Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án đã xây dựng được phương pháp đánh giá và chương trình SYPRO2016 để tính xác suất 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN LAN HƢƠNG 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017
Công trình được hoàn thành tại Trƣờng Đại học Thủy Lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Quang Hùng Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Nguyễn Hữu Bảo Phản biện 1: GS.TS. Phạm Khắc Hùng, Trường Đại học Xây Dựng Phản biện 2: GS.TS. Tăng Đức Thắng, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Văn Vi, Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại Room 5 - K1, Trường Đại học Thủy Lợi vào lúc 14 giờ ngày 21 tháng 8 năm 2017 Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc Gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là quốc gia có nền nông nghiệp phát triển, nên hệ thống công trình đầu mối chứa thuỷ lợi đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của xã hội. Các hồ đập được thiết kế theo phương pháp truyền thống 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 chưa xét đến sự ảnh hưởng của các thành phần công trình đến an toàn chung của hệ thống. Bên cạnh đó, các yếu tố bất định từ phía tự nhiên tác động vào hồ đập ngày một phức tạp và khó kiểm soát làm cho hồ đập là nơi tiềm ẩn các tai họa do vỡ đập gây ra. Đến nay, các nghiên cứu về an toàn công trình thủy lợi ở Việt Nam, đặc biệt là việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy để phân tích và đánh giá an toàn cho hệ thống đầu mối hồ chứa thủy lợi chưa đầy đủ. Chính vì vậy, việc 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 có ý nghĩa về khoa học và thực tiễn, bổ sung các luận cứ khoa học cho công tác quản lý an toàn đập theo các nghị định về an toàn đập của chính phủ. Với ý nghĩa đó tác giả chọn 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’’ làm đề tài nghiên cứu của mình. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng phương pháp, và các bài toán 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu: 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. 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 đổi (tải trọng, độ bền, điều kiện làm việc, …), chưa xét đến các yếu tố gây 1
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 phƣơng pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận Để đạt được mục tiêu nghiên cứu tác giả đã tổng hợp, phân tích 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 Phương pháp nghiên cứu tổng quan; phương pháp điều tra thực tế; phương pháp kế thứa và mô hình toán; phương pháp nghiên cứu ứng dụng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Luận án đã xây dựng được phương pháp đánh giá và chương trình SYPRO2016 để tính xác suất 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. - 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 các hồ đập của Việt Nam. 6. Cấu trúc của luận án: Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 4 chương bao gồm: Chƣơng 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; Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết để đánh giá an toàn công trình đầu mối hồ chứa nước; Chƣơng 3: Phân tích và đánh giá an toàn công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi theo độ tin cậy; Chƣơng 4: Đánh giá mức độ an toàn công trình đầu mối hồ chứa nước Phú Ninh - Quảng Nam. 2
CHƢƠNG 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 1.1 Đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam 1.1.1 Hiện trạng các đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam 1.1.1.1 Các hệ thống hồ và liên hồ Việt Nam là quốc gia có nhiều hồ đập nhưng phân bố không đều theo không gian, thời gian và vùng lãnh thổ. Các hệ thống hồ và liên hồ có quan hệ và ràng buộc về mục đích khai thác hoặc về vận hành tháo lũ, được phân thành 2 loại: Hệ thống có xét đến quan hệ cân bằng nước trên lưu vực sông và hệ thống không xét đến quan hệ cân bằng nước. Các hồ đập hiện hữu ở Việt Nam được xây dựng trong nhiều giai đoạn khác nhau với các tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau nên có