Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của tóm tắt luận án "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 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 hầm thủy điện A Lưới - Tỉnh Thừa Thiên Huế ở Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 9580211 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2024
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: TS. Phạm Quang Tú Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Trịnh Minh Thụ Phản biện 1: PGS.TS. Lê Văn Hùng, Hội Thuỷ lợi Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Đức Mạnh, Trường Đại học Giao thông vận tải Phản biện 3: PGS.TS. Trần Thế Việt, Trường Đại học Thuỷ Lợi Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại: Room 5 – K1, Trường Đại học Thuỷ Lợi, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội vào lúc 8 giờ 30, ngày 18 tháng 09 năm 2024 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Hầm thủy điện là một trong những giải pháp công trình với mục đích 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. Phân tích ổn định hầm thủy điện yêu cầu các số liệu đầu vào như địa chất, thủy văn ..., 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, chí phí khảo sát tốn kém, ... nên các thông số môi trường đất đá được thu thập hạn chế và chứa nhiều thông tin phân tán, độ bất định cao. Đa phần, 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 trong đào và vận hành hầm nên ổn định hầm 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 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 ... Việc nghiên cứu lý thuyết độ tin cậy theo phân tích hệ thống cho phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện còn nhiều hạn chế ở trên thế giới và Việt Nam. Các bất định của số liệu đầu vào chưa được đánh giá đầy đủ; kết cấu gia cố hầm chủ yếu là kết cấu đơn lẻ (neo hoặc vỏ hầm bê tông cốt thép hoặc vì thép kết hợp bê tông phun), chưa kể đến 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. 1
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 hầm thủy điện A Lưới – Tỉnh Thừa Thiên Huế ở Việt Nam. 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, vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh ở Việt Nam và thế giới theo phương pháp tất định và lý thuyết độ tin cậy. - Nghiên cứu phương pháp lý thuyết độ tin cậy 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. 2
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); (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 thực đo 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. 7 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 3
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 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. 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 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]. Phương pháp thi công hầm đi trong núi hiện nay 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). Với từng công nghệ thi công hầm khác nhau sẽ có điều kiện, trình tự và thời gian lắp đặt các kết cấu gia cố khác nhau. Việc thi công hầm không tuân thủ đúng các nguyên tắc phương pháp thi công hoặc kết cấu gia cố không phù hợp có thể gây bất lợi cho kết cấu giai đoạn thi công và vận hành, trong trường hợp xấu có thể gây ra các mất ổn định hầm ngay trong giai đoạn thi công. Các công trình hầm đi trong núi làm thay đổi trạng thái ban đầu của đất đá, gây nên mất ổn định của khối đất đá xung quanh biên hầm. Nguyên nhân gây mất ổn định do cấu trúc địa chất của đá hoặc do thay đổi trường ứng suất ban đầu của 4
đất đá [13, 23, 24]. Chúng gây ra các dạng sự cố phổ biến cho hầm gồm: rơi đá; sập lở đất đá; sập lở đất đá tới mặt đất; nổ đá/ tróc đá; bục nước; biến dạng lớn. Trong giai đoạn vận hành, mất ổn định hầm gồm rò rỉ nước quá mức ở vùng có độ dốc thủy lực lớn làm giảm cường độ của khối đất đá xung quanh hoặc tạo dòng thấm áp lực lớn chảy về phía hạ lưu gây trượt các sườn dốc phía hạ lưu đường ống áp lực; áp lực nước bên trong hoặc bên ngoài lớn gây hư hỏng kết cấu vỏ hầm vĩnh cửu [14, 33, 34]. 1.2 Phương pháp tất định trong phân tích ổn định hầm thủy điện Trong giai đoạn thi công hầm, ổn định hầm có thể được phân tích bằng các phương pháp: hệ thống phân loại khối đá theo chỉ số khối đá RMR (Rock Mass Rating) và chỉ số chất lượng đá Q (Rock Tunnelling Quality Index); phương pháp NATM; mô hình số; tính toán giải tích. Trong giai đoạn vận hành, hệ vỏ hầm có thể được phân tích bằng các phương pháp: (i) hệ kết cấu tự do chỉ chịu tải trọng theo phương đứng và phương ngang, bỏ qua tương tác với đất đá xung quanh hầm; (ii) hệ kết cấu có tương tác với đất đá xung quanh hầm thông qua hệ số kháng đàn hồi; (iii) dùng mô hình số phân tích theo các phương pháp cơ học của môi trường liên tục [14]. Các phương pháp phân tích kể trên được xây dựng từ đánh giá tương tác của môi trương đất đá với kết cấu chống đỡ, lấy thông số môi trường đất đá là số liệu đầu. Do đó, thông số môi trường đất đá thiếu chính xác, lựa chọn phương pháp phân tích không phù hợp với điều kiện thi công, vận hành và đặc điểm địa chất thực tế sẽ dẫn đến nguy cơ mất ổn định vỏ hầm, gây phá hủy hầm hoặc dẫn đến thiết kế lãng phí. Khi sử dụng mô hình số trong phân tích ổn định hầm thuỷ điện giai đoạn thi công và vận hành cần đánh giá sự phù hợp của mô hình số với dạng mất ổn định của hầm khi đào và tương tác qua lại giữa môi trường đất đá với kết cấu chống đỡ ở giai đoạn thi công và vận hành. 1.3 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định vỏ hầm thủy điện Lý thuyết độ tin cậy được ứng dụng nhiều thập kỷ qua trong lĩnh vực kỹ thuật phục vụ cho thiết kế, tối ưu, kiểm nghiệm, đánh giá độ tin cậy, an toàn, rủi ro, 5
quản lý kỹ thuật ... cho hệ thống phức tạp cũng như các thành phần con của hệ thống. Phương pháp này đã và đang được nghiên cứu phát triển ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật công trình theo hướng phân tích hệ thống với các bất định của tải trọng và sức kháng. Phương pháp phân tích hệ thống theo lý thuyết độ tin cậy được giới thiệu trong các tài liệu của Melchers và Beck [66], Birolini [61] cho hệ thống kết cấu đơn giản và phức tạp trong thiết kế, dự đoán; Baecher và Christian [41], Ang và Tang [39] cho các bài toán địa kỹ thuật trong thiết kế, quy hoạch, đánh giá rủi ro. Phân tích hệ thống theo lý thuyết độ tin cậy yêu cầu cần xác định rõ các biến ngẫu nhiên đầu vào, mô hình phân tích bài toán, các hàm trạng thái giới hạn, sơ đồ cây sự cố, sự kiện thể hiện các bất lợi có thể xảy ra trong hệ thống và mối tương quan giữa các bất lợi đó, trong đó bao gồm các sai sót trong thiết kế, thi công kết cấu cũng như các sai sót nghiêm trọng của con người. Các nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong bài toán phân tích ổn định hầm từ đánh giá bất định của số liệu đầu vào đến áp dụng vào các bài toán phân tích ổn định theo phương pháp giải tích và mô hình số. Sức kháng và tải trọng liên quan đến các thông số cơ học của địa tầng được xác định theo các mô hình xác suất thống kê hoặc mô hình phân tích rời rạc của