Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Ứng dụng phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy để xác định mức bảo đảm an toàn cho hệ thống kiểm soát ngập lụt vùng hạ du sông Đồng Nai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ XUÂN BẢO ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ĐỂ XÁC ĐỊNH MỨC BẢO ĐẢM AN TOÀN CHO HỆ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ XUÂN BẢO

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ

LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ĐỂ XÁC ĐỊNH MỨC BẢO ĐẢM

AN TOÀN CHO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SÔNG ĐỒNG NAI – SÀI GÒN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ XUÂN BẢO

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ

LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ĐỂ XÁC ĐỊNH MỨC BẢO ĐẢM

AN TOÀN CHO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SÔNG ĐỒNG NAI – SÀI GÒN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số: 62-58-02-02

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1 PGS.TS MAI VĂN CÔNG

2 GS.TS FRANZ NESTMANN

HÀ NỘI, NĂM 2017

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 văn 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 đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án Chữ ký

Lê Xuân Bảo

ii

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận án tiến sĩ “Ứng dụng phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy để xác định mức bảo đảm an toàn cho hệ thống kiểm soát ngập lụt vùng

hạ du sông Đồng Nai – Sài Gòn”, tác giả đã nhận được quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện

về mọi mặt của các cơ quan, đơn vị, các nhà khoa học, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp Tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới sự quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện về mọi mặt của các thầy trong Ban Giám hiệu trường Đại học Thủy Lợi, tới Phòng Đào tạo Đại học

và Sau đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Thủy công, và cơ quan công tác Viện Thủy Lợi

và Môi trường và Cơ sở 2 - Trường Đại học Thủy Lợi;

Trân trọng cảm ơn các cơ quan, đơn vị hữu quan đã tận tình giúp đỡ tác giả trong quá trình thu thập các thông tin, tài liệu tham khảo khi thực hiện luận án;

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các nhà khoa học đã quan tâm, chia sẻ, đóng góp và bổ sung nhiều thông tin bổ ích thông qua các hoạt động khoa học liên quan đến luận án trong suốt quá trình thực hiện;

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến cố GS.TS Nguyễn Văn Mạo, người đã gợi

ý cho tác giả định hướng khoa học và hướng dẫn các hoạt động nghiên cứu ban đầu của luận án;

Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Mai Văn Công và GS.TS Franz Nestmann đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này;

Và sau cùng, tác giả ghi nhận và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm, động viên, chia sẻ và tạo mọi điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án

Lê Xuân Bảo

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG xv

MỞ ĐẦU 1

1 Sự cần thiết phải nghiên cứu 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

5 Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu 4

6 Cấu trúc luận án 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MỨC BẢO ĐẢM AN TOÀN HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SÔNG ĐỒNG NAI – SÀI GÒN 7 1.1 Tổng quan ngập lụt vùng hạ du sông Đồng Nai-Sài Gòn 7

1.1.1 Hiện trạng ngập lụt 7

1.1.2 Hiện trạng quản lý ngập lụt vùng hạ du sông ĐN-SG và khu vực TP.HCM 13

1.2 Luận giải vấn đề nghiên cứu 18

1.3 Tổng quan phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy 19

1.3.1 Phương pháp phân tích rủi ro và Lý thuyết độ tin cậy 19

1.3.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC cho hệ thống KSNL trên thế giới 21

1.3.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC phân tích an toàn cho hệ thống KSNL tại Việt Nam và vùng hạ du lưu vực ĐN-SG 22

1.4 Kết luận Chương 1 26

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 27

2.1 Phân tích rủi ro 27

2.1.1 Phương pháp phân tích rủi ro 27

2.1.2 Phân tích rủi roc ho hệ thống KSNL 30

2.1.3 Giá trị rủi ro chấp nhận của hệ thống KSNL 30

2.1.4 Đánh giá rủi ro 31

iv

2.1.5 Ra quyết định dựa trên kết quả phân tích rủi ro 31

2.2 Phân tích độ tin cậy cho một cơ chế sự cố 31

2.2.1 Khái niệm cơ chế sự cố 31

2.2.2 Phân tích độ tin cậy một cơ chế sự cố theo Cấp độ II bằng phương pháp FORM 36

2.2.3 Phân tích độ tin cậy một cơ chế sự cố theo bài toán Cấp độ III- Mô phỏng ngẫu nhiên Monte-Carlo 40

2.3 Phân tích độ tin cậy của hệ thống 42

2.3.1 Khái niệm Hệ thống 42

2.3.2 Các hệ thống liên kết cơ bản 43

2.3.3 Phân tích hệ thống 44

2.4 Kết luận chương 2 47

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CÁC BÀI TOÁN ỨNG DỤNG PTRR & LTĐTC CHO HỆ THỐNG KSNL VÙNG HẠ DU SÔNG CHỊU ẢNH HƯỞNG KẾT HỢP CỦA THỦY TRIỀU VÀ LŨ 49

3.1 Hệ thống kiểm soát ngập lụt đa thành phần tại vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp của thủy triều và lũ 49

3.2 Phân tích rủi ro xác định mức bảo đảm an toàn tối ưu cho hệ thống KSNL 50

3.3 Phân tích độ tin cậy hệ thống công trình KSNL 53

3.3.1 Phân tích độ tin cậy hệ thống công trình KSNL 53

3.3.2 Các bước phân tích độ tin cậy cho hệ thống công trình KSNL 54

3.3.3 Phân tích thống kê các số liệu cơ bản 56

3.3.4 Phân tích độ tin cậy cho công trình cống dạng trụ đỡ 57

3.3.5 Phân tích độ tin cậy cho công trình đê bao 62

3.3.6 Phân tích độ tin cậy cho công trình kè tường đứng 67

3.4 Phân tích rủi ro cho vùng được bảo vệ 69

3.4.1 Xây dựng bản đồ ngập lụt 69

3.4.2 Thiết lập hàm thiệt hại 70

3.4.3 Thiết lập bản đồ thiệt hại 72

3.4.4 Phân tích xác định giá trị rủi ro, thiết lập đường cong rủi ro và bản đồ rủi ro 73

3.5 Các phần mềm hỗ trợ phân tích độ tin cậy 73

3.5.1 Phần mềm BestFit 73

3.5.2 Phần mềm Vap 74

3.5.3 Phần mềm OpenFTA 75

v

3.6 Kết luận Chương 3 75

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY XÁC ĐỊNH MỨC ĐẢM BẢO AN TOÀN HỢP LÝ CHO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT KHU VỰC TP.HCM 77

4.1 Mô tả hệ thống công trình kiểm soát ngập lụt và thiết lập biên phân tích 77

4.2 Phân tích độ tin cậy cống Phú Định 80

4.2.1 Mô tả cống Phú Định và thiết lập sơ đồ cây sự cố 80

4.2.2 Cơ chế sự cố do nước tràn qua cống 81

4.2.3 Cơ chế sự cố do mất khả năng chịu tải dưới khối móng quy ước 83

4.2.4 Cơ chế mất ổn định cống Phú Định do mất khả năng chịu tải trọng đứng của cọc 85

4.2.5 Cơ chế sự cố do khả năng chịu tải trọng ngang của cọc 87

4.2.6 Cơ chế sự cố do mất ổn định thấm qua nền cống 88

4.2.7 Tổng hợp xác suất sự cố cống Phú Định 90

4.3 Phân tích độ tin cậy công trình đê bao sông Cần Giuộc 93

4.3.1 Mô tả công trình đê bao sông Cần Giuộc và thiết lập sơ đồ cây sự cố 93

4.3.2 Cơ chế chảy tràn đỉnh đê 94

4.3.3 Cơ chế sự cố do mất ổn định trượt mái 95

4.3.4 Cơ chế sự cố do lún thân và nền đê vượt giá trị lún tới hạn 96

4.3.5 Cơ chế hư hỏng do xói ngầm đẩy trồi 97

4.3.6 Cơ chế mất ổn định thấm cục bộ 97

4.3.7 Tổng hợp xác suất sự cố của đê bao sông Cần Giuộc 99

4.4 Phân tích độ tin cậy kè tường đứng bảo vệ bờ sông Sài Gòn 100

4.4.1 Mô tả hệ thống kè tường đứng và thiết lập cây sự cố 100

4.4.2 Cơ chế nước tràn đỉnh kè 102

4.4.3 Cơ chế sự cố do mất ổn định trượt sâu 103

4.4.4 Cơ chế sự cố do mất khả năng chịu tải đứng của cọc 105

4.4.5 Cơ chế sự cố do mất khả năng chịu tải ngang của cọc 105

4.4.6 Tổng hợp độ tin cậy kè sông Sài Gòn 106

4.5 Tổng hợp xác suất sự cố của hệ thống công trình KSNL khu vực IA1-3, Tp.HCM 107

4.6 Xây dựng hàm đầu tư cho hệ thống công trình KSNL 108

4.7 Xây dựng đường cong rủi ro do ngập lụt cho vùng được bảo vệ 110

4.7.1 Mô phỏng ngập lụt và thiết lập bản đồ ngập lụt (theo các kịch bản tần suất) 110

vi

4.7.2 Bản đồ sử dụng đất 111

4.7.3 Xây dựng hàm thiệt hại 112

4.7.4 Thiệt hại vùng được bảo vệ 115

4.7.5 Xác định rủi ro ngập lụt 115

4.8 Xác định Mức bảo đảm an toàn tối ưu hệ thống KSNL 116

4.9 Đề xuất giải pháp giảm thiểu rủi ro cho hệ thống KSNL khu vực TP.HCM 118

4.10Kết luận chương 4 118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121

