Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:157

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh; lý thuyết tất định trong phân tích hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh; lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ MINH GIANG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ MINH GIANG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 9580211 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. Phạm Quang Tú 2. GS.TS. Trịnh Minh Thụ HÀ NỘI, NĂM 2024
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 án 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 (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Lê Thị Minh Giang i
LỜI CÁM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Phạm Quang Tú và GS.TS Trịnh Minh Thụ đã tận tình hướng dẫn, góp ý các ý kiến khoa học và học thuật giúp tác giả hoàn thành bản luận án tiến sĩ. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Công ty cổ phần Tư vấn xây dựng điện 1 (PECC1) đã tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả thu thập các số liệu thí nghiệm trong phòng, thí nghiện hiện trường tại công trình thủy điện A Lưới; số liệu quan trắc thực địa tại công thủy điện Xekaman 3 để phục vụ cho công tác nghiên cứu của luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Thủy Lợi đã giúp đỡ, chỉ dẫn và đóng góp ý kiến quý báu cho tác giả hoàn thành bản luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng đào tạo, Bộ môn Địa kỹ thuật, Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo – Khoa Công trình và các phòng, khoa, ban liên quan đã tạo mọi điều kiện tốt nhất và giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Tác giả gửi lời cảm ơn sâu sắc tới người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, khích lệ và chia sẻ những khó khăn với tác giả trong thời gian thực hiện luận án. ii
MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................xi 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.............................................................................3 4 Nội dung nghiên cứu .................................................................................................3 5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ...............................................................3 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..................................................................4 7 Những đóng góp mới của luận án .............................................................................4 8 Bố cục của luận án ....................................................................................................4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH ............................................................................5 1.1 Tổng quan về hầm thủy điện ..................................................................................5 1.1.1 Hầm thủy điện trên thế giới và ở Việt Nam ......................................................5 1.1.2 Các công nghệ thi công chính cho hầm thủy điện ............................................6 1.1.3 Kết cấu gia cố hầm và vỏ hầm thuỷ điện ..........................................................8 1.1.4 Các vấn đề thường gặp đối với ổn định hầm thủy điện đi trong đất đá ..........11 1.2 Phương pháp tất định trong phân tích ổn định hầm thủy điện .............................15 1.2.1 Phân tích ổn định hầm thủy điện trong giai đoạn thi công .............................15 1.2.2 Phân tích ổn định hầm thủy điện trong giai đoạn vận hành ............................23 1.3 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện .....26 1.3.1 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực kỹ thuật công trình trên thế giới và ở Việt Nam ..........................................................................................................26 1.3.2 Một số nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện ...................................................................................................................29 1.4 Kết luận ................................................................................................................35 iii
