Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình Thủy: Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy đánh giá an toàn công trình trên hệ thống

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp cao học, được sự giúp đỡ

của các thầy, cô giáo trường Đại học Thủy lợi, đặc biệt là cô TS Phạm Hồng

Cường, thay PGS.TS Nguyễn Quang Hùng, cô Th.s Nguyễn Lan Hương, và cùng sự nỗ lực của bản thân Đến nay, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành Xây dựng công trình thủy.

Các kết quả đạt được là những đóng góp nhỏ về mặt khoa học trong quá trình nghiên cứu và tính toán ôn định công trình trong hệ thống thủy nông, góp phan nâng cao độ chính xác trong quá trình đưa ra mức độ hư hỏng và độ tin cậy của công trình Tuy nhiên, trong khuôn khổ luận văn, đo điều kiện thời gian và trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những

lời chỉ bảo và góp ý của các thầy, cô giáo và các đồng nghiệp.

Tác gia bay tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô TS Pham Hồng Cường, thay giáo PGS.TS Nguyễn Quang Hùngvà cô Th.s Nguyễn Lan Hương đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp các kiến thức khoa học cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo thuộc Bộ môn Thủy công- khoa Công trình, phòng Dao tạo Dai học và Sau Đại học trường Đại học Thủy lợi đã tạo

mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành tốt luận văn thạc sỹ của mình.

Tác giả xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Hà nội, tháng 8 năm 2013 Tác giả

Nguyễn Thị Lệ

“Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riềng tôi Các thông tin,

tài liệu trích dẫn trong luận văn đã được ghỉ rõ nguồn gốc Kết quả nêu trong luận

văn là trung thực và chưa từng được ai công bé trong bắt kỷ công trinh nào trước

Tác giả

Nguyễn Thị Lệ

DANH MỤC CÁC HÌNH VE, DO THỊ

Hình 1-1 Sơ đồ dip dâng nước

Hình 1-3 Công Xuân Quan (HTTL Bắc-Hưng-HHi)

Hình 1-3 Đập dng Bái Thượng trên sông Chu (khi chưa tôn cao)

Hình 1-4 Công trình đầu mỗi Thạch Nham (Quảng Ngài)

Hình 1-5 Đập dâng Dim Chích Kiến Giang

Hình 1-6, Công Liên Mạc-tầu mi của HTTL Sông Nhuệ

Hình 1-7 Sơ đồ bổ trí hệ thống kênh tới.

Hình 2-1: Định nghĩa biên hư hỏng Z = 0

Hình 2-2 Sơ đồ tỉnh độ tn cậy của kt ef công trình

Hình 2-3: Sơ để của hệ có cấu trúc các phần tử ghép nổi tiếp

Hình 2-4: So:ia hi ci trúc các phin tử ghép song song Hình 2-5: Một dạng ghép hỗn hợp giữa cúc phần tr

Hình 2-6: Sơ đổ sự cố

Hình 2-7 Dinh nghĩa xác suất xảy ra sự cỗ và chi số độ tin cậy

Hình 3-1: Sơ đồ đoạn kênh tính toán

Hình 3-2: Sơ đồ ải trong tác dụng lên cổng Lãng Trinh

Hình 3-3: Luật phân phối của cổng Lăng Trình

Hình 3-4: Luật phân phối của yu cổng Lang Trinh

Hình 3-5: Luật phân phối của ọ công Lang Trinh

Hình 3-6: Luật phân phối của C cống Lãng Trinh

Hình 3-7: Luật phân phối của L công Lăng Trinh

Hình 3 - 8: Sơ đỗ ái trong tie dụng lên cổng tại Km0t317 Hình 3-9: Luật phân phối của cống tại Km0+317

Hình 3-10: Luật phân phối của cống tại Km0+317

Hình 3-11: Luật phân phối của C cổng tại Km0+317

Hình 3-12: Luật phân phối của L cống tại Km0+317

Hình 3-13 : Ảnh hưởng của các đại lượng ngẫu nhiềnđ En dinh trượt cổng

Hình 3-14: Ảnh hưởng của các đại lượng ngẫu nhiên đến ôn định lật cổng

Hình 3-15 : Ảnh hưởng của các đại lượng ngẫu nhiên đến dn định trượt của kênh

DANH MỤC CÁC BANG BIEU

Bảng 3-1: Phân lớp và tinh các tham s g Lăng Trìnhng kí

Bảng 3-2: Tần suất lý thuyết n’ của các lớp công Lang Trình Bảng 3-3: Chuỗi số liệu thực nghiệm cổng Lãng Trình

Bang 3-4: Quy luật phân phối luật xác xuất

Bảng 3-5: Chuỗi số liệu thực nghiệm của cống tai Km0+317 Bảng 3-6: Quy luật phân phối luật xác xuất của cổng tại Kim0+317

Bảng 3-7: Số liệu địa chất phục vụ tính toán kênh.

Bảng 3-&: Kết quả tỉnh toán Kmin và Jmax cho từng mặt cất kênh Bảng 3-9: Các giá trị cho phép theo tiêu chuẳn Việt Nam và Châu Âu.

MỞ DAU

Tĩnh cấp thiết của đề tủ.

Nội dung nghiên cứu của đề tài.

Phạm vi nghiên cứu của đề Mặc tiêu của đề tai

Cách tiếp cận và nghiên cứu.

Các kết quả và đồng góp của luận văn.

`Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

CHUONG 1: TONG QUAN CHUNG VE HE THONG CÔNG TRÌNH THUY

NONG VIỆT NAM

1.1 Chức năng của công tình thủy lợi

1.2 Nhi

1.2.1 Công trình dng nước,1.22 Công trình

1.23 Công ti

1.3 Tổng quan về hệ thống công trình thủy lợi ở Việt Nam

1.3.1 Hệ thống thuỷ lợi Bắc - Hưng - Hải 1.3.2 Hệ thống thuỷ lợi sông Chu

1.3.3 Hệ thống thuỷ lợi Thạch Nham. 1.3.4 Hệ thống thuỷ lợi Dẫu Tiếng

1.3.5 Hệ thống thu lợi Tứ giác Long Xuyên1.4 Vai tr của

vụ công trình thủy lợi

chỉnh dong chảy,hb din nước.

loại công trình trong hệ thing:1.4.1 Công trình đầu mỗi.

1.4.2 Công trình chuyển nước 1.4.3 Các công trình trên hệ thống.

1.4.3.1Các cổng lấy nước, cống điều tiết

1.4.3.2 Các công trình chuyển nước.

1.4.3.3 Các công trinh nối tiếp.

1.4.3.8 Cầu giao thông qua kênh 16

1.5 Tổng quan các phương pháp đánh giá an toàn công trình trong hệ thống hiện hin 17 1.5.1 Phường pháp ứng suất cho phép 7 1.5.2 Phương pháp hệ số antoàn se soe

1.53 Phương pháp trang thái giới hạn 18

1.5.4 Phương pháp tinh theo lý thuyết độ tin cậy 191.54.1 Sự hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiền: 191.5.42 Lich sử phát iển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thé gi 20

1.5.43 Các cấp độ tip cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên 20

1.6, Két luin chương 1 vị

CHUONG 2: CƠ SỞ LÝ THUYET DANH GIÁ AN TOAN ON ĐỊNH HE THONG CONG TRINH THUY LỢI THEO LY THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 33 2.1 Giới thigu phương pháp lý thuyết độ tin cậy 23

2.1.1 Giới thiệu chung 22.1.2 Những wu điểm khi sử dụng lý thuyết độ tin cậy %6

2.2 Cơ sở oán học của phương pháp ngẫu nhiên Fa

2.2.1, Tính toán cấp độ ï +

2.2.2 Tỉnh toán cấp độ I cào ° = 39

2.2.3 Tính toán cắp độ I M

2.3 Co chế phá hoại ôn định tổng thể của hệ thống thủy nông 35 2.3.1 Khái niệm về hệ thống thủy nông trong lý thuyêt độ tin cậy 35

2.32 Hệ có cầu trúc ghép nối tiếp 36

2.3.3 Hệ có cấu trúc ghép song song: 36

2.34 Hệ có cầu trúc ghép hỗn hợp, mr

2.3.5, Hệ có cầu trúc ghép bắt kỷ : " 38 2.3.6 Sơ đỗ cây sự cổ hệ thống thủy nông 38 2.3.7, Các yêu tổ ngẫu nhiên tác động đến chit lượng công tình trong hệ thống thủy néng39 2.8 Lý thuyết áp dung để phân tích 40

2.8.1 Lý thuyết áp dụng 40

2.8.2 Cơ sở đánh giá mức độ an toàn 4

2.9 Xác suất xây ra sự cổ đối với hệ thống thủy nông 4 2.9.1 Cổng mắt én định do trượt " 4 2.9.2 Công mắt én định do lật 4 2.9.3 Mat én định đoạn kênh dẫn nước: " ¬ M4

2.9.4 Xác suất nay ra sự cổ đối với đoạn kênh tính toán 45 2.10 Các phần mềm dùng trong luận văn " so dS

2.11 Kết luận chương 2 46

CHUONG 3: UNG DỰNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CAY ĐÁNH GIÁ ÔN ĐỊNH CHO MOT DOAN KENH THUỘC HE THONG SÔNG CAU 47 3.1 Bat vấn đề 4 3.2 Giới thiệu về hệ thông 4

3.3 Nội dung tính toán 483.3.1 Sơ đồ tính toán " 483.3.2 Nội dung tính toán 48

3.4 Tinh toán én định Cổng Lăng Trinh sáo AD

34.1, Các tường hợp tinh toán ôn định Cổng Lang Trinh 49

3.4.2 Các tài liệu tính toán 50

3.43 Tinh toán ôn định trượt phẳng si

3.4.3.1, Tinh dn định trượt của cổng theo phương pháp hệ số an toàn 51

3.43.2, Tinh dn định trượt của cổng theo lý thuyết độ tin cậy 33

3.44, Kiểm ta lật của ng 60

3.4.4.1, Kiểm tra lật của cổng theo phương pháp hệ số an toàn sense 60 3.44.2 Kiểm tr lt của cổng theo lý thuyết độ tin cây 60 3.5 Tính toán ôn định của công tại Km0+317, 61 3.5.1, Tinh toán ôn định trượt phẳng của cổng 6

3.5.1.1 Tinh toán ôn định trượt phẳng của công theo phương pháp hệ số an toàn 623.5.1.2, Tính én định trượt của cổng Km0*317 theo lý thuyết độ in cậy 643.52 Kiểm tra lật quanh true B 65

3.5.2.1, Kiểm tra lit của cổng theo phương pháp hệ số an toàn 65

3.5.2.2 Kiểm tra lật của cổng theo lý thuyết độ tin cậy 6s

3.6, Dinh giá độ tin cậy cho các phần wi-kénh trong hệ thống chon 68 3.7 Phân tích/Đánh giá kết quả T0

3.7.1.Phân tich/ Banh giá kết quả tính toán ổn định trượt phẳng: 73.7.2 Phân tích/ Đánh giá kết quả tinh toán én định lật 73.7.3, Phân tích/ đánh giá kết qua tính toán ổn định của hệ thống n

3.7.3.1 Anh hướng của các ĐLNN đến én định của kênh " 73

3.8 Kết luận chương 3 n

KET LUẬN VA KIÊN NGHỊ " T9

1 Những kết quả đạt được 2 Những tôn ti:

3.Kiến nghị

4, Hướng tiếp tục nghiên cứu:

TÀI LIỆU THAM KHẢO.

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Hiện nay, việc đảnh giá chất lượng kỹ thuật cho các công tình thuỷ lợi là một bai toán rat phức tap, vì công trình thường nằm sâu trong đắt va chịu tác dụng của nhiều yếu tổ phức tạp như lục tinh, lực động áp lực thắm v Việc đánh giá

đúng nguyên nhân hư hỏng lại cảng khó khăn hơn.

Hiện nay do sự biển đổi của khi hậu, thiên tai bão lụt xây ra thường xuyênhơn nên các công tình nói chung đặc biệt là công trình thủy lợi phải chịu thêm

nhiều yếu ổ bất lợi Vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết xc suất và quá trình ngẫu nhiên nhằm phản ánh đúng thực tỄ hơn Là hướng nghiền cứu tắt yếu trên

thể giới cũng như trong nước, nhằm đầu tư cho công trình đạt hiệu quả Hơn nữa.

phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ đặc biệt là công nghệ thông

tin, việc áp dung các lý thuyết mới như lý thuyết độ tin cậy vào bai toán đánh giá và

chin đoán chất lượng công trình thủy lợi phải được quan tâm hon.

Vin đề nghiên cứu đánh giá chất lượng kết cầu công trình đã khá hoàn thiện Xong nghiên cứu để đánh giá chất lượng kết cấu hệ thống công trình thủy lợi hiện nay chưa được nghiên cứu Trên thể giới hiện nay o6 quy trình đảnh giá nhanh RAP của tác giả Charles Burt Trường Đại hoc kỹ thuật California Phương pháp nảy giúp,

toàn diện

ánh gi trạng hệ thống nhưng bằng định tính, hoàn toin phụ thu vào chuyên gia và người được điều tra để trả lời hơn 700 câu hỏi đối với một hệ thống Việt Nam cũng đã có để tải nghiên cửu áp dụng phương pháp nảy nhưng rit nhiều câu hỏi tong điều kiện các hệ thống thủy lợi ở Việt Nam không th tr lời được Hơn nữa, RAP không đánh giá được bản chất thực của kết cấu công trình bằng định lượng

Xuất phat từ thực tế Khai thác các hệ thống công trình thuỷ nông, cho thấy

không ít hệ thống công trình bị sự cổ dẫn đến phá huỷ công tình với nhiễu lý do khác nhau, trong 46 có những yếu tổ không được xét đến do hạn chế của các phương pháp trong tinh toán truyền thông nên đã gây ra những tên thất đáng tiếc

đối với sàn xuất, kinh tế, an toàn môi trường và con người Hon nữa, các nghiên

cứu trước đây mới chỉ đăng lại ở việc nghiên cứu đánh giá chất lượng cho một công

trình ey thé, đơn lé mà chưa có một nghiên cứu nào nhằm đánh giá chất lượng kỹ thuật về kết sầu của một nhóm công tinh cũng như cả hệ thống công trình thủy lợi

Từ những lý do đó, luận văn tiễn hành nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cây nhằm đảnh giá an toàn công trình trên hệ thống mang tinh khoa học và thực

tiển cao,

2 Nội dung nghiên cứu cin đề tài

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy đánh giá an toàn công trình trên hệ

thống thủy lợi.

3 Phạm vi nghiên cứu của đỀ tải.

~ Phạm vi nghiên cứu là công trình trên hệ thống thủy lợi

Nghiên cứu khắc phục các khiếm khuyết của phương pháp tính truyền thống,tụ của để

bằng cách diva trên áp dụng các phương pháp xác suit của lý thuyết độ tin cây để đánh giá và từ đỗ nâng cao chất lượng như mong muốn của công trình trên hệ thống xây dựng trong điều kiện Việt Nam,

cận và nghiên cứu.

nghiền cứu ti liệu của các công tình trên hệ thắng thực tế

+ Tiếp cân với lý thuyết độ tin cây trong tính toán đảnh giả an toàn côngtrình

= Ứng dụng các phin mém: Best, Vap for MS windows, Geo ~ Slope ánh giá an toàn công trình trên hệ thống.

6 Các kết qua và đông góp của luận vẫn.

- Nghỉ

~ Ví dụ minh họa công nghệ tính toán công trình bằng lý thuyết độ tin cậy

cứu lý thuyết độ tin cậy trong đánh giá an tn công nh

~ Đưa ra các kiến nghị vé ning cao an toàn công trinh trên hệ thống theo lý

thuyết độ tin cây

1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

~ Ap dung lý thuyết độ ti cậy trong tính toán công trình thủy lợi

+ Sử dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao an toàn hệ thống công tỉnhthủy lợi.

~ Ap dung cho hệ thống công tình hiện đang tồn tại nhằm chứng mình tinhthực tiễn và khả năng áp dụng được của kết quả tính toán.

CHUONG 1: TONG QUAN CHUNG VE HỆ THONG CONG TRÌNH

THUY NONG VIET NAM

1.1 Chức năng của công trình thủy lợi [19]

Nước ta có lượng mưa dồi đào và có mạng lưới sông phong phú Tổng lượng

nước hing năm của các song ngồi chay qua nước ta khoảng 345km3 và 350 triệu

m3 ph sa truyễn tải trên 2360 con sông, tổng lưu lượng bình quân hin năm rên các con sông là 27.500m3/s Nguồn nước phong phú đồ đủ thỏa mãn cho nhu cầu kinh tế quốc dân với điều kiện phải có kế hoạch quản lý, phân phối, điều hòa, sử dụng

hop lý

“Tuy vậy do phân phối không đều theo thôi gian, phần kim tập tung vào mùa

các công tình thủy lợi để phân phối lại nguồn nước theo không gian và điều chỉnh 1, đồng thời phân bé không đều trên toàn bộ lãnh thổ Vì vậy cần phải x

dong chảy theo thời gian một cách hop lý Nguồn nước được sử dụng vào các mục.dich giao thông vận ti, tăng nguồn điện, cung cấp nước cho dân cư và công nghiệp,tưới ruộng, thau chua rửa mặn, nuôi trồng thủy sản.

