Phân tích độ tin cậy an toàn của đập đất

Tiếp cận với tiêu chuẩn kĩ thuật của các nước tiên tiến và áp dụng những phương pháp tính hiện đại để nâng cao độ chính xác cho các quyết định khi thiết kế cũng như quản lí chất lượng đập đất là một trong những hướng nghiên cứu tích cực trong lĩnh vực an toàn hồ đập ở nước ta hiện nay. Nhằm giúp các bạn hiểu hơn về vấn đề này, mời các bạn cùng tham khảo bài viết Phân tích độ tin cậy an toàn của đập đất dưới đây.

PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY AN TỒN CỦA ĐẬP ĐẤT Nguyễn Lan Hương1 Nguyễn Văn Mạo1 Mai Văn Cơng1 Tóm tắt: Tiếp cận với tiêu chuẩn kĩ thuật nước tiên tiến áp dụng phương pháp tính nâng cao độ xác cho định thiết kế quản lí chất lượng đập đất hướng nghiên cứu tích cực lĩnh vực an tồn hồ đập nước ta Nội dung báo phân tích xác suất an tồn đập đất theo tốn tiếp cận với lí thuyết ngẫu nhiên mức độ II Nội dung báo đưa kết tính tốn an toàn đập đất theo hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam tiêu chuẩn Châu Âu Các nội dung báo kết nghiên cứu tài liệu tham khảo mang tính thời cho cơng tác nghiên cứu đập đất an toàn hồ đập Từ khóa: thiết kế ngẫu nhiên, phân tích độ tin cậy đập, an toàn đập đất, cố đập đất Đặt vấn đề Việt Nam quốc gia có nhiều hồ chứa Để mang lại nguồn lợi lớn, hồ thiết kế với đa mục tiêu Nhiều lưu vực khai thác theo hệ thống bậc thang Cùng với hồ nhỏ suối thượng nguồn nối với thành “mạng lưới kiểu dây bầu, dây bí’’ Trừ số hồ lưu vực lớn có nhiệm vụ phòng lũ, phần lớn hồ, hồ thủy điện miền Trung khơng có khả phòng lũ cho hạ lưu [7] Trong vài thập kỉ gần đây, ảnh hưởng biến đổi khí hậu làm cho tính bất thường thời tiết ngày rõ rệt, ảnh hưởng thiên nhiên an tồn hồ đập ngày khó kiểm sốt Nguy vỡ đập gây thảm họa cho loài người ngày trở nên trầm trọng Nghiên cứu giải pháp nhằm đảm bảo an toàn hồ đập giảm thiểu thiệt hại vỡ đập gây quốc gia có nhiều hồ đập, có Việt Nam ln vấn đề thời mang tính cấp thiết [6] Chất lượng cơng trình tạo thành hồ chứa đập dâng, cơng trình tháo lũ, cống lấy nước… ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn hồ Mỗi cơng trình hệ thống kết cấu phức tạp Trong q trình làm việc, cơng trình lại có liên quan với theo logic Trong ứng xử an toàn hồ đập, chúng xem hệ thống, thường gọi “hệ thống cơng trình đầu mối hồ chứa”, đập phần tử quan trọng hệ thống [4] Thực tế xây dựng khai thác hệ thống hồ chứa thủy lợi cho thấy, khơng hệ thống cơng trình bị cố với nhiều lý khác nhau, có yếu tố khơng xét đến hạn chế phương pháp tính tốn nên gây tổn thất lớn sản xuất, kinh tế, môi trường người Cho đến nay, Việt Nam, hệ thống cơng trình đầu mối hồ chứa thiết kế theo phương pháp truyền thống, phương pháp thiết kế tất định Phương pháp không định lượng mức độ ảnh hưởng thành phần đến an tồn chung hệ thống Vì người thiết kế người quản lý chưa có chắn để phân tích nhân tố ảnh hưởng đến an toàn hồ, làm sở đưa định hợp lí thiết kế vận hành khai thác cơng trình Hiện giới, lý thuyết ngẫu nhiên dùng tương đối phổ biến nghiên cứu, tính tốn phân tích an tồn hệ thống hệ thống phòng lũ, hệ thống cơng trình xây dựng Trong lĩnh vực cơng trình xây dựng, nhiều nước tiên tiến châu Âu, Mỹ, Nga, Trung Quốc vv… đưa tiêu chuẩn an tồn cơng trình theo xác suất an tồn cho phép độ tin cậy an tồn cơng trình [2] [5] Hiện Việt Nam sử dụng hỗn hợp KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 107 phương pháp: phương pháp ứng suất cho phép, phương pháp hệ số an toàn phương pháp trạng thái giới hạn với mơ hình thiết kế truyền thống để tính tốn cơng trinh Theo mơ hình thiết kế tải trọng độ bền tính tốn mặc định suốt q trình làm việc cơng trình Nhưng thực tế hàm tải trọng độ bền chịu tác động nhiều yếu tố khác biến đổi theo quy luật ngẫu nhiên Vì quan niệm quan hệ tải trọng sức chịu tải công trình q trình làm việc mơ hình thiết kế truyền thống ngày trở nên lạc hậu Xu hướng tiến thiết kế cơng trình theo lý thuyết ngẫu nhiên phân tích độ tin cậy Mức độ tiếp