Phân tích và đánh giá an toàn công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi việt nam theo lý thuyết độ tin cậy

Xuất phát từ lý do đó, nghiên cứu phát triển ứng dụng toán xác suất - thống kê kết hợp với lý thuyết về công trình thủy lợi và lý thuyết về hệ thống vào các phân tích về an toàn đập nhằm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN LAN HƯƠNG

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI

HỒ CHỨA THỦY LỢI VIỆT NAM THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI

HỒ CHỨA THỦY LỢI VIỆT NAM THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: 62-58-40-01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 PGS.TS NGUYỄN QUANG HÙNG

HÀ NỘI, NĂM 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Chữ ký

Nguyễn Lan Hương

ii

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cố GS.TS Nguyễn Văn Mạo, PGS.TS Nguyễn Hữu Bảo và PGS.TS Nguyễn Quang Hùng là các thầy hướng dẫn trực tiếp tác giả thực hiện luận án Xin cảm ơn các thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ trong thời gian tác giả thực hiện luận án

Tác giả xin trân trọng cám ơn các nhà khoa học trong và ngoài trường đã có những đóng góp quý báu, chân tình và thẳng thắn để tác giả hoàn thiện luận án

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Trường Đại học Thủy lợi Tác giả trân trọng cám

ơn Vụ Đại học và Sau Đại học - Bộ Giáo dục và Đào tạo, Khoa Công Trình, Bộ môn Thủy công, Phòng Đào tạo Đại học và sau Đại học - Trường Đại học Thủy lợi, đã có những giúp đỡ quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các đồng nghiệp của tác giả tại Bộ môn Thủy công

đã gánh vác khối lượng công việc để tác giả có thời gian hoàn thành luận án

Cuối cùng, tác giả xin chân thành cám ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình luôn động viên, khích lệ để tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ xiii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

6 Cấu trúc của luận án 4

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HỒ CHỨA VÀ ỨNG CHƯƠNG 1 DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ĐỂ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CÔNG TRÌNH THỦY LỢI 5

1.1 Đầu mối hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam 5

1.1.1 Hiện trạng các đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam 5

1.1.2 Hư hỏng và sự cố của các công trình đầu mối thủy lợi ở Việt Nam 13

1.1.3 Sự cần thiết đảm bảo an toàn công trình đầu mối 16

1.2 Các phương pháp đánh giá an toàn của công trình thủy lợi 16

1.2.1 Phương pháp thiết kế tất định 17

1.2.2 Phương pháp thiết kế theo mô hình ngẫu nhiên 20

1.2.3 Nhận xét các phương pháp thiết kế 21

1.3 Các nghiên cứu về lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực thủy lợi và an toàn đập

22

1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới 22

1.3.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam 27

1.4 Kết luận Chương 1 32

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CÔNG TRÌNH CHƯƠNG 2 ĐẦU MỐI HỒ CHỨA NƯỚC 33

2.1 Quan điểm về an toàn công trình thủy lợi 33

2.2 Cấu trúc các công trình trong đầu mối hồ chứa thủy lợi 33

iv

2.2.1 Phân loại các đầu mối hồ chứa thủy lợi theo số lượng công trình trong hệ

thống 34

2.2.2 Sự sai khác của mô hình tính toán so với hệ thống đầu mối hồ chứa thực tế 42

2.3 Cơ sở lý thuyết và thực tiễn khi đánh giá an toàn công trình đầu mối 44

2.3.1 Cơ sở lý thuyết 44

2.3.2 Cơ sở thực tiễn 44

2.4 Phân tích các yếu tố gây hư hỏng, sự cố các công trình đầu mối hồ chứa 45

2.4.1 Yếu tố tự nhiên 45

2.4.2 Yếu tố khảo sát, thiết kế 46

2.4.3 Yếu tố thi công 46

2.4.4 Yếu tố khai thác và quản lý 46

2.4.5 Yếu tố chiến tranh, phá hoại có chủ ý 46

2.5 Đặc điểm làm việc, cơ chế phá hoại và trạng thái giới hạn của các công trình đầu mối hồ chứa 47

2.5.1 Đặc điểm làm việc của các công trình đầu mối hồ chứa 47

2.5.2 Cơ chế phá hoại, trạng thái giới hạn 49

2.5.3 Các quan điểm về cơ chế phá hoại 52

2.6 Kết luận Chương 2 52

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI CHƯƠNG 3 HỒ CHỨA THỦY LỢI THEO ĐỘ TIN CẬY 54

3.1 Đặt vấn đề 54

3.2 Phân tích và đánh giá an toàn công trình đầu mối hồ chứa theo lý thuyết độ tin cậy cấp độ II 55

3.2.1 Mô phỏng các sự cố của công trình đầu mối hồ chứa 55

3.2.2 Thiết lập hàm tin cậy 58

3.2.3 Tính toán xác suất an toàn cho từng cơ chế sự cố 65

3.2.4 Đánh giá xác suất an toàn các công trình trong đầu mối hồ chứa 71

3.2.5 Đánh giá xác suất an toàn của đầu mối hồ chứa 72

3.2.6 Phạm vi ứng dụng của bài toán cấp độ II trong luận án 75

3.3 Tính xác suất an toàn công trình đầu mối hồ chứa theo lý thuyết độ tin cậy cấp độ III 77

v

3.3.1 Sự cần thiết xây dựng bài toán tính xác suất an toàn công trình theo cấp

độ III 77

3.3.2 Thiết lập hàm tin cậy Z 80

3.3.3 Tính xác suất an toàn các công trình trong đầu mối hồ chứa theo phương pháp Monte Carlo 80

3.3.4 Xác suất an toàn của đầu mối hồ chứa nước 85

3.3.5 Phạm vi ứng dụng của bài toán cấp độ III trong luận án 85

3.4 Mối quan hệ giữa chỉ số độ tin cậy và hệ số an toàn 87

3.5 Xây dựng chương trình tính xác suất an toàn cho đầu mối hồ chứa nước 87

3.5.1 Các căn cứ để xây dựng chương trình 87

3.5.2 Sai lệch về kết quả tính toán khi đánh giá xác suất an toàn của công trình theo cấp độ II và cấp độ III 88

3.5.3 Ngôn ngữ lập trình 90

3.5.4 Giới thiệu cấu trúc phần mềm 90

3.5.5 Kiểm định chương trình 94

3.5.6 Khả năng ứng dụng và hạn chế của chương trình 95

3.6 Kết luận Chương 3 96

ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ AN TOÀN CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI HỒ CHƯƠNG 4 CHỨA NƯỚC PHÚ NINH – QUẢNG NAM 98

4.1 Đặt vấn đề 98

4.2 Giới thiệu về hệ thống thủy lợi Phú Ninh – Quảng Nam 98

4.3 Tính xác suất an toàn của hệ thống Phú Ninh theo cấp độ II 99

4.3.1 Mô phỏng hệ thống tính toán 99

4.3.2 Nhận biết hệ thống 99

4.3.3 Số liệu tính toán 103

4.3.4 Xác suất an toàn của đầu mối hồ chứa Phú Ninh 113

4.3.5 Tính toán đầu mối hồ Phú Ninh theo các phương pháp thiết kế truyền thống 128

4.4 Tính toán kích thước cơ bản của đập chính Phú Ninh theo lý thuyết độ tin cậy

131

4.5 Tính xác suất an toàn của đập chính Phú Ninh theo cấp độ III 132

4.6 Kết luận Chương 4 133

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 135

vi

I Kết quả đạt được của luận án 135

II Những đóng góp mới của luận án 136

III Những khó khăn và hạn chế của các kết quả nghiên cứu trong luận án 137

IV Hướng phát triển của luận án 138

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 139

TÀI LIỆU THAM KHẢO 140

PHỤ LỤC 145

PHỤ LỤC 1 KIỂM ĐỊNH CHƯƠNG TRÌNH SYPRO2016 146

Phụ lục 1.1 Tính xác suất an toàn của công trình theo các thuật toán chương 3 146

Phụ lục 1.2 Tính xác suất sự cố bằng phần mềm Vap và SYPRO2016 150

Phụ lục 1.3 Sử dụng chương trình SYPRO2016 tính độ tin cậy cho một nghiên cứu đã có 151

PHỤ LỤC 2 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ TÍNH XÁC SUẤT AN TOÀN CỦA HỆ THỐNG PHÚ NINH 153

Phụ lục 2.1 Các thông số kỹ thuật chính của đầu mối hồ Phú Ninh - Quảng Nam 153 Phụ lục 2.2 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập chính 157

Phụ lục 2.3 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập phụ Tứ Yên 161

Phụ lục 2.4 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập phụ Long Sơn 165

Phụ lục 2.5 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập phụ Dương Lâm 169

Phụ lục 2.6 Các kết quả tính độ tin cậy của đầu mối Phú Ninh 172

PHỤ LỤC 3 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM SYPRO2016 185

Phụ lục 3.1 Hướng dẫn sử dụng phần mềm SYPRO2016 185

Phụ lục 3.2 Các bước tính xác suất an toàn của các công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi bằng phần mềm SYPRO2016 187

PHỤ LỤC 4 CODE PHẦN MỀM SYPRO2016 189

Phụ lục 4.1 Xác suất an toàn của hệ thống theo LTĐTC cấp độ II 189

Phụ lục 4.2 Xác suất an toàn của công trình theo LTĐTC cấp độ III 201

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Phân bố số lượng hồ chứa thuỷ lợi, thuỷ điện ở các tỉnh có nhiều hồ 5

