nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế tối ưu hệ thống phòng chống lũ – áp dụng cho một hệ thống đê cụ thể khu vực hạ lưu sông hồng hoặc sông thái bình

Trước những ảnh hưởng bất lợi của các biến hình thời tiết và diễn biến bất thường của thiên tai do hiện tượng BĐKH, cộng với yêu cầu đảm bảo độ an toàn cao hơn của các vùng bảo vệ nhằm p

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các thông tin tài liệu trích dẫn trong luận văn được ghi rõ trong nguồn gốc Kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ đề tài nào trước đây

Hà N ội, ngày tháng năm 2013

Tác gi ả luận văn

Nguy ễn Quang Đức Anh

c ứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế tối ưu hệ thống phòng chống lũ –

Áp d ụng cho một hệ thống đê cụ thể khu vực hạ lưu sông Hồng hoặc sông Thái Bình” tác gi ả đã hoàn thành theo đúng nội dung của đề cương nghiên cứu, được Hội đồng Khoa học và Đào tạo của Khoa kỹ thuật Biển phê duyệt Luận văn được thực

hi ện với mục đích nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế tối ưu hệ

th ống phòng chống lũ

Để có được kết quả như ngày hôm nay, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu

s ắc tới TS Mai Văn Công - Khoa Kỹ thuật biển - Trường Đại học Thủy lợi đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và đóng góp các ý kiến quý báu trong suốt quá trình thực

hi ện luận văn

Xin chân thành c ảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình, sự hỗ trợ về mặt chuyên môn

và kinh nghi ệm của các thầy cô giáo trong khoa Kỹ thuật biển, Phòng Đào tạo Đại

h ọc và sau đại học; tập thể lớp cao học 19BB- Trường Đại học Thuỷ lợi cùng toàn

th ể gia đình và bạn bè đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để tác gi ả hoàn thành luận văn này

Trong quá trình th ực hiện luận văn, do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên ch ắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô, đồng nghiệp để giúp tác giả hoàn thiện về mặt

ki ến thức trong học tập và nghiên cứu

Xin trân tr ọng cảm ơn!

Hà N ội, ngày tháng năm 2013 Tác gi ả

Nguy ễn Quang Đức Anh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1.Giới thiệu chung 4

1.1.1.Trên thế giới 5

1.1.2.Tại Việt Nam 7

1.2.Hệ thống đê Việt Nam và chức năng, nhiệm vụ của chúng 8

1.3.Hiện trạng hệ thống đê, kè huyện Giao Thủy - Nam Định 9

1.3.1.Một số đặc điểm Công trình phòng chống lũ trên địa bàn Huyện Giao Thủy:……….10

1.3.2.Đánh giá hiện trạng đê, kè trên địa bàn huyện Giao Thủy 14

1.4.Tổng quan phương pháp thiết kế: 16

1.4.1.Phương pháp thiết kế truyền thống 16

1.4.2.Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên: 18

1.5.Kết luận chương 1: 18

CHƯƠNG 2.LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO 20

TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÒNG CHỐNG VÀ XÂY DỰNG CÁC BÀI TOÁN ỨNG DỤNG 20

2.1.Giới thiệu chung [7]: 20

2.2.Tóm tắt cơ sở lý thuyết [7]: 21

2.2.1.Phân tích rủi ro: 21

2.2.2.Phân tích độ tin cậy của thành phần hệ thống: 23

2.2.3.Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên: 25

2.3.Các bài toán trong thiết kế ngẫu nhiên công trình phòng chống lũ – Ứng dụng của chúng cho khu vực Giao Thủy – Nam Định 32

2.3.1.Bài toán 1 - Đánh giá an toàn hệ thống hiện tại: 33

2.3.2.Bài toán mẫu 2 -1: Tối ưu tiêu chuẩn an toàn theo quan điểm kinh tế: 41

2.3.3.Bài toán mẫu 2-2: Tiêu chuẩn an toàn tối ưu theo rủi ro cá nhân 46

2.4.Kết luận chương 2: 49

3.1.Điều kiện biên 53

3.2.Kết quả hiệu chỉnh và kiệm định mô hình 54

3.3.Các kịch bản mô phỏng ngập lụt 55

3.4.Điều kiện ban đầu: 55

3.4.1.Với kịch bản 1: 55

3.4.2.Với kịch bản 2: 56

3.5.Kết quả mô phỏng 57

3.5.1.Kết quả mô phỏng kịch bản 1 – Đê sông bị vỡ 57

3.5.2.Kết quả mô phỏng kịch bản 2 59

3.6.Phân tích kết quả mô phỏng ngập lụt 61

3.6.1.Kịch bản 1: 62

3.6.2.Kịch bản 2: 63

3.7.Kết luận chương 3 64

CHƯƠNG IV.ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ THỐNG PHÒNG CHỐNG LŨ HUYỆN GIAO THỦY – NAM ĐỊNH 66

4.1.Bài toán 1 - Xác định xác suất xảy ra sự cố, đánh giá an toàn hệ thống đê, kè biển Giao Thủy – Nam Định 66

4.1.1.Cơ chế chảy tràn đỉnh đê 66

4.1.2.Cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái: 70

4.1.3.Cơ chế xói chân đê: 74

4.1.4.Cơ chế xói ngầm, đẩy trồi: 76

4.1.5.Cơ chế mất ổn định trượt mái: 79

4.1.6.Tổng hợp xác suất phá hoại đê biển Giao Thủy – Nam Định 81

4.2.Bài toán 2 – Tối ưu tiêu chuẩn an toàn của hệ thống hệ thống đê, kè biển Giao Thủy – Nam Định theo quan điểm kinh tế 83

4.2.1.Xác định chi phí đầu tư nâng cấp hệ thống đê I∆H : 83

4.2.2.Xác định chi phí quản lý vận hành PV(M): 86

4.3.Bài toán 3 – Xác định Tiêu chuẩn an toàn của hệ thống hệ thống phòng chống

Lũ của huyện Giao Thủy – Nam Định theo rủi ro cá nhân cá nhân: 91

4.3.1.Xác định chỉ số rủi ro cho một cá nhân sinh sống trên địa bàn huyện Giao Thủy……… 91

4.3.2.Tiêu chuẩn an toàn tối ưu theo quan điểm cá nhân 92

4.4.Kết luận chương IV 96

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 97

5.1 Những kết quả đạt được: 97

5.2 Những tồn tại: 98

5.3 Kiến nghị: 98

5.4 Hướng tiếp tục nghiên cứu: 99

hoạch 55

Bảng 3 2: Độ sâu ngập lụt theo từng xã trên địa bàn huyện Giao Thủy 64

Bảng 4 1: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế sóng tràn/chảy tràn đỉnh đê: 67

Bảng 4 2: Xác suất xảy ra sự cố sóng tràn/ chảy tràn 68

Bảng 4 3: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế chảy tràn 68

Bảng 4 4: Các biến ngẫu nhiên của cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái 71

Bảng 4 5: Xác suất xảy ra sự cố và ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái hiện tại 72

Bảng 4 6: Xác suất xảy ra sự cố và ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái tính theo TC Thiết kế kỹ thuật đê biển 2012 73

Bảng 4 7: Các biến ngẫu nhiên của cơ chế xói chân đê 75

Bảng 4 8: Xác suất xảy ra sự cố và ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế xói chân đê 75

Bảng 4 9: Các biến ngẫu nhiên của cơ chế xói ngầm, đẩy trồi 77

Bảng 4 10: Xác suất xảy ra sự cố và ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế xói ngầm 78

Bảng 4 11: Xác suất xảy ra sự cố và ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế đẩy trồi 78

Bảng 4 12: Xác suất xảy ra sự cố trượt mái đê phía biển và đê phía sông 81

Bảng 4 13: Bảng tổng hợp xác suất xảy ra sự cố 82

Bảng 4 14: Hệ số chi phí nâng cấp của đê biển Giao Thủy – Nam Định (2005) 84

Bảng 4 15: Tần suất đảm bảo phòng lũ và cao trình đỉnh đê cho đê biển Giao Thủy – Nam Định 85

Bảng 4 16: Quan hệ giữa tần suất đảm bảo phòng lũ với chi phí đầu tư nâng cấp hệ thống đê 85

Bảng 4 17: Chi phí quản lý vận hành hàng năm tăng them theo Tần suất thiết kế 86

Bảng 4 19: Thiệt hại kinh tế do lũ lụt gây ra tại các huyện ven biển Nam Định 88

Bảng 4 20: Quan hệ giữa tần suất đảm bảo phòng lũ tổng chi phí đầu tư, chi phí rủi ro và tổng chi phí của hệ thống 89

