm vụ thuỷ lợi nhất định

Địa bàn phục vụ của một HTTL từ hàng chục hecta đến hàng ngàn hecta, có thể trải rộng trên nhiều tỉnh, như HTTL Bắc-Hưng-Hải ở đồng bằng Bắc Bộ, HTTL Dầu Tiếng ở Đông Nam Bộ, hệ thống Quản Lộ - Phụng Hiệp, Tứ giác Long Xuyên

ở miền Tây Nam Bộ…

Nhiệm vụ của HTTL cũng rất đa dạng: thuỷ nông (tưới, tiêu, cải tạo đất), thuỷ điện, giao thông thuỷ, cấp thoát nước, thuỷ sản… Các HTTL lớn thường là đa mục tiêu, đảm bảo lợi dụng tổng hợp nguồn nước, phòng chống thuỷ tai và bảo vệ môi trường Ví dụ các HTTL Bắc-Hưng-Hải, Cầu Sơn, Bái Thượng, Đô Lương, Linh Cảm, Thạch Nham, Đồng Cam… đều có nhiệm vụ tưới, tiêu, cấp nước; các hệ thống thuỷ lợi Quản Lộ-Phụng Hiệp, Tứ giác Long Xuyên, Đồng Tháp Mười… có nhiệm vụ tưới, tiêu, cải tạo đất (thau chua, ngọt hóa đồng ruộng), kết hợp với giao thông thuỷ…

Theo số liệu thống kê, đến nay cả nước đã xây dựng 75 hệ thống thủy lợi lớn,

trình thủy lợi vừa và nhỏ Xây dựng 5.700 km đê sông, 3.000 km đê biển, 23.000

km bờ bao, hàng ngàn cống dưới đê, hàng trăm km kè và nhiều hồ chứa lớn tham gia chống lũ cho vùng hạ du Tổng năng lực của hệ thống thủy lợi bảo đảm tưới nước trực tiếp 3,45 triệu ha, tạo nguồn nước cho 1,3 triệu ha, tiêu 1,4 triệu ha, ngăn mặn 0,87 triệu ha, cải tạo chua phèn 1,6 triệu ha, cấp và tạo nguồn cấp nước 5-6 tỷ/năm cho sinh hoạt, công nghiệp, du lịch, dịch vụ, 70-75% tổng số dân nông thôn

đã được cấp nước sinh hoạt

Một số hệ thống thủy nông điển hình ở nước ta hiện nay:

1.3.1 Hệ thống thuỷ lợi Bắc - Hưng - Hải

Hệ thống có nhiệm vụ cấp nước cho 124.000 ha đất canh tác, tiêu úng cho 185.000 ha thuộc các tỉnh Bắc Ninh, Hưng Yên, Hải Dương và một phần huyện Gia Lâm thuộc thành phố Hà Nội Các công trình đầu mối chủ yếu gồm cống Xuân Quan là cống lấy nước từ sông Hồng để cấp nước cho hệ thống; các cống Cầu Xe,

An Thổ tiêu nước ra hệ thống sông Thái Bình

Hệ thống được xây dựng từ những năm 50 của thế kỷ 20, sau khi hoà bình lập lại ở miền Bắc và đã phát huy tác dụng to lớn trong công cuộc khôi phục và phát triển kinh tế ở miền Bắc nước ta Ngày nay, hệ thống vẫn đang phát huy tác dụng tốt và ngày càng được củng cố, hoàn thiện và mở rộng diện phục vụ

Hình 1-2 Cống Xuân Quan (HTTL Bắc-Hưng-Hải)

1.3.2 Hệ thống thuỷ lợi sông Chu

Hệ thống có nhiệm vụ tưới nước cho 50.000 ha vùng đồng bằng Nam sông

Mã thuộc tỉnh Thanh Hoá, cấp nước dân dụng và công nghiệp với lưu lượng 1,25 m³/s kết hợp với giao thông thuỷ Công trình đầu mối là đập Bái Thượng trên sông Chu Hệ thống kênh gồm kênh chính có chiều dài 19,33 km và các kênh nhánh với tổng chiều dài hàng trăm ki lô mét

Hệ thống được xây dựng từ năm 1936 với diện tích tưới hạn chế Đầu năm

1996, công trình được nâng cấp về cơ bản với việc tôn cao đập dâng, mở rộng và hiện đại hoá cống lấy nước, kênh dẫn nước, mở rộng diện tích tưới

1.3.3 Hệ thống thuỷ lợi Thạch Nham

Hình 1-4 Công trình đầu mối Thạch Nham (Quảng Ngãi)

Hệ thống thuỷ lợi Thạch Nham thuộc tỉnh Quảng Ngãi, phạm vi phía Nam sông Vệ Nhiệm vụ của hệ thống là tưới 50.000 ha, cấp nước sinh hoạt cho nhân dân vùng với Q=1,7 m³/s Công trình đầu mối là đập dâng Thạch Nham Kênh chính của hệ thống dài 35,2 km, trên đó có xiphông chuyển nước qua sông Vệ là một công trình tiêu biểu với 2 ống thép đường kính 1,6 m, dài 226 m, lưu lượng lớn nhất Qmax= 15 m³/s