Hình 1-2 Tỷ lệ các hồ theo dung tích [3] 6

Hình 1-3 Đập Tả Trạch-Thừa Thiên Huế 9

Hình 1-4 Đập bê tông đầm lăn Sơn La 9

Hình 1-5 Đập vòm Nậm Chiến 9

Hình 1-6 Sơ đồ minh họa vị trí công trình tháo lũ trên mặt và dưới sâu [5] 11

Hình 1-7 Tràn xả lũ hồ Yên Lập - Quảng Ninh 11

Hình 1-8 Cống ngầm lấy nước ở hồ chứa nước Vực Sự - Nghệ An 13

Hình 1-9 Một số hình ảnh sự cố đập ở Việt Nam 15

Hình 2-1 Bố trí đầu mối hồ chứa có 3 công trình: đập chính, công trình xả lũ và cống lấy nước 34

Hình 2-2 Sơ đồ ghép nối tiếp 3 công trình đập đất, cống ngầm và tràn xả lũ 35

Hình 2-3 Sơ đồ ghép hỗn hợp 3 công trình đập đất, cống ngầm và tràn xả lũ 36

Hình 2-4 Bố trí đầu mối hồ chứa có 4 công trình 37

Hình 2-5 Sơ đồ ghép nối tiếp của đầu mối hồ chứa nước có 4 công trình 38

Hình 2-6 Sơ đồ ghép hỗn hợp của đầu mối hồ chứa nước có 4 công trình 38

Hình 2-7 Bố trí đầu mối hồ chứa có nhiều hơn 4 công trình 40

Hình 2-8 Sơ đồ ghép nối tiêp của đầu mối hồ chứa có nhiều hơn 4 công trình 41

Hình 2-9 Sơ đồ ghép hỗn hợp của đầu mối hồ chứa có nhiều hơn 4 công trình 42

Hình 2-10 Đầu mối hồ chứa có các công trình được bố trí theo hình thức ghép nối tiếp 42

Hình 2-11 Đầu mối hồ chứa có các công trình được bố trí theo hình thức ghép hỗn hợp 42

Hình 3-1 Sơ đồ cây sự cố các công trình trong đầu mối hồ chứa nước 56

Hình 3-2 Sơ đồ thể hiện cơ chế sự cố nước tràn đỉnh đập 59

Hình 3-3 Sơ đồ tính ổn định mái dốc theo phương pháp Bishop [58] 60

Hình 3-4 Sơ đồ tính toán biến hình thấm đặc biệt 62

Hình 3-5 Hàm mật độ xác suất của hàm tin cậy Z 68

Hình 3-6 Sơ đồ khối tính xác suất an toàn của hệ thống đầu mối hồ chứa theo cấp độ II 76

Hình 3-7 Hàm mật độ xác suất của các biến ngẫu nhiên được quan trắc tại hồ thủy điện Hòa Bình [63], [64] 78

Hình 3-8 Sơ đồ khối tính xác suất an toàn của hệ thống đầu mối hồ chứa theo cấp độ III 86

Hình 3-9 Sơ đồ khối xây dựng chương trình SYPRO2016 89

Hình 3-10 Sơ đồ khối các mô đun chính của chương trình SYPRO2016 90

Hình 3-11 Giao diện chính để mô phỏng, vẽ sơ đồ cây sự cố và tính độ tin cậy hệ thống 92

viii

Hình 3-12 Giao diện nhập thông tin về hàm tin cậy và tính ĐTC theo cấp độ II 93

Hình 3-13 Giao diện nhập thông tin về hàm tin cậy và tính ĐTC theo cấp độ III 93

Hình 4-1 Sơ đồ bố trí các công trình trong đầu mối hồ chứa nước Phú Ninh – Quảng Nam 100

Hình 4-2 Cây sự cố đầu mối hồ chứa nước Phú Ninh - Quảng Nam 102

Hình 4-3 Mặt cắt ngang đập chính Phú Ninh [77] 104

Hình 4-4 Mặt cắt ngang đập phụ Tứ Yên [77] 108

Hình 4-5 Mặt cắt ngang đập phụ Long Sơn [77] 110

Hình 4-6 Mặt cắt ngang đập phụ Dương Lâm [77] 110

Hình 4-7 Sơ đồ tính toán ổn định ngưỡng tràn số 2 113

Hình 4-8: Xác suất an toàn của đập chính 115

Hình 4-9: Mức độ ảnh hưởng của các cơ chế sự cố đến độ tin cậy của đập chính 116

Hình 4-10 Ảnh hưởng của các BNN đến cơ chế nước tràn đỉnh đập chính 117

Hình 4-11 Ảnh hưởng của các BNN 117

Hình 4-12 Ảnh hưởng của các BNN đến cơ chế hình thành hang thấm trong thân đập 117

Hình 4-13 Xác suất an toàn của đập phụ Tứ Yên 118

Hình 4-14 Mức độ ảnh hưởng của các cơ chế sự cố đến độ tin cậy của đập Tứ Yên 119 Hình 4-15 Mức độ ảnh hưởng của các BNN đến cơ chế nước tràn đỉnh đập Tứ Yên 120

Hình 4-16 Mức độ ảnh hưởng của các BNN đến cơ chế trượt mái hạ lưu đập Tứ Yên 120

Hình 4-17 Xác suất an toàn của đập phụ Long Sơn 121

Hình 4-18 Mức độ ảnh hưởng của các cơ chế sự cố đến độ tin cậy của đập Long Sơn 121

Hình 4-19 Xác suất an toàn của đập phụ Dương Lâm 122

Hình 4-20 Mức độ ảnh hưởng của các cơ chế sự cố đến độ tin cậy của đập phụ Dương Lâm 123

Hình 4-21 Xác suất sự cố của đập tràn số 1 124

Hình 4-22 Xác suất sự cố của đập tràn số 2 124

Hình 4-23 Xác suất sự cố của đập tràn số 3 124

Hình 4-24 Xác suất an toàn của cống Nam 125

Hình 4-25 Xác suất an toàn của cống Bắc 126

Hình 4-26 Xác suất an toàn của cống Dương Lâm 126

Hình 4-27 Xác suất an toàn của đầu mối hồ chứa Phú Ninh - Quảng Nam 127

Hình 4-28 Ảnh hưởng của từng công trình đến sự cố đầu mối hồ Phú Ninh 127

Hình 4-29 Hệ số an toàn mái hạ lưu đập Kat được chuyển đổi 129

Hình 4-30 Hệ số an toàn mái hạ lưu đập đất theo phương pháp hệ số an toàn 129

Hình 4-31 Hệ số an toàn chuyển đổi về ổn định trượt và lật của các đập tràn 130

Hình 4-32 Hệ số an toàn về ổn định trượt và lật của các đập tràn 130

ix

Hình 4-33 Xác suất an toàn của đập chính khi tính theo LTĐTC cấp độ II, cấp độ III

133

Hình 1 Kết quả tính xác suất sự cố của cơ chế trượt mái hạ lưu đập đất bằng Vap 150

Hình 2 Kết quả xác suất sự cố của cơ chế trượt mái hạ lưu bằng SYPRO2016 151

Hình 3 Tính xác suất sự cố của đập đất Tenhado - Ethiopia bằng SYPRO2016 152

Hình 4 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập chính, trường hợp Zmn = 28,17m 157

Hình 5 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập chính, trường hợp Zmn = 28,41m 157

Hình 6 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập chính, trường hợp Zmn = 29,39m 157

Hình 7 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập chính, trường hợp Zmn = 30,17m 158

Hình 8 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập chính, trường hợp Zmn = 31,65m 158

Hình 9 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập chính, trường hợp Zmn = 31,85m 158

Hình 10 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập chính, trường hợp Zmn = 32m 159

Hình 11 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập chính, trường hợp Zmn = 32,38m 159

Hình 12 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập chính, trường hợp Zmn = 32,5m 159

Hình 13 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập chính, trường hợp Zmn = 33m 160

Hình 14 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập chính, trường hợp Zmn = 33,68m 160

Hình 15 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập chính, trường hợp Zmn = 34,44m 160

Hình 16 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Tứ Yên, trường hợp Zmn = 28,17m 161

Hình 17 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Tứ Yên, trường hợp Zmn = 28,41m 161

Hình 18 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Tứ Yên, trường hợp Zmn = 29,39m 161

Hình 19 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Tứ Yên, trường hợp Zmn = 30,17m 162

Hình 20 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Tứ Yên, trường hợp Zmn = 31,65m 162

Hình 21 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Tứ Yên, trường hợp Zmn = 31,85m 162

Hình 22 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Tứ Yên, trường hợp Zmn = 32m 163

Hình 23 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Tứ Yên, trường hợp Zmn = 32,38m 163

Hình 24 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Tứ Yên, trường hợp Zmn = 32,5m 163

Hình 25 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Tứ Yên, trường hợp Zmn = 33m 164

Hình 26 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Tứ Yên, trường hợp Zmn = 33,86m 164

Hình 27 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Tứ Yên, trường hợp Zmn = 34,34m 164

Hình 28 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Long Sơn, trường hợp Zmn = 28,17m 165 Hình 29 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Long Sơn, trường hợp Zmn = 28,41m 165 Hình 30 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Long Sơn, trường hợp Zmn = 29,39m 165 Hình 31 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Long Sơn, trường hợp Zmn = 30,17m 166 Hình 32 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Long Sơn, trường hợp Zmn = 31,65m 166 Hình 33 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Long Sơn, trường hợp Zmn = 31,85m 166 Hình 34 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Long Sơn, trường hợp Zmn = 32m 167

Hình 35 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Long Sơn, trường hợp Zmn = 32,38m 167 Hình 36 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Long Sơn, trường hợp Zmn = 32,5m 167