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TẤT ĐỊNH TRONG PHÂN TÍCH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH ................................................38 2.1 Lựa chọn phương pháp tất định phân tích ổn định hệ vỏ hầm trong giai đoạn thi công và vận hành........................................................................................................38 2.2 Mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm .................................................................39 2.2.1 Mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm giai đoạn thi công ...............................39 2.2.2 Mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm giai đoạn vận hành .............................41 2.2.3 Lời giải của mô hình số ...................................................................................42 2.3 Khảo sát mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm bằng RS2 cho hầm thủy điện ở Lào ....................................................................................................................................48 2.3.1 Các thông số vật liệu và sơ đồ chất tải ............................................................49 2.3.2 Kết quả tính toán .............................................................................................51 2.4 Kết luận ................................................................................................................58 CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN .......................................................................................................60 3.1 Cơ sở lý thuyết độ tin cậy trong địa kỹ thuật công trình .....................................60 3.1.1 Biến ngẫu nhiên và phân bố xác suất ..............................................................60 3.1.2 Hồi quy và phân tích tương quan ....................................................................64 3.1.3 Cây sự cố và cây sự kiện .................................................................................69 3.1.4 Hàm trạng thái và độ tin cậy của phần tử ........................................................70 3.1.5 Độ tin cậy của hệ thống ...................................................................................72 3.1.6 Mô phỏng Monte Carlo và công cụ tính toán .................................................73 3.2 Xây dựng sơ đồ phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện theo lý thuyết độ tin cậy ....................................................................................................................................74 3.2.1 Tải trọng và sức kháng trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện theo lý thuyết độ tin cậy .......................................................................................................74 3.2.2 Sơ đồ cây sự cố trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm theo lý thuyết độ tin cậy80 3.3 Kết luận ................................................................................................................87 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN A LƯỚI ................................................................89 4.1 Giới thiệu .............................................................................................................89 4.2 Sơ lược về công trình thủy điện A Lưới – Thừa Thiên Huế ...............................89 4.2.1 Cấu trúc địa chất tại công trình thủy điện A Lưới ..........................................89 iv
4.2.2 Điều kiện địa chất tuyến hầm thủy điện A Lưới .............................................91 4.3 Phân tích các thông số môi trường đá ..................................................................93 4.3.1 Phân tích chất lượng khối đá ...........................................................................93 4.3.2 Xác định các chỉ tiêu cơ học công trình của khối đá.......................................97 4.4 Phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới theo lý thuyết độ tin cậy .........106 4.4.1 Các thông số và sơ đồ chất tải .......................................................................106 4.4.2 Phân tích ổn định hệ vỏ hầm trong giai đoạn thi công ..................................112 4.5 Thảo luận............................................................................................................125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................127 1. Những kết quả đạt được .......................................................................................127 1.1 Tổng quan về ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện và môi trường đất đá xung quanh ................................................................................................................................127 1.2 Lý thuyết tất định trong phân tích hệ vỏ hầm thuỷ điện và môi trường đất đá xung quanh ......................................................................................................................128 1.3 Lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện .................129 1.4 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện A Lưới ........................................................................................................................130 2. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................131 3. Tồn tại và hướng phát triển ..................................................................................131 3.1 Tồn tại...............................................................................................................131 3.2 Hướng phát triển...............................................................................................132 4. Kiến nghị ..............................................................................................................132 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................134 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................135 v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hầm thủy điện trong tuyến năng lượng của trạm thủy điện .............................5 Hình 1.2 Biểu đồ kết cấu chống đỡ hầm theo giá trị Q [21] ...........................................9 Hình 1.3 Cấu tạo neo kết dính bằng xi măng [22] ..........................................................9 Hình 1.4 Các hình dạng khung chống của vì thép (a, b) và liên kết thép hình trong hệ khung (c, d) [17] ............................................................................................................10 Hình 1.5 Tỷ lệ các loại sự cố trong thi công hầm trên thế giới (theo số liệu [25]) .......12 Hình 1.6 Tỷ lệ các loại sự cố trong thi công hầm ở Việt Nam (theo số liệu [26, 27]) ..12 Hình 1.7 Neo nêm cho sự cố đá rơi trong hầm đi trong đá [22] ...................................17 Hình 1.8 Gia cố mái hầm dạng dầm khi hầm đi trong khối đá phân lớp nằm ngang [14] ... 17 Hình 1.9 Sơ đồ tạo vòm chống nhân tạo của hệ neo [45] .............................................18 Hình 1.10 Phương pháp biến dạng hội tụ và áp lực xung quanh [46] ...........................19 Hình 1.11 Đường đặc trưng biến dạng của hệ kết cấu chống đỡ hầm sử dụng 3 loại kết cấu chống đỡ khác nhau [46] .........................................................................................20 Hình 1.12 Các dạng sơ đồ kết cấu của vòm ..................................................................21 Hình 1.13 Sơ đồ phân bố tải trọng cho kết cấu vòm cao không khớp giai đoạn thi công.... 22 Hình 1.14 Kiểu kết cấu vòm trong tính toán ổn định hầm ............................................24 Hình 1.15 Sơ đồ tính toán và phân bố tải trọng cho kết cấu vòm cao không khớp ......24 Hình 1.16 Sơ đồ tính toán và phân bố tải trọng cho hệ vỏ hầm được thay thế bằng hệ thanh dầm nối tiếp [20] ..................................................................................................25 Hình 2.1 Mô hình cơ học của môi trường đất đá...........................................................42 Hình 2.2 Cấu tạo neo dùng trong gia cố hầm ................................................................44 Hình 2.3 Hệ kết cấu chống đỡ bằng vì thép [110].........................................................44 Hình 2.4 Ứng suất dọc trục (a) và ứng suất cắt (b) trong tiết diện kết cấu vỏ hầm dưới ảnh hưởng của nội lực M, P và Q ..................................................................................46 Hình 2.5 Ứng suất trong mặt cắt ngang thép hình khi chịu đồng thời lực P và M .......46 Hình 2.6 Ứng suất trong mặt cắt ngang BT chèn khi chịu đồng thời lực P và M .........46 Hình 2.7 Ứng suất trong mặt cắt ngang BTCT khi chịu đồng thời lực P và M ............46 Hình 2.8 Mặt dọc tuyến đường ống áp lực sau tháp điều áp .........................................49 Hình 2.9 Mặt cắt ngang đoạn hầm số 10 trong đới đá IB .............................................49 Hình 2.10 Biến dạng biên hầm tiết diện vòm ngược trong mô hình số bằng RS2 ........52 Hình 2.11 Ứng suất BT chèn trong vì thép qua các bước tính toán ..............................56 Hình 2.12 Ứng suất thép I160 trong vì thép qua các bước tính toán ............................56 Hình 2.13 Ứng suất BT trong BTCT qua các bước tính toán .......................................56 Hình 2.14 Ứng suất cốt thép trong BTCT qua các bước tính toán ................................56 Hình 3.1 Minh họa giá trị thông kê của biến ngẫu nhiên X với số mẫu quan sát n* ....61 Hình 3.2 Minh họa PDF và CDF cho phân phối chuẩn Normal ( = 0;  = 1) ............62 Hình 3.3 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Log-normal ( = 1;  = 1) ................62 Hình 3.4 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Weibull (w = 1; k = 1,5) ...................62 vi
