SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY TRONG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH ĐÊ CHẮN SÓNG BẢO VỆ CẢNG PGSTS TRẦN MINH QUANG I Đặt vấn đề : Từ lâu, phương pháp độ tin cậy (Reliability methods) sử dụng để thiết kế công trình bến cảng, công trình biển (xa bờ ven bờ) công trình dân dụng khác, nhiên, việc sử dụng phương pháp thực tế thiết kế nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu giải Trong báo này, sâu vào vấn đề sử dụng phương pháp độ tin cậy để thiết kế công trình đê chắn sóng bảo vệ cảng đá đổ, chủ yếu sâu vào vấn đề ổn định khối bảo vệ mặt ngòai đê qua việc xem xét vấn đề liên quan, ưu nhược điểm phương pháp, vấn đề tồn qua thực tế nghiên cứu sử dụng vừa qua giới , đặc biệt vấn đề phân tích dạng hư hỏng cần xét đến, mức độ không tin thiết kế, mức độ hư hỏng, mức độ rủi ro v.v công trình thời kỳ tuổi thọ, nhằm xác định độ an tòan, độ tin cậy công trình qua việc phân tích xác định hệ số an tòan cho công trình có “hệ số an tòan phận”, qua phương pháp mức độ 1, mức độ 2, mức độ 3, từ xác suất hư hỏng công trình hay phận công trình xác suất hư hỏng cho phép sở hy vọng tìm kiếm cách giải rõ ràng, đầy đủ tin cậy không phức tạp cho tóan an tòan công trình để vận dụng dễ dàng thực tế thiết kế công trình biển nói chung công trình đê chắn sóng bảo vệ cảng nói riêng II Nội dung chủ yếu phương pháp độ tin cậy : Phương pháp độ tin cậy dùng cho thiết kế thường phân làm lọai dựa theo mức độ xác suất sử dụng, phương pháp theo mức độ (Level 1), mức độ (Level 2) mức độ (Level 3) ngòai để sáng tỏ hơn, nêu thêm mức độ (Level 0), đó, phương pháp theo mức độ phương pháp truyền thống hay “phương pháp ấn định” (deterministic design methods), sử dụng giá trị đặc trưng cường độ tải trọng theo phương pháp thông thường, phương pháp mức độ phương pháp “bán xác suất”(Quasi-probabilistic methods) với việc ấn định hệ số an tòan cho biến số ( gọi hệ số an tòan cục hay phận (partial safety coefficients) để xét đến tính không chắn giá trị nó, phương pháp mức độ phương pháp xác suất, tìm xấp xỉ hàm phân bố biến số cường độ tải trọng để xác định xác suất hư hỏng (là xác suất G = R-S 0 fG(g)dg Để bảo đảm an tòan cho kết cấu cần có điều kiện R  S hay R = K.S , K hệ số an tòan chống phá hủy cần bảo đảm K  Và hàm số độ tin cậy (hay phá hủy) G viết dạng tổng quát sau : G= R k  ks S  (3) r Trong : k r - Hệ số an tòan liên quan đến sức kháng kết cấu k s - Hệ số an tòan liên quan đến tải trọng.với Kr.Ks K Trong phương pháp mức độ 1, số hạng R S xác định giá trị đặc trưng hay giá trị trung bình., hệ số xác định dựa theo lọat giá trị R S thông qua thí nghiệm Khi hàm số hư hỏng G có nhiều dạng khác cường độ tải trọng phụ thuộc vào số biến số, chẳng hạn N hệ số an tòan phận cho biến số cần xác định Hệ số an tòan chung lúc tích N với hệ số an tòan phận Vấn đề lúc cần xác định hệ số an tòan phận (có thể qui định quy phạm hay xác định qua nhiều công trình thực tế nhiều thí nghiệm, tìm thấy PIANC (1985) bổ sung báo cáo Tổ công tác số 12 (1992) [2] hay tác phẩm Burcharth Sorensen (1998)) thiếu xác đo đạc vấn đề làm cho độ tin cậy phương pháp bị giảm sút Theo PIANC hệ số an tòan phận cần xác định theo hình thức kết cấu đê chắn sóng dạng hư hỏng Và việc xác định hệ số an tòan phận để xác định xác xuất hư hỏng phân tích rủi ro kết cấu, rủi ro xác suất hư hỏng nhân với hậu Ở đê đá đổ, việc xác định xác suất hư hỏng lớp bảo vệ mặt ngòai quan trọng Đây vấn đề có tính lý thuyết cao khó áp dụng cho trường hợp khác nhau, đó, cách hợp lý xác định hệ số an tòan phận dùng công thức tính tóan có để xác định xác suất hư hỏng kết cấu cho thời kỳ tuổi thọ công trình Do đó, việc cần xác định hình thức kết cấu đê (như đê mái nghiêng thông thường, mái nghiêng có cơ, mái nghiêng có tường đỉnh , mái nghiêng có nhiều độ dốc, đê hỗn hợp ngang, đê tường đứng v.v.) dạng hư hỏng (failure modes) kết cấu (như dịch chuyển khối bảo vệ mặt trước,và mặt sau, dịch chuyển khối bảo vệ đáy, gãy vỡ khối bảo vệ, di chuyển tường đỉnh, đất không ổn định gây lún sụt, xói chân, sóng tràn đê) công thức tính tóan cho dạng hư hỏng Ở đê đá đổ, ổn định khối bảo vệ mặt ngòai nhân tố quan trọng nên cần xác định khối lượng khối bảo vệ mặt ngòai đủ sức bảo đảm ổn định, theo công thức có, chẳng hạn dùng công thức Hudson để tính tóan xem xét sau : Từ công thức Hudson : M= H (4) a K  D Cot Công thức biểu thị dạng Số ổn định Ns (Stability number) đường kính khối bảo vệ mặt ngòai danh nghĩa Dn sau : 1/ (5) N S  H /  Dn  K D cot   Trong : M - khối lượng khối bảo vệ mặt ngòai  = (a/w-1) với a w mật độ khối lượng khối bảo vệ mặt ngòai nước.H - Chiều cao sóng thiết kế  M   Góc nghiêng KD - Hệ số xác định mức độ hư hỏng Dn =    a  1/ Từ biểu thức trên, phân tích xác định thông số tải trọng, thông số cường độ hay sức kháng, tùy thuộc vào hàm số hư hỏng giá trị lớn làm cho kết cấu ổn định thông số sức kháng, trái lại giá trị lớn làm cho kết cấu an tòan thông số tải trọng, thông số trường hợp sức kháng trường hợp tải trọng, công thức Hudson, có H thông số tải trọng, lại thông số sức kháng, công thức van der Meer cho đá đổ, độ dốc sóng tải trọng cho trường hợp sóng vỡ trào lên (surging waves) sức kháng cho trường hợp sóng vỡ đổ nhào (plunging waves) Từ công thức xác định số ổn định (stability number) (5), xác định hàm số hư hỏng sau: g = Z..Dn.(KDcot)1/3 - H (6) Trong : g = R – S Khi g  kết cấu bị hư hỏng g > 0, kết cấu an tòan, không bị hư hỏng Các thông số hàm số biến số ngẫu nhiên trừ KD biểu thị mức độ hư hỏng người thiết kế chọn Trị số Z– Biến số ngẫu nhiên, biểu thị tính không chắn công thức, trị số trung bình 1,0 Hàm số hư hỏng với số hạng đầu bên vế phải phương trình sức kháng số hạng thứ tải trọng Các hệ số an tòan phận i (biểu thị tính không xác định biến số ngẫu nhiên Xi tầm quan trọng tương đối Xi hàm số hư hỏng) có liên quan đến giá trị đặc trưng ngẫu nhiên Xi,ch biến số ngẫu nhiên giá trị cường độ (vật liệu), thông thường chọn với nguyên tắc giá trị nằm không lớn 5% kết thí nghiệm, giá trị đặc trưng tải trọng lấy gần tải trọng với 5% xác suất vượt thời kỳ tuổi thọ công trình, giá trị trung bình Các hệ số an tòan phận cho tải trọng tti cho sức kháng ski thường lớn hay mối quan hệ với giá trị thiết kế Xtki biến số sức kháng tải trọng Xski,ch Xtti,ch sau : Xtki = tti Xtti,ch Và Xtki = Xski,ch / ski (7) Phương pháp mức độ : Phương pháp mức độ sử dụng phân bố xác suất tính tóan xác định xác suất hư hỏng hệ số cho biến số Trong trường hợp hàm số hư hỏng G tuyến tính biến số theo phân bố Gauss, Cornell (1969) đề xuất số độ tin cậy  (reliability index) để sở xác định xác suất hư hỏng sau :    (8) G G Trong : G G phân biệt biểu thị trị số trung bình độ lệch chuẩn G xác suất hư hỏng PF = (-) Khi G = R – S R S hàm biến số đơn không tương quan, phân bố Gauss cho R S Pr Ps gộp vào phân bố Gauss đơn cho G (Ang Tang 1984) với G 2G sau : G = R - S 2G = 2R + 2S (9) Khi kết cấu hư hỏng G = xác suất hư hỏng PF (vùng gạch chéo bên trái điểm gốc trục tọa dộ g fG(g)) (Hình 1) biểu thị sau : P F     0     G  G G                       G   G   G    (10) Chỉ số độ tin cậy  biểu thị dạng hình học xét biến số chuẩn hóa R’ S’ để có hàm số hư hỏng G sau : G = R – S = RR’ - SS’ + (R - S) (11) Trong : R'  R  R R S '  S  (12) S S Khi G = ta có mặt hư hỏng khỏang cách ngắn từ tâm trục tọa độ đến mặt phẳng hư hỏng biểu thị số độ tin cậy  (Hình 2) Hình Chỉ độ độ tin cậy  Hình Biểu thị Chỉ số độ tin cậy Thí dụ cần xác định xác suất gây ngập đê cao trình đê miêu tả bỡi phân bố Gauss trung bình độ lệch chuẩn 0,5, viết N(5,0,5) mực nước cao hàng tháng N(3,1) Như ta biết đê ngập mực nước cao cao trình đỉnh đê theo (9) ta có G = – = 2và 2G =0,52 + 12 = 1,25 theo (8) ta có  = (10) ta có xác suất hư hỏng P F 1,25 từ  02     1,79   0,037  4% Xác suất hư hỏng xấp    , 25   xỉ 4% tháng) Khi hàm số hư hỏng G phi tuyến cần tuyến tính hóa hàm số hư hỏng để có trị số gần G G.bằng cách triển khai hàm hư hỏng (1) dạng chuỗi Taylor giữ lại thành phần tuyến tính Từ có trị số gần G G sau : G  f(X1,X2,…,Xn) (13) n f f cos( xi , x j ) j 1  x1  y n  G   i 1 (14) j Và biến số không tương quan ta có :  f    G    i 1   xi  n x (15) i Trong đó, đại lượng dấu  biểu thị yếu tố ảnh hưởng, thường ký hiệu i Phương pháp mức độ có biến thể (variant) thường dùng Đó phương pháp giá trị trung bình (Mean value approach - MVA), phương pháp điểm thiết kế (Design point approach – FDA) phương pháp phân bố đầy đủ (Approximate full distribution approach – AFDA), phương pháp MVA, hàm số hư hỏng khai triển quanh trị số trung bình biến số Trị số trung bình độ lệch chuẩn hàm số hư hỏng xem xét trực tiếp từ phương trình (13), (14), (15) nêu Đây phương pháp dễ sử dụng không xác hàm số hư hỏng mang tính phi tuyến tính cao.và thực tế sử dụng nhiều nghi vấn độ xác Ở phương pháp FDA, Hasofer Lind (1974) giới thiệu dạng số độ tin cậy , khỏang cách ngắn từ gốc tọa độ đến mặt hư hỏng (cong) hệ tọa độ z tiêu chuẩn hóa, biểu thị sau :  n    min  z i   i 1  Trong : z i  (16) x  i  xi i = 1, 2,…, n (17) xi với zi nằm mặt hư hỏng Ở phương pháp AFDA, sử dụng phương pháp FDA cho phép biến số Gauss Y biểu thị dạng Gauss thông qua biến đổi sau : 1 (18) Z   F Y  y  Trong FY(y) hàm phân bố Y  hàm phân bố chuẩn nghịch đảo Phương pháp mức độ : Phương pháp mức độ phương pháp tổng quát phương pháp độ tin cậy Mục đích phương pháp mức độ xác định xác suất hư hỏng tích phân (2) (19) nhờ phương pháp số.thông qua kỹ thuật tích phân Monte Carlo mô Monte Carlo (19)     f x1 f x x2 , , f xn xn d x1 d x2 , , d xn G 0 x1 Trong : fx1(x1), f2(x2),…, fxn(xn) hàm mật độ xác suất giới hạn biến số tải trọng cường độ Tích phân Monte Carlo dùng có dạng giải tích khép kín phân bố xác suất hàm số độ tin cậy vùng hư hỏng xác định rõ theo biến số Nó cho phép xác định tích phân dựa mẫu ngẫu nhiên, nhiên không thật biến số tích phân tăng vùng hư hỏng trở nên phức tạp Mô Monte Carlo dùng có lọat giá trị biến số tạo với phân bố xác suất thích hợp giá trị hàm số độ tin cậy xác định Thí dụ dùng mô Monte Carlo để dự đóan hư hỏng đê chắn sóng đá đổ tác động sóng hàm phản ứng, nhằm dự báo mức độ hư hỏng S lớp đá bảo vệ mặt ngòai, tác động sóng đổ nhào (plunging wave) hàm số kết cấu tải trọng (lấy theo van der Meer 1988a), để đơn giản tính tóan, ta xét phản ứng tác động sóng bão xét hàm phân bố biến số (có mang tính không chắn định) theo phân bố Gauss, cho bảng 1(mà thực tế nên xác định dựa vào số liệu quan trắc) phân bố xác suất đạt được, biểu thị mức độ hư hỏng, kết cấu bị hư hỏng nhẹ, xác suất vượt (Hình 3) xác suất mức độ hư hỏng vượt khỏang 10% Bảng Số liệu dùng cho tính tóan theo phương mức độ Biến số Phân bố Trị số trung Độ lệch chuẩn (% giá trị trung bình bình) Chiều cao sóng có nghĩa(m) Chuẩn 3,0 10 Góc nghiêng (o) Không 0,5 Mật độ đá (kg/m3) Chuẩn 2650 Đường kính đá danh Chuẩn 1,3 nghĩa(m) Thông số thấm Không 0,1 Độ dốc sóng Chuẩn 0,05 10 Thông số a van der Chuẩn Meer Thông số b van der Chuẩn Meer 6,2 10 0,18 10 Hình Xác suất vượt hư hỏng dự báo cho kết cấu thiết kế với hư hỏng nhẹ (S=2) III Những ưu điểm tồn phương pháp độ tin cậy : Phương pháp độ tin cậy dùng để thiết kế nhiều công trình đê chắn sóng Ở nêu trường hợp đê đá đổ Hàn Quốc để làm minh họa sau : Đây đê chắn sóng với đọan có dạng hỗn hợp ngang (với đê đứng thùng chìm có lăng thể khối đổ phía trước lớp tetrapod 25T) (m/c 7) đọan khác có dạng đê tường đứng với kết cấu thùng chìm (m/c 11), Cảng Donghae (Hàn Quốc), xây dựng từ 1975-1979, với thiết kế theo phương pháp ấn định ( chiều cao sóng thiết kế nước sâu H = 8,4m, chu kỳ T =14s theo hướng NE E), bị hư hỏng năm 1987 (với chiều cao sóng có nghĩa cao đến 8,85m) sữa chữa gia cố vào năm 1991(với tetrapod bảo vệ mặt ngòai nặng 40T phủ lên lớp tetrapod 25T đê hỗn hợp ngang (m/c 7), đọan đê đứng dạng thùng chìm (với hệ số an tòan chống trượt ngang kiểm tra đạt 1,06) phía trước thùng chìm đổ đá phủ ngòai lớp tetrapod 40T )(m/c 11) với số liệu đầu vào cho tái thiết kế chiều cao có nghĩa sóng nước sâu theo hướng NE Hs = 8,2m, chu kỳ Ts = 13s cho 50 năm hòan kỳ nơi xây dựng Hs = 7,64m (tại m/c 11với độ sâu 18,5m) Hs = 5,73m (tại m/c với độ sâu 8,0m) Việc tính tóan kiểm tra tiến hành cho trường hợp trước bị hư hỏng sau sữa chữa gia cố cho trường hợp chủ yếu ổn định khối bảo vệ mặt ngòai mái tetrapod ổn định chống trượt ngang thân đê thùng chìm với xác suất hư hỏng cho phép lớp bảo vệ mặt ngòai với tuổi thọ 50 năm kiến nghị 40% cho công thức ổn định hữu lúc xác suất hư hỏng cho phép trượt ngang thùng chìm kiến nghị 20% theo tiêu chuẩn hư hỏng cho khỏang cách trượt tích lũy cho suốt thời kỳ tuổi thọ 0,1m Và việc kiểm tra tiến hành theo phương pháp mức độ 1, mức độ 2, mức độ phương pháp thiết kế theo độ tin cậy cho thấy xác suất hư hỏng trước công trình bị hư hòng cao nhiều so với xác suất cho phép cho trường hợp ổn định khối bảo vệ mặt ngòai trượt ngang thùng chìm, chứng tỏ đê thiết kế mức an tòan quy định, lúc xác suất hư hỏng đê bé nhiều so với xác suất cho phép lúc gia cố, điều chứng tỏ đê gia cố an tòan ngòai ra, qua kiểm tra cho thấy sai biệt lớn kết phương pháp độ tin cậy.khác Trong kiểm tra đê chắn sóng sau bão năm 1991 sử dụng quan hệ chiếu cao sóng có nghĩa nước sâu H0 với chu kỳ sóng có nghĩa Ts sau :(Bàng 2) Bảng Chu kỳ lặp (năm) 10 20 30 50 70 100 Chiều cao sóng (m) 6,3 7,1 7,6 8,2 8,6 9,0 Chu kỳ sóng (s) 10,0 11,0 12,0 13,0 13,0 14,0 Ts = 1,454H0 + 0,824 (20) Và phân bố xác suất lũy tích chiều cao sóng cực trị sau :   x  3,037  1,1  F(x) = – exp       1,493   (21) Và nước cạn : Hs = 0,471lnTR + 3,872 Ts = 3,631Hs – 8,015 (m/c7) (22) (23) Hs = 1,168lnTR + 3,067 Ts = 1,467 Hs + 1,537 (m/c 11) Trong : TR – Chu kỳ lặp Kiểm tra theo phương pháp mức độ cho ổn định khối bảo vệ mặt ngòai dùng hệ thống hệ số an tòan phận phát triển bỡi Burcharth Sorensen (2000) cho đê hỗn hợp ngang với khối bảo vệ mặt ngòai tetrapod 25T (m/c 7) trước hư hỏng bão gia cố thêm tetrapod 40T sau bão, tiến hành theo công thức Hudson (1959) (thay dùng công thức Hanzawa đồng nghiệp, (1996), hệ số cần thiết cho việc tính tóan hệ số an tòan phận không biểu thị) sau : H   cot   K D  H H  D  cot    K N S  1/ S (24) D n S Z (25) S 1/ n D Trong : NS - Số ổn định, lấy 7,0 cho sóng vỡ tác động lên thân đê bảo vệ bỡi tetrapod Z, HS - Hệ số an tòan phận cho sức kháng cho tải trọng Đọan đê thùng chìm, gia cố tetrapod 40T sau bão (m/c 11), kiểm tra theo công thức van der Meer (1988c) sau : H N  D S S D n  n 0,5   0, N   3,75 00, 25  0,85  s Z   N     H Z Hs (26) S (27) 0,5    3,75 N  0,85   0, , 25 sZ  N   Trong : N0 hư hỏng tương đối van der Meer (1988c) định nghĩa số khối dịch chuyển chiều rộng đường kính danh nghĩa Dn (dọc theo chiều dài đê), lấy N0 1,5 N số sóng trận bão, lấy 1.000 (tương đương với bão) sZ - Độ dốc sóng (sZ = 2Hs/(gT2Z) chu kỳ trung bình TZ = Ts/1,15 Các hệ số an tòan phận xác định sau :    Tl   H s   1  k  P f   1     H Tl  S     T H H   l T F H    k  ln P Pf s s l Hs s  k P N (28) s f e (29) f Z Trong : Tl - Tuổi thọ đê Pf – Xác suất hư hỏng thời kỳ tuổi thọ H 3T HT S l - Chiều cao sóng có nghĩa ứng với hòan kỳ Tl 3Tl H TS - Chiều cao sóng có nghĩa ứng với hòan kỳ cân TPf, tính theo công thức TPf = (1-(1-Pf)1/Tl)-1 l  - (lấy 0,15) Hệ số biến đổi hàm FHs , miêu tả hệ số Hs l Pf S F Hs FHs biểu thị sai số đo, có giá trị trung bình 1,0 Trong công thức Hudson, đá thay tetrapod Ne - Số số liệu dùng phân bố cực trị (lấy 44) Các hệ số xác định quy trình hợp lý hệ số an tòan phân k (lấy 0,036 cho công thức Hudson lấy 0,026 cho công thức van der Meer), k (lấy 151cho công thức Hudson lấy 38 cho công thức van der Meer) kS (là số lấy 0,05) Kết kiểm tra cho thấy xác suất hư hỏng đọan đê hỗn hợp ngang với khối bảo vệ mặt ngòai tetrapod 25T (m/c 7) khỏang 60%., sau bảo vệ thêm tetrapod 40T khỏang 18%, đê đứng thùng chìm sau bảo vệ thêm mặt ngòai tetrapod 40T (m/c 11) cũng.là khỏang 18% Điều tetrapod có trọng lượng định xác suất hư hỏng vùng nước cạn lớn vùng nước sâu khối có trọng lượng nhỏ hơn, ngược lại trọng lượng lớn Kiểm tra theo phương pháp mức độ cho ổn định khối bảo vệ mặt ngòai sử dụng công thức Hudson cho đọan đê hỗn hợp ngang (m/c7), dùng công thức van der Meer cho đọan đê đứng dạng thùng chìm gia cố tetrapod 40T sau bão (m/c11), giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, hệ số biến đổi, phân bố xác suất cho biến số thiết kế, theo công thức Hudson van der Meer (trên sở van der Meer 1999a PIANC 1992) dựa theo số liệu bảng Bảng Công thức Biến số Giá trị trung Độ lệch Hệ số biến đổi Phân bố bình chuẩn Xác suất Khác Khác 0,067 Chuẩn Hudson Dn (m) 1,233 0,047 0,038 Chuẩn Chuẩn 1,5 0,075 0,05 cos Weibul Các thông số Như trước Như trước Hs (m) A, B k Chuẩn 0,25 FHs (m) 0,10 0,10 0,10 Chuẩn 1 Van Meer der Dn (m) No Khác 1,233 1,5 Khác 0,047 0,375 0,067 0,038 0,25 Chuẩn Chuẩn Chuẩn Các thông số Như trước A, B k 0,25 Khác Khác 0,10 1,0 Hs (m) FHs (m) sZ 2 Như trước Weibul 0,059 0,10 Chuẩn Chuẩn Chuẩn Trong Hàm số độ tin cậy công thức Hudson van der Meer tetrapod : 1/ (30) f    Dn K D cot    H S  F  0,5   N  f    Dn 3,75 00, 25  0,85     N   HS  H  F H s s s 0, Z (31) Trong : 1, 2 - Biến số biểu thị tính không chắn công thức Các biến số thiết kế giả thiết độc lập, mối tương quan Có thể dùng phương pháp độ tin cậy bậc (FORM) với phân bố đầy đủ gần (AFDA) để tính tóan điểm thiết kế cho biến số số độ tin cậy chúng phương pháp dần (Ang Tang, 