đánh giá an toàn kết cấu cống đồng bằng theo lý thuyết độ tin cậy

Các kết quả đạt được là những đóng góp nhỏ về mặt khoa học trong quá trình nghiên cứu và tính toán ổn định cống lộ thiên, góp phần nâng cao độ chính xác trong quá trình đưa ra mức độ hư

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, thầy GS.TS Nguyễn Văn Mạo 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 ổn định cống lộ thiên, góp phần 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 giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô TS Phạm Hồng Cường, thầy giáo

GS.TS Nguyễn Văn Mạo và 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 Đào tạo Đại 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 chân thành cảm ơn Công ty tư vấn và chuyển giao công nghệ Trường Đại Học Thủy Lợi, Phòng thí nghiệm thủy lực tổng hợp- Văn phòng tư vấn- trường Đại học thủy lợi đã tạo điều kiện cung cấp các tài liệu liên quan và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn

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 2 năm 2013

Tác giả

Nguyễn Thị Huyền Trang

BẢN CAM KẾT

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các thông tin, tài liệu trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc Kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây

Tác giả

Nguyễn Thị Huyền Trang

MỤC LỤC 26T

MỞ ĐẦU26T 1 26T

1 Tính cấp thiết của đề tài.26T 1 26T

2 Nội dung nghiên cứu của đề tài26T 2 26T

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài.26T 2 26T

4 Mục tiêu của đề tài.26T 2 26T

5 Cách tiếp cận và nghiên cứu.26T 2 26T

6 Các kết quả và đóng góp của luận văn.26T 2 26T

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.26T 2 26T

CHƯƠNG 1KHÁI QUÁT VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG VÀ LỰA CHỌN 3 26T

PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH CỐNG26T 3 26T

1.126T 26TTình hình xây dựng cống đồng bằng ở Việt Nam26T 3 26T

1.1.126T 26TCống lấy nước26T 3 26T

1.1.226T 26TCống điều tiết26T 4 26T

1.1.326T 26TCống tiêu26T 5 26T

1.1.426T 26TCống phân lũ26T 6 26T

1.1.526T 26TCống ngăn triều26T 7 26T

1.1.626T 26TCống tháo cát26T 9 26T

1.226T 26TCác bộ phận chính của cống lộ thiên26T 9 26T

1.2.126T 26TBộ phận nối tiếp thượng lưu26T 10 26T

1.2.2 Thân cống26T 11 26T

1.2.326T 26TBộ phận nối tiếp hạ lưu26T 11 26T

1.326T 26TĐặc điểm làm việc của cống và những yêu cầu tính toán thiết kế26T 11 26T

1.3.1 Tính toán thủy lực26T 11 26T

1.3.2 Tính toán ổn định cống26T 14 26T

1.3.3 Tính toán kết cấu các bộ phận cống26T 15 26T

1.3.4 Nguyên tắc bố trí và lựa chọn kết cấu cống26T 17 26T

1.426T 26TCác phương pháp tính toán ổn định cống dùng trong thiết kế26T 18 1.4.1 Phương pháp ứng suất cho phép 18

1.4.2 Phương pháp hệ số an toàn26T 18 26T

1.4.3 Phương pháp trạng thái giới hạn26T 19 26T

1.4.226T 26TPhương pháp tính theo độ tin cậy26T 20 26T

1.526T 26TƯu và nhược điểm các phương pháp26T 23 26T

1.626T 26TKết luận chương 126T 24 26T

CHƯƠNG 2BÀI TOÁN THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀCÁC PHẦN MỀM ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TOÁN 25 26T

2.1 Giới thiệu phương pháp lý thuyết độ tin cậy26T 25 26T

2.1.1 Giới thiệu chung26T 25 26T

2.1.2 Những ưu điểm nổi bật khi sử dụng lý thuyết độ tin cậy26T 28 26T

2.2 Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên26T 29 26T

2.2.1 Tính toán cấp độ I:26T 29 26T

2.2.2 Tính toán cấp độ II26T 31 26T

2.2.3 Tính toán cấp độ III26T 36 26T

2.3 Cơ chế phá hoại ổn định tổng thể cống đồng bằng26T 37 26T

2.3.1 Sơ đồ cành cây sự cố cống đồng bằng26T 37 26T

2.3.2 Lý thuyết áp dụng để phân tích26T 39 26T

2.4 Xác suất xảy ra sự cố đối với cống lộ thiên.26T 42 26T

2.4.1.26T 26TCống mất ổn định do trượt26T 43 26T

2.4.2.26T 26TCống mất ổn định do lật26T 43 26T

2.4.3.26T 26TCống mất ổn định do ứng suất nền26T 43 26T

2.5 Các phần mềm dùng trong luận văn.26T 44 26T

2.5.1 Phần mềm BESTFIT26T 44 26T

2.5.2 Phần mềm VAP for MS Windows26T 46 26T

2.6 Kết luận chương 226T 48 26T

CHƯƠNG 3ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TÍNH ỔN ĐỊNH MỘT PHƯƠNG ÁNCỐNG NAM ĐÀN - NGHỆ AN 50 26T

3.1 Đặt vấn đề26T 50 3.2 Giới thiệu chung 50

3.2.1 Vị trí công trình26T 50 26T

3.2.2 Nhiệm vụ và quy mô công trình26T 50 26T

3.2.3 Các thông số chính của công trình đầu mối26T 51 26T

3.3 Các trường hợp tính toán ổn định Cống Nam Đàn26T 54 26T

3.4 Các tài liệu tính toán26T 56 26T

3.5 Tính toán ổn định trượt phẳng26T 57 26T

3.5.1 Tính ổn định trượt của cống theo phương pháp hệ số an toàn26T 57 26T

3.5.2 Tính ổn định trượt của cống theo trạng thái giới hạn26T 60 26T

3.5.3 Tính ổn định trượt của cống theo lý thuyết độ tin cậy26T 60 26T

3.6 Kiểm tra lật quanh trục B26T 67 26T

3.6.1 Kiểm tra lật của cống theo phương pháp hệ số an toàn26T 67 26T

3.6.2 Kiểm tra lật của cống theo trạng thái giới hạn26T 67 26T

3.6.3 Kiểm tra lật của cống theo lý thuyết độ tin cậy26T 67 26T

3.7 Kiểm tra ứng suất đáy móng A, B26T 68 26T

3.7.1 Kiểm tra ứng suất đáy móng của cống theo phương pháp hệ số an toàn26T68 26T

3.7.2 Kiểm tra ứng suất đáy móng của cống theo trạng thái giới hạn26T 70 26T

3.7.3 Kiểm tra ứng suất đáy móng của cống theo lý thuyết độ tin cậy.26T 70 26T

3.826T 26TPhân tích/Đánh giá kết quả26T 71 26T

3.8.126T 26TPhân tích/ Đánh giá kết quả tính toán ổn định trượt phẳng26T 71 26T

3.8.226T 26TPhân tích/ Đánh giá kết quả tính toán ổn định lật26T 71 26T

3.8.326T 26TPhân tích/ Đánh giá kết quả tính toán ứng suất nền (khả năng chịu tải của nền)26T 72 26T