Hình 1-3 Đập dâng Bái Thượng trên sông Chu (khi chưa tôn cao)

Hệ thống được xây dựng từ những năm 80 của thế kỷ 20 và hiện nay đang tiếp tục được nâng cấp và hiện đại hoá

1.3.4 Hệ thống thuỷ lợi Dầu Tiếng

Hệ thống thuỷ lợi Dầu Tiếng có công trình đầu mối là hồ Dầu Tiếng thuộc tỉnh Tây Ninh và hệ thống tưới trải rộng trên các tỉnh Tây Ninh, Long An, Bình Dương và Thành phố Hồ Chí Minh Nhiệm vụ của hệ thống là tưới 93.000 ha đất nông nghiệp, cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp 100 triệu m³/năm

Hồ Dầu Tiếng có dung tích toàn bộ là 1,58 tỷ m³; đập chính dài 1,1 km, cao

28 m; đập phụ dài 27 km; kênh chính có chiều dài tổng cộng là 114 km Hệ thống được xây dựng và hoàn thành sau ngày thống nhất đất nước Hiện nay, hệ thống đang tiếp tục được nâng cấp, hoàn thiện và mở rộng diện phục vụ, đặc biệt là trong lĩnh vực cấp nước cho dân dụng và công nghiệp

1.3.5 Hệ thống thuỷ lợi Tứ giác Long Xuyên

Nhiệm vụ của hệ thống là tiêu úng, phòng lũ, cải tạo đất cho 488.935 ha; cấp nước tưới cho 282.400 ha khu vực Tây Sông Hậu thuộc các tỉnh An Giang, Kiên Giang và một phần của tỉnh Hậu Giang Hệ thống kênh chính dài 708,3 km là kênh kết hợp tưới tiêu và giao thông thuỷ Trong thành phần của hệ thống có các tuyến đê

và bờ bao ngăn lũ, các cống tưới, tiêu, kiểm soát lũ, trong đó quan trọng nhất là các cống- đập cao su Trà Sư, Đầm Chính,cống Tuần Thống, T6, Lung Lớn, Ba Hòn…

Hệ thống bắt đầu được xây dựng từ những năm 80 thế kỷ 20 và hiện nay vẫn tiếp tục được bổ sung, hoàn thiện, hiện đại hoá và mở rộng phạm vi phục vụ

Hình 1-5 Đập dâng Đầm Chích – Kiên Giang

1.4 Vai trò của các loại công trình trong hệ thống:

Thành phần của HTTL bao gồm công trình đầu mối, hệ thống chuyển nước(

hở hay kín ) và các công trình trên đó

1.4.1 Công trình đầu mối

Đầu mối của một hệ thống có thể là nơi tạo nguồn nước (hồ chứa, đập dâng, trạm bơm, cống lấy nước), hoặc chỉ là cống điều tiết ở cuối kênh tiêu đổ ra sông, biển Ví dụ đập dâng Cầu Sơn trên sông Thương là công trình đầu mối của HTTL Cầu Sơn (tỉnh Bắc Giang); Cống Xuân Quan dưới đê sông Hồng là công trình đầu mối của HTTL Bắc-Hưng-Hải; trạm bơm Linh Cảm là công trình đầu mối của HTTL Linh Cảm (Hà Tĩnh), hồ chứa nước Dầu Tiếng (Tây Ninh) là công trình đầu mối của HTTL Dầu Tiếng; các cống điều tiết ở cuối các kênh tiêu đổ ra biển là những công trình đầu mối của hệ thống tiêu như cống Lân, Thái Bình, các cống thoát lũ ra biển Tây ở đồng bằng sông Cửu Long…

Hình 1-6 Cống Liên Mạc-đầu mối của HTTL Sông Nhuệ

1.4.2 Công trình chuyển nước

Công trình chuyển nước của HTTL là bộ phận quan trọng để vận chuyển nước từ nguồn (đầu mối) đến các hộ sử dụng nước Đường chuyển nước có thể bố trí theo kiểu hở (kênh, máng) hay kín (đường ống), hoặc kết hợp cả hai, tuỳ theo điều kiện địa hình, địa chất trên từng đoạn Đối với các HTTL phục vụ tưới tiêu, giao thông thuỷ thì hình thức chuyển nước bằng kênh hở là chủ đạo Các hệ thống cấp nước dân dụng và công nghiệp thường có đường dẫn kín (ngầm hoặc lộ thiên)

để đảm bảo chất lượng nước Hệ thống dẫn nước đến các trạm thuỷ điện kiểu đường dẫn có thể làm theo hình thức kín hoặc hở, tuỳ thuộc vào kết quả so sánh kinh tế-kỹ thuật các phương án Nói chung, khi địa hình phức tạp, sườn núi dốc, dễ sạt lở… thì hình thức đường dẫn kín là thích hợp hơn

Một hệ thống dẫn nước phục vụ tưới, tiêu, cấp nước thường gồm kênh (ống) chính và các kênh (ống) nhánh Đối với hệ thống kênh tưới, sơ đồ bố trí thường theo hình mạng lưới bao gồm kênh chính, các kênh nhánh cấp 1 lấy nước từ kênh chính, các kênh nhánh cấp 2 lấy nước từ kênh cấp 1…Sơ đồ đánh số các kênh như hình 1-

