Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết Đánh giá ổn định đập đất của hồ chứa Đăkuy – tỉnh Kon Tum theo lý thuyết độ tin cậy đánh giá ổn định thấm của đập đất theo lý thuyết độ tin cậy dựa trên mô phỏng Monte Carlo. Kết quả tính toán cho thấy, khi thông số đầu vào của các tính chất cơ lý nền đất có sự thay đổi thì hệ số ổn định có sự dao động lớn.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 2(111).2017, Quyển 133 ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT CỦA HỒ CHỨA ĐĂKUY – TỈNH KON TUM THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ASSESSMENT OF THE EARTH DAM STABILITY BY ADOPTING THE RELIABILITY THEORY FOR DAKUY TOWER – KONTUM PROVINCE Nguyễn Văn Linh Phân hiệu Đại học Đà Nẵng Kon Tum, nvlinh@kontum.udn.vn Tóm tắt - Đánh giá ổn định đập đất tiềm ẩn nhiều rủi ro Có nhiều nguyên nhân rủi ro lý tính yếu lớp đất đá khó kiểm sốt Do đó, cơng trình đưa vào vận hành khai thác tiềm ẩn cố không lường trước Cơ lý tính yếu lớp đất thay đổi tính chất lý chịu tác động từ mơi trường đặc biệt có tác động từ dòng nước thấm Bài báo này, tác giả muốn đánh giá ổn định thấm đập đất theo lý thuyết độ tin cậy dựa mô Monte Carlo Kết tính tốn cho thấy, thơng số đầu vào tính chất lý đất có thay đổi hệ số ổn định có dao động lớn Như hệ số ổn định theo phương pháp tất định chưa phản ánh thực tế cơng trình làm việc, lý thuyết độ tin cậy cho nhìn khách quan đánh giá ổn định đập đất Abstract - Assessing the earth dam always has risks caused by many factors The instability of the rock layer is considered the most difficult one to control Therefore, many unexpected problems can happen when the works are being exploited or operating The unsustainability of natural soil layer is the change in physical properties orginated from the environmental impacts, especially by the impact of water seepage This paper, aims to assess the seepage stability of earth dam by the reliability theory based on Monte Carlo simulation Calculation results show that the coefficient of stability has fluctuations when the input parameters of soil properties change Thus, the coefficient of stability by determinism methods does not reflect correctly the reality of works As a results, the reliabilty theory will give us a more objective view to estimate the stability of earth dams Từ khóa - Đập đất; ổn định; lý thuyết độ tin cậy; mô Monte Carlo; độ nhạy Key words - Earth dam; stability; reliability theory; Monte Carlo simulation; sensitivity Giới thiệu Tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam đánh giá ổn định đập đất theo phương pháp cổ điển (phương pháp tất định), tức thông số đầu vào số Phương pháp dựa lý thuyết cân khối rắn (CBGH) Theo mái dốc xem ổn định hệ số ổn định (Kođ) lớn hệ số an toàn cho phép (Ktc) Và tùy vào phương pháp tính hệ số Ktc khác nhau, điều phương pháp đơn giản hóa tính tốn Tuy nhiên, tính chất lý lớp đất đá (dung trọng riêng (γ), lực dính (C) góc nội ma sát (φ)) ln có thay đổi tác động từ mơi trường đặc biệt có tượng thấm chênh lệch mực nước thượng lưu hạ lưu Vì vậy, đập đất sau thời gian vận hành xảy tình trạng ổn định Để giải tính lý yếu lớp đất, phương pháp phân tích ổn định theo lý thuyết độ tin cậy dựa phương pháp xác suất đời đạt thành đáng ghi nhận Các nghiên cứu đặt móng có từ năm 1970 (Alonso [1], Tang [12] Harr [9]) Từ đến nay, phương pháp phân tích ổn định mái dốc theo lý thuyết độ tin cậy không ngừng phát triển trình bày nhiều nghiên cứu nước (Nguyen and Chowdhury [11], Whitman [13], Christian [3], Cheng and C.K Lau [4]) nước (Mai Chí cơng [6], Hồng Hồng Giang [8], Nguyễn Văn Hướng [10]) Với phương pháp phân tích này, ngồi việc giải tính khơng bền vững tính chất lý lớp đất đá, phương pháp hữu ích để định lượng mức độ rủi ro cơng trình cụ thể (độ tin cậy hệ số ổn định), đặc biệt trường hợp thiếu liệu chứng minh tính đại diện thông số đầu vào Trong báo này, tác giả phân tích ổn định đập đất hồ chứa nước Đăk Uy - Tỉnh Kon Tum theo phương pháp tất định truyền thống theo lý thuyết độ tin cậy (mơ hình xác suất) dựa vào phương pháp mô Monte Carlo Phương pháp tất định với thông số đầu vào cố định phương pháp xác suất cho phép phân tích xác suất độ nhạy ổn định mái dốc với số liệu đầu vào biến ngẫu nhiên theo quy luật phân bố xác định trước Từ đó, tác giả so sánh đánh giá độ ổn định theo phương pháp Mặt khác, kết nghiên cứu kiến nghị phương pháp tiếp cận đánh giá mức độ ổn định cho đập đất vận hành khai thác Đối tượng, phương pháp số liệu nghiên cứu 2.1 Giới thiệu đập đất hồ chứa Đăk Uy – Tỉnh Kon Tum Cơng trình hồ chứa nước Đăk Uy xây dựng suối Đăk Uy (một chi lưu sông Krông Pôkô) thuộc địa bàn huyện Đăk Hà, tỉnh Kon Tum; nằm phía Đông Quốc lộ 14 cách trung tâm huyện khoảng 8Km phía Đơng Bắc Diện tích lưu vực tính đến tuyến đập Đăk Uy Flv = 89,7 km2 Công trình theo phân cấp Tiêu chuẩn thiết kế đập đất Việt Nam cấp II; hồ chứa nước lớn tỉnh Kon Tum Mục đích hồ chứa cung cấp nước tưới cho 2516 đất nông nghiệp cung cấp nước sinh hoạt cho 65 ngàn dân huyện Đăk Hà Ngoài ra, hồ cịn có chức cắt lũ, giảm nhẹ ngập lụt hạ du nuôi trồng thủy sản Đập đất đập hồ chứa nước Đăk Uy Đơn vị thiết kế dùng đất đồng khu vực để đắp có thêm phận cấu tạo kè đá thượng lưu trồng 134 Nguyễn Văn Linh cỏ hạ lưu nhằm tăng cường độ ổn định cho đập Tuy nhiên, theo thời gian, phận cấu tạo xuống cấp đập đất bị sạt trượt nhiều vị trí; nguyên nhân tính chất lý đất thay đổi đáng kể so với thiết kế Vì vậy, nói đánh giá ổn định thấm theo phương pháp tất định tiềm ẩn nhiều rủi ro thiết kế cơng trình cần đánh giá lại độ an toàn đập đất theo độ tin cậy dựa phương pháp mô Monte Carlo 2.2 Phương pháp nghiên cứu Do tính khơng bền vững lớp đất đá, đặc biệt vào mùa lũ Tây Nguyên Do đó, phân tích tốn ổn định đập đất theo lý thuyết độ tin cậy, tác giả thực trình sau đây: - Phân tích ổn định mái dốc thực theo bước: (1) Xác định hàm phân phối chuỗi số liệu đầu vào; (2) Thiết lập mơ hình tốn phân tích dịng thấm chênh lệch mực nước thượng lưu hạ lưu modul SEEP/W [7]; (3) Sử dụng kết phân tích thấm tích hợp thêm modul SLOPE/W[7] để tính tốn ổn định theo phương pháp tất định xác suất - Phân tích độ nhạy thơng số đầu vào hệ số ổn định thực theo bước: (1) Xác định giá trị trung bình (µ) chuỗi số liệu đầu vào, số gia hai giá trị liền kề (σ); (2) Sử dụng modul SLOPE/W để phân tích độ nhạy Sơ đồ tổng quan phân tích thể cụ thể Hình 2.3 Số liệu tính tốn - Đập đất Đăk Uy đập đồng Tính chất lý đất đất đắp thân đập đất phân tích ổn định tất định (truyền thống) thể Bảng Bảng Tính chất lý đất [5] Lớp đất Loại đất Dung trọng ẩm Góc nội ma sát γw (KN/m3) ϕ (độ) Lực dính C (KN/m2) Hệ số thấm K (m/s) Đất đắp Sét pha 18,4 200 17,0 4,3x10-5 Đất Cát pha 18,6 160 14,7 2x10-4 Khi phân tích ổn định theo mơ Monte Carlo, tính chất lý kể (γ, φ C) chuỗi số liệu Tuy nhiên, chưa có điều kiện để thí nghiệm thay đổi tính chất lý đất đất đắp theo thời gian, tác giả sử dụng kết nghiên cứu lớp đất từ nghiên cứu Hoàng Hồng Giang [8] Theo đó, độ lệch dung trọng riêng, lực dích, góc nội ma sát giả thiết tương ứng 5%, 5% 20% - Mặt cắt tính tốn: chọn mặt cắt đại diện D8 theo vẽ thi công đập Chiều cao đập 34.5m, bề rộng đỉnh đập 5m mái thượng lưu, hạ lưu