1 Kết quả đạt được của Luận án 121

2 Những đóng góp mới của Luận án 122

3 Tồn tại và hướng phát triển 122

4 Kiến nghị 123

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 125

TÀI LIỆU THAM KHẢO 127

PHỤ LỤC 132

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1: Vị trí Tp.HCM và lưu vực sông ĐN-SG [2] 1

Hình 2: Các vùng chống ngập theo QH1547 [7] - Giai đoạn 1 2

Hình 3: Sơ đồ hệ thống KSNL 4

Hình 1.1: Ngập vùng hạ du sông ĐN-SG năm 2050 trong trường hợp không có công trình KSNL [13] 8

Hình 1.2: Mực nước triều lớn nhất năm tại trạm Phú An trong giai đoạn 1983 - 2014 9

Hình 1.3: Một số hình ảnh ngập lụt tại Tp.HCM sau mỗi cơn mưa hoặc triều cường 9

Hình 1.4: Biểu đồ quan hệ diện tích và cao độ của Tp.HCM 10

Hình 1.5: Dự báo tốc độ lún nền (m) trong thời kỳ từ năm 2005 đến năm 2050 với mức độ khai thác nước ngầm hiện trạng ở năm 2007 [15] 12

Hình 1.6: Bản đồ phân vùng tiêu thoát nước Tp.HCM 15

Hình 1.7: Quy hoạch hệ thống đê biển Vũng Tàu - Gò Công 17

Hình 1.8: Mô hình chương trình “XtremRisK” [31] 23

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý phân tích rủi ro [33] 29

Hình 2.2: Các bước cơ bản trong phân tích rủi ro [33] 29

Hình 2.3: Phân bố xác suất của hàm Z [33] 32

Hình 2.4: Định nghĩa biên sự cố [33] 32

Hình 2.5: Quan hệ giữa hàm tải trọng S và hàm sức chịu tải R [33] 33

Hình 2.6: Miền tính toán tích phân của hàm fR,S(R.S) [33] 34

Hình 2.7: Đường đẳng mật độ xác suất của hàm kết hợp fR(X1)fS(X2) [33] 34

Hình 2.8: Số lượng mẫu yêu cầu N không phụ thuộc vào số biến của hàm Z 42

Hình 2.9: Sơ đồ cây sự cố của hệ thống nối tiếp và song song 43

Hình 2.10: Sơ đồ minh họa cây sự cố của một hệ thống KSNL điển hình 45

Hình 2.11: Minh họa gán xác suất xảy ra sự cố của hệ thống nối tiếp có các thành phần độc lập 46

Hình 3.1: Sơ họa hệ thống KSNL tổng quát 49

Hình 3.2: Tối ưu MBĐAT theo quan điểm kinh tế 53

Hình 3.3: Sơ đồ cây sự cố hệ thống KSNL điển hình 54

Hình 3.4 Sơ đồ cây sự cố cống dang trụ đỡ 59

Hình 3.5: Sơ đồ cây sự cố đê bao 63

Hình 3.6 Cơ chế xói ngầm và đẩy trồi 65

Hình 3.7: Cây sự cố của kè tường đứng 67

Hình 3.8: Sơ đồ phương pháp đánh giá thiệt lại do ngập lụt 73

Hình 4.1: Phạm vi vùng IA1-3 77

Hình 4.2: Sơ đồ cây cố hệ thống KSNL vùng nghiên cứu 78

Hình 4.3: Sơ đồ cây sự cố của hệ thống chống ngập xét theo các thành phần 78

Hình 4.4: Vị trí xây dựng cống Phú Định 80

Hình 4.5: Sơ đồ kết cấu cống Phú Định 81

viii

Hình 4.6: Sơ đồ cây sự cố cống Phú Định 82

Hình 4.7: Xác suất xảy ra sự cố với cống Phú Định 91

Hình 4.8: Đê bao Cần Giuộc quanh khu vực thành phố Hồ Chí Minh 93

Hình 4.9: Các xác suất của sự cố đối với đê bao Cần Giuộc 99

Hình 4.10: Phối cảnh kè sông 101

Hình 4.11: Tuyến kè tường đứng sông Sài Gòn 101

Hình 4.12: Cây sự cố kè sông Sài Gòn 102

Hình 4.13: Hàm phân bố ngẫu nhiên của hệ số an toàn SF 104

Hình 4.14: Xác suất sự cố kè sông Sài Gòn 107

Hình 4.15: Xác suất sự cố các thành phần và của toàn hệ thống KSNL 109

Hình 4.16: Đường cong đầu tư (I) hệ thống công trình KSNL khu vực IA1-3 109

Hình 4.17: Bản đồ số hoá độ cao vùng dự án 110

Hình 4.18: Bản đồ ngập tương ứng với mực nước 2m (bên trái) và 3m (bên phải) 111

Hình 4.19: Bản đồ quy hoạch SDĐ 2025 112

Hình 4.20: Bản đồ quy hoạch SDĐ 2100 112

Hình 4.21: Hàm thiệt hại thiệt hại với các loại hình sử dụng đất theo giá trị thiệt hại 114

Hình 4.22: Hàm thiệt hại thiệt hại với các loại hình sử dụng đất theo tỷ lệ thiệt hại 114

Hình 4.23: Bản đồ thiệt hại ứng với hiện trạng sử dụng đất năm 2010, ứng với các mức ngập khác nhau 115

Hình 4.24: Tổng hợp giá trị thiệt theo hiện trạng và quy hoạch sử dụng cho vùng được bảo vệ 115

Hình 4.25: Rủi ro do ngập của vùng nghiên cứu tương ứng với các KB1, KB2, KB3 116

Hình 4.26: Đường cong Tổng chi phí (Ctot) của hệ thộng KSNL vùng TP.HCM theo các KB1, KB2 & KB3 116

Hình 4.27: Mức đảm bảo an toàn tối ưu hệ thống theo KB1- 1/5 năm 117

Hình 4.28: Mức đảm bảo an toàn tối ưu hệ thống theo KB2- 1/100 năm 117

Hình 4.29: Mức đảm bảo an toàn tối ưu hệ thống theo KB3- 1/500 năm 117

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thống kê tình trạng ngập lụt khu vực Tp.HCM một số năm 9

Bảng 2.1: Các loại cổng liên kết trong sơ đồ cây sự cố, kí hiệu và ý nghĩa 45

Bảng 2.2: Ký hiệu của các sự cố/sự kiện trong sơ đồ cây sự cố 46

Bảng 3.1 Ví dụ về Ma trận sự cố 56

Bảng 4.1: Thống kê các công trình KSNL 79

Bảng 4.2: Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên trong hàm tin cậy Z 82

Bảng 4.3: Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế nước tràn đỉnh cống 83

Bảng 4.4: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số 83

Bảng 4.5: Các đặc trưng thống kê của các BNN trong hàm tin cậy Z 84

Bảng 4.6 Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế sự cố do khả năng chịu tải dưới KMQU 84

Bảng 4.7 Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số 85

Bảng 4.8: Các đặc trưng thống kê của các BNN trong hàm tin cậy Z 86

Bảng 4.9 Xác suất xảy ra sự cố do chịu tải trọng đứng của cọc 86

Bảng 4.10 Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số 87

Bảng 4.11: Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên trong hàm tin cậy Z 88

Bảng 4.12: Xác suất xảy ra sự cố do tải trọng ngang 88

Bảng 4.13 Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số 89

Bảng 4.14 Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên trong hàm tin cậy Z 89

Bảng 4.15 Xác suất thấm qua nền cống theo các phương pháp tính 89

Bảng 4.16 Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các biến 89

Bảng 4.17: Hệ số ảnh hưởng của các cơ chế sự cố đến an toàn hệ thống cống Phú Định 91

Bảng 4.18: Hệ số ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến an toàn hệ thống cống Phú Định 92

Bảng 4.19: Qui mô kích thước cơ bản của đê bao sông Cần Giuộc 93

Bảng 4.20: Các biến ngẫu nhiên của cơ chế chảy tràn đỉnh đê 94

Bảng 4.21: Xác suất sự cố của cơ chế chảy tràn 95

Bảng 4.22 Bảng các hệ số ảnh hưởng đến cơ chế chảy tràn 95

Bảng 4.23 Chỉ tiêu các lớp đất trong tính toán ổn định tổng thể đê bao Cần Giuộc 95

Bảng 4.24: Tóm tắt kết quả phân tích ổn định mái đê 96

Bảng 4.25: Xác suất sự cố lún nền đê và các hệ số ảnh hưởng 96

Bảng 4.26: Hệ số ảnh hưởng và tọa độ điểm thiết kế cơ chế lún nền đê 96

Bảng 4.27 Các biến ngẫu nhiên cơ chế xói ngầm và đẩy trồi 97

Bảng 4.28 Xác suất xảy ra sự cố cơ chế xói ngầm và đẩy trồi 97

Bảng 4.29: Hệ số ảnh hưởng của cơ chế ngầm và đẩy trồi 98

Bảng 4.30: Các biến ngẫu nhiên cơ chế mất ổn định do thấm 98

Bảng 4.31: Xác suất sự cố mất ổn định thấm 98

Bảng 4.32: Ảnh hưởng của biến ngẫu nhiên đến cơ chế mất ổn định thấm 98

x

Bảng 4.33: Hệ số ảnh hưởng của các cơ chế sự cố đến an toàn hệ thống cống Phú Định