Hình 37 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Long Sơn, trường hợp Zmn = 33m 168 Hình 38 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Long Sơn, trường hợp Zmn = 33,86m 168

x

Hình 39 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Long Sơn, trường hợp Zmn = 34,44m 168 Hình 40 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Dương Lâm, trường hợp Zmn = 28,17m

169

Hình 41 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Dương Lâm, trường hợp Zmn = 28,41m 169

Hình 42 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Dương Lâm, trường hợp Zmn = 29,39m 169

Hình 43 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Dương Lâm, trường hợp Zmn = 30,17m 170

Hình 44 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Dương Lâm, trường hợp Zmn = 31,65m 170

Hình 45 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Dương Lâm, trường hợp Zmn = 31,85m 170

Hình 46 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Dương Lâm, trường hợp Zmn = 32m 171

Hình 47 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Dương Lâm, trường hợp Zmn = 32,38m 171

Hình 48 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Dương Lâm, trường hợp Zmn = 32,5m 171

Hình 49 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Dương Lâm, trường hợp Zmn = 33m 172

Hình 50 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Dương Lâm, trường hợp Zmn = 33,86m 172

Hình 51 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập Dương Lâm, trường hợp Zmn = 34,44m 172

Hình 52 Giao diện nhập thông tin về các biến ngẫu nhiên 186

Hình 53 Giao diện mức độ ảnh hưởng của các BNN đến xác suất xảy ra sự cố 186

Hình 54 Giao diện thể hiện giá trị của điểm thiết kế cuối cùng 186

xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Tình hình hư hỏng các công trình đầu mối ở hồ chứa [1], [2] 7

Bảng 1-2 Hiện trạng quan trắc ở hồ có đập cao 15 50m÷ , dung tích hồ Wh ≥ 3.10 6m3 [2] 7

Bảng 2-1 Các yếu tố ngẫu nhiên được xét đến khi tính độ tin cậy của đầu mối hồ chứa 47

Bảng 2-2 Một số cơ chế phá hoại và điều kiện an toàn chính của đập đất, đập tràn trọng lực và cống ngầm 51

Bảng 3-1 Ma trận xác suất làm việc an toàn của các công trình trong hệ thống 72

Bảng 4-1 Các trường hợp mực nước tính toán Zmn [77] 104

Bảng 4-2 Các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập và đất nền đập chính [77] 105

Bảng 4-3 Gradien thấm cho phép của đập và nền [54] 105

Bảng 4-4 Gradien tại vị trí chân khay và cửa ra chân đập của đập chính 106

Bảng 4-5 Các đặc trưng thống kê về kích thước đập chính, sóng và gió hồ Phú Ninh [77] 107

Bảng 4-6 Các chỉ tiêu cơ lý của đập phụ Tứ Yên [77] 108

Bảng 4-7 Gradien tại vị trí chân khay và cửa ra của đập Tứ Yên 109

Bảng 4-8 Các đặc trưng thống kê về kích thước đập Tứ Yên, sóng và gió hồ Phú Ninh [77] 110

Bảng 4-9 Gradien tại vị trí cửa ra chân đập Long Sơn và Dương Lâm 111

Bảng 4-10 Các đặc trưng thống kê về kích thước đập Long Sơn, Dương Lâm [77] 112 Bảng 4-11 Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên (BNN) khi tính ổn định ngưỡng tràn số 1, 2, 3 [77] 112

Bảng 4-12 Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên (BNN) khi tính xác suất an toàn cho cống Nam, cống Bắc và cống Dương Lâm [18], [77] 114

Bảng 4-13 Độ tin cậy tiêu chuẩn các công trình trong hệ thống đầu mối [34] 115

Bảng 4-14 Kích thước cơ bản của đập chính tính theo độ tin cậy tiêu chuẩn 132

Bảng 1 Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên trong hàm tin cậy Z 146

Bảng 2 Kết quả tính toán ứng với cung trượt có hệ số an toàn nhỏ nhất 147

Bảng 3 Các tham số trong hàm tin cậy Z 148

Bảng 4 Bảng tính lặp tìm chỉ số độ tin cậy 149

Bảng 5 Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên [33] 151

Bảng 6 Các thông số kỹ thuật chính của đầu mối hồ Phú Ninh - Quảng Nam [77] 153

Bảng 7 Xác xuất an toàn của đập chính 173

Bảng 8 Ảnh hưởng (%) của các cơ chế sự cố đến an toàn của đập chính 174

Bảng 9 Ảnh hưởng của từng cơ chế sự cố đến an toàn của đập phụ Tứ Yên 174

Bảng 10 Xác suất an toàn của đập phụ Tứ Yên 175

Bảng 11 Xác suất an toàn của các đập phụ Long Sơn 1, 2, 3 176

Bảng 12 Ảnh hưởng của từng cơ chế sự cố đến an toàn đập phụ Long Sơn 1, 2, 3 176

xii

Bảng 13 Xác suất an toàn của đập phụ Dương Lâm 177

Bảng 14 Mức độ ảnh hưởng của các cơ chế sự cố đến an toàn đập phụ Dương Lâm177 Bảng 15 Độ tin cậy của đập tràn số 1 178

Bảng 16 Độ tin cậy của đập tràn số 2 178

Bảng 17 Độ tin cậy của đập tràn số 3 179

Bảng 18 Độ tin cậy của cống Nam 179

Bảng 19 Độ tin cậy của cống Bắc 180

Bảng 20 Độ tin cậy của cống Dương Lâm 180

Bảng 21 Xác suất an toàn của đầu mối hồ chứa Phú Ninh - Quảng Nam 181

Bảng 22 Ảnh hưởng của các công trình đến độ tin cậy của đầu mối hồ chứa Phú Ninh - Quảng Nam 182

Bảng 23 Hệ số an toàn mái hạ lưu (Kat ) được chuyển đổi từ LTĐTC và phương pháp hệ số an toàn (HSAT) 183

Bảng 24 Hệ số an toàn trượt và lật của các đập tràn được chuyển đổi từ LTĐTC và phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH), 183

Bảng 25 Xác suất an toàn của đập chính (Pat) tính theo LTĐTC cấp độ II và cấp độ III 184

xiii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

1 Danh mục các từ viết tắt

BNN Biến ngẫu nhiên

CTĐM Công trình đầu mối

ĐTK Điểm thiết kế

HTC Hàm tin cậy

HSAT Hệ số an toàn

LTĐTC Lý thuyết độ tin cậy

MNDBT Mực nước dâng bình thường

PBXS Phân bố xác suất

PHQL Phá hoại có quy luật

PHKQL Phá hoại không quy luật

ƯSCP Ứng suất cho phép

xiv

- Giải hàm tin cậy: Sử dụng các thuật toán của lý thuyết độ tin cậy cấp độ II (phương pháp gần đúng) hoặc cấp độ III (phương pháp Monte Carlo) để tính xác suất an toàn của từng cơ chế sự cố hoặc công trình

- Hư hỏng: Là biến cố xảy ra với công trình nhưng nó vẫn đảm bảo được toàn bộ hoặc một phần công năng của công trình

- Hệ thống kết cấu: Đập bê tông tràn nước và cống ngầm bố trí trên thân đập và đóng vai trò như một phần của đập dâng

- Hệ thống vận hành: Đập bê tông tràn nước và cống ngầm bố trí tách rời đập, các công trình này tạo thành hệ thống thông qua mối quan hệ vận hành hồ

- Sự cố: Là biến cố ngẫu nhiên phá hoại khả năng chịu tải của công trình hoặc hệ thống

- Sự cố vận hành: Trong quá trình vận hành hồ không đủ nước hoặc không hoạt động bình thường do các phương án vận hành thiếu khả thi, hồ không đảm bảo cung cấp nước tưới theo thiết kế, khi đó hồ rơi vào tình trạng bị sự cố vận hành Sự cố này đưa đến hậu quả thiệt hại về kinh tế cho vùng được cấp nước

- Sự cố kết cấu: Trong quá trình làm việc, sức chịu tải của đập, công trình tháo lũ hoặc các công trình có liên quan bị suy giảm, hoặc kết cấu phải làm việc quá tải do thiên tai bất thường, hoặc kết cấu bị phá hoại làm cho khả năng chịu tải hiện hữu không đảm bảo, hoặc đập bị vỡ, đây là sự cố kết cấu

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là một trong những quốc gia có nền nông nghiệp phát triển do đó hồ chứa nước nói riêng hay hệ thống đầu mối thuỷ lợi nói chung đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển nền nông nghiệp cũng như sự phát triển của toàn xã hội Hệ thống lấy nước bằng hồ chứa đa phần là các hệ thống đa mục tiêu, chuyển nước bằng trọng lực nên hiệu quả kinh tế mang lại rất rõ rệt Tuy nhiên về mặt an toàn, hồ đập lại là nơi tiềm ẩn tai họa do vỡ đập gây ra do các yếu tố bất định từ phía tự nhiên tác động vào

hồ đập ngày một phức tạp, đây là một trong những tác động trực tiếp dẫn đến sự cố ở các hồ đập Vì vậy, nghiên cứu các giải pháp khoa học công nghệ kiểm soát được an toàn cũng như nâng cao an toàn cho các hệ thống công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi,

an toàn cộng đồng là một vấn đề luôn mang tính thời sự và cấp thiết

Hiện nay ở nước ta, các hồ đập được thiết kế theo phương pháp truyền thống, trong đó các chỉ tiêu an toàn dùng để đánh giá là hệ số an toàn Mức độ an toàn của các hệ thống được đánh giá thông qua các bài toán về thủy lực, ổn định và độ bền, trong đó các chỉ tiêu kỹ thuật của công trình được mô phỏng qua khả năng tháo, khả năng chịu tải của công trình nhưng sự ảnh hưởng của các thành phần công trình đến hệ thống chưa được xét đến Do vậy việc nghiên cứu phương pháp đánh giá hệ thống có xét đến mối liên hệ giữa các công trình trong hệ thống là cần thiết