Bảng 4 21 - Tỉ lệ dân số tử vong theo độ sâu ngập lụt 94

Bảng 4 22: Số người tử vong khi lũ lụt xảy ra 94

Bảng 4 23: Tiêu chuẩn an toàn tối ưu theo quan điểm rủi ro cá nhân 96

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1: Bản đồ tổng thể Hệ thống đê, kè Huyện Giao Thủy – Nam Định 10

Hình 1 2: Mặt cắt ngang đại diện đê, kè biển huyện Giao Thủy – Nam Định 12

Hình 1 4: Một số hình ảnh hiện trạng tuyến đê, kè hữu Hồng 13

Hình 1 5: Mặt cắt ngang đại diện đê hữu Hồng 13

Hình 1 6: Một số hình ảnh thiệt hại đê, kè biển do bão số 7 năm 2005 gây ra 14

Hình 1 7 – Công tác gia cố mái đê biển 16

Hình 2 1: Sơ đồ quá trình phân tích rủi ro……… 23

Hình 2 3: Định nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số độ tin cậy [7] 25

Hình 2 6: Sơ họa hệ thống phòng chống lũ huyện Giao Thủy – Nam Định 33

Hình 2 7: Sơ đồ hóa cây sự cố hệ thống phòng chống lũ huyện Giao Thủy – Nam Định 35

Hình 2 8: Cơ chế xói chân đê [8] 39

Hình 2 9: Cơ chế xói ngầm/đẩy trồi [8] 39

Hình 2 10: Tối ưu tiêu chuẩn an toàn theo quan điểm kinh tế [11] 42

Hình 2 11: Phân bố Độ sâu ngập lụt 48

Hình 3 1: Địa hình khu vực nghiên cứu và chi tiết lưới tính đoạn đê hữu Hồng 51 Hình 3 2: Số hóa địa hình huyện Giao Thủy – chi tiết lưới tính đoạn đê biển 52

Hình 3 3: Các biên miền tính toán 53

Hình 3 4: So sánh mực nước thực đo và mô phỏng từ ngày 18 đến 28/7/2009 54

Hình 3 5: Đường tần suất mực nước tổng hợp tại Giao Xuân, Giao Thủy, Nam Định 57

Hình 3 6: Trường dòng chảy gây ngập lụt huyện Giao Thủy – Kịch bản 1 58

Hình 3 7: Phân vùng ngập lụt trên địa bàn huyện Giao Thủy khi đê sông vỡ sau 10h khi mực nước sông Hồng đạt tần suất thiết kế 58

Hình 3 8: Hình ảnh Huyện Giao Thủy ngập lụt khi đê sông vỡ 59

Hình 3 9: Trường dòng chảy gây ngập lụt huyện Giao Thủy – kịch bản 2 59

Hình 3 10: Phân vùng ngập lụt trên địa bàn huyện Giao Thủy khi đê biển Giao Thủy 60

Hình 3 11 - Hình ảnh mô phỏng vùng bảo vệ bị ngập lụt do đê biển vỡ 61

Hình 3 12: Biến trình độ sâu ngập lụt tại một số xã trên địa bàn H.Giao Thủy – Kịch bản 1 62

Hình 3 13: Biến trình độ sâu ngập lụt tại một số xã trên địa bàn H.Giao Thủy – Kịch bản 2 63

Hình 4 1: Phân phối MNTH dựa trên số liệu thực đo đạc theo BESTFIT……… 67

Hình 4 2: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên cơ chế chảy tràn 69

Hình 4 3: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái với chiều dày áo kè hiện tại 72

Hình 4 4: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái với chiều dày áo kè hiện tại 73

Hình 4 5: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế xói chân đê 76

Hình 4 6: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế xói ngầm 78

Hình 4 7: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế đẩy trồi 79

Hình 4 8: Hệ số ổn định mái dốc đê phía biển SFmin =1.501 với mặt cắt đại diện đê biển Giao Thủy – Nam Định 80

Hình 4 9: Hệ số ổn định mái dốc đê phía đồng SFmin= 1.805 với đại diện mặt cắt đê biển Giao Thủy – Nam Định 80

Hình 4 10: Tổ hợp xác suất xảy ra sự cố hệ thống đê biển Giao Thủy hiện tại 82

Hình 4 11: Tổ hợp xác suất xảy ra sự cố hệ thống đê biển Giao Thủy thiết kế theo TC kỹ thuật thiết kế đê biển 2012 83

Hình 4 12: Mặt cắt đại diện đê Bắc sông Dinh hiện tại và khi nâng cấp 84

Hình 4 13: Đường cong thiệt hại được thiết lập với các dữ kiệt thiệt hại trong lịch sử Việt Nam thống kê từ năm 1930 88

Hình 4 14: Quan hệ giữa tần suất đảm bảo phòng lũ và rủi ro 90

Hình 4 15: Đồ thị quan hệ giữa độ sâu ngập lụt và tỉ lệ tử vong 93

MỞ ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của đề tài

Tại Việt Nam, đê điều là công trình quan trọng được xây dựng, tu bổ và bảo

vệ qua nhiều thế hệ nhằm ngăn nước lũ, nước biển, bảo vệ tính mạng, tài sản của Nhà nước và của nhân dân, thúc đẩy kinh tế - xã hội phát triển bền vững, gắn với

quốc phòng, an ninh, chủ quyền và lợi ích quốc gia Quá trình hình thành và phát triển, hệ thống đê điều luôn gắn liền với đời sống và hoạt động sản xuất của nhân dân từ đời này qua đời khác Phần lớn các tuyến đê hiện nay đều được kết hợp làm đường giao thông trong đó nhiều tuyến đê đi qua các khu du lịch, đô thị, dân cư Trong quá trình phát triển, yêu cầu đối với hệ thống đê điều cũng như tác động trực

tiếp của con người đối với đê ngày càng tăng và có diễn biến ngày càng phức tạp Trong vài thập kỷ gần đây, công tác thiết kế đê, kè, đập và các công trình phòng

chống lũ khác đã có những phát triển đột biến Trước đây, như thường lệ, đê đã được thiết kế chủ yếu dựa theo kinh nghiệm Theo đó, cao trình đỉnh đê được xác định căn cứ vào mực nước lũ lớn nhất của các sự kiện lũ lịch sử có thể ghi chép được Tại nhiều nơi trên thế giới việc thiết kế đê kè biển cũng như đê sông được dựa trên khái niệm“mực nước ứng với tần suất thiết kế” Đối với đê biển mực nước này xác định dựa trên các số liệu thống kê và được gọi là Mực nước thiết kế, xác định

dựa trên một tần suất thiếtkế hay tần suất xuất hiện Tần suất xuất hiện của mực nước thiết kế được thành lập để dùng áp dụng rộng rãi như là một tiêu chuẩn an toàn cho vùng được bảo vệ bởi đê, nó được xây dựng căn cứ vào xác suất xảy ra

ngập lụt Tuy nhiên, điều này chỉ đúng cho những trường hợp lý thuyết khi mà sự

cố đê xảy ra do nguyên nhân lũ vượt quá mực nước thiết kế, nó không thích hợp khi

sự cố khác xảy ra ứng với trường hợp mực nước lũ nhỏ hơn mực nước thiết kế

Những năm gần đây diễn biến thiên tai và thời tiết ở Việt Nam đã có nhiều

biểu hiện bất thường và phức tạp Trong đó, bão và lũ là hai loại hình thiên tai thường xuyên xảy ra và gây hậu quả nặng nề nhất đặc biệt là ở khu vực vùng cửa sông ven biển Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống đê điều và phòng chống bão, lụt tồn

tại hiện nay ở nước ta được thiết kế xây dựng dựa theo kinh nghiệm tích góp từ nhiều thế hệ và áp dụng các tiêu chuẩn an toàn chỉ phù hợp với tình hình điều kiện Kinh tế -Kỹ thuật của đất nước trong một vài thập kỷ trước Trước những ảnh hưởng bất lợi của các biến hình thời tiết và diễn biến bất thường của thiên tai do

hiện tượng BĐKH, cộng với yêu cầu đảm bảo độ an toàn cao hơn của các vùng bảo

vệ nhằm phục vụ phát triển bền vững kinh tế - xã hội, việc nghiên cứu phát triển ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế tối ưu hệ thống phòng chống bão, lũ và

dựa trên cơ sở đó xây dựng lên bộ tiêu chí đánh giá an toàn theo lý thuyết độ tin

cậy và xây dựng quy trình đánh giá an toàn hệ thống đê vùng cửa sông, ven biển… theo lý thuyết độ tin cậy trong điều kiện Việt Nam ở thời điểm hiện tại và tương lai

là vô cùng cần thiết

2 M ục đích của đề tài

- Xây dựng được phương pháp đánh giá an toàn hệ thống đê vùng cửa sông, ven

biển theo lý thuyết độ tin cậy;