100

Bảng 4.34: Qui mô kích thước cơ bản của công trình kè tường đứng 102

Bảng 4.35: Biến ngẫu nhiên của cơ chế sự cố nước tràn 103

Bảng 4.36: Xác suất sự cố của cơ chế nước tràn đỉnh cống 103

Bảng 4.37: Tóm tắt kết quả phân tích ổn định mái dốc 104

Bảng 4.38: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số 104

Bảng 4.39: Các biến ngẫu nhiên sự cố do mất khả năng chịu tải đứng cọc 105

Bảng 4.40: Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế do khả năng chịu tải đứng của cọc 105

Bảng 4.41: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số 105

Bảng 4.42 Biến ngẫu nhiên cơ chế sự cố do khả năng chịu tải ngang của cọc 106

Bảng 4.43 Xác suất sự cố của cơ chế do khả năng chịu tải ngang của cọc 106

Bảng 4.44 Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số 106

Bảng 4.45: Tổng hợp kết quả phân tích an toàn hệ thống công trình KSNL khu vực IA1-3 108

Bảng 4.46: Thiệt hại lớn nhất cho 1 đơn vị sử dụng đất 113

xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 Danh mục các từ viết tắt

BĐKH-NBD Biến Đổi Khí Hậu - Nước Biển Dâng

CDF Cumulative Distribution Function - Hàm phân phối lũy tích

DF Damage Function - Hàm Thiệt Hại

DM Damage Map - Bản đồ thiệt hại

ĐN-SG Đồng Nai - Sài Gòn

PTRR&LTĐTC Phân Tích Rủi Ro và lý thuyết độ tin cậy

FORM First Order Reliability Method - Phương pháp độ tin cậy bậc một

MCS Phương pháp mô phỏng Monte Carlo

PDF Probability Density Function - Hàm mật độ xác suất

QH752 Quy hoạch tổng thể hệ thống thoát nước Tp Hồ Chí Minh đến năm

2020 (Quyết định số 752/QĐ-TTg, ngày 19/6/2001) QH1547 Quy hoạch thủy lợi chống ngập úng khu vực thành phố Hồ Chí

Minh (Quyết định số 1547/QĐ-TTg, ngày 28 tháng 10 năm 2008)

TTCN Trung Tâm điều hành chương trình Chống Ngập nước Tp.HCM

xii

2 Các thuật ngữ

“Bản đồ ngâ ̣p lu ̣t” là bản đồ thể hiện chiều sâu ngập lụt của vùng được bảo vệ;

“Bản đồ thiệt hại” là bản đồ thể hiện mức độ thiệt hại của vùng được bảo vệ;

“Công trình” là các thành phần độc lập trong hệ thống được xây dựng kết nối với nhau

tạo thành hệ thống công trình KSNL Trong nghiên cứu này công trình được xem xét gồm các công trình: cống, đê và kè;

“Chỉ số độ tin cậy 𝛽” là chỉ số phản ánh mức độ an toàn của một thành phần hay một hệ

thống;

“Cơ chế sự cố” là quá trình dẫn đến sự cố của một hạng mục công trình, có thể được diễn

toán thông qua hàm TTGH;

“Hàm trạng thái giới hạn”: “Hàm tin cậy” là dạng mô phỏng toán học của một cơ chế

sự cố

“Hàm thiệt hại” là quan hệ phản ánh sự thay đổi mức độ thiệt hại theo chiều sâu ngập

lụt Hàm thiệt hại nếu trình bày dưới dạng đồ thị còn được gọi là đường cong thiệt hại;

“Hạng mục” là các thành phần độc lập được xây dựng kết nối với nhau tạo thành một

công trình VD, Trong nghiên cứu này công trình cống gồm các hạng mục: trụ cống, bản đáy, cửa van

“Hệ thống” là một nhóm các thành phần hoặc quá trình có chung mục đích, chức năng;

“Hệ thống công trình KSNL” là hệ thống công trình có mục đích KSNL có thể gồm đê,

kè và cống điều tiết có chức năng ngăn nước tràn vào vùng được bảo vệ và tiêu thoát nước

ra ngoài;

“Hệ thống KSNL” là hệ thống công trình KSNL và vùng được nó bảo vệ

“Hệ thống nối tiếp” là hệ thống gồm các thành phần con được liên kết với nhau sao cho

sự cố của bất cứ một thành phần con nào thuộc hệ thống sẽ dẫn đến sự cố hệ thống;

“Hệ thống song song” là hệ thống có các thành phần con được liên kết với nhau sao cho

khi tất cả các thành phần con gặp sự cố mới dẫn đến sự cố của hệ thống;

xiii

“Hiểm họa” (hazard): Một hiện tượng/sự kiện vật lý hoặc hoạt động con người có nguy

cơ gây ra mất mát về người hoặc thương vong, thiệt hại tài sản, gián đoạn kinh tế và xã hội hoặc suy thoái môi trường [1];

“Mức bảo đảm an toàn (MBĐAT)” là giới hạn trên của xác suất xảy ra sự cố hệ thống

của hệ thống công trình MBĐAT cho một hệ thống nào đó chính là độ tin cậy yêu cầu của hệ thống đó MBĐAT dùng làm căn cứ để thiết kế (đối với hệ thống mới) và duy tu sửa chữa nâng cấp (đối với hệ thống đã tồn tại);

“MBĐAT kinh tế” là MBĐAT được xác định từ phân tích rủi ro kinh tế

“MBĐAT tối ưu” là MBĐAT kinh tế tương ứng với chi phí thấp nhất thông qua phân

tích rủi ro

“MBĐAT hợp lý” là MBĐAT đề nghị cho một hệ thống KSNL sau khi điều chỉnh

MBĐAT tối ưu do các yêu cầu khác

“Mức độ dễ bị tổn thương” (Vulnerability): Mô tả đặc tính và hoàn cảnh của một hệ

thống, một cộng đồng hoặc tài sản mà làm cho nó dễ bị tác hại bởi một hiểm họa [1];

“Tần suất thiết kế” là tần suất xảy ra tải trọng thiết kế (như lưu lượng hoặc mực nước

thiết kế công trình) được xác định theo các quy phạm thiết kế công trình thủy lợi hiện hành;

“TCAT” là giá trị tần suất thiết kế theo tiêu chuẩn hiện hành hoặc MBĐAT được xác

định bằng phương pháp PTRR&LTĐTC của một hệ thống KSNL sau khi được cấp có thẩm quyền phê duyệt

“Rủi ro” (Risk) là khả năng xảy ra một sự cố không mong muốn đem lại hậu quả xấu

Rủi ro được xác định bằng hàm số của xác suất xảy ra sự cố và hậu quả do sự cố đó gây ra;

“Rủi ro được chấp nhận” là rủi ro tương ứng với TCAT được xác định bằng phương

pháp PTRR&LTĐTC của của hệ thống KSNL MBĐAT tương ứng với rủi ro được chấp nhận là MBĐAT hợp lý

xiv

“Xác suất sự cố - P f ” là khả năng xảy ra sự cố của một cơ chế sự cố, một thành phần

công trình hay toàn bộ công trình Quan hệ giữa xác suất sự cố với chỉ số độ tin cậy 𝛽

theo hàm số: P f = Φ(-𝛽);

“Xác suất an toàn” là giá trị xác suất bù của xác suất sự cố: P s =1-P f ;

“Vùng được bảo vệ” là vùng được bảo vệ bởi hệ thống công trình KSNL Trong trường

hợp hệ thống công trình KSNL gặp sự cố, vùng được bảo vệ sẽ bị ngập lụt

xv

DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG

[S] Độ lún cho phép của công trình

[SF] Hệ số an toàn ổn định trượt cho phép

∆H Chênh lệch cột nước áp lực

α Góc giữa mái đê phía đồng với mặt đất tự nhiên

β Giá trị độ tin cậy

ρc Dung trọng bão hòa của đất

A,B, D Hệ số điều kiện làm việc phụ thuộc vào góc ma sát trong đất nền

c = cB Tiêu chí Blight

CPf Chi phí đầu tư xây dựng mới hoặc, nâng cấp hệ thống hệ thống KSNL

Ctot Tổng chi phí của hệ thống

D Thiệt hại kinh tế tiềm t trong vùng được bảo vệ khi hệ thống bị sự cố

dh Chiều sâu nước trung bình trước đê hoặc kè

E(M) Kỳ vọng chi phí duy tu bảo dưỡng khả dĩ hàng năm;

e1i Hệ số rỗng của lớp đất thứ i trước khi gia tải

e2i Hệ số rỗng của lớp đất thứ i sau khi gia tải

F Diện tích đáy hố móng (m2)

xvi

fj(hi) Giá tri ̣ thiê ̣t ha ̣i của ô lưới thứ i, ứng với độ ngập sâu h của đối tượng

thiệt hại thứ j; xác định được từ đường cong thiệt hại thành phần

đ Trọng lượng đất tại đáy móng quy ước

ɣk Trọng lượng riêng khô của đất nền

n Trọng lượng riêng của nước

tb Trọng lượng riêng trung bình của đất trong khối móng quy ước

hA Cột nước thấm tại điểm A dưới đáy móng

hi Chiều dày lớp đất tính lún thứ i

I Chi phí đầu tư hệ thống kiểm soát ngập lụt

Jx Mô men quán tính theo phương x

Jy Mô men quán tính theo phương y

L Đà gió dung tính chiều cao nước dềnh và sóng

MNmax Mực nước lớn nhất xuất hiện trước cống hoặc trước đê bao

Mx Tổng moment uốn lên đáy móng theo phương trục x

My Tổng moment uốn lên đáy móng theo phương trục y

N Tổng tải trọng đứng lên đáy móng

Nc Trọng lượng bản thân cọc

Nt Tải trọng tác dụng lên cọc theo phương đứng

Pf Xác suất xảy ra sự cố của hệ thống

PV(MPf) Chi phí quản lý vận hành (M) trong thời gian tuổi thọ công trình quy

về giá trị hiện tại

xvii

PV(Pf.D) Giá trị rủi ro kinh tế do lũ gây ra ứng với xác suất Pf được quy về

hiện tại;

Q Lực ngang tác dụng lên đáy hố móng

Qc Sức chịu lực ngang của 1 cọc

R Độ bền hay sức kháng

RPi

Rủi ro tiềm tàng (trực tiếp, gián tiếp, các giá trị quy được về giá trị kinh tế)

r Tỷ lệ lãi suất hiệu quả

Rbên Sức chịu tải bên của cọc theo đất nền

Rmũi Sức chịu tải mũi của cọc theo đất nền

S Tải trọng hay khả năng gây hư hỏng

SF Hệ số an toàn ổn định của mái dốc

T Thời đoạn quy hoạch (tuổi thọ công trình), tính bằng năm

1

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết phải nghiên cứu

Châu thổ hạ du các dòng sông là nơi có điều kiện thuâ ̣n lợi cho phát triển kinh tế và xã hội do đất đai màu mỡ, gần với nguồn nước và địa hình bằng phẳng Vì thế hầu hết các thành phố lớn, các trung tâm kinh tế, các khu công nghiệp và các vùng nông nghiệp thường tập trung tại đây Đồng thời, hiểm họa lũ lụt từ sông cũng là rủi ro rất lớn đến con người, tài sản và sự phát triển của vùng hạ du Riêng đối với vùng châu thổ gần biển, rủi ro do ngập lụt còn gia tăng và phức tạp hơn bởi sự kết hợp của thủy triều, nước dâng từ phía biển và lũ từ thượng nguồn Đây cũng là đặc điểm chung của hầu hết các vùng ha ̣ du sông lớn ta ̣i Việt Nam trong đó có TP.HCM nằm tại hạ du hệ thống sông Đồng Nai - Sài Gòn (ĐN-SG), Hình 1 Ngập lụt tại khu vực Tp Hồ Chí Minh và vùng hạ du sông Đồng Nai- Sài Gòn đang gây nên những khó khăn, thiệt hại cho các hoạt động dân sinh, kinh tế và trở thành vấn đề bức xúc cho người dân

Hình 1: Vị trí Tp.HCM và lưu vực sông ĐN-SG [2]

2

Tp.HCM là đô thị lớn nhất nước với dân số khoảng trên 8 triệu người và đóng góp đến 20,5% tổng GDP toàn quốc [3] Không những là thành phố có tỷ trọng kinh tế lớn nhất cả nước mà còn là thành phố rất năng động với tốc độ phát triển và mở rộng lên tới 4%/năm, nhanh nhất trong các đô thị khu vực Đông Nam Á [4] Theo Quy hoạch chung xây dựng thành phố Hồ Chí Minh đến năm 2025, thành phố với mục tiêu trở thành“đô thị đặc biệt, trung tâm về kinh tế, văn hóa, giáo dục đào tạo, khoa học công nghệ; đầu mối giao lưu quốc tế; trung tâm công nghiệp, dịch vụ đa lĩnh vực của khu vực và Đông Nam Á” Để đạt mục tiêu phát triển của Thành phố, hàng loạt các vấn đề đặt ra cần được giải quyết, trong đó xây dựng hệ thống kiểm soát ngập lụt (KSNL) hiệu quả đang là yêu cầu cấp bách nhất đối với thành phố

Ý thức được mức độ ảnh hưởng của tình trạng ngập lụt đến môi trường phát triển, TP.HCM đã có những bước đi quyết liệt và cụ thể Vấn đề kiểm soát ngập lụt đã được đưa vào thành một trong bảy chương trình trọng điểm trong Nghị quyết của Đại hội đại biểu Đảng bộ Tp.HCM lần thứ X (nhiệm kỳ 2015 - 2020) Công tác quy hoạch hệ thống KSNL cho TP.HCM được Thủ tướng Chính phủ duyệt theo QH1547 ([5], [6] & [7]) Phân vùng chống ngập theo quy hoạch này được sơ họa tại Hình 2

Hình 2: Các vùng chống ngập theo QH1547 [7] - Giai đoạn 1

3

MBĐAT đang áp dụng cho khu vực Tp.HCM hiện nay tương ứng với TCAT chống ngập

là 1/250 năm, ứng với công trình Cấp I quy định tại Tiêu chuẩn [8], [9] và Quy phạm hiện hành ([10]) MBĐAT này được xác định căn cứ theo các tiêu chí diện tích, dân số, lưu lượng và độ ngập sâu trung bình

Cách xác định MBĐAT hiện nay còn mang tính chủ quan vì chưa xem xét thấu đáo các yếu tố rủi ro tiềm tàng liên quan đến đặc thù của thành phố như giá trị kinh tế xã hội lớn, tốc độ tăng trưởng nhanh, vị trí địa chính trị quan trọng và điều kiện tự nhiên phức tạp khi đồng thời chịu tác động bởi lũ từ sông, nước dâng và thủy triều từ biển Điều này có thể dẫn đến hai tình huống: i) Lựa chọn giá trị TCAT cao hơn so với yêu cầu thực tiễn, dẫn đến quy mô đầu tư cao, gây lãng phí trong đầu tư và ii) lựa chọn TCAT thấp hơn dẫn đến không đáp ứng được yêu cầu về an toàn cần thiết Do đó, cần phải có các nghiên cứu để xác lập cơ sở khoa học trong việc xác định MBĐAT cho khu vực này một cách toàn diện

và tin cậy hơn Chính vì vậy lựa chọn đề tài “Ứng dụng phương pháp phân tích rủi ro và

lý thuyết độ tin cậy để xác định mức bảo đảm an toàn cho hệ thống kiểm soát ngập lụt vùng hạ du sông Đồng Nai – Sài Gòn” đảm bảo tính khoa học và đáp ứng được tính cấp thiết của thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng cở sở khoa học, phương pháp luận xác định MBĐAT cho các hệ thống KSNL nhiều thành phần vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp của thủy triều và lũ phù hợp hơn trong điều kiện Việt Nam; Ứng dụng tính toán cho một hệ thống KSNL tại khu vực Tp.HCM thuộc vùng hạ du sông ĐN-SG

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: là MBĐAT của hệ thống KSNL vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng

kết hợp của lũ và thủy triều gồm: mức độ rủi ro do ngập lụt của vùng được bảo vệ; MBĐAT của hệ thống công trình KSNL điển hình gồm: đê, kè và cống ngăn triều

Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống KSNL tạo thành vành đai khép kín bảo vệ phần phía Nam

của vùng IA1 thuộc dự án chống ngập khu vực Tp.HCM giai đoạn I, từ đây gọi tắt là hệ thống công trình KSNL khu vực IA1-3 và vùng được bảo vệ (vùng gạch chéo trong Hình 3)

Các phương pháp tiếp cận được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

- Tiếp cận hệ thống, tổng hợp: Hệ thống KSNL và vùng bảo vệ được xem xét như một hệ thống hoàn chỉnh;

- Tiếp cận bền vững: Thỏa mãn đồng thời các yêu cầu an toàn về kỹ thuật, kinh tế và

xã hội có xét đến sự thay đổi của điều kiện biên như BĐKH-NBD trong tương lai;

- Tiếp cận hiện đại: Sử dụng các lý thuyết và phương pháp tính toán hiện đại, tin cậy

để giải quyết vấn đề

5

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chính là phát triển ứng dụng phương pháp Phân tích rủi ro và

Lý thuyết độ tin cậy (PTRR&LTĐTC) Theo phương pháp này hệ thống công trình KSNL

và vùng được bảo vệ được coi là một hệ thống hoàn chỉnh MBĐAT sẽ được xác định bằng cách tối ưu hóa hàm rủi ro của toàn hệ thống; các hàm điều khiển và biến điều khiển

là các tiêu chí về chức năng, nhiệm vụ của hệ thống, chi phí đầu tư, chi phi rủi ro và bảo đảm an toàn ngập lụt cho vùng được bảo vệ

Ngoài ra, trong nghiên cứu này các phương pháp nghiên cứu sau cũng được sử dụng:

- Phương pháp kế thừa (các kết quả nghiên cứu và giải pháp công nghệ đã có trước đây);