Hình 3.5 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Binomial (n = 25; p = 0,2) ................63 Hình 3.6 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Geometric (p = 0,2) ..........................64 Hình 3.7 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Poisson (t = 10) ..............................64 Hình 3.8 Minh họa tương quan giữa hai biến x, y.........................................................65 Hình 3.9 Minh họa sơ đồ cây sự kiện (a) và sơ đồ cây sự cố (b) ..................................70 Hình 3.10 Phương pháp phân tích, thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy ...........................71 Hình 3.11 Mô tả hệ thống [82] ......................................................................................72 Hình 3.12 Ví dụ minh họa hàm mật độ xác suất của RQD theo biến ngẫu nhiên Jv ....75 Hình 3.13 Hàm phân bố xác suất và tương quan cho RMR và Q ................................77 Hình 3.14 Mô phỏng sự thay đổi của tải trọng và tác động dọc theo tuyến hầm .........78 Hình 3.15 Biểu đồ biến thiên theo thời gian và hàm phân phối xác suất của áp lực nước tại mặt cắt sau tháp điều áp trạm thuỷ điện đường dẫn dùng hầm dẫn nước ................79 Hình 3.16 Minh hoạ cấu tạo và bố trí các lớp kết cấu trong hệ vỏ hầm thuỷ điện........81 Hình 3.17 Sơ đồ hệ kết cấu vỏ hầm dùng trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm theo lý thuyết độ tin cậy (S) ......................................................................................................82 Hình 3.18 Sơ đồ cây sự cố mất ổn định hầm trong giai đoạn thi công hầm (1) ............83 Hình 3.19 Sơ đồ cây sự cố mất ổn định hầm trong giai đoạn vận hành (2) ..................86 Hình 4.1 Bản đồ địa chất khu vực công trình thủy điện A Lưới – Thừa Thiên Huế.....90 Hình 4.2 Mặt cắt dọc tuyến năng lượng thủy điện A Lưới ...........................................92 Hình 4.3 Tương quan giữa RMR ~ Q cho hệ tầng A Vương .......................................95 Hình 4.4 Biểu đồ xác suất và hàm phân mật độ xác suất của RMR & Q - hệ tầng A Vương .............................................................................................................. 97 Hình 4.5 Biểu đồ tần suất và hàm phân bố xác suất thống kê của c (MPa),  (kN/m3), t (MPa) cho đới IIA và IIB thuộc hệ tầng A Vương ....................................................99 Hình 4.6 Biểu đồ tần suất và hàm phân bố xác suất thống kê của c (MPa), t (MPa), E (GPa) cho đới IIA và IIB thuộc phức hệ Bến Giằng – Quế Sơn ...................................99 Hình 4.7 Sơ đồ thí nghiệm xác định mô đun biến dạng của khối đá [118] .................100 Hình 4.8 Biến thiên Em theo vị trí đặt thiết bị đo ........................................................101 Hình 4.9 Biến thiên độ biến dạng  (mm) theo vị trí đặt thiết bị đo ...........................101 Hình 4.10 Quan hệ RMR và Em của khối đá trong hệ tầng A Vương .........................103 Hình 4.11 Quan hệ Eđh và Em của khối đá trong hệ tầng A Vương.............................103 Hình 4.12 Quan hệ giữa m và n thuộc đới IB, IIA và IIB - hệ tầng A Vương theo số liệu thí nghiệm và lý thuyết [117] ...............................................................................105 Hình 4.13 Phân bố độ sâu đặt hầm trong hệ tầng A Vương ........................................106 Hình 4.14 Mặt cắt điển hình hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới cho khối đá IIA – hệ tầng A Vương ......................................................................................................... 107 Hình 4.15 Tần suất và hàm mật độ xác suất của tải trọng v , h, hệ số áp lực ngang k và Em, GSI, mr, mb, a cho phân tích ổn định hầm trong đới đá IIA ..................................109 Hình 4.16 Hàm mật độ xác suất lưu lượng thiên nhiên đến Q và mực nước dao động ở hồ chứa Ztl tại thủy điện A Lưới .................................................................................112 vii
Hình 4.17 Biến dạng biên hầm trong đới IIA – hệ tầng A Vương bằng RS2 .............113 Hình 4.18. Sơ đồ cây sự cố xác định độ tin cậy hệ kết cấu vỏ hầm A Lưới trong đới đá IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn thi công (T.S) dưới tác dụng của tải trọng ............117 Hình 4.19. Sơ đồ cây sự cố xác định độ tin cậy hệ kết cấu vỏ hầm A Lưới trong đới đá IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn vận hành (V.S) dưới tác dụng của tải trọng ..........118 Hình 4.20 Sơ đồ cây sự cố xác định độ tin cậy hệ vỏ hầm A Lưới trong đới đá IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn thi công (1) ..........................................................................122 Hình 4.21 Sơ đồ cây sự cố xác định độ tin cậy ổn định hệ vỏ hầm A Lưới trong đới đá IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn vận hành (2) ..........................................................124 viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thống kê các công cụ dùng trong phân tích ổn định hầm [10] .....................16 Bảng 2.1 Sơ đồ nguyên lý phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện giai đoạn thi công dùng mô hình số trong môi trường liên tục ...................................................................40 Bảng 2.2 Sơ đồ nguyên lý phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện giai đoạn vận hành dùng mô hình số trong môi trường liên tục ...................................................................41 Bảng 2.3 Kiểm tra điều kiện ứng suất của kết cấu chống đỡ ........................................47 Bảng 2.4 Sơ đồ chất tải phân tích ổn định hệ vỏ hầm tiết diện hình vòm ngược giai đoạn thi công cho hầm thủy điện ở Lào .................................................................................50 Bảng 2.5 Sơ đồ chất tải phân tích ổn định hệ vỏ hầm tiết diện hình vòm ngược giai đoạn vận hành cho hầm thủy điện ở Lào................................................................................51 Bảng 2.6 Giá trị nội lực, biến dạng biên hầm sau khi thi công hầm và ứng suất trong kết cấu .............................................................................................................. 53 Bảng 2.7 Giá trị nội lực và ứng suất trong kết cấu giai đoạn vận hành bình thường ....54 Bảng 2.8 Giá trị nội lực và ứng suất trong kết cấu giai đoạn tháo cạn tổ máy .............55 Bảng 2.9 Hệ số an toàn của kết cấu tại các vị trí có ứng suất lớn nhất .........................58 Bảng 3.1 Diễn giải hệ số tương quan Rp .......................................................................68 Bảng 3.2 Xác suất phá hủy của hệ thống theo mức độ phụ thuộc của phần tử thành phần [82] .......................................................................................................... 73 Bảng 3.3 Hàm trạng thái giới hạn của vật liệu kết cấu khi chịu lực .............................81 Bảng 3.4 Điều kiện mất ổn định biên hầm ứng với các dạng mất ổn định ...................85 Bảng 4.1 Mô tả các phân đoạn hầm ..............................................................................93 Bảng 4.2 Chỉ số RMR và Q– hệ tầng A Vương [126] ..................................................94 Bảng 4.3 Kiểm định tương quan RMR và Q áp dụng cho hệ tầng A Vương [126] ......95 Bảng 4.4 Hàm phân phối xác suất cho RMR và Q – hệ tầng A Vương ........................95 Bảng 4.5 Hàm phân bố xác suất các chỉ tiêu của mẫu đá tại công trình thủy điện A Lưới ................................................................................................................. 98 Bảng 4.6 Bảng giá trị RMR, Q, Em, Eđh tại các bệ thí nghiệm giãn kế trong hầm thí nghiệm công trình thủy điện A Lưới ...........................................................................102 Bảng 4.7 Bảng đánh giá tương quan Em ~ RMR, Q - hệ tầng A Vương [126] ..........102 Bảng 4.8 Xác định độ bền kháng của khối đá – hệ tầng A Vương [126]....................104 Bảng 4.9 Hệ số tương quan giữa m thí nghiệm với thành phần kháng cắt lý thuyết [126] ............................................................................................................... 104 Bảng 4.10 Thành phần kháng cắt cho đới phá hủy kiến tạo........................................106 Bảng 4.11 Thông số khối đá đới IIA - hệ tầng A Vương ............................................108 Bảng 4.12 Sơ đồ chất tải phân tích ổn định hệ vỏ hầm A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn thi công hầm ....................................................................................111 Bảng 4.13 Sơ đồ chất tải phân tích ổn định hệ vỏ hầm A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn vận hành ...........................................................................................112 ix
Bảng 4.14 Biến dạng và nội lực, ứng suất của kết cấu vỏ hầm thuỷ điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn thi công ............................................................113 Bảng 4.15 Nội lực và ứng suất của kết cấu vỏ hầm thuỷ điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn vận hành hầm .......................................................................114 Bảng 4.16 Tham số λ;  hàm mật độ Lognormal cho biến dạng và ứng suất trong kết cấu vỏ hầm thuỷ điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương ......................................115 Bảng 4.17 Tham số λ;  hàm mật độ Lognormal cho ứng suất của kết cấu vỏ hầm thuỷ điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn vận hành hầm ....................115 Bảng 4.18 Hàm trạng thái giới hạn và xác suất phá hủy của vật liệu hệ kết cấu vỏ hầm thủy điện A Lưới khi chịu lực .....................................................................................119 Bảng 4.19 Xác suất phá hủy của hệ kết cấu vỏ hầm thủy điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương dưới tác dụng của tải trọng giai đoạn thi công ....................................120 Bảng 4.20 Xác suất phá hủy của hệ kết cấu vỏ hầm thủy điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương dưới tác dụng của tải trọng giai đoạn vận hành ...................................120 Bảng 4.21 Xác suất mất ổn định của hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương trong giai đoạn thi công ...............................................................................123 Bảng 4.22 Xác suất mất ổn định của hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương trong giai đoạn vận hành .............................................................................125 x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ASTM Hiệp hội quốc tế kiểm nghiệm vật liệu BEM Phương pháp phần tử biên BT Bê tông BTCT Bê tông cốt thép CDF Hàm phân bố xác suất DEM Phương pháp phần tử rời rạc FDM Phương pháp sai phân hữu hạn FEM Phương pháp phần tử hữu hạn FORM Phương pháp độ tin cậy bậc nhất (First-Order Reliability Method) FOSM Phương pháp moment thứ 2 bậc nhất (First-Order Second-Moment Method) GSI Chỉ số độ bền địa chất LRFD Thiết kế theo hệ số an toàn riêng phần (Load and Resistance Factor Design) MCS Mô phỏng Monte Carlo (Monte Carlo Simulation) MAE Trung bình sai số tuyệt đối trong kiểm định phương trình hồi quy MAPE Trung bình phần trăm sai số tuyệt đối trong kiểm định phương trình hồi quy MEDAE Trung vị của sai số tuyệt đối trong kiểm định phương trình hồi quy MEDSE Trung vị bình phương sai số trong kiểm định phương trình hồi quy MNHL Mực nước hạ lưu MNTL Mực nước thượng lưu MSE Trung bình bình phương sai số trong kiểm định phương trình hồi quy MSLE Trung bình bình phương sai số theo logarit trong kiểm định phương trình hồi quy NATM Đào hầm bằng phương pháp của Áo (New Austrian Tunnelling Method) PDF Hàm phân bố xác suất (Probability Density Function) PEM Phương pháp dự đoán điểm (Point Estimate Method) RAE Sai số phần trăm tuyệt đối trong kiểm định phương trình hồi quy RMR Chỉ số khối đá (Rock mass rating) RMSE Khai căn trung bình bình phương sai số trong kiểm định phương trình hồi quy RQD Chỉ số chất lượng đá RRSE Khai căn bình phương sai số tương đối trong kiểm định phương trình hồi quy RSM Phương pháp mặt phản ứng (Response Surface Method) SAE Tổng sai số tuyệt đối trong kiểm định phương trình hồi quy xi
SRF Tham số suy giảm ứng suất khối đá quanh công trình ngầm trong hệ thống phân loại Q SORM Phương pháp độ tin cậy bậc 2 (Second-Order Reliability Method) TBM Đào hầm bằng máy khoan (Tunnel boring machine) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam nnk. Những người khác xii
MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Hầm thủy điện là một trong những giải pháp công trình để khai thác năng lượng dòng nước của các nhà máy thủy điện. Cũng giống như các công trình ngầm khác, hầm thủy điện nằm trong môi trường đất đá khác nhau và chịu tác động của môi trường đất đá, nước xung quanh hầm cùng với các điều kiện hình thành khác, đồng thời thường xuyên chịu tác động của nước phía trong hầm khi công trình thủy điện được đưa vào sử dụng. Theo thống kê, từ năm 1980 đến nay Việt Nam có gần 30% số lượng các công trình thủy điện sử dụng phương án đường hầm đi qua núi đá để dẫn nước vào nhà máy; 3 công trình thủy điện có nhà máy phát điện được bố trí ngầm trong núi đá gồm thủy điện Hòa Bình, thủy điện Yaly, thủy điện Huội Quảng. Tùy thuộc vào nhiệm vụ, vị trí của công trình thủy điện, hầm thủy điện có thể dài từ dưới 1 km đến hơn 10 km, đường kính hầm từ 2,5 m đến 11 m [1]. Hầm thủy điện chủ yếu đi qua núi đá với điều kiện đất đá đa dạng: từ đá cứng đến đá mềm, hoặc theo nguồn gốc thuộc các nhóm đá magma, đá trầm tích, đá biến chất và có chứa nhiều các khe nứt, đứt gãy, đới phá hủy kiến tạo.... Do đó, vấn đề đảm bảo ổn định hầm trong giai đoạn thi công và giai đoạn vận hành luôn được các bên liên quan (Tư vấn thiết kế, Tư vấn giám sát, Nhà thầu thi công, Chủ đầu tư...) đặc biệt quan tâm. Phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện yêu cầu các số liệu đầu vào như địa chất, thủy văn.... và được xem xét theo các tiêu chuẩn kỹ thuật và văn bản pháp quy. Tuy nhiên, đặc thù hầm thủy điện thường có dạng tuyến trải dài, được xây dựng trong môi trường đất đá có cấu trúc địa chất biến đổi, công tác khảo sát địa chất thường phức tạp, chi phí khảo sát tốn kém, kéo dài ... nên các thông số môi trường đất đá xung quanh hầm thường được thu thập một cách hạn chế và chứa nhiều thông tin phân tán, độ bất định cao. Kết cấu vỏ hầm phức tạp do một hoặc nhiều lớp kết cấu tạo thành như bê tông (BT) phun, neo, vì thép, vỏ BT, vỏ bê tông cốt thép (BTCT). Đa phần, các phân tích ổn định dựa trên các bài toán điển hình cho từng kiểu dạng kết cấu và điều kiện môi trường đất đá, bỏ qua sự làm việc của hệ vỏ hầm và sự phân bố ngẫu nhiên các chỉ tiêu cơ lý của môi trường đất đá. Các bài toán này được hiệu chỉnh dần số liệu đầu vào và kết cấu vỏ hầm theo thực tế hiện trường 1