4 [7]

Hình 1-7 Sơ đồ bố trí hệ thống kênh tưới

1.4.3 Các công trình trên hệ thống

1.4.3.1Các cống lấy nước, cống điều tiết

- Cống lấy nước: bố trí đầu các kênh nhánh để lấy nước từ kênh cấp trên xuống kênh cấp dưới

- Cống điều tiết: bố trí trên các kênh chính hoặc kênh nhánh cấp cao để điều tiết, làm dâng cao mực nước trước cống, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lấy

nước vào các kênh nhánh cấp thấp

1.4.3.2 Các công trình chuyển nước

Dùng để chuyển tiếp nước khi kênh gặp phải các chướng ngại như sông suối, đường giao thông, kênh khác

Các công trình chuyển nước thường dùng như sau:

- Cầu máng: chuyển nước vượt qua sông, kênh hoặc đường giao thông khi mực nước cao nhất trong kênh chướng ngại, hay trần lưu không cho phép ở đường giao thông là thấp hơn cao trình đáy kênh chuyển nước

- Xi phông ngược (cống luồn): Chuyển nước vượt qua sông, kênh, hoặc đường giao thông khi mực nước cao nhất trong sông, kênh chướng ngại hay trần lưu không cho phép ở đường giao thông vượt quá cao trình đáy kênh chuyển nước

1.4.3.3 Các công trình nối tiếp

Khi cần hạ thấp nhanh cao trình đáy kênh chuyển nước, dùng các hình thức:

- Bậc nước: khi độ dốc địa hình lớn

- Dốc nước: khi độ dốc địa hình khá lớn

1.4.3.4 Công trình đo nước

Công trình đo nước được đặt ở đầu kênh chính, đầu các kênh nhánh để đo mực nước và lưu lượng phục vụ cho công tác quản lý, phân phối nước trên hệ thống Ngoài ra tại những vị trí cần thiết, có thể bố trí các công trình chuyên dùng

để đo các thông số về vận tải thủy, độ bồi xói…

Trên một hệ thống, có thể tận dụng các công trình thuỷ công để đo nước Muốn vậy, khi thiết kế phải bố trí các bộ phận có chức năng thích hợp

1.4.3.5 Các công trình bảo vệ kênh

Các công trình này có chức năng bảo vệ bờ kênh khỏi bị bồi, xói lở khi nước trong kênh tràn bờ ra ngoài, hoặc nước từ ngoài tràn vào trong kênh, đặc biệt là khi kênh chạy dưới chân sườn đồi Thuộc loại này gồm có:

- Tràn bên: để giữ cho nước trong kênh không tràn bờ gây xói lở bờ

- Cống tháo cuối kênh: để giữ cho nước trong kênh không tràn bờ, hay để tháo cạn nước trong kênh khi cần sửa chữa kênh và các công trình trên đó

- Kênh tách nước: bố trí ở phía bờ kênh giáp với sườn dốc để thu nước từ sườn dốc không cho tràn vào kênh dẫn nước Nước trên kênh tách được chuyển thoát ra các vị trí có địa hình trũng, từ đó có các công trình chuyển nước cắt qua tuyến kênh

- Cống tiêu qua kênh (cống luồn dưới kênh) Thường bố trí đầu cống là các

hố trũng thu nước từ sườn dốc; cuối cống được nối với các khe lạch tự nhiên gần với tuyến kênh

- Tràn băng qua kênh: dùng khi cần chuyển nước từ sườn dốc băng qua kênh,

mà bờ phía sườn dốc không có hố trũng thích hợp Loại này thường sử dụng kết hợp với cầu giao thông qua kênh Khi phạm vi bố trí tràn băng dài thì có thể thay bằng một đoạn kênh hộp dẫn nước

1.4.3.6 Bể lắng cát

Bể lắng bùn cát là một đoạn kênh được mở rộng và khơi sâu để tăng diện tích mặt cắt, giảm lưu tốc và do đó cho phép lắng đọng các hạt bùn cát đủ lớn, có thể gây bồi trên kênh hay mặt ruộng được tưới Bể lắng cát cũng có thể được bố trí trước các xi phông ngược (cống luồn) để tránh bùn cát bồi lấp ở đáy xiphông Bùn cát lắng đọng trong bể được đưa ra khỏi bể bằng các hình thức khác nhau: nạo vét thủ công, hút bằng cơ giới (tàu hút bùn), tháo xả bằng thủy lực…

1.4.3.7 Công trình vận tải thuỷ trên kênh

Với các kênh có kết hợp vận tải thuỷ, tại các vị trí có mực nước trên kênh thay đổi nhiều thì cần bố trí âu thuyền để cho thuyền bè đi lại được an toàn

1.4.3.8 Cầu giao thông qua kênh

Khi kênh cắt qua đường bộ mà không làm công trình chuyển nước kiểu cống luồn thì phải bố trí cầu giao thông vượt qua kênh Khi đó cao trình đáy dầm cầu phải đặt cao hơn mực nước lớn nhất trong kênh Trường hợp bề rộng kênh lớn, phải làm trụ đỡ trung gian ở giữa kênh thì phải xét đến sự hạ thấp mực nước trong kênh phía hạ lưu cầu do thu hẹp mặt cắt (tổn thất cục bộ)