- Phương pháp chuyên gia thông qua các hội thảo khoa học và phỏng vấn điều tra;

- Phương pháp tổng hợp, phân tích và xử lý các số liệu cơ bản đã có, các số liệu thực

đo cho nghiên cứu và đặc điểm điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu;

- Phương pháp toán thống kê xác định các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên tải trọng và độ bền;

- Phương pháp mô hình, mô phỏng: Sử dụng các mô hình toán để tính toán, mô phỏng

an toàn hệ thống chống ngập theo lý thuyết độ tin cậy và an toàn công trình: phần mềm phân tích xử lý thống kê (BestFit); các phần mềm phân tích độ tin cậy (VAP, OpenFTA); các phần mềm địa kỹ thuật, kết cấu (GEOSlope, PLAXIS, ANSYS),

mô phỏng thống kê (MATLAB); các phần mềm mô phỏng thủy lực, thủy văn (MIKE); và phần mềm xây dựng và quản lý bản đồ số (ArcGIS, MapInfo)

6 Cấu trúc luận án

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 4 chương như sau:

Chương 1 - Tổng quan nghiên cứu MBĐAT hệ thống KSNL vùng hạ du sông

ĐN-SG tập trung giới thiệu tổng quan về tình trạng ngập lụt vùng hạ du lưu vực sông ĐN-ĐN-SG

nói chung và khu vực Tp.HCM nói riêng, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tình trạng ngập lụt trong khu vực; các nghiên cứu và giải pháp KSNL đã thực hiện trong khu vực;

và các giải pháp KSNL điển hình trên thế giới Ngoài ra, những ưu điểm và tồn tại của

và lũ Một số công cụ mô hình toán được sử dụng để tính toán cũng được giới thiệu trong chương này;

Chương 4 - Ứng dụng phương pháp PTRR&LTĐTC xác định MBĐAT hợp lý cho

hệ thống KSNL khu vực Tp.HCM: Áp dụng các bài toán thiết lập tại Chương 3 vào

phân tích an toàn và xác định MBĐAT cho trường hợp thực tế là hệ thống KSNL khu vực IA1-3 Tp.HCM Từ kết quả nghiên cứu, các kết luận cụ thể cho trường hợp TP.HCM được đưa ra và khái quát hóa các bài toán để có thể mở rộng áp dụng được cho các trường hợp khác

7

HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SÔNG ĐỒNG NAI – SÀI GÒN

1.1 Tổng quan ngập lụt vùng hạ du sông Đồng Nai-Sài Gòn

1.1.1 Hiện trạng ngập lụt

Vùng hạ lưu sông ĐN-SG được xác định là khu vực từ sau hồ thuỷ điện Trị An trên sông Đồng Nai, sau đập Dầu Tiếng trên sông Sài Gòn và sau đập Phước Hòa trên sông Bé ra đến biển

Ngập tại vùng hạ lưu sông SG- ĐN có thể chia thành hai vùng với đặc trưng khác nhau: Vùng ngập có độ cao mặt đất tự nhiên lớn hơn 2,0m là các dải đất hẹp dọc theo 2 bờ sông thuộc các tỉnh Đồng Nai, Bình Dương, Tây Ninh và một phần ngoại thành TP.HCM Đất đai chủ yếu thuộc vùng nông thôn, trồng cây nông, công nghiệp Ngập thường do lũ thượng nguồn gây ra và có các đặc trưng của loại lũ này gồm: lưu lượng gây ngập lớn, ngập sâu, dòng chảy nhanh, thời gian ngập lâu, tần suất ngập tính theo năm

Vùng có cao độ mặt đất tự nhiên thấp hơn 2,0m (đất thấp), nằm phía dưới của vùng hạ lưu ra đến biển gồm địa phận chủ yếu là Tp.HCM và khu vực kinh tế phát triển của các tỉnh Long An, Đồng Nai, Bình Dương Đất đai chủ yếu là đô thị, khu công nghiệp, khu dân cư ổn định, là vùng chịu thiệt hại rất lớn nếu xảy ra ngập lụt Nguyên nhân chi phối ngập lụt khu vực này là do thủy triều kết hợp với lũ từ thượng nguồn sông ĐN-SG và lũ trên sông Mê Kông ảnh hưởng thông qua lưu vực sông Vàm Cỏ Trong luận án này, tác giả đi sâu nghiên cứu đánh giá MBĐAT cho các hệ thống KSNL được xây dựng để bảo

vệ cho các vùng đất thấp này

Kết quả phân tích ngập lụt vùng hạ du sông ĐN-SG do Ngân hàng Phát triển châu Á cho thấy phạm vi ngập bao phủ toàn bộ vùng đất thấp hạ du sông ĐN-SG (Hình 1.1) Lý do

là loại hình sông triều thường có mật độ dày đặc và liên thông với nhau tạo thành hệ thống

dễ dàng đưa thủy triều từ biển xâm nhập sâu vào đất liền tràn sang hai bên sông khi triều cường và rút ngược lại vào sông khi triều xuống

8

Ngập lụt khu vực nghiên cứu phụ thuộc chặt chẽ vào chế độ thủy triều Biển Đông Tại đây, thủy triều dạng bán nhật triều không đều một ngày có hai pha triều lên và hai pha triều xuống Đỉnh triều có cao độ không lớn, giá trị thực đo cao nhất tại Phú An là 1,68m

so với cao độ mặt đất phổ biến từ (0,5-1,5)m Vì thế, đặc điểm ngập lụt của vùng này là chiều sâu ngập nhỏ, dòng chảy tràn chậm, mực nước dâng và rút từ từ, thời gian ngập ngắn, từ 1 đến 3 giờ, nhưng ngập nhiều lần trong năm Trường hợp mực nước lũ kết hợp với đỉnh triều làm tăng thêm chiều sâu và thời gian ngập [11], [12]

Khu vực Tp.HCM nằm tại trung tâm vùng hạ du sông ĐN-SG, phần lớn diện tích thuộc vùng đất thấp, được đánh giá là vùng điển hình chịu ngập lụt do thủy triều kết hợp lũ Theo tổng kết của Trung tâm Chống ngập Thành phố, tình hình ngập úng tại khu vực Tp.HCM trong các năm gần đây có diễn biến gia tăng về tuần suất và mức độ ngập lụt

Từ năm 1983 đến 2007, đỉnh triều tại trạm Phú An duy trì ở mức dưới báo động III là +1,5m (Hình 1.2) Tuy nhiên, từ năm 2008 đến 2014, đỉnh triều luôn vượt mức báo động

Ngập thường xuyên do thủy triều kết hợp

với mưa Ngập cực đoan do tổ hợp thủy triều kết hợp với nước dâng do bão và mưa

Hình 1.1: Ngập vùng hạ du sông ĐN-SG năm 2050 trong trường hợp không có công

trình KSNL [13]

9

III Thêm vào đó, số ngày triều có mức nước cao hơn 1,5m ngày càng xuất hiện nhiều hơn, ví dụ trong 4 năm 2011-2014 đã xuất hiện 76 lần, tăng 506,67% so với thời kỳ 2006-

2010 với 15 lần xuất hiện [5]

Bảng 1.1 Thống kê tình trạng ngập lụt khu vực Tp.HCM một số năm

STT Thời gian Mực nước đỉnh triều

(m) Số điểm ngập do thủy triều

Hình 1.2: Mực nước triều lớn nhất năm tại trạm Phú An trong giai đoạn 1983 - 2014

Ngập tuyến đường Kinh Dương Vương, ngày

10

Mức độ ngập lụt vùng hạ du sông ĐN-SG và khu vực Tp.HCM phụ thuộc vào mực nước đỉnh triều trên sông tại vùng nghiên cứu Do các hoạt động của con người và tự nhiên tác động lên lưu vực sông ĐN-SG, quy luật và đặc trưng của mực nước đỉnh triều đang có nhiều thay đổi Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến ngập lụt vùng này bao gồm:

1.1.1.1 Ảnh hưởng của vị trí địa lý và địa hình thấp và trũng

Tp.HCM nằm ở trung tâm vùng hạ du sông ĐN-SG, là nơi tập trung của các cửa thoát nước của cả hệ thống sông Đồng Nai gồm sông Lòng Tàu, Soài Rạp Thành phố có gần 70% diện tích là vùng đất thấp với cao trình nhỏ hơn +2,0 m trong đó nhiều vùng dân cư sinh sống nên thiệt hại do ngập thường xuyên xảy ra Viê ̣c mở rộng đô thi ̣ trên các vùng có cao đô ̣ thấp ở các Quâ ̣n 2, Quâ ̣n 7, Quâ ̣n 9, Quận Bình Chánh và Quận Bình Tân đã làm cho thiệt hại do ngập lụt trở nên nghiêm trọng hơn (xem Hình 1.4)

1.1.1.2 Ảnh hưởng của phát triển kinh tế xã hội và quá trình đô thị hóa

Với tốc độ phát triển đô thị rất nhanh, theo dự báo tại qui hoạch điều chỉnh phát triển xây dựng Tp.HCM đến năm 2020, dân số Tp.HCM đến năm 2025 khoảng 12,5 triệu người Nhu cầu đất xây dựng tương ứng tăng khoảng 90.000 - 100.000 ha, trong đó khu vực nội thành khoảng 49.000 ha và khu vực ngoại thành khoảng 40.000 - 50.000 ha

