1. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014) 81
TÍNH ĐỘ TIN CẬY AN TOÀN HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI Ở HỒ CHỨA
Nguyễn Lan Hương1
Tóm tắt: Tiếp cận với thiết kế ngẫu nhiên và phương pháp phân tích hệ thống để đánh giá độ tin
cậy an toàn của công trình và hệ thống công trình là một cách tiếp cận mới hiện đại của các nước
trên thế giới. Hiện tại ở Việt Nam, các công trình thủy lợi, thủy điện đang được thiết kế theo
phương pháp tất định và trong quá trình tính toán có nhiều hạn chế, trong nhiều trường hợp không
có cơ sở để tìm ra nguyên nhân gây đổ vỡ công trình. Trong nghiên cứu này, tác giả giới thiệu cách
tính độ tin cậy an toàn của từng công trình trong hệ thống và của cả hệ thống theo hướng tiếp cận
với thiết kế ngẫu nhiên cấp độ II kết hợp với phương pháp phân tích hệ thống.
Từ khóa: thiết kế ngẫu nhiên, độ tin cậy của hệ thống, phân tích hệ thống, độ tin cậy an toàn,
cây sự cố của hệ thống.
1. Đặt vấn đề. 1
Mỗi công trình thủy lợi, thủy điện là một hệ
kết cấu trên nền làm việc trong điều kiện tương
tác giữa ba môi trường: nước - nền - công trình.
Trong một cụm đầu mối gồm nhiều công trình:
công trình đập dâng, công trình tháo lũ và cống
lấy nước, chúng lại liên kết với nhau thành một
hệ kết cấu lớn hơn để tạo thành hồ chứa. Hệ kết
cấu này có thể được xem như là một hệ thống
công trình đầu mối của hồ chứa. Trong quá trình
vận hành hồ, sự cố lớn nhất xảy ra đối với hệ
thống hồ chứa là sự cố vỡ đập, với sự cố này hệ
thống sẽ ngừng hoạt động và gây ra các thiệt hại
lớn cho bản thân công trình và vùng hạ du. Hiện
tại, ở Việt Nam trong lĩnh vực thủy lợi khi đánh
giá an toàn đập thường sử dụng phương pháp
thiết kế tất định và tính hệ số an toàn, khi tính
toán theo phương pháp này có rất nhiều hạn chế
và trong nhiều trường hợp không có cơ sở để
tìm ra nguyên nhân gây đổ vỡ công trình [3].
Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên và tính độ tin
cậy là phương pháp thiết kế theo xu hướng hiện
đại, phương pháp này tiến bộ hơn phương pháp
thiết kế tất định và tính hệ số an toàn. Các trạng
thái giới hạn cũng như các cơ chế phá hoại được
mô phỏng bằng các mô hình toán hoặc các mô
hình tương ứng. Xác suất phá hoại của một bộ
phận công trình hay công trình được tính từ hàm
tin cậy có nhiều biến ngẫu nhiên được phân tích
trên cơ sở các dữ liệu quan sát về công trình.
Trong bài báo này tác giả giới thiệu cách tính độ
1
Đại Học Thuỷ lợi.
tin cậy an toàn của từng phần tử công trình
trong hệ thống và của cả hệ thống theo hướng
tiếp cận với thiết kế ngẫu nhiên và phương pháp
phân tích hệ thống.
2. Tính độ tin cậy an toàn hệ thống công
trình
Để tính được độ tin cậy an toàn của hệ
thống, người thiết kế phải đặt được bài toán và
giải được bài toán đó. Các công việc để tiến tới
đặt bài toán và giải được bài toán bao gồm: thu
thập các số liệu về công trình, phân tích thống
kê, tạo các biến ngẫu nhiên, lập hàm tin cậy,
phân tích mối liên kết giữa các công trình trong
hệ thống, tính độ tin cậy của các công trình và
độ tin cậy của hệ thống công trình. Tùy thuộc
vào mức độ phức tạp, các yêu cầu tính toán,
mức độ quan trọng, khả năng cung cấp các dữ
liệu quan sát và dữ liệu thiết kế về công trình để
có thể giải bài toán tính độ tin cậy của công
trình và hệ thống công trình theo các cấp độ
khác nhau: cấp độ I, cấp độ II hoặc cấp độ III.