Như vậy trên một HTTL, tuỳ theo nhiệm vụ công trình và các điều kiện địa chất, địa hình, địa vật cụ thể mà bố trí các công trình thích hợp để thoả mãn nhiệm

vụ chuyển nước, phân chia nước, đồng thời đảm bảo an toàn cho kênh và khu vực lân cận

Trong thiết kế HTTL, để thuận tiện cho công tác thiết kế, thi công và quản

lý, có thể áp dụng thiết kế mẫu cho từng loại công trình và từng cấp thích hợp Các hạng mục thường được áp dụng thiết kế mẫu là cống lấy nước, cống điều tiết, cầu giao thông qua kênh, các đoạn (đơn nguyên) của kênh máng…

1.5 Tổng quan các phương pháp đánh giá an toàn công trình trong hệ thống hiện hành

Hiện nay trong thiết có nhiều phương pháp tính ổn định và độ bền công trình Các phương pháp được sử dụng phổ biến trong thiết kế là phương pháp ứng suất cho phép, phương pháp hệ số an toàn, phương pháp trạng thái giới hạn và phương pháp tính công trình theo lý thuyết độ tin cậy

1.5.1 Phương pháp ứng suất cho phép [19]

Theo phương pháp này, điều kiện bền có dạng:

F

F

Trong tính toán thiết kế, người thiết kế thường lựa chọn công thức tính toán hệ

số ổn định K đã được thiết lập cho từng loại công trình và cho từng sơ đồ tính cụ

làm tiêu chuẩn thiết kế

1.5.3 Phương pháp trạng thái giới hạn [19]

Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn là việc sử dụng một nhóm các hệ số

này thay thế cho một hệ số an toàn chung K Vì vậy phương pháp này còn được gọi

là phương pháp nhiều hệ số an toàn

Người ta phân biệt 2 nhóm trạng thái giới hạn

Trạng thái giới hạn thứ nhất – công trình, kết cấu và nền của chúng làm việc

trong điều kiện khai thác bất lợi nhất, gồm: các tính toán về độ bền và ổn định

chung của hệ công trình – nền; độ bền thấm chung của nền và công trình đất; độ bền

của các bộ phận mà sự hư hỏng của chúng sẽ làm cho việc khai thác công trình bị

ngừng trệ; các tính toán về ứng suất, chuyển vị của kết cấu bộ phận mà độ bền hoặc

độ ổn định công trình chung phụ thuộc vào chúng v.v

Trạng thái giới hạn thứ hai – công trình, kết cấu và nền của chúng làm việc

bất lợi trong điều kiện khai thác bình thường, gồm: các tính toán độ bền cục bộ của

nền; các tính toán về hạn chế chuyển vị và biến dạng, về sự tạo thành hoặc mở rộng

vết nứt và mối nối thi công; về sự phá hoại độ bền thấm cục bộ hoặc độ bền của kết

cấu bộ phận mà chúng chưa được xem xét ở trạng thái giới hạn thứ nhất

Theo QCVN 04-05: 2012 điều kiện đảm bảo ổn định hay độ bền của công trình

định bằng cách lấy tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số lệch tải n:

RTC - cường độ tiêu chuẩn của vật liệu;

m - Hệ số điều kiện làm việc

quả khi xảy ra trạng thái giới hạn

1.5.4 Phương pháp tính theo lý thuyết độ tin cậy [6] [8]

1.5.4.1 Sự hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên:

Sự tiến triển logic của các phương pháp thiết kế công trình đã được tổng kết như sau Ban đầu chúng được tính theo các phương pháp tất định (theo ứng suất cho phép và hệ số an toàn), với tiền đề là tải trọng và độ bền tính toán đã được mặc định trong suốt quá trình làm việc của công trình Thực tế thì các hàm tải trọng và độ bền chịu tác động của rất nhiều yếu tố khác nhau, và biến đổi theo quy luật ngẫu nhiên

Vì vậy việc ấn định trước các giá trị tính toán của chúng trong suốt thời gian vận hành của công trình là chưa thoả đáng Bù lại, để tăng mức độ dự trữ an toàn, người

ta phải giảm bớt các trị số ứng suất cho phép, hay tăng hệ số an toàn cho phép lên Việc tăng hay giảm này không tránh khỏi yếu tố chủ quan

Sự phát triển phương pháp trạng thái giới hạn là một bước tiến trên con đường cải tiến các phương pháp thiết kế công trình Phương pháp trạng thái giới hạn

Bước tiến tiếp theo là việc chuyển sang các phương pháp ngẫu nhiên trong khuôn khổ lý thuyết độ tin cậy Lý thuyết này xét đến bản chất thay đổi thường xuyên của tải trọng và tác động, tính chất vật liệu, bản thân kết cấu và các điều kiện khai thác chúng