Tình trạng san lấp khu trũng và lấn chiếm kênh rạch đã làm cho không gian trữ và điều tiết dòng triều giảm đáng kể Theo kết quả nghiên cứu, trước năm 1996 diện tích mặt thoáng có thể trữ nước trong các sông, kênh và khu trũng tại Tp.HCM khoảng 25% so với tổng diện tích tự nhiên Đến năm 2008, diện tích trữ nước tại khu đô thị cũ chỉ còn khoảng 4,84%, khu đô thị mới khoảng 10,43% [14] Việc xây dựng các công trình đê ngăn triều,

Hình 1.4: Biểu đồ quan hệ diện tích và cao độ của Tp.HCM

11

lũ dọc sông làm năng lượng dòng triều bị tập trung vào trong sông dồn nén dâng cao mực nước đỉnh triều và hạ thấp mực nước chân triều Đây được cho là nguyên nhân chính làm mực nước tại các trạm thủy văn trong sông (Phú An, Nhà Bè) tăng liên tục từ khoảng năm

1994 trở lại đây

Ảnh hưởng của việc phát triển kinh tế xã hội và quá trình đô thị hóa làm dâng cao mực nước trên sông tại vùng nghiên cứu làm trầm trọng thêm tình trạng ngập lụt và gia tăng thiệt hại Từ đó đòi hỏi qui mô và độ an toàn của công trình ngập lụt cũng tăng theo Mặc

dù vậy, ảnh hưởng gia tăng mực nước do quá trình phát triển kinh tế xã hội và đô thị hóa

là có giới hạn không quá 40cm tại Phú An trong trường hợp xây dựng hoàn thành toàn bộ các tuyến đê KSNL hai bên các sông chính [7]

1.1.1.3 Ảnh hưởng của lượng mưa trên vùng nghiên cứu

Theo số liệu thống kê, trong vòng 40 năm kể từ năm 1962 đến năm 2001, trên địa bàn thành phố xuất hiện 9 trận mưa trên 100mm Tuy nhiên, từ năm 2002 đến nay đã xuất hiện 29 trận mưa trên 100mm trong đó đã có 12 trận mưa trên 100mm xảy ra chỉ tính trong bốn năm 2011-2014 [5] Riêng trong năm 2014, mưa cường độ cao diễn ra thường xuyên hơn với lượng mưa từ 58,1 đến 122,3mm trong 60 phút đầu, tiêu biểu như các trận mưa ngày 15/8, 28/8 và 6/9

Vai trò của mưa trong vùng nghiên cứu là làm tăng mực nước ngoài sông trong tổ hợp ngăn triều kết hợp tiêu để không gây ngập lụt trong vùng nghiên cứu Ảnh hưởng của mưa đến mực nước ngoài sông đã được kể đến trong số liệu thực đo mực nước ngoài sông tại vùng nghiên cứu

1.1.1.4 Ảnh hưởng của lũ thượng nguồn

Lũ lụt từ các sông thượng nguồn đã xảy ra liên tục và ảnh hưởng trực tiếp đến mực nước trong khu vực Tp.HCM trong vài thập niên qua, điển hình là các năm 1978, 1984, 1991,

1996, 1999 và 2000

Đến nay, hầu hết các hồ chứa lớn có tác dụng điều tiết lũ trên lưu vực sông ĐN-SG đã được xây dựng ở thượng nguồn Nhờ tác dụng cắt lũ của các công trình hồ chứa thượng lưu, đặc biệt là các hồ Trị An và Dầu Tiếng, lượng lũ xuống hạ du đã giảm đi đáng kể Cụ

1.1.1.5 Ảnh hưởng của hiện tượng lún nền

Phần lớn diện tích của thành phố nằm trên nền đất yếu có chiều dày từ 15m đến hơn 30m

Do quá trình khai thác nước ngầm dẫn đến mực nước ngầm bị hạ thấp cùng với các hoạt động xây dựng trong quá trình đô thị hóa làm tăng tải trọng tác dụng lên nền đất yếu dẫn đến mặt đất nhiều nơi trong thành phố đang bị lún từ 10 mm/năm đến hơn 30 mm/năm Theo [15] (báo cáo Dự án quản lý chống ngập Tp.HCM), với mức độ khai thác nước ngầm như hiện nay thì đến năm 2050 có nhiều nơi mặt đất sẽ bị lún thêm từ 0,5m đến hơn 1,0m Hình 1.5: Dự báo tốc độ lún nền (m) trong thời kỳ từ năm 2005 đến năm 2050 với

mức độ khai thác nước ngầm hiện trạng ở năm 2007 [15]

13

(Hình 1.5) Với địa hình trũng thấp như đã nêu, cùng với tốc độ lún nền có thể hơn 10 mm/năm thì độ sâu ngập và thời gian ngập sẽ ngày càng nghiêm trọng hơn

Tuy vậy, hiện nay chưa có một nghiên cứu toàn diện và đầy đủ để làm cơ sở xem xét vấn

đề này Do đó trong nghiên cứu này, tác giả tạm thời chưa kể đến yếu tố lún nền

1.1.1.6 Tác động của Biến đổi khí hậu - Nước biển dâng

Theo kịch bản BĐKH-NBD cho Việt Nam, lượng mưa bình quân mùa mưa tại Tp.HCM

có xu hướng tăng lên [16] tuy nhiên mức độ ảnh hưởng không lớn so với các yếu tố khác như NBD nên tạm thời chưa kể đến trong nghiên cứu này

Cũng theo [16], mực nước thủy triều tại khu vực Tp.HCM đến năm 2050 và 2100 dự báo dâng cao lần lượt 23-27cm và 59-75cm so với thời kỳ cơ sở 1980-1999 Khi đó, mực nước triều lớn nhất tương ứng sẽ khoảng 1,76m và 2,23m Nước biển dâng đã được chứng minh

là có qui luật tăng (trong thời kỳ đánh giá) Giá trị tăng cao, ảnh hưởng lớn đến ngập lụt cho vùng nghiên cứu

BĐKH-NBD có xu hướng làm trầm trọng hơn vấn đề úng ngập và thoát nước của Tp.HCM Theo các nghiên cứu đánh giá của Ngân hàng phát triển Châu Á (ADB), tình trạng ngập lụt sẽ diễn ra trên diện rộng khi xem xét đến yếu tố biến đổi khí hậu trong tương lai Nếu không có giải pháp chống ngập kịp thời, đến cuối thế kỷ 21 trên 70% diện tích khu vực Tp.HCM sẽ bị ngập trong nước

Từ nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng đến ngập lụt tại vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp của thủy triều và lũ cho thấy, mực nước trên sông tại vùng nghiên cứu là điều kiện biên cơ bản nhất quyết định mức độ và thiệt hại do ngập lụt tại một vùng xác định

1.1.2 Hiện trạng quản lý ngập lụt vùng hạ du sông ĐN-SG và khu vực TP.HCM

Để khắc phục tình trạng ngập lụt, một số biện pháp quản lý ngập lụt đã được đầu tư thực hiện gồm các biện pháp công trình và phi công trình

Các biện pháp công trình có thể liệt kê bao gồm: các hệ thống công trình KSNL với các thành phần cống, đê bao, kè…các công trình hồ chưa cắt giảm lũ thượng nguồn; các công trình nâng nền cục bộ nhằm vượt lũ Các biện pháp công trình được đầu tư đã có tác dụng tăng cường khả năng chống chịu đối với hiểm họa ngập lụt Đến nay Tp.HCM đã xây dựng được khoảng 45 hệ thống công trình thủy lợi với khoảng 2.000 km đê bao, bờ bao

14

lớn nhỏ ven các sông kênh rạch, kèm theo trên 900 các loại công trình phụ trợ như: cống, đập, trạm bơm… Các công trình, hệ thống công trình thuỷ lợi đã xây dựng đáp ứng nhu cầu phục vụ tưới tiêu, xổ phèn, ngăn mặn cho khoảng 55.000 ha đất sản xuất nông nghiệp, ngăn lũ, ngăn triều, chống ngập úng cho khoảng 70.000 ha; đầu tư tập trung chủ yếu tại các huyện ngoại thành và quận ven như: huyện Củ Chi, Bình Chánh, Hóc Môn, Cần Giờ, Quận 12, Thủ Đức, Gò Vấp và Quận 9

Các biện pháp phi công trình được áp dụng gồm có: Điều chỉnh quy hoạch sử dụng đất trong đó các vùng đất có nguy cơ ngập lụt như dọc sông Sài Gòn được qui hoạch đất nông nghiệp, vùng sinh thái, không qui hoạch dân cư; hệ thống cảnh báo lũ sớm trên lưu vực được thiết lập; các kế hoạch ứng phó khẩn cấp được nghiên cứu hình thành; các hệ thống cứu hộ cứu nạn được thành lập và diễn tập hàng năm với các tình huống thiên tai ngập lụt giả định; công tác tuyên truyền tăng cường nhận thức cho người dân về thiên tai ngập lụt;

và trong sản xuất nông nghiệp các giải pháp điều chỉnh mùa vụ…Các biện pháp phi công trình mặc dù không có tác dụng KSNL theo nghĩa chống ngập, nhưng thường có tác dụng tốt trong việc giảm thiểu thiệt hại từ đó giảm thiểu rủi ro do ngập Thích nghi với tự nhiên nhưng vẫn giảm thiểu được rủi ro là ưu điểm nổi bật của các biện pháp phi công trình Nhìn chung, các giải pháp nêu trên tuy chưa giải quyết được triệt để vấn đề ngập lụt nhưng