Trong mấy thập kỷ vừa qua Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nhiều của hiện tượng biến đổi khí hậu Các hồ đập được xây dựng trong nhiều thời kỳ khác nhau với những tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau nên chất lượng của hồ đập hiện hữu, mô hình thiết kế đang áp dụng, cũng như công tác quản lý còn nhiều bất cập Xuất phát từ lý do đó, nghiên cứu phát triển ứng dụng toán xác suất - thống kê kết hợp với lý thuyết về công trình thủy lợi và lý thuyết về hệ thống vào các phân tích về an toàn đập nhằm đánh giá chất lượng hiện hữu của các hệ thống đầu mối hiện có là một đóng góp mới nhằm cải thiện chất lượng các hoạt động thuộc lĩnh vực an toàn đập hiện nay ở Việt Nam

2

Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về an toàn công trình thủy lợi Việt Nam được thể hiện dưới nhiều hình thức: các sách về độ tin cậy an toàn đập, các đề tài nghiên cứu khoa học, các bài báo và trong các luận văn Thạc sĩ, luận án Tiến sĩ Tuy nhiên các nghiên cứu trên chủ yếu được ứng dụng trong các công trình phòng lũ và bảo vệ bờ, đối với đầu mối hồ chứa thì chưa được đề cập đầy đủ, đặc biệt là việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy để phân tích an toàn cho từng công trình và cả đầu đầu mối

hồ chứa thủy lợi Vì vậy trong luận án này tác giả đã nghiên cứu đề tài ‘‘Phân tích và

đánh giá an toàn công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam theo lý thuyết độ tin cậy’’ với mong muốn từng bước tiếp cận với trình độ khoa học và công nghệ trên thế

giới để đề tài sẽ là một đóng góp mới về phát triển khoa học công nghệ trong lĩnh vực

an toàn đập ở Việt Nam

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng phương pháp, và công cụ đánh giá an toàn công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi bằng lý thuyết độ tin cậy, làm cơ sở khoa học cho công tác thiết kế cải tạo, nâng cấp và quản lý an toàn công trình thủy lợi ở nước ta

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng

Nghiên cứu các công trình của đầu mối hồ chứa thủy lợi có đập dâng là đập đất, công trình tháo lũ là các đập tràn và đường tràn dọc có ngưỡng thuộc dạng đập bê tông tràn nước, cống lấy nước là cống ngầm đặt trong thân đập đất Đây là loại đầu mối hồ chứa thủy lợi phổ biến ở Việt Nam hiện nay

3

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu tác giả đã tổng hợp, phân tích tài liệu về các công trình nghiên cứu có liên quan, từ đó lựa chọn hướng tiếp cận vừa mang tính kế thừa vừa mang tính hiện đại, phù hợp với điều kiện nghiên cứu Việt Nam

4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng hợp:

+ Tổng hợp dữ liệu từ thực tế, đánh giá hiện trạng các hồ chứa nước Việt Nam để đưa

ra vấn đề cấp thiết đối với an toàn đập hiện nay Nghiên cứu cấu trúc của các công trình trong hệ thống đầu mối để phân loại hệ thống theo các sơ đồ toán học

+ Nghiên cứu tìm hiểu các phương pháp đánh giá chất lượng công trình hiện nay đang

sử dụng để rút ra phương pháp thiết kế sử dụng trong luận án

+ Nghiên cứu phân tích các công trình khoa học có sử dụng lý thuyết độ tin cậy đã thực hiện trong lĩnh vực an toàn đập ở Việt Nam và trên thế giới để chỉ ra các vấn đề

mà các công trình đó chưa xét đến và trong luận án sẽ thực hiện

- Nghiên cứu ứng dụng: Sử dụng các kiến thức về công trình thủy lợi, kiến thức về lý thuyết độ tin cậy và xác suất - thống kê, các lý thuyết về phân tích hệ thống để xây dựng các thuật toán và sơ đồ khối để đánh giá độ tin cậy an toàn của công trình (đập đất, công trình tháo lũ, cống ngầm) và đầu mối hồ chứa thủy lợi Ứng dụng tin học viết phần mềm SYPRO2016 để tính độ tin cậy cho công trình đầu mối hồ chứa

- Thực hiện các tính toán bằng số với chương trình tự lập (SYPRO2016) để khảo sát kết quả ứng dụng phương pháp luận của luận án

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

5.1 Ý nghĩa khoa học

Luận án đã xây dựng được phương pháp đánh giá và công cụ tính toán (chương trình SYPRO2016) độ tin cậy để đánh giá an toàn cho các công trình và hệ thống đầu mối

hồ chứa thủy lợi Đây là sự bổ sung về mặt lý luận cho các nội dung tính toán kiểm tra

an toàn đập và tính toán thiết kế công trình đầu mối hồ chứa theo lý thuyết độ tin cậy

6 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm có 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu hồ chứa và ứng dụng lý thuyết độ tin cậy để đánh giá an toàn công trình thủy lợi;

Chương 2: Cơ sở lý thuyết để đánh giá an toàn công trình đầu mối hồ chứa nước; Chương 3: Phân tích và đánh giá an toàn công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi theo độ tin cậy;

Chương 4: Đánh giá mức độ an toàn công trình đầu mối hồ chứa nước Phú Ninh - Quảng Nam

1.1 Đầu mối hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam

1.1.1 Hiện trạng các đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam

Đầu mối hồ chứa thủy lợi là tập hợp nhiều công trình như: đập dâng, công trình tháo

lũ, công trình lấy nước và các công trình chuyên môn phân bố trên một phạm vi nhất định để cùng nhau giải quyết các nhiệm vụ đặt ra như: phòng lũ cho hạ du, tưới, phát điện, cấp nước sinh hoạt và công nghiệp và các lĩnh vực khác: nuôi trồng thủy sản, vệ sinh sức khỏe, thể thao, giải trí, …

1.1.1.1 Các hệ thống hồ và liên hồ

Việt Nam có khoảng 2360 con sông lớn nhỏ và 14 lưu vực sông lớn trong đó có nhiều sông liên quốc gia, trên các hệ thống sông suối rất nhiều hệ thống hồ chứa nước đã được hình thành Tính đến tháng 10 năm 2015, Việt Nam đã xây dựng được 6886 hồ chứa thủy lợi, thủy điện, trong đó chiếm phần lớn (96,5%) là các hồ thủy lợi có dung tích vừa và nhỏ [1] Tuy nhiên các hồ phân bố không đều trên cả nước, tập trung nhiều

ở các tỉnh miền núi phía Bắc và Bắc Trung Bộ (chiếm 64% số lượng hồ của cả nước), một số tỉnh có nhiều hồ như Nghệ An, Thanh Hóa, Đắk Lắc, Hòa Bình, Bắc Giang, Tuyên Quang, Hà Tĩnh, Lạng Sơn, được thể hiện ở đồ thị hình 1-1 [2], [3]

Hình 1-1 Phân bố số lượng hồ chứa thuỷ lợi, thuỷ điện ở các tỉnh có nhiều hồ

6

(1) Các hồ có W h>10.106m3; (2) Các hồ có 3.106m3≤W h<10.106m3(3) Các hồ có1.106m3≤W h<3.106m3(4) Các hồ có 0,2.106m3≤W h<1.106m3(5) Các hồ có W h <0, 2.106m3 Hình 1-2 Tỷ lệ các hồ theo dung tích [3]

Các hồ chứa nước được xây dựng trên cùng một hệ thống sông có liên quan ảnh hưởng lẫn nhau về mặt an toàn hình thành nên những hệ thống hồ, căn cứ vào sự hình thành

có thể khái quát hệ thống hồ Việt Nam thành hai nhóm hệ thống: hệ thống có xét đến quan hệ cân bằng nước trên lưu vực sông và hệ thống không xét đến quan hệ cân bằng nước Hệ thống có xét đến quan hệ cân bằng nước trên lưu vực sông: là những hệ thống hồ được xây dựng theo một quy hoạch có đầy đủ cơ sở khoa học như các hệ thống hồ bậc thang thủy điện, hệ thống liên hồ thủy lợi, liên hồ đa mục tiêu Hệ thống không xét đến quan hệ cân bằng nước: là những hệ thống có nhiều hồ được xây dựng một cách tự phát hơn là các hồ được xây dựng theo quy hoạch Một cách ngẫu nhiên, theo các nhánh suối hình thành những hệ thống hồ đập có quan hệ và ràng buộc về mục đích khai thác hoặc về vận hành tháo lũ

Các công trình đầu mối hồ chứa hiện hữu ở Việt Nam có chất lượng không đồng đều, đang bị xuống cấp, tồn tại cả những công trình xuống cấp nghiêm trọng, nhiều công trình đã đến lúc phải sửa chữa, nâng cấp Phân tích số liệu điều tra an toàn hồ chứa [1], [4] (bảng 1-1), thấy rằng mức độ hư hỏng của các công trình đầu mối ở các hồ vừa và nhỏ nhiều hơn đáng kể so với các hồ lớn Các đánh giá về thực trạng các hồ chứa nước năm 2015 [2], cũng có kết quả tương tự, các hồ cần phải nâng cấp sửa chữa là các hồ

có dung tích nhỏ luôn chiếm tỷ lệ lớn hơn Trong tổng số 1150 hồ chứa cần phải nâng cấp sửa chữa vì bị hư hỏng và thiếu năng lực xả lũ: các hồ có dung tích lớn