1.5.4.2 Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới

Những năm thập kỷ 60 và 70 của thế kỷ XX trên thế giới đã có những công trình công bố về ứng dụng lý thuyết độ tin cậy vào lĩnh vực kết cấu xây dựng Các khái niệm về “Xác suất đảm bảo không bị phá hoại” cũng như tính toán các xác suất này đã trở nên quen thuộc trong lĩnh vực kết cấu xây dựng

Lý thuyết độ tin cậy cũng đã được ứng dụng vào lĩnh vực tính toán công trình thủy từ những năm thập kỷ 90 của thế kỷ XX Các thiết kế ngẫu nhiên và các thiết kế rủi ro được phát triển khá mạnh mẽ trong lĩnh vực công trình biển và công trình bảo vệ bờ

Ở nước ta, lý thuyết độ tin cậy cũng đã được xâm nhập vào từ những năm 60,

từ đó đến nay nó không ngừng được phát triển Đầu tiên là sự truyền bá lý thuyết bằng những sách dịch, bài giảng, giáo trình giảng dạy trong các trường đại học, tiếp đến là các công trình nghiên cứu trong khuôn khổ các luận văn thạc sĩ, luận án tiến

sĩ trong các ngành Giao thông, Kết cấu xây dựng, Công trình thủy, Đê và công trình bảo vệ bờ…Trong lĩnh vực kết cấu xây dựng đã có những quy định ban đầu về tính

độ tin cậy kết cấu So với thế giới ứng dụng lý thuyết này trong lĩnh vực công trình xây dựng của Việt nam đang còn là mới mẻ

1.5.4.3 Các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên

Trong trường hợp tất cả các nguyên nhân xảy ra hư hỏng công trình có thể liệt kê và xác suất xảy ra hư hỏng đó có thể chắc chắn được xác định thì về nguyên tắc có thể xác định được xác suất xảy ra sự cố Vì vậy, hoàn toàn có thể đưa ra một phương pháp tiếp cận mới trong thiết kế công trình với ý tưởng “Cần xem xét về mức độ có thể xây dựng tiêu chuẩn an toàn công trình căn cứ vào phân tích rủi ro cho tất cả các yếu tố liên quan” Đây là lý do cơ bản của sự phát triển phương pháp

“Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy”

Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên là phương pháp thiết kế dựa trên cơ sở toán xác suất thống kế để phân tích tương tác giữa các biến ngẫu nhiên của tải trọng và của sức chịu tải trong các cơ chế phá hoại theo giới hạn làm việc của công trình.Trong thiết kế ngẫu nhiên, tất cả các cơ chế phá hỏng được mô tả bởi mô hình

toán hoặc mô hình mô phỏng tương ứng Tính toán xác suất phá hỏng của một bộ phận kết cấu hoặc của công trình được dựa trên hàm độ tin cậy của từng cơ chế phá hỏng

Các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên được chia ra làm bốn cấp độ:

* Cấp độ 0: Là phương pháp thiết kế tất định – phương pháp hệ số an toàn Thiết

kế dựa trên cơ sở các trạng thái trung bình, các trị trung bình và kèm theo hệ số an toàn thích hợp tương ứng với mỗi loại công trình;

* Cấp độ I: Là phương pháp thiết kế tất định – phương pháp trạng thái giới hạn

Đây là phương pháp tiếp cận bán ngẫu nhiên Trong thiết kế sử dụng

của tải trọng và giảm giá trị của độ bền

* Cấp độ II: Là phương pháp thiết kế ngẫu nhiên Cấp độ này bao gồm một số

phương pháp gần đúng để biến đổi hàm phân phối xác suất sang dạng hàm phân phối chuẩn hay phân phối Gaussian Để xác định gần đúng các giá trị xác suất xảy ra sự cố, quá trình tuyến tính hóa toán học các phương trình liên quan cần được thực hiện

* Cấp độ III: Là phương pháp thiết kế ngẫu nhiên Theo cấp độ tiếp cận này, các

hàm phân phối xác suất của các biến ngẫu nhiên được xem xét hoàn toàn đúng với quy luật phân phối thực của chúng Trường hợp bài toán phi tuyến, vấn đề cũng sẽ được giải quyết theo phi tuyến

1.6 Kết luận chương 1

Từ tính cấp thiết và mục tiêu của đề tài, trong chương 1 của luận văn đã làm

rõ được những nội dung sau:

Nêu được chức năng, nhiệm vụ của công trình thủy lợi đối với nền kinh tế quốc gia Thủy lợi phục vụ nhiều mục đích như tưới nước trong nông nghiệp, phát triển nguồn điện chô công nghiệp, cho sinh hoạt, cung cấp nước cho đời sống sinh hoạt, nhà máy, xí nghiệp, cho nuôi trồng thủy sản…phát triển hệ thống giao thông

thủy, chống lũ lụt Vì thế công tác thủy lợi đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân và đời sống của nhân dân

Tổng quan được các phương pháp đánh giá ổn định công trình trong hệ thống

đó là: Phương pháp ứng suất cho phép, phương pháp hệ số an toàn, phương pháp trạng thái giới hạn và phương pháp lý thuyết độ tin cậy Từ cái nhìn tổng quan đó có những nhận định, phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp này