đã góp phần tích cực trong việc chống ngập úng cho khu vực hạ du sông ĐN-SG và vung trung tâm Tp.HCM Mặc dù vậy, trong những năm gần đây tình trạng ngập vẫn đang tiếp tục gia tăng với xu thế ngày càng trầm trọng hơn

Một số dự án và đề tài nghiên cứu có vai trò quan trọng trong quản lý rủi ro do ngập lụt vùng hạ du sông ĐN-SG bao gồm:

1.1.2.1 Quy hoạch tổng thể hệ thống thoát nước Tp.HCM đến năm 2020 [17]

Quy hoạch tổng thể hệ thống thoát nước Tp.HCM (QH752) với mục đích nâng cấp hoàn thiện hệ thống thoát nước gồm nước mưa và nước thải sinh hoạt cho toàn bộ địa bàn Tp HCM bao gồm cả vùng đất cao trên 2,0m và đất thấp chịu ảnh hưởng của thủy triều kết hợp lũ sông

Theo đó, Tp.HCM được chia làm sáu lưu vực thoát nước dựa trên cao trình mặt đất và quy hoạch đô thị, đó là các vùng NE, SE, S, W, N và C ứng với vùng Đông Bắc, Đông

15

Nam, Nam, Tây, Bắc và Trung tâm của thành phố (Hình 1.6) Tần suất tính toán của các công trình như sau: cống cấp III, IV có chu kỳ ngập lụt là 2 năm; cống cấp II có chu kỳ ngập lụt là 3 năm; kênh rạch có chu kỳ ngập lụt là 5 năm; trạm bơm cục bộ có chu kỳ ngập lụt là 5 năm; cốt san nền xây dựng là +2,00m; mực nước bể tiêu trên sông Sài Gòn

và các rạch lớn là +1,32m

Đến nay, các công trình thuộc QH752 đã bắt đầu phát huy hiệu quả trong việc giảm ngập úng các khu vực nội đô đặc biệt là tại các vùng đất cao do dự án ưu tiên tập trung đầu tư

hệ thống thoát nước đô thị

Các tiêu chuẩn an toàn được lựa chọn trong nghiên cứu này tuân thủ theo qui định hiện hành về thoát nước đô thị dựa trên phân cấp các loại cống tiêu ngầm cũng như mức đảm bảo tiêu do mưa và nước sinh hoạt Tuy nhiên, với các khu vực có địa hình trũng chịu ảnh hưởng của thủy triều thì ảnh hưởng của mực nước triều đến độ dềnh nước tại biên bể tiêu chưa được xem xét Hệ quả ghi nhận từ thực tế là mực nước thực đo tại Phú An đã nhiều lần đạt mức +1,68m, cao hơn mực nước tính toán ở mức +1.32m Như vậy QH752 đã không còn đáp ứng theo mục tiêu ban đầu

1.1.2.2 Quy hoạch thủy lợi chống ngập úng khu vực Tp.HCM

Qui hoạch thủy lợi chống ngập úng khu vực Tp.HCM (QH1547) được đề xuất và đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt với mục tiêu chính là bảo vệ các vùng đất thấp khỏi ngập

Hình 1.6: Bản đồ phân vùng tiêu thoát nước Tp.HCM

16

lụt từ ngoài sông, tiêu thoát nước mưa trong vùng được bảo vệ Giải pháp kiểm soát ngập lụt là xây dựng hệ thống đê bao và cống dọc các sông lớn cách ly vùng I và một phần vùng II khỏi mực nước cao ngoài sông Hạ thấp mực nước bể tiêu tại phía các kênh rạch

hở trong vùng được bảo vệ xuống dưới mức +1,32m để đảm bảo QH752 hoạt động được theo yêu cầu ban đầu

Qui mô hệ thống công trình tại QH1547 được xác định với cấp công trình là cấp I tương ứng với MBĐAT (tần suất thiết kế mực nước sông) là 1/250 năm TCAT này được áp dụng cho toàn bộ hệ thống công trình với diện tích khoảng gần 2.000km2, bao gồm các khu vực đô thị đã phát triển ổn định, có tầm quan trọng đặc biệt (như các Quận 1, 3, 5…)

và những khu vực mới phát triển, thậm chí dân cư còn thưa thớt như Quận 7 hay huyện Nhà Bè Ngoài các khu vực đô thị, trong vùng bảo vệ của QH1547 còn có rất nhiều diện tích sản xuất nông nghiệp nhưng đều được thiết kế cùng một tần suất bảo vệ với đô thị Việc áp dụng TCAT đồng bộ cho toàn vùng cho thấy quan hệ giữa giá trị kinh tế của vùng được bảo và MBĐAT lựa chọn chưa được xem xét, dẫn đến qui mô đầu tư công trình được bảo vệ chưa phù hợp tại một số khu vực, gây dàn trải và lãng phí nguồn lực đầu tư

1.1.2.3 Nghiên cứu giải pháp tổng thể kiểm soát ngập úng khu vực TP.HCM và vùng

lân cận

Đề tài nghiên cứu giải pháp tổng thể kiểm soát ngập úng khu vực TP.HCM và vùng lân cận với mục tiêu tìm kiếm một giải pháp tổng thể giải quyết triệt để hơn vấn đề ngập úng

do tổ hợp tác động của lũ thượng nguồn, mưa lớn và triều cường

Trong nghiên cứu này, giải pháp xây dựng hệ thống công trình KSNL đã được nghiên cứu tổng thể cho toàn vùng theo biên ngoài của vùng thành phố, với ý tưởng đề xuất là xây dựng tuyến đê biển nối Gò Công và Vũng Tàu Trong đó hiệu quả phương án đề xuất được so sánh với phương án QH1547

Kết quả nghiên cứu đã cho thấy bức tranh tổng thể của các giải pháp công trình KSNL cho khu vực hạ du sông ĐN-SG Tuy nhiên, hiệu quả của phương án được đánh giá trên

cơ sở phân tích thủy lực hệ thống, TCAT của các phương án chưa được phân tích lựa chọn

cụ thể

- Quy hoạch bậc thang trên dòng chính hệ thống sông ĐN-SG

- Nghiên cứu lập quy trình điều hành hệ thống liên hồ chứa trên lưu vực sông

ĐN-SG nhằm chống ngập úng cho khu vực Tp.HCM (Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam);

- Nghiên cứu lập quy trình điều hành hệ thống công trình chống ngập úng và cải tạo môi trường cho khu vực Tp.HCM (Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam);

- Quan trắc cảnh báo lũ sớm cho vùng hạ lưu sông SG- ĐN [18]

Nhận xét:

Vấn đề quản lý ngập lụt cho vùng hạ du sông ĐN-SG đã được nghiên cứu đầu tư khá nhiều Bắt đầu từ công tác điều tra, nghiên cứu, qui hoạch, lập dự án và đầu tư xây dựng Phương pháp tiếp cận giải quyết toàn diện bao gồm cả biện pháp công trình và phi công trình Các kết quả nghiên cứu và đầu tư đã cho thấy bức tranh tổng thể của các giải pháp quản lý ngập lụt cho khu vực hạ du sông ĐN-SG tương đối đầy đủ Nhìn chung các công

Hình 1.7: Quy hoạch hệ thống đê biển Vũng Tàu - Gò Công

Rõ ràng, mỗi giải pháp đều góp phần vào mục tiêu cuối cùng là giảm thiểu rủi ro cho vùng được bảo vệ Tuy vậy, mặc dù đã có nhiều giải pháp nhưng đều được nghiên cứu và thực hiện độc lập Chúng hoàn toàn chưa được tích hợp trong một hệ thống hoàn chỉnh để có thể chỉ ra được vai trò của mỗi giải pháp đến hiệu quả giảm thiểu rủi ro Từ đó có thể xếp hạng ưu tiên và chỉ ra được các giải pháp nào nên được ưu tiên thực hiện trong công tác quản lý ngập lụt

Đối với các hệ thống công trình KSNL, TCAT hiện nay được xác định thông qua cấp của công trình tuy nhiên một số bất cập đang nảy sinh như qui mô công trình chưa có quan hệ chặt chẽ với giá trị kinh tế trong vùng được bảo vệ Điều đó dẫn đến hai tình huống: đầu

tư lớn để có hệ thống quá an toàn hoặc đầu tư quy mô nhỏ chưa đảm bảo đủ mức độ an toàn theo yêu cầu của thực tế

