Một phương pháp đánh giá xác suất an toàn của cống lộ thiên - ứng dụng cho cống tân đệ thuộc hệ thống thủy lợi nam Thái Bình

Nghiên cứu đã xây dựng phương pháp đánh giá độ tin cậy của cống lộ thiên theo lý thuyết độ tin cậy cấp độ II: mô phỏng hệ thống cống lộ thiên, xây dựng hàm tin cậy theo các trạng thái giới hạn, xử lý các biến ngẫu nhiên theo lý thuyết xác suất - thống kê, tính độ tin cậy của từng cơ chế sự cố và độ tin cậy của hệ thống cống theo sơ đồ ghép nối tiếp. Mời các bạn tham khảo!

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỘT PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT AN TOÀN CỦA CỐNG LỘ THIÊN - ỨNG DỤNG CHO CỐNG TÂN ĐỆ THUỘC HỆ THỐNG THỦY LỢI NAM THÁI BÌNH Nguyễn Lan Hương1, Nguyễn Quang Hùng1 , Đặng Quang Huy2 TÓM TẮT Hiện nay, đa số hệ thống thủy lợi Việt Nam thiết kế theo phương pháp tất định phân tích hệ số an tồn, nhiều nước giới tiếp cận với mơ hình thiết kế ngẫu nhiên phân tích độ tin cậy Đây phương pháp thiết kế đại ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực giới Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá độ tin cậy cống lộ thiên theo lý thuyết độ tin cậy cấp độ II: mô hệ thống cống lộ thiên, xây dựng hàm tin cậy theo trạng thái giới hạn, xử lý biến ngẫu nhiên theo lý thuyết xác suất - thống kê, tính độ tin cậy chế cố độ tin cậy hệ thống cống theo sơ đồ ghép nối tiếp Thực đánh giá độ tin cậy cho cống Tân Đệ - Thái Bình, phân tích mức độ ảnh hưởng chế cố biến ngẫu nhiên đến độ tin cậy hệ thống theo tiêu chuẩn độ tin cậy Nga Trung Quốc, từ đề xuất giải pháp nâng cao độ tin cậy cho cống Từ khóa: Cống lộ thiên, hàm tin cậy, độ tin cậy, chế phá hoại, biến ngẫu nhiên, cố ĐẶT VẤN ĐỀ2 Các cơng trình thủy lợi Việt Nam chủ yếu thiết kế theo phương pháp tất định phân tích hệ số an toàn Mức độ an toàn hệ thống đánh giá thơng qua tốn thủy lực, ổn định độ bền, tiêu kỹ thuật cơng trình mơ qua khả tháo, khả chịu tải cơng trình ảnh hưởng biến ngẫu nhiên thành phần cơng trình đến hệ thống chưa xét đến Hiện nay, nhiều nước tiên tiến giới: Nga, Trung Quốc, Nhật Bản số nước châu Âu sử dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên tiêu chuẩn độ tin cậy để đánh giá an tồn cơng trình Khi thiết kế cơng trình theo phương pháp ngẫu nhiên, tốn tiếp cận với thực tế phương pháp xét đầy đủ mức độ ảnh hưởng tính biến đổi ngẫu nhiên tính chất vật liệu xây dựng đất tải trọng đến trạng thái kết cấu Phương pháp việc tính độ tin cậy an tồn cho hệ thống cịn tiền đề cho q trình phân tích rủi ro sau [1] Việt Nam có nhiều nghiên cứu độ tin cậy cho cơng trình thủy lợi: đê, đập đất, cống ngầm, tràn xả lũ, nhiên việc ứng dụng lý thuyết ngẫu nhiên để Trường Đại học Thủy lợi Lớp Cao học 26C21, Trường