Có cái nhìn tổng quan về hệ thống công trình thủy lợi về chức năng nhiệm

vụ, của các công trình cụ thể trong hệ thống thủy lợi Xuất phát từ thực tế khai thác các hệ thống công trình thuỷ nông, cho thấy không ít hệ thống công trình bị sự cố dẫn đến phá huỷ công trình với nhiều lý do khác nhau, trong đó có những yếu tố không được xét đến do hạn chế của các phương pháp trong tính toán truyền thống nên đã gây ra những tổn thất đáng tiếc đối với sản xuất, kinh tế, an toàn môi trường

và con người Hơn nữa, các nghiên cứu trước đây mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu đánh giá ổn định cho một công trình cụ thể, đơn lẻ mà chưa có một nghiên cứu nào nhằm đánh giá ổn định kỹ thuật về kết cấu của một nhóm công trình cũng như

cả hệ thống công trình thủy lợi

Mục tiêu của luận văn chính là nghiên cứu khắc phục các khiếm khuyết của phương pháp tính truyền thống, bằng cách dựa trên áp dụng các phương pháp xác suất của lý thuyết độ tin cậy để đánh giá và từ đó nâng cao chất lượng như mong muốn của các hệ thống công trình thuỷ nông xây dựng trong điều kiện Việt Nam

Đó cũng là xu hướng phát triển hiện nay trên thế giới nhằm góp phần nâng cao năng suất nông nghiệp, bảo đảm an toàn lương thực

Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, nhiều hệ thống công trình thủy lợi được xây dựng đã lâu, xuống cấp nhưng không được đầu tư nâng cấp thỏa đáng mà hầu như sửa chữa mang tính chắp vá, không đồng bộ Vì vậy, việc xây dựng phương pháp đánh giá ổn định hệ thống công trình thuỷ nông theo độ tin cậy được nghiên cứu trong luận văn không chỉ nhằm phục vụ xây dựng mới hệ thống, đúng địa chỉ, mang lại hiệu quả cao (tức là kiểm soát được chất lượng công trình và của hệ thống theo độ tin cậy) mà còn có thể hỗ trợ cho việc lập và so sánh các phương án tu sửa, nâng cấp các công trình đang khai thác thuộc hệ thống thuỷ nông

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY

2.1 Giới thiệu phương pháp lý thuyết độ tin cậy

2.1.1 Giới thiệu chung [9]

Hiện nay trên thế giới, lý thuyết ngẫu nhiên đang được dùng tương đối phổ biến trong những nghiên cứu, tính toán phân tích an toàn hệ thống như hệ thống phòng lũ, hệ thống công trình xây dựng Trong lĩnh vực công trình xây dựng, nhiều nước tiên tiến trên thế giới như các nước ở châu Âu, Mỹ, Nga, Trung Quốc vv… đã đưa ra những tiêu chuẩn an toàn công trình theo xác suất an toàn cho phép hoặc độ tin cậy an toàn của công trình

Hiện nay tại Việt Nam đang sử dụng hỗn hợp các phương pháp: phương pháp ứng suất cho phép, phương pháp hệ số an toàn và phương pháp trạng thái giới hạn cùng với mô hình thiết kế truyền thống để tính toán công trình Theo mô hình thiết

kế này tải trọng và độ bền tính toán được mặc định trong suốt quá trình làm việc của công trình Nhưng thực tế các hàm tải trọng và độ bền chịu tác động của rất nhiều yếu tố khác nhau và biến đổi theo quy luật ngẫu nhiên Vì vậy quan niệm về quan

hệ giữa tải trọng và sức chịu tải của công trình trong quá trình làm việc của mô hình thiết kế truyền thống ngày càng trở nên lạc hậu Xu hướng tiến bộ hiện nay là thiết

kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy Như ở Chương I tác giả đã trình bày mức độ tiếp cận với phương pháp thiết kế hiện đại này hiện được chia ra ở các cấp độ khác nhau:

- Tiếp cận mức độ xác suất cấp độ 0, thiết kế truyền thống, sử dụng phương pháp hệ số an toàn

- Tiếp cận mức độ xác suất cấp độ I, thiết kế bán xác suất, sử dụng phương pháp nhiều hệ số an toàn (phương pháp trạng thái giới hạn)

- Tiếp cận xác suất cấp độ II và cấp độ III, phương pháp tiếp cận ngẫu nhiên

Mức độ III, trong đó các hàm phân bố của các biến được giữ nguyên quy luật phân bố và các tính toán không sử dụng các phương pháp gần đúng Cấp độ II,

trong đó sử dụng các phương pháp gần đúng để biến đổi luật phân bố của các tải trọng và sức chịu tải về các hàm phân bố chuẩn, các tính toán sử dụng các phương pháp xác suất gần đúng

Luận văn đi sâu vào nghiên cứu tính toán ổn cho một hệ thống thủy lợi nhỏ bao gồm hai cống điều tiết và một đoạn kênh làm cơ sở thiết lập bài toán phân tích