7

dung tích nhỏ hơn 0, 2.10 m6 3 nằm phân tán ở nhiều nơi do địa phương quản lý không

có số liệu để đánh giá

Bảng 1-1 Tình hình hư hỏng các công trình đầu mối ở hồ chứa [1], [2]

Nội dung kiểm tra Số lượng hồ có

số liệu điều tra

Tỷ lệ các hồ phải sửa chữa %

Một điểm tồn tại nữa của các đầu mối hồ chứa ở Việt Nam hiện nay là chưa được đầu

tư đồng bộ để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh, trừ một số các đập cao từ 50m trở lên đã được lắp đặt và tổ chức quan trắc tương đối đầy đủ theo quy định Các đập thấp hơn, nhiều đập không đặt thiết bị quan trắc hoặc chỉ quan trắc một phần Tình trạng này ở các hồ thủy lợi phổ biến hơn là ở hồ thủy điện Công tác quan trắc ở 54 hồ thủy điện và 551 hồ thủy lợi có đập cao 15 50m÷ , dung tích hồ W h > 3.10 6m3 như ở bảng 1-

2, mức đầu tư trang thiết bị, cơ sở hạ tầng phục vụ công tác quản lý, phục vụ cứu trợ khẩn cấp còn thấp, chưa đủ đáp ứng yêu cầu của các quy định về an toàn đập [4]

Bảng 1-2 Hiện trạng quan trắc ở hồ có đập cao 15 50m÷ , dung tích hồ Wh ≥ 3.10 6m3

[2]

Công tác quan trắc Tỷ lệ Hồ thủy điện Hồ thủy lợi

1.1.1.2 Các thành phần công trình đầu mối ở Việt Nam

1 Đập dâng

8

Đập dâng là công trình chắn ngang sông, được xây dựng để dâng cao mực nước hoặc tích nước tạo thành hồ chứa Vật liệu tạo thành đập là đất, đá, bê tông, bê tông cốt thép, gỗ, cao su, tuy nhiên đập ở các hồ chứa nước Việt Nam chủ yếu được xây dựng theo hai loại vật liệu là vật liệu địa phương và bê tông

a) Đập vật liệu địa phương

Các đập vật liệu địa phương bao gồm: Đập đất, đập đất đá hỗn hợp, đập đá đổ, đập đá đầm nén có bản mặt bê tông cốt thép Cho đến nay, các đập dâng tạo hồ chứa ở Việt Nam chủ yếu là đập đất Những đập có chiều cao trong khoảng 25 50m÷ chiếm đa số như đập Đại Lải, Núi Cốc, Suối Hai, Cấm Sơn, Sông Rác, Phú Ninh, Cà Giây, Ayun

Hạ, … Đập có kết cấu ba khối đất đá cao nhất Việt Nam hiện nay là đập Tả Trạch ở Thừa Thiên Huế cao 60m

Trong số các đập vật liệu địa phương đã được xây dựng ở Việt Nam, đập đá đổ có số lượng ít hơn nhưng lại có chiều cao lớn hơn đập đất Một số đập đá đổ có quy mô lớn

ở Việt Nam như đập Thác Bà cao 48m, đập Yaly cao 60m, đập Hòa Bình cao 123m

Ba đập này có quy mô khác nhau nhưng có cùng dạng kết cấu đập đá đổ có kết cấu chống thấm là tường tâm bằng đất sét

Đập đá đầm nén có bản mặt bằng bê tông cốt thép ra đời vào những thập niên cuối của thế kỷ XX Ưu điểm chính của loại đập này là đá được đầm chặt, khắc phục được hiện tượng biến dạng nhiều của đập đá đổ truyền thống và bản mặt bê tông cốt thép có khả năng chống thấm cao Việt Nam đã xây dựng các đập loại này như đập Rào Quán cao 78m, đập Tuyên Quang cao 92m, đập Cửa Đạt cao 115,3m, …

Ưu điểm của đập vật liệu địa phương là sử dụng đất, đá là các vật liệu tại chỗ, có thể thi công bằng biện pháp thủ công và biện pháp cơ giới Nó cũng là loại đập được phát triển sớm nhất trên thế giới nên kĩ thuật xây dựng loại đập này đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm

Vì phải sử dụng một khối lượng vật liệu đất đá lớn nên khi thi công thường gặp nhiều khó khăn trong việc kiểm soát chất lượng vật liệu đắp đập theo yêu cầu thiết kế Mặt khác vật liệu đất rất nhạy cảm với độ ẩm của môi trường không khí nhất là đất giàu

9

hàm lượng sét như đất ở Tây Nguyên và ở Nam Trung Bộ Khí hậu nhiệt đới gió mùa

ở Việt Nam cũng là một trở ngại lớn đối với việc thi công đập vật liệu địa phương Do chịu ảnh hưởng của thời tiết cũng như công tác dẫn dòng nên tiến độ thi công loại đập này thường gặp rủi ro, nhiều đập đã phải kéo dài thời gian thi công Những hạn chế này là những nguyên nhân tiềm ẩn, rất khó kiểm soát, có thể dẫn đến sự cố vỡ đập

Hình 1-3 Đập Tả Trạch-Thừa Thiên Huế

b) Đập bê tông

Hình 1-4 Đập bê tông đầm lăn Sơn La

Hình 1-5 Đập vòm Nậm Chiến

trở lên thì đập bê tông chiếm ưu thế (ICOLD - 1986) Đập bê tông trọng lực ngăn sông

tạo thành hồ chứa đầu tiên ở nuớc ta là đập Tân Giang ở tỉnh Ninh Thuận cao 37,5m Một trong những cải tiến có giá trị trong lịch sử phát triển đập bê tông trong lực là ứng dụng công nghệ bê tông đầm lăn vào xây dựng đập Tuy mãi đến những năm cuối của thế kỷ XX, công nghệ đập bê tông đầm lăn mới được Việt Nam áp dụng, nhưng cho đến năm 2013, Việt Nam xây dựng được 24 đập bê tông trọng lực đầm lăn Việt Nam được xếp vào hàng thứ bảy của thế giới về tốc độ phát triển đập bê tông đầm lăn Trong số các đập bê tông đầm lăn đã xây dựng, có nhiều đập có chiều cao hơn 100m như: đập thủy điện Sơn La cao 138m, đập Bản Vẽ ở Nghệ An cao 137m [5]

Kiểu đập bê tông thứ hai đang được áp dụng vào Việt Nam là đập vòm Do có cấu tạo dạng vòm, mặt cắt ngang đập vòm mảnh hơn, nên sử dụng ít bê tông hơn đập bê tông trọng lực, do đó có hiệu quả hơn về mặt kinh tế xây dựng Mặt khác, cấu tạo dạng vòm

có nhiều ưu điểm về khả năng chịu tải nên ở những nơi vị trí lòng sông thích hợp, đập vòm đã được ưu tiên lựa chọn để xây dựng những đập có chiều cao lớn Đập vòm đầu tiên được xây dựng ở Việt Nam là đập vòm Nậm Chiến cao 135m trên suối Nậm Chiến, một phụ lưu của sông Đà

Đập bê tông dùng vật liệu bê tông nên dễ kiểm soát chất lượng trong quá trình thi công hơn so với đập dùng vật liệu đất đá Mặt khác việc bố trí mặt bằng tổng thể cũng như công tác dẫn dòng và phòng lũ trong quá trình thi công thuận lợi hơn đập vật liệu địa phương

Nhược điểm cơ bản của đập bê tông là có kết cấu bê tông khối tảng dễ bị nứt do tác động của ứng suất nhiệt Tuy đập vòm có mỏng hơn nhưng nhiệt của bê tông vẫn là vấn đề cần phải cẩn trọng trong việc thiết kế các khe nhiệt cũng như xử lý nhiệt trong quá trình thi công Yêu cầu chất lượng nền đập bê tông cao, từ đó cũng có những yêu cầu cao về khảo sát thiết kế Đập bê tông mới được phát triển ở Việt Nam từ những

11

năm cuối của thế kỷ XX, vì vậy công tác khảo sát, thiết kế, thi công và quản lý loại đập này còn chưa có nhiều kinh nghiệm Những yếu kém trong khảo sát, thiết kế cũng như xử lý nhiệt trong quá trình thi công, đã để lại trong đập những khuyết tật, đặc biệt

là các khe nứt làm suy giảm khả năng chịu tải và tiềm ẩn những nguy cơ dẫn đến vỡ đập bê tông

2 Công trình tháo lũ

Công trình tháo lũ là công trình để tháo nước thừa không thể chứa được trong hồ, có công trình tháo lũ thì hồ mới làm việc bình thường và an toàn Căn cứ vào cao trình đặt, có thể phân làm hai loại: Công trình tháo lũ trên mặt và công trình tháo lũ dưới sâu

Hình 1-6 Sơ đồ minh họa vị trí công trình tháo lũ trên mặt và dưới sâu [5]

1, 2- Tháo lũ trên mặt; 3- Tháo lũ kết hợp trên mặt và dưới sâu; 4- Xả sâu; 5- Xả đáy; 6- Tháo lũ qua đường hầm; 7- Đường tràn ngoài đập

a) Công trình tháo lũ trên mặt

Hình 1-7 Tràn xả lũ hồ Yên Lập - Quảng Ninh

12

Các công trình có cao trình đặt ngưỡng cao và chỉ dùng để tháo dung tích phòng lũ của

hồ, bao gồm các công trình như: Đập tràn, đường tràn dọc, đường tràn ngang, xi phông

tháo lũ, giếng tháo lũ, đường tràn kiểu gáo, … [5], [6]

b) Công trình tháo lũ dưới sâu

Là các công trình tháo lũ có ngưỡng tràn đặt thấp, có thể đặt dưới đáy đập, đặt trong thân đập bê tông hoặc có thể đặt ở bên bờ Các công trình loại này như: cống ngầm, đường ống, đường hầm, … có thể tháo được nước trong hồ ở bất kỳ mực nước nào thậm chí tháo cạn hồ [5], [6]

Hiện nay hai kiểu công trình tháo lũ được dùng phổ biến ở các hồ chứa Việt Nam là đường tràn dọc và đập tràn, trong đó đường tràn dọc và đập tràn không có cửa van điều tiết chiếm đa số, với tràn không có cửa van thì không có khả năng hạ thấp mực nước hồ trước khi lũ về hoặc khi thấy cần thiết Hầu hết các hồ không có cửa xả sâu, vì vậy không thực hiện được việc tháo cạn hồ khi đập có nguy cơ bị vỡ

Các đầu mối hồ chứa có đập dâng là đập vật liệu địa phương thì vị trí đường tràn hoặc đập tràn thường được đặt ở đầu đập hoặc ở ngoài đập Ở các đầu mối có đập dâng là đập bê tông thì công trình tháo lũ là các đập tràn đặt ở khu vực lòng sông, vừa làm nhiệm vụ tháo lũ, vừa thay thế một phần đập dâng [1], [4], [7]

3 Công trình lấy nước

Các công trình lấy nước từ hồ chứa để đáp ứng các yêu cầu dùng nước khác nhau, thường dùng là đường hầm (đào qua núi, đồi) hoặc cống ngầm đặt dưới đập Hiện nay cống ngầm đặt trong thân đập là hình thức được dùng phổ biến nhất để lấy nước từ hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam Chế độ thủy lực của các cống có thể là không áp hoặc có

áp Các cống không áp thường làm bằng bê tông cốt thép có mặt cắt hình chữ nhật, tròn, vòm hoặc móng ngựa có cửa lấy nước là các tháp van kín hoặc hở đặt ở phía thượng lưu Trong tháp van có các van công tác và van sửa chữa Các cống có áp thường có mặt cắt ngang hình tròn, vật liệu được dùng là bê tông cốt thép, ống thép hoặc ống thép bọc bê tông cốt thép Cửa van điều tiết được dùng một cách phổ biến là van khóa hoặc van côn đặt ở phía hạ lưu; ở các cống lớn, van sửa chữa được đặt trong

tháp ở phía thượng lưu (van phẳng)

13

Các cống đặt ở trong đập vật liệu địa phương là các cống có chiều dài lớn nên được chia thành từng đoạn Nối các đoạn với nhau là các khớp nối Kết cấu khớp nối phải đáp ứng hai điều kiện: an toàn khi các đoạn có chuyển vị tương đối và đảm bảo kín nước khi có hiện tượng chuyển vị của các đoạn

Hầu hết các cống ngầm lấy nước từ các hồ chứa ở Việt Nam hiện nay không đặt trong hành lang mà đặt trực tiếp trên nền và trong thân đập Xung quanh cống được đắp bằng một lớp đất ít thấm nước Nhiều cống cấu tạo chưa hợp lý, đường viền thấm chưa

đủ dài và liên kết với đập không tốt, đập có nguy cơ bị mất ổn định do thấm tiếp xúc dọc cống Kích thước mặt cắt ngang của nhiều cống được quyết định chỉ dựa vào kết quả tính toán khả năng tháo và điều kiện duy trì chế độ thủy lực thiết kế, không theo điều kiện sửa chữa nên rất khó khăn cho công tác quản lý khi cần kiểm tra cũng như sửa chữa phía trong cống Đây là những tồn tại chính của các cống lấy nước ở hồ chứa Việt Nam hiện nay [3], [8], [9]

Hình 1-8 Cống ngầm lấy nước ở hồ chứa nước Vực Sự - Nghệ An

1.1.2 Hư hỏng và sự cố của các công trình đầu mối thủy lợi ở Việt Nam

Hư hỏng và sự cố các công trình xây dựng luôn là chủ đề mang tính thời sự được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu Hư hỏng và sự cố là hai khái niệm có mức độ trầm trọng khác nhau đối với công trình, mặc dù đây là những thuật ngữ mang tính quy ước nhưng lại rất cần thiết cho các nghiên cứu về sự cố công trình

Hư hỏng là biến cố xảy ra đối với công trình nhưng nó vẫn đảm bảo được toàn bộ hoặc

Sự cố vỡ đập xảy ra đối với hồ đang vận hành như: vỡ đập Suối Hành tỉnh Khánh Hòa

(1986), đập Am Chúa - Khánh Hòa (1992), đập Khe Mơ - Hà Tĩnh (2010), đập phụ

Đầm Hà Động - Quảng Ninh (2014) Sự cố vỡ đập xảy ra trong thời kỳ thi công hay

mới hoàn thành như: đập Đồn Háng - Nghệ An (1978), Cửa Đạt - Thanh Hóa, đập Z20 - Hà Tĩnh (2009), đập Phước Trung - Ninh Thuận (2011), đập Lanh Ra - Ninh

Thuận (2011), … Một số đập xảy ra hư hỏng lớn nhưng chưa bị vỡ như: sự cố tràn

nước đập bê tông trọng lực Hố Hô - Hà Tĩnh, hiện tượng thấm bất thường ở đập đất Kim Sơn - Hà Tĩnh, đập Sông Quao - Bình Thuận, …, hiện tượng đập đất bị nứt ngang

xảy ra ở đập Cà Giây, bị nứt dọc xảy ra ở đập Easoup, … [9], [10], [11]

Nguyên nhân xảy ra sự cố về đập ở Việt Nam có thể khái quát thành hai nhóm là nguyên nhân chủ quan và khách quan Nhóm các nguyên nhân chủ quan là do sự yếu kém trong công tác khảo sát, thiết kế, thi công, quản lý xây dựng, gọi chung là chất lượng xây dựng và quản lý vận hành Nhóm các nguyên nhân khách quan là do tính bất thường của thiên nhiên như bão, lũ, động đất, … [12]

Phân tích theo đặc tính làm việc và cơ chế phá hoại của các công trình tạo thành hồ chứa dẫn đến sự cố vỡ đập cũng có thể khái quát thành hai nhóm nguyên nhân Nhóm nguyên nhân thứ nhất là do đập không đủ khả năng chịu tải biểu hiện ở các hiện tượng:

15

nước tràn đỉnh đập, đập đất bị trượt mái, dòng thấm mạnh không kiểm soát được, đập

bị nứt dọc, nứt ngang, … Nhóm nguyên nhân thứ hai là do sự cố xảy ra ở các công trình tháo lũ, cống lấy nước dẫn đến sự cố ở đập Các nguyên nhân dẫn đến sự cố vỡ đập có quan hệ với nhau tác động đến nhau theo logíc hệ thống

16

1.1.3 Sự cần thiết đảm bảo an toàn công trình đầu mối

Hệ thống hồ đập được xây dựng để đáp ứng các yêu cầu dùng nước và phòng chống thiên tai, do đó các công trình phải đảm bảo an toàn Công trình đầu mối chịu ảnh hưởng trực tiếp của các điều kiện khí tượng thủy văn, điều kiện địa chất của lưu vực sông suối, của động đất tự nhiên, động đất kích thích do hồ tích nước, … Hầu hết các yếu tố bất định trong các hiện tượng này biến đổi theo không gian và thời gian Sự xuất hiện những hình thái thời tiết bất thường do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và hiện tượng không kiểm soát được ở thượng nguồn những dòng sông liên quốc gia cũng như những vi phạm có tính hệ thống của con người như chặt phá rừng, xây hồ không theo quy hoạch, … đang làm cho các yếu tố bất định ảnh hưởng xấu đến an toàn đập ở

Việt Nam đang tăng lên

Hiện nay trên thế giới, mô hình thiết kế ngẫu nhiên ở cấp độ hai và sử dụng độ tin cậy làm chỉ tiêu đánh giá an toàn công trình đang được ứng dụng phổ biến Việt Nam trong lĩnh vực xây dựng nói chung và công trình thủy lợi, thủy điện nói riêng đang sử dụng

mô hình thiết kế ngẫu nhiên ở cấp độ một và chỉ tiêu đánh giá an toàn công trình là hệ

số an toàn Đây là một khoảng cách khá xa về mô hình thiết kế của Việt Nam so với thế giới Để giảm bớt khoảng cách so với thế giới về lĩnh vực này, có thể thực hiện

một số biện pháp sau:

- Xây dựng đồng bộ hệ thống tiêu chuẩn thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy công trình

- Cập nhật và nghiên cứu phát triển các mô hình phân tích ngẫu nhiên vào trong các hoạt động xây dựng, hoạt động quản lý hồ đập và được xem như là ứng dụng tiến bộ khoa học công nghệ vào điều kiện Việt Nam

1.2 Các phương pháp đánh giá an toàn của công trình thủy lợi

Trước khi đưa ra các phương pháp lý thuyết để xây dựng công trình, người thiết kế phải dựa vào những kinh nghiệm tích lũy trong quá khứ có cả thành công và thất bại Trên cơ sở những lý thuyết đầu tiên để tính toán kết cấu xây dựng được hình thành vào giữa thế kỷ 19, kỹ thuật thiết kế các công trình thủy lợi đã trải qua quá trình phát triển không ngừng và đến nay đã hình thành hai hệ phương pháp tính toán là phương pháp thiết kế tất định và phương pháp thiết kế ngẫu nhiên, như được trình bày dưới đây

17

1.2.1 Phương pháp thiết kế tất định

Hiện nay phương pháp ứng suất cho phép, phương pháp các hệ số an toàn và phương pháp các trạng thái giới hạn là các phương pháp thiết kế tất định được dùng phổ biến trong mô hình thiết kế truyền thống ở Việt Nam