3.926T 26TKết luận chương 326T 74 26T

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ26T 75 26T

1 Những kết quả đạt được:26T 75 26T

2 Những tồn tại:26T 76 26T

3 Kiến nghị:26T 77 26T

4 Hướng tiếp tục nghiên cứu:26T 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

I Tiếng Việt26T 79 26T

II Tiếng nước ngoài26T 80 26T

PHỤ LỤC CHƯƠNG 326T 81

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

26TU

Hình 1-1: Cống Xuân QuanU 4 26TU

Hình 1-2: Cống Nam ĐànU 4 26TU

Hình 1-3: Cống hạ lưu Liên MạcU 5 26TU

Hình 1-4: Cống Phủ Lý, Hà NamU 5 26TU

Hình 1-5: Cống Láng ThéU 6 26TU

Hình 1-6: Cống Cầu XeU 6 26TU

Hình 1-7: Cống Vân CốcU 7 26TU

Hình 1-8: Cống đập Ba LaiU 9 26TU

Hình 1-9: Cống Cầu BôngU 9 26TU

Hình 1-10: Cống Bảo ĐinhU 9 26TU

Hình 1-11: Cống đập Cần ChôngU 9 26TU

Hình 1-12: Cắt dọc cống lộ thiênU 10 26TU

Hình 1-13: Sơ đồ tính thuỷ lực đập tràn thực dụng.U 12 26TU

Hình 1-14: Sơ đồ tính thuỷ lực đập tràn đỉnh rộng.U 12 26TU

Hình 1-15: Sơ đồ chảy tự doU 12 26TU

Hình 1-16: Sơ đồ chảy ngậpU 12 26TU

Hình 1-17: Ngưỡng cuối bể tiêu năngU 13 26TU

Hình 1-18: Răng tiêu năngU 13 26TU

Hình 1-19: Mố tiêu năngU 13 26TU

Hình 1-20: Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên bản đáy cống.U 16 26TU

Hình 1-21: Tường ngực và sơ đồ áp lực nước tác dụng lên nóU 16 26TU

Hình 1-22: Sơ đồ tính trụ chịu lực thẳng đứngU 17 26TU

Hình 2-1: Định nghĩa biên hư hỏng Z = 0U 27 26TU

Hình 2-2 Sơ đồ tính độ tin cậy của kết cấu công trìnhU 27 26TU

Hình 2-3 Sơ đồ cành cây sự cố của cống lộ thiênU 38 26TU

Hình 2-4 Định nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số độ tin cậy U 42 Hình 3-1: Sơ đồ đáy móng cống 55

M Ở ĐẦU

Trong lý thuyết độ tin cậy của kết cấu công trình sử dụng thuật ngữ “chất lượng công trình” bao hàm các tiêu chí để đánh giá công trình được khai thác theo đúng mục tiêu thiết kế, gồm 2 trạng thái đối nhau của kết cấu công trình: “an toàn, hay độ tin cậy đảm bảo” (tức là chất lượng được đảm bảo) và “không an toàn, hay bị phá huỷ” (tức là chất lượng không đảm bảo)

Các kết cấu công trình nói chung, trên thực tế chịu nhiều yếu tố tác động đến chất lượng công trình không thể định lượng được chính xác Các yếu tố này, dưới đây gọi là các yếu tố bất định hay là các yếu tố ngẫu nhiên

Theo truyền thống, việc tính toán thiết kế kết cấu công trình dựa trên các tiêu chuẩn quy phạm, trong đó coi các yếu tố bất định là “tiền định” kèm theo các hệ số

an toàn Cách tính toán này được gọi là phương pháp tính theo “mô hình tiền định”,

không phản ảnh được bản chất ngẫu nhiên của các tác động, do đó không thể đánh giá đúng đắn chất lượng của kết cấu công trình thực tế

Sự ra đời của lý thuyết độ tin cậy kết cấu công trình nhằm khắc phục nhược điểm của mô hình tiền định, nhờ dựa trên công cụ toán học chủ yếu là lý thuyết xác suất (kết hợp với thống kê và lý thuyết các quá trình ngẫu nhiên) cho phép mô tả sát thực

tế hơn các yếu tố ngẫu nhiên tác động lên kết cấu công trình Lý thuyết độ tin cậy đã

đưa ra các phương pháp tính theo “mô hình xác suất”, để đánh giá chất lượng công

trình theo độ tin cậy (đo bằng xác suất tin cậy) Từ đó trạng thái khai thác an toàn của công trình được xác định dựa trên đối chiếu giữa “độ tin cậy tính toán” của công trình so với “độ tin cậy cho phép” được quy định trong tiêu chuẩn quy phạm thiết kế theo độ tin cậy Luận văn tập trung đi sâu nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy nhằm đánh giá an toàn tổng thể cống đồng bằng nhằm đưa ra được phương pháp kiểm tra đánh giá mức độ an toàn của các công trình hiện hữu Điều này hết sức có ý nghĩa nhất là trong điều kiện biến đổi khi hậu toàn cầu Những kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn khi cống đồng bằng hiện nay được xây dựng và vận hành với thời gian tương đối dài

2 N ội dung nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy đánh giá an toàn kết cấu cống đồng bằng

- Phạm vi nghiên cứu là cống đồng bằng

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

bằng cách dựa trên áp dụng các phương pháp xác suất của lý thuyết độ tin cậy để đánh giá độ tin cậy an toàn tổng thể và từ đó nâng cao chất lượng như mong muốn

của cống đồng bằng trong điều kiện Việt Nam

- Thu thập, nghiên cứu tài liệu của các công trình trên hệ thống thực tế

- Tiếp cận với lý thuyết độ tin cậy để đánh giá an toàn công trình

- Ứng dụng các phần mềm:

+ Bestfit: Phần mềm xử lý các biến ngẫu nhiên, xác định luật phân bố chuỗi số liệu + Vap for MS windows: đánh giá độ tin cậy an toàn công trình

- Nghiên cứu lý thuyết độ tin cậy trong đánh giá an toàn công trình

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

- Đưa ra các kiến nghị về nâng cao an toàn cống đồng bằng theo lý thuyết độ tin

cậy

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Áp dụng lý thuyết độ tin cậy trong tính toán công trình thủy lợi

- Sử dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao an toàn cống đồng bằng

- Áp dụng công trình cống đồng bằng hiện đang tồn tại nhằm chứng minh tính thực

tiễn và khả năng ứng dụng được của kết quả tính toán



CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG VÀ LỰA CHỌN

PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH CỐNG

Cống đồng bằng hay còn gọi là cống lộ thiên là một loại công trình thuỷ lợi hở được xây dựng để điều tiết lưu lượng và khống chế mực nước nhằm đáp ứng các yêu cầu cấp nước, phân lũ, tiêu úng, ngăn triều, giữ ngọt , ngăn mặn Cống lộ thiên được dùng rộng rãi nhất là ở vùng đồng bằng, vì vậy còn gọi là "cống đồng bằng"

đã được xây dựng từ 1958-1962 Hiện nay do yêu cầu phát triển nông nghiệp, nhất

là ở đồng bằng Sông Cửu Long nhiều cống lấy nước cống ngăn mặn và tiêu úng

đang được quy hoạch xây dựng để thâm canh tăng vụ [2]

Theo mục đích sử dụng cống lộ thiên được chia thành những loại sau đây:

Cống được xây dựng để lấy nước từ sông, kênh hoặc từ hồ chứa phục vụ các yêu cầu dùng nước: tưới, cấp nước sinh hoạt, công nghiệp và các ngành kinh tế khác Ở nước ta cống lấy nước kiểu cống lộ thiên được xây dựng ở nhiều nơi ví dụ: Cống Trung Trang đặt ở Xã Bát Trang, Huyện An Lão, Hải Phòng Cống lấy nước từ sông Văn Úc tưới cho 18.250 ha tạo nguồn tưới 420 ha Cống có 4 cửa, mỗi

cửa rộng 8m, QR tk R =111mP

3

P/s cống dùng van phẳng thép đóng mở tời điện TĐ 6.2, cống xây dựng năm 1980

Cống Xuân Quan thuộc hệ thống thủy nông Bắc Hưng Hà Nằm giữa châu thổ Bắc Bộ, phía tây là sông Hồng, phía bắc là sông Đuống, phía đông là sông Thái Bình, phía nam là sông Luộc Tưới 124.600 ha đất canh tác của các tỉnh thành phố

Hà Nội, Hải Dương, Hưng Yên, Bắc Ninh Rộng 19m( 4cửa x3,5m+ âu tàu 5m)