- Thiết lập được các bài toán mẫu trong phân tích độ tin cậy, đánh giá an toàn, độ

rủi ro và mức đảm bảo an toàn áp dụng cho hệ thống vùng cửa sông, ven biển;

- Ứng dụng nghiên cứu cho hệ thống phòng chống lũ cho huyện Giao Thủy - Nam Định

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu phát triển ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế tối ưu hệ

thống phòng chống lũ, dựa trên cơ sở đó xây dựng lên các tiêu chí đánh giá an toàn theo lý thuyết độ tin cậy, xây dựng đường cong thiệt hại của vùng được bảo vệ, đánh giá an toàn hệ thống đê sông theo lý thuyết độ tin cậy trong điều kiện Việt Nam ở thời điểm hiện tại và tương lai

4 Cách ti ếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro;

- Nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước về phát triển ứng dụng lý thuyết độ

tin cậy trong thiết kế tối ưu hệ thống công trình đặc biệt là hệ thống đê vùng cửa sông, ven biển;

- Kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan tới hệ thống đê vùng cửa sông, ven

biển

Với những nội dung và lý do kể trên học viên đã lựa chọn đề tài luận văn là:

“Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế tối ưu hệ thống phòng

chống lũ - Ứng dụng nghiên cứu cho hệ thống phòng chống lũ huyện Giao Thủy- Nam Định”

Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 4 chương như sau:

Chương I: Tổng quan vấn đề nghiên cứu;

Chương II: Cơ sở lý thuyết trong thiết kế ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy

Chương III: Mô hình ngập lụt huyện Giao Thủy – Nam Định

Chương IV: Ứng dụng nghiên cứu cho hệ thống phòng chống lũ cho huyện Giao

Thủy - Nam Định

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Gi ới thiệu chung

Việt Nam có hệ thống sông ngòi dày đặc và bờ biển kéo dài từ Bắc vào Nam,

vì vậy hệ thống đê và các công trình bảo vệ bờ đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc phòng chống, giảm nhẹ thiên tai, bảo vệ an toàn cho các trung tâm văn hóa, chính trị, kinh tế, các vùng dân cư rộng lớn trải dài theo các triền sông, các vùng duyên hải của cả nước

Theo xu thế phát triển chung, hiện nay vùng ven biển nước ta là một vùng kinh tế trọng điểm năng động, ngày càng đóng góp vai trò quan trọng hơn trong nên kinh tế quốc dân và an ninh quốc phòng Vì vậy, những yêu cầu về việc bảo vệ các khu dân cư và kinh tế chống lại sự tàn phá của bão, lũ, nước dâng ngày càng trở lên

cấp bách Bên cạnh việc củng cố, nâng cấp các hệ thống đê đã có, việc qui hoạch

bảo vệ bờ sông, bờ biển và xây dựng các hệ thống đê mới đang được đặt ra ở cả ba

miền của đất nước

Hiện nay với vấn đề đổi khí hậu toàn, Việt Nam là một trong các nước trên

thế giới chịu ảnh hưởng nặng nề nhất Ngoài ra, xu hướng phát triển của Việt Nam cũng như các nước có biển trên thế giới là hướng ra biển, các thành phố lớn tập trung ven biển, phát triển về tài nguyên biển, du lịch và giao thông thủy Do đó, hệ

thống đê và các công trình bảo vệ bờ có vai trò hết sức quan trọng, ngoài nhiệm vụ

bảo vệ dân cư và các cơ sở hạ tầng, còn có nhiệm vụ tạo ra các địa điểm du lịch nghỉ dưỡng, cảnh quan thiên nhiên tươi đẹp, tạo ra các vùng trú ẩn cho tàu thuyền,

bảo vệ cảng khi có gió bão

Trong những năm gần đây, trên thế giới nguy cơ thiên tai nói chung và lũ lụt nói riêng có xu thế gia tăng đáng kể về tần suất xuất hiện và mức độ ảnh hưởng tại Các sự kiện thiên tai lũ lụt gần đây mang tính lịch sử phải kể đến như: New Orleans, Mỹ 2005; Anh Quốc và Đông Âu (2007), Bangladesh và khu vực Nam Á (2007), Pakistan (2008), và gần đây nhất là thảm họa lũ lụt lịch sử tại khu vực thủ

đô Bang Kok của Thái Lan (2011) Lũ lụt đã gây ra những thiệt hại nặng nề về con

người và tài sản Vì vậy việc giảm thiểu rủi ro do lũ lụt hiện nay được đặc biệt quan tâm tại nhiều quốc gia trên thế giới

từ 2001 đến 2003 bởi Viện nghiên cứu chiến lước PNO, Viện Thủy Lực Delft Hydraulics và trường Đại học Công nghệ Delft với mục tiêu nghiên cứu cập nhật công nghệ tính toán, nghiên cứu phương pháp mô phỏng an toàn các hệ thống đê theo lý thuyết độ tin cậy với sai số rất nhỏ và độ tin cậy cao Kết quả dự án là các tiêu chí độ tin cậy được cập nhật trong tiêu chuẩn thiết kế Tiếp theo, Dự án VNK2 (2007-2010) và SBW (2008-2011) được thực hiện bởi cùng nhóm nghiên cứu nêu trên Các dự án này tập trung nghiên cứu nâng cao độ chính xác của các mô hình

mô phỏng ngẫu nhiên tải trọng và độ bền của các công trình phòng chống lũ, đầu vào quan trọng của bài toán phân tích độ tin cậy công trình Ngoài ra, vấn đề ảnh hưởng chiều dài của hệ thống đê trong đánh giá an toàn cũng được nghiên cứu kỹ

Mô hình thiết kế 3 chiều (3D) theo lý thuyết độ tin cậy được đưa ra Tiêu chuẩn rủi

ro lũ lụt được rà soát và cập nhật lại theo các quan điểm về cá nhân, cộng đồng, kinh tế và kể đến các giá trị khác không quy về tiến được như văn hóa, lịch sử, môi trường vv

Anh Qu ốc và Châu Âu: 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” , tên viết

tắt FLOODSite được thực hiện từ 2005-2009 bởi 38 viện nghiên cứu và các trường đại học lớn của hơn 20 quốc gia trong khu vực, 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 Lý thuyết độ tin cậy được khẳng định 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 Các

mô hình đánh giá an toán, thiết kế hệ thống tối ưu, các mô hình phỏng thiệt hại do

ngập lụt được phát triển và kiểm nghiệm thông qua ứng dụng thử nghiệm tại các

quốc gia Các mô hình kết hợp Nhóm giải pháp 1 & 2 được phát triển để áp dụng cho các quốc gia thành viên Các quốc gia đi đến thống nhất chung xây dựng và cùng sử dụng hệ thống tiêu chuẩn đánh giá an toàn đê điều và phòng chống lụt bão

M ỹ và Canada: Hai quốc gia này đã phát triển ứng dụng lý thuyết độ tin cậy

trong an toàn đập, đặc biệt là áp d ụng cho đập cao từ những năm 90 Hệ thống tiêu chuẩn đã được chuyển đổi hoàn toàn từ tiêu chuẩn an toàn truyền thống (theo phương pháp hệ số an toàn) sang phương pháp an toàn theo độ tin cậy cho phép [β] Tiêu biểu về ứng dụng toàn diện tiêu chuân thiết kế theo độ tin cậy gần đây tại Mỹ

là dự án thiết kế, quy hoạch hệ thống phòng chống lũ bảo vệ vùng New Orleans với

độ tin cậy cho phép của hệ thống [β]=4.2

Nga và Trung Qu ốc: Đã ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong định lượng an

toàn công trình thông qua các tiêu chuẩn kỹ thuật bằng độ tin cậy cho phép [β] Ứng

dụng chủ yếu được triển khai trong công tác thiết kế đập dâng Trung Quốc khống

chế độ tin cậy của một số kết cấu cụ thể bằng những giá trị độ tin cậy cố định Ví dụ

độ tin cậy của kết cấu bê tông cốt thép 3,6 ≤ β ≤ 4,2 Nga dùng độ tin cậy β để điều

chỉnh một số hệ số trong thiết kế như hệ số vượt tải v.v Các tiêu chuẩn quản lý rủi

ro và đánh giá an toàn công trình phòng chống lũ như đê điếu, hồ đập đã được xây

dựng và áp dụng trong 5 năm trở lại đây

Thành phần quan trong trong đánh gia an toàn công trình theo lý thuyết độ tin cậy là xác định xác suất xảy ra ngập lụt Pf Giá trị này thể hiện khả năng xảy ra

sự cố hệ thống công trình chống lũ như các hệ thống đê, đập Nó liên quan trực tiếp đến độ an toàn hay mức đảm bảo của một công trình, hệ thống công trình liên quan đến các cơ chế phá hỏng riêng biệt được mô tả là các xác suất xảy ra sự cố có liên quan đến các cơ chế phá hỏng công trình

1.1.2 Tại Việt Nam

Để đánh giá một cách tổng quan về công tác đê điều và vấn đề an toàn phòng

chống lũ lụt hiện tại tại Việt Nam có thể trích dẫn một số điểm được nêu rõ trong

“Chiến lược quốc gia phòng chống và giảm nhẹ thiên tai đến năm 2020” như sau:

Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, một trong năm ổ bão của khu

vực châu Á - Thái Bình Dương, thường xuyên phải đối mặt với các loại hình thiên tai, nhiều nhất là lũ và bão

Trong những năm qua, thiên tai xảy ra ở khắp các khu vực trên cả nước gây

ra nhiều tổn thất về người, tài sản, các cơ sở hạ tầng về kinh tế, văn hóa, xã hội, tác động xấu đến môi trường Trong 10 năm gần đây (1997-2006) thiên tai đã làm chết,

mất tích gần 7500 người, thiệt hại ước tính chiếm khoảng 1,5% GDP Do tác động

của biến đổi khí hậu toàn cầu, Việt Nam nằm trong nhóm nước chịu ảnh hưởng nhất

của nước biển dâng và các tác động khác làm cho thiên tai ngày càng gia tăng về quy mô cũng như chu kỳ lặp lại và khó lường

Trong nhiều thập kỷ, đầu tư của nhà nước và công sức của nhân dân đã tạo nên hệ thống cơ sở hạ tầng phòng, chống và giảm nhẹ thiên tai tương đối đồng bộ trên các vùng Hệ thống đê sông đê biển dài trên 4500 km, các hồ chứa nước lớn

phục vụ cắt giảm lũ, điều tiết nước, phát điện đã căn bản định hình trên những lưu

vực sông lớn Các công trình thủy lợi giao thông, xây dựng các khu dân cư vượt lũ, tránh lũ, công trình chống sạt lở, các khu neo đậu tàu thuyền tránh bão, hệ thống

cảnh báo dự báo, thông tin liên lạc, cứu hộ cứu nạn đã có bước phát triển, ngày càng nâng cao khả năng phòng tránh trước thiên tai của chúng ta Đồng bằng sông

Hồng đã chống được lũ tần suất 500 năm là mức đảm bảo cao của khu vực Đồng

bằng sông Cửu Long sống chung với lũ ngày càng chủ động, sản xuất nông nghiệp liên tục ổn định và được mùa trong suốt thập kỷ qua, …

Tăng cường hợp tác quốc tế có tầm quan trọng về phòng, chống và giảm nhẹ thiên tai Việt Nam đã tích cực tham gia và có đóng góp vào các diễn đàn và cam

kết quốc tế và khu vực về phòng chống và giảm nhẹ rủi ro thiên tai và biến đổi khí

hậu như Khung hành động Hyogo, Nghị định thư Kyoto, Thỏa thuận chung Asean

về hợp tác ứng phó trước thảm họa Cộng đồng quốc tế đã giúp đỡ Việt Nam đào

tạo nguồn nhân lực, chuyển giao công nghệ, kinh nghiệm, nâng cao nhận thức cộng đồng, xây dựng các mô hình trình diễn, đặc biệt là các dự án ODA giành cho các công trình phòng, chống và giảm nhẹ thiên tai, các dự án ODA không hoàn lại cho các ngành các địa phương đã đem lại hiệu quả rất thiết thực

1.2 Hệ thống đê Việt Nam và chức năng, nhiệm vụ của chúng

Việt Nam là một nước nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với địa hình địa mạo phong phú với các triền núi phía Tây, Tây Bắc, phía Đông bao bọc bởi

biển, hệ thống sông ngòi dày đặc Các khu dân cư, thành phố và vùng nông nghiệp thường phát triển dọc theo các vùng ven sông và thường chịu ảnh hưởng từ các yếu

tố lũ và nguy cơ ngập lụt Hệ thống đê dọc theo các nhánh sông là giải pháp phòng

chống lũ đã được ông cha ta sử dụng từ lâu đời, để bảo vệ các vùng dân cư ven sông

và toàn bộ vùng châu thổ trước nguy cơ ngập lụt Trải qua quá trình phát triển, hệ

thống đê hiện nay trên cả nước là một hệ thống công trình quy mô lớn với khoảng 13.200 km đê, trong đó có khoảng 10.600 km đê sông và gần 2.600km đê biển Các

hệ thống đê sông chính với trên 2.500km đê từ cấp III đến cấp đặc biệt còn lại là đê dưới cấp III và đê chưa được phân cấp Trong đó:

- Hệ thống đê Bắc bộ và Bắc Trung bộ: dài 5.620km, có nhiệm vụ bảo vệ chống

lũ triệt để, bảo đảm an toàn cho vùng Đồng bằng Bắc bộ và Bắc Trung bộ

- Hệ thống đê sông, cửa sông khu vực Trung Trung bộ và Nam Trung bộ: có tổng chiều dài 904km

- Hệ thống đê sông, bờ bao khu vực Đồng bằng sông Cửu Long: có chiều dài 4.075km

Trong điều kiện phát triển kinh tế xã hội của đất nước hiện nay, những yêu

cầu về việc bảo vệ các khu dân cư và kinh tế chống lại sự tàn phá của bão, lũ, nước dâng ngày càng trở lên cấp bách Bên cạnh việc củng cố, nâng cấp các hệ thống đê

đã có, việc qui hoạch bảo vệ bờ sông, bờ biển và xây dựng các hệ thống đê mới đang được đặt ra ở cả ba miền của đất nước

Hiện nay với vấn đề đổi khí hậu toàn, Việt Nam là một trong các nước trên

thế giới chịu ảnh hưởng nặng nề nhất Ngoài ra, xu hướng phát triển của Việt Nam cũng như các nước có biển trên thế giới là hướng ra biển, các thành phố lớn tập trung ven biển, phát triển về tài nguyên biển, du lịch và giao thông thủy Do đó, hệ

thống đê và các công trình bảo vệ bờ có vai trò hết sức quan trọng, ngoài nhiệm vụ

bảo vệ dân cư và các cơ sở hạ tầng, còn có nhiệm vụ tạo ra các địa điểm du lịch nghỉ dưỡng, cảnh quan thiên nhiên tươi đẹp, tạo ra các vùng trú ẩn cho tàu thuyền,

bảo vệ cảng khi có gió bão

1.3 Hiện trạng hệ thống đê, kè huyện Giao Thủy - Nam Định

Giao Thuỷ là một huyện ven biển của tỉnh Nam Định, nằm ở rìa đồng bằng châu thổ sông Hồng, cách thành phố Nam Định 45 km về phía Nam; Phía Tây Bắc giáp với huyện Xuân Trường, phía Tây Nam giáp với huyện Hải Hậu, ranh giới với hai huyện này là con sông Sò phân lưu của sông Hồng Phía Bắc và Đông Bắc tiếp giáp với tỉnh Thái Bình mà ranh giới là sông Hồng (chính Bắc là huyện Kiến Xương, Đông Bắc là huyện Tiền Hải) Cực Đông là cửa Ba Lạt của sông Hồng, cực Nam là thị trấn Quất Lâm

Huyện Giao Thủy có diện tích tự nhiên là 23.799,64 ha, với số dân sinh sống trong vùng là 205.075 người (số liệu thống kê năm 2010) được bao bọc bởi sông và

biển Huyện Giao Thủy có 32km bờ biển, nằm giữa 2 cửa sông lớn là sông Hồng và sông Sò

Hệ thống phòng chống lũ huyện Giao Thủy bao gồm: 31.161 km đê biển từ K0+000 đến K31+161 và gần 30km đê sông trong đó đoạn đê Hữu Hồng dài 11.702

km có vị trí từ K208+000 đến K219+702 (Xem bản đồ tổng thể hệ thống phòng

chống lũ Huyện Giao Thủy – Nam Định hình 1-1)

Hình 1 1: Bản đồ tổng thể Hệ thống đê, kè Huyện Giao Thủy – Nam Định

1.3.1 Một số đặc điểm Công trình phòng chống lũ trên địa bàn Huyện Giao

T hủy:

a Đê, kè biển:

Năm 1997 – 2001 đê Biển Nam Định được đầu tư bằng nguồn vốn PAM để nâng cấp những đoạn đê xung yếu, và từ năm 2001 – 2004 bằng nguồn vốn của Trung ương xây dựng thêm được một số đoạn kè có kết cấu như kè PAM Trong đó tuyến đê Giao Thuỷ được nâng cấp với chiều dài: 2580 mét Tại các vị trí : K15.603

÷ K15.903; K20.350 ÷ K22.267; K 23.685 ÷ K23.935 đoạn này nằm chủ yếu tại Cổ

Vạy, cống Thanh niên , Ang Giao phong Các thông số mặt cắt điển hình của các đoạn đê này như sau:

- Mặt đê B = 4,0 m; Cao trình mặt (+5.5); mb= 4; mđ= 2

- Mái đê phía biển gia cố như sau:

+ Từ cao độ (+3.5) ÷ mặt bãi (0.00 ÷ -0.5) lát cấu kiện bê tông (0.4×0.4× 0.28) + Từ cao độ (+3.5) ÷ mặt đê (+5.5) đá lát khan dày 0,35 m

+ Chân khay chôn ống buy BTCT M200# dày 10cm φ 100; L = 1,5m trong xếp

đá hộc

- Cao trình đỉnh chân phía biển +0.0m;

- Cao trình đỉnh chân kè: -2.0m;

- Mái trong trồng cỏ thường trong khung BTCT M200

Ngoài những kè có kết cấu như trên đê biển Giao Thuỷ còn những kè có kết cấu bằng đá lát khan, đá xây mái m =2÷ m=3 Nhưng do phải trực diện với biển nên các kè thuộc tuyến đê biển Giao Thuỷ có nhiều chỗ bị hư hỏng

- Các kè Cai Đề, Tiền Lang , kè số 8 ÷ số 9, kè Cổ Vạy – Thanh Niên , kè Ang Giao Phong hiện tại đều có những vị trí bong xô

- Kè Đông cống số 9 đã được tu bổ đoạn dài 100m năm 2004 các đoạn khác trong đợt tháng 6-7 liên tục bị bong, sập

- Đoạn từ K0 – K12+600 cao độ hiện tại chỉ đạt (+3.90 ÷ +4.20) thiếu cao trình từ (0.80 – 1.10 m);

- Đoạn từ K12+600 - K25+091 cao độ hiện tại đạt (+4.50 ÷ +5.00) đoạn đê này được đắp theo chương trình dự án PAM 5325;

- Từ K16.61+00 ÷ K24+00 mặt đê đã được rải cấp phối B= 3 m nhưng nhiều đoạn

Do được tôn cao áp trúc nhiều lần, chất lượng đê nhiều khi không được đảm bảo, mặt đê bị cày xới do công nông đi lại Một số đoạn đê được đắp bằng cát bọc đất thịt (đoạn từ K22+400 ÷ K27+161), mặt và mái đê bị nước mưa xói thành rãnh

làm thu hẹp mặt cắt đê cục bộ có chỗ chỉ còn (1,5 – 2,0 mét) mặt đê như đoạn Giao Phong ÷ Giao Lâm

Mặt cắt ngang đại diện đê, kè biển huyện Giao Thủy thể hiện trong hình dưới đây:

Hình 1 2: Mặt cắt ngang đại diện đê, kè biển huyện Giao Thủy – Nam Định

b Đê hữu Hồng:

Trong tổng số gần 30km đê sông của huyện Giao Thủy, tuyến đê hữu Hồng

có chiều dài là 11.702 km từ K208+000 đến K219+702, Cao trình đê từ +4,5 ÷ +5,0; mặt đê rộng từ 4,5m ÷ 5m đã được đào đắp, bồi trúc từ nhiều năm Phía ngoài

đê có các diện tích đất bãi với nhiều dự án phát triển công nghiệp được triển khai sôi động Tuyến đê trên còn là đường dân sinh thuộc 6 xã ven đê và thị trấn Ngô Đồng

- Đối với đoạn đê hữu Hồng từ K208+153 đến K208+735: Mặt đê hiện tại là đường bê tông còn tương đối tốt

- Đối với đoạn đê hữu Hồng từ K208+735 đến K210+670: Mặt đê hiện tại là đường bê tông đã bị hư hỏng nặng, không đảm bảo điều kiện chịu tải cần thiết phải bóc bỏ và gia cố mới

Hình 1 3: Một số hình ảnh hiện trạng tuyến đê, kè hữu Hồng

Mặt cắt ngang đại diện đê hữu Hồng thể hiện trong hình 1.4 dưới đây:

§ª bª t«ng

Hình 1 4: Mặt cắt ngang đại diện đê hữu Hồng

1.3.2 Đánh giá hiện trạng đê, kè trên địa bàn huyện Giao Thủy

Các tuyến đê, kè biển huyện Giao Thuỷ được hình thành cách đây đã rất lâu (khoảng 250 năm) trên nền đất yếu, đất bồi tụ phù sa của hệ thống sông Hồng Tuyến đê chạy dài từ cửa sông Hồng ở phía Bắc (đầu tuyến) đến sụng Sũ (Cửa sông

Hà Lạn) ở phía Nam (Cuối tuyến) trên địa hình phức tạp có điều kiện địa hình, địa

chất thay đổi thường xuyên Chịu ảnh hưởng trực tiếp của thuỷ triều, gió bão, từ

biển Đông vừa chịu ảnh hưởng dòng chảy lũ đổ vào biển Đông của các sông ngòi

nội địa, nên những năm qua tuyến bờ biển huyện Giao Thuỷ diễn biến phức tạp, đoạn giữa tuyến trực diện với biển, tình trạng biển tiến, bãi thoải gây xói lở nghiêm

trọng ảnh hưởng đến tuyến đê, nhiều khu vực biển đã ăn sâu vào đất liền phá vỡ đê, gây thiệt hại lớn cho nhân dân trong vùng Đặc biệt khi gặp bão lớn trực tiếp đổ bộ

kết hợp với triều cường tuyến đê biển huyện Giao Thuỷ thường xuyên xẩy ra các sự

cố vỡ đê, sạt, trượt, gây nhiều thiệt hại đến tính mạng tài sản của nhân dân trong khu vực

Hình 1 5: Đê biển bị vỡ do bão số 7 năm 2005 gây ra

Nhiều đoạn đê chất lượng đất đắp thân đê và nền đê rất kém, chủ yếu là đất cát và đất cát pha, dễ sạt lở do mưa và sóng Những đoạn đê trực diện với biển,

những vị trí xung yếu tuy đã được kè lát mái bảo vệ nhưng vẫn thường xuyên bị phá

hoại, do kết cấu mái kè, chân kè bằng các cấu kiện chưa hợp lý (Như kè và phần mái kè bằng đá hộc lát khan) Một số cống qua đê xây dựng cách đây trên 40 năm,

cống ngắn so với thân đê, hình thức, kết cấu lạc hậu, đã bị hư hỏng và xuống cấp, không đáp ứng được yêu cầu chống lụt bão hiện nay