Đại học Thủy lợi Email: lanhuong@tlu.edu.vn 82 tính độ tin cậy cho hệ thống cống lộ thiên chưa đề cập nhiều Bài báo xây dựng phương pháp tính độ tin cậy cho cống lộ thiên theo hướng tiếp cận với phương pháp phân tích hệ thống kết hợp với lý thuyết xác suất - thống kê Ứng dụng để đánh giá độ tin cậy cho cống Tân Đệ, tỉnh Thái Bình thuộc hệ thống thủy lợi Nam Thái Bình, nghiên cứu phân tích kết độ tin cậy mức độ ảnh hưởng cố đến độ tin cậy chung hệ thống thông qua việc so sánh với tiêu chuẩn độ tin cậy Nga Trung Quốc Từ đó, giới thiệu số giải pháp đảm bảo an toàn theo tiêu chuẩn độ tin cậy cho cống Tân Đệ trường hợp cống cần nâng cấp sửa chữa xây XÁC SUẤT AN TỒN CỦA CỐNG LỘ THIÊN 2.1 Mơ hệ thống Cống lộ thiên loại cơng trình thủy lợi dùng để điều tiết lưu lượng khống chế mực nước, phía hở khơng đắp đất Cống sử dụng phổ biến hệ thống tưới, tiêu, phịng lũ, ngăn triều, tháo xả bùn cát,… Cống có chiều rộng lớn nên chia thành khoang Cống chia thành phận chính: Bộ phận nối tiếp thượng lưu để đảm bảo nước chảy vào thuận dịng, ổn định tổn thất thủy lực; phận thân cống phận quan trọng cống, có tác dụng điều tiết lưu lượng, Nông nghiệp phát triển nông thôn - K 1- TH¸NG 11/2020 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ khống chế mực nước, liên kết cống với bờ với cơng trình khác; phận nối tiếp hạ lưu: đoạn độ để dòng chảy từ cống kênh dễ dàng khuếch tán [2] Coi hư hỏng ngun nhân dẫn đến cố cơng trình, hệ thống bị cố nhiều nguyên nhân gây nguyên nhân thống kê theo sơ đồ dạng cây, gọi cố 2.3.1 Kiểm định luật phân bố BNN theo tiêu chuẩn - bình - phương    + Giả thiết (Ho) luật phân bố xác suất F(X) BNN + Xác định tham số hàm mật độ xác suất phương pháp mô men phương pháp ước lượng hợp lý cực đại, số lượng tham số s + Phân chia số khoảng: k rộng khoảng d   K  20 ,  X  X  (2) d  max chiều k Trong đó: Xmax; Xmin: Giá trị lớn nhỏ chuỗi n số liệu quan sát BNN; + Đếm số quan sát rơi vào khoảng H + Tính xác suất pj khoảng j  a j 1 , a j  , Hình Sơ đồ cố cống lộ thiên Hình ví dụ mơ cố cống lộ thiên làm việc theo sơ đồ ghép nối tiếp Tại điểm nối có chữ ‘‘hoặc’’, chữ ‘‘và’’ sơ đồ thể liên kết cố cơng trình, chữ ‘‘hoặc’’ thể liên kết nối tiếp, chữ ‘‘và’’ thể liên kết song song [3] 2.2 Xây dựng hàm tin cậy Z Mỗi chế phá hoại sơ đồ hình thiết lập hàm tin cậy Z, hàm biểu thị mối quan hệ sức chịu tải tải trọng tác dụng vào cơng trình Z  R  X i   N Yi  (1) Trong đó: N  Yi   N Y1,Y2 , ,Yn  hàm tải trọng; R  Xi   R  X1, X2 , , Xn  hàm sức chịu tải X i , Yi biến ngẫu nhiên (BNN) gồm: ảnh hưởng phát sinh từ môi trường nước, môi trường đất đá, môi trường cơng trình, tính chất vật liệu xây dựng 2.3 Xử lý biến ngẫu nhiên hàm Z Liệt số biến thống kê từ liệu quan trắc cơng trình từ thí nghiệm gồm: mực nước thượng hạ lưu cống; kích thước cơng trình thiết bị khí; tiêu lý lực học đất đá, vật liệu xây dựng cống; thơng số khí tượng: vận tốc gió Thơng qua xử lý thống kê xác định luật phân bố xác suất đặc trưng thống kê BNN j   k ; p j  F  x  a j   F  x  a j 1  (3) + Tính giá trị U U  k  H j  n p j  (4)  j 1 n p j + Tra bảng phân bố    xác định giá trị:  2f , q ; Trong đó: f  k  s  1; q    với : Xác suất nhầm, q: Mức đảm bảo + Kiểm tra điều kiện: U   2f ,q (5) Nếu điều kiện (5) thỏa mãn: Giả thiết Ho bị từ chối tức BNN khơng thỏa mãn luật phân bố xác suất lựa chọn ban đầu; điều kiện (5) khơng thỏa mãn: BNN có luật phân bố xác suất lý thuyết F(X) với xác suất nhầm  hay mức đảm bảo q [3] 2.3.2 Xác định đặc trưng thống kê BNN: Kỳ vọng   Xi  độ lệch chuẩn  Xi  biến ngẫu nhiên Xi: n n  Xi  X   X i i 1 (6) ;  Xi  n  X i  X n  i 1   (7) - Với BNN có luật phân bố xác suất bất kỳ: Sử dụng phép đổi biến để biến đổi BNN có luật phân bố xác suất luật phân bố chuẩn cho giá trị hàm mật độ fXi hàm phân bố xác suất FXi ban đầu khác phân bố chuẩn giá trị tương ứng BNN có phân bố chuẩn điểm thiết kế X *  X1, X , X3 , , X n  [3] N«ng nghiƯp phát triển nông thôn - K - THáNG 11/2020 83 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ   f Xi X i*   ,Xi  X *  ,  X *  ,  *   i , Xi  (8); FXi X i    i , Xi      Xi Xi        - Xác suất an toàn chế cố [3]:  (12)   Z  Z  (9) ' - Tính đặc trưng thống kê mới: (  ' Xi ; Xi ) Pat  P  Z    : * i * i -1 * i -1 Z 2 exp     2 Z   dZ       - Chỉ số độ tin cậy [3] :    Z   R   N (13) Z  R2   N2  = X -  (FXi (X )) Xi (10);  ' =    (FX i ( X ))  (11) Xi * ' Xi  f Xi ( X i ) 1 Trong đó:  : Là hàm ngược hàm phân bố chuẩn 2.4 Xác suất an toàn chế cố theo cấp độ II Trong đó:   hàm phân bố chuẩn; Z , R , N ; Z ,  R , N : kỳ vọng độ lệch chuẩn hàm tin cậy Z, hàm sức chịu tải R hàm tải trọng N 2.5 Độ tin cậy cống Bảng Ma trận xác suất làm việc an toàn phần tử cống hệ thống PT2 PT3 … PTn Sự cố PT1 P11 P21 P31 … Pn1 P12 P22 P32 … Pn2 P13 P23 P33 … Pn3 P14 P24 P34 … Pn4 … … … … … … m … PatCT Pat phần tử cống PatCT - Lập ma trận xác suất làm việc an toàn phận cống (mỗi phận phần tử) bảng 1, với giả thiết có n phần tử (PT) cống m chế cố xảy với phần tử cống đó, coi chế cố xảy độc lập [3] PatCT … PatCTn đất canh tác huyện Vũ Thư, bổ sung nguồn nước cịn thiếu cho hệ thống Nam Thái Bình, kết hợp lấy phù sa từ sông Hồng phục vụ giao thông thủy [4] Hệ thống cống Tân Đệ gồm phần [4]: - Khi cố (trên sơ đồ 1) liên kết với theo cổng “hoặc”, xác suất an toàn phần tử thứ i: PatCTi tính theo (14); cố liên kết với theo cổng “và”, PatCTi tính theo (15) [3]: m PatCTi    1  P  (14); P ij CTi at   j 1 m  1  P  (15) ij j 1 Trong đó: Pij - Xác suất an toàn chế cố tính mục 2.4 - Chưa xét tương quan phận cống, xác suất an toàn (độ tin cậy) cống có phận làm việc theo sơ đồ ghép nối tiếp tính theo (16) n PatHT   PatCTi (16) i 1 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA CỐNG TÂN ĐỆ 3.1 Hiện trạng cống Tân Đệ - Cống Tân Đệ cống lộ thiên cấp I thuộc hệ thống thủy lợi Nam Thái Bình, cống xây dựng xã Tân Lập, huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình năm 2006 Cống có nhiệm vụ cung cấp nước tưới cho 2291 84 Hình Chính diện thượng lưu cống Tân Đệ - Thái Bình - Thân cống: Chiều rộng thơng nước B = 8,5 m, chia làm cửa: cửa rộng 5,5 m, kiểu lộ thiên kết hợp thông thuyền; cửa bên kiểu cống ngầm, kích thước cửa B x H =(1,5 x 2,6) m Có hàng cừ chống thấm L=2,5 m chân khay thượng hạ lưu cống Cầu giao thông cống tải trọng H30-X80 - Tuyến kênh thượng lưu dài 525 m, kênh đất, mặt cắt hình thang có Bđ = 12 m; m = Đoạn nối tiếp kênh dẫn thượng lưu với sông Hng l ca vo m Nông nghiệp phát triển nông thôn - K 1- THáNG 11/2020 KHOA HC CễNG NGHỆ rộng dần gia cố kè đá kiểu thả rồng rọ đá, lát mái đá hộc - Tuyến kênh hạ lưu dài 1653 m nối cống với sông Kiến Giang cầu Nhất Kênh đất, mặt cắt hình thang có Bđ=12 m; m=2,0, kênh có hệ thống cầu cơng trình kênh thân cống bị trượt phẳng; thân cống bị lật quanh trục chân khay hạ lưu; cống không đủ khả chịu tải; đáy cống bị xói; cọc đáy cống không đủ khả chịu tải; mái kênh cửa cống bị trượt sâu 3.3 Các số liệu tính độ tin cậy cống 3.2 Sơ đồ cố cống Tân Đệ Hình Sơ đồ cố cống Tân Đệ Hình Cắt dọc thân cống Tân Đệ [4] Hàng năm cống Tân Đệ có số hư hỏng nhỏ tu bổ sửa chữa phần lớn hạng mục cống vận hành ổn định Theo số liệu quan trắc đánh giá trạng cống, nghiên cứu thực đánh giá độ tin cậy cống Tân Đệ cho chế cố sơ đồ hình 3: Do khơng thu thập đầy đủ số liệu (quan trắc, đo đạc thí nghiệm), nhiều BNN có giá trị thiết kế nên số trường hợp giá trị độ lệch chuẩn luật phân bố xác suất BNN lấy theo kinh nghiệm thiết kế nghiên cứu công bố [5] Bảng Các BNN tính cố trượt, lật thân cống khả chịu tải cống [4] Tên BNN Ký hiệu BNN Kỳ vọng  Độ lệch chuẩn:  Luật PBXS  bt (KN/m3) 24 0,24 Phân bố chuẩn Chiều dài thân cống L (m) 23,6 0,1 Phân bố chuẩn Chiều rộng cống B (m) 8,5 - Tất định Mực nước thượng lưu cống Z1 (m) 6,28 0,2 Phân bố chuẩn Mực nước hạ lưu cống Z2 (m) 0,33 0,1 Phân bố chuẩn m1 0,8 - Tất định Cđ (KN/m2) đ d (KN/m3) b q 6,44 12,7 36,8 1,35 0,9 0,6 0,2 Phân bố chuẩn Phân bố chuẩn Phân bố chuẩn Phân bố chuẩn e (m) 0,63 0,06 Phân bố chuẩn G (KN/m2) 17690 50 Phân bố chuẩn A B D 0,11 1,43 3,77 - Tất định Tất định Tất định Dung trọng bê tông xây dựng cống Hệ số điều kiện việc Lực dính đơn vị đất cống Góc ma sát đất cống Dung