có hệ số mái dốc 3.75 [5] - Trường hợp tính tốn: Ứng với mực nước dâng bình thường cao trình 31.5m, hạ lưu khơng có nước [5] Kết bàn luận Để tính tốn ổn định, trước hết tác giả phân tích dịng thấm đất theo modul SEEP/W Kết phân tích thấm Hình sau: Hình Sơ đồ phân tích độ nhạy [10] Hình Kết phân tích thấm mặt cắt đập Hình Sơ đồ phân tích ổn định mái dốc Tác giả nhận thấy với trường hợp tính tốn, kết đặc trưng dịng thấm phù hợp với lý thuyết thấm Gradient thủy lực mái hạ lưu nhỏ nhỏ hệ số tiêu chuẩn cho phép Jcp=0.75 Do đó, đập khơng bị xói ngầm có tượng thấm xảy Vì vậy, nói đập thỏa mãn điều kiện thấm theo tiêu chuẩn TCVN 8216 [2] 3.1 Phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp tất định Sau có kết phân tích dịng thấm, tác giả tích hợp thêm vào modul SLOPE/W để phân tích ổn định cho mái dốc theo phương pháp tất định Kết thu hệ số ổn định theo phương pháp Montergers – Price (M-P) Hình Kết tính tốn thu hệ số ổn định FS = 1.21, giá trị dùng để đánh giá độ ổn định đập đất Đăk Uy theo TCVN 8216 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 2(111).2017, Quyển = 135 (2.3) Phân tích xác suất ổn định mái dốc sử dụng phương pháp Monte Carlo, số lượng phép thử phụ thuộc vào mức độ tin cậy yêu cầu lời giải, số lượng biến đầu vào xem xét Theo lý thuyết thống kê, ta có phương trình sau: = Hình Kết phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp tất định (M-P) Tiêu chuẩn ngành TCVN 8216 quy định rằng, hệ số ổn định tính tốn Kođ lớn hệ số ổn định Ktc = 1.35 cho phép đập đất xem ổn định ngược lại; hệ số ổn định cho phép dao động 20% quanh giá trị trung bình Như vậy, theo kết phân tích ổn định có hệ số ổn định Kođ = 1.21 (lệch 10.3% so với 1.35) theo tiêu chuẩn mái dốc đảm bảo ổn định có tượng thấm từ thượng lưu xuống hạ lưu 3.2 Phân tích ổn định mái dốc theo lý thuyết độ tin cậy dựa mô Monte Carlo Từ kết nghiên cứu Mai Văn Công [6], Hoàng Hồng Giang [8] Nguyễn Văn Hướng [10], tác giả nhận thấy tiêu lý đất biến đổi chủ yếu tuân theo phân phối chuẩn Do đó, Tác giả sử dụng hàm phấn bố chuẩn để mô tả biến đổi số liệu đầu vào (γ, φ, C) Hàm phân bố chuẩn thường gọi hàm phân phối Gauss biểu diễn biểu thức sau đây: = √ ᴨ (2.1) . (2.4) Trong đó: Nmc: số lần thử Monte Carlo; β: mức độ tin cậy mong muốn (0% đến 100%) biểu diễn dạng số thập phân; σ: độ lệch chuẩn tương ứng với mức độ tin cậy; m: số lượng biến Theo tác giả Hoàng Hồng Giang [8], với thơng số đầu vào lực dính, góc nội ma sát dung trọng riêng số lần thử Monte Carlo tối ưu 15.000 lần kết phân tích hội tụ Trong giới hạn nghiên cứu này, tác giả nghiên cứu phương pháp phân tích xác suất với thông số đầu vào (γ, φ, C), tác giả lựa chọn số lần thử 15.000 lần cho thông số Kết phân tích ổn định mái dốc theo mơ Monte Carlo với thông số đầu vào biến đổi (γ, φ, C) số lần lặp 15.000 lần Bảng sau: Bảng Kết phân tích ổn định mái dốc Trị trung bình hệ số ổn định 1.20 Chỉ số độ tin cậy 1.579 Độ lệch chuẩn 0.13 Min SF 0.69 Max SF 1.77 Xác suất phá hoại Với -∞ < x < +∞ Trong đó: f(x): tần số tương đối; σ: độ lệch chuẩn (độ lệch quân phương); µ: giá trị trung bình Các giá trị µ σ (giả thiết) theo Bảng sau: Kết phân tích ổn định cịn biểu diễn dạng hàm phân phối xác suất mật độ xác suất hệ số ổn định Hình Hình Bảng Giá trị trung bình độ lệch chuẩn Đất Chỉ tiêu lý Đất đắp µ σ µ σ Dung trọng γ (KN/m ) 18.6 0.93 18.4 0.92 Lực dính C (KN/m2) 14.7 0.375 17 0.85 Góc nội ma sát φ (độ) 16 3.2 20 Hàm tin cậy Z hàm hệ số an toàn xác định theo hệ số an toàn biểu thức: Z = SF (2.2) Do đó, xác suất phá hoại định nghĩa xác suất để hệ số an toàn FS nhỏ 1.0: Pfailure= P (Z