độ tin cậy an toàn cho hệ thống, tiếp cận với lý thuyết ngẫu nhiên ở cấp độ II

Các nguyên nhân xảy ra sự cố cống và đoạn kênh dẫn nước có thể liệt kê: Thấm, trượt, lật, ứng suất nền, đẩy nổi của cống; thấm, trượt, lún, tràn bên của mái kênh Từ trước đến nay khi tính toán ổn định của các công trình trong hệ thống theo phương pháp tính truyền thống chưa phản ánh được hết những bất lợi mà công trình gây ra Việc tính toán thiết kế kết cấu công trình dựa trên các Tiêu chuẩn quy phạm, trong đó coi các yếu tố bất định là “tiền định” kèm theo các hệ số an toàn Cách tính

toán này được gọi là phương pháp tính theo “mô hình tiền định”, không phản ánh

được bản chất ngẫu nhiên của các tác động, do đó không thể đánh giá đúng đắn chất lượng của kết cấu công trình thực tế Theo ý tưởng của phương pháp luận nêu trên, người ta hoàn toàn có thể đưa ra một phương pháp tiếp cận mới trong thiết kế công trình với ý tưởng “Cần xem xét về mức độ có thể xây dựng tiêu chuẩn an toàn công trình căn cứ vào phân tích rủi ro của tất cả các yếu tố liên quan” Đây chính là lý do

cơ bản cho sự phát triển "Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích

độ tin cậy"

Lý thuyết cơ bản của các phương pháp xác suất thống kê

Việc mở rộng cơ bản của thiết kế tất định được giới thiệu bằng các phương pháp xác suất thống kê là các hàm mật độ hai chiều hay các hàm mật độ xác suất

các giá trị thiết kế đặc trưng Các dạng hàm số này có bề mặt sóng nhiều hay ít trên miền không gian hai chiều, bất kỳ một điểm nào trên đó sẽ mô tả bằng khoảng cách

toán xác suất phá hỏng của một thành phần được dựa trên hàm độ tin cậy của từng

cơ chế phá hỏng Hàm độ tin cậy Z được thiết lập căn cứ vào trạng thái giới hạn

tương ứng với cơ chế phá hỏng đang xem xét, và là hàm của nhiều biến và tham số ngẫu nhiên Theo đó, Z = R-S < 0 được coi là có xảy ra hư hỏng và hư hỏng không xảy ra nếu Z nhận các giá trị còn lại (xem hình 2.1) Do đó xác xuất phá hỏng được xác định là P{Z<0}

(S)

Hình 2-1: Định nghĩa biên hư hỏng Z = 0

Muốn tính được độ tin cậy của công trình, người thiết kế phải có đủ số liệu phân phối ngẫu nhiên của tải trọng và độ bền từ đó kết hợp với các yếu tố ảnh

hưởng bên ngoài tiến hành phân phối xác suất và đánh giá độ tin cậy công trình

- ¶nh h−ëng cña m«i tr−êng

Hình 2-2 Sơ đồ tính độ tin cậy của kết cấu công trình

2.1.2 Những ưu điểm khi sử dụng lý thuyết độ tin cậy

Tính toán khả năng ổn định của một công trình theo phương pháp thiết kế truyền thống thông thường được gọi là phương pháp tất định Theo phương pháp này các giá trị thiết kế của tải trọng và các tham số độ bền được xem là xác định, tương ứng với từng trường hợp và tổ hợp thiết kế riêng Ví dụ trong thiết kế cống lấy nước, tương ứng với mỗi giá trị tần suất thiết kế, mực nước và kích thước thân cống được xác định và được coi là tải trọng thiết kế, dựa vào tiêu chuẩn quy định thiết kế, hình dạng và các kích thước của công trình được xác định Các tiêu chuẩn quy định này được xây dựng trên các trạng thái giới hạn của cơ chế phá hỏng, trong

đó có kể đến số dư an toàn thông qua hệ số an toàn

Theo phương pháp thiết kế tất định, công trình được coi là an toàn khi khoảng cách giữa sức chịu tải và tải trọng tác dụng đủ lớn để đảm bảo thỏa mãn từng trạng thái giới hạn của tất cả các thành phần công trình Một số hạn chế tiêu biểu của phương pháp thiết kế tất định có thể được nêu như sau:

+ Trên thực tế, chưa xác định được xác suất phá hỏng của từng thành phần cũng như toàn hệ thống

+ Không so sánh được độ bền của các mặt cắt khác nhau về hình dạng và vị trí

+ Không đưa ra xác suất gây thiệt hại và mức độ thiệt hại của vùng bảo vệ (xác suất xảy ra sự công trình…)

phương pháp truyền thống Vấn đề lựa chọn một hệ số an toàn thích hợp được giải quyết một cách có hệ thống bằng cách sử dụng các công cụ thống kê để miêu tả các thuộc tính ngẫu nhiên của cả sức bền vật liệu và tải trọng

Trong giải pháp này, một phạm vi an toàn được thu nhận bằng cách đưa vào trong tính toán tất cả những bất định, không chắc chắn của các biến tải trọng và các biến sức bền Bằng cách chấp nhận một xác suất sự cố nào đó, người thiết kế hiệu chỉnh phạm vi an toàn một cách hợp lý

Tính toán công trình theo lý thuyết độ tin cậy là sự phát triển có tính logic phát triển dần từng bước từ phương pháp hệ số an toàn, phương pháp nửa xác suất,

