Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy - Chương 6 docx

CHƯƠNG – MÔ T CƠ CH X Y RA S C ð I V I H TH NG CÔNG TRÌNH PHỊNG CH NG LŨ VÀ H TH NG CƠNG TRÌNH B O V B BI N Các chương 3, cung c p s toán h c phân tích thi t k m t h th ng theo lý thuy t ñ tin c y Chương ñ c p ñ n ch phá h ng có th x y đ i v i h th ng cơng trình phịng ch ng lũ h th ng cơng trình b o v b Các ch ñ c p chương bao g m: 1) Ch y tràn/sóng tràn 2) Trư t mái ñê 3) ð y tr i/ xói ng m 4) Hư h ng k t c u b o v mái, đ nh đê-xói thân đê 5) Xói ng m/đ y tr i n n cơng trình thu cơng 6) Hư h ng h th ng đóng m c a van c a cơng trình thu cơng 7) Xói mịn đê t nhiên/đ n cát ven b Ngoài ra, ch phá h ng khác m t n ñ nh c c b c a thân ñê, m t n ñ nh c c b b ph n ph thu c cơng trình h th ng c n ñư c xem xét bư c phân tích chi ti t Trong ph m v chương ch trình bày cách xây d ng hàm tin c y cho ch hư h ng ph bi n nêu 6.1 Sóng tràn Nguyên nhân gây ch phá h ng lư ng nư c r t l n ch y qua b m t ñê N u gió có hư ng bi n hay ngun nhân khác làm cho sóng nh s c ch y tràn (m c nư c cao b m t ñê) Trong trư ng h p khác sóng ch y tràn m t đê 6.1.1 Cơ ch sóng tràn Cơ ch sóng tràn x y t i m t khu v c đê có lư ng nư c l n r t l n mà m t ñê ch u ñư c tràn qua b m t ñê Sau x y xói mịn, v t n t l n d n ñ n m t lúc m t lư ng nư c l n ch y vào vùng ñ t trũng 6.1.2 Hàm tin c y c a ch sóng tràn ð i v i d ng ch phá h ng này, t i tr ng lưu lư ng nư c th c t ch y tràn qua đ nh cơng trình, q0 Thành ph n đ b n lưu lư ng l n nh t ch y qua đ nh cơng trình mà cơng trình v n có th trì tình tr ng an tồn, làm vi c bình thư ng, g i lưu lư ng t i h n qc N u lưu lư ng th c t ch y tràn l n qc, cơng trình đư c coi b hư h ng Do đó, hàm tin c y c a ch phá h ng ñư c bi u di n thông qua hàm tr ng thái g i h n: Z = mqc qc - mq0 q0 đó: mqc = thơng s mơ hình xác đ nh lưu lư ng tràn t i h n – không th nguyên qc = lưu lư ng tràn t i h n gây v đê hay hư h ng cơng trình [m3/s/m] ho c [l/s/m] mq0 = thơng s mơ hình xác ñ nh lưu lư ng tràn th c t - không th nguyên q0 = lưu lư ng tràn th c t [m3/s/m] ho c [l/s/m] HWRU/CE Project - TU Delft 70 Trong hàm tin c y xu t hi n hai thơng s mơ hình Các thơng s thư ng đư c xác đ nh thơng qua mơ hình v t lý Chúng ch tính b t đ nh (khơng ch c ch n) mơ hình mơ ph ng mơ hình xác đ nh C n lưu ý vi c xác ñ nh thơng s hình h c ch y u c a cơng trình Trong trư ng h p thơng s hình h c ch y u c a đê bao g m: • Chi u dài m t thống (đà gió) đ sâu tính tốn tương ng • K t c u chân đê • Mái ngồi dư i đê • Cơ đê • Mái ngồi đê • K t c u đ nh đê • Mái c a đê (phía đ ng) • B o v chân đê phía đ ng Các mơ hình tính tốn thư ng s d ng: • Mơ hình mơ ph ng xác đ nh m c nư c (DELFT 3D, ZWENDL, SOBEK [5.2], WAQUA, etc ) • Mơ hình sóng nư c sâu(Bretschneider [5.3], Young and Verhagen [5.4]) • Mơ hình truy n sóng sóng nư c nơng (t i chân cơng trình) • Mơ hình xác đ nh lưu lư ng ch y tràn, sóng tràn (Van der Meer [5.5]) • Cơng th c Strickler mơ hình hố h s nhám c a mái phía đê • Cơng th c v đ b n ch ng xói c a mái đê b o v b ng c B n mơ hình đ u có ñ u vào ñi u ki n biên (gió, m c nư c bi n, h hay sơng) K t qu nư c ch y tràn qua đ nh Hai mơ hình sau xác đ nh đ b n bãi c m t d c bên qua lư ng nư c t i h n Lư ng nư c t i h n qc có th ñư c xác ñ nh theo phương pháp nghiên c u CIRIA hay CUR 169, Van der Meer Xem ph l c 6-A Ta có th dùng phương pháp Van der Meer [5.5] đ tính lư ng nư c tràn th c t Theo mơ hình lư ng nư c tràn th c t ñư c xác ñ nh theo sóng breaking non-breaking Lư ng nư c b ng giá tr t i thi u c a giá tr Xem ph l c 6-B 6.2 Cơ ch ch y tràn N u vùng ñư c b o v sau ñê n m vùng ng n gió (gió th i t đ t li n ra, sóng có hư ng xa b y u t sóng ch y tràn đư c b qua, c n xem xét ch ch y tràn Cơ ch x y m c nư c xu t hi n trư c đê cao cao trình đ nh đê Khi hàm tin c y ñư c vi t sau: Z = hk - h Trong đó: hk cao ñ c a ñ nh ñê h m c nư c xu t hi n trư c ñê ð i v i ñê bi n, m c nư c trư c ñê ñư c xác ñ nh h = MSL + Ztide + ∆Zwind setup + ∆Zgust + ∆Zrise HWRU/CE Project - TU Delft 71 Trong đó: MSL: m c nư c bi n trung bình theo cao ñ qu c gia M c nư c ñư c xác ñ nh cao ñ tri u trung bình c a m t bi n đ i v i t t c tr ng thái thu tri u ñư c ño liên t c chu kỳ nh t 19 năm Ztide : Cao ñ tri u cư ng, so v i MSL ∆Zwind setup: ñ gia tăng m c nư c trư c ñê bão hay đ d nh nư c gió ðây chi u cao nư c dâng m c nư c bi n trung bình c a bi n ph thu c vào tác ñ ng ma sát c a gió lên m t bi n Khi có bão ho c áp th p x y ra, c n ph i k thêm thành ph n gia tăng m c nư c có s chênh l ch áp su t (thư ng áp th p d n ñ n gia tăng m c nư c) ∆Zgust: m c nư c gia tăng dư i tác ñ ng c a gió gi t (trong bão) ∆Zrise: m c nư c bi n dâng cao tác ñ ng c a hi u ng nhà kính 6.3 Cơ ch m t n ñ nh trư t mái-m t n ñ nh t ng th Phân tích n ñ nh mái d c theo phương pháp ng u nhiên cho phép k ñ n s thay ñ i c a thơng s đ u vào c a tốn theo lu t phân b xác su t ñưa xác su t phá h ng mái d c trư t Cơ ch x y mái d c khơng đ m b o tiêu chu n an tồn ch ng trư t hay nói cách khác h s an tồn n đ nh trư t c a mái ñê SF nh giá tr h s an toàn cho phép theo tiêu chu n thi t k [SF] Hàm tin c y ñư c vi t theo: Z = [SF]-SF Trư ng h p ñơn gi n có th coi [SF]=1, ñó hàm tin c y ñư c vi t l i: Z = 1-SF H s an tồn n đ nh mái ñê SF có th ñư c xác ñ nh b ng nhi u phương pháp khác Phương pháp sư d ng ph bi n m t trư t tr tròn theo Bishop, Ranbu ho c t ng quát (xem thêm [6.8]) Hình 6.1 đưa sơ đ t ng quát mô t ch phá h ng ki u t i mái h lưu đê Hình 6.1 Cơ ch b t n ñ nh trư t mái ñê HWRU/CE Project - TU Delft 72 6.4 Cơ ch xói ng m/đ y tr i 6.4.1 Cơ ch xói ng m Theo ch này, l p ñ t bên dư i n n ñê b r a trơi dịng th m s d n đ n s s p ñ c a thân ñê ð c ñi m chung ch có m t hay nhi u l p ñ t n n ti p xúc tr c ti p v i môi trư ng nư c có s chênh l ch l n v m c nư c trư c sau ñê (xem hình 6.2) Trư c h t s xu t hi n ñ y tr i n n ñê phía h lưu, ti p theo s phát tri n dòng ch y ng m c a v t li u n n ñê (ch y u cát) Xói ng m x y s xói mịn v t li u n n đê dịng th m tăng, làm cho h t cát thu c l p ñ t n n ñê liên t c di chuy n v phía h lưu Q trình phát tri n ti p di n m t th i gian s d n ñ n s xu t hi n dòng ch y cát dư i n n ñê gây r