trọng đẩy đất Chiều rộng móng cống Tải trọng bên móng Độ lệch tâm tổng lực tác dụng tâm đáy móng Tổng lực thẳng đứng tác dụng lên tâm đáy móng Các hệ số phụ thuộc vào góc ma sát ca t Nông nghiệp phát triển nông thôn - KỲ - TH¸NG 11/2020 85 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Bảng Các BNN tính khả chịu tải cọc [4] Kỳ vọng:  Độ lệch chuẩn:  Ký hiệu BNN Tên BNN Số lượng cọc Đường kính cọc Khoảng cách cọc Chiều dài cọc Cường độ chịu nén bê tông làm cọc Cường độ chịu nén thép Mơ men tính tốn ứng với trục x Mơ men tính tốn ứng với trục y Tọa độ cọc biên Tọa độ cọc biên Tổng lực theo phương thẳng đứng Sức chịu tải cọc n d (m) Ccọc (m) Lcọc (m) 112 0,3 1,3 0,01 0,05 - Luật PBXS Tất định Phân bố chuẩn Phân bố chuẩn Tất định Rb (kg/cm2) 135 6,75 Phân bố chuẩn Ra (kg/cm2) 2700 50 Phân bố chuẩn Mx 0,5 Phân bố chuẩn My 504,16 10 Phân bố chuẩn xmax ymax P (KN) Pc (KN) 11,70 3,25 17690 401 0,3 0,2 50 20 Phân bố chuẩn Phân bố chuẩn Phân bố chuẩn Phân bố chuẩn Bảng Các đặc trưng thống kê BNN tính cố xói ngầm cửa cống [4] Tên BNN Ký hiệu BNN Kỳ vọng  Độ lệch chuẩn  Luật PBXS  k  KN / m  Dung trọng khô đất 16 1,6 Phân bố chuẩn Dung trọng nước Hệ số  theo Antipov 10 - n To (m)  i 0,35 11 0,035 Phân bố chuẩn Phân bố chuẩn 3,463 0,15 Phân bố chuẩn  0,621 - Độ rỗng đất cống Chiều dày tầng thấm Tổng hệ số sức kháng  n  KN / m  Tất định Tất định Bảng Các đặc trưng thống kê BNN tính cố trượt mái kênh [4] Độ lệch Kỳ vọng  Tên BNN Ký hiệu BNN Luật PBXS chuẩn  (KN/m3) 18,9 2,835 Phân bố chuẩn Dung trọng đất đắp mái kênh 18,6 2,79 Phân bố chuẩn (KN/m3) Dung trọng đất đáy kênh (KN/m3) 17,4 2,61 Phân bố chuẩn độ) 12,4 1,86 Phân bố chuẩn Góc ma sát đất mái kênh độ) 1,35 Phân bố chuẩn Góc ma sát đất đáy kênh độ) 0,9 Phân bố chuẩn C1 (KN/m ) 10 1,5 Phân bố chuẩn Lực dính đơn vị mái kênh C2 (KN/m2) 1,35 Phân bố chuẩn Lực dính đơn vị đáy kênh C3 (KN/m ) 0,9 Phân bố chuẩn -7 K1(m/s) 1,10 Tất định Hệ số thấm đất mái kênh K2(m/s) 1,4.10-7 Tất định -7 Hệ số thấm đất đáy kênh K3(m/s) 5.10 Tất định Pat = 0,95473 hay số độ tin cậy β = 1,69 Hiện 3.4 Xác suất an toàn cống Tân Đệ tại, Việt Nam chưa có tiêu chuẩn cụ thể độ tin Phân tích kết quả: cậy cho phép cho cơng trình thủy lợi, nghiên - Với số liệu thu thập từ hệ thống cống cứu sử dụng tiêu chuẩn độ tin cậy Nga Tân Đệ, nghiên cứu tính độ tin cậy cống Trung Quốc để so sỏnh 86 Nông nghiệp phát triển nông thôn - KỲ 1- TH¸NG 11/2020 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ + Theo tiêu chuẩn Nga [6]: xác suất an toàn cống Tân Đệ lớn xác suất an toàn cho phép Pat = 0,95473>[P] = 0,95, nên kết luận: Cống Tân Đệ làm việc an toàn tính theo lý thuyết độ tin cậy TT + Theo tiêu chuẩn Trung Quốc [7], Pat = 0,95473