lý thuyết độ tin cậy với các biến ngẫu nhiên có quy luật. Các kết cấu chống đỡ (neo, bê tông phun, vì thép, bê tông cốt thép (BTCT)) được xét đến trong bài toán phân tích ổn định. Hạn chế của các nghiên cứu là chưa ứng dụng được lý thuyết độ tin cậy cho hệ vỏ hầm; bỏ qua việc đánh giá sự phù hợp các công thức tương quan của thông số môi trường đất đá với khu vực đất đá đang nghiên cứu; đặc biệt là chưa có nhiều nghiên cứu xét đến sự tham gia tải trọng áp lực nước. 1.4 Kết luận Hầm thuỷ điện có kết cấu gia cố và vỏ hầm đa dạng tuỳ thuộc theo điều kiện địa chất và tải trọng tác động lên kết cấu trong giai đoạn thi công và vận hành. Các phương pháp tất định phân tích ổn hầm thuỷ điện cho phép xem xét ổn định hầm từ tương tác của môi trương đất đá với kết cấu gia cố, vỏ hầm; lấy các thông số môi trường đất đá là số liệu đầu vào. Đó là cơ sở ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện và môi trường đất đá xung quanh với các 6
biến ngẫu nhiên từ thông số cơ học công trình của môi trường đất đá, thông số vật liệu của kết cấu chống đỡ và tải trọng tác động trong thi công và vận hành. Việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh hiện chưa được nghiên cứu đầy đủ, theo hướng phân tích hệ thống còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào xác định biến ngẫu nhiên của thông số môi trường đất đá, phương pháp đánh giá độ tin cậy (MCS, RSM, PEM, FORM, SORM) từ lý thuyết phân tích ổn định hầm cho các kết cấu hầm riêng lẻ. Từ tổng hợp các ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực kỹ thuật công trình, trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện trên thế giới và Việt Nam, tác giả tập trung phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh bằng lý thuyết độ tin cậy theo hướng phân tích hệ thống với các nội dung sau: (1) Xây dựng mô hình tất định phân tích hệ vỏ hầm thuỷ điện và môi trường đất đá xung quanh trong giai đoạn thi công và vận hành với đầy đủ các thông số đầu của môi trường đất đá, kết cấu gia cố, vỏ hầm vĩnh cửu, tải trọng tác động; các điều kiện làm việc của kết cấu vỏ hầm khi chịu lực. Các thông số đầu vào và điều kiện làm việc của kết cấu trong mô hình tất định là cơ sở xác định các biến ngẫu nhiễn, thiết lập hàm trạng thái trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện theo lý thuyết độ tin cậy; (2) Phát triển chi tiết phương pháp phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh bằng lý thuyết độ tin cậy theo hướng phân tích hệ thống thông qua phân tích sự biến đổi ngẫu nhiên của các thông số môi trường đất đá xung quanh hầm, các biến đổi của tải trọng tác dụng trong giai đoạn thi công và vận hành, sơ đồ cây sự cố cho các bài toán cũng như xác suất phá huỷ của hệ vỏ hầm; (3) Ứng dụng phương pháp luận đã phát triển vào đánh giá tương tác hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh thông qua phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới – Thừa Thiên Huế. 7
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TẤT ĐỊNH TRONG PHÂN TÍCH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH 2.1 Lựa chọn phương pháp tất định phân tích ổn định hệ vỏ hầm trong giai đoạn thi công và vận hành Mô hình số được lựa chọn để phân tích ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện với môi trường đất đá xung quanh trong giai đoạn thi công và vận hành. Các phần mềm địa kỹ thuật cho hầm dùng phương pháp chia lưới phân tích môi trường liên tục như UNWEDGE, FLAC2D, FLAC3D, RS2, RS3, PHASE2 … có các ưu thế vượt trội: xét đến trình tự thi công hầm, tương tác giữa kết cấu chống đỡ và môi trường đất đá; môi trường đất đá đa dạng gồm đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn hồi nhớt, đàn hồi dẻo, đàn hồi - dẻo nhớt,... được phân tích đẳng hướng hoặc không đẳng hướng. 