chất lượng không đồng đều, đang bị xuống cấp, tồn tại cả những công trình xuống cấp nghiêm trọng, nhiều công trình đã đến lúc phải sửa chữa, nâng cấp. Một điểm tồn tại nữa của các đầu mối hồ chứa ở Việt Nam hiện nay là chưa được đầu tư đồng bộ để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh, trừ một số các đập cao từ 50m trở lên đã được lắp đặt và tổ chức quan trắc tương đối đầy đủ theo quy định. Các đập thấp hơn, nhiều đập không đặt thiết bị quan trắc hoặc chỉ quan trắc một phần, tình trạng này ở các hồ thủy lợi phổ biến hơn là ở hồ thủy điện. 1.1.1.2 Các thành phần công trình đầu mối ở Việt Nam Ba thành phần công trình chính hình thành đầu mối hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam là: - Đập dâng: được sử dụng phổ biến ở Việt Nam là đập vật liệu địa phương (đập đất, đập đất đá hỗn hợp, đập đá đổ, đập đá đầm nén có bản mặt bê tông cốt thép) và đập bê tông (đập bê tông trọng lực và đập vòm). - Công trình tháo lũ: phổ biến là các đường tràn và đập tràn. - Công trình lấy nước: chủ yếu là các cống ngầm đặt trong thân đập đất. 1.1.2 Hư hỏng và sự cố của các công trình đầu mối thủy lợi ở Việt Nam Các nghiên cứu về sự cố đập đất ở Việt Nam cho thấy: thấm là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến các hư hỏng và sự cố đập. Các sự cố vỡ đập có thể xảy ra đối với hồ đang vận hành, trong giai đoạn thi công hoặc thi công mới 3
hoàn thành, một số đập bị hư hỏng nặng nhưng chưa xảy ra vỡ đập. Có thể thấy rằng vỡ đập là sự cố lớn nhất xảy ra ở hồ chứa, khi phân tích theo đặc tính làm việc và cơ chế phá hoại của các công trình tạo thành hồ chứa dẫn đến sự cố vỡ đập có thể khái quát thành hai nhóm nguyên nhân. Nhóm nguyên nhân thứ nhất là do đập không đủ khả năng chịu tải biểu hiện ở các hiện tượng: nước tràn đỉnh đập, đập đất bị trượt mái, dòng thấm mạnh không kiểm soát được, đập bị nứt dọc, nứt ngang, …. Nhóm nguyên nhân thứ hai là do sự cố xảy ra ở các công trình tháo lũ, cống lấy nước dẫn đến sự cố ở đập. Các nguyên nhân dẫn đến sự cố vỡ đập có quan hệ với nhau tác động đến nhau theo logíc hệ thống. 1.1.3 Sự cần thiết đảm bảo an toàn công trình đầu mối Hệ thống hồ đập được xây dựng để đáp ứng các yêu cầu dùng nước và phòng chống thiên tai, nên để đảm bảo an toàn cho các công trình cần phải: Xây dựng đồng bộ hệ thống tiêu chuẩn thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy; Cập nhật và nghiên cứu phát triển các mô hình phân tích ngẫu nhiên vào trong các hoạt động xây dựng, hoạt động quản lý hồ đập và được xem như là ứng dụng tiến bộ khoa học công nghệ vào điều kiện Việt Nam. 1.2 Các phƣơng pháp đánh giá an toàn công trình thủy lợi Hiện nay trên thế giới đang sử dụng phương pháp thiết kế tất định và phương pháp thiết kế ngẫu nhiên để đánh giá an toàn cho công trình thủy lợi. 1.2.1 Phương pháp thiết kế tất định Phương pháp ứng suất cho phép, phương pháp các hệ số an toàn và phương pháp các trạng thái giới hạn là các phương pháp thiết kế tất định được dùng phổ biến trong mô hình thiết kế truyền thống ở Việt Nam. Các phương pháp này mang tính tiền định, không xét đến yếu tố thời gian và các đặc trưng ngẫu nhiên của các tham số sử dụng trong tính toán nên không đánh giá được độ tin cậy của công trình trong tương lai và không xét được đầy đủ mức độ ảnh hưởng của tính chất biến đổi ngẫu nhiên liên tục của tính chất các vật liệu xây dựng và đất nền cũng như của tải trọng đến trạng thái làm việc của công trình. 1.2.2 Phương pháp thiết kế theo mô hình ngẫu nhiên Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên ngoài việc tính được độ tin cậy an toàn cho công trình và hệ thống còn là tiền đề cho quá trình phân tích rủi ro nên phương 4