1984) Kết tính tóan cho thấy xác suất hư hỏng đê hỗn hợp ngang (m/c7) trước gia cố khỏang 60%, giống kết phương pháp mức độ 1, lúc khỏang 23% sau gia cố.bằng tetrapod 40T, có phần lớn chút so với phương pháp mức độ 1.và khỏang 25% đê đứng.thùng chìm, sau gia cố tetrapod 40T (m/c11) Và phân tích phương pháp mức độ 1, tetrapod có trọng lượng định xác suất hư hỏng vùng nước cạn lớn so với vùng nước sâu cho trọng lượng bé ngược lại cho trọng lượng lớn Kiểm tra theo phương pháp mức độ cho ổn định khối bảo vệ mặt ngòai tiến hành cho đê đứng gia cố tetrapod 40T sau bão (m/c11) theo công thức van der Meer (1988a), cho trường hợp theo phương pháp mức độ mức độ với đọan đê hỗn hợp ngang với khối bảo vệ mặt ngòai tetrapod 25T (m/c7) kiểm tra theo công thức Hanzawa đồng nghiệp (1996) sau: N S  H D S n    2,32 N00,5   1,33   N  (32) Do trước đây, phương pháp mức độ mức độ sử dụng công thức Hudson để tính cho đọan đê hỗn hợp ngang với tetrapod 25T (m/c 7), sử dụng công thức Hanzawa đồng nghiệp (1996) nên cần so sánh tìm tương quan, nhận thấy công thức Hanzawa với N0 = 0,2 phù hợp với công thức Hudson, N0 = 0,2 dùng độ hư hỏng tương đối tetrapod N0 = 1,5 cho công thức van der Meer Khi kiểm tra theo phương pháp mức độ 3, theo công thức Hanzawa đồng nghiệp (1996) Suh đồng nghiệp (2000) tiến hành 2.000 lần mô để xác định xác suất hư hỏng Qua kết kiểm tra theo phương pháp mức độ cho thấy (qua đồ thị quan hệ hàm số hư hỏng Pf(%) - trục ngang trọng lượng khối tetrapod ứng với tuổi thọ 50 năm W(tf) - trục đứng), xác suất hư hỏng đọan đê hỗn hợp ngang với khối bảo vệ mặt ngòai tetrapod 25T (m/c 7) trước bão, gia cố thêm sau bão tetrapod 40T phân biệt 40% 3%, nghĩa nhỏ nhiều so với kết tính tóan theo phương pháp mức độ mức độ 2, xác suất hư hỏng đọan đê thùng chìm, gia cố thêm sau bão tetrapod 40T (m/c 11) khỏang 20%, nằm kết theo phương pháp 10 mức độ mức độ Điều cho thấy có xu xác suất hư hỏng tetrapod vùng nước cạn (ở m/c với độ sâu 8,0m) với tetrapod có trọng lượng nhỏ vùng nước sâu (ở m/c 11 với độ sâu 18,5m) ngược lại với tetrapod có trọng lượng lớn hơn, phương pháp mức độ mức độ Qua kết tính tóan trên, xét đồ thị quan hệ trọng lượng khối tetrapod W(tf) - trục ngang, với độ hư hỏng tương đối N0 - trục đứng, dùng công thức khác cho đọan đê khác , với độ hư hỏng tương đối khác (như m/c dùng công thức Hanzawa để tính,với độ hư hỏng tương đối N0 0,2 (với trọng lượng tetrapod tương ứng khỏang 25T), m/c 11 dùng công thức van der Meer để tính với N0 1,5 (với trọng lượng tetrapod tương ứng khỏang 30T) Trọng lượng tetrapod mặt cắt chênh lệch nhiều ( khỏang 25T cho m/c với N0 = 0,2) (bằng khỏang 30T cho m/c 11 với N0 = 1,5) Như khác biệt nhiều mặt cắt khác nhau, khác biệt lớn trọng lượng khối tetrapod , tính theo công thức khác với độ hư hỏng tương đối khác Nếu xét quan hệ độ hư hỏng tương đối N0 - trục ngang với xác suất hư hỏng Pf(%) - trục đứng kết tính tóan mặt cắt có khác biệt lớn, xác suất hư hỏng Pf (%)ứng với độ hư hỏng tương đối N0 khỏang 40% (thực chất khỏang 30%) cho mặt cắt.(Hình 4) Hình Quan hệ trọng lượng tetrapod W(tf) xác suất hư hỏng Pf(%) Tuy nhiên, vấn đề mấu chốt cần đặt phải xác định xác suất hư hỏng cho phép để đánh giá tính ổn định khối bảo vê mặt ngòai đê chắn sóng mái nghiêng đá đổ, sở việc phân tích độ tin cậy qua phương pháp xác suất tiến hành Trên thực tế, xác suất hư hỏng cho phép kiến nghị cho trường hợp trượt ngang thùng chìm đê đứng (do Nagao đồng nghiệp, (1995) Shimosako Takahashi (1998) đề xuất), ổn định lớp khối bảo vệ mặt ngòai đê mái nghiêng đá đổ chưa Qua việc kiểm tra đê chắn sóng Cảng Donghae phương pháp độ tin cậy cho thấy giải vấn đề này, sở kết đạt (bảng 4) Bảng Xác suất hư hỏng (%) khối bảo vệ mặt ngòai theo phương pháp thiết kế độ tin cậy khác cho mặt cắt khác Phương pháp M/c trước gia cố M/c sau gia cố M/c 11 sau gia cố Mức độ 60 18 18 Mức độ 60 23 20 11 Mức độ 40 20 biểu đồ quan hệ độ hư hỏng tương đối N0 - trục ngang xác suất hư hỏngPf(%) trục đứng, tác giả kiến nghị xác suất hư hỏng cho phép đê đá đổ có tuổi thọ 50 năm 40%, Lý cho kiến nghị tác giả xuất phát từ kết kiểm tra m/c trước gia cố , xác suất hư hỏng lớn xác suất cho phép tất phương pháp, chứng tỏ khối bảo vệ mặt ngòai không ổn định Còn xác suất hư hỏng m/c sau gia cố bé thua 40%, chứng tỏ khối bảo vệ mặt ngòai sau gia cố ổn định.Tuy nhiên, theo chúng tôi, có lẽ nên lấy xác suất hư hỏng cho phép 30% m/c trước gia cố kiềm tra theo phương pháp xác suất hư hỏng lớn 30% , m/c m/c 11 sau gia cố xác suất hư hỏng nhỏ 30% (trong giá trị ứng với phương pháp mức độ cho m/c 23% cho m/c 11 25% giá trị lớn cho mặt cắt) nên giá trị 23% hay 25% với giá trị 40% ứng với m/c kiểm tra theo phương pháp mức độ nên coi giá trị giới hạn để tìm trị số trung bình (chính giá trị 30%) nhằm xác định xác suất hư hỏng cho phép để bảo đảm mức độ an tòan thực tế công trình, cho dù phương pháp độ tin cậy cho kết xác (nhất phương pháp mức độ cho kết xác suất hư hỏng thấp nhiều so với phương pháp mức độ mức độ 40% so với 60% 60% hay 3% so với 18% 23% - bảng 3) so với phương pháp truyền thống hay phương pháp ấn định.( cho thấy qua thực tế đê chắn sóng cảng Donghae – Hàn Quốc với xác suất hư hỏng vượt 60%) sử dụng với công thức khác tính tóan trọng lượng khối tetrapod Khi xem xét đường quan hệ xác suất hư hỏng Pf(%) - trục ngang trọng lượng khối tetrapod W(tf) - trục đứng tính theo phương pháp cho thấy, m/c 7, phương pháp mức độ mức độ cho kết tương tự xác suất hư hỏng trọng lượng tetrapod, phương pháp mức độ cho trọng lượng tetrapod bé (có khác biệt lớn) so với phương pháp khác xác suất hư hỏng bé hơn, m/c 11 (khi công thức van der Meer dùng cho phương pháp) phương pháp cho kết tương tự nhau, dù phương pháp mức độ mức độ có bé Nguyên nhân khác biệt m/c chưa xác định rõ ràng, cho dù dùng công thức khác để xác định ổn định khối bảo vệ mặt ngòai, dùng công thức Hudson cho phương pháp mức độ 1, mức độ dùng công thức Hanzawa cho phương pháp mức độ 3, dù trước dùng công thức Hudson, công thức có tương thích định qua đường quan hệ chiều cao sóng có nghĩa Hs(m) - trục ngang trọng lượng khối tetrapod tính qua công thức Hudson Hanzawa W(tf) - trục đứng, dùng độ hư hỏng tương đối N0 khác công thức Hanzawa, cho thấy công thức Hanzawa với N0 = 0,2 phù hợp với tính tóan tetrapod theo công thức Hudson (khi dùng hệ số ổn định KD = 7,0 cho trường hợp sóng vỡ thân đê bảo vệ tetrapod) phù hợp với N0 = 1,5 cho công thức van der Meer, không cho sai biệt lớn trọng lượng khối tetrapod xác suất hư hỏng dùng độ hư hỏng tương đối N0 khác Qua kết trên, ta thấy phương pháp mức độ tính tóan theo công thức Hanzawa cho m/c 7, xác suất hư hỏng tăng nhanh theo độ giảm trọng lượng tetrapod trọng lượng tetrapod giảm từ 25T xuống 20T xác suất hư hỏng tăng từ 40% đến 90%, theo phương pháp mức độ tính tóan theo công thức Hudson từ 60% đến 80% IV Các kết luận kiến nghị : 12 Từ vấn đề nêu việc sử dụng phương pháp độ tin cậy thiết kế đê chắn sóng, rút số kết luận kiến nghị sơ sau : 1.Qua ứng dụng thực tế cho thấy dùng phương pháp truyền thống hay phương pháp ấn định (traditional deterministic methods) để thiết kế công trình cho kết mức an tòan thấp, công trình thường bị hư hỏng, (với xác suất hư hỏng lớn) lúc dùng phương pháp độ tin cậy thấy mức độ an tòan công trình, vậy, nên dùng phương pháp độ tin cậy tính tóan thiết kế công trình, với ưu điểm chủ yếu xác định xác suất hư hỏng (biểu thị mức độ vượt khả phản ứng kết cấu móng công trình trước tác động tải trọng từ môi trường) sở xem xét yếu tố ảnh hưởng đến an tòan công trình, cho phép người thiết kế đánh giá cách hợp lý khách quan độ tin cậy mức độ hư hỏng công trình, so với cách đánh giá xác định chủ quan trước Ngòai ra, công thức sử dụng phương pháp độ tin cậy cần chọn để thích hợp việc miêu tả dạng hư hỏng công trình, để từ xác định xác xác suất hư hỏng 2.Do kết tính tóan theo phương pháp độ tin cậy khác (phương pháp mức độ 1, phương pháp mức độ phương pháp mức độ 3) độ chênh lệch lớn, phương pháp mức độ mức độ nên sử dụng phương pháp để tính tóan thiết kế công trình Trong thiết kế theo phương pháp độ tin cậy, nên xác lập “xác suất hư hỏng cho phép” để làm chuẩn cho việc thiết kế, nhiên vấn đề khó xác định yêu cầu độ an tòan công trình có khác nhau, có phụ thuộc định vào yếu tố kinh tế Theo tài liệu nghiên cứu đê chắn sóng Cảng Donghae (Hàn Quốc) xác suất hư hỏng cho phép tetrapod bảo vệ mặt ngòai đê với tuổi thọ 50 năm xác định vào khỏang 40%, bất chấp có tiêu chuẩn khác độ hư hỏng tương đối lớp bảo vệ mặt ngòai theo công thức khác nhau, nhiên vấn đề giả đề nghị tiếp tục nghiên cứu để tìm khác biệt cho độ hư hỏng tương đối cho phép công thức khác Theo chúng tôi, xác suất hư hỏng cho phép nên xác định dựa vào việc tính tóan kiểm tra số công trình sau xây dựng thử thách với giải pháp kết cấu riêng, theo phương pháp tính tóan khác Tuy nhiên, dựa theo kết kiểm tra đê chắn sóng Cảng Donghae (Hàn Quốc) nên lấy trị số trung bình kết thấp cho trường hợp xấu (bị hư hỏng), trước gia cố sữa chữa, theo phương pháp mức độ (với độ tin cậy cao hơn) với kết theo phương pháp mức độ hay mức độ cho trường hợp tốt hơn, sau gia cố sữa chữa, theo đó, xác suất hư hỏng cho phép ổn định khối bảo vệ mặt ngòai đê đá đổ nên 30% thay 40% kiến nghị V Tài liệu tham khảo : [1] Seung-Woo Kim, Kyung-Duck Suh : “Application of Reliability Design Methods to Donghae Harbor Breakwater” Coastal Engineering Journal Vol 48 No (2006) P31-57 [2] Report of the Working No 12 of the Permanent Technical Committee II : “ Analysis of Rubble Mound Breakwaters “ (Supplement to Bulletin 78/79 (1992)) [3] B.D.Koschiukov : Nadejnoschi morskix pritralov i ich reconstruxia (Độ tin cậy bến cảng biển việc cải tạo nâng cấp) (Bản tiếng Nga) 1987 [4] Hocine Oumeraci đồng tác giả : “Probabilistic Design Tools for Vertical Breakwaters”.2001 13 [5] IC Meadowcroft đồng tác giả : “Development of New Risk Assessment Procedures for Coastal Structures” Advances in Coastal Structures and Breakwaters P625 1995 [6] Dominic Reeve đồng tác giả : “Design, Reliability and Risk” Coastal Engineering-Process, Theory and Design Practice Chapter7 2004 [7] C.Guedes Soares : “Risk and Reliability in Marine Technology”.1998 [8]Coastal Engineering Manuel Part III Chapter6 : “Reliability based Design of Coastal Structures” 1998 [9] Manual on the Use of Rock in Hydraulic Engineering CUR.2000 : “Probabilistic Approach” P2.28-2.57 2000 14