Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy để đánh giá mức độ an toàn và dự bảo tuổi thọ cống dưới đê

Hội nghị khoa học toàn quốc về
Sự cố và h hỏng công trình Xây dựng
ứng dụng lý thuyết độ tin cậy để đánh giá mức độ an toàn và dự
báo tuổi thọ cống dới đê
PGS.TS Nguyễn Văn Huân
KS. Phùng Vĩnh An
Viện Khoa học Thuỷ lợi
ABSTRACT: Evaluation and diagnosis of defects in hydraulic structures are a
complicated problem. Especially for under-dyke sluice systems, which located deep in
soil and resist complicated loading elements such as dead and live loads, seepage
pressure, etc., the tasks are even more difficult.
This is however an interesting topic since appropriate evaluation and timely response to
problems will have positive socio-economic impacts (e.g. the cost to rehabilitate and
upgrade old structures is usually 10-20% of that to construct new). This article will
present initial results of the research on the evaluation of safety and the life expectation
of under-dyke sluices, as well as the development of a computer software to assist the
effective evaluation.
1. Đặt vấn đề
Trong hệ thống đê điều, cống là vị trí xung yếu nhất hay gây ra sự cố dẫn đến mất an
toàn cho đê (thực tế những năm vừa qua cho thấy vỡ đê hầu hết do sự cố về cống gây
nên).
Hiện nay chỉ tính riêng trên hệ thống đê sông Hồng và sông Thái Bình đã có khoảng
1000 cống. Các cống này có đặc điểm chung là phong phú về hình thức đa dạng về
chủng loại, có thời gian xây dựng khác nhau, đợc thiết kế và thi công theo các tiêu
chuẩn, quy trình khác nhau, một số cống đã trải qua 2 cuộc chiến tranh và là mục tiêu
đánh phá của giặc.
Theo thời gian chỉ tiêu chất lợng của cống thay đổi theo chiều hớng giảm dần do ảnh
hởng của các yếu tố liên quan đến nh: thiết kế; thi công; quản lý khai thác; các tác
động của môi trờng, khí hậu vv. Nói chung cống d ới đê xây dựng càng lâu càng bị
xuống cấp, mức độ an toàn càng đáng phải quan tâm, việc kiểm tra xem xét định kỳ và
sửa chữa kịp thời các cống là rất cần thiết. Việc đánh giá phân loại cống để tu bổ sửa

chữa cho nhanh, chính xác có hiệu quả và đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật là vấn đề cấp
bách nhất cần nghiên cứu. Hiện nay việc đánh giá độ an toàn của cống còn chung
chung, sửa chữa mang tính chắp vá. Những năm vừa qua mặc dù cơ quan quản lý các
cấp cũng đã đầu t kinh phí cho việc điều tra khảo sát, nghiên cứu và đã tiến hành sửa
chữa cho một số cống nhng kết qủa thực tế vẫn còn mang tính cục bộ và còn rất nhiều
hạn chế bởi các lý do sau:
- Việc đánh giá chất lợng hiện hữu của cống dới đê cha đúng bởi vì ở nớc ta hiện nay
chỉ có tiêu chuẩn thiết kế cống (tiêu chuẩn để sinh ra công trình) chứ hầu nh không
có tiêu chuẩn đánh giá chất lợng cống hiện hữu (các đối tợng này bao gồm sự ổn
định, tuổi thọ và độ bền của kết cấu, các yếu tố đảm bảo sự vận hành bình thờng và
1
hoạt động của con ngời). Cho nên việc lấy tiêu chuẩn thiết kế cống để đánh giá chất
lợng cống hiện hữu là không đúng.
- Việc đánh giá chất lợng công trình hiện hữu cha đúng dẫn đến việc xử lý thiếu đồng
bộ mang tính chắp vá, làm đi làm lại.
- Dới tác động của con ngời, ngày nay thời tiết trên trái đất đã thay đổi rất nhiều, hạn
hán gió bão, lũ lụt xảy ra thờng xuyên hơn. Các tham số thiết kế của công trình đã
thay đổi trong khi đó nhiều khi việc nâng cấp sửa chữa lại căn cứ theo số liệu cũ.
Lấy ví dụ: Các cống cũ khi thiết kế chỉ căn cứ vào cao trình đê trớc kia. nhng lý do
tôn cao mở rộng đê nên các cống đó nghiễm nhiên chịu trọng tải lớn hơn hoặc phải
kéo dài thân cống so với thiết kế ban đầu vv
- Việc sữa chữa cống dới đê cũng nh dới đập đất ở hồ chứa rất phức tạp và tốn kém.
Nhiều trờng hợp bỏ đi làm lại cống mới còn mang lại hiệu qủa kinh tế - kỹ thuật cao
hơn là nâng cấp sữa chữa không đúng.
- Nhằm khắc phục các nhợc điểm trên chúng tôi đã ứng dụng kết qủa nghiên cứu
trong nớc và trên thế giới về lý thuyết độ tin cậy xây dựng một hê thống tiêu chí, ph-
ơng pháp đánh giá an toàn và xây dựng lý thuyết dự báo tuổi thọ cho cống dới đê.
Các kết quả nghiên cứu này không những có thể sử dụng để tính toán kiểm tra xác
định mức độ an toàn và dự báo đợc tuổi thọ của kết cấu cống dới đê làm cơ sở cho
các nhà quản lý hoạch định kế hoạch (phá đi làm mới hay nâng cấp sửa chữa...vv)

mà còn có thể sử dụng cho các loại cống khác.
1.1. Cơ sở đánh giá mức độ an toàn
Hiện nay trên thế giới có nhiều nớc đã xây dựng những bộ tiêu chuẩn riêng nhằm đánh
giá mức độ an toàn cho công trình theo độ tin cậy nh : Nga, Trung Quốc..vv. ở đây đề
nghị sử dụng bảng phân cấp mức độ an toàn của công trình theo theo tiêu chuẩn Trung
Quốc (Tiêu chuẩn thống nhất để thiết kế kết cấu công trình theo độ tin cậy JB 50153
92).
Bảng 1. Phân cấp mức độ an toàn của công trình.
Loại hình phá
hoại
Cấp an toàn
Cấp I
(Rất nghiêm trọng)
Cấp II
( Nghiêm trọng)
Cấp III
(không nghiêm trọng)

P
S

P
S

P
S
Phá hoại biến
hình rõ ràng,
báo trớc (dẻo)
3,7 0,9998900 3,2 0,9993189 2,7 0,996533

Phá hoại không
có dấu hiệu báo
trớc (dòn)
4,2 0,99998665 3,7 0,9998900 3,2 0,9993189
P
s
là xác suất an toàn, là chỉ số độ tin cậy
1.2. Các công thức sử dụng để đánh giá chất lợng và dự báo tuổi thọ cống
1.2.1. Công thức đánh giá mức độ an toàn
Theo [1,2,3] xác suất sự cố xác định theo công thức:
2
=
f
P
2
1
-
2
1

)( XX
mc
mc
S
XX

(1)
xác suất an toàn sẽ là :
P
s
= 1 -
f
P

(2)
Trong đó :
- (x) =
dte
x
o
t


2
2
2
2

(giá trị của hàm theo biến x đã đợc lập sẵn thành bảng
trong giáo trình toán lý thuyết xác suất thống kê)

- X- giá trị nội lực bất lợi nhất phát sinh trên mặt cắt dới tác động của ngoại lực
- X
mc
- khả năng chịu lực của tiết diện đang xét.
- S
)( XX
mc

- phơng sai của các biến độc lập
1.2.2. Dự báo tuổi thọ cho cống bê tông cốt thép
Để dự báo đợc thời gian cốt thép bắt đầu bị rỉ phải đánh giá đợc ảnh hởng của 2 qúa
trình : Qúa trình cácbônát hóa và qúa trình xâm nhập clo;
- Với qúa trình cácbonnát hoá : Tính hệ số Kc bằng cách đa chiều sâu cácbonnát và
tuổi công trình ở thời điểm khảo sát vào (3):

tKx
c
*
=
(3)
Trong đó : x - chiều sâu Cácbonnat hoá (mm)
K
c
- là hệ số các bon nát hóa (mm/(năm)
0,5
);
t - thời gian (năm).
Theo tiêu chuẩn châu âu hệ số cácbonat hoá có thể dùng để đánh giá chất lợng của Bê
tông [4] :
K

c
< 3 mm/(năm)
0.5
thì chất lợng bê tông là tốt;
K
c
> 6 mm/(năm)
0.5
thì chất lợng bê tông là xấu.
- Với qúa trình xâm nhập clo: Tính thời gian bắt đầu rỉ cốt thép theo (4) dựa vào chiều
dày lớp Bê tông bảo vệ và tuổi của công trình
Dt
x
erfcc
sx
2
1(
=
)
(4)
dte
z
t



=
0
2
2

erf

(5)
Trong đó: C
X
- hàm lợng Cl
-
xâm thực trong bê tông tại thời điểm t;
x - độ sâu xác định giá trị Cl
-
gây rỉ (cm);
C
s
- hàm lợng Cl
-
trên bề mặt Bê tông (kg/cm
3
);
3
D
c
- hệ số khuyếch tán Cl
-
tính bằng (cm
2
/năm);
t - thời gian khai thác công trình(năm).
Theo một số tài liệu đã công bố của châu Âu [4,5], sự gỉ cốt thép bắt đầu khi hàm lợng
Clo có trong Bê tông khoảng 0,2% ữ 0,202% hàm lợng xi măng. Đối với Bê tông chế
tạo từ xi măng Poocland thờng có độ PH = 12ữ13, trong [6,7] đề nghị ngỡng ăn mòn

Clo (ngỡng gây rỉ) là 0,4% trọng lợng xi măng hoặc trên dới 0,06 % trọng lợng bê tông
tùy theo mác Bê tông.
Xác định tuổi thọ còn lại của cống thông qua sự suy giảm đờng kính của cốt thép chịu lực:
TI
conit
*023.0
=


(6)
T = t
kt
- t
r
(7)
Trong đó :
t

- Đờng kính của cốt thép còn lại tại thời điểm đo (mm)

i

- Đờng kính cốt thép ban đầu (mm)
I
con
Cờng độ dòng ăn mòn đo đợc tại vị trí cốt thép bị rỉ (àA/cm
2
)
t
kt

- Thời gian tính từ khi bắt đầu khai thác công trình đến thời điểm xét (năm)
t
r
Thời gian cốt thép bắt đầu bị rỉ tính từ lúc bắt dầu khai thác (năm)
1.2.3. Dự báo tuổi thọ cho cống gạch đá
Theo một số kết quả nghiên cứu trên thế giới [8] sự suy giảm cờng độ vật liệu gạch đá
theo thời gian có thể biểu diễn bằng công thức sau:

t
ot
eRR


=

(8)
Trong đó :
R
t
-Cờng độ vật liệu gạch đá tại thời điểm t;
R
o
-giá trị của cờng độ vật liệu tại thời điểm ban đầu hoặc tại thời điểm khảo sát;
e -Trị số loga tự nhiên;
-hệ số phụ thuộc điều kiện mội trờng;
t - thời gian khai thác công trình.
2. Nội dung và các bớc thực hiện
2.1. Kiểm tra, khảo sát, thu thập và xử lý số liệu:
2.1.1. Các thông số đầu vào và phơng pháp đo:
Bảng 2. Các thông số đầu vào và phơng pháp thực hiên

STT Các thông số đầu vào Phơng pháp thực hiện
1 Cấu tạo địa tầng, chỉ tiêu cơ lý đất nền và
đất đắp mang cống (,c,)
Khoan lấy mẫu và thí nghiệm
trong phòng
2 Mực nớc thợng, hạ lu các tải trọng khác
(H
tl
, H
hl
, P
x
vv)
Đo và quan sát tại hiện trờng
4
3 Cờng độ bê tông hoặc gạch đá (R
n
, R
k
) Khoan lấy mẫu hoặc siêu âm bê
tông hay súng bật nảy
4 Cờng độ cốt thép (R
a
, R
a
) Lấy mẫu thép và thí nghiệm trong
phòng hoặc qua tài liệu
5 Đờng kính cốt thép (r) Lấy mẫu thép và đo hoặc qua hệ
số tốc độ ăn mòn C
V

(trờng hợp tài
liệu thí nghiệm)
6 Phân bố của cốt thép trong bê tông (l) Máy dò cốt thép
7 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ (a,a) Đục tại chỗ hoặc thiết bị điện từ
8 Kích thớc hình học của kết cấu (d,r,c) Đo tại hiện trờng bằng các dụng
cụ đo hình học
9 Xác định các thông số xâm thực của môi
trờng; clo hoá, cácbonnát hoá (C
x
,K
c
)
Lấy mẫu thí nghiệm ngoài hiện tr-
ờng đa về phòng thí nghiệm để
thực hiện
2.1.2. Xử lý số liệu:
- Tính toán độ lệch chuẩn và giá trị kỳ vọng của các tham số trên.
- Tổ hợp các lực tác dụng.
2.2. Mô phỏng điều kiện làm việc thực tế của cống dới đê dới tác động của ngoại
lực
Mô phỏng điều kiện làm việc của cống (Dạng 3D hoặc 2D) với các số liệu vừa đợc xử
lý ở trên.
2.3. Tính độ lệch chuẩn và khả năng làm việc thực tế cho cống dới đê
Tính phơng sai, độ lệch chuẩn và xác xuất tin cậy cho từng phần tử kết cấu.
2.4. Đánh giá độ tin cậy cho cống dới đê và kiến nghị các giải pháp sửa chữa
Thông qua xác suất tin cậy của các phần tử kết cấu cống đấnh giá mức độ an toàn
chung cho kết cấu cống dới đê
2.5. Dự báo tuổi thọ cho cống dới đê
Đối với cống bê tông cốt thép cần phải thực hiện 3 bớc:
- Dự báo thời gian cốt thép bắt đầu bị rỉ

- Tính toán diện tích còn lại của cốt thép sau thời gian làm việc T
- Tính lại độ tin cậy của kết cấu cho đến khi P
s
(T) = [P]
s
(Giá trị [P]
s
cho phép phụ
thuộc vào cấp công trình)
Đối với cống gạch đá cần phải thực hiện 2 bớc:
- Đánh giá sự suy giảm cờng độ cống gạch đá theo thời gian
- Tính lại độ tin cậy của kết cấu cho đến khi P
s
(T) = [P]
s

3. Xây dựng phần mềm đánh giá độ tin cậy và dự báo tuổi thọ
5