2.2 Mô hình phân tích ổn định hầm Trong giai đoạn thi công hầm, ổn định hệ vỏ hầm được đánh giá qua quá trình đào hầm gồm giai đoạn đào hầm khi chưa có kết cấu chống đỡ, hầm được lắp đặt kết cấu gia cố và hầm được lắp vỏ BTCT vĩnh cửu. Trong giai đoạn vận hành, ổn định hệ vỏ hầm thủy điện đánh giá qua quá trình vận hành trạm thủy điện gồm chịu áp lực nước bên trong khi vận hành bình thường và chịu áp lực nước bên ngoài khi tháo cạn đường hầm. Các trạng thái chịu tải trọng khác của hệ vỏ hầm sẽ không xét đến trong phạm vi luận án này gồm: vỏ hầm vĩnh cửu chịu tải trọng thi công (áp lực vữa phụt xi măng, áp lực thiết bị cơ giới thi công, nổ mìn thi công); tải trọng trong quá trình chuyển tiếp khi vận hành (áp lực nước va khi đóng mở van tuabin); tải trọng đặc biệt (động đất, cắt tải đột ngột tổ máy thủy điện). Các giả thiết của mô hình: Chiều sâu hầm đi trong núi đủ lớn để đưa mô hình phân tích về bài toán tạo hang trống trong không gian đàn hồi tuyến tính; Môi trường đất đá xung quanh hầm là môi trường liên tục. Đất đá có trạng thái ứng suất ban đầu là trạng thái ứng suất thủy tĩnh gồm ứng suất thẳng đứng (v) và nằm ngang (h); Ứng suất và biến dạng biên hầm khi đào được hình thành do trường ứng suất ban đầu; Áp lực kháng đàn hồi của môi trường đất đá được tính toán tự động thông qua phần tử tiếp xúc; Cả khối đá khi chưa đào và sau khi đào đều không có đặc tính từ biến. 8
Luận án sử dụng phần mềm địa kỹ thuật RS2 thực hiện phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh ở giai đoạn thi công và vận hành hầm. Vật liệu của mô hình phân tích theo trạng thái đàn hồi/dẻo với hai tiêu chuẩn phá hủy về cường độ: tiêu chuẩn phá hủy Mohr Colomb hoặc tiêu chuẩn phá hủy Hoek – Brown. Trong RS2, bê tông phun, vì thép và vỏ BTCT được định nghĩa là kết cấu vỏ hầm có các thành nội lực gồm lực dọc trục (P), moment uốn (M) và cắt (Q). Kết cấu vỏ hầm cho phép lựa chọn dạng vỏ hầm đơn (chỉ có 1 kết cấu chịu lực) hoặc vỏ hầm kết hợp (có từ 2 kết cấu chịu lực trở lên). Do đặc tính của vật liệu, sự phát triển ứng suất trong tiết diện kết cấu sẽ khác nhau khi chịu đồng thời lực dọc và moment uốn. 2.3 Khảo sát mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm bằng RS2 cho hầm thủy điện ở Lào Từ sơ đồ nguyên lý phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh trong giai đoạn thi công và vận hành, tiến hành khảo sát mô hình số bằng RS2 cho công trình thủy điện ở Lào đi qua khối đá trầm tích hệ tầng Sông Bung (T1-2sb). Hầm tiết diện vòm ngược kích thước 6,45 m (cao) × 6,7 m (rộng), bán kính vòm 3,35 nằm trong đới đá IB dài 119,6 m; đường ống áp lực đường kính 3,4 m được đặt bên trong hầm BTCT; vỏ BTCT không trực tiếp chịu tải áp lực nước mà nhận tải trọng này qua hệ thống các mố ôm và mố đỡ đặt ở đáy hầm [113] (Hình 2.9). Hệ số an toàn của kết cấu vỏ hầm gồm thép hình, bê tông chèn và BTCT được thể hiện ở Bảng 2.9. Từ kết quả Bảng 2.9, hệ kết cấu vỏ hầm làm việc phụ thuộc lẫn nhau. Hệ vỏ kết cấu vỏ hầm bị phá hủy khi các kết cấu thành phần đồng thời bị phá hủy. Hệ số an toàn của hệ vỏ hầm đề xuất theo hệ số an toàn của vỏ BTCT là 11,8 trong trường hợp khi bỏ qua sự làm việc của vì thép. Hình 2.10 Biến dạng biên hầm tiết diện vòm ngược trong mô hình số bằng RS2 9
Bảng 2-9 Hệ số an toàn của kết cấu tại các vị trí có ứng suất lớn nhất Vị trí 6 2 1 Thép hình 4,3 4,0 - Vì thép Bê tông chèn 1,27 1,45 - Stage 5 Bê tông 85,83 35,40 4,57 BTCT Cốt thép 288,0 119,6 15,5 Hệ số an toàn 288,0 119,6 15,5 Thép hình 4,3 4,0 - Vì thép Bê tông chèn 1,23 1,43 - Stage 6 Bê tông 30,29 29,71 4,12 BTCT Cốt thép 102,9 100,3 13,9 Hệ số an toàn 102,9 100,3 13,9 Thép hình 4,1 3,9 - Vì thép Bê tông chèn 1,20 1,38 - Stage 7 Bê tông 22,07 18,39 4,47 BTCT Cốt thép 74,1 62,1 15,1 Hệ số an toàn 74,1 62,1 15,1 Thép hình 4,1 3,9 - Vì thép Bê tông chèn 1,19 1,39 - Stage 6a Bê tông 17,71 16,96 3,72 BTCT Cốt thép 59,8 57,3 12,6 Hệ số an toàn 59,8 57,3 12,6 Thép hình 4,0 3,8 - Vì thép Bê tông chèn 1,16 1,33 - Stage 7a Bê tông 13,70 12,18 4,06 BTCT Cốt thép 46,3 41,2 13,7 Hệ số an toàn 46,3 41,2 13,7 Bê tông 3,79 4,07 3,60 Stage BTCT Cốt thép 12,8 13,7 12,1 6b Hệ số an toàn 12,8 13,7 12,1 Bê tông 3,50 3,62 3,95 Stage BTCT Cốt thép 11,8 12,2 13,3 7b Hệ số an toàn 11,8 12,2 13,3 Ghi chú: Vị trí các điểm tính toán trên mặt cắt thể hiện ở Hình 2.10. 2.4 Kết luận Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết phân tích ổn định hầm thủy điện giai đoạn thi công và vận hành bằng mô hình số phân tích FEM với hệ vỏ hầm gồm kết cấu gia cố và vỏ hầm vĩnh cửu: thiết lập mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm với các thông số cơ học của môi trường đất đá và kết cấu vỏ hầm, điều kiện làm việc của kết cấu vỏ hầm khi chịu tác động của P, M và Q và ứng suất giới hạn của vật liệu kết cấu. Đây là cơ sở để xác định các biến ngẫu nhiên, thiết lập các hàm trạng thái trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm theo lý thuyết độ tin cậy. Hạn chế của mô hình số chưa xác định được hệ số an toàn cho hệ vỏ hầm. 10
CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN 3.1 Cơ sở lý thuyết độ tin cậy trong địa kỹ thuật công trình Phân tích độ tin cậy xem xét sự biến đổi giữa tải trọng và sức kháng của một phần tử, kết cấu hay một hệ kết cấu theo xác suất xuất hiện. Tải trọng và sức kháng biến đổi nên mối quan hệ giữa chúng cũng chứa các bất định không dự báo trước được. Do đó, cơ sở lý thuyết độ tin cậy trong địa kỹ thuật được xây dựng dựa trên xác định các bất định của tải trọng và sức kháng, từ đó xác định các bất định trong mối quan hệ của chúng thông qua các hàm trạng thái. Tải trọng và sức kháng được xem như là các biến ngẫu nhiên có quy luật, các phân bố này được xây dựng từ chuỗi số liệu thu thập từ hiện trường, thí nghiệm trong phòng hoặc phân tích tương quan. Để đánh phân tích độ tin cậy của hệ thống, sơ đồ cây sự cố thường được sử dụng. Luận án sử dụng mô phỏng Monte Carlo và MATLAB phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện với môi trường xung quanh theo lý thuyết độ tin cậy. 3.2 Xây dựng sơ đồ phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện theo lý thuyết độ tin cậy 3.2.1 Tải trọng và sức kháng trong phân tích ổn định hầm thủy điện theo lý thuyết độ tin cậy Các chỉ tiêu về độ bền và cường độ của khối đá theo tiêu chuẩn phá huỷ Mohr Coloum hoặc Hoek – Brown dựa trên các thí nghiệm hiện trường hoặc từ các tương quan với chất lượng khối đá bằng quan sát hiện trường. Tải trọng trong phân tích ổn định hầm thủy điện gồm: ứng suất thiên nhiên; áp lực đất đá chủ động, bị động (nếu có); áp lực nước trong và ngoài hầm; tải trọng thi công hầm; tải trọng trong quá trình chuyển tiếp khi vận hành; tải trọng đặc biệt. Trường ngẫu nhiên của áp lực đá chủ động và bị động, ứng suất thiên nhiên phụ thuộc vào đặc trưng cơ học của đất đá xung quanh hầm (Hình 3.14b). Sự thay đổi ngẫu nhiên của áp lực nước trong và ngoài hầm (Hình 3.14a), tải trọng thi công hầm, tải trọng trong giai đoạn chuyển tiếp và tải trọng đặc biệt đều phụ thuộc theo thời gian. 11
Chú giải: (1) – tuyến hầm thủy điện (giả thiết đi qua 3 hệ tầng hoặc phức hệ khác nhau); (2) – tháp điều áp; (3) – nhà máy thủy điện; (4) – đường áp lực nước thủy tĩnh trong hầm khi trạm thủy điện vận hành bình thường ứng với mực nước thượng lưu (MNTL) và mực nước hạ lưu (MNHL) cụ thể; (a) – đồ thị biểu diễn giá trị tải trọng thay đổi theo thời gian tại vị trí bất kỳ trên hầm (áp lực nước trong và ngoài hầm); (b) – đồ thị biểu biễn giá trị tải trọng phụ thuộc vào đặc trưng địa tầng thay đổi theo dọc tuyến hầm (áp lực đá chủ động và bị động, ứng suất thiên nhiên, lực kháng đàn hồi) Hình 3.14. Mô phỏng sự thay đổi của tải trọng và tác động dọc theo tuyến hầm 3.2.2 Sơ đồ cây sự cố trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm theo lý thuyết độ tin cậy Mối quan hệ giữa các kết cấu của hệ vỏ hầm ở Hình 3.17 biểu diễn theo sơ đồ cây sự cố dùng trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm theo lý thuyết độ tin cậy, được xây dựng dựa trên các hàm trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực của kết cấu. Sơ đồ cây sự cố mất ổn định hệ vỏ hầm trong giai đoạn thi công được thể hiện ở Hình 3.18. Sơ đồ cây sự cố mất ổn định hầm trong giai đoạn vận hành được thể hiện ở Hình 3.19. 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) 12
Hình 3.18 Sơ đồ cây sự cố mất ổn định hầm trong giai đoạn thi công hầm (1) Hình 3.18 Sơ đồ cây sự cố mất ổn định hầm trong giai đoạn vận hành (2) 3.3 Kết luận Độ tin cậy của phần tử và hệ thống được xem xét dựa trên các quy luật cơ học và trạng thái giới hạn truyền thống nhưng có xét đến “chất lượng” của dữ liệu đầu vào. Biến ngẫu nhiên đến từ môi trường địa chất xác định quy luật phân bố qua chuỗi số liệu thí nghiệm trong phòng, thí nghiệm hiện trường hoặc qua các tương quan liên quan đến chất lượng đá, chỉ số khối đá. Hầm thủy điện có kết cấu phức tạp để đảm bảo hầm ổn định trong giai đoạn thi công và vận hành. Lý thuyết độ tin cậy cho phép xây dựng sơ đồ cây sự cố mất ổn định hệ vỏ hầm giai đoạn thi công và vận hành dựa trên các sự kiện “con” nằm trong hệ thống. Với mỗi sự kiện đơn lẻ, lại được tiếp tục phân tích quan hệ “nhân – quả” để tìm ra gốc rễ nguyên nhân cuối cùng, từ đó sẽ phân tích và tính toán cho từng cơ chế cơ học cũng như tương tác. Hàm trạng thái của kết cấu thể hiện sự tương tác đó trên cơ sở biến đổi ngẫu nhiên của các biến số tải trọng và sức kháng. Xác suất mất ổn định của kết cấu khi hàm trạng thái vượt quá giới hạn vào miền mất ổn định là cơ sở để tính toán chỉ số độ tin cậy trong phân tích kết cấu. Độ tin cậy của kết cấu còn cần kể đến các bất định chủ quan do nhận thức và các sai sót chủ quan của con người. 13
CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN A LƯỚI 4.1 Sơ lược về công trình thủy điện A Lưới – Thừa Thiên Huế Thủy điện A Lưới tỉnh Thừa Thiên Huế là công trình lấy nước từ sông A Sáp chuyển nước qua dải Trường Sơn đổ về sông Bồ để phát điện với công suất 170MW. Các hạng mục công trình của Thủy điện A Lưới phân bố theo chiều dài 23 km, trong phạm vi dãy Trường Sơn thuộc hệ uốn nếp Việt Lào. Khu vực tuyến năng lượng từ cửa nhận nước đến nhà máy thủy điện nằm trên phụ đới Đà Nẵng của đới uốn nếp Bình Trị Thiên. Công trình này được xây dựng trên khu vực có cấu trúc địa chất phức tạp với cấu trúc địa chất gồm các địa tầng (hệ tầng Núi Vú, A Vương, Long Đại) và các thành tạo xâm nhập (phức hệ Đại Lộc, phức hệ Bến Giằng – Quế Sơn). 4.2 Phân tích các thông số môi trường đá Từ kết quả của Giang và nnk. [126], hàm phân phối xác suất cho các chỉ số RMR và Q trong các đới đá hệ tầng A Vương thuộc khu vực công trình được thể hiện ở Bảng 4.4. Bảng 4.4 Hàm phân phối xác suất cho RMR và Q – hệ tầng A Vương Đới IB IIA IIB PHKT  51,67 57,8 60,67 40 X 3,14 3,43 4,76 17,68 Max 58 62 72 42 Min 47 42 55 36 RMR Weibull Weibull Log-normal Uniform PDF k = 18,1; k = 17,1;  = 4,1 a =35,1; w = 52,46 w = 59,03  = 0,074 b = 44,9 2 0,609 < [3,84] 0,137 < [3,84] 0,0103 < [5,99] 0,38 < [0,56]  4,79 8,46 15,9 0,626 X 1,78 2,11 5,86 0,065 Max 8,85 11,89 30,67 0,72 Min 2,64 4,78 11,09 0,55 Q Weibull Log-normal Weibull Uniform PDF k   k = 3,52; a = 0,51; w    w = 16,47 b = 0,74 2 0,35 < [3,84] 0,028 < [3,84] 0,763 < [5,99] 0,2036 < [0.56] 14
4.3 Phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới theo lý thuyết độ tin cậy Phân tích ổn định hầm thủy điện A Lưới theo lý thuyết độ tin cậy được áp dụng cho đoạn hầm nằm trong đới IIA - hệ tầng A Vương với hệ thống gia cố khối đá gồm hệ neo kết hợp bê tông phun có độ dày 12 cm, vỏ hầm bê tông vĩnh cửu có đường kính trong 4 m. Số liệu địa chất được dùng trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm theo lý thuyết độ tin cậy cho hầm nằm trong đới IIA thuộc hệ tầng A Vương được thể hiện ở Bảng 4.11. Bảng 4.11 Thông số khối đá đới IIA – hệ tầng A Vương Giá trị Giá trị Giá trị Đới đá Thông số Hàm phân bố Max TB Min RMR Weibull k = 17,1; w = 59,03    Q Log-normal  = 0,25;  = 2,10    c (MPa) Log-normal  = 0,53;  = 3,85 93,2 53,47 16,5 IIA t (MPa) Weibull k =2,08; w =4,93 8,8 5,54 1,4 mi Log-normal  = 0,19;  = 2,455 16,7 11,85 6,57  (kN/m3) Weibull k =56,3; w =27,77 28,4 27,6 26,8 E (GPa) 29  0,28 Từ các hàm mật độ xác suất thống kê của các biến ngẫu nhiên RMR, c, mi, , trong Bảng 4.11, bằng mô phỏng Monte Carlo, chuỗi số liệu cho tải trọng v, h và các thông số đầu vào cho mô hình số gồm GSI, mb, mr, a, Em được thể hiện ở Hình 4.15. Mực nước thượng lưu hồ trong giai đoạn vận hành được giới hạn bởi MNDBT = 553 m và MNC = 549 m. Kết quả tính toán lựa chọn hàm phân bố mực nước thượng lưu hồ chứa là hàm Weibull (552,39; 1624,16) (Hình 4.16). 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 15
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 Hình 4.17 Biến dạng biên hầm trong đới IIA – hệ tầng A Vương bằng RS2 Độ tin cậy của hệ kết cấu vỏ hầm thuỷ điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương dưới tác dụng của tải trọng ở giai đoạn thi công (Stage 4 và 5) và vận hành (Stage 6 và 7) được xác định dựa trên sơ đồ cây sự cố Hình 4.18 và Hình 4.19. Kết quả tính toán được thể hiện ở Bảng 4.19 và Bảng 4.20. Độ tin cậy của hệ vỏ hầm thuỷ điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương trong giai đoạn thi công và vận hành được thể hiện ở Bảng 4.21 và Bảng 4.22 khi xét đến các lỗi chủ quan của con người trong xây dựng mô hình tính toán, thi công lắp đặt, vận hành hệ kết cấu. 16
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 Vị trí (x) 1 2 3 4 5 Pf-S1.1 5,4.10-4 5,6.10-4 2,7.10-6 - - Neo Pf-S1.2 0 0 0 - - Stage 4 Pf-S1 5,4.10-4 5,6.10-4 2,7.10-6 - - (T.4.S) BT phun Pf-S2 0,6.10-4 0,9.10-4 0,7.10-6 - - Pf-T.4.VTx.S 3,24.10-8 5,04.10-8 1,89.10-12 - - Pf-T.4.S 1-(1- Pf-T.4.VT1.S). (1- Pf-T.4.VT2.S).(1- Pf-T.4.VT3.S) = 8,28.10-8 Pf-S1.1 5,6.10-5 8,6.10-5 9,0.10-3 - - Neo Pf-S1.2 0 0 0 - - Pf-S1 5,6.10-5 5,6.10-5 9,0.10-3 - - Stage 5 BT phun Pf-S2 0,1.10-5 0,2.10-5 0,2.10-3 - - (T.5.S) BTCT Pf-S4 0 0 0 1,2.10-4 0 Pf-T.5.VTx.S 0 0 0 1,2.10-4 0 Pf-T.5.S 1-(1- Pf-T.4.VT1.S).(1- Pf-T.4.VT2.S)…(1- Pf-T.4.VT5.S) = 1,2.10-4 Pf-T.S 1-(1- Pf-T.5..S).(1- Pf-T.4..S) = 1,2.10-4 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 Vị trí (x) 1 2 3 4 5 Pf-S1.1 5,7.10-5 0,3.10-5 8,4.10-3 - - Neo Pf-S1.2 0 0 0 - - Pf-S1 5,7.10-5 0,3.10-5 8,4.10-3 - - Stage 6 BT phun Pf-S2 2,3.10-5 5.5.10-5 0,1.10-3 - - (V.6.S) BTCT Pf-S4 21.10-5 12.10-5 0 6,7.10-4 0 -13 -13 Pf-V.6.VTx.S 2,75.10 0,20.10 0 6,7.10-4 0 Pf-V.6.S 1-(1- Pf-V.6.VT1.S).(1- Pf-V.6.VT2.S)…(1- Pf-V.6.VT5.S) = 6,7.10-4 Pf-S1.1 3,6.10-5 1,9.10-4 9,1.10-3 - - Neo Pf-S1.2 0 0 0 - - Pf-S1 3,6.10-5 1,9.10-4 9,1.10-3 - - Stage 7 BT phun Pf-S2 0,1.10-5 2,3.10-4 0,3.10-3 - - (V.7.S) BTCT Pf-S4 0 0 0 5,0.10-7 0 Pf-V.7.VTx.S 0 0 0 5,0.10-7 0 Pf-V.7.S 1-(1- Pf-V.7.VT1.S).(1- Pf-V.7.VT2.S)…(1- Pf-V.7.VT5.S) = 5,0.10-7 Pf-V.S 1-(1- Pf-V.6..S).(1- Pf-V.6..S) = 6,7.10-4 Bảng 4.12 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 Stt Sự cố Xác suất mất ổn định 1 Hệ kết cấu vỏ hầm A Lưới (V.S) Pf-2.1 6,7.10-4 2 Sai sót trong mô hình kết cấu Pf-2.2 1.10-5 3 Sai sót trong mô hình môi trường đất đá Pf-2.3 1.10-5 4 Sai sót trong vận hành Pf-2.4 2.10-2 5 Bất thường trong môi trường đất đá Pf-2.5 1.10-4 7 Sai sót khác trong thi công kết cấu Pf-2.6 1.10-4 Xác suất mất ổn định của hệ vỏ hầm Pf-2 2,1.10-2 17
Bảng 4.22 Xác suất phá hủy của hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương trong giai đoạn thi công Stt Sự cố Xác suất mất ổn định Rơi đá nhỏ Pf-1.1.1.1 86,1.10-2 Mất ổn định do Tạo hang trống Pf-1.1.1.2 7,0.10-3 cấu trúc địa Đất đá chảy Pf-1.1.1.3 0 chất Quan hệ phụ thuộc Pf-1.1.1 86,1.10-2 Mất ổn Oằn vênh Pf-1.1.2.1 0 định Đứt vỡ Pf-1.1.2.2 13.2.10-2 1 Mất ổn định do trước khi Tách tấm Pf-1.1.2.3 0 thay đổi trường gia cố Nổ đá Pf-1.1.2.4 0 ứng suất Siết ép Pf-1.1.2.5 0 Quan hệ độc lập Pf-1.1.2 13,2.10-2 Sai sót trong mô hình môi trường đất đá Pf-1.1 0,1.10-3 Quan hệ không phụ thuộc Pf-1.1.2 99,31.10-2 Mất ổn Hệ kết cấu vỏ hầm A Lưới (T.S) Pf-1.2.1 1,2.10-4 định sau Sai sót trong mô hình kết cấu Pf-1.2.2 1.10-5 2 khi gia Quan hệ không phụ thuộc Pf-1.2 1,3.10-4 cố 3 Sai sót trong trong biện pháp thi công Pf-1.3 1.10-5 4 Sai sót khác trong thi công Pf-1.4 1.10-5 5 Bất thường trong môi trường đất đá Pf-1.5 1.10-4 Xác suất mất ổn định của hệ vỏ hầm Pf-1 99,56.10-2 4.4 Thảo luận Thông số môi trường đất đá khu vực hầm A Lưới nằm trong đới IIA - hệ tầng A Vương có mực tập trung thấp gồm c, , RMR và Q. Các bất định của các thông số này ảnh hưởng đến thông số đầu vào tính toán ổn định hệ vỏ hầm có độ phân tán tương đồng như v, h, k, Em, GSI, mr, mb, a, pw. Kết quả ổn định hệ kết cấu vỏ hầm theo lý thuyết độ tin cậy giai đoạn thi công và vận hành cho thấy hệ kết cấu ổn định khi có sự làm việc đồng thời của cả neo, BT phun và BTCT tại vòm hầm. Ở vị trí đáy hầm, hệ kết cấu mất ổn định tại vị trí góc chân biên hầm. Khi xét các điều kiện liên quan trong giai đoạn thi công và vận hành (gồm các sai sót thi công, mô hình vận hành và các bất thường trong môi trường đất đá), hệ vỏ hầm thuỷ điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương đều bị mất ổn định. Trong đó, hệ vỏ hầm giai đoạn thi công mất ổn định ở mức độ gần như có thể xảy ra và cần có giải pháp xử lý các tình huống mất ổn định biên hầm trước khi kết cấu hệ vỏ hầm lắp đặt xong; hệ vỏ hầm giai đoạn vận hành mất ổn định phụ thuộc vào mức độ sai sót trong quá trình vận hành. 18