trong quá trình đào và vận hành hầm nên ổn định hầm thuỷ điện thiên về an toàn hoặc mang tính chất xử lý tình huống cục bộ, chứa nhiều rủi ro, bất định. Lý thuyết độ tin cậy tập trung vào định lượng các bất định từ số liệu đầu vào và sử dụng các bất định đó trong quá trình phân tích. Lý thuyết độ tin cậy hiện được sử dụng kiểm nghiệm các hệ số riêng phần trong tiêu chuẩn thiết kế kết cấu công trình của Châu Âu (CEN) [2, 3], Mỹ (ASSHTO) [4] từ chỉ số độ tin cậy mục tiêu và các trạng thái giới hạn xác định có kể đến các bất định tải trọng và sức kháng. Tiêu chuẩn TCVN 9905-2014 [5] quy định các nguyên tắc, yêu cầu kỹ thuật trong thiết kế kết cấu theo độ tin cậy cho các công trình thuỷ lợi khi kể đến các bất định từ tải trọng và sức kháng; các chỉ dẫn tính toán xác định các hệ số riêng phần cho kết cấu công trình thuỷ lợi từ lý thuyết độ tin cậy. Lý thuyết này còn được ứng dụng trong phân tích hệ thống như tối ưu hoá hệ thống, độ tin cậy và an toàn của hệ thống, quản lý rủi ro, quản lý kỹ thuật ...[6]. Lý thuyết độ tin cậy là phương pháp hiện đại logic đã và đang được phát triển mạnh mẽ ở nhiều lĩnh vực thiết kế kết cấu, công trình đê điều, thủy lợi, cảng biển, phân tích kết cấu ... Tuy nhiên, việc nghiên cứu lý thuyết độ tin cậy theo phân tích hệ thống cho công trình hầm thủy điện nói chung và phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện nói riêng vẫn đang còn nhiều hạn chế ở trên thế giới và Việt Nam. Các bất định của số liệu đầu vào trong các bài toán trên chưa được đánh giá đầy đủ do sử dụng các công thức tương quan chưa được kiểm định hoặc giả thiết các bất định theo kinh nghiệm; kết cấu gia cố hầm đánh giá theo lý thuyết độ tin cậy được áp dụng cho kết cấu đơn lẻ (neo hoặc vỏ hầm bê tông cốt thép hoặc vì thép kết hợp bê tông phun), chưa áp dụng khi có sự làm việc đồng thời của các kết cấu trong hệ vỏ hầm. Do đó, việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh” là cần thiết và cấp bách, bổ sung kiến thức trong nghiên cứu phân tích độ tin cậy hệ thống cho công trình hầm thuỷ điện. 2 Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng phương pháp luận phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh theo lý thuyết độ tin cậy. - Ứng dụng phương pháp luận đánh giá ổn định hệ vỏ hầm thủy điện trong môi trường đất đá cho công trình thủy điện A Lưới – Tỉnh Thừa Thiên Huế ở Việt Nam. 2
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Hệ vỏ hầm dẫn nước có áp của nhà máy thủy điện trong môi trường đất đá, cụ thể là tương tác của hệ vỏ hầm gồm kết cấu gia cố và vỏ hầm được sử dụng phổ biến cho hầm dẫn nước thuỷ điện đi trong môi trường đất đá có mức độ phong hoá từ nhẹ đến mạnh, đới đất đá yếu và/hoặc chịu áp lực nước lớn. 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phân tích ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện bằng ứng dụng lý thuyết độ tin cậy theo phân tích hệ thống kể đến các bất định số liệu đầu vào từ môi trường đất đá xung quanh hầm và áp lực nước tác động thường xuyên lên hệ vỏ hầm trong quá trình vận hành. Nghiên cứu chưa xét đến các tải trọng tác động trong khoảng thời gian ngắn so với tuổi thọ của công trình (động đất, nước va, nổ mìn thi công …), sự bất định của tải trọng thi công (áp lực phụt vữa, thiết bị thi công …); các sai sót trong thiết kế, thi công và lỗi sai sót của con người. 4 Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp, nghiên cứu lý thuyết về phân tích ổn định hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh trong thiết kế hầm thủy điện ở Việt Nam và thế giới theo phương pháp tất định và phương pháp lý thuyết độ tin cậy. - Nghiên cứu phương pháp lý thuyết độ tin cậy theo phân tích hệ thống trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện. - Phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện theo lý thuyết độ tin cậy đã phát triển cho hầm thủy điện A Lưới – Tỉnh Thừa Thiên Huế ở Việt Nam. 5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Trong nghiên cứu này, các phương pháp sau được sử dụng, vận dụng: (i) Phương pháp kế thừa (các kết quả nghiên cứu, giải pháp công nghệ đã có trước đây); (ii) Phương pháp chuyên gia thông qua các hội thảo khoa học, thảo luận; (iii) Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thực nghiệm và lý thuyết. Nghiên cứu thực nghiệm gồm tổng hợp, thống kê, phân tích, xử lý các số liệu cơ bản đã có, các số liệu 3