Mức bảo đảm thiết kế hiện tại còn thấp, do vậy đê biển không đáp ứng được

với yêu cầu phòng chống lũ bão hiện nay Cơn bão số 7 là cơn bão cấp 10-12 giật trên cấp 12, bão đổ bộ vào đất liền đúng lúc triều cường, vượt tần suất thiết kế đê (Tuyến đê biển hiện nay thiết kế với mức bảo đảm chống được với gió bão cấp 9

với triều trung bình ứng với tần suất 5%) Tổ hợp bão cộng với triều cường là tổ

hợp bất lợi nhất cho đê kè ven biển Với tổ hợp này rất ít khi xảy ra, nhưng khi đã

xảy ra sẽ gây phá hoại rất nghiêm trọng cho đê kè

Trong thời gian gần đây, cùng với sự biến đổi khí hậu toàn cầu, các thiệt hại

do thiên tai có chiều hướng gia tăng trên toàn thế giới Các cơn bão có chiều hướng

trở lên mạnh hơn, trở thành các siêu bão có sức tàn phá nặng nề Các hiện tượng, mưa lớn, gió giật, lốc xoáy cũng xảy ra thường xuyên hơn Tại nhiều nơi trên thế

giới, hiện tượng động đất và sóng thần cũng xẩy ra thường xuyên và gây nhiều hậu

Hình 1 6 – Công tác gia cố mái đê biển Những năm qua, bằng nguồn vốn đầu tư trong nước và tài trợ của các tổ chức Quốc tế (PAM) đã khôi phục, nâng cấp, tôn cao áp trúc mặt cắt, làm kè lát mái đá phía biển và cứng hoá mặt đê bằng bê tông, đá cấp phối tại 1 số đoạn đê xung yếu, trực diện với biển song mới chỉ đảm bảo giữ được với gió bão cấp 9 và mức triều trung bình 5% (Tương ứng với MN +2,29 tại Văn Lý) Tuy nhiên nếu phải chịu tác động vượt tần suất thiết kế trên, đê biển Giao Thuỷ không đủ sức chống đỡ, các sự

cố hư hỏng, sạt lở, vỡ đê hoàn toàn có thể xẩy ra

1.4 Tổng quan phương pháp thiết kế:

1.4.1 Phương pháp thiết kế truyền thống

Thiết kế truyền thống hiện nay là tính toán công trình theo mô hình tất định Theo phương pháp này các giá trị thiết kế của tải trọng và các tham số độ bền được xem là xác định, tương ứng với trường hợp và tổ hợp thiết kế Người thiết kế lựa chọn điều kiện giới hạn và tương ứng với nó là các tổ hợp tải trọng thiết kế thích hợp Giới hạn này thường tương ứng với độ bền đặc trưng của công trình

Công trình được coi là an toàn khi khoảng cách giữa tải trọng và độ bền đủ lớn để đảm bảo thỏa mãn từng trạng thái giới hạn của tất cả các thành phần công trình

Tính toán theo cách này mới chỉ giải quyết được hai vấn đề là ổn định tổng thể và ổn định theo độ bền của công trình

Nội dung các phương pháp thiết kế như sau:

a Phương pháp ứng suất cho phép

Theo phương pháp này, điều kiện bền có dạng:

* Trong đó:

+ σmax- ứng suất tính toán lớn nhất tại một điểm, xác định từ tổ hợp tải trọng bất lợi nhất;

+ [σ] - ứng suất cho phép, lấy theo tài liệu, tiêu chuẩn

b Phương pháp tính theo hệ số an toàn:

Phương pháp này thường được ứng dụng trong tính toán ổn định Khi đó công thức kiểm tra là:

+ Kcp - hệ số an toàn cho phép, phụ thuộc cấp công trình và tổ hợp tải trọng;

c Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn:

Nét đặc thù của phương pháp tính theo trạng thái giới hạn là việc sử dụng một nhóm các hệ số an toàn mang đặc trưng thống kê: hệ số tổ hợp tải trọng nc, hệ

số điều kiện làm việc m, hệ số tin cậy Kn, hệ số lệch tải n, hệ số an toàn về vật liệu KVL Nhóm các hệ số này thay thế cho một hệ số an toàn chung K Phương pháp

này phân làm 2 nhóm tính toán là theo trạng thái giới hạn thứ nhất và trạng thái giới hạn thứ 2 Điều kiện đảm bảo ổn định hay độ bền của công trình là:

* Trong đó:

+ Ntt - trị số tính toán của tải trọng tổng hợp;

+ R: trị số tính toán của độ bền công trình

1.4.2 P hương pháp thiết kế ngẫu nhiên:

Trong trường hợp tất cả các nguyên nhân xảy ra hư hỏng công trình có thể liệt kê và xác suất xảy ra hư hỏng đó có thể chắc chắn được xác định thì về nguyên tắc có thể xác định được xác suất xảy ra sự cố Vì vậy, hoàn toàn có thể đưa ra một phương pháp tiếp cận mới trong thiết kế công trình với ý tưởng “Cần xem xét về mức độ có thể xây dựng tiêu chuẩn an toàn công trình căn cứ vào phân tích rủi ro cho tất cả các yếu tố liên quan” Đây là lý do cơ bản của sự phát triển phương pháp

“Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy”

Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên là phương pháp thiết kế dựa trên cơ sở toán xác suất thống kế để phân tích tương tác giữa các biến ngẫu nhiên của tải trọng và của sức chịu tải trong các cơ chế phá hoại theo giới hạn làm việc của công trình.Trong thiết kế ngẫu nhiên, tất cả các cơ chế phá hỏng được mô tả bởi mô hình toán hoặc mô hình mô phỏng tương ứng Tính toán xác suất phá hỏng của một bộ phận kết cấu hoặc của công trình được dựa trên hàm độ tin cậy của từng cơ chế phá hỏng Cở sở lý thuyết và ứng dụng của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên tác giả đi sâu vào phân tích và nghiên cứu trong chương II

1.5 Kết luận chương 1:

Đã từ lâu, hệ thống đê và các công trình bảo vệ bờ đóng một vai trò quan trọng trong việc phòng chống, giảm nhẹ thiên tai Trong điều kiện hiện nay, hệ thống đê và các công trình bảo vệ còn có thêm những vai trò hết sức quan trọng khác như: đảm bảo an toàn cho các vùng dân cư, đô thị, phục vụ cho các nhiệm vụ

phát triển kinh tế xã hội bền vững… trong sự phát triển kinh tế xã hội tổng thể của vùng

Đặc điểm huyện Giao Thủy là một huyện vùng cửa sông ven biển, vừa chịu tác động của dòng chảy sông vừa chịu ảnh hưởng những tác động từ biển Vì vậy hệ thống phòng chống lũ có nhiệm vụ hết sức quan trọng trong việc đảm bảo kinh tế - chính trị của tỉnh huyện nói riêng và toàn tỉnh Nam Định cũng như cả nước nói chung

Phân tích công trình theo lý thuyết xác suất trong khuôn khổ lý thuyết độ tin cậy là sự phát triển có tính lôgíc, phát triển dần từng bước từ phương pháp hệ số an toàn, phương pháp bán ngẫu nhiên, để phân tích các biên tải trọng, sức chịu tải của vật liệu, tính chất kết cấu và các điều kiện làm việc của công trình

Việc nghiên cứu mở rộng ứng dụng của phương pháp luận thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy kết hợp với phân tích các yếu tố tác động, ảnh hưởng đến hệ thống phòng chống lũ được yêu cầu từ thực tiễn nêu trên và được thực hiện trong luận văn này Ứng dụng phương pháp luận nêu trên được thực hiện cụ thể cho trường hợp nghiên cứu đại diện là hệ thống đê bảo vệ vùng dân cư huyện Giao Thủy – Nam Định



CHƯƠNG 2

LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÒNG CHỐNG VÀ XÂY

DỰNG CÁC BÀI TOÁN ỨNG DỤNG 2.1 Giới thiệu chung [7]:

Trong vài thập kỷ gần đây, công tác thiết kế đê, kè, đập và các công trình phòng chống lũ khác đã có những phát triển đột biến Trước đây, như thường lệ, đê

đã được thiết kế chủ yếu dựa theo kinh nghiệm Theo đó, cao trình đỉnh đê được xác định căn cứ vào mực nước lũ lớn nhất của các sự kiện lũ lịch sử có thể ghi chép được Tại nhiều nơi trên thế giới, việc thiết kế đê, kè biển cũng như đê sông được dựa vào khái niệm “mực nước ứng với tần suất thiết kế” Đối với đê biển mực nước

này xác định dựa trên các số liệu thống kê và được gọi là mực nước thiết kế, xác định dựa trên một tần suất thiết kế hay tần suất suất hiện

Tần suất suất hiện của mực nước thiết kế được thành lập để dùng áp dụng rộng rãi như là một tiêu chuẩn an toàn cho vùng được bảo vệ bởi đê, nó được xây dựng căn cứ vào xác suất xảy ra ngập lụt Tuy nhiên, điều này chỉ đúng cho những trường hợp lý thuyết khi mà sự cố đê xảy ra do nguyên nhân lũ vượt quá mực nước thiết kế, nó không thích hợp khi sự cố khác xảy ra ứng với trường hợp mực nước lũ nhỏ hơn mực nước thiết kế

