Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích và đánh giá an toàn công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam theo lý thuyết độ tin cậy

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:226

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu luận án là 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích và đánh giá an toàn công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam theo lý thuyết độ tin cậy

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 2. PGS.TS NGUYỄN HỮU BẢO HÀ NỘI, NĂM 2017
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 i
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. ii
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 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 ...............................................................................................................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 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CÔNG TRÌNH 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 iii
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 CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI 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 iv
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 CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ AN TOÀN CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI HỒ 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 v
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 vi
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 vii
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 viii
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 ix
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 x
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 ≥ 3.106 m3 [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 xi
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 xii
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 TTGH Trạng thái giới hạn XSAT Xác suất an toàn 2. Giải thích các thuật ngữ - Điểm thiết kế (ĐTK): Là điểm nằm trên đường biên giữa vùng an toàn và vùng không an toàn mà tại đó mật độ phân bố xác suất sự cố của hàm tin cậy Z là lớn nhất. - Hàm tin cậy: Là hàm thể hiện mối 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 và các tham số ngẫu nhiên. xiii
- 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. xiv
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. 1
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. 3.2 Phạm vi nghiên cứu Đánh giá mức độ ổn định và độ bền của các công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi chịu tác động của các yếu tố thường xuyên thay đổi (tải trọng, độ bền, điều kiện làm việc, …), chưa xét đến các yếu tố gây sự cố khác gồm: động đất, kết quả tính toán thủy văn và sự cố do vận hành công trình. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận 2
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. 3
5.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án cung cấp bộ công cụ phục vụ cho công tác quản lý an toàn đập theo Nghị định 72/2007/NĐ-CP của chính phủ và cũng là cơ sở cho việc thiết kế nâng cấp, sửa chữa, quản lý và vận hành các hồ đập của Việt Nam sát với thực tế hơn. 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. 4