cận với phương pháp thiết kế đại chia 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 cấp độ III, phương pháp tiếp cận ngẫu nhiên Mức độ III, hàm phân bố biến giữ nguyên quy luật phân bố tính tốn khơng sử dụng phương pháp gần Cấp độ II, sử dụng phương pháp gần để biến đổi luật phân bố tải trọng sức chịu tải hàm phân bố chuẩn, tính tốn sử dụng phương pháp xác suất gần Bài báo trình bầy số kết phân tích an toàn đập đất tiếp cận với lý thuyết ngẫu nhiên cấp độ II.làm sở thiết lập toán phân tích độ tin cậy an tồn hệ thống cơng trình đầu mối hồ chứa Nội dung tốn tiếp cận với lý thuyết ngẫu nhiên cấp độ II Với quan niệm đập đất bị an toàn (xẩy cố), trường hợp tải trọng tác động (S) vào đập vượt khả chịu tải thiết kế (R), tải trọng tác động nằm giới hạn thiết kế sức chịu tải đập bị suy giảm, tính tốn thiết lập hàm tin cậy (Z) 108 (1) Z  RS Trong sức chịu tải R tải trọng tác dụng S hàm số đại lượng ngẫu nhiên có luật phân phối xác định Theo biểu thức (1) hàm Z qui ước sau: Z < đập không thỏa mãn điều kiện an toàn; Z > 0, đập thỏa mãn điều kiện an toàn; Z = ranh giới vùng an tồn vùng khơng an tồn (xem hình 1) Hàm tin cậy Z hàm tuyến tính có biến ngẫu nhiên phân phối chuẩn; Z hàm phi tuyến với biến ngẫu nhiên phân phối chuẩn; Z: hàm phi tuyến với biến ngẫu nhiên có luật phân phối X2 (R) Z = Biên vùng an toàn vùng không an toàn Z 0 Vïng an toµn X (S) Hình 1: Mơ biên cố Các thuật toán toán thực theo bước sau: (1) Xây dựng hàm tin cậy Z theo công thức (1) (2) Biến đổi biến ngẫu nhiên (BNN) hàm Z có luật phân phối (PP) luật phân phối chuẩn Xác định kỳ vọng (  Xi ) độ lệch chuẩn (  Xi ) BNN : n  Xi  X   i 1  Xi  Xi ; (2) ; n n Xi  X  n  1  i 1   ; (3) (3) Khai triển Taylor hàm Z sử dụng biểu thức đầu đa thức Hàm Z tuyến tính hóa điểm thiết kế (ĐTK) ban đầu: X o  X 1o , X 2o , X 3o ,  ; (4) đó: X io   Xi ; (5) Z  X  (6)  Xi  X0  ; X i i 1 đó: kỳ vọng ban đầu hàm Z tính theo (7) độ lệch chuẩn ban đầu hàm Z tính theo (8) n Z  Z  X0    KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) n Z  Z  X    i 1 n Z  ( i 1 Z  X    Xi  X  ; X i Z  X   Xi ) ; X i Z ; Z xác suất hư hỏng: P Z 0       ; (4) Tính độ tin cậy:   (7) (8) (9) (10) phân tích học nghiên cứu tổng kết thực tiễn đưa quy định chế phá hoại điển hình điều kiện để đảm bảo an toàn cho đập vào tiêu chuẩn kĩ thuật tính tốn đập đất Trên sở phân tích đặc điểm làm việc đập dựa theo tiêu chuẩn thiết kế đập đất hành thiết lập sơ đồ cố đập đất nh hỡnh [10] Bắt đầu (5) Tớnh h s ảnh hưởng: ZX   Xi X i ; i   Z (6) Xác định tọa độ ĐTK mới: X *  X , X , X  ; NhËp hµm tin cËy Z theo công thức (1) (11) Biến đổi luật PP BNN luật PP chuẩn (12) Xác định Xi Xi theo c«ng thøc (2), (3) đó: X i   Xi  i   Xi ; (13) - Tính lặp để tìm điểm thiết kế đặc trưng thống kê hàm Z Quá trình lặp mơ tả sơ đồ hình 2, bước lặp dừng lại điểm thiết kế hội tụ - ĐTK: điểm nằm đường biên vùng an tồn vùng khơng an tồn mà mật độ phân phối xác suất hàm tin cậy Z lớn Sử dụng kết ĐTK cuối (đã hội tụ) để tính đặc trưng thống kê hàm Z, từ xác định xác suất xảy cố P Z 0 Tính độ tin cậy xác suất hư hỏng đập đất 3.1 Cây cố đập đất Đặc điểm bật đập đất đập đắp vật liệu đất nên không cho phép nước tràn qua Trong trình làm việc đập chịu tác động cột nước hồ, dòng thấm đập, mơi trường nền, mưa, nhiệt độ, độ ẩm mơi trường khơng khí, tác động môi trường sinh thái Về mặt học làm việc đập đất làm việc hệ thống kết cấu phức tạp Phân tích làm việc đập, toán thường tiếp cận với toán tương tác ba môi trường: Nền - Nước – Đập Đập bị phá hoại dẫn tới cố vỡ đập xuất phát từ nguyên nhân nhiều nguyên nhân móc nối với Các kết i=0 Täa độ ĐTK: Xi tính theo (4) Tính Z theo công thøc (7) TÝnh Z theo c«ng thøc (8) TÝnh i theo c«ng thøc (11) TÝnh Z theo c«ng thøc (9) Tính ĐTK X*i theo công thức (12) IXi* - Xi I 0, đập thỏa mãn điều kiện an toàn; Z = ranh giới vùng an tồn vùng khơng an tồn (xem hình 1) Hàm tin cậy Z hàm tuyến tính có biến ngẫu nhiên phân phối chuẩn; Z