Cin cứ vào mục đích trên, cần phải xây dựng các công trình thủy lợi bao

‘gdm các lĩnh vực sau:

+ Thủy năng: sử dụng nguồn nước sông, biển để phát điện

+ Thuỷ nông: Dũng biện phip thuỷ lợi để trổi tiê, thau chua rửachống x6i mòn

+ Cung cấp nước và thoát nước cho khu công nghiệp, thành phổ, nông thôn,

nhà máy, nông trưởng, tai chăn môi v.v.

+ Giao thông thuỷ : lợi dụng nước sông, hỗ, bien để phát triển đường thuỷ.

+ Thuỷ sản: lầm hồ nuôi cá va cắp nước nuôi rằng thuỷ sin

Ngoài ra biện pháp thuỷ lợi có liên quan đến công trình phục vụ công cộng

khác như công trình vệ sinh môi trường, công trình phục vụ thể tha vi du lịch+ Khi khai thác nguồn nước, việc thự hiện nguyên tắc lợi dụng tổng hợp rất

phức tạp vì các lĩnh vực thuỷ lợi yêu cầu dùng nước không giống nhau, có ngành.

cần nước thường xuyên như cấp nước, thuỷ điện, có ngành ding nước theo từng

thời kỳ như tưới ruộng; có ngành tiêu phí nước như cắp nude, tưới ruộng, nhưng có

ngành sau khi sử dụng, nước không mắt di như thuỷ điện, vận ti thuỷ, nuôi cá Do

đồ có khi cùng một lúc không thoả mãn được nhiễu ngành thì phải dựa vào nguyên

tắc ưu tiên cho ngành trọng điểm và có chú ý thích đáng đến các ngành khác Mọi biện pháp thuỷ lợi để li dung tổng hợp nguồn nước sẽ mang lại hiệu quả kính tế cao nhất

1.2 Nhiệm vụ công trình thấy lợi [19]

“Công trình được xây dựng để sử dụng nguồn nước gọi là công trình thuỷ lợi[Nhigm vụ chủ yếu của các công rình thuỷ lợi là làm thay đổi, ải biển trang thái tr

nhiên đồng chảy của sông, hồ, biển, nước ngằm để sử dụng nước một cách hợp lý

6 lợi nhất và bảo vệ môi trường xung quanh tránh khỏi những tác hại của đồng

nước gây nên Công trình thuỷ lợi có thé làm hình thành dong chảy nhân tạo dé thoả.

mãn nhu cầu đồng nước, khi ding chay tự nhiên ở nơi dé không đủ hoặc không có.

Căn cứ vào tinh chat tác dụng lên dong chảy, công trình thuỷ lợi có thé chia ra: công trình cing nước, công trình điều chỉnh và công trình dẫn nước.

1.24 Công trình dâng nước

Pho bi nhất của loại công trình ding nước là các loại đập Đập được xây

dựng ngăn các sông suối và hình thành nên độ chênh mực nước trước và sau công

trình gọi là độ chênh mực nước thượng hạ lưu Ở trước đập, cảng gin đến đập, lưu

tốc trung bình của dòng chảy cảng giảm vị < v;< vị < vụ < vs, còn độ sâu của dingchảy cảng tăng hị>h; > hy> hy > hs Sự tăng mực nước ở trong sông làm tăngdiện ch uét của lòng sông và dẫn đến ngập đất ở thượng lưu (hình 1-12) Sự thay

đồi lưu tốc dong chảy ở thượng lưu lâm thay đổi khả năng vận chuyên bùn cát của lòng sông Lưu tốc theo chiều dòng chảy giảm dẫn, các hạt bùn cát trong nước được ling xuống day theo thứ tự từ những bạt lớn sau đồ những hạt bể hơn và khi đến

gần công trình lưu tốc hầu như bằng không nên các hạt ct rit bé cũng được lắng

xuống, nước ở dé rit trong.

Hình 1-1 : Sơ dé đập dâng nước

Sự ding mực nước còn làm thay đổi cả trang thái nước ngằm dưới lòng sông

và hai bên bo Do có độ chênh cột nước thượng ha lưu nên có hiện tượng thắm quanền và vòng quanh công trình qua 2 bên bờ từ thượng lưu về hạ lưu.

"Nước ở thượng lưu cháy về hạ lưu không mang bùn cát, do đó để trở về trạng

thấi cũ của đồng nước, ng sông và bờ ở hạ lưu lại bị bảo mòn xối lờ

Nhu vay công trình dâng nước có ảnh hưởng dén vt cả các yếu tổ của dòng chảy, lòng sông và cả nước ngằm Nhưng nó có hiệu quả lớn, điều chỉnh fru lượng

ở thượng lưu về ha lưu, về mùa lũ nước được giữ lại ở thượng lưu (đối với hỗ chứa)

và được tháo về hạ lưu vào thời kỳ cần thi theo nhu cầu đồng nước Công trình vực kinh tế nước.

dâng nước được ứng dung rộng rãi trong tắt cả các 2 Công trình điều chỉnh dòng chảy

Công trình digu chỉnh để khống chế xói lỡ dng sông, có thể lim thay đổi trạng thái dòng chảy, lim thay đổi hướng của dòng chảy trong giới han lòng sông,

theo yêu cầu cần thiết và bảo vệ lông sông trénh khỏi những tắc hai nguy hiểm của

dong nước Công trình điều chỉnh bao gồm dé, đập, tường, kẻ Các đề đập đó không xây ngăn hết toàn bộ lòng sông, mà chỉ một phần theo hướng của mặt cắt

ngang hoặc có khi theo hướng dọc long sông

Công trình điều chỉnh không kim dâng nước, mà nó có tác dụng làm thay đổi hướng và lưu tốc dang chấy, phân bổ lại lưu tốc và ảnh hưởng đến hình dạng của

lông sông Các công trình này nhằm phục vụ các ngành khác nhau, có thé để giữ độ

sâu, lưu tốc và hình dang lng sông cần thiết cho tàu bề qua lại, đảm bảo điều kiện bình thường để lấy nước từ sông, giờ ôn định bờ sông để đảm bảo an toàn cho dân

cư và nhà máy, xí nghiệp ở ha bên bờ

1.2.3 Công trình dẫn nước.

Những công tình này bao gồm các loại như kênh mương, đường him, cầu

mắng, đường ống làm bằng ác vật liệu khác nhau Cúc công trình đồ chuyển nước

với các lưu lượng xác định vào các mục đích khác nhau

nhà máy thuỷ điện, đưa nước vào tới mộng và đồng cỏ, vào hệ thẳng cắp nước ‘cua thành phố, xi nghiệp, nhà máy , đồng thời nó có thể sử dung làm đường giao thông cho tàu thuyỄn di lại Thuộc loại công trinh dẫn nước này phải kể đến cả

công trình tháo lũ, đó là những công trình tháo nước thừa của hỗ chứa từ thượng

lạ lưu qua đập hoặc hai bên bờ của đập, các công trinh phân lũ sang khuvực khác nhằm giảm lũ sông chính tránh ngập lạt hạ lưu.

1.3 Tang quan về hệ thống công trình thủy lợi & Việt Nam l6]

Hệ thống thuỷ lợi (HTTL) là một tập hợp nhiều công trình trong một không

sian nhất định và phục vụ cho một số nhiệm vụ thuỷ lợi nhất định.

Địa ban phục vụ của một HTTL từ hing chục hecta đến hàng ngàn hecta, có. fing Bắc Bộ, HTTL Te giác Long Xuyên thể trải rộng trên nhiề tỉnh, như HTL Bắc-Hưng-Hải ở đồng

Đầu Tiếng ở Đông Nam Bộ, hệ thống Quản Lộ - Phụng Hi

ở miền Tây Nam Bộ.

Nhiệm vụ của HTTL cũng rit đa dạng: thuỷ nông (tưới, tiêu, cải tạo dip,

thuỷ điện, giao thông thuỷ, cấp thoát nước, thuỷ sản Các HTTL lớn thường là đa mục tiga, đảm bảo Ii đụng tổng hợp nguồn nước, phòng chống thuỷ ta và bio vé môi tưởng, Vi dụ các HTTL, Bắc-HHưng-Hhi, Chu Sơn, Bái Thượng, Dô Lương, Linh Cảm, Thạch Nham, Đồng Cam đều có nhiệm vụ tưới, tiêu, cắp nước; các hệ

thống thuỷ lợi Quản Lộ-Phụng Hiệp, Tứ giác Long Xuyên, Đồng Tháp Mười có

nhiệm vụ tưới, tiêu, cải ạo đất (hau chua, ngọt hỏa đồng ruộng), kết hợp với giao

thông thuỷ.