Cống Nam Đàn xây dựng từ 3/2009 đến 5/2010 Cống lấy nước được bố trí phía phải âu thuyền Lưu lượng thiết kế Qtk=27,64m3/s Thân cống dài 28,0m, chiều rộng tràn nước BR tr R=15m chia thành 3 khoang Đáy cao trình -1,4m, Tường bên và trụ pin cao trình đỉnh +11,95m Phía thượng lưu có khe phai và khe van Phía hạ lưu bố trí hai khe phai, hai hầm để phai Âu thuyền: bố trí ở phía trái cống, ngoài nhiệm vụ thông thuyền còn tham gia lấy nước vào mùa kiệt lưu lượng 16,4m3/s Âu dài 120,35m, lòng rộng 7,0m, cao trình đáy -1,4m, bố trí khe phai, khe van, cửa van chính và cửa van điều tiết phía thượng và hạ lưu

Loại cống này được xây dựng trên sông , kênh để dâng cao mực nước tạo điều kiện lấy nước cho các công trình phía thượng lưu Đảm bảo nhiệm vụ cấp nước, tiêu

úng và an toàn cho mỗi công trình

Cống điều tiết hạ lưu Liên Mạc xây dựng ở xã Thụy Phương, huyện Từ Liêm, Thành phố Hà Nội có nhiệm vụ: Dâng nước ở hạ lưu cống Liên Mạc, khi mực nước

sông Hồng vượt +12,95 để đảm bảo ổn định cho cống Liên Mạc Cung cấp nước tưới cho trên 60.000 ha canh tác của thành phố Hà Nội, tỉnh Hà Tây, Hà Nam Đảm bảo giao thông (đoàn tải trọng H30) qua hai bờ sông Nhuệ Cống có 2 cửa có kích thước (6x4) m và 1 cửa âu kích thước (6x7)m cửa vào dài 15m, thân cống 20m Cống Tắc Giang được xây dựng ở Phủ Lý Hà Nam lưu lượng nước sẽ được lấy từ sông Hồng vào sông Châu Giang cung cấp cho 5.672 ha tại khu vực sông Nhuệ huyện Duy Tiên, tạo nguồn nước phù sa cải tạo cho 36.198 ha với lưu lượng lớn nhất là 69,61m3/s

Cống điều tiết Mụ Bà (hệ thống thủy nông Bắc Nghệ An) Tưới tiêu cho hơn 31.000 ha đất sản xuất nông nghiệp và phục vụ đời sống dân sinh cho 4 huyện: Đô Lương, Yên Thành, Diễn Châu, Quỳnh Lưu tỉnh Nghệ An Cống có 4 cửa x 2m x 2,75m+ 1 cửa 4m

Cống Cổ Thiêu III (Huyện Kiến Thuỵ - Hải Phòng) 4 cửa, mỗi cửa rộng 7,5m, van cung xây dựng năm 2000 để tiêu úng cho 9.174 ha

Cống Cầu Xe (Hải Dương) tiêu cho khu vực Bắc Hưng Hải, gồm 7 cửa, mỗi cửa 8m, lưu lượng tiêu thiết kế 230mP

3

P/s

Cống tiêu Bến Thủy thuộc hệ thống thủy nông Nam Nghệ An 8 cửa x 4m + 1 cửa (âu thuyền) x 5m + 1 cửa van cung x 5m

Cống tiêu Cổ Tiểu 2: b=26m, Cống tiêu Cổ Tiểu 3: b=30m( 4 cửa x7,5m) thuộc

hệ thống thủy nông Đa Độ công trình cấp 2 nằm phía tây Nam thành phố Hải Phòng tiêu cho 23.920 ha diện tích đất các huyện thị An Lão, Kiến Thụy và thành phố Hải

Cống phân lũ Vân Cốc đặt tại km 37 của đê phải sông Hồng, ở đầu sông Đáy, cống gồm 26 cửa, mỗi cửa rộng 8m Cùng với các đoạn đê thấp hai bên cống (tràn cứu hộ đê) dài 8,6 km có thể phân lũ với lưu lượng lớn nhất 5000mP

3

P/s Cống Vân Cốc thuộc loại cống lộ thiên, cao trình ngưỡng cống +12.0 lưu lượng qua cống 2330mP

3

P

/s, cống dùng van phẳng, đóng mở bằng tời điện, và mùa lũ cống luôn luôn

ở tình trạng sẵn sàng vận hành

Hình 1-7: C ống Vân Cốc

Xây dựng ở cửa sông ven biển, chịu ảnh hưởng trực tiếp của thủy triều Ở một thời kỳ nhất định, khi thủy triều dâng, cống mở để các công trình lấy nước ngọt vào đồng (do triều đẩy dồn lên) Khi triều rút vào mùa lũ, lợi dụng chân triều thấp cống

mở tháo tiêu nước từ đồng ra Vào mùa khô cống đóng để ngăn triều giữ ngọt

Ngoài ra cống còn có tác dụng thay đổi nước trong đồng nhằm thau chua rửa mặn

Cống Nghi Quang (Nghệ An) được xây dựng để tiêu úng, ngăn triều, giữ ngọt, ngăn mặn, Rộng 54m: 12 khoang cửa rộng 4m cửa phẳng lệch tâm bằng BTCT M300, đóng mở tự động, 1 khoang cửa thông thuyền b=6m, cửa cung bằng thép mạ kẽm chống rỉ, đóng mở bằng tời Chiều dài thân cống 20m Giữ ngọt tạo nguồn tưới cho 6.000 ha, ngăn mặn cho 1.100 ha Cùng cống Bến Thủy tiêu úng cho vụ hè thu

23.000 ha Kết hợp tiêu lũ chính vụ Cấp nước sinh hoạt cho cảng Cửa Lò

Cống đập Ba Lai xây dựng huyện Bình Đại tỉnh Bến Tre có nhiệm vụ: ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu úng, tiêu chua, rửa phèn cải tạo đất cho 115.000 ha đất tự nhiên, 88.5000 ha đất canh tác và phục vụ sinh hoạt cho nhân dân các huyện Châu Thành,

thị xã bến tre,Giồng Trôm, Ba Tri và Bình Đại Phát triển mạng lưới giao thông Kiểu lộ thiên bằng bê tông cốt thép, xử lý nền cọc BTCT 35x35 Khẩu độ 10

khoang cửa, chiều rộng thông nước 84m, chiều dài thân cống 16m

Cống Gò Cát xây dựng ở thành phố Mỹ Tho tỉnh Tiền Giang có nhiệm vụ: ngăn mặn, giữ ngọt lấy nước từ rạch Bảo Định (nguồn nước sông Tiền) phục vụ cho khu vực đông Bảo Định 2400 ha đất lúa và vườn cây ăn trái, cấp nước sinh hoạt cho

nhân dân trong vùng hưởng lợi Khẩu độ 1 khoang rộng 7,5m dài 16m

4 cống ngăn triều thuộc dự án 16TCông Trình Kiểm Soát Nước Triều Cầu Bông – Bình Triệu – Bình Lợi – Rạch Lăng: Cầu16T Bông (B=10m), Bình Triệu (B=20m), Bình Lợi (B=20m), rạch Lăng (B=20m): Cửa sập bằng thép không rỉ, điều khiển

bằng xi lanh thủy lực Chiều dài thân cống 6.0m

Cống Bảo Đinh có nhiệm vụ ngăn mặn, giữ ngọt, tạo nguồn ngọt, tiêu úng, tiêu chua, rửa phèn, cải tạo đất cho 10.300ha đất lúa 3 vụ và vườn cây ăn trái, cấp nước sinh hoạt cho cho dân Chuyển nước ngọt từ rạch Bảo Định sang rạch Gò Cát Kết hợp phát triển giao thông thủy, bộ và cải tạo môi trường sinh thái vùng dự án Cống được đặt dưới lòng kênh Bảo Định Cao trình ngưỡng -4.20m, kích thước cửa nxBxH = 3x(10x6.5m), chiều rộng thông nước : 30.0m, chiều dài thân

cống 16.0m

Cống đập Cần Chông Là công trình chủ chốt của dự án thủy lợi Nam Măng Thít cùng với các công trình khác làm nhiệm vụ : Ngăn mặn, giữ ngọt, tạo nguồn, tiêu úng, tiêu chua, rửa phèn, cải tạo đất cho 177.792ha đất tự nhiên, trong đó 267.000ha đất canh tác Trong đó cống Cần Chông trực tiếp ngăn mặn, tạo nguồn cho 14.040ha, tiêu úng cho 16.500ha Cấp nước sinh hoạt cho cho dân trong vùng Kết hợp phát triển giao thông thủy, bộ và cải tạo môi trường sinh thái vùng

dự án Cao trình ngưỡng -4.50m, kích thước cửa nxBxH = 6x(10x7.5m), chiều rộng

thông nước 60.0m, chiều dài thân cống 17.0m

Hình 1-8: C ống đập Ba Lai Hình 1-9: C ống Cầu Bông

về ổn định trước, về phòng chống thấm, phòng xói, về sức chịu tải của các kết cấu

và nền công trình, thõa mản yêu cầu về dẫn, tháo nước qua cống

Cắt dọc của cống lộ thiên xem hình 1-12

Hình 1-12: C ắt dọc cống lộ thiên

1 Kênh dẫn thượng lưu

2 Sân trước 11 Cầu công tác

3 Tường cánh thượng lưu 12 Cầu thả phai

4 Cừ thượng lưu 13 Tường cánh thượng lưu

5 Khe phai 14 Bản đáy bể tiêu năng

6 Mố trụ 15 Mố tiêu năng

7 Bản đáy cống 16 Lỗ thoát nước

8 Tường ngực 17 Tầng lọc ngược

9 Cửa van 18 Sân sau thứ hai

10 Cầu giao thông 19 Kênh dẫn hạ lưu

Yêu cầu đối với bộ phận này là đảm bảo nước vào thuận lợi, đối xứng nhằm giảm tổn thất đầu nước, tạo chế độ thủy lực thuận lợi khi nước ra sau cống (tiêu năng và phân bố dòng chảy) Bộ phận này gồm tường cánh hướng nước, sân phủ chống xói và có thể có sân hoặc cừ chống thấm, có bản neo để tăng cường ổn định

- Tường cánh có tác dụng hướng dòng chảy vào được thuận lợi, chống xói và chống thấm vòng quanh bờ Có nhiều hình thức tường khác nhau tùy theo điều kiện địa hình, quy mô cống và tình hình cụ thể lựa chọn cho thích hợp

- Sân phủ có tác dụng chống xói, thường làm bằng đá xây khan, chiều dài sân thường (3÷ 5) lần chiều sâu nước chảy vào cống Sân chống thấm có tác dụng giảm

áp lực thấm dưới nền Chiều dài sân xác định theo yêu cầu chống thấm ở nền

1.2.2 Thân cống

Là phần chủ yếu của cống bao gồm ngưỡng đáy, các mố giữa mố bên, cầu giao thông, cầu công tác, tường ngực, cửa van Các mố giữa phân mố cống thành các khoang, để tiện việc đặt cửa van chắn nước

Bản đáy có tác dụng truyền lực của các bộ phận ở thân cống, phân bố tương đối đều đặn lên nền, đồng thời tạo ra lực ma sát với nền, giữ ổn định cho thân cống Bản đáy còn có tác dụng chống xói, chống thấm ở nền Ở một số cống còn dùng tường ngực để chắn nước giảm chiều cao cửa van, hạ thấp cao trình đặt cầu công tác Tường ngực còn có tác dụng làm tăng ổn định hướng ngang của các mố

Bao gồm tường hướng nước ra bên bờ, có kích thước giống ở thượng lưu Bộ phận nối tiếp hạ lưu là đoạn quá độ để dòng nước từ thân cống chảy ra kênh được

dễ dàng và khuếch tán đều đặn Ở bộ phận này cần có kết cấu tiêu hao năng lượng của dòng chảy từ cống ra, không gây xói ở hạ lưu Tường cánh hạ lưu có tác dụng phân bố đều và hướng dòng chảy từ thân cống ra kênh Ngoài ra, tường và bộ phận

đá lát ở hai bên bờ còn có tác dụng bảo vệ bờ kênh khỏi bị xói lở

Khi thiết kế việc lựa chọn các hình thức, kết cấu và kích thước các bộ phận của cống cần dựa vào tình hình cụ thể đảm bảo sao cho toàn bộ cống làm việc an toàn về ổn định trước, về phòng chống thấm, phòng xói, về sức chịu tải của các kết cấu và nền công trình, thỏa mãn yêu cầu về dẫn, tháo nước qua cống

Ngoài ra cần lưu ý trong khi lựa chọn, bố trí các kết cấu sao cho khi cần tu sửa

dễ dàng và hình thức công trình cần cân đối, đẹp mắt Trong thiết kế ngoài yêu cầu kinh tế kỹ thuật, cần chú ý tới tính chất mỹ thuật của công trình [2]

1.3.1 Tính toán thủy lực

được lưu lượng cần thiết, tiêu năng lượng thừa đảm bảo an toàn về xói, ứng với tần suất lựa chọn theo quy định

1.3.1.1 Xác định khẩu diện cống

Kích thước lỗ cống phải đảm bảo thực hiện được nhiệm vụ tháo nước, lấy nước của cống (mặt khác bề rộng mỗi cửa được lựa chọn còn phải chú ý đến yêu cầu lắp đặt, đóng mở cửa van và yêu cầu cấu tạo chung) Xác định kích thước lỗ cống trước tiên cần xác định:

- Mực nước thiết kế thượng hạ lưu cống: cần xác định cặp ZR t R, ZR h R và lưu lượng tương ứng bất lợi nhất cho mỗi mục tiêu thiết kế để tính toán đảm bảo lấy đủ lưu lượng và an toàn cho công trình, đồng thời đảm bảo yêu cầu kinh tế

- Lựa chọn kiểu ngưỡng cống và lưu lượng đơn vị: Lựa chọn lưu lượng đơn vị chảy qua cống rất quan trọng, cần phải xét ngay từ đầu vì nó ảnh hưởng đến giá thành xây dựng và điều kiện làm việc an toàn của cống và kênh Hình thức ngưỡng cống có ảnh hưởng đến khả năng dẫn nước qua cống, ảnh hưởng đến việc xác định kích thước lỗ cống và một số kết cấu khác của cống Phần lớn các cống đã xây dựng

ở nước ta chọn loại ngưỡng bằng, có tác dụng như ngưỡng đỉnh rộng Ngoài loại ngưỡng bằng có thể chọn hình thức ngưỡng mặt cắt thực dụng không chân không

tràn đỉnh rộng

Khi cần khống chế lưu lượng qua cống, ta dùng cửa van mở một phần

1.3.1.2 Xác định kích thước các bộ phận tiêu năng

C

z h

Nước từ thượng lưu xuống hạ lưu có một năng lượng thừa Vì vậy cần phải xem xét đánh giá và đề ra các biện pháp tính toán để tiêu hết năng lượng thừa này, đảm bảo sự làm việc an toàn cho cống Để giải quyết tiêu năng sau cống chúng ta cần: kiểm tra để xác định dạng nối tiếp dòng chảy sau cống để xác định trường hợp bất lợi nhất; định biện pháp và tính toán tiêu năng để đảm bảo dòng chảy ra phân phối được tương đối đều đặn

