Luận án Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện và môi trường đất đá xung quanh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ MINH GIANG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ MINH GIANG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 9580211 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. Phạm Quang Tú 2. GS.TS. Trịnh Minh Thụ HÀ NỘI, NĂM 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Lê Thị Minh Giang ii LỜI CÁM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Phạm Quang Tú và GS.TS Trịnh Minh Thụ đã tận tình hướng dẫn, góp ý các ý kiến khoa học và học thuật giúp tác giả hoàn thành bản luận án tiến sĩ. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Công ty cổ phần Tư vấn xây dựng điện 1 (PECC1) đã tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả thu thập các số liệu thí nghiệm trong phòng, thí nghiện hiện trường tại công trình thủy điện A Lưới; số liệu quan trắc thực địa tại công thủy điện Xekaman 3 để phục vụ cho công tác nghiên cứu của luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Thủy Lợi đã giúp đỡ, chỉ dẫn và đóng góp ý kiến quý báu cho tác giả hoàn thành bản luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng đào tạo, Bộ môn Địa kỹ thuật, Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo – Khoa Công trình và các phòng, khoa, ban liên quan đã tạo mọi điều kiện tốt nhất và giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Tác giả gửi lời cảm ơn sâu sắc tới người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, khích lệ và chia sẻ những khó khăn với tác giả trong thời gian thực hiện luận án. iii MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................xi MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1 Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 1 2 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................. 2 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 3 4 Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 3 5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ............................................................... 3 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................. 4 7 Những đóng góp mới của luận án ............................................................................. 4 8 Bố cục của luận án .................................................................................................... 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH ............................................................................ 5 1.1 Tổng quan về hầm thủy điện .................................................................................. 5 1.1.1 Hầm thủy điện trên thế giới và ở Việt Nam ...................................................... 5 1.1.2 Các công nghệ thi công chính cho hầm thủy điện ............................................ 6 1.1.3 Kết cấu gia cố hầm và vỏ hầm thuỷ điện .......................................................... 8 1.1.4 Các vấn đề thường gặp đối với ổn định hầm thủy điện đi trong đất đá .......... 11 1.2 Phương pháp tất định trong phân tích ổn định hầm thủy điện ............................. 15 1.2.1 Phân tích ổn định hầm thủy điện trong giai đoạn thi công ............................. 15 1.2.2 Phân tích ổn định hầm thủy điện trong giai đoạn vận hành ............................ 23 1.3 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện ..... 26 1.3.1 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực kỹ thuật công trình trên thế giới và ở Việt Nam .......................................................................................................... 26 1.3.2 Một số nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện ................................................................................................................... 29 1.4 Kết luận ................................................................................................................ 35 iv CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TẤT ĐỊNH TRONG PHÂN TÍCH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH ................................................ 38 2.1 Lựa chọn phương pháp tất định phân tích ổn định hệ vỏ hầm trong giai đoạn thi công và vận hành ........................................................................................................ 38 2.2 Mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm ................................................................. 39 2.2.1 Mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm giai đoạn thi công ............................... 39 2.2.2 Mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm giai đoạn vận hành ............................. 41 2.2.3 Lời giải của mô hình số ................................................................................... 42 2.3 Khảo sát mô hình phân tích ổn định hệ vỏ hầm bằng RS2 cho hầm thủy điện ở Lào .................................................................................................................................... 48 2.3.1 Các thông số vật liệu và sơ đồ chất tải ............................................................ 49 2.3.2 Kết quả tính toán ............................................................................................. 51 2.4 Kết luận ................................................................................................................ 58 CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN ....................................................................................................... 60 3.1 Cơ sở lý thuyết độ tin cậy trong địa kỹ thuật công trình ..................................... 60 3.1.1 Biến ngẫu nhiên và phân bố xác suất .............................................................. 60 3.1.2 Hồi quy và phân tích tương quan .................................................................... 64 3.1.3 Cây sự cố và cây sự kiện ................................................................................. 69 3.1.4 Hàm trạng thái và độ tin cậy của phần tử ........................................................ 70 3.1.5 Độ tin cậy của hệ thống ................................................................................... 72 3.1.6 Mô phỏng Monte Carlo và công cụ tính toán ................................................. 73 3.2 Xây dựng sơ đồ phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện theo lý thuyết độ tin cậy .................................................................................................................................... 74 3.2.1 Tải trọng và sức kháng trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện theo lý thuyết độ tin cậy ....................................................................................................... 74 3.2.2 Sơ đồ cây sự cố trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm theo lý thuyết độ tin cậy80 3.3 Kết luận ................................................................................................................ 87 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ VỎ HẦM THỦY ĐIỆN A LƯỚI ................................................................ 89 4.1 Giới thiệu ............................................................................................................. 89 4.2 Sơ lược về công trình thủy điện A Lưới – Thừa Thiên Huế ............................... 89 4.2.1 Cấu trúc địa chất tại công trình thủy điện A Lưới .......................................... 89 v 4.2.2 Điều kiện địa chất tuyến hầm thủy điện A Lưới ............................................. 91 4.3 Phân tích các thông số môi trường đá .................................................................. 93 4.3.1 Phân tích chất lượng khối đá ........................................................................... 93 4.3.2 Xác định các chỉ tiêu cơ học công trình của khối đá....................................... 97 4.4 Phân tích ổn định hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới theo lý thuyết độ tin cậy ......... 106 4.4.1 Các thông số và sơ đồ chất tải ....................................................................... 106 4.4.2 Phân tích ổn định hệ vỏ hầm trong giai đoạn thi công .................................. 112 4.5 Thảo luận ............................................................................................................ 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 127 1. Những kết quả đạt được ....................................................................................... 127 1.1 Tổng quan về ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện và môi trường đất đá xung quanh ................................................................................................................................ 127 1.2 Lý thuyết tất định trong phân tích hệ vỏ hầm thuỷ điện và môi trường đất đá xung quanh ...................................................................................................................... 128 1.3 Lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện ................. 129 1.4 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm thuỷ điện A Lưới ........................................................................................................................ 130 2. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................ 131 3. Tồn tại và hướng phát triển .................................................................................. 131 3.1 Tồn tại............................................................................................................... 131 3.2 Hướng phát triển............................................................................................... 132 4. Kiến nghị .............................................................................................................. 132 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................ 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 135 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hầm thủy điện trong tuyến năng lượng của trạm thủy điện ............................. 5 Hình 1.2 Biểu đồ kết cấu chống đỡ hầm theo giá trị Q [21] ........................................... 9 Hình 1.3 Cấu tạo neo kết dính bằng xi măng [22] .......................................................... 9 Hình 1.4 Các hình dạng khung chống của vì thép (a, b) và liên kết thép hình trong hệ khung (c, d) [17] ............................................................................................................ 10 Hình 1.5 Tỷ lệ các loại sự cố trong thi công hầm trên thế giới (theo số liệu [25]) ....... 12 Hình 1.6 Tỷ lệ các loại sự cố trong thi công hầm ở Việt Nam (theo số liệu [26, 27]) .. 12 Hình 1.7 Neo nêm cho sự cố đá rơi trong hầm đi trong đá [22] ................................... 17 Hình 1.8 Gia cố mái hầm dạng dầm khi hầm đi trong khối đá phân lớp nằm ngang [14] ... 17 Hình 1.9 Sơ đồ tạo vòm chống nhân tạo của hệ neo [45] ............................................. 18 Hình 1.10 Phương pháp biến dạng hội tụ và áp lực xung quanh [46] ........................... 19 Hình 1.11 Đường đặc trưng biến dạng của hệ kết cấu chống đỡ hầm sử dụng 3 loại kết cấu chống đỡ khác nhau [46] ......................................................................................... 20 Hình 1.12 Các dạng sơ đồ kết cấu của vòm .................................................................. 21 Hình 1.13 Sơ đồ phân bố tải trọng cho kết cấu vòm cao không khớp giai đoạn thi công.... 22 Hình 1.14 Kiểu kết cấu vòm trong tính toán ổn định hầm ............................................ 24 Hình 1.15 Sơ đồ tính toán và phân bố tải trọng cho kết cấu vòm cao không khớp ...... 24 Hình 1.16 Sơ đồ tính toán và phân bố tải trọng cho hệ vỏ hầm được thay thế bằng hệ thanh dầm nối tiếp [20] .................................................................................................. 25 Hình 2.1 Mô hình cơ học của môi trường đất đá ........................................................... 42 Hình 2.2 Cấu tạo neo dùng trong gia cố hầm ................................................................ 44 Hình 2.3 Hệ kết cấu chống đỡ bằng vì thép [110] ......................................................... 44 Hình 2.4 Ứng suất dọc trục (a) và ứng suất cắt (b) trong tiết diện kết cấu vỏ hầm dưới ảnh hưởng của nội lực M, P và Q .................................................................................. 46 Hình 2.5 Ứng suất trong mặt cắt ngang thép hình khi chịu đồng thời lực P và M ....... 46 Hình 2.6 Ứng suất trong mặt cắt ngang BT chèn khi chịu đồng thời lực P và M ......... 46 Hình 2.7 Ứng suất trong mặt cắt ngang BTCT khi chịu đồng thời lực P và M ............ 46 Hình 2.8 Mặt dọc tuyến đường ống áp lực sau tháp điều áp ......................................... 49 Hình 2.9 Mặt cắt ngang đoạn hầm số 10 trong đới đá IB ............................................. 49 Hình 2.10 Biến dạng biên hầm tiết diện vòm ngược trong mô hình số bằng RS2 ........ 52 Hình 2.11 Ứng suất BT chèn trong vì thép qua các bước tính toán .............................. 56 Hình 2.12 Ứng suất thép I160 trong vì thép qua các bước tính toán ............................ 56 Hình 2.13 Ứng suất BT trong BTCT qua các bước tính toán ....................................... 56 Hình 2.14 Ứng suất cốt thép trong BTCT qua các bước tính toán ................................ 56 Hình 3.1 Minh họa giá trị thông kê của biến ngẫu nhiên X với số mẫu quan sát n* .... 61 Hình 3.2 Minh họa PDF và CDF cho phân phối chuẩn Normal ( = 0;  = 1) ............ 62 Hình 3.3 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Log-normal ( = 1;  = 1) ................ 62 Hình 3.4 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Weibull (w = 1; k = 1,5) ................... 62 vii Hình 3.5 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Binomial (n = 25; p = 0,2) ................ 63 Hình 3.6 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Geometric (p = 0,2) .......................... 64 Hình 3.7 Minh họa PDF và CDF cho phân phối Poisson (t = 10) .............................. 64 Hình 3.8 Minh họa tương quan giữa hai biến x, y ......................................................... 65 Hình 3.9 Minh họa sơ đồ cây sự kiện (a) và sơ đồ cây sự cố (b) .................................. 70 Hình 3.10 Phương pháp phân tích, thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy ........................... 71 Hình 3.11 Mô tả hệ thống [82] ...................................................................................... 72 Hình 3.12 Ví dụ minh họa hàm mật độ xác suất của RQD theo biến ngẫu nhiên Jv .... 75 Hình 3.13 Hàm phân bố xác suất và tương quan cho RMR và Q ................................ 77 Hình 3.14 Mô phỏng sự thay đổi của tải trọng và tác động dọc theo tuyến hầm ......... 78 Hình 3.15 Biểu đồ biến thiên theo thời gian và hàm phân phối xác suất của áp lực nước tại mặt cắt sau tháp điều áp trạm thuỷ điện đường dẫn dùng hầm dẫn nước ................ 79 Hình 3.16 Minh hoạ cấu tạo và bố trí các lớp kết cấu trong hệ vỏ hầm thuỷ điện ........ 81 Hình 3.17 Sơ đồ hệ kết cấu vỏ hầm dùng trong phân tích ổn định hệ vỏ hầm theo lý thuyết độ tin cậy (S) ...................................................................................................... 82 Hình 3.18 Sơ đồ cây sự cố mất ổn định hầm trong giai đoạn thi công hầm (1) ............ 83 Hình 3.19 Sơ đồ cây sự cố mất ổn định hầm trong giai đoạn vận hành (2) .................. 86 Hình 4.1 Bản đồ địa chất khu vực công trình thủy điện A Lưới – Thừa Thiên Huế..... 90 Hình 4.2 Mặt cắt dọc tuyến năng lượng thủy điện A Lưới ........................................... 92 Hình 4.3 Tương quan giữa RMR ~ Q cho hệ tầng A Vương ....................................... 95 Hình 4.4 Biểu đồ xác suất và hàm phân mật độ xác suất của RMR & Q - hệ tầng A Vương .............................................................................................................. 97 Hình 4.5 Biểu đồ tần suất và hàm phân bố xác suất thống kê của c (MPa),  (kN/m3), t (MPa) cho đới IIA và IIB thuộc hệ tầng A Vương .................................................... 99 Hình 4.6 Biểu đồ tần suất và hàm phân bố xác suất thống kê của c (MPa), t (MPa), E (GPa) cho đới IIA và IIB thuộc phức hệ Bến Giằng – Quế Sơn ................................... 99 Hình 4.7 Sơ đồ thí nghiệm xác định mô đun biến dạng của khối đá [118] ................. 100 Hình 4.8 Biến thiên Em theo vị trí đặt thiết bị đo ........................................................ 101 Hình 4.9 Biến thiên độ biến dạng  (mm) theo vị trí đặt thiết bị đo ........................... 101 Hình 4.10 Quan hệ RMR và Em của khối đá trong hệ tầng A Vương ......................... 103 Hình 4.11 Quan hệ Eđh và Em của khối đá trong hệ tầng A Vương ............................. 103 Hình 4.12 Quan hệ giữa m và n thuộc đới IB, IIA và IIB - hệ tầng A Vương theo số liệu thí nghiệm và lý thuyết [117] ............................................................................... 105 Hình 4.13 Phân bố độ sâu đặt hầm trong hệ tầng A Vương ........................................ 106 Hình 4.14 Mặt cắt điển hình hệ vỏ hầm thủy điện A Lưới cho khối đá IIA – hệ tầng A Vương ......................................................................................................... 107 Hình 4.15 Tần suất và hàm mật độ xác suất của tải trọng v , h, hệ số áp lực ngang k và Em, GSI, mr, mb, a cho phân tích ổn định hầm trong đới đá IIA .................................. 109 Hình 4.16 Hàm mật độ xác suất lưu lượng thiên nhiên đến Q và mực nước dao động ở hồ chứa Ztl tại thủy điện A Lưới ................................................................................. 112 viii Hình 4.17 Biến dạng biên hầm trong đới IIA – hệ tầng A Vương bằng RS2 ............. 113 Hình 4.18. Sơ đồ cây sự cố xác định độ tin cậy hệ kết cấu vỏ hầm A Lưới trong đới đá IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn thi công (T.S) dưới tác dụng của tải trọng ............ 117 Hình 4.19. Sơ đồ cây sự cố xác định độ tin cậy hệ kết cấu vỏ hầm A Lưới trong đới đá IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn vận hành (V.S) dưới tác dụng của tải trọng .......... 118 Hình 4.20 Sơ đồ cây sự cố xác định độ tin cậy hệ vỏ hầm A Lưới trong đới đá IIA – hệ tầng A Vương giai đoạn thi công (1) .....................................