để phân tích các biên tải trọng, sức chịu tải của vật liệu, tính chất kết cấu và điều kiện làm việc của công trình

Sự khác nhau căn bản giữa thiết kế truyền thống và thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy là ở chỗ, phương pháp thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy (phương pháp thiêt

kế ngẫu nhiên) dựa trên xác suất hoặc tần suất chấp nhận thiệt hại của vùng ảnh hưởng Kết quả được đưa ra là xác suất hư hỏng của từng thành phần công trình toàn bộ hệ thống Vì vậy có thể nói thiết kế ngẫu nhiên là phương pháp thiết kế tổng hợp cho toàn thể hệ thống Xác suất chấp nhận thiệt hại của vùng ảnh hưởng phụ thuộc vào vị trí, mức độ quan trọng của khu vực, mức độ thiệt hại có thể và tiêu chuẩn an toàn của từng vùng, từng quốc gia Với lý do này, thay vì xác suất xác định chấp nhận thiệt hại bằng việc xác định mức độ chấp nhận rủi ro, bởi vì mức độ rủi ro là hàm phụ thuộc giữa xác suất xảy ra thiệt hại và hậu quả thiệt hại

Định nghĩa chung về mức độ rủi ro là tích số của xác suất xảy ra thiệt hại và

hậu quả thiệt hại: Mức độ rủi ro=(Xác suất xảy ra thiệt hại) x (Hậu quả thiệt hại)

Lũy thừa n phụ thuộc vào tình trạng của đối tượng phân tích (hệ thống) thông thường lấy bằng 1

Vậy, những ưu điểm chính của giải pháp xác suất thống kê so với giải pháp tất định truyền thống là:

kiệm chi phí xây dựng

đối với quản lý

2.2 Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên

2.2.1 Tính toán cấp độ I:

Một cách tổng quát, hiện nay các thiết kế được dựa vào các tiêu chuẩn và

hướng dẫn thiết kế Trong đó các thông số độ bền được gia giảm bằng các hệ số đặc trưng, các thông số tải trọng được gia tăng bằng các hệ số tải trọng Thể hiện theo công thức 2.1:

S

R

S R

Các giá trị đặc trưng của thông số độ bền và tải trọng được tính theo công

thức 2.2:

S S S

R R R

k S

k R

σμ

σμ

R R R R R R

V S

V R

βαμβσαμ

βαμβσαμ

+

= +

=

+

= +

S S

S S S

R R

R R R

V k

V S

S

V

V k R

*

*

βαγ

βα

S R

R R

σσ

σα

Tùy thuộc dạng hàm tin cậy và phân bố các biến ngẫu nhiên cơ bản mà các trường hợp tính toán cấp độ này bao gồm:

+ Trường hợp (1): Hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân bố chuẩn

+ Trường hợp (2): Hàm tin cậy phi tuyến với các biến ngẫu nhiên phân

),(

σ

cũng là hàm phân bố chuẩn Xác suất Z<0 được xác định thông qua hàm phân bố

* Trường hợp (2) - Hàm tin cậy phi tuyến với các biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn:

Trường hợp hàm tin cậy là hàm phi tuyến của một số biến cơ bản độc lập có phân bố chuẩn thì hàm này sẽ không phân bố chuẩn Có thể sử dụng phương pháp khai triển Taylor (lấy 2 số hạng đầu tiên của đa thức) để xác định hàm tin cậy Z gần đúng Biểu thức gần đúng có dạng 2.9

) )(

( )

( )

g X

g X g

∂

∂ +

≈

=

(2.9)

Biểu thức gần đúng trên của Z là tuyến tính nên theo định lý giới hạn trung

tâm thì Z phân bố chuẩn Khi đó kỳ vọng và độ lệch chuẩn của hàm độ tin cậy có

thể được tính gần đúng với giá trị kỳ vọng và độ lệch chuẩn của hàm tuyến tính hóa theo công thức 2.10, 2.11:

) )(

( )

g

i −

∂

∂ +

=

μ

i X n

z z

i

i

X X g

X X

X

g X

g

σσ

μσ

μ

2 1

2 1

i n n

X g

g

σμμμ

μμμ

Qua biểu thức 2.13 nhận thấy rằng việc tính toán giá trị gần đúng của β

thông qua tuyến tính hóa hàm tin cậy phụ thuộc vào việc lựa chọn điểm tuyến tính hóa của hàm Nhưng theo Hasofer và Lind thì chỉ số độ tin cậy không phụ thuộc

vào hàm tin cậy có phải là hàm tuyến tính không Vì vậy, cần tuyến tính hóa hàm Z tại đúng điểm thiết kế (điểm thiết kế là điểm nằm trên biên giữa vùng an toàn và

vùng không an toàn) Có nhiều phương pháp để tìm điểm thiết kế thông qua quá

trình lặp, nhưng có hai phương pháp thường dùng là phương pháp giải tích và

phương pháp số

- Phương pháp đầu tiên dựa vào việc chuẩn hóa hàm tin cậy thành hàm của

các biến tiêu chuẩn Tọa độ của điểm thiết kế là:

biểu thức: