Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ THỊ MINH GIANG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI

TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ THỊ MINH GIANG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI

TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng

Mã số: 9580211

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 TS Phạm Quang Tú

2 GS.TS Trịnh Minh Thụ

HÀ NỘI, NĂM 2024

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Lê Thị Minh Giang

ii

LỜI CÁM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Phạm Quang Tú và GS.TS Trịnh Minh Thụ đã tận tình hướng dẫn, góp ý các ý kiến khoa học và học thuật giúp tác giả hoàn thành bản luận án tiến sĩ

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Công ty cổ phần Tư vấn xây dựng điện 1 (PECC1) đã tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả thu thập các số liệu thí nghiệm trong phòng, thí nghiện hiện trường tại công trình thủy điện A Lưới; số liệu quan trắc thực địa tại công thủy điện Xekaman 3 để phục vụ cho công tác nghiên cứu của luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Thủy Lợi đã giúp đỡ, chỉ dẫn và đóng góp ý kiến quý báu cho tác giả hoàn thành bản luận án

có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng đào tạo, Bộ môn Địa kỹ thuật, Bộ môn Thủy điện

và Năng lượng tái tạo – Khoa Công trình và các phòng, khoa, ban liên quan đã tạo mọi điều kiện tốt nhất và giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án Tác giả gửi lời cảm ơn sâu sắc tới người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, khích

lệ và chia sẻ những khó khăn với tác giả trong thời gian thực hiện luận án

iii

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Nội dung nghiên cứu 3

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

7 Những đóng góp mới của luận án 4

8 Bố cục của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH 5

1.1 Tổng quan về hầm thủy điện 5

1.1.1 Hầm thủy điện trên thế giới và ở Việt Nam 5

1.1.2 Các công nghệ thi công chính cho hầm thủy điện 6

1.1.3 Kết cấu gia cố hầm và vỏ hầm thuỷ điện 8

1.1.4 Các vấn đề thường gặp đối với ổn định hầm thủy điện đi trong đất đá 11

1.2 Phương pháp tất định trong phân tích ổn định hầm thủy điện 15

1.2.1 Phân tích ổn định hầm thủy điện trong giai đoạn thi công 15

1.2.2 Phân tích ổn định hầm thủy điện trong giai đoạn vận hành 23

1.3 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện 26

1.3.1 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực kỹ thuật công trình trên thế giới và ở Việt Nam 26

1.3.2 Một số nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện 29

1.4 Kết luận 35

iv

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TẤT ĐỊNH TRONG PHÂN TÍCH HỆ VỎ HẦM THỦY

ĐIỆN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH 38

2.1 Lựa chọn phương pháp tất định phân tích ổn định hệ vỏ hầm trong giai đoạn thi công và vận hành 38

2.2 Mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm 39

2.2.1 Mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm giai đoạn thi công 39

2.2.2 Mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm giai đoạn vận hành 41

2.2.3 Lời giải của mô hình số 42

2.3 Khảo sát mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm bằng RS2 cho hầm thủy điện ở Lào 48

2.3.1 Các thông số vật liệu và sơ đồ chất tải 49

2.3.2 Kết quả tính toán 51

2.4 Kết luận 58

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN 60

3.1 Cơ sở lý thuyết độ tin cậy trong địa kỹ thuật công trình 60

3.1.1 Biến ngẫu nhiên và phân bố xác suất 60

3.1.2 Hồi quy và phân tích tương quan 64

3.1.3 Cây sự cố và cây sự kiện 69

3.1.4 Hàm trạng thái và độ tin cậy của phần tử 70

3.1.5 Độ tin cậy của hệ thống 72

3.1.6 Mô phỏng Monte Carlo và công cụ tính toán 73

3.2 Xây dựng sơ đồ phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện theo lý thuyết độ tin cậy 74

3.2.1 Tải trọng và sức kháng trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện theo lý thuyết độ tin cậy 74

3.2.2 Sơ đồ cây sự cố trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm theo lý thuyết độ tin cậy80 3.3 Kết luận 87

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN A LƯỚI 89

4.1 Giới thiệu 89

4.2 Sơ lược về công trình thủy điện A Lưới – Thừa Thiên Huế 89

4.2.1 Cấu trúc địa chất tại công trình thủy điện A Lưới 89

v

4.2.2 Điều kiện địa chất tuyến hầm thủy điện A Lưới 91

4.3 Phân tích các thông số môi trường đá 93

4.3.1 Phân tích chất lượng khối đá 93

4.3.2 Xác định các chỉ tiêu cơ học công trình của khối đá 97

4.4 Phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới theo lý thuyết độ tin cậy 106

4.4.1 Các thông số và sơ đồ chất tải 106

4.4.2 Phân tích ổn định hệ vỏ hầm trong giai đoạn thi công 112

4.5 Thảo luận 125

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127

1 Những kết quả đạt được 127

1.1 Tổng quan về ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện và môi trường đất đá xung quanh 127

1.2 Lý thuyết tất định trong phân tích hệ vỏ hầm thuỷ điện và môi trường đất đá xung quanh 128

1.3 Lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện 129

1.4 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện A Lưới 130

2 Những đóng góp mới của luận án 131

3 Tồn tại và hướng phát triển 131

3.1 Tồn tại 131

3.2 Hướng phát triển 132

4 Kiến nghị 132

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 134

TÀI LIỆU THAM KHẢO 135

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hầm thủy điện trong tuyến năng lượng của trạm thủy điện 5

Hình 1.2 Biểu đồ kết cấu chống đỡ hầm theo giá trị Q [21] 9

Hình 1.3 Cấu tạo neo kết dính bằng xi măng [22] 9

Hình 1.4 Các hình dạng khung chống của vì thép (a, b) và liên kết thép hình trong hệ khung (c, d) [17] 10

Hình 1.5 Tỷ lệ các loại sự cố trong thi công hầm trên thế giới (theo số liệu [25]) 12

Hình 1.6 Tỷ lệ các loại sự cố trong thi công hầm ở Việt Nam (theo số liệu [26, 27]) 12

Hình 1.7 Neo nêm cho sự cố đá rơi trong hầm đi trong đá [22] 17

Hình 1.8 Gia cố mái hầm dạng dầm khi hầm đi trong khối đá phân lớp nằm ngang [14] 17

Hình 1.9 Sơ đồ tạo vòm chống nhân tạo của hệ neo [45] 18

Hình 1.10 Phương pháp biến dạng hội tụ và áp lực xung quanh [46] 19

Hình 1.11 Đường đặc trưng biến dạng của hệ kết cấu chống đỡ hầm sử dụng 3 loại kết cấu chống đỡ khác nhau [46] 20

Hình 1.12 Các dạng sơ đồ kết cấu của vòm 21

Hình 1.13 Sơ đồ phân bố tải trọng cho kết cấu vòm cao không khớp giai đoạn thi công 22

Hình 1.14 Kiểu kết cấu vòm trong tính toán ổn định hầm 24

Hình 1.15 Sơ đồ tính toán và phân bố tải trọng cho kết cấu vòm cao không khớp 24

Hình 1.16 Sơ đồ tính toán và phân bố tải trọng cho hệ vỏ hầm được thay thế bằng hệ thanh dầm nối tiếp [20] 25

Hình 2.1 Mô hình cơ học của môi trường đất đá 42

Hình 2.2 Cấu tạo neo dùng trong gia cố hầm 44

Hình 2.3 Hệ kết cấu chống đỡ bằng vì thép [110] 44

Hình 2.4 Ứng suất dọc trục (a) và ứng suất cắt (b) trong tiết diện kết cấu vỏ hầm dưới ảnh hưởng của nội lực M, P và Q 46

Hình 2.5 Ứng suất trong mặt cắt ngang thép hình khi chịu đồng thời lực P và M 46

Hình 2.6 Ứng suất trong mặt cắt ngang BT chèn khi chịu đồng thời lực P và M 46

Hình 2.7 Ứng suất trong mặt cắt ngang BTCT khi chịu đồng thời lực P và M 46

Hình 2.8 Mặt dọc tuyến đường ống áp lực sau tháp điều áp 49

Hình 2.9 Mặt cắt ngang đoạn hầm số 10 trong đới đá IB 49

Hình 2.10 Biến dạng biên hầm tiết diện vòm ngược trong mô hình số bằng RS2 52

Hình 2.11 Ứng suất BT chèn trong vì thép qua các bước tính toán 56

Hình 2.12 Ứng suất thép I160 trong vì thép qua các bước tính toán 56

Hình 2.13 Ứng suất BT trong BTCT qua các bước tính toán 56

Hình 2.14 Ứng suất cốt thép trong BTCT qua các bước tính toán 56

Hình 3.1 Minh họa giá trị thông kê của biến ngẫu nhiên X với số mẫu quan sát n* 61

Hình 3.2 Minh họa PDF và CDF cho phân phối chuẩn Normal ( = 0;  = 1) 62

Hình 3.3 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Log-normal ( = 1;  = 1) 62

Hình 3.4 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Weibull (w = 1; k = 1,5) 62

vii

Hình 3.5 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Binomial (n = 25; p = 0,2) 63

Hình 3.6 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Geometric (p = 0,2) 64

Hình 3.7 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Poisson (t = 10) 64

Hình 3.8 Minh họa tương quan giữa hai biến x, y 65

Hình 3.9 Minh họa sơ đồ cây sự kiện (a) và sơ đồ cây sự cố (b) 70

Hình 3.10 Phương pháp phân tích, thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy 71

Hình 3.11 Mô tả hệ thống [82] 72

Hình 3.12 Ví dụ minh họa hàm mật độ xác suất của RQD theo biến ngẫu nhiên Jv 75

Hình 3.13 Hàm phân bố xác suất và tương quan cho RMR và Q 77

Hình 3.14 Mô phỏng sự thay đổi của tải trọng và tác động dọc theo tuyến hầm 78

Hình 3.15 Biểu đồ biến thiên theo thời gian và hàm phân phối xác suất của áp lực nước tại mặt cắt sau tháp điều áp trạm thuỷ điện đường dẫn dùng hầm dẫn nước 79

Hình 3.16 Minh hoạ cấu tạo và bố trí các lớp kết cấu trong hệ vỏ hầm thuỷ điện 81

Hình 3.17 Sơ đồ hệ kết cấu vỏ hầm dùng trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm theo lý thuyết độ tin cậy (S) 82

Hình 3.18 Sơ đồ cây sự cố mất ổn định hầm trong giai đoạn thi công hầm (1) 83

Hình 3.19 Sơ đồ cây sự cố mất ổn định hầm trong giai đoạn vận hành (2) 86

Hình 4.1 Bản đồ địa chất khu vực công trình thủy điện A Lưới – Thừa Thiên Huế 90

Hình 4.2 Mặt cắt dọc tuyến năng lượng thủy điện A Lưới 92

Hình 4.3 Tương quan giữa RMR ~ Q cho hệ tầng A Vương 95

Hình 4.4 Biểu đồ xác suất và hàm phân mật độ xác suất của RMR & Q - hệ tầng A Vương 97

Hình 4.5 Biểu đồ tần suất và hàm phân bố xác suất thống kê của c (MPa),  (kN/m3), t (MPa) cho đới IIA và IIB thuộc hệ tầng A Vương 99

Hình 4.6 Biểu đồ tần suất và hàm phân bố xác suất thống kê của c (MPa), t (MPa), E (GPa) cho đới IIA và IIB thuộc phức hệ Bến Giằng – Quế Sơn 99

Hình 4.7 Sơ đồ thí nghiệm xác định mô đun biến dạng của khối đá [118] 100

Hình 4.8 Biến thiên Em theo vị trí đặt thiết bị đo 101

Hình 4.9 Biến thiên độ biến dạng  (mm) theo vị trí đặt thiết bị đo 101

Hình 4.10 Quan hệ RMR và Em của khối đá trong hệ tầng A Vương 103

Hình 4.11 Quan hệ Eđh và Em của khối đá trong hệ tầng A Vương 103

Hình 4.12 Quan hệ giữa m và n thuộc đới IB, IIA và IIB - hệ tầng A Vương theo số liệu thí nghiệm và lý thuyết [117] 105

Hình 4.13 Phân bố độ sâu đặt hầm trong hệ tầng A Vương 106

Hình 4.14 Mặt cắt điển hình hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới cho khối đá IIA – hệ tầng A Vương 107

Hình 4.15 Tần suất và hàm mật độ xác suất của tải trọng v ,h, hệ số áp lực ngang k và Em, GSI, mr, mb, a cho phân tích ổn định hầm trong đới đá IIA 109

Hình 4.16 Hàm mật độ xác suất lưu lượng thiên nhiên đến Q và mực nước dao động ở hồ chứa Ztl tại thủy điện A Lưới 112

viii

Hình 4.17 Biến dạng biên hầm trong đới IIA – hệ tầng A Vương bằng RS2 113 Hình 4.18 Sơ đồ cây sự cố xác định độ tin cậy hệ kết cấu vỏ hầm A Lưới trong đới đá IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn thi công (T.S) dưới tác dụng của tải trọng 117 Hình 4.19 Sơ đồ cây sự cố xác định độ tin cậy hệ kết cấu vỏ hầm A Lưới trong đới đá IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn vận hành (V.S) dưới tác dụng của tải trọng 118 Hình 4.20 Sơ đồ cây sự cố xác định độ tin cậy hệ vỏ hầm A Lưới trong đới đá IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn thi công (1) 122 Hình 4.21 Sơ đồ cây sự cố xác định độ tin cậy ổn định hệ vỏ hầm A Lưới trong đới đá IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn vận hành (2) 124

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thống kê các công cụ dùng trong phân tích ổn định hầm [10] 16

Bảng 2.1 Sơ đồ nguyên lý phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện giai đoạn thi công dùng mô hình số trong môi trường liên tục 40

Bảng 2.2 Sơ đồ nguyên lý phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện giai đoạn vận hành dùng mô hình số trong môi trường liên tục 41

Bảng 2.3 Kiểm tra điều kiện ứng suất của kết cấu chống đỡ 47

Bảng 2.4 Sơ đồ chất tải phân tích ổn định hệ vỏ hầm tiết diện hình vòm ngược giai đoạn thi công cho hầm thủy điện ở Lào 50

Bảng 2.5 Sơ đồ chất tải phân tích ổn định hệ vỏ hầm tiết diện hình vòm ngược giai đoạn vận hành cho hầm thủy điện ở Lào 51

Bảng 2.6 Giá trị nội lực, biến dạng biên hầm sau khi thi công hầm và ứng suất trong kết cấu 53

Bảng 2.7 Giá trị nội lực và ứng suất trong kết cấu giai đoạn vận hành bình thường 54

Bảng 2.8 Giá trị nội lực và ứng suất trong kết cấu giai đoạn tháo cạn tổ máy 55

Bảng 2.9 Hệ số an toàn của kết cấu tại các vị trí có ứng suất lớn nhất 58

Bảng 3.1 Diễn giải hệ số tương quan Rp 68

Bảng 3.2 Xác suất phá hủy của hệ thống theo mức độ phụ thuộc của phần tử thành phần [82] 73

Bảng 3.3 Hàm trạng thái giới hạn của vật liệu kết cấu khi chịu lực 81

Bảng 3.4 Điều kiện mất ổn định biên hầm ứng với các dạng mất ổn định 85

Bảng 4.1 Mô tả các phân đoạn hầm 93

Bảng 4.2 Chỉ số RMR và Q– hệ tầng A Vương [126] 94

Bảng 4.3 Kiểm định tương quan RMR và Q áp dụng cho hệ tầng A Vương [126] 95

Bảng 4.4 Hàm phân phối xác suất cho RMR và Q – hệ tầng A Vương 95

Bảng 4.5 Hàm phân bố xác suất các chỉ tiêu của mẫu đá tại công trình thủy điện A Lưới 98

Bảng 4.6 Bảng giá trị RMR, Q, Em, Eđh tại các bệ thí nghiệm giãn kế trong hầm thí nghiệm công trình thủy điện A Lưới 102

Bảng 4.7 Bảng đánh giá tương quan Em ~ RMR, Q - hệ tầng A Vương [126] 102

Bảng 4.8 Xác định độ bền kháng của khối đá – hệ tầng A Vương [126] 104

Bảng 4.9 Hệ số tương quan giữa m thí nghiệm với thành phần kháng cắt lý thuyết [126] 104

Bảng 4.10 Thành phần kháng cắt cho đới phá hủy kiến tạo 106

Bảng 4.11 Thông số khối đá đới IIA - hệ tầng A Vương 108

Bảng 4.12 Sơ đồ chất tải phân tích ổn định hệ vỏ hầm A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn thi công hầm 111

Bảng 4.13 Sơ đồ chất tải phân tích ổn định hệ vỏ hầm A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn vận hành 112

x

Bảng 4.14 Biến dạng và nội lực, ứng suất của kết cấu vỏ hầm thuỷ điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn thi công 113 Bảng 4.15 Nội lực và ứng suất của kết cấu vỏ hầm thuỷ điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn vận hành hầm 114 Bảng 4.16 Tham số λ;  hàm mật độ Lognormal cho biến dạng và ứng suất trong kết cấu

vỏ hầm thuỷ điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương 115 Bảng 4.17 Tham số λ;  hàm mật độ Lognormal cho ứng suất của kết cấu vỏ hầm thuỷ điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn vận hành hầm 115 Bảng 4.18 Hàm trạng thái giới hạn và xác suất phá hủy của vật liệu hệ kết cấu vỏ hầm thủy điện A Lưới khi chịu lực 119 Bảng 4.19 Xác suất phá hủy của hệ kết cấu vỏ hầm thủy điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương dưới tác dụng của tải trọng giai đoạn thi công 120 Bảng 4.20 Xác suất phá hủy của hệ kết cấu vỏ hầm thủy điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng A Vương dưới tác dụng của tải trọng giai đoạn vận hành 120 Bảng 4.21 Xác suất mất ổn định của hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng

A Vương trong giai đoạn thi công 123 Bảng 4.22 Xác suất mất ổn định của hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới trong đới IIA – hệ tầng

A Vương trong giai đoạn vận hành 125

xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ASTM Hiệp hội quốc tế kiểm nghiệm vật liệu

BEM Phương pháp phần tử biên

BTCT Bê tông cốt thép

CDF Hàm phân bố xác suất

DEM Phương pháp phần tử rời rạc

FDM Phương pháp sai phân hữu hạn

FEM Phương pháp phần tử hữu hạn

FORM Phương pháp độ tin cậy bậc nhất (First-Order Reliability Method)

FOSM Phương pháp moment thứ 2 bậc nhất (First-Order Second-Moment

Method) GSI Chỉ số độ bền địa chất

LRFD Thiết kế theo hệ số an toàn riêng phần (Load and Resistance Factor

Design) MCS Mô phỏng Monte Carlo (Monte Carlo Simulation)

MAE Trung bình sai số tuyệt đối trong kiểm định phương trình hồi quy

MAPE Trung bình phần trăm sai số tuyệt đối trong kiểm định phương trình

hồi quy MEDAE Trung vị của sai số tuyệt đối trong kiểm định phương trình hồi quy MEDSE Trung vị bình phương sai số trong kiểm định phương trình hồi quy MNHL Mực nước hạ lưu

MNTL Mực nước thượng lưu

MSE Trung bình bình phương sai số trong kiểm định phương trình hồi quy MSLE Trung bình bình phương sai số theo logarit trong kiểm định phương

trình hồi quy NATM Đào hầm bằng phương pháp của Áo (New Austrian Tunnelling Method) PDF Hàm phân bố xác suất (Probability Density Function)

PEM Phương pháp dự đoán điểm (Point Estimate Method)

RAE Sai số phần trăm tuyệt đối trong kiểm định phương trình hồi quy

RMR Chỉ số khối đá (Rock mass rating)

RMSE Khai căn trung bình bình phương sai số trong kiểm định phương trình

hồi quy RQD Chỉ số chất lượng đá

RRSE Khai căn bình phương sai số tương đối trong kiểm định phương trình

hồi quy RSM Phương pháp mặt phản ứng (Response Surface Method)

SAE Tổng sai số tuyệt đối trong kiểm định phương trình hồi quy

xii

SRF Tham số suy giảm ứng suất khối đá quanh công trình ngầm trong hệ

thống phân loại Q SORM Phương pháp độ tin cậy bậc 2 (Second-Order Reliability Method) TBM Đào hầm bằng máy khoan (Tunnel boring machine)

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

nnk Những người khác

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hầm thủy điện là một trong những giải pháp công trình để khai thác năng lượng dòng nước của các nhà máy thủy điện Cũng giống như các công trình ngầm khác, hầm thủy điện nằm trong môi trường đất đá khác nhau và chịu tác động của môi trường đất đá, nước xung quanh hầm cùng với các điều kiện hình thành khác, đồng thời thường xuyên chịu tác động của nước phía trong hầm khi công trình thủy điện được đưa vào sử dụng Theo thống kê, từ năm 1980 đến nay Việt Nam có gần 30% số lượng các công trình thủy điện sử dụng phương án đường hầm đi qua núi đá để dẫn nước vào nhà máy; 3 công trình thủy điện có nhà máy phát điện được bố trí ngầm trong núi đá gồm thủy điện Hòa Bình, thủy điện Yaly, thủy điện Huội Quảng Tùy thuộc vào nhiệm vụ, vị trí của công trình thủy điện, hầm thủy điện có thể dài từ dưới 1 km đến hơn 10 km, đường kính hầm từ 2,5 m đến

11 m [1] Hầm thủy điện chủ yếu đi qua núi đá với điều kiện đất đá đa dạng: từ đá cứng đến

đá mềm, hoặc theo nguồn gốc thuộc các nhóm đá magma, đá trầm tích, đá biến chất và có chứa nhiều các khe nứt, đứt gãy, đới phá hủy kiến tạo Do đó, vấn đề đảm bảo ổn định hầm trong giai đoạn thi công và giai đoạn vận hành luôn được các bên liên quan (Tư vấn thiết kế, Tư vấn giám sát, Nhà thầu thi công, Chủ đầu tư ) đặc biệt quan tâm

Phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện yêu cầu các số liệu đầu vào như địa chất, thủy văn và được xem xét theo các tiêu chuẩn kỹ thuật và văn bản pháp quy Tuy nhiên, đặc thù hầm thủy điện thường có dạng tuyến trải dài, được xây dựng trong môi trường đất đá

có cấu trúc địa chất biến đổi, công tác khảo sát địa chất thường phức tạp, chi phí khảo sát tốn kém, kéo dài nên các thông số môi trường đất đá xung quanh hầm thường được thu thập một cách hạn chế và chứa nhiều thông tin phân tán, độ bất định cao Kết cấu vỏ hầm phức tạp do một hoặc nhiều lớp kết cấu tạo thành như bê tông (BT) phun, neo, vì thép, vỏ

BT, vỏ bê tông cốt thép (BTCT) Đa phần, các phân tích ổn định dựa trên các bài toán điển hình cho từng kiểu dạng kết cấu và điều kiện môi trường đất đá, bỏ qua sự làm việc của hệ vỏ hầm và sự phân bố ngẫu nhiên các chỉ tiêu cơ lý của môi trường đất đá Các bài toán này được hiệu chỉnh dần số liệu đầu vào và kết cấu vỏ hầm theo thực tế hiện trường

Mỹ (ASSHTO) [4] từ chỉ số độ tin cậy mục tiêu và các trạng thái giới hạn xác định có kể đến các bất định tải trọng và sức kháng Tiêu chuẩn TCVN 9905-2014 [5] quy định các nguyên tắc, yêu cầu kỹ thuật trong thiết kế kết cấu theo độ tin cậy cho các công trình thuỷ lợi khi kể đến các bất định từ tải trọng và sức kháng; các chỉ dẫn tính toán xác định các hệ số riêng phần cho kết cấu công trình thuỷ lợi từ lý thuyết độ tin cậy Lý thuyết này còn được ứng dụng trong phân tích hệ thống như tối ưu hoá hệ thống, độ tin cậy và an toàn của hệ thống, quản lý rủi

ro, quản lý kỹ thuật [6] Lý thuyết độ tin cậy là phương pháp hiện đại logic đã và đang được phát triển mạnh mẽ ở nhiều lĩnh vực thiết kế kết cấu, công trình đê điều, thủy lợi, cảng biển, phân tích kết cấu Tuy nhiên, việc nghiên cứu lý thuyết độ tin cậy theo phân tích hệ thống cho công trình hầm thủy điện nói chung và phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện nói riêng vẫn đang còn nhiều hạn chế ở trên thế giới và Việt Nam Các bất định của số liệu đầu vào trong các bài toán trên chưa được đánh giá đầy đủ do sử dụng các công thức tương quan chưa được kiểm định hoặc giả thiết các bất định theo kinh nghiệm; kết cấu gia cố hầm đánh giá theo lý thuyết độ tin cậy được áp dụng cho kết cấu đơn lẻ (neo hoặc vỏ hầm bê tông cốt thép hoặc vì thép kết hợp bê tông phun), chưa áp dụng khi có sự làm việc đồng thời của các kết cấu trong hệ vỏ hầm

Do đó, việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định

hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh” là cần thiết và cấp bách, bổ sung kiến thức trong nghiên cứu phân tích độ tin cậy hệ thống cho công trình hầm thuỷ điện

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng phương pháp luận phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất

đá xung quanh theo lý thuyết độ tin cậy

- Ứng dụng phương pháp luận đánh giá ổn định hệ vỏ hầm thủy điện trong môi trường đất đá cho công trình thủy điện A Lưới – Tỉnh Thừa Thiên Huế ở Việt Nam

3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Hệ vỏ hầm dẫn nước có áp của nhà máy thủy điện trong môi trường đất đá, cụ thể là tương tác của hệ vỏ hầm gồm kết cấu gia cố và vỏ hầm được sử dụng phổ biến cho hầm dẫn nước thuỷ điện đi trong môi trường đất đá có mức độ phong hoá từ nhẹ đến mạnh,

đới đất đá yếu và/hoặc chịu áp lực nước lớn

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Phân tích ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện bằng ứng dụng lý thuyết độ tin cậy theo phân tích

hệ thống kể đến các bất định số liệu đầu vào từ môi trường đất đá xung quanh hầm và áp lực nước tác động thường xuyên lên hệ vỏ hầm trong quá trình vận hành Nghiên cứu chưa xét đến các tải trọng tác động trong khoảng thời gian ngắn so với tuổi thọ của công trình (động đất, nước va, nổ mìn thi công …), sự bất định của tải trọng thi công (áp lực phụt vữa,

thiết bị thi công …); các sai sót trong thiết kế, thi công và lỗi sai sót của con người

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng hợp, nghiên cứu lý thuyết về phân tích ổn định hầm thủy điện và môi trường đất

đá xung quanh trong thiết kế hầm thủy điện ở Việt Nam và thế giới theo phương pháp tất định và phương pháp lý thuyết độ tin cậy

- Nghiên cứu phương pháp lý thuyết độ tin cậy theo phân tích hệ thống trong phân tích

ổn định hệ vỏ hầm thủy điện

- Phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện theo lý thuyết độ tin cậy đã phát triển cho hầm thủy điện A Lưới – Tỉnh Thừa Thiên Huế ở Việt Nam

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, các phương pháp sau được sử dụng, vận dụng:

(i) Phương pháp kế thừa (các kết quả nghiên cứu, giải pháp công nghệ đã có trước đây); (ii) Phương pháp chuyên gia thông qua các hội thảo khoa học, thảo luận;

(iii) Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thực nghiệm và lý thuyết Nghiên cứu thực nghiệm gồm tổng hợp, thống kê, phân tích, xử lý các số liệu cơ bản đã có, các số liệu

4

thực đo cho nghiên cứu và đặc điểm điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu Nghiên cứu

lý thuyết sử dụng các phần mềm Địa kỹ thuật, mô phỏng Monte Carlo, phần mềm lập

trình MATLAB để tính toán độ tin cậy của hệ vỏ hầm

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

6.1 Ý nghĩa khoa học

Bằng nghiên cứu phân tích hệ thống và kinh nghiệm, luận án đã xây dựng được các bài

toán phân tích số liệu đầu vào, xây dựng các sơ đồ cây sự cố trong phân tích ổn định hệ

vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Xác định được xác suất mất ổn định hệ vỏ hầm thủy điện trong giai đoạn thi công và

vận hành, có so sánh với tiêu chuẩn hiện hành ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết

kế kết cấu

7 Những đóng góp mới của luận án

- Xác định được các thông số môi trường đất đá, áp lực nước tác dụng lên vỏ hầm theo

lý thuyết độ tin cậy, phục vụ phân tích thiết kế ổn định của hệ vỏ hầm thuỷ điện và đất

đá xung quanh

- Xây dựng được cây sự cố và thiết lập bài toán phân tích ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện

và môi trường đất đá xung quanh trong giai đoạn thi công và vận hành

8 Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, kiến nghị, luận án được trình bày trong bốn chương,

như sau:

Chương 1: Tổng quan về ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh;

Chương 2: Lý thuyết tất định trong phân tích hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá

xung quanh;

Chương 3: Lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện;

Chương 4: Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH

1.1 Tổng quan về hầm thủy điện

1.1.1 Hầm thủy điện trên thế giới và ở Việt Nam

Hầm thủy điện là công trình hầm dẫn ngầm có áp đi trong lòng đất, có nhiệm vụ dẫn nước từ hồ chứa đến đường ống áp lực hoặc tuabin của nhà máy thủy điện Hình dạng mắt cắt ngang hầm được sử dụng rộng rãi gồm hình tròn, hình móng ngựa, hình vòm ngược [7, 8] Hầm thủy điện được bố trí đi xuyên qua núi để tận dụng được chênh lệch địa hình tự nhiên tạo cột nước phát điện cho nhà máy thủy điện (Hình 1.1)

Hình 1.1 Hầm thủy điện trong tuyến năng lượng của trạm thủy điện

Các nhà máy thủy điện có tuyến hầm thủy điện dài nhất trên thế giới gồm thủy điện Gilgel Gibe II – Ethiopia có công suất phát điện 420 MW, cột nước phát điện trên 500 m, sử dụng hầm dẫn nước có áp dài 26 km đi qua dãy núi Faifa; thủy điện Kishanganga - Ấn

Độ có công suất 330 MW, cột nước phát điện trên 600 m, sử dụng hầm dẫn nước có áp dài 23,2 km đi qua dãy núi Himalyas; thủy điện Tala – Bhutan có công suất 1020 MW, cột nước phát điện trên 860 m, sử dụng hầm dẫn nước có áp dài 22 km đi qua dãy núi Himalyas [9]

Ở Việt Nam, hiện có hơn 90 công trình thủy điện sử dụng hầm dẫn nước vào đường ống

áp lực của nhà máy (chiếm gần 30% số lượng các công trình thủy điện hiện có) Hầm chủ yếu đi qua núi, chiều dài hầm từ dưới 1 km đến hơn 10 km, đường kính hầm từ 2,5 m đến

11 m [1] Các nhà máy thủy điện có chiều dài hầm dẫn nước lớn như thủy điện Thượng

6

Kon Tum – tỉnh Kon Tum có công suất 220 MW, cột nước phát điện trên 900 m, hầm dẫn nước có áp dài 20 km; thủy điện A Lưới – tỉnh Thừa Thiên Huế có công suất 170 MW, cột nước phát điện trên 450 m, hầm dẫn nước có áp dài 11,6 km; thủy điện Đại Ninh – tỉnh Bình Thuận có công suất 300 MW, cột nước phát điện trên 600m, hầm dẫn nước có

áp dài 11,2 km; thủy điện Đăk Đrinh – tỉnh Quảng Ngãi có công suất 125 MW, cột nước phát điện trên 300 m, hầm dẫn nước có áp dài 10,7 km; thủy điện Ngòi Phát – tỉnh Lào Cai có công suất 72 MW, cột nước phát điện trên 300m, hầm dẫn nước có áp dài 9,1 km; thủy điện Hàm Thuận - Đa Mi – tỉnh Bình Thuận có công suất lắp máy 300 MW, hầm dẫn nước có áp dài 7,8 km

Hầm thủy điện đi trong núi, có chiều dài hầm lớn thường sẽ gặp điều kiện địa chất núi phức tạp từ đá khối chất lượng tốt đến đá nứt nẻ mạnh, đá phân lớp, đá yếu, các đứt gãy hoặc xen kẹp các địa tầng khác nhau,… Do đó, ổn định của hầm thủy điện đi trong núi cũng sẽ có mức độ phức tạp khác nhau [10-14]

1.1.2 Các công nghệ thi công chính cho hầm thủy điện

Thi công hầm có thể được sử dụng nhiều công nghệ và phương pháp khác nhau, được giới thiệu trong các tài liệu [15-17] Đối với hầm thủy điện đi trong núi, phương pháp thi công hầm hiện này gồm phương pháp khoan nổ, phương pháp đào hầm mới của Áo (New Austrian Tunnelling Method – NATM) và phương pháp khoan đào (Tunnel Boring Machines – TBM) Trong mục này sẽ trình bày một số điểm cần chú ý đối với phương pháp khoan nổ, NATM và TBM trong ổn định hầm khi đào và phân tích ổn định hệ vỏ hầm Đào hầm bằng phương pháp khoan nổ là phương pháp thi công được sử dụng rộng rãi, phổ biến trong đường hầm đi xuyên núi Phương pháp đào hầm này gồm nhiều bước: khoan, nạp nổ mìn, bốc xúc, lắp kết cấu gia cố (nếu cần), lắp kết cấu vĩnh cửu (nếu cần) Phương pháp này có thể tiến hành đào toàn gương (dùng cho hầm đi trong khu vực địa chất tốt) hoặc chia gương đào (dùng cho hầm đi địa chất trung bình, kém có cường độ thấp hoặc hầm có tiết diện lớn) Yêu cầu chung đối với phương pháp khoan nổ là gây ít xáo động đến môi trường đất đá xung quanh, kết cấu gia cố được lắp đặt kịp thời, vỏ hầm vĩnh cửu được thi công nhanh gọn Ưu điểm của phương pháp này là phù hợp với điều kiện địa chất thay đổi phức tạp, hầm có kích thước và hình dạng bất kỳ Thông thường, kết cấu hầm cho phương pháp này được thi công 2 lần khi hầm đi qua vùng địa

và tính chất của môi trường đất đá xung quanh

Phương pháp NATM có kết cấu gia cố linh hoạt gồm lưới thép, BT phun, neo, vì thép Phương pháp NATM có quá trình đào tương tự như phương pháp khoan nổ nhưng có

sự khác nhau về kỹ thuật khoan nổ và tổ chức thi công để tận dụng được khả năng chịu tải của khối đất đá xung quanh hầm Phương pháp NATM đòi hỏi phải tuân thủ nhiều quy tắc để bảo tồn cường độ của khối đá, khối đất đá bị long rời và biến dạng vượt mức trong khi đào được hạn chế đến mức tối đa; các kết cấu chống đỡ hầm làm việc liên hợp cùng với môi trường đất đá xung quanh; và hầm được khép kín nhanh để tránh ứng suất bất lợi lên kết cấu Kết cấu vỏ hầm dùng trong thi công bằng phương pháp NATM phải mỏng và có độ mềm dẻo thích hợp để ngăn chặn đất đá xung quanh hầm biến dạng quá mức, hạn chế việc sinh ra monment uốn tránh gây phá hủy do uốn của kết cấu

Đào hầm bằng TBM là công nghệ đào hầm gồm 4 thành phần cơ giới chính: bộ phận đào; bộ phận di chuyển; bộ phận vận chuyển đất đá ra khỏi gương và bộ phận lắp đặt vỏ hầm Kết cấu gia cố hầm được thi công 1 lần trong lúc đào hầm và được dùng là kết cấu

vỏ hầm vĩnh cửu Phương pháp này được sử dụng trong môi trường đá và môi trường đất, hầm tiết diện hình tròn, đường kính có thể từ 1 m đến 15 m TBM dùng đào hầm trong núi gồm TBM kiểu rãnh Gripper và TBM kiểu khiên đơn và được đào toàn gương Khi đào hầm được đặt nông trong lòng đất đá, kết cấu vỏ hầm được sử dụng là các vỏ

BT đúc sẵn và được phun BT phủ bên trong hầm sau khi lắp đặt Trong trường hợp hầm đặt sâu trong núi, kết cấu vỏ hầm dùng TBM là hệ các kết cấu gồm BT phun, neo, vì thép Phương pháp TBM giảm mức độ xáo động đến môi trường đất đá xung quanh, thời gian thi công nhanh nên phân tích ổn định hầm và hệ vỏ hầm dựa trên tương tác giữa hầm và đất đá xung quanh theo điều kiện biến dạng và ứng suất Tuy nhiên, việc

sử dụng TBM cho hầm đặt sâu trong lòng núi cần cân nhắc vì TBM sẽ gặp khó khăn khi

8

hầm gặp các điều kiện địa chất phức tạp như đứt gãy chứa đất đá long rời, đất đá bị siết

ép, nổ đá, có sự xâm nhập mạnh của nước ngầm …[18]

Như vậy, với từng công nghệ thi công hầm khác nhau sẽ có điều kiện, trình tự và thời lắp đặt các kết cấu chống đỡ khác nhau Điều này có ảnh hưởng đến sự tương tác của hệ

vỏ hầm với môi trường đất đá xung quanh Việc thi công hầm không tuân thủ đúng các nguyên tắc thi công của phương pháp đào đã chọn hoặc kết cấu gia cố không phù hợp với phương pháp đào có thể gây bất lợi cho kết cấu trong giai đoạn thi công và vận hành, trong trường hợp xấu có thể gây ra các mất ổn định hầm ngay trong giai đoạn thi công

Do đó, hiểu rõ nguyên tắc thi công, tuân thủ đúng các nguyên tắc này cho phép lựa chọn đúng giải pháp kết cấu và lựa chọn phương pháp phân tích ổn định của hệ vỏ hầm với môi trường đất đá xung quanh trong cả giai đoạn thi công lẫn vận hành hầm phù hợp

1.1.3 Kết cấu gia cố hầm và vỏ hầm thuỷ điện

1.1.3.1 Kết cấu gia cố hầm

Kết cấu gia cố hầm là các kết cấu được lắp đặt trước, trong hoặc ngay lập tức sau khi đào hầm để cung cấp chống đỡ lúc đầu, cho phép đào hầm an toàn, nhanh chóng và tiết kiệm [19] Tiêu chuẩn EM 1110-2-2901 [14] và TCVN 9154:2012 [20] chủ yếu tập trung thiết kế vỏ hầm vĩnh cửu cho hầm thuỷ điện; các kết cấu gia cố hầm được lựa chọn theo kinh nghiệm dựa trên chỉ số chất lượng đá Q (Rock Tunnelling Quality Index) ứng với từng điều kiện môi trường đất đá xung quanh hầm như neo, BT phun, BT phun trộn sợi thép, vì thép kèm BT phun và neo, BT đúc sẵn (Hình 1.2) Trong trường hợp môi trường đất đá xung quanh hầm cực kỳ yếu đến đặc biệt yếu, kết cấu gia cố có thêm hệ thống neo vượt trước

Neo là cấu kiện vật liệu thép được khoan neo vào trong đá để tạo khả năng tự chống của khối đá khi đá xung quanh hầm biến dạng và chuyển vị sau khi đào hầm, đồng thời huy động độ bền vốn có của khối đá Neo thường được kết hợp với các kết cấu gia cố khác (lưới thép và/hoặc BT phun) tạo ra kết cấu tối ưu có thể làm kết cấu tạm hoặc cố định Các loại neo được sử dụng gồm: neo cơ học, neo ma sát, neo dính kết, hệ thống neo tự khoan, neo cáp [17] Neo cốt thép dính kết xi măng (Hình 1.3) được sử dụng rộng rãi trong gia cố hầm thuỷ điện khi đào với ưu điểm dễ dàng lắp đặt, có khả năng mang tải

9

cao trong điều kiện đá cứng Neo bị phá hoại có thể do vượt ứng suất kéo hoặc cắt của cốt thép neo; vượt giới hạn chảy giữa xi măng và thép hoặc giữa xi măng và đất đá xung quanh; hoặc do lỗi trong lắp đặt neo [14]

Ghi chú: (1) Không cần gia cố; (2) Neo rải rác (cục bộ); (3) Neo hệ thống; (4) Neo hệ thống và

BT phun dày 4 – 10 cm; (5) BT phun trộn sợi thép, dày 5 – 9 cm và neo; (6) BT phun trộn sợi thép, dày 9 – 12 cm và neo; (7) BT phun trộn sợi thép, dày 12 – 15 cm và neo; (8) BT phun trộn sợi thép, dày > 15 cm, vì thép kèm BT phun và neo; (9) BTCT đúc sẵn; ESR – tỷ số chống đỡ đào

Hình 1.2 Biểu đồ kết cấu chống đỡ hầm theo giá trị Q [21]

Hình 1.3 Cấu tạo neo kết dính bằng xi măng [22]

BT phun sử dụng nhiều trong gia cố hầm đào bằng phương pháp khoan nổ và NATM, tạo nên chống đỡ nhanh chóng khi môi trường đất đá có thời gian tự chống thấp, các kết cấu gia cố khác chưa kịp thời lắp đặt BT phun đôi khi cũng được dùng như vỏ hầm vĩnh cửu và thường được kết hợp với lưới thép hoặc trộn với sợi thép để tạo độ dẻo lâu dài [22] BT phun bị phá hoại có thể do phá huỷ cắt khi mất liên kết giữa đá và BT phun; phá huỷ cắt do tải trọng đá khối cục bộ; vượt ứng suất dọc trục do nén hoặc nén và uốn

Vỏ BT phun/BT thường dùng trong điều kiện đất đá xung quanh hầm đã đạt cân bằng

ổn định, tải trọng tác dụng lên vỏ hầm là đồng nhất; có tác dụng giảm độ nhám trong hầm, ngăn mất nước và bảo vệ bề mặt đá quanh vỏ hầm trong giai đoạn vận hành Vỏ BTCT dùng trong điều kiện đất đá xung quanh hầm biến dạng không đồng nhất có thể

11

gây ra xoắn lên vỏ hầm, hoặc dùng khi hầm thủy điện có áp lực nước bên trong hầm tương đối lớn Vỏ BT/BTCT lót thép dùng chủ yếu trong hầm thủy điện có áp lực nước bên trong hầm lớn, có thể gây ra đứt gãy thủy lực lên đá xung quanh hầm Vỏ hầm có thể bị phá hoại do vượt ứng suất dọc trục; vượt ứng suất cắt; nứt vỏ hầm gây mất nước; thi công vỏ hầm không đạt yêu cầu [14]

Kết cấu gia cố hầm và vỏ hầm thuỷ điện được tính toán thiết kế riêng biệt theo các tiêu chuẩn hiện hành Tuy nhiên, các kết cấu gia cố hầm có thể được sử dụng như là kết cấu

vỏ hầm vĩnh cửu hoặc một phần của kết cấu vỏ hầm vĩnh cửu [14, 19] Do đó, việc phân tích hệ vỏ hầm gồm kết cấu gia cố hầm và vỏ hầm khi phân tích ổn định, thiết kế kết cấu hầm thuỷ điện là cần thiết trong thực tiễn

1.1.4 Các vấn đề thường gặp đối với ổn định hầm thủy điện đi trong đất đá

1.1.4.1 Các vấn đề thường gặp trong giai đoạn thi công đối với hầm thuỷ điện

Các công trình hầm đi trong núi làm thay đổi trạng thái ban đầu của đất đá, gây nên mất

ổn định của khối đất đá xung quanh biên hầm Nguyên nhân gây mất ổn định gồm mất

ổn định do cấu trúc địa chất của đá và mất ổn định do thay đổi trường ứng suất ban đầu của đất đá [13, 23, 24] Một số trường hợp mất ổn định do thay đổi ứng suất và cấu trúc địa chất đồng thời gây ra, khi đó cần phải có sự xem xét kỹ lưỡng để xác định dạng mất

ổn định nào chiếm ưu thế từ đó lựa chọn giải pháp chống đỡ phù hợp [23] Các mất ổn định này gây ra các dạng sự cố phổ biến được ghi nhận trong thi công hầm gồm:

kẽ nhau nên nguyên nhân gây ra phá hủy kết hợp cả mất ổn định do cấu trúc địa chất và

do thay đổi trường ứng suất ban dầu của đất đá Phá hủy biến dạng lớn xảy ra bên trong hầm hoặc tại gương đào nhưng không sinh ra phá hủy sập lở hầm do đất đá có ứng xử

12

dẻo, siết ép hoặc trương nở Vì vậy, nguyên nhân gây ra phá hủy này do thay đổi trường ứng suất ban đầu Các dạng phá hủy sập lở đất đá, sập lở đất đá tới mặt đất, và biến dạng lớn có mức độ nghiêm trọng khi có sự hiện diện của nước ngầm [10, 11]

Hình 1.5 Tỷ lệ các loại sự cố trong thi

công hầm trên thế giới (theo số liệu [25])

Hình 1.6 Tỷ lệ các loại sự cố trong thi công hầm ở Việt Nam (theo số liệu [26, 27]) Sousa [16] đã thông kê được 132 công trình ngầm bị sự cố, trong đó có 80 công trình liên quan đến hầm đi trong núi với 35% công trình bị sập lở đất đá, 21% công trình bị sự cố sập

lở đất đá tới mặt đất, 14% công trình bị sự cố đá rơi, 12% công trình có sự cố dịch chuyển biến dạng lớn, 11% công trình có hiện tượng bục nước và 4% công trình bị sự cố nổ đá (Hình 1.5) Trong các sự cố trên, nghiên cứu có thống kê hầm dẫn nước thủy điện Khimti I – Nepal bị sự cố sập lở đá và sập lở đất đá tới mặt đất khi hầm đi qua khu vực đá yếu phân phiến thuộc dãy núi Himalayas; thủy điện Cahora – Bassa – Mozambique, thủy điện Harsprange – Sweden, thủy điện Pont Ventoux Susa – Italia gặp sự cố rơi đá trong quá trình thi công hầm Sự cố dịch chuyển và biến dạng lớn gặp ở hầm thủy điện Nathpa Jhakri – Ấn

Độ đi qua đới cắt gồm đá gơ nai, đá phiến, đá quaczit [28]; thủy điện Chameliya – Nepal đi qua đá dolomit, dolomit lẫn đá phiến, thủy tinh bazan, domomit lẫn philit [29] Sự cố nổ đá, tróc đá, bục nước được ghi nhận tại thủy điện Jinping II – Trung Quốc ở đường hầm A

&B, bục nước tại nền và cạnh hầm do hầm đặt sâu trong lòng núi [30]; thủy điện Neelum Jhelum – Pakistan nổ đá do ảnh hưởng của đới cắt [31]

Tại Việt Nam, số liệu thống kê các sự cố hầm đi trong núi giai đoạn thi công của 39 công trình hầm từ nghiên cứu của Nguyễn Quang Phích [26], Bùi Khôi Hùng [27] gồm sập lở đất đá (35%), sập lở đất đá đến mặt đất (24%), bục nước (16%), sập lở cửa hầm (14%), rơi đá (11%) (Hình 1.6) Các sự cố trên được ghi nhận xảy ra tại các hầm thủy điện như: sự cố sập lở, sập lở đá tới mặt đất được ghi nhận ở hầm dẫn nước thủy điện

Sập lở đá đến mặt đất

21%

Dịch chuyển, biến dạng lớn 12%

Nổ đá 4%

Bục nước 11%

Sập lở cửa hầm 14%

Bục nước 16%

Rơi đá 11%

Sập lở

đá 35%

sự cố tróc đá, nổ đá có xảy ra trong quá trinh thi công hầm thủy điện nhưng chỉ được ghi nhận với quy mô nhỏ

Các nguyên nhân gây ra sự cố trong thi công hầm trên thế giới và Việt Nam [25, 32] gồm: (i) số liệu khảo sát ban đầu của địa tầng biến đổi, sai khác so với thực tế (tính chất

cơ lý của đất đá, mức độ phong hóa, hệ thống khe nứt, hiện tượng karst…); (ii) chọn tuyến sai, tính toán thiết kế sai các thông số liên quan đến tải trọng, sức kháng, kết cấu chống đỡ, vật liệu xây dựng, biện pháp thi công sai, sử dụng mô hình tính toán không phù hợp, xử lý dữ liệu quan trắc không chính xác; (iii) sai sót liên quan đến thi công do biện pháp thi công không phù hợp, công tác khoan nổ mìn phá đá không hợp lý, kết cấu chống đỡ không đảm bảo chất lượng hoặc không đúng thời điểm; (iv) sai sót trong điều hành quản lý và sai sót trong tổ chức thu thập và xử lý thông tin

1.1.4.2 Các vấn đề thường gặp trong giai đoạn vận hành đối với hầm thuỷ điện

Trong giai đoạn vận hành, hầm thủy điện làm việc trong điều kiện chịu áp lực nước bên trong và bên ngoài Mất ổn định hầm thủy điện giai đoạn vận hành ít có ghi nhận gây ra sập hầm, chủ yếu gây mất chức năng hầm làm nhà máy phải dừng hoạt động gây thiệt hại về kinh tế Mất ổn định hầm trong giai đoạn vận hành gồm rò rỉ nước quá mức ở vùng có độ dốc thủy lực lớn làm giảm cường độ của khối đất đá xung quanh hoặc tạo dòng thấm áp lực lớn chảy về phía hạ lưu gây trượt các sườn dốc phía hạ lưu đường ống áp lực; áp lực nước bên trong hoặc bên ngoài lớn gây hư hỏng kết cấu vỏ hầm vĩnh cửu [14, 33, 34]

Trên thế giới, một số hầm thủy điện có ghi nhận sự cố trong giai đoạn vận hành như hầm dẫn nước thủy điện Gilgel Gibe II – Ethiopia sập hầm và rơi đá trong giai đoạn thử tải do không phát hiện được đứt gãy trong giai đoạn thi công, áp lực nước lớn gây phá hủy vỏ hầm ngay khi tích nước cho hầm [35]; hầm thủy điện Estí – Panama có kết cấu

vỏ hầm gồm BT phun và neo, bị sự cố rơi đá và sập hầm sau 7 năm vận hành do địa chất phía trên hầm có các lớp sét kết nhạy cảm với nước; hầm thủy điện Pucará – Ecuado vỏ

14

hầm BT, bị sập hầm do nước rò rỉ từ hầm gây trượt mái dốc phía hạ lưu hầm dẫn nước

do địa chất hầm phức tạp với nhiều đứt gãy và các khe nứt mở [36]; hầm thủy điện Xekaman 3 – Lào bị sự cố vỡ đường ống áp lực đặt trên khối trượt cổ do dòng thấm từ hầm không áo làm tăng áp lực nước ngầm và gây trượt lên khối trượt cổ [37] Đối với hầm không áo, nghiên cứu [38] cũng chỉ ra các sự cố trong quá trình vận hành hầm không áo tại Nauy gồm rơi đá, mất nước đường hầm, áp lực nước đường hầm lớn theo các khe nứt mở trong khối đá gây trượt mái hạ lưu hầm

Ở Việt Nam, các sự cố trong vận hành hầm thủy điện gồm phá hủy mặt cắt hầm dưới tác dụng của áp lực nước bên ngoài tại khu vực hầm có độ dốc thủy lực lớn khi tháo nước đường hầm, sự cố này ghi nhận tại hầm thủy điện Nậm Chiến 1 và Suối Sập 3; áp lực nước trong hầm theo dòng thấm, khe nứt mở ảnh hưởng đá phân lớp gây hiện tượng trượt mái hạ lưu hầm thủy điện, sự cố này ghi nhận tại hầm thủy điện A Lưới [37] Như vậy, đánh giá ổn định hệ vỏ hầm thủy điện trong giai đoạn thi công và vận hành cần xem xét trên bài toán địa kỹ thuật với đối tượng gồm môi trường đất đá, tương tác của đất đá với kết cấu chống đỡ, và điều kiện áp lực nước bên trong và bên ngoài hầm Theo quan điểm lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro, Ang và Tang [39] chia các bất định trong địa kỹ thuật thành 2 nhóm: bất định ngẫu nhiên và bất định chủ quan do nhận

thức Bất định ngẫu nhiên là sự ngẫu nhiên cố hữu có sẵn trong đất, đá được hình thành

do quá trình địa chất, môi trường vật lý hóa học diễn ra liên tục tạo nên tính dị hướng

và tính không đồng nhất của các tham số địa kỹ thuật công trình Bất định chủ quan do nhận thức là do thiếu kiến thức về biến số, thiếu hiểu biết về các định luật vật lý làm

hạn chế khả năng mô hình hóa thực tế Việc định lượng các bất định và đánh giá các bất định trong phân tích độ tin cậy các bài toán địa kỹ thuật cho móng, tường chắn, trượt trên nền đất, trượt trên nền đá và kết cấu chống đỡ hầm đã được giới thiệu trong các tài liệu [40, 41] Tuy nhiên, việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện trong điều kiện môi trường đất đá, áp lực nước chứa các bất định vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ

Trong luận án này, tác giả tập trung việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định

hệ vỏ hầm thủy điện trong điều kiện môi trường đất đá có chứa nhiều bất định ảnh hưởng đến ổn định và an toàn của công trình

15

1.2 Phương pháp tất định trong phân tích ổn định hầm thủy điện

1.2.1 Phân tích ổn định hầm thủy điện trong giai đoạn thi công

Palmstrom và Stille [10] đã có đánh giá sơ bộ các công cụ dùng trong phân tích ổn định hầm với các dạng phá hủy có thể xảy ra khi đào hầm trong núi Các công cụ được đánh giá gồm: hệ thống phân loại khối đá theo chỉ số khối đá RMR (Rock Mass Rating) và chỉ số chất lượng đá Q đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới; phương pháp NATM;

mô hình số; tính toán giải tích; phương pháp quan sát và đánh giá từ các chuyên gia Trong đó, chỉ số khối đá RMR và Q được xác định dựa trên các đặc trưng của khe nứt

có trong khối đá, từ đó xác định các kết cấu chống và thời gian tự chống của khối đá để đảm bảo đất đá xung quanh hầm ổn định khi đào hầm Phương pháp NATM đề xuất biện pháp gia cố ổn định hầm dựa trên quan trắc biến dạng đất đá xung quanh hầm trong

và sau khi đào hầm Mô hình số cho phép phân tích ứng suất và biến dạng của đất đá xung quanh hầm trong quá trình đào hầm dựa trên các phương trình vi phân phức tạp Tính toán giải tích đánh giá ổn định hầm dựa trên tương tác giữa kết cấu chống đỡ và đất đá xung quanh hầm bằng các lời giải nghiệm kín Phương pháp quan sát đánh giá ổn định hầm và đưa ra biện pháp chống đỡ dự phòng dựa trên việc đánh giá khả năng xảy

ra tương tác của đất đá, trong quá trình thi công nếu tương tác của đất đá không nằm trong dự đoán thì các kế hoạch dự phòng sẽ được sử dụng Đánh giá từ chuyên gia được dựa trên các ý kiến đề xuất của hội đồng chuyên môn hoặc các chuyên gia giàu kinh nghiệm với các vấn đề đặc thù để lựa chọn kết cấu chống đỡ đảm bảo ổn định hầm Bảng 1.1 liệt kê 10 dạng phá hủy phổ biến khi đào hầm trong núi Trong đó, các phá hủy tạo hang trống, đất đá chảy đều dẫn đến các phá hủy sập lở đất đá hoặc sập lở đất đá đến mặt đất; các phá hủy đứt vỡ, oằn vênh, tách tấm dẫn đến các phá hủy tróc đá của hầm Mức độ phù hợp của các công cụ dùng phân tích ổn định hầm ứng với các dạng phá hủy được đánh giá theo cấp độ từ rất thích hợp, khá thích hợp, kém thích hợp và không nên

áp dụng

Bảng 1.1 cho thấy hệ thống phân loại khối đá chỉ thích hợp dùng đánh giá ổn định hầm với 4/10 dạng phá hủy; tính toán giải tích và mô hình số là giải pháp khá thích hợp cho phân tích ổn định hầm với 8/10 dạng phá hủy Dạng phá hủy đất đá chảy và trương nở cần được đánh giá ổn định theo các đánh giá chuyên gia, chi tiết trong tài liệu [11, 22]

Hệ thống phân loại khối đá

Phương pháp NATM

Mô hình

số

Tính toán giải tích

Phương pháp quan sát

Đánh giá chuyên gia

Do cấu trúc địa chất

Rơi đá gặp trong trường hợp hầm đi qua đá nứt nẻ khối lớn Các khe nứt trong khối đá giao cắt nhau hình thành các nêm rơi hoặc trượt, ít nhất phải có sự giao cắt của 2 3 khe nứt Phương pháp chiếu cầu (stereographic) dùng để đánh giá khả năng hình thành nêm tại nóc, biên và gương hầm, đánh giá chi tiết về hình dạng, thể tích của nêm đá mất ổn định từ đó xác định được trọng lượng nêm, phương hướng trượt của nêm Từ điều kiện cân bằng của khối nêm (Hình 1.7), số lượng neo cần đảm bảo ổn định cho nêm rơi từ mái và vách lần lượt theo các công thức sau [14]:

Nêm rơi từ mái: 𝑁 = 𝑊.𝐹𝑠

17

Nêm trượt từ vách: 𝑁 = 𝑊.(𝐹𝑠𝑠𝑖𝑛𝛽−𝑐𝑜𝑠𝛽 𝑡𝑎𝑛𝜑)−𝑐.𝐴

Trong đó: N – số lượng neo; W – trọng lượng nêm; Fs – hệ số an toàn thiết kế;  - góc

ma của mặt trượt (mặt khe nứt); c – lực dính của mặt trượt; A – diện tích của mặt trượt; T – khả năng chịu kéo của bu lông neo; ,  - góc của neo, khe nứt tại biên hầm (Hình 1-4b) Rơi đá khối lớn có thể phân tích ổn định bằng mô hình số sử dụng phần mềm UNWEDGE

(a) Nêm rơi từ mái hầm (b) Nêm trượt từ vách hầm

Hình 1.7 Neo nêm cho sự cố đá rơi trong hầm đi trong đá [22]

Trong trường hợp hầm đi trong khối đá bị phân lớp nằm ngang, neo được thiết kế đảm bảo ổn định hầm theo hệ dầm treo (Hình 1.8) Số lượng neo được xác định theo công thức [42, 43]:

BT phun được bố trí dọc chu vi của nêm để tăng khả năng chống trượt [22]

Hình 1.8 Gia cố mái hầm dạng dầm khi hầm đi trong khối đá phân lớp nằm ngang [14]

18

Trong trường hợp phá hủy tạo hang trống với kích thước hang nhỏ dạng hình ống khói,

hệ thống neo được gia cố phía trên vòm có tác dụng tạo vòm mang tải Vòm này phải truyền tải trọng của vùng đất đá bị long rời hoặc vùng đất đá yếu phía trên vòm đến khối

đá cứng chắc xung quanh (Hình 1.9) Khi đó, khả năng chịu tải trọng của vòm được xác định theo đề xuất của Krauland [36] dùng công thức:

𝜎𝑎 = 𝑘𝑎𝜎𝑐(𝐿𝑛− 𝑠

2

(1-4) Trong đó: 𝜎𝑎 – ứng suất lớn nhất theo phương ngang có thể chịu được của vòm; Ln – chiều dài neo; 𝑘𝑎 – hệ số tỷ lệ theo cánh tay đòn của vòm

Hình 1.9 Sơ đồ tạo vòm chống nhân tạo của hệ neo [45]

1.2.1.2 Hầm bị mất ổn định do thay đổi trường ứng suất ban đầu

Việc phân tích ổn định hầm bị mất ổn định do thay đổi trường ứng suất ban đầu cần xem xét đến biện pháp thi công hầm Từ một số điểm cần chú ý đối với phương pháp thi công hầm theo phương pháp khoan nổ, NATM và TBM được trình bày trong mục 1.1.2, điều cần lưu ý trong bài toán phân tích ổn định là kết cấu hầm được thi công khép kín nhanh hay chậm Theo triết lý thiết kế của NATM, vỏ hầm được khép kín nhanh sẽ có lợi cho kết cấu hầm do ngăn được ứng suất bất lợi sinh ra moment uốn trong vỏ hầm Như vậy, với phương pháp thi công NATM và TBM, kết cấu hầm được khép kín sớm, phân tích

ổn định vỏ hầm áp dụng phương pháp khống chế hội tụ dựa trên tương tác giữa kết cấu gia cố với đất đá xung quanh hầm Với phương pháp khoan nổ, phân tích ổn định hầm

áp dụng phương pháp cơ học kết cấu với điều kiện áp lực đất đá cho trước

a) Lời giải giải tích

* Phương pháp khống chế hội tụ

19

Phương pháp này cho phép xác định được nội lực trong kết cấu chống đỡ (piD), biến dạng của đá xung quanh hầm (ueq), xác định được vùng đất đá bị phá hủy xung quanh hầm (rf) Các giá trị này được xác định tại điểm cân bằng A (Hình 1.10) - điểm giao của đường cong phản ứng nền (Ground reaction curve – GRC) và đường cong đặc tính kết cấu chống đỡ (Support characteristic curve – SCC)

Ghi chú: u in – biến dạng của đất đá tại thời điểm lắp kết cấu chống đỡ; u el – biến dạng đàn hồi của kết cấu chống đỡ; k – độ cứng biến dạng của kết cấu chống đỡ; u max – biến dạng lớn nhất của kết cấu chống đỡ ở trạng thái dẻo; u eq – biến dạng tại điểm cân bằng; p max – áp lực lớn nhất của kết cấu chống đỡ

Hình 1.10 Phương pháp biến dạng hội tụ và áp lực xung quanh [46]

Đường cong phản ứng nền được xây dựng từ lời giải nghiệm kín Môi trường đá dùng

để xây dựng các lời giải nghiệm kín đã được các tác giả nghiên cứu với các mô hình vật liệu đàn hồi, dẻo đàn hồi, giòn đàn hồi, giảm bền Tiêu chuẩn phá hủy của khối đá trong các lời giải này gồm tiêu chuẩn Hoek – Brown cho đá cứng chắc trung bình đến cứng

và tiêu chuẩn Mohr – Colomb cho đá yếu [13, 47, 48] Trường ứng suất tự nhiên ban đầu của khối đá trong lời giả nghiệm kín được coi là tải trọng Các lời giải trên đều sử dụng giả thiết môi trường đá đồng nhất đẳng hướng, hầm tiết diện tròn, khối đá trước và sau khi đào không có đặc tính từ biến, áp lực đá tác dụng lên kết cấu chống đỡ phân bố đều quanh chu vi hầm do đó nội lực trong kết cấu chống đỡ chủ yếu là ứng suất nén / kéo dọc trục, không có moment và ứng suất cắt Do đó, phương pháp này chỉ phù hợp khi các biện pháp thi công gây ra ít xáo động trong đất đá xung quanh hầm và hầm được khép kín nhanh nhất có thể

Để xây dựng được đường cong đặc tính kết cấu chống đỡ, cần xác định các tham số k,

pmax và umax của kết cấu (Hình 1.10) Nội lực trong kết cấu chống đỡ chủ yếu là ứng suất

Trong đó: u – biến dạng của kết cấu chống đỡ; pi – giá trị áp lực chống đỡ giả thiết; k –

độ cứng đàn hồi của vật liệu

Hoek và Brown [49], và Oreste [46] đã giới thiệu chi tiết các công thức xác định k, pmax

và umax cho kết cấu chống đỡ gồm neo, BT phun hoặc vỏ BT, vì thép trong trường hợp chống đỡ riêng lẻ Trong trường hợp kết cấu chống đỡ được tổ hợp bởi nhiều dạng kết cấu (Hình 1.11), các giá trị đặc trưng biến dạng của hệ khi các kết cấu chống đỡ được lắp đặt đồng thời tính theo các công thức sau:

Trong đó: 𝑘𝑡𝑜𝑡 – độ cứng chung của hệ kết cấu; ki – độ cứng của kết cấu thành phần thứ

i; pmax – giá trị áp lực chống đỡ lớn nhất của hệ kết cấu; pmaxi – giá trị áp lực chống đỡ lớn nhất của kết cấu thành phần thứ i; umax – biến dạng lớn nhất của hệ kết cấu; umaxi – biến dạng lớn nhất của kết cấu thành phần thứ i

Ghi chú: u in – biến dạng của đất đá tại thời điểm lắp kết cấu chống đỡ; u el,1 – biến dạng đàn hồi của kết cấu chống đỡ thứ nhất; u el,2 – biến dạng đàn hồi của kết cấu chống đỡ thứ hai; u el,3 – biến dạng đàn hồi của kết cấu chống đỡ thứ ba; u max,tot – biến dạng lớn nhất của hệ kết cấu

Hình 1.11 Đường đặc trưng biến dạng của hệ kết cấu chống đỡ hầm sử dụng 3 loại kết

cấu chống đỡ khác nhau [46]

Phương pháp khống chế hội tụ phản ánh đầy đủ các điều kiện cần phải đảm bảo trong thi công theo phương pháp NATM và TBM: đất đá trong khi đào ít bị phá hủy, kết cấu không sinh moment uốn, các kết cấu làm việc liên hợp với nhau và với môi trường đất

đá xung quanh Phương pháp khống chế hội tụ cho phép sử dụng lời giải nghiệm kín linh hoạt với các điều kiện về cường độ và biến dạng của khối đá, trường ứng suất thiên nhiên ban đầu của khối đá

* Phương pháp cơ học kết cấu

Phương pháp cơ học kết cấu tính toán ổn định hầm chủ yếu dùng lý thuyết vòm tính toán cho trường hợp kết cấu vòm thấp và kết cấu vòm cao đối với hầm thủy điện Tùy thuộc vào cấu tạo của kết cấu thép chống đỡ hầm ở giai đoạn thi công, vòm có thể được tính toán theo kết cấu vòm có liên kết khớp hoặc không: vòm không khớp, vòm 2 khớp

và vòm 3 khớp (Hình 1.12) Các kích thước chính trong kết cấu vòm gồm chiều rộng

chân vòm l và chiều cao vòm f (Hình 1.12a) Kết cấu vòm cao khi f / l > 0.25, trường

hợp ngược lại sẽ được tính với kết cấu vòm thấp

Tính toán nội lực trong kết cấu vòm sử dụng phương pháp giải trong các bài toán kết cấu với tải trọng đã biết tác dụng lên vòm trong giai đoạn thi công gồm áp lực đá, trọng lượng bản thân vỏ hầm, áp lực nước ngầm (nếu có) Hình 1.13 minh họa phân bố tải trọng cho kết cấu vòm cao không khớp với áp lực phân bố đều (q) tại đỉnh vòm, áp lực phân bố hình thang tại tường vòm (e’ và e”)

Hình 1.12 Các dạng sơ đồ kết cấu của vòm

đá xung quanh qua từng giai đoạn khác nhau trong quá trình đào hầm; và các điều kiện biên, điều kiện ban đầu phức tạp của môi trường đất đá Mô hình số sử dụng công cụ máy tính để giải các phương trình vi phân phức tạp (hay còn gọi là phương pháp số) được chia thành hai nhóm chính: phương pháp phần tử biên và phương pháp chia lưới [13, 43] + Phương pháp phần tử biên (BEM) có biên hầm được chia thành các phần tử, còn môi trường đất đá được thể hiện bằng toán học dưới dạng liên tục vô hạn;

+ Phương pháp chia lưới có môi trường đất đá được chia thành các phần tử đơn giản về mặt hình học mà mỗi phần tử này được giả định các tính chất Việc tập hợp các đặc tính

và tương tác của chúng được đơn giản hóa bằng các mô hình phần tử phức tạp hơn thể hiện đầy đủ tính chất của đất đá Phương pháp chia lưới gồm các phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM), sai phân hữu hạn (FDM) và phần tử rời rạc (DEM) FEM và FDM đều phân tích môi trường đất đá là môi trường liên tục; còn DEM coi mỗi phần tử đất đá riêng lẻ là phần tử duy nhất DEM có kể đến ảnh hưởng của các gián đoạn có trong khối đá khi phân tích ổn định cho công trình ngầm Tuy nhiên, phương pháp này thường sử dụng trong phân tích công trình ngầm có kích thước lớn Với các công trình ngầm nhỏ như hầm thì ít ý nghĩa hơn

23

Với sự phát triển mạnh mẽ của điện toán, các phần mềm trong phân tích địa kỹ thuật được phát triển mạnh cho phép thực hiện các mô hình số để phân tích ổn định hầm trong môi trường liên tục (phần mềm FLAC, RS, PLAXIS ) và môi trường rời rạc (phần mềm UDEC, PFC ) Các nghiên cứu trên thế giới sử dụng các mô hình số để mô phỏng và đánh giá một

số các dạng phá hủy khi công trình ngầm đi qua khu vực địa chất phức tạp như tạo hang trống [50], tróc lở hầm trong đá nứt nẻ [51, 52], nổ đá [53, 54], siết ép [55]

Ở Việt Nam, mô hình số cũng được sử dụng trong một số nghiên cứu ổn định công trình ngầm Trong đó, Phạm Thị Nhàn và nnk [56] dùng mô hình số để xét ảnh hưởng của neo đến ổn định hầm bằng phần mềm FLAC 2D trong nghiên cứu cơ sở lý thuyết lựa chọn giải pháp neo dùng trong chống giữ hầm, lò Nguyễn Quang Phích [26] sử dụng

mô hình số dùng phần mềm UDEC, FLAC 2D và PFC 2D trong nghiên cứu lập các mô hình phân tích, dự báo, đánh giá tai biến địa chất-kỹ thuật cho các dạng mất ổn định xảy

ra trong công trình ngầm, công trình khai thác mỏ ở Việt Nam

1.2.2 Phân tích ổn định hầm thủy điện trong giai đoạn vận hành

Trong giai đoạn vận hành, ổn định hệ vỏ hầm được phân tích có xét thêm ảnh hưởng của áp lực nước trong hầm trên sự tương tác giữa môi trường đất đá và hệ kết cấu

Hệ vỏ hầm có thể được phân tích bằng các phương pháp: (i) hệ kết cấu tự do chỉ chịu tải trọng theo phương đứng và phương ngang, bỏ qua tương tác với đất đá xung quanh hầm; (ii) hệ kết cấu có tương tác với đất đá xung quanh hầm thông qua hệ số kháng đàn hồi; (iii) dùng mô hình số phân tích theo các phương pháp cơ học của môi trường liên tục [14] Phương pháp (i) và (ii) còn được biết đến là phương pháp tách kết cấu ra khỏi môi trường đất đá xung quanh Sự khác nhau của hai phương pháp này là có hay không xét đến tương tác của môi trường đất đá với hệ kết cấu Do tách kết cấu ra khỏi môi trường đất

đá nên phân tích ổn định hệ vỏ hầm sẽ dùng phương pháp cơ học kết cấu cho kết cấu vòm Hình 1.14 thể hiện các dạng vỏ hầm được phân tích theo kết cấu vòm khi tách khỏi môi trường đất đá Kết cấu vòm thấp được áp dụng khi vòm hầm kê trực tiếp lên đá cứng, vòm kê lên tường thẳng, vòm dạng mũi tên (Hình 1.14a); kết cấu vòm cao được

áp dụng cho vỏ hầm dạng vòm tường thẳng, vòm tường cong (Hình 1.14b) Vòm hầm trong trường hợp này được xét là các vòm không khớp Tường hầm trong kết cấu vòm

24

thấp và đáy hầm trong kết cấu vòm cao sẽ được tính toán riêng biệt khi biết các phản lực tại chân vòm Khi xét đến tương tác của môi trường đất đá với hệ kết cấu, môi trường đất đá được xem như là biến dạng toàn bộ, khi có chuyển vị tại một điểm sẽ hình thành lực kháng đàn hồi chống lại biến dạng của kết cấu Lực kháng đàn hồi không phát sinh tại vùng đất đá bị long rời Hình 1.15 minh họa sơ đồ tính toán và phân bố tải trọng cho kết cấu vòm cao không khớp có kể đến áp lực nước pw khi xét đến tương tác đất đá với

hệ kết cấu qua hệ lò xo dọc biên hầm, đất đá bị long rời tại vòm hầm Hệ lò xo thể hiện phản lực đàn hồi của đất đá lên hệ kết cấu, phụ thuộc vào lực kháng đàn hồi (hay còn gọi là áp lực bị động) của đất đá khi nhận biến dạng từ hệ kết cấu

(b) Kết cấu vòm cao

Hình 1.14 Kiểu kết cấu vòm trong tính toán ổn định hầm

Ghi chú: q – áp lực đất đá chủ động tại vòm hầm, e’ và e “ – áp lực đất đá chủ động tại tường hầm, p w – áp lực nước bên trong hầm ở giai đoạn vận hành hầm thuỷ điện

Hình 1.15 Sơ đồ tính toán và phân bố tải trọng cho kết cấu vòm cao không khớp giai đoạn vận hành theo phương pháp tách kết cấu ra khỏi môi trường đất đá

Vỏ hầm trong Hình 1.14 có thể được thực hiện bằng cách thay vỏ hầm thành các dầm gãy khúc nối nhau liên tục, lực kháng đàn hồi của môi trường đất đá được thay thế bằng các phản lực đàn hồi đặt tại tim của vỏ hầm và tại điểm gẫy khúc của dầm (là các hệ lò

xo theo phương tiếp tuyến và pháp tuyến tại điểm gãy khúc của các dầm nối nhau) [57,

(a) Kết cấu vòm thấp

Hình 1.16 Sơ đồ tính toán và phân bố tải trọng cho hệ vỏ hầm được thay thế bằng hệ

thanh dầm nối tiếp [20]

Phương pháp (iii) sử dụng mô hình số trong phân tích địa kỹ thuật cho phân tích ổn định hầm để xác định biến dạng và ứng suất trong hệ vỏ hầm dưới tác dụng của áp lực nước trong hoặc bên ngoài vỏ hầm trong môi trường đất đá

Các mô hình kể trên ngoài việc xem xét ổn định hầm với áp lực nước bên trong hầm khi vận hành còn phải xét đến trường hợp hầm thủy điện tháo cạn nước nhanh Việc tháo cạn nước nhanh trong hầm sẽ hình thành nên áp lực chân không kết hợp với áp nước bên ngoài tạo nên hiện tượng chênh lệch áp lực nước tác dụng lên hệ vỏ hầm [34] Vỏ hầm cần phân tích kiểm tra về vết nứt và dòng thấm từ trong hầm qua hệ vỏ hầm ra môi trường đất đá xung quanh Dòng thấm có thể phát sinh trong điều kiện vỏ hầm nứt hoặc không bị nứt Nghiên cứu [59, 60] đã đưa ra các lời giải giải tích để xác định vết nứt, dòng thấm, áp lực nước bên ngoài vỏ hầm khi có dòng thấm của hầm không áo và hầm BTCT dưới tác dụng của áp lực nước bên trong hầm

Từ tổng quan phương pháp tất định phân tích ổn hầm thủy điện có thể thấy:

- Các phương pháp phân tích kể trên được xây dựng từ đánh giá tương tác của môi trương đất đá với kết cấu chống đỡ Lấy thông số môi trường đất đá là số liệu đầu vào trong phân tích ổn định như ứng suất tự nhiên, tiêu chuẩn phá hủy, lực kháng đàn hồi của môi trường đất đá xung quanh hầm Do đó, thông số môi trường đất đá thiếu chính xác, lựa chọn phương pháp phân tích không phù hợp với điều kiện thi công, vận hành

26

và đặc điểm địa chất thực tế sẽ dẫn đến nguy cơ mất ổn định vỏ hầm, gây phá hủy hầm hoặc dẫn đến thiết kế lãng phí;

- Áp lực nước có vai trò quyết định trong bài toán ổn định hầm giai đoạn vận hành Hiểu

rõ quy trình vận hành của trạm thủy điện để xác định đúng điều kiện xuất hiện áp lực nước bên trong và bên ngoài lên vỏ hầm là điều cần thiết Đánh giá đúng điều kiện địa chất liên quan đến hiện tượng rò rỉ nước trong hầm để có biện pháp xử lý công trình phù hợp;

- Lời giải giải tích có thể áp dụng phân tích ổn định hệ vỏ hầm gồm kết cấu gia cố và vỏ hầm vĩnh cửu ở giai đoạn thi công bằng phương pháp khống chế hội tụ Giai đoạn vận hành, phương pháp phân tích ổn định hầm chủ yếu áp dụng vỏ hầm BT hoặc BTCT, bỏ qua vai trò của kết cấu gia cố hầm Với sự phát triển mạnh mẽ của điện toán, mô hình

số được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các bài toán phân tích ổn định công trình thuộc lĩnh vực địa kỹ thuật, thuận tiện trong phân tích hệ kết cấu vỏ hầm ở cả giai đoạn thi công và vận hành Các tiêu chuẩn liên quan đến lĩnh vực địa kỹ thuật như EM 1110-2-

2901, AASHTO LRFDTUN-1 [4], BS EN 1997-1: 2004 (EC7) kiến nghị sử dụng mô hình số phân tích ổn định công trình thuộc lĩnh vực địa kỹ thuật khi mô hình phản ánh được sự tương tác qua lại giữa môi trường đất đá với kết cấu chống đỡ Do đó, khi sử dụng mô hình số trong phân tích ổn định hầm thuỷ điện giai đoạn thi công và vận hành cần đánh giá sự phù hợp của mô hình với dạng mất ổn định của hầm khi đào và tương tác qua lại giữa môi trường đất đá với kết cấu chống đỡ ở giai đoạn thi công và vận hành

1.3 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện

1.3.1 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực kỹ thuật công trình trên thế giới và

ở Việt Nam

1.3.1.1 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực kỹ thuật công trình trên thế giới

Lý thuyết độ tin cậy được ứng dụng nhiều thập kỷ qua trong lĩnh vực kỹ thuật phục vụ cho thiết kế, tối ưu, kiểm nghiệm, đánh giá độ tin cậy, an toàn, rủi ro, quản lý kỹ thuật cho hệ thống phức tạp cũng như các thành phần con của hệ thống bằng cách sử dụng

lý thuyết xác suất thống kê Lý thuyết độ tin cậy không chỉ được dùng trong phân tích các vấn đề quy hoạch, dự đoán, thiết kế mới mà còn được dùng để phân tích các vấn đề bảo trì, sửa chữa cho hệ thống, thành phần con đã và đang được vận hành [6, 61]