Tiêu chuẩn an toàn cho từng loại hình công trình cụ thể theo cách tiếp cận truyền thống là tần suất thiết kế của tải trọng và hệ số an toàn cho phép chung và của từng thành phần công trình, theo từng cơ chế phá hỏng Theo cách tiếp cận ngẫu nhiên và lý thuyết độ tin cậy, tiêu chuẩn an toàn là giới hạn về xác suất xảy ra sự cố của toàn hệ thống công trình và hư hỏng hệ thống công trình được coi là sự tổ hợp ngẫu nhiên hư hỏng của các thành phần thuộc hệ thống theo các cơ chể phá hỏng có thể có Xác suất xảy ra sự cố của hệ thống công trình có liên quan mật thiết với tần

suất vượt quá của tại trọng tác động Tuy nhiên, hai khái niệm không đồng nhất và không thay thể được cho nhau

Trong trường hợp tất cả các nguyên nhân xảy ra hư hỏng đê có thể liệt kê và xác suất xảy ra từng hư hỏng đó có thể chắc chắn được xác định thì về nguyên tắc

có thể xác định được xác suất xảy ra ngập lụt Do hiện tại các tính toán này chưa chưa thể thực hiện ứng dụng dễ dàng trong thiết kế , vì vậy thiết kế đê hiện tại vẫn xác định tần suất thiế t kế (tần suất vượt quá của các thông số tải trọng chính ) dựa theo tần suất chấp nhận xảy ra ngập lụt)

Căn cứ vào cá c vấn đề nêu trên , xác suất xuất hiện các thông số tải trọng chính được xây dựng trong tiêu chuẩn thiết kế và được chọn làm tiêu chuẩn đánh giá an toàn phòng chống lũ lụt Tại Việt Nam , tần suất mực nước thiết kế v ào

khoảng 1/20 đến 1/100, tần suất thiết kế lưu lượng (đối với đê sông) khoảng từ 1/50 đên 1/1000, giá trị này phụ thuộc mức độ quan trọng của khu vực được bảo vệ

Theo ý tưởng của phương pháp luận nêu trên , người ta hoàn toàn có t hể đưa

ra một phương pháp tiếp cận mới trong thiết kế công trình với ý tưởng “Cần xem xét về mức độ có thể xây dựng tiêu chuẩn an toàn công trình căn cứ vào phân tích rủi ro của tất cả các yếu tố liên quan” Đây chính là lý do cơ bản cho sự phát triển

"Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy"

2.2 Tóm tắt cơ sở lý thuyết [7]:

2.2.1 Phân tích rủi ro:

Theo các báo cáo nghiên cứu về giải pháp giảm thiểu rủi ro trong phòng tránh lũ lụt và thiên tai của các nước tiên tiến như Đức, Hà Lan, Nhật, Anh Quốc và

Mỹ, định nghĩa tổng quát nhất về rủi ro do lũ lụt và thiên tai được các tổ chức khoa

học quốc tế công nhận và hiện đang được các quốc gia áp dụng rộng rãi như sau:

R ủi ro= (Xác suất xảy ra ngập lụt) × (Hậu quả của ngập lụt) (1)

Để giảm thiểu rủi ro do lũ lụt, nhiểu quốc gia đã thực hiện việc vận dụng định nghĩa trên bằng sự kết hợp hai nhóm giải pháp chính:

1) Nhóm gi ải pháp 1- chống lũ: Giảm xác suất xảy ra ngập lụt, bằng các biện

pháp nâng cao an toàn của các hệ thống phòng chống lũ lụt như gia tăng độ

bền, củng cố và nâng cấp các tuyến đê, đập và hệ thống công trình phòng

chống lũ;

2) Nhóm gi ải pháp 2- phòng tránh lũ: Giảm thiểu hậu quả thiệt hại khi có

nguy cơ ngập lụt xảy ra, bằng các biện pháp mềm như lập kế hoạch ứng phó

khẩn cấp, cứu hộ, cứu nạn kịp thời; quy hoạch sử dụng đất, sử dụng không gian hợp lý, tăng cường tính chính xác của hệ thống dự báo và cảnh bảo sớm;

bảo hiểm lũ lụt vv

Theo xu thế chung trên thế giới, vấn đề an toàn phòng chống lũ và an toàn hệ thống

đê sông hiện nay được hiểu theo nghĩa rộng liên quan đến các khía cạnh sau:

- H ệ thống đê sông: Bao gồm hai thành phần chính i) các tuyến đê, đoạn đê

tạo thành “vòng bảo vệ khép kin” cho một khu vực dân cư/ vùng được bảo

vệ; và ii) vùng được bảo vệ bởi hệ thống đê

- An toàn h ệ thống đê: bao gồm An toàn ổn định tuyến đê, đoạn đê và an

toàn phòng lũ của vùng được bảo vệ

Như vậy, đánh giá an toàn hệ thống đê sẽ bao gồm việc đánh giá an toàn ổn định của vòng đê và việc đánh giá về sự phù hợp của mức đảm bảo phòng lũ hiện

tại của vùng bảo vệ mà tuyến đê mang lại Việc đánh giá này có thể thực hiện được

một cách thấu đáo thông qua vận dụng định nghĩa tổng quát rủi ro nêu trên với tiêu chí đạt ra là: rủi ro tiềm tàng do lũ đe dọa vùng bảo vệ là nhỏ nhất có thể (1)

Để đánh giá đúng mức rủi ro lũ lụt ứng với mỗi kịch bản kết hợp hai nhóm giải pháp trên, việc xác định và mô phỏng các thành phần trong định nghĩa (1) là đặc

biệt quan trọng

Quá trình phân tích rủi ro của một hệ thống theo phương pháp ngẫu nhiên bao gồm các bước:

+ Mô tả các thành phần của hệ thống;

+ Liệt kờ cỏc kiểu nguy cơ và sự cố cú thể xảy ra;

+ Định lượng hậu quả cho tất cả cỏc sự cố cú khả năng xảy ra;

+ Xỏc định và đỏnh giỏ rủi ro;

+ Ra quyết định trờn kết quả phõn tớch rủi ro

Sơ đồ tiếp cận tổng quỏt để đỏnh giỏ, phõn tớch rủi ro ứng dụng cho hệ thống phũng

chống lũ được thực hiện như minh họa tại Hỡnh 2-1

điều chỉnh

Xác đinh xác suất xảy ra sự cố

Tiêu chuẩn, tiêu chí

Cấp độ rủi ro chấp nhận

đánh giá

Tần suất và mức độ thiệt hại

Ra quyết định Rủi ro

Kết hợp XS

và thiệt hại

Tiêu chuẩn tham chiếu

đối tượng phân tích rủi ro

Mô tả hệ thống

Liệt kê các sự cố và thảm họa

có thể xảy ra

định lượng hậu quả

Hỡnh 2 1: Sơ đồ quỏ trỡnh phõn tớch rủi ro

2.2.2 Phõn tớch độ tin cậy của thành phần hệ thống:

Trạng thỏi giới hạn là trạng thỏi ngay trước khi sự cố xảy ra Độ tin cậy là xỏc suất mà trạng thỏi giới hạn khụng bị vượt qua Người ta thường dựng cỏc trạng thỏi giới hạn để xõy dựng, thành lập cỏc hàm tin cậy Cụng thức tổng quỏt của một hàm tin cậy cú dạng 2.1 sau:

* Trong đú: + R – Độ bền hay khả năng khỏng hư hỏng;

+ S – Tải trọng hay khả năng gõy hư hỏng

Việc tính toán xác suất phá hỏng của một thành phần được dựa trên hàm tin cậy của từng cơ chế phá hỏng Hàm tin cậy Z được thiết lập căn cứ vào trạng thái giới hạn tương ứng với cơ chế phá hỏng đang xem xét và là hàm của nhiều biến và tham số ngẫu nhiên Theo đó, Z<0 được coi là có hư hỏng xảy ra và hư hỏng không xảy ra nếu Z nhận các giá trị còn lại (Z ≥0)

Trạng thái giới hạn là trạng thái mà tại đó Z=0 trong mặt phẳng RS; đây được coi là biên sự cố

Xác suất phá hỏng được xác định: Pf= P(Z≤0) = P(S≥R)

Độ tin cậy được xác định là : P(Z>0) = 1-Pf

Trường hợp đơn giản, hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân bố chuẩn, việc tính toán xác suất xảy ra sự cố thông qua hàm phân phối tiêu chuẩn ΦN(-β) bằng cách sử dụng các giá trị kỳ vọng µZ, độ lệch chuẩn σZvà chỉ số