thực đo cho nghiên cứu và đặc điểm điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu. Nghiên cứu lý thuyết sử dụng các phần mềm Địa kỹ thuật, mô phỏng Monte Carlo, phần mềm lập trình MATLAB để tính toán độ tin cậy của hệ vỏ hầm. 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6.1 Ý nghĩa khoa học Bằng nghiên cứu phân tích hệ thống và kinh nghiệm, luận án đã xây dựng được các bài toán phân tích số liệu đầu vào, xây dựng các sơ đồ cây sự cố trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh. 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Xác định được xác suất mất ổn định hệ vỏ hầm thủy điện trong giai đoạn thi công và vận hành, có so sánh với tiêu chuẩn hiện hành ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế kết cấu. 7 Những đóng góp mới của luận án - Xác định được các thông số môi trường đất đá, áp lực nước tác dụng lên vỏ hầm theo lý thuyết độ tin cậy, phục vụ phân tích thiết kế ổn định của hệ vỏ hầm thuỷ điện và đất đá xung quanh. - Xây dựng được cây sự cố và thiết lập bài toán phân tích ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện và môi trường đất đá xung quanh trong giai đoạn thi công và vận hành. 8 Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, kiến nghị, luận án được trình bày trong bốn chương, như sau: Chương 1: Tổng quan về ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh; Chương 2: Lý thuyết tất định trong phân tích hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh; Chương 3: Lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện; Chương 4: Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH 1.1 Tổng quan về hầm thủy điện 1.1.1 Hầm thủy điện trên thế giới và ở Việt Nam Hầm thủy điện là công trình hầm dẫn ngầm có áp đi trong lòng đất, có nhiệm vụ dẫn nước từ hồ chứa đến đường ống áp lực hoặc tuabin của nhà máy thủy điện. Hình dạng mắt cắt ngang hầm được sử dụng rộng rãi gồm hình tròn, hình móng ngựa, hình vòm ngược [7, 8]. Hầm thủy điện được bố trí đi xuyên qua núi để tận dụng được chênh lệch địa hình tự nhiên tạo cột nước phát điện cho nhà máy thủy điện (Hình 1.1). Hình 1.1 Hầm thủy điện trong tuyến năng lượng của trạm thủy điện Các nhà máy thủy điện có tuyến hầm thủy điện dài nhất trên thế giới gồm thủy điện Gilgel Gibe II – Ethiopia có công suất phát điện 420 MW, cột nước phát điện trên 500 m, sử dụng hầm dẫn nước có áp dài 26 km đi qua dãy núi Faifa; thủy điện Kishanganga - Ấn Độ có công suất 330 MW, cột nước phát điện trên 600 m, sử dụng hầm dẫn nước có áp dài 23,2 km đi qua dãy núi Himalyas; thủy điện Tala – Bhutan có công suất 1020 MW, cột nước phát điện trên 860 m, sử dụng hầm dẫn nước có áp dài 22 km đi qua dãy núi Himalyas [9]. Ở Việt Nam, hiện có hơn 90 công trình thủy điện sử dụng hầm dẫn nước vào đường ống áp lực của nhà máy (chiếm gần 30% số lượng các công trình thủy điện hiện có). Hầm chủ yếu đi qua núi, chiều dài hầm từ dưới 1 km đến hơn 10 km, đường kính hầm từ 2,5 m đến 11 m [1]. Các nhà máy thủy điện có chiều dài hầm dẫn nước lớn như thủy điện Thượng 5
Kon Tum – tỉnh Kon Tum có công suất 220 MW, cột nước phát điện trên 900 m, hầm dẫn nước có áp dài 20 km; thủy điện A Lưới – tỉnh Thừa Thiên Huế có công suất 170 MW, cột nước phát điện trên 450 m, hầm dẫn nước có áp dài 11,6 km; thủy điện Đại Ninh – tỉnh Bình Thuận có công suất 300 MW, cột nước phát điện trên 600m, hầm dẫn nước có áp dài 11,2 km; thủy điện Đăk Đrinh – tỉnh Quảng Ngãi có công suất 125 MW, cột nước phát điện trên 300 m, hầm dẫn nước có áp dài 10,7 km; thủy điện Ngòi Phát – tỉnh Lào Cai có công suất 72 MW, cột nước phát điện trên 300m, hầm dẫn nước có áp dài 9,1 km; thủy điện Hàm Thuận - Đa Mi – tỉnh Bình Thuận có công suất lắp máy 300 MW, hầm dẫn nước có áp dài 7,8 km. Hầm thủy điện đi trong núi, có chiều dài hầm lớn thường sẽ gặp điều kiện địa chất núi phức tạp từ đá khối chất lượng tốt đến đá nứt nẻ mạnh, đá phân lớp, đá yếu, các đứt gãy hoặc xen kẹp các địa tầng khác nhau,… Do đó, ổn định của hầm thủy điện đi trong núi cũng sẽ có mức độ phức tạp khác nhau [10-14]. 1.1.2 Các công nghệ thi công chính cho hầm thủy điện Thi công hầm có thể được sử dụng nhiều công nghệ và phương pháp khác nhau, được giới thiệu trong các tài liệu [15-17]. Đối với hầm thủy điện đi trong núi, phương pháp thi công hầm hiện này gồm phương pháp khoan nổ, phương pháp đào hầm mới của Áo (New Austrian Tunnelling Method – NATM) và phương pháp khoan đào (Tunnel Boring Machines – TBM). Trong mục này sẽ trình bày một số điểm cần chú ý đối với phương pháp khoan nổ, NATM và TBM trong ổn định hầm khi đào và phân tích ổn định hệ vỏ hầm. Đào hầm bằng phương pháp khoan nổ là phương pháp thi công được sử dụng rộng rãi, phổ biến trong đường hầm đi xuyên núi. Phương pháp đào hầm này gồm nhiều bước: khoan, nạp nổ mìn, bốc xúc, lắp kết cấu gia cố (nếu cần), lắp kết cấu vĩnh cửu (nếu cần). Phương pháp này có thể tiến hành đào toàn gương (dùng cho hầm đi trong khu vực địa chất tốt) hoặc chia gương đào (dùng cho hầm đi địa chất trung bình, kém có cường độ thấp hoặc hầm có tiết diện lớn). Yêu cầu chung đối với phương pháp khoan nổ là gây ít xáo động đến môi trường đất đá xung quanh, kết cấu gia cố được lắp đặt kịp thời, vỏ hầm vĩnh cửu được thi công nhanh gọn. Ưu điểm của phương pháp này là phù hợp với điều kiện địa chất thay đổi phức tạp, hầm có kích thước và hình dạng bất kỳ. Thông thường, kết cấu hầm cho phương pháp này được thi công 2 lần khi hầm đi qua vùng địa 6