“Theo số liệu thống ké, đến nay cả nước đã xây dựng 75 hệ thống thủy lợi lớn, 1.967 hỗ chứa dung tích trên 0,2 triệu m`, hơn 5.000 cổng tưới tiêu và trên 10.000 trạm bơm lớn và vừa, mỗi tram có công suất 24,8x106m"% củng hing vạn công trình thủy lợi vừa và nhỏ Xây dựng 5.700 km đề sông, 3.000 km để biển, 23.000 ke bờ bao, hằng ngin cổng đưới đề, hàng trăm km kẻ và nhiều hỗ chứa lớn tham

gia chẳng lũ cho vùng hạ du Tổng năng lực của hệ thống thủy lợi bảo đảm tưới

nước trực tiếp 3.45 triệu ha, tạo nguồn nước cho 1,3 triệu ha, iêu 14 triệu ha, ngăn mặn 0,87 triệu ha, ải tạo chua phén L6 triệu ha, cấp và tạo nguồn cấp nước 5-6 tÿ/năm cho sinh hoạt, công nghiệp, du lịch, dich vụ, 70-75% tổng số dân nông thôn đđã được cấp nước sinh hoạt

Một số hệ thống thủy nông điển hình ở nước ta hiện nay; 1.1 Hệ thống thuỷ lợi Bắc - Hưng Hải

Hệ thông có nhiệm vụ cấp nước cho 124.000 ha đắt canh tác, tiêu ding cho

185,000 ha thuộc các tinh Bắc Ninh, Hưng Yên, Hải Dương và một phin huyện Gia Lâm thuộc thành phố Hà Nội Các công trình đầu mỗi chủ yếu gồm cổng Xuân

Quan là cổng lấy nước tir song Hồng để cấp nước cho hệ thống; các cổng C:

‘An Thổ tiêu nước ra hệ thông sông Thái Bình.

Hệ thống được xây dựng từ những năm 50 của thé ky 20, sau khi hoà bình

lập lại ở miễn Bắc và đã phát huy tác dụng to lớn trong công cuộc khôi phục va phát triển kinh tế ở miễn Bắc nước ta Ngày nay, hệ thống vẫn dang phát huy tác dụng tốt và ngày cảng được cũng cổ, hoàn thiện và mở rộng diện phục vụ.

Hình 1-2 Cống Xuân Quan (HTTL Bắc-Hưng-Hãi).

1.3.2 Hệ thống thuỷ lợi sông Chu

Hệ thống có nhiệm vụ tưới nước cho 50.000 ha vùng đồng bằng Nam sông Mã thuộc tinh Thanh Hoá, cắp nước din dụng và công nghiệp với lưu lượng 1.25 m⁄4 kết hợp với giao thông thuỷ, Công trình đầu mồi là đập Bái Thượng trên sông Chu, Hệ thông kênh gém kênh chính có chiễu di 19.33 km và các kênh nhánh với

tổng chiều dai hang tram kỉ lô mét

HG thống được xây dựng từ năm 1936 với điện tích tưới hạn chế, Đầu năm 1996, công trình được năng cấp v8 cơ bản với việc tôn cao đập ding, mở rộng và tiện đại hoá cổng lấy nước, kênh dẫn nude, mở rộng điện tích tưới.

Hình 1-3 Đập dang Bái Thượng trên sông Chu (khi chưa tôn cao)

1.34, Hệ thống thuỷ lợi Thạch Nham

HG thing thuỷ lợi Thạch Nham thuộc tinh Quảng Ngãi, phạm vi phia Nam sông Vệ Nhiệm vụ của hệ thing là tưới 50.000 ha, cắp nước sinh hoạt cho nhân dân vùng với Q=1,7 m%⁄s Công trình đầu mối là đập dang Thạch Nham Kênh chỉnh của hệ thống dài 35.2 km, trên 46 có xiphông chuyển nước qua sông Vệ là

một công trình tiêu biểu với 2 ống thép đường kính 1,6 m, dồi 226 m, lưu lượng lớnnhất Qmax= 15 m/s.

Hệ thống được xây dựng từ những năm 80 của thé ky 20 và hiện nay dang

tiếp tục được nông cấp và hiện đại hoá 1.3.4 Hệ thống thuỷ lợi Đầu Tiếng

Hệ thống thuỷ lợi Dau Tiếng có công trình đầu mồi li hồ Dầu Tiếng thuộc tính Tây Ninh và bệ thống tưới tải rộng trên các tinh Tây Ninh, Long An, Bình

Duong và Thành phổ Hỗ Chí Minh Nhiệm vụ của hệ thông là tưới 93,000 ha đắt

nông nghiệp, cắp nước cho sinh hoạt và công nghiệp 100 triệu minim. Hồ Diu Tiếng có dung

28 m; đập phụ dai 27 km; kênh chính có chiều dai tổng cộng là 114 km Hệ thống

được xây dựng và hoàn thảnh sau ngày thối

tích toàn bộ là 1,58 tỷ mì; đập chính dài 1,1 km, cao

nhất đất nước, Hiện nay, hệ thông dang tiếp tục được nâng cấp, hoàn thiện và mở rộng diện phục vụ, đặc biệt là trong nh vực cấp nước cho dn dụng và công nghiệp

1.3.5 Hệ thống thuỷ lợi Tứ giác Long Xuyên

ai go đất cho 488.935 ha; cắp

nước tưới cho 282.400 ha khu vực Tây Sông Hậu thuộc các tỉnh An Giang, Kiên

Nhiệm vụ của hệ thông là tiêu ứng, phòng

Giang và một phin của tỉnh Hậu Giang Hệ thống kênh chính dai 708,3 km là kênh kết hợp tới gu và giao thông thuỷ Trong thành phần của hệ thống có cae tuyển để và bở bao ngân lũ, các ống tưới, iu, kiểm soát lũ, trong đó quan trọng nhất à các cing: dip cao su Tri Sư, Bim Chỉnh cổng Tuần Thống, T6, Lung Lớn, Ba Hon, Hệ thống bit đầu được xây dựng từ những năm 80 thể kỳ 20 và hiện nay vẫn tiếp

tục được bổ sung, hoàn thiện, hiện đại hoá và mé rộng phạm vi phục vu.

Hinh 1-5 Đập ding Dim Chich — Kiên Giang 1.4, Vai trò của các loại công trình trong hệ thong:

“Thành phần của HTTL bao gồm công trình đầu mỗi, hệ thống chuyển nước(

hở hay kin ) và các công trình trên đó.

1.4.1 Công trình đầu mồi

"Đầu mỗi của một hệ thống có thé là nơi tạo nguồn nước (hỗ chứa, đập ding,

trạm bơm, cống lấy nước), hoặc chỉ là cống điều tiết ở cuối kênh tiêu đồ ra sông,

biển Ví dụ đập ding Cầu Sơn trên sông Thương là công trình đầu mỗi của HTTL Cầu Sơn (tỉnh Bắc Giang); Cống Xuân Quan dưới đê sông Hồng là công trình đầu mỗi của HTTL Bắc-Hưng-Hải; tram bơm Linh Cảm là công trinh đầu mỗi của HTTL Linh Cảm (Ha Tình), hỗ chứa nước Dầu Tiếng (Tây Ninh) là công trình đầu

mối của HTTL Dầu Tiếng; các cống điều tiết ở cuối các kênh tiêu đồ ra biển là

những công trinh đầu mỗi của hệ thống tiêu như cổng Lân, Thai Bình, các cổng

thoát lũ ra biển Tây ở đồng bing sông Cứu Long

Hình 1-6 Cống Liên Mạc-đầu mối của HTTL Sông Nhuệ 1.42 Công trình chuyển nước

Công trình chuyển nước của HTTL là bộ phận quan trọng để vận chuyển nước từ nguồn (đầu mỗi) đến các hộ sử dụng nước Đường chuyển nước có thẻ bố

trí theo hở (kênh máng) hay kin (đường ống), hoặc kết hop cả bai, tuỷ theo

điều kiện địa hình, địa chất trên từng đoạn Đỗi với các HTTL phục vụ tưới tiêu,

siao thông thuỷ thì hình thức chuyỂn nước bằng kênh hở là chủ đạo Các hệ thông cắp nước din dụng và công nghiệp thường có đường dẫn kín (ngim hoặc lô thiên) để đảm bảo chit lượng nước Hệ thing dẫn nước đến các tram thuỷ điện kiểu đường dẫn có thể làm theo hình thức kín hoặc hở, uy thuộc vio kết quả so sánh kinh t-kỹ thuật các phương án Nói chung, khi địa hình phức tạp, sườn núi dốc, dễ sat lở thì

"hình thức đường dẫn kin là thích hợp hơn.