1.2.1.1 Phương pháp ứng suất cho phép

Phương pháp ứng suất cho phép (ƯSCP) là một trong những phương pháp được ứng dụng ngay từ những ngày hình thành lý thuyết kết cấu Khi thực hiện các tính toán theo phương pháp này vật liệu chỉ được xem xét làm việc trong giai đoạn đàn hồi với các hệ số dự trữ rất cao Do vậy, một cấu kiện đảm bảo điều kiện bền khi giá trị ứng suất trong mặt cắt tính toán không vượt quá ứng suất cho phép của vật liệu tạo thành cấu kiện [5], [13]:

R K

σ ≤ σ = (1-1) Trong đó:

σmax: Ứng suất tính toán lớn nhất tại một điểm nào đó trong mặt cắt tính toán, xác định

từ tổ hợp tải trọng bất lợi nhất;

[σ]: Ứng suất cho phép, lấy theo tài liệu tiêu chuẩn đối với vật liệu, loại kết cấu và dạng của trạng thái ứng suất (kéo, nén, xoắn, );

R: Cường độ của vật liệu; K: Hệ số an toàn của vật liệu

Ưu điểm: Phương pháp ƯSCP mang tính kinh điển, rất tiện dụng khi thiết kế các bộ

phận kết cấu cùng kiểu, vì vậy nó được chú ý nghiên cứu phát triển

Nhược điểm: Phương pháp ƯSCP chỉ xem xét sự làm việc của vật liệu trong điều kiện

tác động cực đại, không xét đến tác động thường xuyên

Ứng dụng: Hiện nay phương pháp ƯSCP vẫn được áp dụng khi thiết kế cửa van, và

thiết kế sơ bộ các đập bê tông, bê tông cốt thép

Trên cơ sở xem xét đến sự làm việc dẻo của vật liệu và một số cải tiến về quan niệm

hệ số dự trữ, tiến tới phát triển phương pháp ‘‘tải trọng phá hoại’’ hoàn thiện hơn So

18

với các kết quả thử nghiệm, các kết quả tính theo phương pháp tải trọng phá hoại phù hợp hơn khi tính toán theo phương pháp ƯSCP

1.2.1.2 Phương pháp tính theo các hệ số an toàn

Thay cho các ƯSCP, trong tính toán sử dụng các giá trị trung bình về tải trọng và sức chịu tải nên mức độ an toàn của công trình được được đảm bảo bằng một hệ số an toàn chung Kat [5], [13]

Nhược điểm: Mặc dù có tiến bộ đáng kể hơn so với phương pháp ứng suất cho phép

nhưng phương pháp hệ số an toàn có một nhược điểm cơ bản là các dạng phá hoại khác nhau của kết cấu được đảm bảo chỉ bởi một hệ số an toàn duy nhất Trong khi việc tích lũy tài liệu thí nghiệm đã chỉ ra rằng các tải trọng và sức bền của vật liệu có tính biến đổi, phân tán, điều đó làm giảm mức độ đảm bảo không phá hoại kết cấu Vậy nên các kết cấu như nhau sẽ có các hệ số dự trữ khác nhau khi khai thác trong các điều kiện khác nhau [14]

1.2.1.3 Phương pháp trạng thái giới hạn

Trong phương pháp này một hệ số an toàn duy nhất được thay bằng nhiều hệ số an toàn mang đặc trưng thống kê: Hệ số tổ hợp tải trọng nc, hệ số điều kiện làm việc m, hệ số tin cậy Kn, hệ số lệch tải n, hệ số an toàn về vật liệu KVL Do vậy, đã có sự thay đổi các tiêu chí đánh giá độ bền và các tính chất khác của kết cấu công trình Việc thiết kế, xây dựng và khai thác công trình phải được thực hiện sao cho không xảy ra các trạng thái giới hạn của nó [5], [13], [15]

19

Trạng thái giới hạn (TTGH): Công trình và nền của nó được gọi là đạt đến trạng thái giới hạn khi chúng mất khả năng chống lại các tải trọng và tác động từ bên ngoài, hoặc khi chúng bị hư hỏng hay biến dạng quá mức cho phép, không còn thoả mãn được các yêu cầu khai thác bình thường

Nhóm 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, [5], [13], [15]

Nhóm 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 [5], [13], [15]

Tải trọng được dùng trong hai nhóm trạng thái giới hạn là khác nhau: Nhóm THGH 1

sử dụng tải trọng tính toán, còn nhóm THGH 2 sử dụng tải trọng tiêu chuẩn Tải trọng tính toán bằng tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số lệch tải, tải trọng tiêu chuẩn có trong các tiêu chuẩn thiết kế quy định riêng cho mỗi loại công trình và nền của chúng Biểu thức tính toán và cách xác định các hệ số trong công thức như sau: Việc đánh giá

sự xuất hiện các trạng thái giới hạn được thực hiện bằng cách so sánh các trị số tính toán của ứng lực, ứng suất, biến dạng, chuyển vị, sự mở rộng khe nứt, với khả năng chịu tải tương ứng của công trình, độ bền của vật liệu, trị số cho phép của bề rộng khe nứt, biến dạng, Các trị số này được quy định trong các tiêu chuẩn kỹ thuật Điều kiện đảm bảo ổn định hay độ bền của công trình là [15]:

20

R: Trị số tính toán của sức chịu tổng hợp của công trình hay nền;

nc, m, kn: Lần lượt là các hệ số tổ hợp tải trọng, hệ số điều kiện làm việc và hệ số độ tin cậy

Phương pháp trạng thái giới hạn có xét đến đặc trưng xác suất của độ bền hoặc khả năng chịu tải và tải trọng chỉ ở phần phân tích và xử lý các số liệu đầu vào, còn thuật toán vẫn là tất định Hơn nữa các hệ số về vật liệu và tải trọng (hệ số lệch tải và hệ số

tổ hợp tải trọng) được sử dụng trong phương pháp có đặc tính thống kê nhưng lại có giá trị không đổi, các hệ số điều kiện làm việc và hệ số tính chất quan trọng của kết cấu là các giá trị được định trước và lấy theo kinh nghiệm nhiều năm thiết kế và khai thác công trình tương tự Do đó phương pháp này còn mang tính tiền định Ngoài ra phương pháp còn có nhược điểm cơ bản: không xét đến yếu tố thời gian và các đặc trưng ngẫu nhiên của các tham số sử dụng trong tính toán, hay phương pháp TTGH không đánh giá được độ tin cậy của công trình trong tương lai và không xét được đầy

đủ mức độ ảnh hưởng của tính chất biến đổi ngẫu nhiên liên tục của tính chất các vật liệu xây dựng và đất nền cũng như của tải trọng đến trạng thái làm việc của công trình [5], [14]

Như vậy, công trình khi tính theo phương pháp TTGH phụ thuộc vào nhiều tham số có bản chất ngẫu nhiên nhưng lại không thể biểu diễn thích hợp trong mối quan hệ hàm

số mà mang tính đơn trị và tiền định

Với rất nhiều lý do trên, trong vòng mấy chục năm gần đây trên thế giới hình thành phương pháp tính công trình và kết cấu xây dựng theo phương pháp thiết kế ngẫu nhiên

1.2.2 Phương pháp thiết kế theo mô hình ngẫu nhiên

Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên là phương pháp thiết kế theo xu hướng hiện đại Theo thiết kế này trạng thái giới hạn cũng như cơ chế phá hoại được mô phỏng bằng các mô hình toán hoặc mô hình tương ứng Xác suất phá hoại của một bộ phận công trình hoặc công trình được tính từ hàm tin cậy Hàm này được thành lập trên cơ sở quan hệ giữa tải trọng và sức chịu tải trong một cơ chế phá hoại tương ứng với một trạng thái giới hạn, trong đó tải trọng và sức chịu tải là những hàm chứa đựng các biến

21

và các tham số ngẫu nhiên Thiết kế ngẫu nhiên là phương pháp thiết kế tiến bộ nhưng

do tính phức tạp cũng như khó khăn trong việc áp dụng toán xác suất - thống kê vào trong thiết kế nên mức độ tiếp cận với xác suất ở từng trường hợp khác nhau và được chia thành 3 cấp độ tính toán [5], [16], [17]

1.2.2.1 Thiết kế ngẫu nhiên cấp độ I

Các biến đầu vào là các biến ngẫu nhiên được xác định theo phương pháp xác suất - thống kê, nhưng hàm tin cậy thể hiện mối quan hệ giữa độ bền của công trình và tải trọng tác dụng lên công trình là các giá trị trung bình có kèm theo hệ số an toàn thích hợp cho từng loại công trình là một số cụ thể Do vậy, kết quả tính toán không phải là xác suất an toàn mà là hệ số an toàn Kat Đây được coi là phương pháp bán ngẫu nhiên

và được xếp vào thiết kế ngẫu nhiên cấp độ I

1.2.2.2 Thiết kế ngẫu nhiên cấp độ II

Thực hiện các tính toán độ tin cậy của công trình trong đó: Hàm tin cậy là hàm tuyến tính hoặc sử dụng một số phương pháp gần đúng biến đổi về hàm tuyến tính tại điểm thiết kế; các biến ngẫu nhiên trong hàm được xác định theo phương pháp xác suất - thống kê và có luật phân bố chuẩn Kết quả độ tin cậy của công trình được thể hiện là xác suất an toàn hoặc chỉ số độ tin cậy Đây được gọi là thiết kế ngẫu nhiên cấp độ II

1.2.2.3 Thiết kế ngẫu nhiên cấp độ III

Trường hợp các tính toán vẫn giữ nguyên quy luật phân bố xác suất của các biến ngẫu nhiên và tính phi tuyến của hàm tin cậy Khi sử dụng mô hình xác suất một cách đầy

đủ trong thiết kế thì được gọi là thiết kế theo mô hình ngẫu nhiên cấp độ III Để tìm được xác suất an toàn của công trình có thể sử dụng phương pháp Monte Carlo hoặc các phương pháp giải tích

1.2.3 Nhận xét các phương pháp thiết kế

Phương pháp thiết kế theo mô hình ngẫu nhiên và tính độ tin cậy tiến bộ hơn phương pháp thiết kế tất định và tính hệ số an toàn, tuy nhiên ở đây có sự kế thừa, không có sự phủ nhận Các tính toán độ tin cậy vẫn dựa trên các điều kiện làm việc, các sơ đồ tính, các thuật toán cũng như các tiêu chuẩn hiện hành của phương pháp thiết kế tất định Tuy nhiên các bài toán tiếp cận được với thực tế hơn bởi phương pháp này xét được

22

đầy đủ mức độ ảnh hưởng của tính biến đổi ngẫu nhiên của tính chất các vật liệu xây dựng và đất nền cũng như của tải trọng đến trạng thái kết cấu Phương pháp này ngoài việc tính được độ tin cậy an toàn cho cả hệ thống còn là tiền đề cho quá trình phân tích rủi ro sau này Đây là một xu thế phát triển mô hình thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới hiện nay, do vậy đây là phương pháp được lựa chọn để tính toán an toàn đập trong nghiên cứu này Trên thực tế việc thiết kế các công trình chỉ dừng ở cấp độ II, và cấp

độ III chỉ dùng cho các công trình đặc biệt có yêu cầu cao về mức an toàn

Khi thực hiện các tính toán theo phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trong nghiên cứu này gặp phải một số khó khăn sau:

- Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên và tính độ tin cậy phụ thuộc rất lớn vào độ dài và chất lượng của các số liệu đầu vào: số liệu quan trắc, khảo sát, thí nghiệm, …, do đó trong tính toán đòi hỏi một lượng lớn các tài liệu liên quan Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, số lượng các hồ thủy lợi được quan trắc đầy đủ là không nhiều (bảng 1-2) nên sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả tính độ tin cậy hệ thống đầu mối

- Việt Nam chưa có các tiêu chuẩn tính toán độ tin cậy cho các công trình đầu mối hồ chứa nên khi tính công trình theo lý thuyết độ tin cậy phải mượn các tiêu chuẩn của nước ngoài để so sánh và kết luận, mặc dù các tiêu chuẩn này chưa thực sự tương đồng trong một số điều kiện làm việc của công trình

1.3 Các nghiên cứu về lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực thủy lợi và an toàn đập

1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Những vấn đề đầu tiên của lý thuyết độ tin cậy được thiết lập chính ở trong ngành cơ học xây dựng Cuối những năm 1920 hai nhà khoa học M.Maier và N.Ph.Khôshialốp

đã nêu ra ý tưởng tính toán kết cấu xây dựng theo lý thuyết xác suất - thống kê, nhưngnghiên cứu còn nhiều nhiều hạn chế về phương pháp tính toán và chưa định dạng được

rõ ràng khả năng ứng dụng của lý thuyết này nên không nhận được nhiều sự ủng hộ của các nhà khoa học thời bấy giờ Ban đầu lý thuyết độ tin cậy của các kết cấu xây dựng được phát triển độc lập với lý thuyết độ tin cậy trong ngành chế tạo máy và các

hệ thống điện Tuy nhiên cho đến những năm 1970 giữa hai lĩnh vực này đã có sự trao

23

đổi mạnh mẽ các kết quả nghiên cứu bởi các nhà khoa học đã nhận thấy giữa chúng có

sự liên quan chặt chẽ với nhau [18]

Các nhà khoa học Liên Xô cũ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển lý thuyết độ tin cậy để tính các kết cấu xây dựng, có thể kể đến các nhà khoa học tiên phong trong lĩnh vực này: N X Streletsky, A R Rgianitsưn, V V Bôlôtin, A Ia.Đriving, Iu A Pavlốv, N X Streletsky (1947) đã vận dụng các phương pháp thống kê vào trong

cơ học xây dựng và ông được coi là người đặt nền móng cho quan điểm thống kê để tính kết cấu công trình A R Rgianitsưn (1952) đã đưa vào khái niệm ‘‘hàm phá hoại’’ và xét đến yếu tố về thời gian khi tính độ tin cậy của kết cấu công trình [18] Tuy nhiên cả hai nhà khoa học N X Streletsky và A R Rgianitsưn đều chưa chưa đề cập đầy đủ sự ảnh hưởng của các cấu kiện đến độ tin cậy chung của công trình V V Bôlôtin (1960-1965) [19] đã có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về lý thuyết độ tin cậy trong cơ học xây dựng: lý thuyết thống kê của sự phá hoại; xây dựng thuật toán để giải các bài toán về ổn định dao động của các kết cấu và đặc biệt là nghiên cứu giải các bài toán theo lý thuyết độ tin cậy có xét đến yếu tố thời gian cũng như việc cần thiết phải thể hiện thông tin ở dạng quá trình thời gian; áp dụng lý thuyết xác suất - thống kê và

lý thuyết độ tin cậy để phân tích các kết cấu xây dựng

Ở các nước Anh, Pháp cũng nhận được nhiều kết quả tích cực trong việc nghiên cứu

và phát triển lý thuyết độ tin cậy để tính toán các kết cấu xây dựng Các trường đại học

và các viện nghiên cứu ở Anh cũng đóng vai trò quan trọng thúc đẩy sự phát triển của

lý thuyết độ tin cậy khi công bố nhiều công trình khoa học có liên quan đến hư hỏng vật liệu Hammond (1959) đã ứng dụng lý thuyết xác suất - thống kê để đánh giá mức

độ hư hỏng của kết cấu bê tông cốt thép và đây là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo

về khả năng ứng dụng của lý thuyết này trong kết cấu xây dựng của các nhà khoa học Chana P S và Clark L A [20] Vào đầu những năm 1950 các nghiên cứu về hư hỏng

và khuyết tật trong kết cấu bê tông cốt thép luôn nhận được sự quan tâm mạnh mẽ của các nhà khoa học Pháp, theo các nghiên cứu thu thập được trong giai đoạn này có thể thấy nguyên nhân chính gây hư hỏng công trình xây dựng được phân tích thống kê thành bốn nhóm chính: chất lượng vật liệu, các tác động cơ học, môi trường xung

quanh và thời tiết Tuy nhiên các nghiên cứu này được ứng dụng chủ yếu cho các công

24

trình xây dựng bằng bê tông và mới xét đến hai yếu tố quan trọng là chất lượng vật liệu xây dựng và các tác động cơ học đến độ tin cậy của công trình bê tông mà chưa xét đến một số yếu tố ngẫu nhiên khác

Từ năm 1970 đến 1990 ở Liên Xô cũ và các nước phương Tây đã có rất nhiều các nghiên cứu về các quá trình ngẫu nhiên để mô tả các tác động thực và phản ứng của kết cấu xây dựng, các nghiên cứu nhằm ứng dụng lý thuyết độ tin cậy để thiết kế công trình theo độ tin cậy tối ưu và đánh giá mức độ tin cậy của công trình theo xác suất Những phương pháp này thường vận dụng các lý thuyết về cơ học công trình, lý thuyết xác suất - thống kê và lý thuyết về hệ thống nên có thể phản ánh được đúng đắn sự tương tác của của công trình với các môi trường xung quanh Rất nhiều kết quả nghiên cứu có ảnh hưởng đáng kể đến việc phát triển và ứng dụng lý thuyết độ tin cậy hiện nay như: Palle Thoft (1982) [21] đã ứng dụng lý thuyết xác suất - thống kê để tính toán

độ tin cậy cho các kết cấu công trình xây dựng; O Ditlevsen (1982) và các cộng sự đã phân tích sự cần thiết của các mô hình ngẫu nhiên, giới thiệu các phương pháp phân tích độ tin cậy kết cấu công trình và đưa ra cách xác định các biên sự cố rộng, biên sự

cố hẹp và sự cố chính xác [22], [23], [24] Tuy vậy các nghiên cứu của Palle Thoft và

O Ditlevsen chưa đề cập đầy đủ sự ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên khi thực hiện các ứng dụng tính toán về độ tin cậy cho công trình

Như vậy có thể nói lý thuyết độ tin cậy đã ra đời và ứng dụng từ những năm 1970 trong nhiều lĩnh vực khác nhau, tuy nhiên mãi đến những năm 1990 lý thuyết này mới được quan tâm và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công trình thuỷ lợi Những năm gần đây các bài báo, các sách tham khảo, các luận văn Thạc sĩ, Tiến sĩ, các đề tài nghiên cứu khoa học và các tiêu chuẩn về độ tin cậy công trình ngày càng phát triển mạnh mẽ

Có rất nhiều bài báo được đăng trên các tạp chí có uy tín, trong đó phần lớn tập trung nhiều vào lĩnh vực đánh giá an toàn và phân tích rủi ro công trình phòng lũ bờ biển và sông M.K.Yegian và cộng sự (1991) [25] đã công bố các nghiên cứu xác định các mức độ rủi ro cho đập đất khi xảy ra động đất và đề nghị mức đảm bảo an toàn cho phép đối với đập đất trong các điều kiện làm việc bất thường Chen Zhaohe và các cộng sự (1996) [26] đã nghiên cứu việc áp dụng kỹ thuật phân tích rủi ro khi đập đất bị