1.2 Luận giải vấn đề nghiên cứu

Trong công tác quy hoạch thiết kế và xây dựng hệ thống KSNL, việc xác định MBĐAT chống ngập thiết kế là yếu tố quan trọng quyết định quy mô đầu tư và hiệu quả chống ngập của hệ thống TCAT cho các vùng dân cư hạ du các hệ thống sông nói chung và khu vực Tp.HCM nói riêng đang được xác định dựa trên hệ thống tiêu chuẩn hiện hành như: TCVN 9902:2016 [8]; TCVN 9901:2014 [9] và QCVN 04-05:2012/BNNPTNT [10] Theo các tiêu chuẩn này, thiệt hại của vùng được bảo vệ được xem xét gián tiếp thông qua cấp công trình phụ thuộc vào các yếu tố: số dân bị ảnh hưởng, diện tích bị ngập lụt, lưu lượng lũ và độ ngập sâu trung bình của các khu dân cư [21], [19] Điều này có nghĩa

là với các vùng có cùng các đặc trưng trên sẽ được bảo vệ bởi cùng mức đảm bảo an toàn, cho dù giá trị kinh tế của mỗi vùng cần được bảo vệ là khác nhau Từ đó, có thể dẫn đến hai tình huống: i) Lựa chọn giá trị MBĐAT thiết kế cao hơn so với yêu cầu thực tiễn, dẫn đến quy mô đầu tư cao, gây lãng phí trong đầu tư và ii) trường hợp ngược lại, lựa chọn MBĐAT thiết kế thấp hơn dẫn đến không đáp ứng được yêu cầu về an toàn cần thiết

19

Rõ ràng phương pháp nghiên cứu hiện nay cũng như tiêu chuẩn hướng dẫn trong việc xác định MBĐAT của các hệ thống KSNL chưa đáp ứng được yêu cầu thực tế; quyết định lựa chọn MBĐAT thiết kế còn mang nặng tính chủ quan Vì vậy, cần thiết phải có các nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học và phương pháp phục vụ xác định vấn đề này

Mặt khác, hệ thống KSNL cho các vùng dân cư tại hạ du sông luôn chịu tác động trực tiếp của các quá trình vật lý tự nhiên sông, biển có tính ngẫu nhiên cao, ảnh hưởng trực tiếp đến các tính toán phân tích an toàn công trình Việc tính toán thiết kế, đánh giá an toàn các hệ thống công trình KSNL hiện nay đang được thực hiện dựa theo phương pháp thiết

kế truyền thống (phương pháp trạng thái giới hạn và hệ số an toàn thành phần), trong đó tải trọng và độ bền được xác định là một giá trị đặc trưng dựa theo tần suất thiết kế Theo phương pháp này thì tính ngẫu nhiên của điều kiện biên tải trọng và độ bền chưa được xem xét trong quá trình tính toán và đánh giá an toàn được thực hiện theo mặt cắt đại diện, chưa xem xét đến tính tổng thể của hệ thống

Để giải quyết các tồn tại trên, phương pháp PTRR&LTĐTC được nghiên cứu, phát triển

và ứng dụng nhằm tạo cơ sở khoa học để tính toán thiết kế, phân tích an toàn và xác định MBĐAT một cách khách quan hơn Luận án này phát triển ứng dụng phương pháp Phân tích rủi ro để xác định MĐBAT, làm cơ sở khoa học phục vụ quyết định lựa chọn TCAT

và phát triển ứng dụng phân tích độ tin cậy trong đánh giá an toàn hệ thống KSNL, có xem xét đến tính ngẫu nhiên của điều kiện biên và tính tổng thể của hệ thống KSNL

1.3 Tổng quan phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy

1.3.1 Phương pháp phân tích rủi ro và Lý thuyết độ tin cậy

Phương pháp PTRR xác định qui mô các công trình chống ngập lụt dựa trên quan điểm rủi ro chấp nhận được bằng cách xác lập quan hệ giữa xác suất hư hỏng (độ tin cậy) của công trình với thiệt hại tương ứng của đối tượng được bảo vệ thông qua hàm rủi ro MBĐAT của công trình được chọn từ kết quả phân tích rủi ro là MBĐAT tối ưu tương ứng với rủi ro chấp nhận được của hệ thống KSNL được phân tích MBĐAT của một hệ thống KSNL nếu được được phê duyệt bởi cơ quan có thẩm quyền sẽ trở thành TCAT của

hệ thống KSNL đó

Theo phương pháp lý thuyết độ tin cậy, khả năng hư hỏng của công trình được đánh giá thông qua xác suất xảy ra sự cố (Pf) của các cơ chế sự cố của công trình đó Nói khác đi,

an toàn toàn công trình được đánh giá thông qua xác suất an toàn (Ps), là xác xuất bù của xác suất sự cố Trong lý thuyết độ tin cậy, tiêu chí độ tin cậy được sử dụng để đánh giá chất lượng (an toàn) công trình và được lượng hóa bằng chỉ số độ tin cậy ( ) của công trình

Khởi điểm của lý thuyết được phát triển và ứng dụng từ những năm 1920 bởi M Mayer [20] bằng việc sử dụng giá trị trung bình và độ lệch chuẩn cho sức bền, tải trọng và kích thước hình học trong việc xác định các yếu tố an toàn bằng các công thức đơn giản Tuy nhiên, lý thuyết này đã không được phát triển trong hàng chục năm sau do tính phức tạp tăng lên nhiều khi xem xét an toàn cho một cấu trúc thực tế Vào những năm 1960, các ý tưởng chỉ số độ tin cậy đã được đề xuất xem xét lại bởi E Basler [21] Tuy nhiên chỉ đến khi khái niệm xác suất được chấp nhận giải thích theo trường phái Bayes thay vì trường phái tần suất cổ điển [22] thì lý thuyết độ tin cậy mới được nghiên cứu và phát triển Lý thuyết này được đưa vào chương trình giảng dạy cho kỹ sư xây dựng tại một số trường kỹ thuật hàng đầu của Mỹ Vấn đề an toàn kết cấu là một ứng dụng điển hình cho triết lý này

và chỉ số độ tin cậy đã được xem xét lại với mức độ phát triển nhanh chóng Các nhà khoa học tiên phong trong giai đoạn này như C.A Cornell [23], L Esteva và E Rosenblueth [24], C Turkstra [25] Sự phát triển đã được thúc đẩy mạnh mẽ bằng tiêu chuẩn hiện hành

ở cả Bắc Mỹ và Châu Âu đặc biệt là Bắc Âu đã đề xuất chỉ số độ tin cậy hình học và vấn

đề bất biến của chỉ số độ tin cậy được chứng minh là bước đi quan trọng trong việc phát triển lý thuyết độ tin cậy [26], [27], [28]

Mặc dù được phát triển từ rất sớm, việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực xây dựng đặc biệt là ứng dụng cho hệ thống KSNL chỉ được áp dụng từ những năm 70 của

21

thế kỷ trước cho hệ thống đê biển Hà Lan Đồng thời, việc kết hợp phương pháp phân tích rủi ro với lý thuyết độ tin cậy hình thành phương pháp PTRR&LTĐTC đánh giá an toàn cho hệ thống KSNL cũng bắt đầu được nghiên cứu áp dụng nhằm xác định TCAT cho hệ thống đê biển tại Hà Lan trong thời kỳ này và áp dụng rộng tại các nước phá triển khác trên thế giới

1.3.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC cho hệ

thống KSNL trên thế giới

Hà Lan được coi là quốc gia đi đầu trong ứng dụng phân tích rủi ro cho hệ thống đê biển

từ những năm 1970 Thông qua phân tích rủi ro, TCAT của hệ thống đê biển được thiết lập với tần suất xảy ra sự cố từ 1/4000 năm (đối với vùng nông nghiệp) đến 1/10000 (đối với các vùng đô thị và công nghiệp) Trên cơ sở nghiên cứu và áp dụng cho các công trình tại Hà Lan và quốc tế, giáo sư J.K Vrijling thuộc Đại học công nghệ Delft của Hà Lan đã

đề xuất các bước xác định MBĐAT phòng chống lũ “Safety Standards of Flood Defenses” [29] (TCAT cho các công trình chống lụt)

Mỹ và Canada: Hai quốc gia này đã phát triển ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong an

toàn đập, đặc biệt là áp dụng cho đập cao từ những năm 90 Hệ thống tiêu chuẩn đã được chuyển đổi hoàn toàn từ TCAT truyền thống (theo phương pháp hệ số an toàn) sang phương pháp an toàn theo độ tin cậy cho phép Phương pháp PTRR&LTĐTC cũng đã được ứng dụng tính toán cho hệ thống KSNL mới cho thành phố New Orleans bang Louisiana, Mỹ, sau khi thành phố này trải qua trận lụt thảm khốc do cơn bão Katrina gây

ra Kết quả cho thấy đối với các khu vực đông dân cư, chẳng hạn như các bộ phận trung tâm của New Orleans, có căn cứ để chọn một mức độ bảo vệ cao hơn so với mức hiện tại 1/100 năm Độ tin cậy cho phép của hệ thống mới được chọn là [β]=4.2 [30]

Châu Âu và Anh: Kế thừa và phát triển các nghiên cứu của Hà Lan vận dụng theo các

đặc điểm chung và riêng của các quốc gia trong khu vực Dự án “Reliability of Flood Defences and Intergrated Flood Risk Management” (FLOODSite) đã đưa ra cách tiếp cận tổng hợp trong đánh giá an toàn hệ thống phòng chống lũ, trong quản lý và giảm thiểu rủi

ro lũ lụt [1] ứng dụng chung cho các nước Châu Âu Trong dự án này, lý thuyết độ tin cậy

đã được chấp nhận sử dụng và phát triển thành mô hình lõi trong đánh giá an toàn hệ thống và phân tích rủi ro hệ thống phòng chống lũ