Một hệ thống din nước phục vụ tưới, tiêu, cấp nước thường gồm kênh (ống)

chính và ác kênh (ống) nhành DSi với hệ thống kênh tưới, sơ đồ bổ b thường theo hình mạng lưới bao gồm kênh chính, các kênh nhánh cấp 1 lẤy nước từ kênh chính, các kênh nhánh cắp 2 lấy nước từ kênh cấp 1 Sơ đồ đánh số các kênh như hình ~ 401

THình 1-7, Sơ đồ bổ trí hệ thống kỳnh tưới 3 Các công trình trên hệ thống

1.4.3.1Các cống lay nước, cống điều tiết

- Cổng lấy nước: bổ ti đầu các kênh nhánh để lấy nước từ kênh cấp trên xuống kênh cấp dưới.

trên các kênh chính hoặc kênh nhinh cấp cao để điều = Cổng điều tiết bổ

tiếu làm dang cao mye nước trước cổng, tạo điều kiện thuận lợi cho vige lấy nước vào các kênh nhánh cắp thấp.

1.4.3.2 Các công trình chuyển nước

Dùng để chuyển tiếp nước khi kênh gặp phải các chướng ngại như sông suối,

đường giao thông, kênh khác.

“Các công tinh chuyển nước thường dùng như sau:

~ Cầu máng: chuyển nước vượt qua sông, kênh hoặc đường giao thông khi

mực nước cao nhất trong kênh chướng ngại, hay trần lưu không cho phép ở đường,

giao thông là thấp hơn cao trình đáy kênh chuyển nước.

= Xi phông ngược (cổng luồn): Chuyển nước vượt qua sông, kênh, hoặc đường giao thông khi mực nước cao nhất trong sông, kênh chướng ngại hay trần lưu

không cho phép ở đường giao thông vượt quá cao tinh đáy kênh chuyển nước.

1.4.3.3 Các công trình nối tiếp

Khi cin hg thấp nhanh cao trình đáy kênh chuyển nước, dùng các hình thức:

~ Bậc nước: khi độ đốc địa hình lớn

e nước: khi độ đốc địa hình khá lớn.

-4 Công trình đo nước.

Céng trình đo nước được đặt ở đầu kênh chính, đầu các kênh nhánh 48 do mực nước và lưu lượng phục vụ cho công tác quản lý, phân phối nước trên hệ

thống, Ngoài ra tai những vị trí cần tht, có thể bố trí các công trình chuyên dùng

để đo các thông số về vận tải thủy, độ bồi xi,

Trên một hệ thống, có thé tận dụng các công trình thuỷ công để đo nước.

Muối xây, hi thiết kế phải bổ tí ác bộ phận có chức năng thích hợp,

1.4.3.5 Các côngnh bảo vệ kênh

“Các công trình này có chức năng bảo vệ bở kênh khỏi bị bồi, xói lờ khi nước.

trong kênh tran ba ra ngoài, hoặc nước từ ngoải tràn vào trong kênh, đặc biệt là khi

kênh chạy dưới chân sườn đồi Thuộc loại này gồm có:

~ Trân bên: đ‘cho nước trong kênh không trin bở gây xói lở bd.

= Cổng tháo cuối kênh: để git cho nước trong kênh không tràn bổ, hay để

sửa chữa

tháo cạn nước trong kênh khi énh và các công trình trên đó.

- Kênh tích nước: bé trí ở phía bờ kênh giáp với sườn dốc để thu nước từ sườn dốc không cho trằn vào kênh dẫn nước Nước trên kênh tách được chuyển thoất ra các vị tí số địa hình ting, từ đổ có cúc công tình chuyển nước cắt qua tuyển kênh.

= Cổng tiêu qua kênh (cổng lun dưới kênh) Thường bổ trí đầu cổng là các hỗ tring thu nước từ sườn dốc; cudi công được nối với các khe lạch tự nhiên gần

với tuyến kênh,

~ Trân băng qua kênh: dùng khi cin chuyển nước từ sườn dốc băng qua kênh, mà bờ phía sườn đốc không có hỗ trăng thích hợp Loại nay thường sử dụng kết hợp

với cầu giao thông qua kênh, Khi phạm vi bổ trí tran băng dài thi có thé thay bằng

một đoạn kênh hộp dẫn nước.3.6 BE lắng cát

Bể lắng bùn cát là một đoạn kênh được mở rộng và khơi sâu để tăng điện

tích mặt cắt, giảm lưu tốc và do đó cho phép lắng dong các hat bùn cát đủ lớn, có

thể gây bồi trên kênh hay mặt ruộng được tưới BE lắng cát cũng có thể được bổ trí trước các xi phông ngược (công luỗn) để tránh bản cát bat lắp ở đáy xiphông Bản

cát lắng đọng trong bể được đưa ra khỏi bể bằng các hình thức khác nhau: nạo vét

thủ công, hút bằng cơ giới (tàu hút bùn), tháo xã bằng thủy lực

1.43.7 Công trình vận tải thuỷ trên kênh

Với các kênh có kết hợp vận tải thuỷ, tại các vị trí có mực nước trên kênh thay đội nhiều thì cin bổ trí âu thuyỂn để cho thuyền bé di ại được an toa,

1.4.3.8 Cầu giao thông qua kênh.

Khi kênh cắt qua đường bộ mà không lâm công trinh chuyển nước kiểu cổng luỗn thi phải bd cầu giao thông vượt qua kênh Khi đồ cao trình đáy dim cầu

phải đặt cao hơn mục nước lớn nhất rong kênh Trường hợp bề rộng kênh lớn, phải

lâm trụ đỡ trung gian ở giữa kênh tì phải xét đến sự ha thấp mực nước trong kênh

phía hạ lưu cầu do thu hẹp mặt cắt (tổn that cục bộ).

"Như vậy trên một HTL, tuy theo nhiệm vụ công trình và các điều kiện địa

chất, địa hình, địa vật cụ thé mà bổ trí các công trình thích hợp để thoả mãn nhiệm

vụ chuyển nước, phân chia nước, đồng thời đảm bảo an toàn cho kênh và khu vực

“Trong tt kế HT, để thuận tiện cho công tc thiết kể, thi sông và quản

lý, cổ thể áp dụng t cho từng loại công trình và từng cấp thích hợp Các

hạng mục thường được áp dụng thiết ké mẫu là cổng lấy nước, cổng điều tiết, cầu giao thông qua kênh, các đoạn (đơn nguyên) của kênh máng.

Tổng quan các phương pháp đánh giá an toàn công trình trong hệ thống hiện hành

Hiện nay trong thiết có nhiều phương pháp tính én định và độ bền công trình.

Các phương pháp được sử dụng phổ biến trong thất kế là phương pháp ứng suất

cho phép, phương pháp hệ số an toàn, phương pháp trạng thái giới hạn và phương pháp tính công trình theo lý thuyết độ tin cd

1.5.1 Phương pháp ứng suất cho phép [19]

“Theo phương pháp này, điều kiện bền có dang:

Phương pháp hệ số an toàn được img dung trong tính toán én dinh công tỉnh

với biểu thức kiểm tra điều kiện an toàn như sau:

Trong đó: K - hệ s

tổ gây mắt ôn định Fi; Ky là hệ

an toàn, là tỷ lệ giữa yêu tổ (lực hay mômen) giữ F, và yếu

an toàn cho phép,

Trong tính toán thiết kế, người thiết kế thường lựa chọn công thức tính toán hệxố én định K đã được th

thể, Hệ số an toàn cho phép K,„ được xác định theo tiêu chuẩn kĩ thuật được chọn.

lip cho từng loại công trình và cho từng sơ đồ tính cụ

làm tiêu chuẩn thiết kế.

1.5.3 Phương pháp trạng thai gi han [19]

Phương pháp tinh theo trang thái giới han là việc sử dung một nhóm các hệ số an toàn mang đặc trưng thống kê: hệ số tổ hợp ải trọng n, hệ số điều kign lâm việc m, hệ số tin cậy K,, hệ số lệch tải n, hệ số an toàn vẻ vật liệu Ky Nhóm các hệ số này thay thé cho một hệ số an toàn chung K Vì vậy phương pháp này còn được gọi

là phương pháp nhiều hệ số an toàn,

Người ta phân biệt 2 nhóm trạng hải giới hạn

Trạng thái giới hạn thứ nhất ~ công tình, kết cấu và nền của chúng tim việc trong điều kiện khai thác lợi nhất, gồm: các tính toán về độ bền và ổn định chung của hệ công trình - nền: độ bÈn thắm chung của nền và công trinh dắt độ bền của các bộ phận mà sự hư hỏng của chúng sẽ làm cho việc khai thác công trình bị ngimg tệ: các tỉnh toán về ứng suất, chuyển vị cña kết cầu bộ phận mà độ bin hoặc

độ n định công trình chung phụ thuộc vào ching v.v

“rang thái giới hạn thứ hai ~ công tình, kết edu và nén của chúng làm vi

bắt lợi ong điều kiện khai thác bình thường, gồm: các tỉnh toán độ bin cục bộ của nền; các tinh toán vé hạn chế chuyển vị và biển dạng, về sự tạo thành hoặc mở rộng vết nứt và mỗi nỗi thi công: về sự phá hoại độ bền thấm cục bộ hoặc độ bin của kết cầu bộ phận mà chúng chưa được xem xét ở trạng thái giới hạn thứ nhất.

Theo QCVN 04-05: 2012 điều kiện dim bảo én định hay độ mR

hà nN SẮC” (3)

in của công trình

trong đố: Ny tị số tính toin của tải trọng tổng hợp Tải trong tính toán được xác

định bằng cách ty tải trọng tiêu chuẳn nhân với hệ số ệch tả m:

Rịc - cường độ tiêu chuẩn của vật liệu;

Khu, hé số an toàn vé vật liệu, Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất, với kết cầu kim loại, Ky = 1,5 Khi

lấy Ky, = 1,0.

tod theo trang thái giới hạn thứ hai,

Hệ số 6 hợp ti trong.

m Hệ số điều kign làm việc

K,,= HG stn cậy xế đến tằm quan trọng (cép) của công tình, các hậu

quả khi xây ra trang thái giới hạn

1.5.4 Phương pháp tính theo lý (huyết độ tin cậy [6] I8] 4.1 Sự hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiề

Sw tiến triển logic của các phương pháp thiết kế công trình đã được tổng kết như sau Ban đầu chúng được tỉnh theo các phương pháp tắt định (theo ứng suất cho

phép và hệ số an toàn), với tiên đề là ải trọng và độ bén tính toán đã được mặc định.

trong suốt quá trình làm việc của công trình Thực tế thi các him tải trọng và độ bền

chịu ác động của rất nhiều yêu tổ khác nhau, và biến đổi theo quy luật ngẫu nhiênVi vậy việc ấn định tước các giá tr tính toán của chúng trong suốt thời gian vận.

hành của công trình là chưa thoả đáng Bù lại, để tăng mức độ dự trữ an toàn, người

ta phải giảm bớt các trị số ứng suất cho phép, hay tăng hệ số an toàn cho phép lên.

Việc tăng hay giảm nảy không tranh khỏiêu tổ chủ quan.

Sự phát tiển phương pháp trang thối giới hạn là một bước tiến trên conđường ải tiến các phương pháp thiết kế công trình Phương pháp trang tái giới hạn

thực chấlà phương pháp bản ngẫu nhiên, ở đây các hệ sổ an toàn cục bộ (n, Kạ,m, Kyu) được xác định theo con đường xúc suất thống kê.

Bước tién tiếp theo là việc chuyỂn sang các phương pháp ngẫu nhiên tongkhuôn khổ lý thuyết độ tin cậy Lý thuyết này xét đến bản chất thay đổi thường

xuyên của tải trong và tác động,khai thác chúng.

Những năm thập ky 60 và T0 của thé ky XX trên thé giới đã có những công trình công bố vé ứng dụng lý thuyết độ tin cậy vào lĩnh vực kết cấu xây đựng Các khái niệm về “Xác suất đảm bảo không bị phá hoại” cũng như tính toán các xác.

này đã trở nên quen thuộc trong lĩnh vực kếtcẫu xây dựng.

Lý thuyết độ tin cậy cũng đã được ứng dụng vào lĩnh vue tính toán công trình thủy từ những năm thập kỹ 90 của thể ky XX Các thiết kể ngẫu nhiên và các thiết kế rủi ro được phat iển khá mạnh mẽ trong lĩnh vực công tình biển và công trình bảo vệ bờ,

'Ở nước ta, lý thuyết độ tin cậy cũng đã được xâm nhập vào từ những năm 60, từ đó đến nay nó không ngừng được phát triển Dau tiên là sự truyền bá lý thuyết 1 những sich địch, bài giảng, giáo mình ging dạy rong các trường đại học, tp

cđến là các công trình nghiên cứu trong khuôn khỏ các luận văn thạc sĩ, luận án tiếnsĩ trong các ngành Giao thông, Kết cầu xây dựng, Công trình thủy, Dé và công nh

"bảo vệ bở Trong lĩnh vực kết cấu xây dựng đã có những quy định ban đầu về tính độ tin cậy kết cấu So với thé giới ứng dụng lý thuyết này trong lĩnh vực công trình

xây dựng của Việt nam dang côn là mối me.

1.5.4.3 Các cắp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên

“Trong trường hợp tắt cả các ngu)n nhân xảy ra hư hỏng công trình cổ thể

liệt kế và xác suất xây ra hu hỏng đó có thể chắc chắn được xác định thi về nguyễn tắc có thể xá định được xác suất xảy ma sự cổ Vi vây, hoàn toàn có thé đưa ra một phương pháp tiếp cận mới trong thiết kế công trinh với ý tưởng "Cần xem xét về mức độ có thể xây dựng tiêu chuẩn an toàn công trình căn cứ vào phân tích rủi ro cho tt cả các yếu tổ liên quan” Dây là lý do cơ bản của sự phát tiển phương pháp

“Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tich độ tin cậy”

Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên là phương pháp thiết kế đựa trên cơ sở toán xác suất thống kế để phân tích tương tác giữa các biến ngẫu nhiên của tải trọng và của sức chịu tái trong các cơ chế phá hoại theo giới hạn làm việc của công trình Trong thiết kế ngẫu nhiễn, ắt cả các cơ chế phá hỏng được mô tả bôi mô hình

toán hoặc mô hình mô phỏng tương ứng Tính toán xác sult phá hồng của một bộ

phận kết cấu hoặc của công trình được dựa trên hàm độ tin cây của từng cơ chế phá

Cae cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên được

chia ra làm bổn cấp độ:

* Cấp độ 0: Là phương pháp thiết kế tắt định — phương pháp hệ số an toàn Thiết

kế dựa trên cơ sở các trang thai trung bình, các trị trung bình và kèm theo hệ số antoàn thích hợp tương ứng với mỗi loại công trnh;

* Cấp đã I: Là phương pháp thi tắt định — phương pháp trang thái giới hạn ay là phương pháp tiếp cận bán ngẫu nhiên Trong thiết kế sử dụng sắc 1 nhôm các hệ số an toàn cục bộ (nm, Kụ n, Ky) để ng giá trị

của ải trong và giảm giả tì của độ ben,

* Cấp độ II: Là phương pháp thiết kế ngẫu nhiên Cấp độ này bao gồm một số

phương pháp gần đóng để biển đôi hàm phân phối xác suất sang dạng

hàm phân phối chuẩn hay phân phối Gaussian Dé xác định gn đúng các giá trị xác suất xây ra sự cổ, quá trình tuyến tính hóa toán học các

phương tình liên quan cin được thực hiện

* Cấp độ II: Là phương pháp thiết kế ngẫu nhiên Theo cấp độ tiếp cận này, các hàm phân phối xác suất của các biển ngẫu nhiên được xem xét hoàn toàn đúng với quy luật phân phối hực của chúng Trường hợp bài toán phi tuyển, vin để cũng sẽ được giải quyết theo phi tuyển

1.6, Kếtluận chương 1

Từ nh cắp thiết và mục tu của đề ti, rong chương 1 của luận văn đã lâm

rõ được những nội dung sau

Néu được chức năng, nhiệm vụ của công trình thủy lợi đồ với nền kinh tế quốc gia Thủy lợi phục vụ nhiều mục đích như tưới nước trong nông nghiệp, phát triển nguồn điện chô công nghiệp, cho sinh hoạt, cung cấp nước cho đời sống sinh

hoạt, nhà máyxi nghiệp, cho nuôi trồng thủy sản phát triển hệ thống giao thông,

thủy, chống lũ lục Vì thé công te thiy lợi đông vai trồ quan trong trong nn kin tế Je din và đời sống của nhân dân

“Tổng quan được các phương pháp đánh giá én định công trình trong hệ thông48 là: Phương pháp ứng suất cho phép, phương pháp hệ số an toàn, phương pháp

trạng thái giới hạn và phương pháp lý thuyết độ tin cậy Từ cái nhìn tổng quan đó có

những nhận định, phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp này.