độ tin cậy β=µZ/σZcủa hàm tin cậy

Hàm tin cậy biểu diễn trong mặt phẳng RS và xác suất xảy ra sự cố và chỉ số

độ tin cậy được định nghĩa trên Hình 2.2 và 2.3 dưới đây:

Hình 2 3: Định nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số độ tin cậy [7] Điểm nằm trong miền sự cố với mật độ xác suất lớn nhất được coi là điểm thiết kế Thông thường điểm này nằm trên đường biên sự cố Điểm thiết kế đóng vai trò quan trọng trong ước lượng xác suất xảy ra sự cố

2.2.3 Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên:

a Tính toán cấp độ I:

Một cách tổng quát, hiện nay các thiết kế được dựa vào các tiêu chuẩn và hướng dẫn thiết kế Trong đó các thông số độ bền được gia giảm bằng các hệ số đặc trưng, các thông số tải trọng được gia tăng bằng các hệ số tải trọng Thể hiện theo công thức 2.2:

S

R S R

+ γS – Hệ số an toàn của tải trọng

Các giá trị đặc trưng của thông số độ bền và tải trọng được tính theo công thức 2.3:

S S S

R R R

k S

k R

σµ

σµ

Một số sách hướng dẫn thiết kế gần đây đã liên kết tính toán theo biểu thức

2.2 với lí thuyết độ tin cậy để tính toán xác suất xảy ra sự cố ở mức độ II Sự kết hợp này được thể hiện trong định nghĩa điểm thiết kế “Điểm thiết kế là điểm nằm trong miền sự cố với mật độ xác suất kết hợp của độ bền và tải trọng là lớn nhất”

Vì vậy mà giá trị độ bền và tải trọng tại điểm sự cố gần với giá trị tại điểm thiết kế:

S S S S

R R R R R R

V S

V R

βαµβσαµ

βαµβσαµ

+

=+

=

+

=+

S S S

R R

R R R

V k

V S

S

V

V k R

*

*

βαγ

βα

S R

R R

σσ

σα

Tùy thuộc dạng hàm tin cậy và phân bố các biến ngẫu nhiên cơ bản mà các trường hợp tính toán cấp độ này bao gồm:

+ Trường hợp (1): Hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân bố chuẩn;

+ Trường hợp (2): Hàm tin cậy phi tuyến;

+ Trường hợp (3): Các biến cơ bản không phân bố chuẩn;

+ Trường hợp (4): Các biến ngẫu nhiên cơ sở phụ thuộc

* Trường hợp (1) - Hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân bố

chuẩn:

Trường hợp này việc tính toán xác suất xảy ra sự cố là đơn giản bằng cách sử dụng các giá trị kỳ vọng và độ lệch chuẩn của các biến cơ bản Trị số độ tin cậy được xác định theo biểu thức 2.7:

a

1 21

j

j i j

i

Z a a Cov X X

1 1

),(

σ

Các biến ngẫu nhiên cơ bản X1, X2, …, Xn tuân theo luật phân bố chuẩn thì Z cũng là hàm phân bố chuẩn Xác suất Z<0 được xác định thông qua hàm phân bố tiêu chuẩn:

=

<

z z z

z

Z P

σ

µσ

µ

0)

0

* Trường hợp (2) - Hàm tin cậy phi tuyến:

Trường hợp hàm tin cậy là hàm phi tuyến của một số biến cơ bản độc lập có phân bố chuẩn thì hàm này sẽ không phân bố chuẩn Có thể sử dụng phương pháp

khai triển Taylor (lấy 2 số hạng đầu tiên của đa thức) để xác định hàm tin cậy Z gần đúng Biểu thức gần đúng có dạng 2.10

) )(

( )

( )

g X

g X g

∂

∂ +

) )(

( )

g

∂

∂ +

z

i X n

i i z

z

i

i

X X g

X X

X

g X

g

σσ

µσ

µ

Nếu hàm tin cậy được tuyến tính hóa tại điểm X (µX ,µX , ,µX n)

2 1

2 1

X X X

i n n

X g

g

σµµµ

µµµ

Qua biểu thức 2.13 nhận thấy rằng việc tính toán giá trị gần đúng của β thông qua tuyến tính hóa hàm tin cậy phụ thuộc vào việc lựa chọn điểm tuyến tính hóa của hàm Nhưng theo Hasofer và Lind thì chỉ số độ tin cậy không phụ thuộc vào hàm tin cậy có phải là hàm tuyến tính không Vì vậy, cần tuyến tính hóa hàm Z tại đúng điểm thiết kế (điểm thiết kế là điểm nằm trên biên sự cố với khoảng cách đến gốc tọa độ là ngắn nhất) Có nhiều phương pháp để tìm điểm thiết kế thông qua

quá trình lặp, nhưng có hai phương pháp thường dùng là phương pháp giải tích và phương pháp số

- Phương pháp đầu tiên dựa vào việc chuẩn hóa hàm tin cậy thành hàm của các biến tiêu chuẩn Tọa độ của điểm thiết kế là:

(U1*,U2*, ,U n*)=(α1β,α2β, ,αnβ) và

1

* 1

*

X X

U f U f

βα

Trường hợp này giá trị αiđược tính theo công thức 2.17:

( ) ( )

( )

z

X i

n

j

X j

X i

g X

X g X

σ

σσ

σα

* Trường hợp (3) – Các biến cơ sở không tuân theo luật phân bố chuẩn:

Nếu bài toán liên quan đến các biến cơ sở ngẫu ngiên không phân bố chuẩn thì hàm tin cậy cũng không phân bố chuẩn Để có thể áp dụng được phương pháp gần đúng cấp độ II thì cần phải biến đổi các biến cơ sở này thành các biến cơ sở phân bố chuẩn Khi đó biểu thức 2.19 sau phải thỏa mãn tại điểm thiết kế:

U X

U = Φ− X ; * 1{ ( )* }

U F

* Trong đó:

+ Φ-1 – Hàm ngược của hàm phân bố tiêu chuẩn;

+ FX-1 – Hàm ngược của hàm phân bố xác suất của biến X;

Phương pháp biến đổi này có thể làm phức tạp hóa hàm độ tin cậy đơn giản ban đầu Rackwitz và Fiessler đưa ra phương pháp chuyển đổi một biến ngẫu nhiên

có luật phân bố tùy ý sang phân bố chuẩn Giả thiết rằng giá trị thực và giá trị xấp xỉ của hàm mật độ xác suất cũng như hàm phân bố xác suất là tương đương nhau tại điểm thiết kế, ta có:

X

x

x X

X X

f

X X

F

σ

µϕ

+ ϕ – Hàm mật độ xác suất phân bố tiêu chuẩn;

Giải hệ phương trình trên thu được:

( )

( ) ( ) { * } ' 1

* '

*

* 1

'

X X

X

X

X X

X F X

X f

X F

σµ

ϕσ

Từ hệ phương trình 2.22 cho thấy, độ lệch chuẩn và trung bình giá trị xấp xỉ

của hàm phân bố chuẩn phụ thuộc vào giá trị của X tại điểm thiết kế Do đó, trong quá trình tính toán lặp điểm thiết kế và chỉ số độ tin cậy cần phải tính luôn giá trị

mới của σ’x , µ’x tại mỗi bước:

* Trường hợp (4) – Các biến ngẫu nhiên cơ sở phụ thuộc:

Nếu các biến ngẫu nhiên cơ sở là phụ thuộc thì chúng phải được biến đổi sang dạng biến độc lập Nếu tồn tại một hàm liên hệ thể hiện sự phụ thuộc giữa các biến thì có thể rút gọn các biến trong hàm tin cậy Trong nhiều trường hợp không xác định được chính xác mối liên hệ giữa các biến, khi đó cần thiết phải biểu diễn bằng các mối tương quan thống kê Trong những trường hợp như vậy, các biến cơ

sở có thể biến đổi được Phương pháp biến đổi tổng quát được sử dụng rộng rãi là Rosenblatt – Tranformation

Phương pháp biến đổi Rosenblatt dựa trên hàm mật độ xác suất kết hợp của một vector thống kê với các biến cố phụ thuộc Bắt đầu bằng hàm mật độ xác suất của một vector có n biến ngẫu nhiên, ta có thể xác định các hàm mật độ xác suất của

Z S R

f f R S dRdS P

Z

Về nguyên tắc tích phân này được xác định bằng phương pháp giải tích, nhưng đối với các bài toán kĩ thuật bằng cách này rất hạn chế Vì vậy, giải pháp thông thường là tính toán sử dụng các phương pháp số Có hai phương pháp được

sử dụng nhiều là phương pháp tích phân số và phương pháp Monte Carlo