pháp này tiến bộ hơn phương pháp thiết kế tất định, do vậy đây là phương pháp được lựa chọn để tính toán an toàn đập trong nghiên cứu này. Trong thiết kế công trình, mức độ tiếp cận với xác suất ở từng trường hợp khác nhau nên được chia thành 3 cấp độ tính toán: cấp độ I, cấp độ II và cấp độ III. 1.2.3 Nhận xét các phương pháp thiết kế Phương pháp thiết kế theo mô hình ngẫu nhiên và tính độ tin cậy tiến bộ hơn phương pháp thiết kế tất định và tính hệ số an toàn, ở đây có sự kế thừa, không có sự phủ nhận. Các tính toán độ tin cậy vẫn dựa trên các điều kiện làm việc, các sơ đồ tính, các thuật toán cũng như các tiêu chuẩn hiện hành của phương pháp thiết kế tất định. Tuy nhiên các bài toán tiếp cận được với thực tế hơn bởi phương pháp này xét được đầy đủ mức độ ảnh hưởng của tính biến đổi ngẫu nhiên của tính chất các vật liệu xây dựng và đất nền cũng như của tải trọng đến trạng thái kết cấu. Phương pháp này ngoài việc tính được độ tin cậy an toàn cho cả hệ thống còn là tiền đề cho quá trình phân tích rủi ro sau này. Đây là một xu thế phát triển mô hình thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới hiện nay, do vậy đây là phương pháp được lựa chọn để tính toán an toàn đập trong nghiên cứu này. Trên thực tế việc thiết kế các công trình chỉ dừng ở cấp độ II, và cấp độ III chỉ dùng cho các công trình đặc biệt có yêu cầu cao về mức an toàn. 1.3 Các nghiên cứu về lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực thủy lợi và an toàn đập 1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới Lý thuyết độ tin cậy đã ra đời từ những năm 1920 và ứng dụng từ những năm 1970 trong nhiều lĩnh vực khác nhau ở các nước phát triển như: Nga, Hà Lan, Nhật, Trung Quốc, ..., nhưng mãi đến những năm 1990 lý thuyết này mới được quan tâm và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công trình thuỷ lợi. Việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong đánh giá an toàn công trình thủy lợi tại các quốc gia nói trên đã thu được nhiều kết quả thực tế rất tích cực và đáng tin cậy. Tuy nhiên các ứng dụng này phần lớn tập trung nghiên cứu cho các công trình phòng lũ và bảo vệ bờ, đối với các công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi có đề cập đến nhưng chưa đầy đủ, chủ yếu là các nghiên cứu để tính xác suất an toàn cho từng thành phần công trình trong hệ thống. 1.3.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam Từ những năm 1960 lý thuyết độ tin cậy đã được biết đến và nghiên cứu tại 5
Việt Nam, tuy nhiên phải đến đầu những năm 2000 lý thuyết này mới được ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực công trình thủy và đã đạt được nhiều thành quả rất tích cực. Tuy vậy các nghiên cứu trong lĩnh vực an toàn đập là chưa đầy đủ, chưa có các nghiên cứu để đánh giá và phần mềm để định lượng độ tin cậy cho công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi trong điều kiện Việt Nam theo lý thuyết độ tin cậy. Do đó, vấn đề nghiên cứu xây dựng phương pháp và phần mềm để tính toán xác suất an toàn cho cả hệ thống hồ thủy lợi là thực sự cần thiết. 1.4 Kết luận Chƣơng 1 - Việc đánh giá hiện trạng, quan trắc các hư hỏng và sự cố các đầu mối hồ chứa dẫn tới sự cần thiết phải có các giải pháp đảm bảo an toàn cho hồ đập. Việc sử dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên để xây dựng phương pháp đánh giá an toàn cho đầu mối hồ chứa nước thủy lợi cũng là một trong những giải pháp quan trọng đảm bảo an toàn cho hồ chứa. - Các nghiên cứu về ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực an toàn đập là rất phổ biến trên thế giới và Việt Nam, nhưng tập nhiều cho các công trình phòng lũ và bảo vệ bờ. Các nghiên cứu về đánh giá độ tin cậy cho các đầu mối hồ chứa thủy lợi là chưa đề cập đầy đủ, do đó cần định lượng được độ tin cậy của công trình và hệ thống đầu mối hồ chứa làm cơ sở cho việc xác định mức độ an toàn của hệ thống hồ chứa Việt Nam theo độ tin cậy. CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI HỒ CHỨA NƢỚC 2.1 Quan điểm về an toàn công trình thủy lợi Theo các tiêu chuẩn tính toán của các nước trên thế giới, hồ đập được đảm bảo an toàn khi không xảy ra ít nhất một trong hai loại sự cố: sự cố vận hành và sự cố kết cấu. Sự cố vận hành: hồ không đủ nước hoặc không hoạt động bình thường và hậu quả là thiệt hại về kinh tế cho vùng được cấp nước. Sự cố kết cấu: kết cấu công trình bị phá hoại hoặc đập bị vỡ gây thiệt hại cho đập và các thiệt hại về kinh tế, con người ở vùng hạ lưu. Trong nghiên cứu này mới xét đến các sự cố liên quan đến kết cấu công trình. 2.2 Cấu trúc các công trình trong đầu mối hồ chứa thủy lợi 2.2.1 Phân loại các đầu mối hồ chứa thủy lợi theo số lượng công trình trong hệ thống Hình thức liên kết đập dâng, công trình tháo lũ và cống lấy nước tạo thành một 6