Các tính toán có thể thực hiện theo lưu đồ hình
1, tùy thuộc vào mức độ phức tạp và yêu cầu
của kết quả đánh giá độ tin cậy cho hệ thống có
thể tính toán bằng bằng tay hoặc sử dụng liên
tiếp các phần mềm chuyên dụng trên máy tính
điện tử.
2.1. Sơ đồ tính độ tin cậy an toàn hệ thống
Tính độ tin cậy an toàn của từng công trình
trong hệ thống và cả hệ thống được thực hiện
theo sơ đồ hình 1, độ tin cậy của hệ thống được
tính toán theo ba bước.
2. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014)82
Bước 1: Mô phỏng hệ thống.
Căn cứ vào các quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết
kế, thi công, nghiệm thu, các đánh giá hiện
trạng đối với từng công trình để xây dựng sơ đồ
cây sự cố cho từng loại công trình và cả hệ
thống công trình. Có thể quy định các công trình
trong một hệ thống là các phần tử trong hệ
thống có mối liên kết với nhau theo các sơ đồ
ghép nối theo mô hình phân tích hệ thống [3].
Bước 2: Xây dựng và giải các hàm tin cậy
của từng phần tử trong hệ thống
(1)Nhập số liệu đầu vào
Số liệu đầu vào gồm: các biến ngẫu nhiên,
các hàm tải trọng, hàm sức chịu tải, hàm tin cậy
có luật phân phối xác suất đã được xác định.
Hàm tải trọng: niN N X (1)
Hàm sức chịu tải: njR R Y (2)
Hàm tin cậy: nj niZ R Y N X (3)
Trong đó niX và njY là các biến ngẫu
nhiên có luật phân phối xác suất đã được xác định.
(2) Biến đổi luật phân phối xác suất của các
biến ngẫu nhiên (BNN): niX và njY trong hàm
niN X và njR Y về luật phân phối chuẩn.
Hàm mật độ phân phối chuẩn của các BNN
có dạng:
2
2
( )
21
( )
. 2
i Xi
Xi
X
i
Xi
f X e
(4)
Kỳ vọng của các biến ngẫu nhiên:
1
n
i
Xi
i
X
X
n
(5)
Độ lệch chuẩn của các biến ngẫu nhiên:
2
1
1
1
n
Xi i
i
X X
n
(6)
Trong đó: n là số quan sát về BNN đó.
(3) Tuyến tính hoá các hàm tin cậy Z
Nếu hàm tin cậy Z là tuyến tính có dạng:
1 1 2 2 3 3. . . ... .n nZ a X a X a X a X (7)
Kỳ vọng của hàm Z:
1
.
n
Z i Xi
i
a
, (8)
Độ lệch chuẩn của hàm Z:
2
1
.
n
Z i Xi
i
a
(9)
Nếu hàm tin cậy Z là phi tuyến: Khai triển
chuỗi Taylor và tính các tham số thống kê của
hàm Z. Các tham số thống kê tương ứng với giá
trị ban đầu, trong nghiên cứu này gọi là điểm
thiết kế (ĐTK) ban đầu.
Lấy hai số hạng đầu trong khai triển Taylor
hàm tin cậy có dạng sau:
0
0
1
.
n
o
i i
i i
Z X
Z Z X X X
X
(10)
Tính các tham số thống kê hàm Z, tương ứng
với các giá trị này là tọa độ ĐTK ban đầu X0
bao gồm giá trị kỳ vọng ( )Z o và độ lệch chuẩn
ban đầu Z o
0
0
1
( ) .
n
o
Z o Xi i
i i
Z X
Z X X
X
(11)
0 2
1
( ) ( . )
n
Z o Xi
i i
Z X
X
(12)
1 2 3, , ,...o o o
oX X X X (13)
(4) Tính độ tin cậy an toàn
Độ tin cậy an toàn tương ứng với một điểm
trên vùng an toàn. Điểm này có tọa độ xác định,
trong sách này gọi là tọa độ thiết kế (TĐTK).
Chỉ số tin cậy được tính theo công thức:
Z
Z
(14)
Thực hiện thuật toán lặp tìm tương ứng
với TĐTK. Trong đó điểm xuất phát được lấy là
ĐTK ban đầu. Xác suất an toàn của công trình:
0at Z
P
(15)
Trong đó: giá trị của hàm phân phối
chuẩn.
Xác suất xảy ra sự cố của công trình:
0 0
1sc Z at Z
P P
(16)
Tính hệ số ảnh hưởng của các biến ngẫu
nhiên đến xác suất xảy ra sự cố:
Z
Xi
i
0
i
X
XZ
(17)
Xác định tọa độ ĐTK mới:
* * * *
1 2 3, , ...X X X X (18);
Trong đó: . .i Xi i XiX , (19)
3. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014) 83
Tính lặp để tìm điểm thiết kế cuối cùng và
các đặc trưng thống kê của hàm Z. Quá trình lặp
được mô tả trên sơ đồ hình (1), bước lặp chỉ
dừng lại khi điểm thiết kế hội tụ. Sai số trong
quá trình tính lặp do người thiết kế ấn định.
Lập ma trận xác suất làm việc an toàn của
các phần tử trong hệ thống để xác định xác suất
làm việc an toàn hoặc xác suất sự cố của từng
phần tử thông qua các công thức toán học.
Bước 3: Tìm xác suất làm việc an toàn của
hệ thống HT
atP theo bài toán cấp độ 2
Thông qua ma trận xác suất làm việc an toàn
của từng công trình xác định xác suất làm việc
an toàn của cả hệ thống.
Hệ thống làm việc theo sơ đồ ghép nối tiếp
Không xét tương quan giữa các công trình
trong hệ thống:
1
n
HT i
at at
i
P P
(20)
Xét đến tính tương quan của các phần tử
trong hệ thống thì xác suất an toàn nằm trong
khoảng hai biên rộng:
1
min
n
i HT i
at at at
i
P P P
(21)
Hệ thống làm việc theo sơ đồ ghép song song:
Không xét tương quan giữa các công trình
trong hệ thống:
1
1 1
n
HT i
at at
i
P P
(22)
Xét đến tính tương quan của các phần tử
trong hệ thống thì xác suất sự cố nằm trong
khoảng hai biên rộng:
1
min
n
i HT i
sc f sc
i
P P P
(23)
2.2 Tính độ tin cậy của hệ thống.
Hiện nay có nhiều phần mềm để giải các
bài toán xác suất thống kê, trong nghiên cứu
này tác giả sử dụng phần mềm BESTFIT, VAP
và Open FTA. Ba phần mềm này được giới
thiệu chi tiết trong giáo trình [1] của trường
Đại Học Thủy lợi. Để thuận lợi cho quá trình
tính toán, tác giả viết chương trình để ghép nối
3 phần mềm độc lập: Besfit, VAP, Open FTA
để tạo thành một phần mềm tổng hợp mới có
thể đánh giá độ tin cậy cho cả hệ thống
ĐTCHT2014, như hình 2.
Khi làm việc độc lập các phần mềm có các
công dụng như sau: phần mềm BESTFIT: ước
lượng hợp lý tối đa hàm xác suất thống kê cho
biến ngẫu nhiên từ số liệu quan trắc đo đạc và
tính toán các đặc trưng thống kê của các BNN
đó; phần mềm VAP: xử lý biến ngẫu nhiên và
giải hàm xác suất thống kê tìm độ tin cậy, cho
kết quả độ tin cậy ở cấp độ II và cấp độ III;
phần mềm Open FTA: tính xác suất sự cố của
hệ thống.
Hình 2: Tính độ tin cậy hệ thống bằng phần mềm: ĐTCHT2014.
5. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014) 85
3.2 Xây dựng và giải hàm tin cậy của từng công trong hệ thống
3.2.1. Số liệu tính toán
1
2
3
4
5
6
1.317
+ 35
m
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300
m
-10
0
10
20
30
40
50
Hình 5: Tính toán ổn định trượt mái hạ lưu đập bằng Geoslope.
Bảng 1: Các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập
và đất nền đập.
Dung trọng
tự nhiên của
đất
Góc ma
sát trong
Lực dính
Hệ số
thấm
w, (KN/m3
) , độ) C, (KN/m2
) K, (m/s)
19,78 20 23 1x10-6
1,798 2 2,3
18.515 15 22 1,4x10-6
18,515 1,5 2,2
18,63 12 22 4x10-6
1,863 1,2 2,2
19,205 22 0 2x10-5
19,205 2,2 0
21 35 0 1x10-2
2,1 3,5 0
Nền đập
Lăng trụ
thoát
nước
Các lớp đất
Lớp 1
Lớp 2
Lớp 3 17m
Hình 6: Sơ đồ tính toán ổn định đập tràn
Bảng 2: Các đặc trưng thống kê của các BNN có luật phân phối chuẩn.
Tên BNN
Ký hiệu
BNN
Kỳ vọng toán: Độ lệch chuẩn:
Cao độ đỉnh đập Ydd (m) 37,6 1,54
Cao độ mực nước hồ Ymn (m) 35 1,25
Vận tốc gió V (m/s) 13,86 1,36
Hệ số trung bình mái thượng lưu m 3,53 0,35
Độ nhám của đá xây bảo vệ mái thượng lưu (m) 0,05 0,00492
Đà sóng trung bình D (m) 3120 264
Góc của hướng gió so với phương vuông góc với
tuyến công trình
(độ) 0,21 2,11
Cao độ đáy đập Y (m) 0,2 2,08
Chiều cao nước dềnh do gió dh (m) 0,00319 0,00105
Chiều cao sóng leo slh (m) 0,95 0,15
Bảng 3: Các BNN trong tính độ tin cậy của tràn
TT Tên BNN Ký hiệu BNN Kỳ vọng toán: Độ lệch chuẩn:
1 Dung trọng của bê tông bt (KN/m3
) 24 0,12
2 Chiều dài ngưỡng tràn L (m) 17 0,85
3 Cao độ mực nước hồ Ymn (m) 35 1,25
4 Hệ số ma sát giữa đập và nền f 0,65 0,065
5 Lực dính đơn vị của nền đá c (KN/m2
) 166,7 25,14
6. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014)86
Bảng 4: Các BNN trong tính toán độ tin cậy của cống
Tên BNN Ký hiệu BNN Kỳ vọng toán: Độ lệch chuẩn
Cột nước thấm Htt 28 2,5
Chiều dài cống tính toán Ltt 131,20 13,12
Gradien thấm cho phép gh
J 1,15 -
3.2.2. Hàm tin cậy và xác suất làm việc an toàn.
Với sơ đồ cây sự cố hình 4, việc lập và giải
các hàm tin cậy đã được trình bày chi tiết trong
bài báo “Phân tích độ tin cậy của đập đất” [1]
và sách chuyên khảo “Cơ sở tính độ tin cậy an
toàn đập” [2]. Trong bảng 5 sẽ trình bày các
hàm tin cậy tương ứng với các cơ chế sự cố có
thể xảy ra với các công trình trong hệ thống và
kết quả tính toán độ tin cậy cho từng cơ chế sự
cố đó.
Bảng 5: Độ tin cậy của các cơ chế sự cố.
TT Cơ chế sự cố Hàm tin cậy Xác suất làm
việc an toàn
1 Nước tràn đỉnh đập 1 lndd dd mn d slZ Y Y Y Y h h 1 0,766P
2 Trượt mái hạ lưu
2
1 1 1
.[ ]
n n n
c i i i i i i
i i i
Z R N W tg C l T
2 0,9906P
3 Xói tại cửa ra
max
3 1
chânkhay
chânkhayZ J J 3 1 0,9918P
4 Xói chân khay
max
3 2
ra
raZ J J 3 2 0,8820P
5 Hình thành hang thấm
trong thân đập 4 1
d n
kcp TBZ J J
4 1 1P
6 Hình thành hang thấm
trong nền đập 4 2
n n
kcp TBZ J J
4 2 1P
7 Tràn bị trượt
5 . .thZ G W f C A P 5 1P
8 Tràn bị lật
6 cl glZ M M 6 1P
9 Xói dọc thân cống
7
tt
gh
tt
H
Z J
L
7 1P
3.2.3. Độ tin cậy an toàn của các công trình
- Xác suất an toàn của đập:
1 2 3 1 3 2 4 1 4 21 1 1 1 1 1 1 0,6304d
atP P P P P P P
2 3 1 3 2 4 1 4 21 1 1 1 1 0,6304P P P P P
- Xác suất an toàn của tràn:
5 61 1 1 1tr
atP P P
- Xác suất an toàn của cống:
71 1 1c
atP P
3.3 Tính độ tin cậy của hệ thống
Các công trình trong hệ thống làm việc theo
sơ đồ ghép nối tiếp, nếu không xét tương quan
giữa các công trình trong hệ thống áp dụng công
thức (20) tính xác suất làm việc an toàn của hệ
thống:
. . 0,6304HT d tr c
at at at atP P P P .
Tra bảng các giá trị của hàm phân phối chuẩn
[3], với 0,6304HT
atP xác định được độ tin cậy
của hệ thống 0,34 .
3.4 Phân tích kết quả
Xác suất làm việc an toàn của hệ thống
0,6304HT
atP hay chỉ số tin cậy của hệ thống
0,34 đều nhỏ hơn xác suất an toàn cho
phép trong các tiêu chuẩn tính toán [3], [5], [7].
Đây là một chỉ số độ tin cậy thấp, khi xét theo
các tiêu chuẩn này có thể kết luận hệ thống có
khả năng bị sự cố do xảy ra sự cố của một trong
4 nguyên nhân sau: nước tràn đỉnh đập, trượt
mái hạ lưu, xói tại chân khay và xói tại cửa ra,
trong đó sự cố nước tràn đỉnh đập có xác suất
làm việc an toàn thấp nhất 1 0,766P . Tràn và
7. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014) 87
cống làm việc an toàn với độ tin cậy cao, xác
suất an toàn xấp xỉ bằng 1.
4. Kết luận và kiến nghị.
Bài báo trình bày cách xây dựng phương
pháp đánh giá độ tin cậy cho hệ thống công
trình đầu mối hồ chứa nước thủy lợi bằng cách
tiếp cận xác suất ở mức độ II kết hợp mô hình
phân tích hệ thống, và ứng dụng tính toán độ tin
cậy cho một hệ thống thủy lợi nhằm chứng minh
khả năng thực hiện được của phương pháp tính.
Để tính độ tin cậy cho hệ thống có thể sử dụng
các bước tính như trong lưu đồ hình 1 hoặc sử
dụng liên tiếp các phần mềm có sẵn được kết
nối bởi các phần mềm ghép nối hình 2.
Các nội dung của bài báo là những kết quả
nghiên cứu mới và là tài liệu tham khảo mang
tính thời sự cho công tác nghiên cứu an toàn hồ
đập ở Việt Nam.
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
[1] Mai Văn Công, Thiết kế công trình theo lí thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy, giáo
trình HWRU/ CE – DO2 - 2004, Hà Nội 2005.
[2] Nguyễn Lan Hương, Nguyễn Văn Mạo, Mai Văn Công, Phân tích độ tin cậy an toàn của đập
đất, Tạp chí KHKTTL và MT, trang 88 – 93, số 39, tháng 12 năm 2012.
[3] Nguyễn Văn Mạo, Nguyễn Hữu Bảo, Nguyễn Lan Hương, Cơ sở tính độ tin cậy an toàn đập,
Nhà xuất bản Xây Dựng, năm 2014.
[4] Nguyễn Văn Mạo & nnk, Giới thiệu và cơ sở thiết kế công trình thủy lợi, Nhà xuất bản xây
dựng, 2013.
[5] Tiêu chuẩn thống nhất để thiết kế độ tin cậy kết cấu công trình, tiêu chuẩn nhà nước, nước
cộng hòa nhân dân Trung Hoa JB 50153 - 92.
[6] Nguyen Lan Hương, Nguyen Van Mao, Mai Van Cong, “Application of probabilistic
reliability analýsis in dam safety in Vietnam”, ICEC 2012, Proceedings of the fourth International
Conference on Estuaries and Coasts, volume 2.
[7] OCHOBHЬІE ПOЛOЖEHИЯ PACЧETA ПPИЧAЛЬHЬIX COOPYЖEHИЙ HA
HAДEЖHOCTЬ, PД31.31.3585.
Abstract:
CALCULATION IS A NUMBER OF RELIABILITY
AND SAFETY SYSTEM HEADWORKS RESERVOIR
Access to stocha design and analysis methods to evaluate system reliability and safety of the
work system is a new approach to modern countries in the world. Currently in Vietnam, the
irrigation works, hydropower is designed according to the method of calculation and in the process
has limitations, in many cases there is no basis to find out the cause of collapse works. In this study,
the authors show you how to calculate the reliability of each work safety in the system and the
whole system design approach with level II randomized method combined with systematic analysis.
Keywords: probabilistic design, reliability of the system, analysis system, safety probabilistic,
failure of plant systems.
Người phản biện: PGS.TS. Nguyễn Quang Hùng BBT nhận bài: 7/3/2014
Phản biện xong: 20/3/2014