Có cải nhìn tống quan về hệ thống công trình thủy lợi về chức năng nhiệm vụ, của các công trình cụ thể trong bệ thống thủy lợi Xuất phát từ thực tế khai thác sắc hệ thing công tình thuỷ nông, cho thấy không it hệ thing công trình bị sự cổ dẫn đến phi huỹ công trình với nhiễu lý do khác nhau trong đó có những yếu tổ không được xét đến do hạn chế của các phương pháp trong tinh toán truyền thống

nên đã gây ra những tôn thất dng tiếc đối với sin xuất, kinh 8, an toàn môi trườngvà con người Hơn nữa, các nghiên cứu trước đây mới chỉ đừng lại ở việc nghiêncứu đánh giá én định cho một công trình cụ thé, đơn lẻ mã chưa có một nghiên cứu

nào nhằm đánh giá én định kỳ thuật về kết edu của một nhóm công trình cũng như ‘ca hệ thống công trình thủy lợi.

Mie tiêu của luận văn chính là nghiên cứu khắc phục các khiếm khuyẾ phương phip tinh truyén thống bằng cách dựa trên áp dụng các phương pháp xác suất của lý thuyết độtn cậy để đánh giá và từ đó nâng cao chất lượng như mong

muỗn của các hệ thông công tình thuỷ nông xây đựng tong điều kiện Việt Nam,

"Đồ cũng là xu hướng phát triển hiện nay trên thé iới nhằm góp phần nâng cao năng

suất nông nghiệp, bảo đảm an toàn lương thực

Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, nhiều hệ thống công trình thủy lợi được

xây dựng đã lâu, xuống cấp nhưng không được đầu tư nâng cắp thỏa đáng mà hẳu như sửa chữa mang tính chấp vá, không đồng bộ Vì vậy, việc xây dựng phương pháp đánh giá én định hệ thống công trình thuỷ nông theo độ tin cây được nghiên

cứu trong luận văn không chỉ nhằm phục vụ xây dựng mới hệ thống, đúng địa chi,

mang li hiệu quả cao (túc là kiểm soát được chất lượng công trinh và của hệ thống

theo độ tin cậy) ma côn có thể hỗ trợ cho việc lập và so sánh các phương án tu sửa,

nâng cấp các công trình dang khai thác thuộc hệ thống thuỷ nông.

CHUONG 2

CO SỞ LY THUYET ĐÁNH GIA AN TOAN ON ĐỊNH HE THONG CONG TRÌNH THỦY LỢI THEO LY THUYET ĐỘ TIN CAY.

212d

i thiệu phương pháp lý thuyết độ tin cậy

thiệu chung [9]

Hiện nay trên thé giới, lý thuyết ngẫu nhiên đang được dùng tương đối pho biển trong những nghiên cứu, tỉnh toán phân tích an toàn hệ thống như hệ thông

phòng lũ, hệ thống công tình xây dựng Trong lĩnh vực công trình xây dựng, nhiều

nước iên tiễn trên thé giới như các nước ở châu Âu, Mỹ, Nga, Trung Quốc wv đã

.đưa ra những tiêu chun an toàn công tình theo xác suất an toàn cho phép hoặc độtin cậy an toàn của công trình.

Hiện nay tại Việt Nam đang sử dụng hỗn hợp các phương pháp: phương pháp.

ứng suất cho phép, phương pháp hệ số an toàn và phương pháp trang thái giới hạn cing với mô hình thiết kể truyền thống để tính toán công trình Theo mô hình thiết

kế này ti trong và độ bền tinh toán được mặc định trong suốt quá trình kim việc của

sông tình Nhưng thực tẾ các him tải trong và độ bén chịu tác động củ rit nhiễu yêu tổ khúc nhau và biển đổi theo quy luật ngẫu nhiên Vì vậy quan niệm vé quan hệ giữa tải trọng và sức chịu tải của công trình trong quá trình làm việc của mô hình. thiết kế tuyển thông ngày cảng trở nên lạc hậu Xu hướng tiến bộ hiện nay là thiết

kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy Như ở Chương I tác

siả đã tình bày mức độ tiếp cận với phương pháp thiết kể hiện dai này hiện được

chỉa raở các cấp độ khác nhau

- Tiếp cận mức độ xác suất cấp độ 0, thiết kế truyền thống, sử dụng phương

pháp hệ số an toàn.

= Tiếp cận mức độ xác suất cấp độ I, thiết kế bán xác suất, sử dung phương pháp nhiễu hệ số an toàn (phương pháp trang thái giới hạn)

~ Tiếp cận xác suất cấp độ II và cắp độ III, phương pháp tiếp cận ngẫu nhiên.Mite độ Il trong đó các hàm phân bổ của các biễn được giữ nguyên quy luậtphân bổ và các ính toán không sử dụng các phương pháp gn đúng Cấp độ I,

trong đó sử dụng các phương pháp gần đúng để biến đổi luật phần bổ của cúc ti trong và sức chịu tải về các him phân bổ chuẳn, ede tính toán sử dụng các phương

pháp xác suất gần đúng

Luận văn đi sâu vào nghiên cứu tính toán ôn cho một hệ thông thủy lợi nhỏ.

"bao gồm hai cổng điều tiết và một đoạn kênh làm cơ sở thiết lập ba toán phân tích

48 tin cậy an toàn cho hệ thing, tiếp cận với lý thuyết ngẫu nhiên ở cấp độ IL

nhân xây ra sự cổ cổng và đoạn kênh dẫn nước có thể liệt k

“Thắm, trượt, lật, ứng suất nén, đẩy nỗi của cổng; thắm, trượt, lún, tran bên của mái kênh Từ trước đến nay kh tính toán bn định của các công tình trong hệ thống theo

phương pháp tính truy thông chưa phản ảnh được hết những bất lợi mà công trình

gây ra Việc tính toán thiết kế kết cấu công trình dựa trên các Tiêu chuẩn quy phạm,

trong đồ coi các yêu tổ bắt định là "iễn định” kèm theo các hệ số an toàn Cách tính

toán này được gọi là phương pháp tính theonô hình tiễn định”, không phản ánh

duge bản chat ngẫu nhiên của các tác động, do đó không thể đánh giá đúng đắn chất lượng của kết cấu công tình thực Theo ý tường của phương pháp luận nêu tn, người ta hoàn toàn có thé đưa ra một phương pháp tiếp cận mới rong thiết kế công

trình với ý tưởng "Cần xem xét vé mức độ có thể xây đựng tiêu chuỗn an toàn côngtrình căn cứ vào phân tích rủ ro của tt cả các yếu tổ liên quan" Đây chính là lý đo

cơ bản cho sự phát triển "Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích

độ tin cậy"

Lý thuyết cơ bản của các phương pháp xác suất thống kê

Việc mở rộng cơ bản của thiết kế tắt định được giới thiệu bằng các phương pháp xác suất thống kê là các him mật độ hai chiều hay các hàm mật độ xác suất

nối kết của sức bền và tải trong fs(R,S) được đưa vào trong tính toán hơn là dùng

các giả tị thiết kế đặc trưng Các dạng hàm số này có mặt sống nhiều hay it trên

miễn không gian hai chiều, bit kỳ một điểm nào trên đó sẽ mô tả bằng khoảng cách S và R dọc theo các trục tọa độ Các him mật độ xác suất riêng từng phần fy va fy được xây đụng từ phần chia cia và S của khối lượng xác định bởi fs Việc tính toán xác suất phá hỏng của một thành phần được dựa trên him độ tin cậy của từng cơ chế phá hỏng Him độ tin cậy Z được thiết lập căn cứ vào trạng thái giới hạn.

tương ứng với cơ chế ph hỏng dang xem xé, và là him của nhiều biến và tham số

Theo đó,

xây ra nếu Z nhận các gi tỉ còn lại (xem hình 2.1), Do đó xác xuất phi hông được

ngẫu nhíR-S < 0 được coi là có xây ra hư hỏng va hư hỏng không,

Muốn tính được độ tin cậy của công trình, người thiết kế phải có đủ số

phần phối ngẫu nhiên cia tải trọng và độ bền từ đổ kết hợp với cúc yếu 6 ảnh

hưởng bên ngoài tiễn hành phân phối xác suất và đánh giá độ tin cậy công trình.Số liệu thống Số liệu thống

kế tải trọng kế độ bên

- ảnh hưởng của môi trường

‘Tinh ứng suất [— |- Ảnh hưởng hình dang của công trình | —~| Tịnh độ bén

= Quan hệ giữa các bộ phận

Phan phối xác| Tinh độ tin cay| Phan phối xác|suất ứng suất suất độ bên

2.1.2 Những wu điểm khi sử đụng lý thuyết độ tin cậy

Tinh toán khả năng én định của một công trình theo phương pháp thiết kế truyền thống thông thường được gọi là phương pháp tắt định Theo phương pháp này các giá tr thiết kế của tai trọng và các tham số độ bên được xem là xác định,

tương ứng với từng trường hợp và tổ hợp thiết ké riêng Vi dụ trong thiết kế cổng,

lấy nước, tương ứng với mỗi giá trị thn suất thiết kế, mực nước và kích thước thân

cổng được xác định và được coi là tải trọng thiết kế, dựa vào tiêu chuẩn quy địnhthiết kế, hình dang va các kích thước của công trình được xác định Các tiêu chuẩn

quy định này được xây dựng rên các trạng thái giới hạn của cơ chế phá hong, trong

đồ cổ kể đến số dư an toàn hông qua hệ số an toàn

Theo phương pháp thiết kế tất định, công trình được coi là an toàn khi

khoảng cách giữa sức chịu tải và tải trọng tác dụng da lớn để đảm bảo thỏa mãn.

từng trang thái giới hạn của tắt cả các thành phan công trình Một sé hạn chế tiêu

bigu của phương pháp thiết kế tt định có thể được nêu như sau:

+ Trên thực tế, chưa xác định được xác uất phá hông của từng thành phần

1g như toàn hệ thông.