ng n n ñê, ñe d a ñ n s n ñ nh c a thân đê [TAW-1999] Hình 6.2 ð nh nghĩa bi n ch đ y tr i/xói ng m Hình 6.3 Cơ ch đ y tr i gây cho đê (CUR 141, 1990) Hình 6.4 Cơ ch xói ng m ñ i v i l p cát bên dư i chân đê Cơ ch xói ng m x y đ ng th i th a mãn hai ñi u ki n: HWRU/CE Project - TU Delft 73 (1) L p sét n n ñê b ch c th ng (2) Xu t hi n dòng ch y v n chuy n cát ng m dư i ñê 6.4.2 Hàm tin c y c a ñi u ki n (1) L p ñ t n n ñê b ch c th ng áp l c dòng th m chênh cao c t nư c l n tr ng lư ng ñơn v bão hịa c a l p đ t n n Hàm tin c y c a ñi u ki n th nh t là: Z1= ρc*g*d - ρw*g*∆H (6-18) đó: ρc tr ng lư ng đơn v bão hịa c a l p ñ t n n; ρw tr ng lư ng ñơn v c a nư c; g gia t c tr ng trư ng; d b dày l p đ t sét tính t chân đê đ n l p cát bên dư i; ∆H c t nư c áp l c 6.4.3 Hàm tin c y c a ñi u ki n (2) 6.4.3.1 Tiêu chu n Blight Trong ph n này, ch xói ng m ñư c xem xét theo tiêu chu n Blight Hàm tin c y c a ch xói ng m là: - Hàm tin c y cho ñi u ki n 2: Z2= m*Lt/c - ∆H (6-19) Trong đó: ρc : Kh i lư ng riêng c a l p sét ρw : Kh i lư ng riêng c a nư c ∆H : Chênh l ch m c nư c Lt : Chi u dài tính tốn đư ng vi n th m, xác ñ nh theo Blight C : H s Blight L’; L2; B theo ñ nh nghĩa hình 6.4 m thơng s mơ hình, đ tính tốn s phân tán theo kinh nghi m kh o sát Z2= m*Lt/c - ∆H (6-18) Trong đó: Lt = L’+L2+B+d c = cB h ng s ph thu c vào lo i ñ t theo Blight ∆H sai s gi a m c nư c bi n ñ t li n; L’; L2; B đ nh nghĩa theo hình 6.4 m thơng s mơ hình, đ tính tốn s phân tán theo kinh nghi m kh o sát 6.4.3.2 Mơ hình Sellmeijer Khi m c nư c trư c ñê - h, dâng cao làm gia tăng c t nư c áp l c th m x y hi n tư ng di chuy n c a h t cát theo dịng th m Có th bi u di n áp l c l n nh t mà không gây s di chuy n h t cát theo dịng th m thơng qua m c nư c t i h n ðê có th g p s c hi n tư ng xói ng m chênh l ch c t nư c th m h - hb l n c t nư c t i h n hp Hàm tin c y có d ng: Z = m p * hp − mh (h − hb ) (6-20) HWRU/CE Project - TU Delft 74 Trong đó: mp; mh thơng s mơ hình, xác đ nh b ng kinh nghi m ho c t mơ hình v t lý Theo tiêu chu n Sellmeijr, chênh l ch c t nư c t i h n ñư c xác ñ nh theo: γp  hp = α * c * B  − 1 (0.68 − 0.1*ln c ) tan φ  γh (6-21) γp: tr ng lư ng th tích c a cát n n; ϕ : góc ma sát c a cát n n h s ñư c xác ñ nh theo công th c sau: 0.28  D   D 2.8  α =    B  −1  B  d d d 3 c =  10 70 70   κ d10 B  đó: B: h ng s White d10: đư ng kính h t chi m t l 10% ñư ng cong c p ph i d70: đư ng kính h t chi m t l 70% ñư ng cong c p ph i κ : module h s th m c a l p cát 6.5 M t n ñ nh c u ki n b o v mái Dư i tác d ng c a ñi u ki n biên th y ñ ng l c h c, k t c u b o v mái đê (kè) có th b m t n ñ nh M t nh ng nguyên nhân gây nên ch phá ho i tác đ ng c a sóng Hàm tin c y chung cho trư ng h p ñư c ñ nh nghĩa sau: Z = (Hs/∆D) R - (Hs/∆D) S (17) Trong đó: (Hs/∆D) R (1): ð c trưng không th nguyên c a s c ch u t i (Hs/∆D) S (2): ð c trưng không th nguyên c a t i ∆ t tr ng c a v t li u; D ñư ng kính ñ c trưng viên ñá ho c chi u dày c u ki n Có nhi u phương pháp xác đ nh đ c trưng khơng th nguyên (tham kh o giáo trình Thi t k cơng trình b o