CHƯƠNG IV.ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ THỐNG PHềNG CHỐNG LŨ HUYỆN GIAO THỦY – NAM ĐỊNH
4.1.2. Cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái
Hàm tin cậy chung cho trường hợp này được định nghĩa như 4.5 sau:
S S R
S
D H D
Z H
− ∆
= ∆
2 (4.5)
* Trong đó:
+ (HS/∆D)R – Đặc trưng không thứ nguyên của độ bền;
+ (HS/∆D)S – Đặc trưng không thứ nguyên của tải trọng;
+ ∆ – Tỉ trọng của vật liệu;
+ D – Đường kính đặc trưng viên đá hoặc chiều dày cấu kiện;
Có nhiều phương pháp xác định các đặc trưng không thứ nguyên trên. Một số phương pháp được sử dụng trong “Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển” như Hudson, Var der Meer, Pilarczyk.
Luận văn này trình bày tính toán theo phương pháp Pilarczyk, công thức có dạng 4.6:
ξ α ψ ϕ cos
50
b op u S
D H =
∆
(4.6)
* Trong đó:
+ HS – Chiều cao sóng thiết kế, xác định bằng H1/3; + ξ0p – Số sóng vỡ:
0 0
0
1 cot
1 tan
S m S g L
H
p S
=
=
= α
ξ α (s0: Độ dốc sóng)
+ ϕ – Hệ số ổn định phụ thuộc vào hình dạng, phương thức thi công, loại liên kết;
+ ψu – Hệ số chất lượng ổn định của mái kè (xác định theo loại kè, chuẩn ψu=1 cho mái kè đá đổ hai lớp), ψu<2.25.
+ b – Lấy bằng 0,5 với đá tự nhiên, lấy bằng 0,5 ÷ 1,0 cho các loại vật liệu khác;
+ α: Góc nghiêng của mái dốc kè;
Khi đó, hàm tin cậy 4.5 viết thành 4.7:
b p m
u
Hs
D
Z ξ
α φ
ψ cos
2 = − ∆ (4.7)
Các bước tính toán xác suất xảy ra cơ chế mất ổn định mái kè, tác giả thực hiện tính toán với 2 trường hợp: (1) Chiều dày áo kè như hiên tại D1=0.28m và (2) Chiều dày áo kè tính theo Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển 2012 D2=0.65(m).
Các biến ngẫu nhiên của hàm tin cậy 4.7 ở trên được xác định trong Bảng 4.4 sau:
Bảng 4. 4: Các biến ngẫu nhiên của cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái
TT Biến ngẫu nhiên Kí
hiệu Đơn vị
Đặc trưng thống kê Luật
P.Phối Kỳ vọng μ
Độ lệch σ 1 Chiều cao sóng thiết kế Hs m LogNor
1.5 (Nom – Phụ Lục 1)
0.3(σ
=15% μ)
2 Độ dốc sóng s0 - Deter
0,007 (Nom – Phụ Lục 1)
3 Tỉ trọng của vật liệu Δ T/m3 Nor 1.45 0.05 4 Chiều dày áo kè hiện tại D1 m Nor 0.28 0.02 5 Chiều dày áo kè TC
2012 D2 m Nor 0.65 0.02
6 Hệ số mái dốc (cotgα) m - Nor 4.0 0.25
7 Hệ số ổn định mái kè Ψu - Nor 1.50 0.15
8 Chỉ số mũ kinh nghiệm b - Nor 0.65 0.05
9 Hệ số ổn định φ - Nor 3.0 0.15
(Ghi chú: Nom: Giá trị theo thiết kế tất định; Nor: Luật phân phối chuẩn Normal)
Tính toán theo VAP được xác suất xảy ra sự cố và hệ số ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế. Kết quả thể hiện trong Bảng 4.5, 4.5 và Hình 4.3, Hình 4.4 dưới đây:
Bảng 4. 5: Xác suất xảy ra sự cố và ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái hiện tại
TT Thông số, Biến ngẫu
nhiên Kí hiệu Xác suất Hệ số ảnh hưởng αi αi2 (%)
1 Xác suất hư hỏng P(Z2<0) 0.562
2 Chỉ số độ tin cậy α -3.4
3 Chiều cao sóng thiết kế Hs 0.698 48.72
4 Chiều dày cấu kiện lát mái D1 -0.453 20.52
5 Tỉ trọng của vật liệu Δ -0.161 2.59
6 Hệ số mái dốc (cotgα) m -0.329 10.82
7 Hệ số kinh nghiệm ψ 0.254 6.45
8 Chỉ số mũ kinh nghiệm b -0.186 3.46
9 Hệ số ổn định φ -0.272 7.40
Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái:
Hình 4. 3: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái với chiều dày áo kè hiện tại
Bảng 4. 6: Xác suất xảy ra sự cố và ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái tính theo TC Thiết kế kỹ thuật đê biển 2012 TT Thông số, Biến ngẫu
nhiên Kí hiệu Xác suất Hệ số ảnh hưởng αi αi2 (%) 1 Xác suất hư hỏng P(Z2<0) 0.0891
2 Chỉ số độ tin cậy α 1.35
3 Chiều cao sóng thiết kế Hs 0.685 46.92
4 Chiều dày cấu kiện lát mái D2 -0.166 2.76
5 Tỉ trọng của vật liệu Δ -0.181 3.28
6 Hệ số mái dốc (cotgα) m -0.054 0.29
7 Hệ số kinh nghiệm ψ -0.264 6.97
8 Chỉ số mũ kinh nghiệm b 0.286 8.18
9 Hệ số ổn định φ -0.562 31.58
Hình 4. 4: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái với chiều dày áo kè hiện tại
- Kết quả phân tích cho thấy khả năng xảy ra mất ổn định kết cấu bảo vệ mái đê đối với kết cấu bảo vệ mái hiện tại với chiều dày D1 là rất cao P2=0.562. Ảnh hưởng của các đại lượng ngẫu nhiên trong trường hợp này thì có thể thấy Chiều
cao sóng thiết kế (48.72%) và chiều dày lớp kết cấu bảo vệ đê (20.52%) là lớn nhất đến xác suất xảy ra sự cố này.
- Đối với trường hợp chiều dày kết cấu áo kè bảo vệ mái tính lại theo Tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế đê biển 2012, thì xác suất xảy ra sự cố là P2=0.0891. Các đại lượng ngẫu nhiên lớn nhất đến xác suất xảy ra sự cố là Hs (46.92%) và chiều dày lớp kết cấu bảo vệ đê D2 (31.58%).
4.1.3. Cơ chế xói chân đê:
Cơ chế này xảy ra khi chiều sâu hố xói trước chân đê lớn hơn chiều sâu bảo vệ của kết cấu chân đê. Hàm tin cậy của cơ chế này được viết như sau:
Z3 = ht - hx (4.8)
* Trong đó:
+ ht – Chiều sâu bảo vệ của kết cấu chân đê;
+ hx – Chiều sâu hố xói dự kiến trước chân đê.
Chiều sâu hố xói dự kiến trước chân đê có thể xác định theo Sumer and Fredsoe, 2001:
35 .
2 1
sinh ) (
=
L h f H
h
S x
π
α với f(α)=0.3−1.77e15α (4.9)
* Trong đó:
+ h – Chiều sâu nước trước chân đê;
+ HS – Chiều cao sóng trước chân đê;
+ α – Góc mái thượng lưu đê.
Trường hợp hiện tại: h = MNTK - ∇MĐTN
* Trong đó:
+ MNTK – Mực nước thiết kế;
+ MNBĐ – Mực nước biến đổi;
+ ∇MĐTN – Cao trình mặt đất tự nhiên của bãi trước chân đê;
Khi đó, hàm tin cậy 4.8 viết thành:
35 . 1 15
3 2
sinh 77 . 1 3 . 0
− −
=
L h H e
h
Z t S
π (4.10)
Các biến ngẫu nhiên của hàm tin cậy 4.8 và 4.10 được xác định trong bảng 4.6 sau:
Bảng 4. 7: Các biến ngẫu nhiên của cơ chế xói chân đê
TT Biến ngẫu nhiên Kí hiệu Đơn vị
Đặc trưng thống kê Luật
P.Phối Kỳ vọng μ
Độ lệch β 1 Chiều sâu bảo vệ kết
cấu chân đê ht m Nor 1.5 0.15
2 Chiều cao sóng thiết kế Hs m LogNor
1.5 (Phụ Lục
1)
0.225 (Phụ lục
1)
3 Góc mái dốc α rad Nor 0.245 0.05
4 Cột nước trước đê h m Nor 1.36 0.14
6 Chiều dài sóng L m Nor 25 2.5
Tính toán theo VAP được xác suất xảy ra sự cố và hệ số ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế. Kết quả thể hiện trong Bảng 4.7 và Hình 4.4 dưới đây:
Bảng 4. 8: Xác suất xảy ra sự cố và ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế xói chân đê
TT Thông số, Biến ngẫu nhiên Kí hiệu
Xác suất
Hệ số ảnh hưởng αi αi
2 (%)
1 Xác suất hư hỏng P(Z2<0) 0.0214
2 Chỉ số độ tin cậy α 0.317
3 Chiều sâu chân kè ht 0.681 46.38
4 Chiều cao sóng thiết kế Hs 0.2691 7.24
5 Góc mái dốc α 0.01 0.01
6 Cột nước trước đê h 0.2081 4.33
7 Chiều dài sóng L 0.564 31.81
Hình 4. 5: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế xói chân đê Kết quả phân tích cho thấy khả năng xảy ra mất ổn định đê do cơ chế xói chân là 23.4% đối với mặt cắt đại diện của toàn tuyến đê. Phân tích hệ số ảnh hưởng của các đại lượng ngẫu nhiên thì có thể thấy chiều sâu bảo vệ kết cấu chân đê (46.38%) và chiều dài bước sóng L (31.81%) là lớn nhất đến xác suất xảy ra sự cố này.