hệ thống kết cấu hoặc hệ thống vận hành phụ thuộc vào kiểu bố trí sơ đồ tổng thể. 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. Sơ đồ bố trí tổng thể các công trình đầu mối ở hồ chứa Việt Nam hiện nay có thể khái quát thành ba kiểu chính: Đầu mối hồ chứa có 3 công trình; Đầu mối hồ chứa có 4 công trình; Đầu mối hồ chứa có nhiều hơn 4 công trình. Có nhiều cách để phân tích mối liên kết của các công trình và thành phần công trình trong hệ thống theo các sơ đồ toán học, trong nghiên cứu này căn cứ vào hình thức của công trình tháo lũ: Có cửa van và không có cửa van để phân loại các đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam thành hai loại hệ thống: hệ thống ghép nối tiếp và hệ thống ghép hỗn hợp. Hình 2-10. Đầu mối hồ chứa có các Hình 2-11. Đầu mối hồ chứa có các công trình được bố trí theo hình thức công trình được bố trí theo hình thức ghép nối tiếp ghép hỗn hợp 2.2.2 Sự sai khác của mô hình tính toán so với hệ thống đầu mối hồ chứa thực tế Trong tính toán sẽ có sự sai lệch về mức độ an toàn giữa các mô hình tính và hệ thống thực tế trong một số trường hợp mực nước hồ thay đổi theo thời gian trong năm, do đó sự cố hệ thống có thể xảy ra ở mô hình lý thuyết nhưng chưa chắc đã xảy ra ở hệ thống đầu mối hồ chứa thực tế. Trường hợp 1: Khi mực nước hồ lớn hơn mực nước dâng bình thường Z mn  MNDBT nếu công trình tháo lũ bị sự cố do mất ổn định tổng thể hoặc sự cố cửa van sẽ làm cho hệ thống bị sự cố, trường hợp này sự cố hệ thống xảy ra ở cả hệ thống đầu mối thực tế và mô hình lý thuyết. Hệ thống làm việc theo sơ đồ ghép như hình 2-10 hoặc 2-11 còn tùy thuộc vào kết cấu của công trình tháo lũ. Trường hợp 2: Khi mực nước hồ dao động từ mực nước chết (MNC) đến MNDBT MNC  Z mn  MNDBT , nếu công trình tháo lũ bị sự cố thì sự cố hệ thống có thể không xảy ra ở đầu mối hồ chứa thực tế nhưng được giả thiết sẽ xảy ra ở mô hình lý thuyết 7
Mối liên hệ giữa xác suất an toàn của hệ thống thực tế và mô hình lý thuyết có thể xác định được bằng cách thống kê các số liệu quan trắc về sự cố xảy với các công trình và hệ thống thực tế, đánh giá xác suất sự cố của mô hình tính toán thông qua các số liệu quan trắc về công trình. Trên cơ sở đó xây dựng mối quan hệ giữa xác suất an toàn của hệ thống thực tế và mô hình tính toán trong các trường hợp mực nước hồ thay đổi, từ đó sẽ tìm được một hệ số hoặc một hàm số (phụ thuộc vào các biến ngẫu nhiên) thể hiện mối quan hệ về mức độ an toàn giữa hệ thống thực tế và mô hình lý thuyết. Việc thống kê và đánh giá xác suất sự cố cho các hệ thống thực tế trong điều kiện Việt Nam còn gặp nhiều khó khăn nên trong nghiên cứu này giả thiết hàm số phụ thuộc giữa hệ thống thực tế và mô hình lý thuyết là một hằng số và có giá trị bằng 1, và cũng giả thiết rằng các sự cố xảy ra với hệ thống thực tế và mô hình lý thuyết là giống nhau trong các trường hợp mực nước hồ thay đổi. 2.3 Cơ sở lý thuyết và thực tiễn khi đánh giá an toàn công trình đầu mối Các lý thuyết chính được sử dụng để toán tính xác suất an toàn công trình đầu mối hồ chứa nước thủy lợi gồm: Lý thuyết công trình thủy lợi; Lý thuyết độ tin cậy và lý thuyết xác suất - thống kê và lý thuyết hệ thống. Các tài liệu quan trắc công trình cũng như các tài liệu thống kê có liên quan tới tính an toàn công trình theo lý thuyết xác suất - thống kê nói chung và lý thuyết độ tin cậy ở Việt Nam hiện nay đang ở trong tình trạng không đầy đủ, các tiêu chuẩn thiết kế công trình thủy lợi theo độ tin cậy đang trong thời kỳ nghiên cứu xây dựng. Do vậy trong nghiên cứu này, các nội dung có liên quan tới tiêu chuẩn thiết kế theo độ tin cậy sẽ được tham khảo theo tiêu chuẩn nước ngoài. Trong thực tế có rất nhiều sự cố xảy ra đối với công trình đầu mối được xác định bằng các phương pháp quan trắc mà không cần thông qua tính toán cũng có thể khẳng định công trình đó xảy ra sự cố. Tuy nhiên trong nghiên cứu này mới tính và lập các hàm tin cậy cho một số cơ chế sự cố xảy ra đối với công trình đầu mối khi mắt thường không thể quan sát thấy, bên cạnh đó còn chưa xét tới một số cơ chế sự cố do hiện tượng thủy lực gây ra ở công trình tháo lũ và cống ngầm. 2.4 Phân tích các yếu tố gây hƣ hỏng, sự cố các công trình đầu mối hồ chứa Rất nhiều công trình bị sự cố trong thời gian vận hành do nhiều nguyên nhân khác nhau, phân loại các yếu tố ngẫu nhiên tác động lên kết cấu công trình về 8
mặt kỹ thuật, gồm 5 nhóm yếu tố chính: yếu tố tự nhiên, yếu tố khảo sát thiết kế, yếu tố thi công, yếu tố khai thác và quản lý, yếu tố chiến tranh phá hoại có chủ ý. Trong nghiên cứu này, mới xét đến một số yếu tố ngẫu nhiên có ảnh hưởng nhiều đến độ tin cậy của hệ thống như trên bảng 2-1. Một số yếu tố khác còn để mở và có thể được xét đến khi sử dụng các phương pháp tính toán khác như “Lý thuyết tập mờ”, …. Bảng 2-1. Các yếu tố ngẫu nhiên được xét đến khi tính độ tin cậy của đầu mối hồ chứa Nhóm Tên Nội dung Ứng dụng Tính không đồng đều của địa chất Địa chất Nhóm 1: Yếu tố nền công trình. Chương 2, tự nhiên Địa hình Vị trí xây dựng công trình 3, 4 Thủy lực Tác động của nước lên công trình Kết cấu và vật Sai lệch kích thước do thi công Nhóm 3: Yếu tố Chương 3, liệu xây dựng kết công trình, tính chất cơ lý không thi công 4 cấu đồng đều. Nhóm 4: Quản Vận hành cửa van Tác động của cửa van đến độ tin Chương 2 lý khai thác của đập tràn cậy hệ thống 2.5 Đặc điểm làm việc, cơ chế phá hoại và trạng thái giới hạn của các công trình đầu mối hồ chứa 2.5.1 Đặc điểm làm việc của các công trình đầu mối hồ chứa Các công trình đầu mối hồ chứa: đập đất, đập tràn và cống ngầm phải được tính toán để đảm bảo an toàn trong các cơ chế phá hoại theo quy định của tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như sau: - Nước không tràn qua đỉnh đập; Mái dốc của đập không bị phá hoại trượt trong quá trình thi công cũng như trong các trường hợp làm việc; Đập không bị phá hoại do hiện tượng thấm thông thường và thấm đặc biệt. - Đập tràn không bị mất ổn định do phá hoại trượt; Đập tràn không bị mất ổn định do phá hoại lật hoặc do cường độ nền; Đập tràn không bị mất ổn định do lún không đều giữa các đơn nguyên; Đập tràn không bị các hư hỏng do thủy lực gây ra như: thấm mang tràn, gãy đổ các tường tràn, xói hạ lưu, …. - Độ bền thân cống và khớp nối khi các đoạn lún không đều; Độ bền kết cấu theo phương ngang và phương dọc cống; Đường viền thấm dọc thân cống phải đủ dài để không xảy ra hiện tượng mất ổn định thấm; Đảm bảo không xảy ra khí thực sau cửa van cống hoặc có xảy ra nhưng vẫn nằm trong điều kiện an toàn cho phép. 9
2.5.2 Cơ chế phá hoại, trạng thái giới hạn An toàn về ổn định của công trình liên quan tới trạng thái giới hạn của một cơ chế phá hoại. Sự phá hoại công trình được phân thành hai loại, phá hoại cục bộ và phá hoại tổng thể. Các cơ chế phá hoại đã được lý thuyết cơ học, lý thuyết công trình xác định có quy luật được mô phỏng theo các bài toán phân tích ổn định như: ổn định trượt, ổn định lật, độ bền, .... Trong quá trình thiết lập bài toán tính xác suất an toàn công trình đầu mối hồ chứa, các bài toán công trình được thực hiện theo nguyên tắc thiết kế trạng thái giới hạn. Trạng thái làm việc của công trình được mô tả bằng tham số công năng Z  X i  . Công trình thỏa mãn điều kiện ổn định theo một trạng thái giới hạn nào đó khi: Z  X1 , X 2 ,..., X n   0 (2-1) Trong đó: X i i  1,2,3,..., n  là các biến số cơ bản gồm: các tác động vào công trình, tính năng của vật liệu đất, đá, vật liệu xây dựng và tính bất định của mô hình thiết kế. 2.5.3 Các quan điểm về cơ chế phá hoại Trong một hệ thống hoặc ở một công trình, mỗi cơ chế phá hoại có thể thiết lập được một hàm tin cậy. Cơ chế phá hoại ở các công trình đầu mối có thể diễn ra theo quy luật (PHQL) hoặc không quy luật (PHKQL). PHQL là các phá hoại xảy ra ở kết cấu hoặc công trình mà việc mô phỏng các cơ chế phá hoại đã được định dạng thành những quy luật ứng với từng loại công trình. PHKQL là các phá hoại xảy ra ở một hệ kết cấu có sự suy thoái: công trình có khuyết tật trong quá trình thi công hoặc những công trình hiện hữu đang có hư hỏng về kết cấu, … nên các cơ chế phá hoại thường không còn tuân theo các quy luật thông thường. 2.6 Kết luận Chƣơng 2 Chương 2 đã giới thiệu các cơ sở lý thuyết về công trình thủy lợi làm căn cứ xây dựng các thuật toán, các sơ đồ khối cho các bài toán tính xác suất an toàn theo cấp độ II và cấp độ III cho công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi trong chương 3. CHƢƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI HỒ CHỨA THỦY LỢI THEO ĐỘ TIN CẬY 3.1 Đặt vấn đề Trong chương 3 mới phân tích và đánh giá xác suất an toàn cho các công trình 10
đầu mối hồ chứa thủy lợi có đập dâng là đập đất, các đập tràn hoặc ngưỡng đường tràn thuộc dạng đập bê tông tràn nước, cống ngầm đặt trong đập đất. Để tính xác suất an toàn cho tất cả các loại sơ đồ đầu mối là một khối lượng nghiên cứu lớn, bởi vậy đối tượng nghiên cứu trong phạm vi của luận án là đầu mối hồ chứa được mô phỏng theo hệ thống có liên kết nối tiếp. Các nội dung tính toán, các cơ chế phá hoại, các tải trọng, tác động, ... trong các bài toán kiểm tra an toàn công trình thực hiện theo hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành. 3.2 Phân tích và đánh giá an toàn công trình đầu mối hồ chứa theo lý thuyết độ tin cậy cấp độ II 3.2.1 Mô phỏng các sự cố của công trình đầu mối hồ chứa Sù cè hÖ thèng hoÆc hoÆc hoÆc Sù cè vì ®Ëp Sù cè c«ng tr×nh th¸o lò Sù cè cèng ngÇm Sù cè c«ng tr×nh kh¸c hoÆc hoÆc hoÆc hoÆc hoÆc hoÆc hoÆc hoÆc hoÆc Ph¸ ho¹i tæng thÓ Ph¸ ho¹i côc bé Ph¸ ho¹i kh¸c Ph¸ ho¹i tæng thÓ Ph¸ ho¹i côc bé Ph¸ ho¹i kh¸c Ph¸ ho¹i tæng thÓ Ph¸ ho¹i côc bé Ph¸ ho¹i kh¸c hoÆc hoÆc hoÆc hoÆc hoÆc hoÆc vµ vµ vµ hoÆc vµ vµ vµ vµ vµ vµ hoÆc vµ vµ vµ vµ Trµn Nøt Tæ Tr-ît Tr-ît èng ThiÕt bÞ ThÊm BiÕn Lón Tr-ît LËt Háng Xãi H- ThÊm H- H- G·y Vì H- ThÊm H- VÊn ®Ønh ngang, mèi m¸i m¸i thÊm chèng tiÕp h×nh liªn tiªu háng tiÕp háng háng cèng cèng háng qua háng ®Ò ®Ëp nøt däc th-îng h¹ sãng bÞ xóc thÊm kÕt n¨ng vËt xóc cöa cöa khíp bª cöa thñy l-u l-u hoÆc hoÆc ®Ëp lón sôt cöa liÖu van vµo nèi t«ng van lùc ra Lón Th©n KÕt cÊu th©n KÕt th©n cèng nÒn cèng cÊu khuyÕt cèng cèng tËt kh«ng cã ®ñ søc khuyÕt chÞu t¶i tËt Hình 3-1. Sơ đồ cây sự cố các công trình trong đầu mối hồ chứa nước Với quan điểm coi các hư hỏng là nguyên nhân dẫn đến sự cố công trình hay sự cố hệ thống công trình, nên hệ thống bị sự cố là do nhiều nguyên nhân gây ra và cần thiết phải mô phỏng sự cố hệ thống đầu mối hồ chứa theo một sơ đồ dạng cây, gọi là cây sự cố. Hình 3-1 là một ví dụ về cây sự cố công trình đầu mối ở hồ chứa, trong đó mỗi hư hỏng có thể được mô phỏng theo một cơ c hế phá hoại có nguy cơ dẫn đến sự cố công trình hoặc sự cố hệ thống. 3.2.2 Thiết lập hàm tin cậy Hàm số biểu thị mối quan hệ giữa sức chịu tải và tải trọng tác dụng vào công trình được gọi là hàm tin cậy. Với mỗi cơ chế phá hoại sẽ thiết lập được một hàm tin cậy (HTC) như công thức (3-1). Z  R  xi   N  y j  (3-1) N  y j  - Hàm tải trọng; R  xi  - Hàm sức chịu tải; xi , yi - Là các biến số cơ gồm: các lực, các tác động phát sinh từ môi trường nước, các lực và các ảnh hưởng của môi trường nền thông qua tính chất của đất đá cũng như các tải trọng phát sinh từ môi trường công trình thông qua tính chất của vật liệu xây dựng. 11
Luận án đã xây dựng được một số hàm tin cậy cho các cơ chế sự cố của đập đất, đập tràn và cống ngầm từ việc phân tích các sự cố có thể xảy ra với các công trình này. 3.2.3 Tính toán xác suất an toàn cho từng cơ chế sự cố - Kiểm định luật phân bố xác suất của các biến ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn khi   bình - phương  2 , xác định các đặc trưng thống kê: kỳ vọng    và độ lệch chuẩn   của các biến ngẫu nhiên. - Chỉ số độ tin cậy    , xác suất an toàn của các cơ chế sự cố  PZ 0  được xác định theo công thức (3-24) và (3-25) trong các trường hợp: HTC là tuyến tính, các biến ngẫu nhiên tuân theo luật phân bố chuẩn; HTC là phi tuyến, các biến ngẫu nhiên tuân theo luật phân bố chuẩn; HTC là phi tuyến hoặc tuyến tính với các biến ngẫu nhiên có luật phân bố xác suất bất kỳ.   Z (3-24) Z P Z 0       (3-25) 3.2.4 Đánh giá xác suất an toàn các công trình trong đầu mối hồ chứa Lập ma trận xác suất làm việc an toàn của các công trình trong đầu mối hồ chứa như bảng 3-1, với giả thiết có n công trình trong hệ thống và m cơ chế sự cố xảy ra với từng công trình đó. Căn cứ vào mối liên kết “hoặc, và” giữa các cơ chế sự cố để xác định xác suất an toàn cho từng công trình PatCTi . Bảng 3-1. Ma trận xác suất làm việc an toàn của các công trình trong hệ thống Sự cố Công trình 1 Công trình 2 Công trình 3 …. Công trình n 1 P11 P21 P31 …. Pn1 2 P12 P22 P32 …. Pn2 3 P13 P23 P33 …. Pn3 4 P14 P24 P34 …. Pn4 …. …. …. …. …. …. m …. Xác suất an toàn PatCT 1 PatCT 2 PatCT 3 …. PatCTn của công trình 3.2.5 Đánh giá xác suất an toàn của đầu mối hồ chứa Các công trình trong đầu mối hồ chứa làm việc theo sơ đồ ghép nối tiếp, với giả thiết các công trình làm việc độc lập, xác suất làm việc an toàn của hệ thống đầu mối hồ chứa PatHT được xác định theo công thức (3-48). Các thuật toán tính xác suất an toàn hệ thống theo cấp độ II được thực hiện theo các bước tính trên sơ đồ khối hình 3-6. n PatHT   PatCTi (3-48) i 1 12
Hình 3-6. Sơ đồ khối tính xác suất an toàn (XSAT) của hệ thống đầu mối hồ chứa theo cấp độ II 13
3.2.6 Phạm vi ứng dụng của bài toán cấp độ II trong luận án Bài toán sử dụng vào trong các tính toán kiểm tra ổn định và độ bền của công trình đầu mối khi thiết kế công trình, đánh giá chất lượng trong thi công, kiểm định chất lượng các công trình hiện hữu theo định kỳ hoặc khi xảy ra sự cố. Bài toán còn được sử dụng vào một số nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng và quản lý an toàn hồ đập như: nghiên cứu lựa chọn phương án vận hành hồ chứa; bài toán phân tích an toàn hệ thống; bài toán phân tích rủi ro của sự cố đập. 3.3 Tính xác suất an toàn công trình đầu mối hồ chứa theo lý thuyết độ tin cậy cấp độ III 3.3.1 Sự cần thiết xây dựng bài toán tính xác suất an toàn công trình theo cấp độ III Các tính toán xác suất an toàn đập có nhiều trường hợp không phù hợp với giả thiết của bài toán cấp độ II. Phân tích số liệu quan trắc của một số hồ có nhiều số liệu quan trắc như Hòa Bình, Vĩnh Sơn, Phú Ninh, Trị An và Yên Lập cho thấy các số liệu về quan trắc mực nước, cột nước thấm và chuyển vị theo 2 phương (đứng và ngang) ở 5 hồ kể trên hầu như không tuân theo luật phân bố chuẩn. Như vậy việc áp dụng lý thuyết độ tin cậy cấp độ II để tính xác suất an toàn cho công trình đầu mối hồ chứa trong điều kiện Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế, cần tiếp tục nghiên cứu. Các tính toán theo cấp độ III là để tìm ra độ tin cậy của công trình trong những trường hợp này, và để giải bài toán có thể dùng phương pháp giải tích hoặc phương pháp Monte Carlo. Hướng nghiên cứu phát triển của luận án là sử dụng phương pháp Monte Carlo để tính xác suất làm việc an toàn của công trình. 3.3.2 Thiết lập hàm tin cậy Z Nguyên lý và các bước thiết lập HTC ứng với từng cơ chế phá hoại cho bài toán cấp độ III giống như bài toán cấp độ II, HTC tổng quát như công thức 3-1. Hàm Z được tạo nên bằng cách tạo n lần các biến ngẫu nhiên của hàm Z theo đúng luật phân bố xác suất của chúng, từ đó tìm được n giá trị của hàm Z, sau đó sử dụng công thức trong thống kê để tìm xác suất sự cố hoặc xác suất an toàn. 3.3.3 Tính xác suất an toàn các công trình trong đầu mối hồ chứa theo phương pháp Monte Carlo 3.3.3.1 Thể hiện các biến ngẫu nhiên theo đúng luật phân bố xác suất Sử dụng phương pháp Monte Carlo để tạo lập rất nhiều biến ngẫu nhiên   trong hàm tin cậy Z theo đúng luật phân bố xác suất của các biến đó. Biến  14
được tạo ra từ hàm ngược  F 1  R   của hàm phân bố xác suất F(x).   F 1  R  (3-54) Trong đó: R là số ngẫu nhiên có phân bố đều trong khoảng (0,1). Trong nghiên cứu này mới đề cập đến việc kéo dài một số luật phân bố xác suất thường gặp ở các đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam: luật phân bố chuẩn, loga chuẩn, mũ, Rayleigh, Weibull và gamma. 3.3.3.2 Xác suất an toàn của các cơ chế sự cố theo phương pháp Monte Carlo Để kết quả ổn định và hội tụ thì số lần mô phỏng về hàm tin cậy N  2,14.109 . Xác suất an toàn được xác định theo công thức (3-75), m là số lần Z  0 . Pat  m / N (3-75) 3.3.3.3 Xác suất an toàn của các công trình Tương tự như bài toán cấp độ II, lập bảng ma trận xác làm việc an toàn (bảng 3- 1) và tính xác suất an toàn của từng công trình căn cứ vào mối liên kết “hoặc”, “và” giữa các cơ chế sự cố của công trình. 3.3.4 Xác suất an toàn của đầu mối hồ chứa nước Tương tự như bài toán cấp độ II, xác suất làm việc an toàn của hệ thống được tính như công thức (3-48). Các thuật toán tính xác suất an toàn cho đầu mối hồ chứa theo phương pháp Monte Carlo được thực hiện theo sơ đồ khối hình 3-8. 3.3.5 Phạm vi ứng dụng của bài toán cấp độ III trong luận án Bài toán cấp độ III áp dụng cho các bài toán tính ổn định và độ bền công trình đầu mối cũng như các nghiên cứu như bài toán cấp II. Tuy nhiên trong phạm vi của luận án mới chỉ kiểm nghiệm bằng số liệu cụ thể cho bài toán tràn nước qua đỉnh đập, căn cứ vào luật phân bố xác suất của các biến ngẫu nhiên trong hàm tin cậy này mà luận án mới đề cập đến các biến ngẫu nhiên có luật phân bố chuẩn, loga chuẩn, phân bố mũ, Rayleigh, Weillbul và phân bố gamma, và đây cũng là các phân bố xác suất thường gặp ở các đầu mối hồ chứa nước thủy lợi Việt Nam. 3.4 Mối quan hệ giữa chỉ số độ tin cậy và hệ số an toàn Để tìm xác suất an toàn của công trình có thể phân tích quan hệ giữa chỉ số độ tin cậy    và hệ số dự trữ K theo công thức (3-79). K 1 (3-79)  K 2 . R2   N2 Trong đó:  R   ;  N   R R N N 15
Hình 3-8. Sơ đồ khối tính xác suất an toàn của hệ thống đầu mối hồ chứa theo cấp độ III 16
3.5 Xây dựng chƣơng trình tính xác suất an toàn cho đầu mối hồ chứa nƣớc Chương trình SYPRO2016 sử dụng ngôn ngữ C++ để thực hiện các thuật toán trong sơ đồ khối hình 3-9, ngôn ngữ Java để xây dựng các giao diện tính toán. Khi thực hiện các đánh giá an toàn cho các công trình đầu mối hồ chứa, phần mềm SYPRO2016 đã thể hiện được một số ưu điểm như sau: - Trong phạm vi nghiên cứu của luận án các kết quả tính toán độ tin cậy từ phần mềm SYPRO2016 và các phần mềm đã có: Bestfit, Vap, Open FTA, ... là tương đương đương nhau. Các phần mềm: Bestfit, Vap, Open FTA được dùng để phân tích độ tin cậy của nhiều loại hệ thống, trong khi phần mềm SYPRO2016 được viết riêng để tính cho đầu mối hồ chứa thủy lợi. Do vậy phần mềm SYPRO2016 có khả năng nhận biết và xử lý tốt một số biến đặc trưng của hồ chứa mà phần mềm Bestfit chưa xử lý hiệu quả được. - Chỉ cần sử dụng SYPRO2016 có thể tính được xác suất an toàn của hệ thống: xử lý số liệu đầu vào, tính xác suất an toàn các cơ chế sự cố, tính xác suất an toàn của công trình và hệ thống công trình. Nếu sử dụng các phần mềm: Bestfit, Vap, Open FTA thì phải tính liên tiếp 3 phần mềm này mới tìm được kết quả cuối cùng, hơn nữa một số kết quả của phần mềm trước (Bestfit) lại chưa phải là đầu vào của phần mềm sau (Vap) mà cần thông qua việc hiệu chỉnh tính toán, vấn đề này sẽ gây khó khăn cho người sử dụng. - Các giao diện của phần mềm SYPRO2016 đơn giản, tiện dụng và hiệu quả với các đối tượng sử dụng: người thiết kế, người quản lý và khai thác vận hành, …. 3.6 Kết luận Chƣơng 3 - Từ việc phân tích các hư hỏng và sự cố có thể xảy ra với hệ thống đầu mối hồ chứa đã mô phỏng được các nguyên nhân dẫn đến sự cố hệ thống thông qua sơ đồ cây sự cố. Phân tích các sự cố có khả năng xảy ra với từng công trình: đập đất, đập tràn và cống ngầm để thiết lập các hàm tin cậy cho các cơ chế sự cố đó. - Xây dựng được thuật toán và sơ đồ khối theo lý thuyết độ tin cậy cấp độ II và cấp độ III để tính: xác suất an toàn của các cơ chế sự cố và mức độ ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên; xác suất an toàn của các công trình (đập đất, đập tràn và cống ngầm) và mức độ ảnh hưởng của từng công trình đến an toàn chung của hệ thống; xác suất an toàn của hệ thống đầu mối hồ chứa làm việc theo sơ đồ nối tiếp. - Viết được chương trình SYPRO2016 để tính xác suất an toàn theo cấp độ II và cấp độ III cho đầu mối hồ chứa thủy lợi làm việc theo sơ đồ nối tiếp. Chương trình đã được kiểm định và có độ chính xác cần thiết để tính độ tin cậy cho hệ thống công trình đầu mối hồ chứa. 17
Hình 3-9. Sơ đồ khối xây dựng chương trình SYPRO2016 18