v b , S tay hư ng d n s d ng v t li u đá thi t k thi cơng cơng trình th y cơng, CEM ) Trong gi ng gi i thi u hàm tin c y xây d ng d a tiêu chu n c a Hudson, Van der Meer Pilarczyk, ñư c s d ng Tiêu chu n Thi t k ñê bi n c a Vi t Nam, phân tích n đ nh c u ki u b o v mái Cơng th c Hudson có d ng: Hs (10a) = (K D cot gα ) Dn 50 ∆ γs, γn tr ng lư ng ñơn v th tích c a v t li u s d ng nư c HS chi u cao sóng thi t k HWRU/CE Project - TU Delft 75 KD h s n ñ nh, ph thu c vào v t li u/ki u c u ki n s d ng l p c a kè, xác ñ nh theo b ng 5.13 B ng 5.13 H s n đ nh theo dùng v i cơng th c Hudson, Theo TCVN Lo i v t li u/ki u c u ki n ðá ðá Bê tông Bê tông Phương th c thi công/liên k t Th /R i ng u nhiên theo l p Lát lát khan X pñ cl p Liên k t t chèn KD 3.5 to (Tham kh o thêm Tiêu chu n thi t k ñê bi n Vi t Nam, 2002) Công th c Pilarczyk, K.W (Tham kh o thêm Tiêu chu n thi t k ñê bi n Vi t Nam, 2002) Công th c Pilarczyk s d ng Tiêu chu n thi t k ñê bi n Vi t Nam có d ng: Hs ϕ =ψ u b D50 ∆ ξ op đó: HS chi u cao sóng thi t k , xác đ nh b ng H1/3 ξ s sóng v : tan α ξ = Hs Ls ϕ h s n đ nh ph thu c vào hình d ng phương th c thi công, lo i liên k t ϕ = ñ i v i l p s d ng v t li u ñá (ñá ñ mái d c t nhiên) ϕ = ÷ 4,5 đ i v i c u ki n ñúc s n lát khan ϕ = ñ i v i c u ki n ñúc s n lát khan n n v i ñ a k thu t (b m t nh n), ñ t sét ϕ = ñ i v i c u ki n Basalton, tăng cư ng liên k t ma sát b ng c t li u thơ (đá răm) ϕ = ñ i v i c u ki n t chèn n n thích h p Tiêu chu n Pilarczyk có th áp d ng đư c cho nhi u lo i k t c u b o v mái (kè) khác b ng cách l a ch n áp d ng h s phù h p (xem thêm Pilarczyk et al, Dikes & Revetments, 1995) ψu = h th ng tăng cư ng n ñ nh h th ng, xác ñ nh theo kinh nghi m th c nghi m (ψu = 1,0 ñ i v i ñá t nhiên, ψu > ñ i v i h th ng khác), b s mũ cơng th c; có giá tr 0,5 ñ i v i ñá t nhiên nh n giá tr kho ng 0,5 ÷ 1,0 cho lo i khác (xem thêm Pilarczyk et al, Dikes & Revetments, 1995) Công th c Van de Meer: Tiêu chu n Van der Meer ñư c phân bi t áp d ng cho hai ñi u ki n sóng khác nhau: ði u ki n nư c sâu ði u ki n nư c nông ði u ki n nư c sâu: thư ng áp d ng cho cơng trình xa b , đ t ñi u ki n nư c sâu ð i v i sóng cu n: Hs  S  = 6.2 P 0.18   ∆Dn 50  N ð i v i sóng trào: HWRU/CE Project - TU Delft 0.2 ξ − 0.5 m (14) 76 Hs  S  = 1.0 P − 0.13   ∆Dn 50  N 0.2 cot anα ξ − 0.5 m (15) ði u ki n nư c nông ð i v i sóng cu n (plunging waves): H 2%  S  = 8.7 P 0.18     ∆Dn 50  N 0.2 ξ − 0.5 m (14b) ð i v i sóng trào (surging waves): 0.2 − 0.5 H 2%  S  = 1.4 P −0.13   cot anα ξ (15b)   m ∆Dn 50  N Trong đó: P: h s th m bi u ki n, có th nh n giá tr t 0,1 đ n 0,4 tùy theo tính th m c a n n kè S: m c ñ hư h ng thi t k , Ý nghĩa v t lý c a S s di n tích đơn v kích thư c c nh D50 có t ng di n tích b ng di n tích vùng mái kè b xói, hay S s c u ki n l p phương c nh D50 ñ t v a vùng mái b xói chi u dài đơn v D50 N u ñ d c mái n m t đ n S = (xem thêm chi ti t t i Jan Van de Meer, 1993) N: s sóng tính tốn, khuy n ngh s d ng 7500 sóng đ đ t g n ñ n tr ng thái cân b ng v phân b hình d ng m t c t ngang kè (v m t kinh t ) Ngoài ch phá ho i nêu trên, có th ti n hành xây d ng hàm ñ tin c y cho r t nhi u ch phá ho i khác c vào tiêu chu n theo phương pháp t t ñ nh (thi t k truy n th ng, xu t phát t ñi u ki n an toàn c a m t ch , hay m t ki u s c b t kỳ nào) Các ch ph bi n khác thư ng g p ñ i v i ñê, kè bi n hư h ng k t c u b o v chân cơng trình; Xói l thân đê hư h ng k t c u b o v ngồi (có th mái ho c mái ngồi đê, mái ñê không ñư c b o v , ho c ñư c b o v b ng tr ng c , ph bê tơng Asphalt, ph b ng đá lát t ng l c…); ch xói l ñ n cát/ñê cát t nhiên Tài li u tham kh o 6-1) Vrouwenvelder, A.C.W.M., et al., Theoriehandleiding PC-RING, Deel A: Mechanismenbeschrijving, (Theory manual PC-RING Part A: Description of Mechanisms, in Dutch), Delft, TNO Bouw 98-CON-1430, 1999 6-2) SOBEK Technical Reference Guide, Version 1.10, Delft Hydraulics & Ministry of Transport, Public Works and Water management, 1996 6-3) Bretschneider, Ch.L., Generation of windwaves over shallow bottom, Technical Memorandum No 51, Beach Erosion Board, Office of the Chief of Engineers, 1954 6-4) Young, I.R and L.A Verhagen, The growth of fetch limited waves in water of finite depth, Coastal Engineering 29 (1996), Elsevier Science B.V., December 1996 HWRU/CE Project - TU Delft 77 6-5) Meer van der, J.W., Golfoploop en golfoverslag bij dijken (Wave runup on and overtopping of dikes, in Dutch), Delft Hydraulics / Waterloopkundig Laboratorium, H2458/H3051, 1997 6-6) CIRIA Report 116, 1987 6-7) Verruijt, A., Geotechniek, (Soil mechanics, lecture notes, in Dutch), TU Delft 6-8) Manual MPROSTAB, Grondmechanica Delft, 1994 6-9) Meer van der, M Th., and W Meermans, Stabiliteitsfactor en kans op afschuiven van grondlichamen, (Stability factor and probability of slip of soil bodies, In Dutch), Technische Hogeschool Delft, Afdeling der Civiele Techniek, Vakgroep Waterbouwkunde, 1984 6-10) Calle, E.O.F., and J Weijers, Technical rapport for a check on the mechanism of piping, (Technisch rapport voor contriole op het mechanisme piping, In Dutch), Delft, TAW, 1994 6-11) Sellmeijer, J.B., On the mechanism of piping under impervious structures, Thesis TU Delft, Faculty of Civil Engineering, 1988 HWRU/CE Project - TU Delft 78 Ph l c 6-A H s gi m t ng h p γ, cho th y nh hư ng c a đê, m t nhám ngồi (m t d c góc sóng t i Ph l c 6-C trình bày chi ti t v h s gi m t ng h p) HWRU/CE Project - TU Delft 79 Ph l c 6-B Ph l c 6-C HWRU/CE Project - TU Delft 80 HWRU/CE Project - TU Delft 81 ... ng nhà kính 6. 3 Cơ ch m t n ñ nh trư t mái-m t n ñ nh t ng th Phân tích n đ nh mái d c theo phương pháp ng u nhiên cho phép k ñ n s thay ñ i c a thông s đ u vào c a tốn theo lu t phân b xác su... L’; L2; B theo ñ nh nghĩa hình 6. 4 m thơng s mơ hình, đ tính toán s phân tán theo kinh nghi m kh o sát Z2= m*Lt/c - ∆H ( 6- 1 8) Trong đó: Lt = L’+L2+B+d c = cB h ng s ph thu c vào lo i ñ t theo Blight... t nư c áp l c 6. 4.3 Hàm tin c y c a ñi u ki n (2) 6. 4.3.1 Tiêu chu n Blight Trong ph n này, ch xói ng m đư c xem xét theo tiêu chu n Blight Hàm tin c y c a ch xói ng m là: - Hàm tin c y cho ñi