- Thiết kế bể tường tiêu năng: Xây bể hoặc tường hay bể tường kết hợp nhằm tạo ra nước nhảy ngập ngay sau cống Bằng cách đó năng lượng thừa được tiêu hao

từ 40% - 70% Đây là hình thức tiêu năng dùng với cột nước thấp, nền đất

- Thiết bị tiêu năng phụ: Loại thiết bị này có tác dụng tiêu hao năng lượng

thừa của dòng chảy, rút ngắn được chiều dài nước nhảy do đó giảm được khối

lượng sân tiêu năng Các thiết bị này còn có lợi cho việc phân bố lưu tốc ở hạ lưu Thiết bị tiêu năng phụ thường gặp như răng, mố và dầm tiêu năng

Khi thiết kế có khi vấn đề tiêu năng đã được xem xét và giải quyết đầy đủ, song trong thực tế vẫn xảy ra xói lở: nguyên nhân thường là do việc bố trí nối tiếp dòng chảy ra, việc quản lý đóng mở cống chưa tốt… làm cho dòng nước khuếch tán khó, chảy tập trung, tạo ra các vùng nước xoáy vật Khi có hiện tượng này, lưu tốc mạch động tăng, hiệu quả tiêu năng giảm và sinh ra xói lở ở lòng và bờ kênh Vậy nên:

- Không để chiều rộng cống quá hẹp so với lòng kênh, khó khăn cho việc bố trí hướng dòng

- Tường hướng dòng nên mở rộng dần sao cho dòng chảy bám sát được tường, không tạo ra vùng xoáy vật

- Ngay từ khi thiết kế phải quy định chế độ đóng mở cửa cống

Cần chú ý trong một số trường hợp, để tính toán tiêu năng đã đưa vào bài toán chảy tự do dưới cửa cống để xem xét, điều này chỉ nhằm chọn ra trường hợp tiêu năng bất lợi nhất và từ đó lựa chọn hình thức khắc phục

1.3.2 Tính toán ổn định cống

Tính toán thuỷ lực giúp chúng ta xác định các kích thước cơ bản của cống Sau khi chọn cấu tạo, xác định kích thước các bộ phận chính, chúng ta thực hiện tính toán ổn định cống Nội dung bao gồm:

- Kiểm tra ổn định thấm: Do cống được xây dựng trên nền thấm nước, khi có chênh lệch cột nước thượng hạ lưu, sẽ xuất hiện dòng thấm trên nền, dưới đáy cống, đồng thời xuất hiện dòng thấm quanh bờ Để kiểm tra ổn định thấm cần xác định: + Áp lực thấm tác dụng lên đáy cống

+ Lưu lượng thấm qua nền

+ Gradien và lưu tốc thấm ở hạ lưu cống, Gradien trung bình trong nền cống

- Kiểm tra về biến dạng, lún, nghiêng: Phần lớn cống được xây dựng ở vùng đồng bằng và trung du trên nền đất hoặc yếu Do vậy cần kiểm tra biến dạng, lún

để đưa ra biện pháp xử lý Trong thiết kế công trình trạng thái giới hạn về biến dạng thường được gọi là trạng thái giới hạn thứ hai

+ Xử lý về kết cấu: kết cấu có thể bị phá hỏng hoàn toàn hay từng bộ phận

do lún quá lớn, lún không đều, hoặc do áp lực lên mặt nền vượt quá khả năng chịu lực của đất vì thế để giảm tải trọng tác dụng, tăng khả năng chịu lực người ta thường dùng các biện pháp sau: kết cấu nhẹ, kết cấu mềm, thay đổi chiều sâu chôn móng, thay đổi kích thước móng, thay đổi loại móng và kích thước của nó

+ Xử lý về nền cống: Xử lý nền cống nhằm tăng sức chịu tải và hạn chế mức

độ biến dạng nhất là biến dạng không đồng đều của đất nền Như chúng ta đã biết, sức chịu tải và tính chất biến dạng của đất phụ thuộc vào cường độ liên kết của cốt đất và độ rỗng của đất Do đó biện pháp xử lý nền cống dựa vào nguyên tắc gia tăng

độ liên kết giữa các hạt đất hoặc tăng độ chặt của đất Vì thế có thể chia biện pháp

xử lý nền cống thành 3 loại như sau: điều chỉnh sự phân phối ứng suất và biến dạng của nền, tăng độ chặt của nền đất yếu, xử lý nền đất bằng hóa lý

- Kiểm tra ổn định trượt của cống hoặc của cống với một phần nền: Khi chịu tác dụng của các tải trọng tại các điểm của bản đáy phát sinh ra ứng suất tiếp Nếu vượt quá trị số giới hạn bản đáy sẽ bị phá hoại Ngoài ra dưới tác dụng của ngoại lực, cống có thể bị mất ổn định đẩy nổi, lật Do đó khi thiết kế cần kiểm tra ổn định trượt, ổn định chống đẩy nổi và ổn định chống lật Trong thiêt kế trạng thái giới hạn về ổn định gọi là trạng thái giới hạn thứ nhất

1.3.3 Tính toán kết cấu các bộ phận cống

Tính toán kết cấu mỗi bộ phận cống là phân tích từng đặc điểm kết cấu, đặc điểm làm việc để xác định trường hợp tính toán, tổ hợp lực, tải trọng tác dụng, xác định nội lực, tính toán khả năng chịu lực, biến dạng, kiểm tra nứt của từng bộ phận

đó Trong tính toán thiết kế thường tiến hành phân tích kết cấu các bộ phận chính như: bản đáy, tường ngực, mố cống

1.3.3.1 Tính toán bản đáy cống

Bản đáy chịu tất cả các lực phía trên và truyền xuống nền Thân cống là một kết cấu không gian, có cấu tạo và chịu lực khá phức tạp Có thể tính đến đặc điểm này bằng cách sử dụng các phương pháp số (phương pháp sai phân, phương pháp

phần tử hữu hạn ) Mặt khác có thể tính giản đơn bằng cách xét bài toán phẳng và tính theo phương pháp sức bền vật liệu hay phương pháp lý thuyết đàn hồi

Bản đáy thường có kết cấu đặc và phẳng, vật liệu thường là bê tông hoặc bê tông cốt thép Theo kinh nghiệm chiều dày bản đáy thường (1 1)

5 ÷ 7 chiều rộng khoang cống

1.3.3.3 Tính toán trụ cống

Mố trụ dùng để đỡ cửa van, tường ngực cầu giao thông, cầu công tác Hình dạng và kích thước mố trụ phải thỏa mãn các yêu cầu về thủy lực, về ổn định, về sức bền trong mọi điều kiện làm việc, và các yêu cầu về bố trí các kết cấu ở trên

mố Đối với mố bên ngoài các yêu cầu trên còn có tác dụng liên kết cống với bờ, chống thấm vòng quanh bờ

Khi xác định vị trí đặt cống cần chú ý các điểm sau:

Về địa hình cần chọn vị trí cống sao cho dòng chảy được thuận và thoả mãn các yêu cầu đã đề ra Thí dụ cống lấy nước phải bảo đảm yêu cầu về lưu lượng, về chất lượng nước Cống tiêu chọn ở vị trí thấp, đảm bảo khống chế được cả vùng tiêu Nơi xây dựng công trình phải thuận lợi cho công tác thi công, cho giao thông vận tải qua cống Tuân theo nguyên tắc sử dụng tổng hợp

Về địa chất phải chọn ở nơi nền tốt hoặc không phức tạp để giảm bớt khối lượng xử lý nền và không gây khó khăn cho thi công, tăng giá thành công trình Trong quá trình thiết kế cống trước hết căn cứ vào tình hình địa hình, địa chất, thuỷ văn, nhiệm vụ thiết kế và các điều kiện cụ thể khác để sơ bộ định ra hình thức kết cấu cống Sau đó thông qua tính toán thuỷ lực, tính toán kết cấu mà kiểm tra lại, sửa chữa các bộ phận cho hợp lý Vì vậy quá trình thiết kế cống là một quá trình xen kẽ giữa các bước tính toán, bố trí, chọn cấu tạo các bộ phận, nên phải thay đổi sửa chữa để chọn được công trình an toàn và kinh tế nhất