+ Chưa xót đi sh tổng thể của một hệ thống hoàn chỉnh.

+ Không so sánh được độ bền của các mat cắt khác nhau về hình dạng và vị

+ Không đưa ra xác suất gây thiệt hại và mức độ thiệt hại của ving bảo vé

(sác suit xây ma sự công trình )

“Các phương pháp xác suất thẳng ké trong thực tế là một sự mở rộng các

phương pháp truyền thống, Van đẻ lựa chọn một hệ số an toàn thích hợp được giải

“quyết một cách có hệ thống bằng cách sử dụng các công cụ thing ké để miễu tả các

thuộc tinh ngẫu nhiên của cả sức bén vit liệu và ti tron,

“Trong giải pháp này, một phạm vỉ an toàn được thu nhận bằng cách đưa vào

trong tinh tin tắt cả những bắt định, không chắc chin của các biển ải trong và các biển sức bên, Bằng cách chấp nhận một xác suất sự cố nào đó, người thiết kế hiệu

chinh phạm vi an toàn một cách hợp lý

Tính toán công trình theo lý thuyết độ tin cậy là sự phát triển có tính logic

phát triển dẫn từng bước từ phương pháp hệ số an toàn, phương pháp nữa xác suất, dể phân tích các biên tải trọng, sức chịu tải của vật lệu, tinh chit kết cấu và điều kiện làm việc của công trình.

Sự khác nhau căn bản giữa thiết kế tuyển thống và thiết kế the lý thuyết độ

tin cậy là ở chỗ, phương pháp thiết ké theo lý thuyết độ tin cậy (phương pháp thiết

kế ngẫu nhiên) dựa rên xác suất hoặc tin suất chấp nhận thiệt hại của vũng ảnh hưởng Kết quả được đưa ra là xác suất hư hỏng của từng thành phần công trình toàn bộ hệ thống Vì vậy có thể nói thiết kế ngẫu nhiên la phương pháp thiết kế tổng hợp cho toàn thé hệ thing Xác suất chấp nhận thiệt hại của ving ảnh hưởng phụ

thuộc vào vị tí, mức độ quan trong của khu vục, mức độ thiệt bại có thể và tiêu

chuin an toàn của từng vũng timg quốc gia Với lý do này, thay vi xác suất xác

inh chấp nhận thiệt hại bằng việc xác định mức độ chấp nhận rủi ro, bởi vì mức độ

rãi ro là hầm phụ thuộc giữa xác suất xảy ra thiệt hại và hậu quả thiệt hại

inh nghĩa chung về mức độ rủi ro là tích số của xác suất xảy ra thiệt hạ và

hậu quả thiệt hại: Mức độ ri ro=(Xúc suất xảy ra thiệt hai) x (Hậu quả thiệt hại) Ly thừa n phụ thuộc vio tinh trang của đổi tượng phản tích (hệ thống) thông thưởng lấy bằng 1

Vay những ưu điểm chính của giải nhấp xác suất thống ké so với giải pháp tắt định truyền thống là

+ Đánh giá tốt hơn các thống kê sức bên và tải trong

+ Ngăn chặn những bảo thủ trong thiết kể không cần thiết dưa đẫn việc tết kiệm chỉ phí xây dựng.

+ Đưa những phương tiện để đánh giá quản lý, bảo dưỡng và đánh giá số iệu đổi với quản lý.

2.2 Cơ sử toán học của phương pháp ngẫu nhiên2.2.1 Tỉnh toán cắp độ 1:

Mot cách tổng quit, hiện nay các thiết kể được dựa vào các tiêu chuẩn và hướng dẫn thiết kể, Trong dé các thông số độ bên được gin giảm bằng các hệ số đặc trưng, các thông số ải trong được gia tăng bing cúc hệ số ải trọng Thể hiện theo

+ yn - Hệ số an toàn của độ bên;

+ — Hệ số an tod của tải trong.

Các giá trị đặc trừng của thông số độ bên và ti trọng được tính theo công thức 2.2:

Rey theory

S= Hy thos 2) Một số sich hướng dẫn thiết kế gần đây đã liên kếttính toán theo biểu thức

nh toán xác suất xây ra sự cổ ở mức độ I Sự kết hợp này được thể hiện trong định nghĩa diễm thiết kế "Điểm thiết kế là điểm nằm trong miễn sự cố với mật độ xác suất kết hợp của độ bền và tải trong là lớn nhất” Vi vậy ma giá tị độ bỀn và ti trọng tại điểm sự cổ gin vớ giá tị ti điểm thết kế

Tính toán cấp độ II bao gồm một số phương pháp gan đúng đẻ biến đối hàm. phân phối xác suất sang dạng him phân phối chuẳn hay phân phối Gaussian Để xác

định gần đúng các giá trị xác suất xây ra sự cổ, quá trình tuyển tính hóa toán học

các phương trình liên quan cần được thực hiện

“Tủy thuộc dang him tin cậy và phân bố các biển ngẫu nhiên cơ bản mà các

trường hợp tính toán cấp độ này bao gôm:

+ Trường hợp (1): Ham tin cậy tuyển tính với các biển ngẫu nhiên cơ

“Trường hợp này việc tính toán xác suất xảy ra sự cổ à đơn giản bằng cách sit dụng các giá trị kỳ vọng và độ lệch chuẩn của các biến cơ bản Trị số độ tin cậy.

cđược xác định theo biểu thức 2.6:

pate G6

“Trong đó, 41, 6, được tinh theo công thức 2.7 đưới day:Hàm tin cậy: Z=a,X, + Ắo + + a,X, +b

Kỳ vọng He =Aibs, ty, boob dbl, +B @7)

` = `.

Các biến ngẫu nhiên cơ bản Xj, Xa Xs tuân theo luật phân bổ chuẩn thi Z cũng li him phân b6 chuẫn Xác suất ZO được xác định thông qua hàm phân bổ tiêu chuẩn:

(0~, 2

?ữ<0=®| 2g ®(-) (2.8)

* Trường hap @)- Hàm tin cây phi tuyến với ác biến ngẫu nhiên phân bổ chun: Trường hợp ham tin cậy là hàm phi tuyến của một số biến co bản độc lập có phân b6 chun thi hàm nay sẽ không phân bổ chuẩn Có thể sử dụng phương pháp

khai triển Taylor (lấy 2 số hạng đầu tiên của đa thức) để xác định hàm tin cậy Z gần

ing Biểu thức gin đúng có dạng 29

Zaye ar SE CMe, xu) 69) Biểu thức gin đúng trên của Z là tuyến tinh nên theo định lý giới hạn trung, tâm thì Z phân bố chuẩn Khi đồ kỳ vọng và độ ch chu của him độ tin cậy có thể được tính gần đúng với giá trị kỳ vọng và độ lệch chuẩn của hàm tuyến tính hóa

theo công thức 210, 2.11

= 8%) +S (Xu, Xa) (2.10)

(Qua biểu thức 2.13 nhận thấy rằng việc tính toán gi ding của B

thông qua tuyển tính hóa him tin dy phụ thuộc vào việc lựa chọn điểm tuyển tinhhóa của him, Nhưng theo Hasofer và Lid thi chỉ số độ tin cậy không phụ thuộc.

vào hàm tin cây có phối là hầm tuyển tính không Vì vậy, cần

tại đúng điểm thiết kế (điểm thiết kế là điểm nằm trên biên giữa vũng an toàn và vùng không an toàn) Có nhiều phương pháp dé tìm điểm thiết kế thông qua quá

trình lặp, nhưng có hai phương php thường đồng là phương pháp giải tích và