Khi bố trí các kết cấu thân cống cần xét đến khả năng lợi dụng tổng hợp Thí

dụ lợi dụng lỗ cống làm âu thuyền, bố trí cầu giao thông qua các trụ Kết hợp bản đáy thân cống làm sâu tiêu năng để rút ngắn chiều dài sâu sau

Ngoài ra khi thiết kế cần chú ý bảo đảm quản lý vận hành dễ dàng thuận tiện

và bảo đảm yêu cầu mỹ thuật, cảnh quan chung

Mỗi công trình thủy lợi là một hệ kết cấu chịu lực phức tạp Theo quan điểm thiết kế, khi công trình không đủ sức chịu tải thiết kế hoặc còn đủ sức chịu tải thiết

kế nhưng tải trọng vượt tải trọng thiết kế thì công trình làm việc trong điều kiện không an toàn và có thể xảy ra sự cố dẫn đến đổ vỡ Để công trình làm việc được an toàn trong điều kiện tải trọng và sức chịu tải thiết kế, người thiết kế phải lựa chọn giải pháp kết cấu đủ điều kiện ổn định tổng thể và ổn định về độ bền Vì vậy tính

ổn định và độ bền là một nội dung rất quan trọng, không thể thiếu trong thiết kế công trình

Hiện nay trong thiết có nhiều phương pháp tính ổn định và độ bền công trình Các phương pháp được sử dụng phổ biến trong thiết 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 cậy Đối với cống lộ thiên thường dùng các phương pháp sau:

Theo phương pháp này, điều kiện bền có dạng:

g cp t

F

F

= ≥ (1 - 2)

Trong đó: K - hệ số an toàn, là tỷ lệ giữa yếu tố (lực hay mômen) giữ FR g R và yếu

tố gây mất ổn định FR t R; KR cp Rlà hệ số an toàn cho phép

Trong tính toán thiết kế, người thiết kế thường lựa chọn công thức tính toán hệ

số ổn định K đã được thiết lập cho từng loại công trình và cho từng sơ đồ tính cụ thể Hệ số an toàn cho phép KR cp R được xác định theo tiêu chuẩn kĩ thuật được chọn làm tiêu chuẩn thiết kế

1.4.3 Phương pháp trạng thái giới hạn [12]

Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn là việc sử dụng một nhóm các hệ số

an toàn mang đặc trưng thống kê: hệ số tổ hợp tải trọng nR c R, hệ số điều kiện làm việc

m, hệ số tin cậy KR n R, hệ số lệch tải n, hệ số an toàn về vật liệu KR VL R… Nhóm các hệ

số này thay thế 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 thái giới hạn

Trạng thái giới hạn thứ nhất – công trình, kết cấu và nền của chúng làm việc trong điều kiện khai thác bất lợi nhất, gồm: các tính toán về độ bền và ổn định chung của hệ công trình – nền; độ bền thấm chung của nền và công trình đất; độ bền của các bộ phận mà sự hư hỏng của chúng sẽ làm cho việc khai thác công trình bị ngừng trệ; các tính toán về ứng suất, chuyển vị của kết cấu bộ phận mà độ bền hoặc

độ ổn định công trình chung phụ thuộc vào chúng v.v

Trạng thái giới hạn thứ hai – công trình, kết cấu và nền của chúng làm việc bất lợi trong điều kiện khai thác bình thường, gồm: các tính toán độ bền cục bộ của nền; các tính toán về hạn chế chuyển vị và biến dạng, về sự tạo thành hoặc mở rộng vết nứt và mối nối thi công; về sự phá hoại độ bền thấm cục bộ hoặc độ bền của kết cấu bộ phận mà chúng chưa được xem xét ở trạng thái giới hạn thứ nhất

Theo TCXDVN 285-2002 điều kiện đảm bảo ổn định hay độ bền của công trình là: .

trong đó: NR tt R - trị số tính toán của tải trọng tổng hợp Tải trọng tính toán được xác

định bằng cách lấy tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số lệch tải n:

= (1 - 5)

RR TC R - cường độ tiêu chuẩn của vật liệu;

KR VL R - hệ số an toàn về vật liệu, Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ

nhất, với kết cấu kim loại, KR VL R = 1,5 Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai,

lấy KR VL R = 1,0

nR c R - Hệ số tổ hợp tải trọng

m - Hệ số điều kiện làm việc

KR n R - Hệ số tin cậy xét đến tầm quan trọng (cấp) của công trình, các hậu

quả khi xảy ra trạng thái giới hạn

1.4.4.1 Con đường hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên

Sự tiến triển logic của các phương pháp thiết kế công trình đã được

tổng kết như sau Ban đầu chúng được tính theo các phương pháp tất định

(theo ứng suất cho phép và hệ số an toàn), với tiền đề là tải trọng và độ bền

tính toán đã được mặc định trong suốt quá trình làm việc của công trình Thực

tế thì các hàm tải trọng và độ bền chịu tác động của rất nhiều yếu tố khác

nhau, và biến đổi theo quy luật ngẫu nhiên Vì vậy việc ấn định trước các giá

trị tính toán của chúng trong suốt thời gian làm việc 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 này không tránh khỏi yếu tố chủ quan

Sự chuyển sang phương pháp trạng thái giới hạn là một bước tiến trên con đường cải tiến các phương pháp thiết kế công trình Phương pháp trạng thái giới hạn thực chất là phương pháp bán ngẫu nhiên, ở đây các hệ số an toàn cục bộ (nR c R, KR n R, m, KR VL R) được xác định theo con đường xác suất thống kê

Bước tiến tiếp theo là việc chuyển sang các phương pháp ngẫu nhiên trong khuôn khổ lý thuyết độ tin cậy Lý thuyết này xét đến bản chất thay đổi thường xuyên của tải trọng và tác động, tính chất vật liệu, bản thân kết cấu và các điều kiện khai thác chúng

1.4.4.2 Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới

Những năm thập kỷ 60 và 70 của thế kỷ XX trên thế giới đã có những công trình công bố về ứng dụng lý thuyết độ tin cậy vào lĩnh vực kết cấu xây dựng Các khái niệm về “Xác suất đảm bảo không bị phá hoại” cũng như tính toán các xác suất này đã trở nên quen thuộc trong lĩnh vực kết cấu xây dựng

Lý thuyết độ tin cậy cũng đã được ứng dụng vào lĩnh vực tính toán công trình thủy từ những năm thập kỷ 90 của thế kỷ XX Các thiết kế ngẫu nhiên và các thiết kế rủi ro được phát triển khá mạnh mẽ trong lĩnh vực công trình 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 Đầu tiên là sự truyền

bá lý thuyết bằng những sách dịch, bài giảng, giáo trình giảng dạy trong các trường đại học, tiếp đến là các công trình nghiên cứu trong khuôn khổ các luận văn thạc sĩ, luận án tiến sĩ trong các ngành Giao thông, Kết cấu xây dựng, Công trình thủy, Đê và công trình bảo vệ bờ…Trong lĩnh vực kết cấu xây dựng đã có những quy định ban đầu về tính độ tin cậy kết cấu So với thế giới ứng dụng lý thuyết này trong lĩnh vực công trình xây dựng của Việt nam đang còn là mới mẻ

1.4.4.3 Các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên

Trong trường hợp tất cả các nguyên nhân xảy ra hư hỏng công trình có thể liệt kê và xác suất xảy ra hư hỏng đó có thể chắc chắn được xác định thì

về nguyên tắc có thể xác định được xác suất xảy ra sự cố Vì vậy, hoàn toàn

có thể đưa ra một phương pháp tiếp cận mới trong thiết kế công trình 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 tất cả các yếu tố liên quan” Đây là lý do cơ bản của sự phát triển phương pháp “Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy”

Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên là phương pháp thiết kế dựa 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 tải trong các cơ chế phá hoại theo giới hạn làm việc của công trình.Trong thiết kế ngẫu nhiên, tất cả các cơ chế phá hỏng được mô tả bởi mô hình toán hoặc mô hình mô phỏng tương ứng Tính toán xác suất phá hỏng của một bộ phận kết cấu hoặc của công trình được dựa trên hàm độ tin cậy của từng cơ chế phá hỏng

Các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên được chia ra làm bốn cấp độ:

U

kế dựa trên cơ sở các trạng thái trung bình, các trị trung bình và kèm theo hệ số an toàn thích hợp tương ứng với mỗi loại công trình;

U

Đây là phương pháp tiếp cận bán ngẫu nhiên Trong thiết kế sử dụng các 1 nhóm các hệ số an toàn cục bộ (nR c R, m, KR n R, n, KR VL R) để tăng giá trị của tải trọng và giảm giá trị của độ bền

U

phương pháp gần đúng để biến đổi hàm phân phối xác suất sang dạng hàm phân phối chuẩn hay phân phối Gaussian Để xác định gần đúng

các giá trị xác suất xảy ra sự cố, quá trình tuyến tính hóa toán học các phương trình liên quan cần được thực hiện

U

hàm phân phối xác suất của các biến ngẫu nhiên được xem xét hoàn toàn đúng với quy luật phân phối thực của chúng Trường hợp bài toán phi tuyến, vấn đề cũng sẽ được giải quyết theo phi tuyến

Phương pháp: hệ số an toàn và trạng thái giới hạn tính toán đơn giản, không cần chuỗi số liệu (chỉ cần giá trị trung bình của thí nghiệm và số liệu lựa chọn tính toán) Chính vì thế khi tính toán với cả 2 phương pháp này đều chỉ đưa ra một kết luận công trình có ổn định hay không ổn định, nếu không ổn định lại phải thay đổi kết cấu, kích thước của công trình tính lại và kiểm tra Nên tính chính xác không cao Việc tính toán thiết kế kết cấu công trình dựa trên các Tiêu chuẩn quy phạm, trong đó coi các yếu tố bất định là “tiền định” kèm theo các hệ số an toàn Cách tính

toán này được gọi là phương pháp tính theo “mô hình tiền định”, không phản ảnh

được bản chất ngẫu nhiên của các tác động, do đó không thể đánh giá đúng đắn chất lượng của kết cấu công trình thực tế Một số hạn chế của phương pháp thiết kế truyền thống theo có thể kể ra như:

+ Chưa xác định được xác suất hư hỏng của từng thành phần cũng như của toàn

hệ thống;

+ Chưa xét đến tính tổng thể của một hệ thống hoàn chỉnh;

+ Không đưa ra được xác suất gây thiệt hại và mức độ thiệt hại của vùng được bảo vệ

Phương pháp lý thuyết độ tin cậy: Sự ra đời của lý thuyết độ tin cậy kết cấu công trình nhằm khắc phục nhược điểm của mô hình tiền định, nhờ dựa trên công

cụ toán học chủ yếu là lý thuyết xác suất (kết hợp với thống kê và lý thuyết các quá trình ngẫu nhiên) cho phép mô tả sát thực tế hơn các yếu tố ngẫu nhiên tác động lên

kết cấu công trình Lý thuyết độ tin cậy đã đưa ra các phương pháp tính theo “mô

hình xác suất”, để đánh giá chất lượng công trình theo độ tin cậy (đo bằng xác suất tin cậy) Từ đó trạng thái khai thác an toàn của công trình được xác định dựa trên đối chiếu giữa “độ tin cậy tính toán” của công trình so với “độ tin cậy cho phép” được quy định trong Tiêu chuẩn quy phạm thiết kế theo độ tin cậy Luận văn tập trung đi sâu nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy nhằm đánh giá an toàn kết cấu cống đồng bằng nhằm đưa ra được phương pháp kiểm tra đánh giá mức độ an toàn của các công trình hiện hữu Điều này hết sức có ý nghĩa nhất là trong điều kiện biến đổi khi hậu toàn cầu

Với mục đích đặt ra của đề tài, chương 1 đã nêu bật được những nội dung sau:

1 Đã khái quát được các kiểu Cống đồng bằng chính xây dựng ở nước ta, phân tích những yêu cầu tính toán cống để đảm bảo an toàn và giới hạn phạm vi nghiên cứu: an toàn ổn định tổng thể của cống

2 Đã làm được rõ nội dung các phương pháp tính ổn định dùng trong thiết kế cống: Phương pháp hệ số an toàn, phương pháp trạng thái giới hạn, phương pháp lý thuyết độ tin cậy Từ đó phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp đưa ra quyết định lựa chọn phương pháp lý thuyết độ tin cậy làm phương pháp nghiên cứu của luận văn

phân tích lập và giải bài toán tính ổn định cống theo lý thuyết độ tin cậy Việc nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trong tính toán ổn định cống nói chung và cho Cống Nam Đàn, Nghệ An nói riêng là một hướng đi đúng đắn và phù hợp với xu thế hiện nay



CHƯƠNG 2 BÀI TOÁN THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ

2.1 Giới thiệu phương pháp lý thuyết độ tin cậy

Hiện nay trên thế giới, lý thuyết ngẫu nhiên đang được dùng tương đối phổ biến trong những nghiên cứu, tính toán phân tích an toàn hệ thống như hệ thống phòng lũ, hệ thống công trình xây dựng Trong lĩnh vực công trình xây dựng, nhiều nước tiên tiến trên thế giới như các nước ở châu Âu, Mỹ, Nga, Trung Quốc vv… đã đưa ra những tiêu chuẩn an toàn công trình theo xác suất an toàn cho phép hoặc độ tin 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 trạng thái giới hạn cùng với mô hình thiết kế truyền thống để tính toán công trình Theo mô hình thiết

kế này tải trọng và độ bền tính toán được mặc định trong suốt quá trình làm việc của công trình Nhưng thực tế các hàm tải trọng và độ bền chịu tác động của rất nhiều yếu tố khác nhau và biến đổi theo quy luật ngẫu nhiên Vì vậy quan niệm về quan

hệ giữa tải trọng và sức chịu tải của công trình trong quá trình làm việc của mô hình thiết kế truyền thống ngày càng 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 giả đã trình bày mức độ tiếp cận với phương pháp thiết kế hiện đại này hiện được chia ra ở 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 dụng phương pháp nhiều hệ số an toàn (phương pháp trạng thái giới hạn)

- Tiếp cận xác suất cấp độ II và cấp độ III, phương pháp tiếp cận ngẫu nhiên

Mức độ III, trong đó các hàm phân bố của các biến được giữ nguyên quy luật phân bố và các tính toán không sử dụng các phương pháp gần đúng Cấp độ II,

trong đó sử dụng các phương pháp gần đúng để biến đổi luật phân bố của các tải trọng và sức chịu tải về các hàm phân bố chuẩn, các tính toán sử dụng các phương pháp xác suất gần đúng

Luận văn đi sâu vào nghiên cứu tính toán ổn định cống lộ thiên làm cơ sở thiết lập bài toán phân tích độ tin cậy an toàn cho cống, tiếp cận với lý thuyết ngẫu nhiên

ở cấp độ II

Các nguyên nhân xảy ra sự cố cống lộ thiên có thể liệt kê : Thấm, trượt, lật, ứng suất nền, đẩy nổi Từ trước đến nay khi tính toán ổn định cống theo phương pháp tính truyền thống chưa phản ánh 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 đó coi các yếu tố bất định là “tiền định” kèm theo các hệ số

an toàn Cách tính toán này được gọi là phương pháp tính theo “mô hình tiền định”, không phản ánh được bản chất ngẫu nhiên của các tác động , do đó không thể đánh giá đúng đắn chất lượng của kết cấu công trình thực tế Theo

ý tưởng của phương pháp l uận nêu trên , người ta hoàn toàn có thể đưa ra một phương pháp tiếp cận mới trong thiết kế công trình 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 của tất cả cá c yếu tố liên quan” Đây chính là lý do cơ bản cho sự phát triển "Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy "

Việc mở rộng cơ bản của thiết kế tất định được giới thiệu bằng các phương pháp xác suất thống kê là các hàm mật độ hai chiều hay các hàm mật độ xác suất nối kết của sức bền và tải trọng fR R,S R(R,S) được đưa vào trong tính toán hơn là dùng các giá trị thiết kế đặc trưng Các dạng hàm số này có bề mặt sóng nhiều hay ít trên miền không gian hai chiều, bất kỳ một điểm nào trên đó sẽ mô tả bằng khoảng cách

S và R dọc theo các trục tọa độ Các hàm mật độ xác suất riêng từng phần fR R R và fR S Rđược xây dựng từ phần chia của R và S của khối lượng xác định bởi fR R,S R Việc tính toán xác suất phá hỏng của một thành phần được dựa trên hàm độ tin cậy của từng

cơ chế phá hỏng Hàm độ tin cậy Z được thiết lập căn cứ vào trạng thái giới hạn

tương ứng với cơ chế phỏ hỏng đang xem xột, và là hàm của nhiều biến và tham số ngẫu nhiờn Theo đú, Z = R-S < 0 được coi là cú xảy ra hư hỏng và hư hỏng khụng xảy ra nếu Z nhận cỏc giỏ trị cũn lại (xem hỡnh 2.1) Do đú xỏc xuất phỏ hỏng được xỏc định là P{Z<0}

(S)

Muốn tớnh được độ tin cậy của cụng trỡnh, người thiết kế phải cú đủ số liệu phõn phối ngẫu nhiờn của tải trọng và độ bền từ đú kết hợp với cỏc yếu tố ảnh hưởng bờn ngoài tiến hành phõn phối xỏc suất và đỏnh giỏ độ tin cậy cụng trỡnh

- ảnh hưởng của môi trường

2.1.2 Những ưu điểm nổi bật khi sử dụng lý thuyết độ tin cậy

Tính toán khả năng ổn định của một công trình theo phương pháp thiết kế truyền thống thông thường được gọi là phương pháp tất định Theo phương pháp này các giá trị thiết kế của tải trọng và các tham số độ bền được xem là xác định, tương ứng với từng trường hợp và tổ hợp thiết kế riêng Ví dụ trong thiết kế cống lấy nước, tương ứng với mỗi giá trị tần suất thiết kế, mực nước và kích thước thân cống được xác định và được coi là tải trọng thiết kế, dựa vào tiêu chuẩn quy định thiết kế, hình dạng và các kích thước của công trình được xác định Các tiêu chuẩn quy định này được xây dựng trên các trạng thái giới hạn của cơ chế phá hỏng, trong

đó có kể đến số dư an toàn thông qua hệ số an toàn

Theo phương pháp thiết kế tất định, công trình được coi là an toàn khi khoảng cách giữa tải và sức chịu tải đủ lớn để đảm bảo thỏa mãn từng trạng thái giới hạn của tất cả các thành phần công trình Một số hạn chế tiêu biểu của phương pháp thiết kế tất định có thể được nêu như sau:

+ Trên thực tế, chưa xác định được xác suất phá hỏng của từng thành phần cũng như toàn hệ thống

+ Chưa xét đến tính tổng thể của một hệ thống hoàn chỉnh

+ Không so sánh được độ bền của các mặt cắt khác nhau về hình dạng và vị trí + Không đưa ra xác suất gây thiệt hại và mức độ thiệt hại của vùng bảo vệ (xác suất xảy ra sự cống công trình…)

Các phương pháp xác suất thống kê trong thực tế là một sự mở rộng các phương pháp truyền thống Vấn đề lựa chọn một hệ số an toàn thích hợp được giải quyết một cách có hệ thống bằng cách sử dụng các công cụ thống kê để miêu tả các thuộc tính ngẫu nhiên của cả sức bền vật liệu và tải trọng

Trong giải pháp này, một phạm vi an toàn được thu nhận bằng cách đưa vào trong tính toán tất cả những bất định, không chắc chắn của các biến tải trọng và các biến sức bền Bằng cách chấp nhận một xác suất sự cố nào đó, người thiết kế hiệu chỉnh 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 dần từng bước từ phương pháp hệ số an toàn, phương pháp nửa xác suất, để phân tích các biên tải trọng, sức chịu tải của vật liệu, tính chất kết cấu và điều kiện làm việc của công trình

Sự khác nhau căn bản giữa thiết kế truyền thống và thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy là ở chỗ, phương pháp thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy (phương pháp thiêt kế ngẫu nhiên) dựa trên xác suất hoặc tần suất chấp nhận thiệt hại của vùng 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 là phương pháp thiết kế tổng hợp cho toàn thể hệ thống Xác suất chấp nhận thiệt hại của vùng ảnh hưởng phụ thuộc vào

vị trí, mức độ quan trọng của khu vực, mức độ thiệt hại có thể và tiêu chuẩn an toàn của từng vùng, từng quốc gia Với lý do này, thay vì xác suất xác định chấp nhận thiệt hại bằng việc xác định mức độ chấp nhận rủi ro, bởi vì mức độ rủi ro là hàm phụ thuộc giữa xác suất xảy ra thiệt hại và hậu quả thiệt hại

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

hậu quả thiệt hại: Mức độ rủi ro=(Xác suất xảy ra thiệt hại) x (Hậu quả thiệt hại)

Lũy thừa n phụ thuộc vào tình trạng của đối tượng phân tích (hệ thống) thông thường lấy bằng 1

Vậy, những ưu điểm chính của giải pháp xác suất thống kê so với giải pháp tất định truyền thống là:

- Đánh giá tốt hơn các thống kê sức bền và tải trọng

- Ngăn chặn những bảo thủ trong thiết kế không cần thiết đưa đến việc tiết kiệm chi phí xây dựng

- Đưa những phương tiện để đánh giá quản lý, bảo dưỡng và đánh giá số liệu đối với quản lý

Một cách tổng quát, hiện nay các thiết kế được dựa vào các tiêu chuẩn

và hướng dẫn thiết kế Trong đó các thông số độ bền được gia giảm bằng các

hệ số đặc trưng, các thông số tải trọng được gia tăng bằng các hệ số tải trọng Thể hiện theo công thức 2.1:

S

R

S R

+ γR S R – Hệ số an toàn của tải trọng

Các giá trị đặc trưng của thông số độ bền và tải trọng được tính theo công thức 2.2:

S S S

R R R

k S

k R

σµ

σµ

II Sự kết hợp này được thể hiện trong định nghĩa điểm thiết kế “Điểm thiết kế

là điểm nằm trong miền sự cố với mật độ xác suất kết hợp của độ bền và tải trọng là lớn nhất” Vì vậy mà giá trị độ bền và tải trọng tại điểm sự cố gần với giá trị tại điểm thiết kế:

( S S)

S S S S

R R R R R R

V S

V R

βαµβσαµ

βαµβσαµ

+

=+

=

+

=+

S S

S S S

R R

R R R

V k

V S

S

V

V k R

*

*

βαγ

βα

S R

R R

σσ

σα

Tùy thuộc dạng hàm tin cậy và phân bố các biến ngẫu nhiên cơ bản mà các trường hợp tính toán cấp độ này bao gồm:

+ Trường hợp (1): Hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên

cơ bản phân bố chuẩn

+ Trường hợp (2): Hàm tin cậy phi tuyến với các biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn

+ Trường hợp (3): Hàm tin cậy phi tuyến với các biến ngẫu nhiên không phân bố chuẩn

+ Trường hợp (4): Hàm tin cậy phi tuyến với các biến ngẫu nhiên

cơ sở phụ thuộc

phân bố chuẩn: