Xác định độ tin cậy yêu cầu khi nâng cấp sửa chữa hệ thống đầu mối hồ chứa nước theo lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro

Bài viết Xác định độ tin cậy yêu cầu khi nâng cấp sửa chữa hệ thống đầu mối hồ chứa nước theo lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro giới thiệu về hiện trạng hồ đập và công tác sửa chữa nâng cấp các hồ chứa nước Việt Nam để đảm bảo an toàn cho công trình đầu mối và vùng hạ du. Bài viết đã sử dụng lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro để tìm phương án tối ưu theo quan điểm về kinh tế khi nâng cấp sửa chữa một đầu mối hồ chứa nước.

BÀI BÁO KHOA HỌC XÁC ĐỊNH ĐỘ TIN CẬY YÊU CẦU KHI NÂNG CẤP SỬA CHỮA HỆ THỐNG ĐẦU MỐI HỒ CHỨA NƯỚC THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO Nguyễn Lan Hương1, Lê Xuân Khâm1 Tóm tắt: Các đầu mối hồ chứa xây dựng nhiều thời kỳ khác nên nhiều hồ đập chưa đáp ứng đầy đủ yêu cầu về: tài liệu thiết kế, phương pháp thiết kế, kỹ thuật thi cơng cơng tác tu bảo dưỡng, bảo trì hệ thống, nên mức độ an tồn cơng trình đầu mối thường thấp so với quy chuẩn, tiêu chuẩn có nhiều hồ đập bị hư hỏng cố tiềm ẩn nguy gây an toàn hồ chứa Nếu hệ thống xảy cố vỡ đập gây ngập lụt thiệt hại lớn người tài sản cho vùng hạ du, nên việc nâng cấp sửa chữa hồ đập kết hợp với nâng cao lực quản lý an toàn đập, hồ chứa thủy lợi quan trọng Hiện nay, việc nâng cấp sửa chữa cơng trình đầu mối hồ chứa nước tính theo phương pháp tất định đáp ứng yêu cầu kinh tế kỹ thuật lại chưa có nhiều mối liên hệ định lượng với rủi ro ngập lụt vùng hạ du Do đó, để định lựa chọn phương án nâng cấp sửa chữa hệ thống đạt hiệu cao đảm bảo độ tin cậy yêu cầu theo mức rủi ro chấp nhận vùng hạ du, nghiên cứu giới thiệu cách chọn phương án tối ưu nâng cấp cơng trình đầu mối hồ chứa theo lý thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro Ứng dụng kết tính tốn để chọn phương án nâng cấp hệ thống đầu mối hồ chứa nước Cam Ranh tỉnh Khánh Hòa đáp ứng theo tiêu chuẩn phòng lũ ICOLD thiết kế tràn bổ sung theo độ tin cậy yêu cầu Từ khóa: Mức đảm bảo an tồn, độ tin cậy yêu cầu, độ tin cậy hệ thống, phân tích rủi ro, an tồn đập, xác suất cố ĐẶT VẤN ĐỀ * Các hồ đập Việt Nam thiết kế xây dựng nhiều thời kỳ khác nhau, nhiều hồ chứa xây dựng từ năm sau chiến tranh với hạn chế tài liệu khí tượng thủy văn, địa hình, địa chất phương pháp tính tốn dẫn đến chất lượng thiết kế chưa phù hợp với thực tế, mức đảm bảo an tồn chưa cao, đặc biệt hồ có dung tích nhỏ Rất nhiều hồ chứa tự phát nhân dân tự đắp khơng có hồ sơ khảo sát thiết kế, kỹ thuật thi công lạc hậu qua thời gian dài khai thác sử dụng không tu bảo dưỡng, cơng tác bảo trì khơng quan tâm mức Kết nhiều hồ đập hư hỏng xuống cấp tiềm ẩn nguy gây an toàn hồ chứa, mức Trường Đại học Thủy lợi 130 độ an toàn đập thấp nhiều so với quy chuẩn, tiêu chuẩn Nếu xảy cố, đặc biệt vỡ đập gây thiệt hại lớn người, tài sản nhân dân vùng hạ du, nên việc nâng cấp sửa chữa hồ đập kết hợp với nâng cao lực quản lý an toàn đập, hồ chứa thủy lợi quan trọng Trong nhiều năm qua, Nhà nước đầu tư nhiều nguồn lực để nâng cấp, đại hóa hệ thống thủy lợi nhằm nâng cao an tồn cho cơng trình đầu mối giảm thiểu thiệt hại cho hạ du Hiện nay, hồ đập Việt Nam thiết kế theo phương pháp tất định đánh giá an tồn cơng trình hệ số an toàn, việc nâng cấp sửa chữa hệ thống tuân theo quy chuẩn, tiêu chuẩn hành đáp ứng yêu cầu kinh tế kỹ thuật cho đầu mối lại chưa có nhiều mối liên hệ định lượng với rủi ro ngập lụt vùng hạ du Để KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) định lựa chọn phương án nâng cấp sửa chữa hệ thống hiệu đảm bảo độ tin cậy theo yêu cầu, báo giới thiệu cách ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro để lựa chọn phương án tốt ưu nâng cấp hệ thống đầu mối hồ chứa nước Cam Ranh tỉnh Khánh Hịa nhằm đáp ứng u cầu an tồn đập mức rủi chấp nhận vùng hạ du hồ chứa HIỆN TRẠNG HỒ ĐẬP VÀ CÔNG TÁC SỬA CHỮA, NÂNG CẤP CÁC ĐẦU MỐI HỒ CHỨA 2.1 Hiện trạng hồ chứa nước Việt Nam Hiện nay, có 6336 hồ chứa thủy lợi 419 đập dâng có chiều cao 5m vận hành với tổng dung tích trữ khoảng 14.5 tỷ m3 (Tổng cục Thủy Lợi, 2021) Các hồ chứa đóng vai trị quan trọng việc trì nhịp độ phát triển ngành nông nghiệp kinh tế tạo nguồn nước tưới cho gần 1.075 triệu đất nông nghiệp; cấp khoảng 1,5 tỷ m3 nước cho sinh hoạt cơng nghiệp Trong q trình vận hành, có nhiều hồ đập bị hư hỏng xuống cấp ảnh hưởng đến an toàn hệ thống nguy hiểm dẫn tới cố vỡ đập gây ngập lụt vùng hạ du Theo số liệu thống kê, có 1730 hồ chứa bị hư hỏng, xuống cấp (223 hồ lớn, 573 hồ vừa, 934 hồ nhỏ), hồ dung tích nhỏ chiếm tỷ trọng lớn 54% Một số dạng hư hỏng hay gặp đầu mối hồ chứa kể đến như: Đập dâng khơng đủ diện tích mặt cắt, lũ lớn tràn qua đỉnh đập; thấm lớn qua thân đập gây xói ngầm trượt sạt mái hạ lưu làm vỡ thân đập; tổ mối thân đập; vận hành cửa van tràn cống không kỹ thuật; tràn thiếu khả xả lũ bị xói tiêu năng; thân cống ngầm bị hư hỏng, mục ruỗng; tháp van cống ngầm bị lún Các số liệu thống kê Tổng cục Thủy lợi năm 2021 số lượng hồ đập bị hư hỏng cho thấy: hồ chứa bị hư hỏng thân tràn (750 hồ) thân cống ngầm (841 hồ) chiếm tỷ trọng lớn nguyên nhân cố thường xảy hồ chứa nước 2.2 Công tác nâng cấp, sửa chữa đập, hồ chứa nước thủy lợi Hơn 800 hồ chứa thủy lợi nâng cấp sửa chữa để đảm bảo an toàn hồ đập nguồn vốn địa phương kết hợp với nguồn vốn Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn Một số hệ thống hồ chứa sửa chữa lớn nâng cấp theo tiêu chuẩn quốc tế tính tốn lũ theo tiêu chuẩn ICOLD như: Dầu Tiếng, Cấm Sơn, Yên Lập, Kẻ Gỗ, Phú Ninh, Bến Châu, Đồng Nghệ, Hòa Trung, Đá Bàn (Tổng cục Thủy Lợi, 2021) Với số lượng hồ đập cần sửa chữa lớn kế hoạch cho năm tiếp tục đầu tư nguồn vốn để nâng cấp đảm bảo an toàn cho cho hồ đập Nhưng nguồn lực hạn chế, thời gian qua sửa chữa, nâng cấp cho đa số hồ chứa có dung tích triệu m3 sửa chữa cấp bách cho số hồ chứa xung yếu, nên số lượng hồ chứa bị xuống cấp nhiều; với hồ chứa vừa nhỏ, nhiều hồ tiềm ẩn nguy an toàn cao điều kiện mưa, lũ cực đoan Đã có kế hoạch nguồn vốn nâng cấp cho 536 hồ chứa nước, cụ thể: hoàn thành nâng cấp hồ Pa Khoang hồ Xạ Hương; hoàn thành xử lý cấp bách 84 hồ chứa bị ảnh hưởng lũ bão năm 2017 nâng cấp, sửa chữa 450 hồ chứa 34 tỉnh thành để đảm bảo an tồn cơng trình dự án WB8 Còn lại 1.196 hồ đập bị xuống cấp thiếu khả xả lũ có nguy an tồn chưa có nguồn vốn để đầu tư sửa chữa địa phương thường xuyên kiểm tra, đánh giá, kiểm định an toàn nhằm phát sớm ẩn họa gây cố để xây dựng phương án khắc phục, sửa chữa bảo đảm bảo an tồn cơng tác xử lý cố đập, hồ chứa thủy lợi NÂNG CẤP, SỬA CHỮA HỆ THỐNG ĐẦU MỐI HỒ CHỨA THEO THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO 3.1 Phân tích độ tin cậy hệ thống trạng 3.1.1 Mô hệ thống đầu mối hồ chứa nước KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) 131 Sù cè hƯ thèng hc Sù cè công trình tháo lũ Sự cố vỡ đập hoặc Phá hoại cục Phá hoại tổng thể hoặc hoặc Tràn Nứt Tổ Trượt đỉnh ngang, mối mái thượng đập nứt dọc lưu đập hoặc Phá hoại khác Phá hoại tổng thể và hoặc Sự cố cống ngầm hoặc và Trượt ống Thiết bị Thấm Biến Lún Trượt Lật Hỏng Xói mái thấm chống tiếp hình liên tiêu hạ thấm sóng bị xúc kết lưu lún sụt cửa và và Hư Thấm Hư H­ G·y Vì háng tiÕp háng háng cèng cèng vËt xúc cửa cửa hoặc liệu van vào Lún Thân Kết cấu cống thân khuyết cống không tật đủ sức chịu tải Phá hoại cục Phá hoại khác hoặc Sự cố công trình khác hoặc Phá hoại cục Phá hoại khác Phá hoại tổng thể hoặc hoặc Hư hỏng khíp hc nèi KÕt cÊu cèng cã khut tËt ThÊm qua bê tông thân cống và Hư hỏng cưa van VÊn ®Ị thđy lùc Hình Sơ đồ cố cơng trình đầu mối hồ chứa nước Hình ví dụ cố cơng trình đầu mối hồ chứa nước, hư hỏng mơ theo chế phá hoại có nguy dẫn đến cố cơng trình cố hệ thống, chữ ‘‘hoặc’’ biểu thị liên kết nối tiếp, chữ ‘‘và’’ biểu thị liên kết song song (Nguyễn Văn Mạo, nnk 2014) 3.2.2 Xây dựng hàm tin cậy Mỗi chế phá hoại sơ đồ hình thiết lập hàm tin cậy Z, hàm biểu thị mối quan hệ sức chịu tải tải trọng tác dụng vào cơng trình Z  R  xi   S  y j  (1) Trong đó: S  yi   S  y1 , y2 , , yn  hàm tải trọng; R  xi   R  x1 , x2 , , xn  hàm sức chịu tải xi : biến ngẫu nhiên gồm: ảnh hưởng phát sinh từ môi trường nước, môi trường đất đá, mơi trường cơng trình tạo nên chống lại phá hoại cơng trình yi : biến ngẫu nhiên gồm: tác động phát sinh từ môi trường nước, ảnh hưởng mơi trường thơng qua tính chất đất đá tải trọng phát sinh từ môi trường cơng trình thơng qua tính chất vật liệu xây dựng (Nguyễn Văn Mạo, nnk 2014) 3.2.3 Độ tin cậy hệ thống đầu mối hồ chứa - Xác suất an toàn (độ tin cậy) chế cố Pat: Pat  P  Z  0      (2) Trong đó:     : hàm phân bố chuẩn;  : Chỉ số độ tin cậy 132 - Độ tin cậy (ĐTC) cơng trình i hệ thống: Pat Khi cố liên kết với theo cổng m “hoặc”: Pati    1  P  ij (3) j 1 Khi cố liên kết với theo cổng m “và”: Pati    1  Pij  (4) j 1 Trong đó: Pij - Xác suất an toàn chế cố tính (2) - Độ tin cậy đầu mối hồ chứa làm việc sơ n đồ ghép nối tiếp: PatHT   Pati (5); i 1 xác suất cố hệ thống: PfHT   PatHT   (6) - So sánh với mức đảm bảo an toàn cho phép (xác suất cố cho phép) hệ thống [ PfHT ] kết luận việc nâng cấp hệ thống theo yêu cầu thực tế (Nguyễn Văn Mạo, nnk 2014) 3.2 Xác định độ tin cậy yêu cầu hệ thống theo phân tích rủi ro ngập lụt 3.2.1 Thiết kế hệ thống theo mức đảm bảo giả định PfHT - Đề xuất phương án nâng cấp hệ thống, với phương án nâng cấp: + Giả định mức đảm bảo an toàn (MĐBAT) cho hệ thống PfHT Trong trường hợp hệ thống làm việc theo sơ đồ ghép nối tiếp: Phân bổ độ tin cậy PatHT hệ thống cho phần tử KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) cơng trình chế cố theo nguyên tắc: hệ số trọng số hay mức ảnh hưởng cơng trình đến cố hệ thống mức ảnh hưởng chế cố đến cơng trình nhau, gần phân bổ độ tin cậy cho cơng trình theo ngun tắc độ tin cậy nhau:  Pat   k  PatHT  (7) Trong đó: k: số cơng trình - Vẽ đường cong tổng chi phí C MĐBAT cho phương án nâng cấp, mức đảm bảo an toàn cho phép hệ thống lựa chọn tương ứng với giá trị nhỏ tổng chi phí C đường cong C tương ứng phương án nâng cấp chọn (Mai Văn Công, 2007) hệ thống (Nguyễn Văn Mạo, nnk 2014) Công thức (7) áp dụng cho trường hợp đơn giản hóa xem chế cố, thành phần cơng trình hệ thống độc lập thống kê + Thiết kế hạng mục cơng trình nâng cấp theo độ tin cậy phân bổ cho công trình chế cố Giải tốn ngược: tìm kích thước phận cơng trình biết độ tin cậy cho trước, thực bước tính mục 3.1 3.2.2 Xác định độ tin cậy yêu cầu hệ thống - Với phương án nâng cấp: + Tính tổng chi phí đầu tư xây dựng hệ thống ứng với mức đảm bảo: I Pf  I nc  PV  M Pf  (8) Trong Inc: Chi phí đầu tư xây dựng hệ thống ứng với mức đảm bảo Pf, gồm: giá trị cơng trình, vốn đầu tư trực tiếp sửa chữa, nâng cấp cơng trình, chi phí đền bù mặt chi phí khác; PV(MPf): Chi phí quản lý vận hành quy giá trị + Xây dựng đường cong đầu tư IPf ứng với mức đảm bảo giả định hệ thống Pf + Xây dựng đồ ngập lụt đồ thiệt hại vùng hạ du theo kịch xả lũ gây ngập lụt hạ du + Tính chi phí rủi ro kinh tế RPf cho vùng hạ du hệ thống bị cố: RPf = Pf.D (9) Trong đó: Pf: xác suất xảy cố hệ thống hay MĐBAT cho vùng hạ du; D: tổng thiệt hại vùng hạ du xảy cố Pf + Xây dựng đường cong rủi ro RPf ứng với mức đảm bảo giả định hệ thống + Vẽ đường cong tổng chi phí: C = IPf+ RPf tìm mức đảm bảo yêu cầu [Pf] tương ứng với chi phí thấp cho phương án nâng cấp (hình 2) Hình Tối ưu mức đảm bảo an toàn theo quan điểm kinh tế 3.3 Nâng cấp hệ thống theo độ tin cậy yêu cầu - Nếu mức đảm bảo an toàn cho phép hệ thống trùng với giả định MĐBAT cho hệ thống mục 3.2.1 mức đảm bảo an toàn cho phép hệ thống [Pf] hệ thống thiết kế nâng cấp mục 3.2.1 - Nếu mức đảm bảo an toàn cho phép hệ thống khác MĐBAT giả định mục 3.2.1, thực tính tốn nâng cấp hệ thống giống mục 3.2.1 - Trong thực tế mức đảm bảo tan toàn thiết kế hệ thống [P]tk chọn lớn nhỏ [Pf] vùng hạ du có xét đến yếu tố khác như: trị, văn hóa xã hội, môi trường đặc biệt yếu tố người (Mai Văn Công, 2007): + Chọn mức đảm bảo an toàn thiết kế [P]tk > [Pf]: chấp nhận rủi ro vùng hạ du tăng để giảm vốn đầu tư xây dựng hệ thống + Chọn mức đảm bảo an toàn thiết kế [P]tk < [Pf]: tăng vốn đầu tư xây dựng hệ thống giảm rủi ro cho vùng hạ du hồ chứa KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) 133 NÂNG CẤP ĐẦU MỐI HỒ CHỨA CAM RANH THEO PHÂN TÍCH RỦI RO NGẬP LỤT HẠ DU HỒ CHỨA 4.1 Hiện trạng đầu mối hồ chứa nước Cam Ranh Hồ chứa nước Cam Ranh cơng trình cấp II xây dựng năm 1997 xã Cam Tân Cam Hịa, huyện Cam Lâm, tỉnh Khánh Hịa, hồ chứa có dung tích với nhiệm vụ: cung cấp nước tưới 2300 ha, cấp nước sinh hoạt cho 70000 dân phòng lũ cho vùng hạ du Hệ thống đầu mối gồm: đập đất có chiều cao lớn 22.3m dài 1734m; tràn xả lũ có cửa van, kích thước nxb = 3x8m; cống lấy nước: cống Bắc cống có tháp van đặt mái thượng lưu, có kích thước bxh = 1.25mx1.75m; cống Nam cống chảy có áp với đường kính Φ = 0.8m 4.2 Đánh giá độ tin cậy hệ thống trạng 4.2.1 Mô hệ thống Cam Ranh Thông qua đánh giá trạng hệ thống, tính tốn kiểm tra với đập đất gồm: Nước tràn đỉnh đập; ổn định mái hạ lưu đập; xói cửa ra; hình thành hang thấm thân đập Các tính tốn kiểm tra với tràn gồm: ổn định ngưỡng tràn: trượt, lật đơn ngun đập tràn Các tính tốn kiểm tra với cống Bắc cống Nam: thấm dọc theo mang cống; thấm xuyên thành cống Các chế cố phần tử cơng trình (đập, tràn cống) liên kết theo hình thức sơ đồ nối tiếp cần chế cố xảy phần tử cơng trình bị cố dẫn đến cố hệ thống 4.2.2 Độ tin cậy hệ thống a) Số liệu tính tốn Bảng Các biến ngẫu nhiên (BNN) có luật phân bố chuẩn tính ĐTC đập TT 10 11 12 Tên BN Cao độ đỉnh đập Cao độ mực nước hồ = MNLTK Cao độ mực nước hồ = MNLKT Vận tốc gió Đà sóng Chiều cao sóng leo Cao độ đáy đập Chiều dài đáy đập Hệ số trung bình mái thượng lưu Chiều dày tầng thấm Gradien cửa Gradien thấm cho phép cửa 13 Dung trọng đập 14 Góc ma sát đập 15 Lực dính đơn vị đập 16 Dung trọng góc ma sát lực dính đơn vị lăng trụ nước 134 Ký hiệu BNN Zdd (m) Zmn Zmn V (m/s) D (m) hsl (m) Zo (m) Lđ (m) m1 T (m) J ramax  J ra (KN/m3) (KN/m3) n(KN/m3) độ) độ) nđộ) C1 (KN/m2) C2 (KN/m2) Cn (KN/m2) đ(KN/m3) đđộ) Cđ (KN/m2) Kỳ vọng:  +34.2 +32.59 +33.53 21.3 1100 0.71 +11 150 3.25 0.3 0.55 19.78 18.515 18.63 20 15 12 23 22 22 21 35 Độ lệch chuẩn:  0.35 0.5 0.5 2.13 50 0.03 0.5 0.25 0.7 0.1 - (Tất định) 1.978 18.515 1.863 4.5 3.6 4.4 4.4 4.4 2.1 - (Tất định) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) Bảng Các BNN có luật phân bố chuẩn tính ĐTC tràn Kỳ vọng:  Độ lệch chuẩn:  Dung trọng bê tông Ký hiệu BNN  bt (KN/m3) 24 1.2 Chiều dài ngưỡng tràn MNLTK MNLKT Hệ số ma sát đập Lực dính đơn vị đá L (m) Zmn Zmn f c (KN/m2) 20 +32.59 +33.53 0.65 120 0.2 0.5 0.5 0.1 12 TT Tên BN Bảng Các BNN có luật phân bố chuẩn tính ĐTC cống TT 10 11 12 Tên BN Ký hiệu BNN Gradien thấm cho phép đất sét  J cp quanh thân cống Chiều dài thân cống Nam Ln (m) Zcvn Cao độ cửa vào cống Nam (m) n Z cr (m) Cao độ cửa cống Nam Chiều dày thành cống Nam t (m) Chiều cao cống Nam h (m) Kỳ vọng:  Độ lệch chuẩn:  - (Tất định) 77 + 20.5 0.5 0.01 +20.2 0.4 1.75 Chiều rộng cống Nam b (m) 1.25 0.01 - (Tất định) - (Tất định) - (Tất định) Chiều dài thân cống Bắc Cao độ cửa vào cống Bắc Ln (m) 70.5 + 20.5 0.5 0.01 Cao độ cửa cống Bắc Chiều dày thành cống Bắc Đường kính cống Zcrn +20.15 0.4 0.8 0.01 - (Tất định) - (Tất định) Z n cv (m) (m) t (m) Φ (m) b) Độ tin cậy hệ thống Sử dụng phần mềm tự lập Sypro2016 xác định đặc trưng thống kê luật phân bố BNN, tính ĐTC chế cố ĐTC hệ thống đầu mối hồ chứa Các kết tính bảng Bảng Độ tin cậy hệ thống đầu mối hồ chứa Cam Ranh MNLTK TT Cơ chế cố MNLKT Xác suất cố 9.04E-04 Mức độ ảnh hưởng đến cố hệ thống 22.01% 9.00E-03 Mức độ ảnh hưởng đến cố hệ thống 30.91% 77.19% 2.00E-02 68.68% 3.17E-05 0.77% 1.08E-05 0.04% Hình thành hang thấm thân đập 9.62E-07 0.0234% 1.12E-07 0.0004% Hình thành hang thấm đập 1.51E-08 0.0004% 1.01E-06 0.00% Tràn bị trượt 5.82E-09 0.0001% 9.96E-05 0.34% Tràn bị lật 5.30E-08 0.0013% 4.41E-06 0.02% Thấm dọc theo mang cống Nam 3.43E-09 0.0001% 4.90E-07 0.002% Trượt mái hạ lưu Nước tràn đỉnh đập 3.17E-03 Xói cửa KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) Xác suất cố 135 MNLTK TT Cơ chế cố MNLKT Xác suất cố Mức độ ảnh hưởng đến cố hệ thống Xác suất cố Mức độ ảnh hưởng đến cố hệ thống Thấm xuyên thành cống Nam 3.92E-09 0.0001% 5.38E-06 0.02% 10 Thấm dọc theo mang cống Bắc 2.57E-09 0.0001% 5.90E-07 0.002% 11 Thấm xuyên thành cống Bắc Xác suất cố hệ thống PfHT 3.22E-09 0.0001% 6.35E-06 0.02% 0.00411 0.02912 Độ tin cậy hệ thống PatHT 9.959E-01 9.709E-01 2.64 1.89 Chỉ số độ tin cậy hệ thống  Với MNLTK, hệ thống đảm bảo ĐTC PfHT  0.00411  P1%  0.01 : xác suất cố nhỏ mức bảo đảm phòng lũ thiết kế P1% Với HT MNLKT Pf  0.02912  P0.2%  0.002 xác suất cố lớn mức bảo đảm phịng lũ kiểm tra P0.2%, hệ thống có khả bị cố nguyên nhân xảy cố nước tràn đỉnh đập (68.68%) trượt mái hạ lưu đập (30.91%) Cần thiết có giải pháp cơng trình để nâng cao ĐTC hệ thống hồ xuất trận lũ có tần suất nhỏ lũ kiểm tra c) Đề xuất phương án nâng cấp hệ thống đầu mối hồ chứa - Phương án 1: Nâng cao đập để đảm bảo chống lũ Với phương án cao trình đỉnh đập đất nâng cao tràn xả lũ cần phá bỏ làm lại số cơng trình như: tường chắn sóng, mặt đập, đắp áp trúc mái hạ lưu, cơng trình tiêu nước hạ lưu, cửa van tràn xả lũ, hạng mục cơng trình sử dụng tốt đảm bảo an toàn, ổn định trường hợp tính tốn thiết kế Do đó, phương án ảnh hưởng đến khả tính tốn thiết kế trước đập đất tràn xả lũ, dễ xảy an toàn cho cơng trình, khó khăn việc thi cơng quản lý vận hành Mặt khác tuyến đập đất công trình đầu mối hồ Cam Ranh dài (1734m), nâng cấp, sửa chữa dẫn đến khối lượng lớn, chi phí xây dựng cao tiến độ thi cơng kéo dài - Phương án 2: Xây dựng thêm tràn xả lũ Xây dựng thêm tràn xả lũ để giữ ngun quy mơ hạng mục cơng trình đầu mối đầu tư xây dựng đảm bảo an toàn cho cơng trình, khơng ảnh hưởng đến tính tốn thiết kế trước Thuận lợi công tác thi công xây dựng cơng trình, khơng ảnh hưởng đến cơng tác quản lý vận hành - Với phân tích đánh trên, chọn phương để nâng cấp hệ thống Làm thêm tràn bổ sung vai phải đập đất để nâng cao lực xả lũ cho hệ thống hồ chứa + Phương án 2.1: Tràn đỉnh rộng có cửa van: nxBxH = 2x6mx5m; Zngưỡng = +27 + Phương án 2.2: Tràn tự ngưỡng kiểu phím piano: B=30m; Zngưỡng = +32 + Phương án 2.3: Tràn tự ngưỡng đỉnh rộng: B =135m; Zngưỡng = +32 Bảng Kết tính cao trình đỉnh đập theo phương án làm thêm tràn xả lũ Các phương án Cao trình đỉnh đập theo mực nước hồ MNLTK MNDBT MNLKT(P=0.2%) MNL(P=0.02%) MNL(P=0.01%) (P=1%) Zđđ trạng PA2.1 33.84 33.31 32.87 33.5 34.01 34.2 PA2.2 PA2.3 33.84 33.84 33.69 33.71 33.25 33.26 33.7 33.3 34.08 34.00 34.2 34.2 136 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) Theo kết bảng 5: Zđđ theo mực nước hồ < Zđđ trạng, dự án xây dựng thêm tràn xả lũ vai phải đập mà khơng nâng cao trình đỉnh đập cơng trình trạng khác hệ thống Do vốn đầu tư ban đầu để xây dựng hệ thống trạng quy giá trị phương án 2.1, 2.2 2.3 nghiên cứu xem xét thay đổi chi phí xây dựng tràn 4.3 Độ tin cậy yêu cầu hệ thống Mỗi phương án nâng cấp tính với mức bảo đảm an toàn 1/100; 1/200; 1/500; 1/1000 1/10000 Trong nghiên cứu này: D tính đơn giản giá trị rời rạc có từ việc thống kê thiệt hại nông nghiệp nhà cửa hộ dân theo chiều sâu ngập lụt, với tần suất giả định mức ngập lụt hạ du khác Thiệt hại D xác định theo bảng 6, thiệt hại D ứng với mức đảm bảo 1/200 1/1000 nội suy giả định Bảng Thiệt hại theo mức ngập lụt Đơn vị: tỷ đồng Thiệt hại D theo mức ngập lụt TT Khoản mục H = 1.3m; H = 1.1m; H = 0.8m; P=1/10000 P= 1/500 1/100 Lúa 63.2 61 54 Hoa màu 16.5 16 12.7 Thiệt hại sở vật chất, đời sống 48 hộ dân vùng hạ du tránh cố vỡ đập 5.1 4.8 2.2 Hỗ trợ ổn định đời sống 1.1 1.1 1.1 Xây dựng nhà 4.1 4.1 Tổng thiệt hại 90 87 72 Từ kết tính bảng 7, C đạt giá trị nhỏ ứng với Phương án 2.1 có mức đảm bảo an tồn cho hệ thống P =1/10.000 Mặt khác, việc nâng mức đảm bảo an toàn cho hệ thống lên mức P = 1/10000 phù hợp xem xét đến tác động BĐKH gia tăng sở hạ tầng cần bảo vệ khu vực hạ du đáp ứng tiêu chuẩn ICOLD đặt với hệ thống đầu mối hồ chứa Cam Ranh Như vậy, với số liệu thu thập giả định đầu mối hồ chứa: phương án 2.1 chọn làm phương án nâng cấp hệ thống mức đảm bảo P = 0.01% độ tin cậy yêu cầu để thiết kế hệ thống Bảng Tổng chi phí xây dựng tràn bổ sung Đơn vị: tỷ đồng Tần suất Pf Thiệt hại: D 0.01 72 0.005 76.3 TT Rủi ro RPf Chi phí đầu tư xây dựng Tràn bổ sung: Ipf Tổng chi phí đầu tư xây dựng tràn bổ sung (Cpf) = Rpf +Ipf PA2.1 PA2.2 PA2.3 PA2.1 PA2.2 PA2.3 0.72 33 36 44.2 33.72 36.72 44.92 0.382 33.2 37.1 45.6 33.582 37.482 45.982 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) 137 Tần suất Pf Thiệt hại: D 0.002 87 0.001 0.0001 TT Rủi ro RPf Chi phí đầu tư xây dựng Tràn bổ sung: Ipf Tổng chi phí đầu tư xây dựng tràn bổ sung (Cpf) = Rpf +Ipf PA2.1 PA2.2 PA2.3 PA2.1 PA2.2 PA2.3 0.174 33.29 36 44.2 33.464 36.174 44.374 89 0.089 33.35 38.5 46.8 33.439 38.589 46.889 90 0.009 33.4 39.7 47.9 33.409 39.709 47.909 4.4 Thiết kế tràn bổ sung theo độ tin cậy yêu cầu Độ tin cậy yêu cầu P = 0.01% trùng với tần suất tính tốn bảng thông số tràn bổ sung theo phương án 2.1 tính tốn mục 4.3 có kích thước sau: - Hình thức kết cấu tràn: Tràn dọc bê tông BTCT, ngưỡng đỉnh rộng, có cửa van; - Zngưỡng tràn = +27; Z đỉnh cửa van = +32; Kích thước ngưỡng tràn (nxBxL) = 2x6mx16m; - Tổng chiều dài tràn: 166.60m; Chiều dài chiều rộng sân trước: 15.0m; 13.2m; - Chiều dài chiều rộng dốc nước: 60.0m; 13.2m; Độ dốc dốc nước: 15%; Chiều dài, chiều rộng chiều sâu bể tiêu năng: 40.5m; 19.0m; 4.5m; Chiều dài chiều rộng sân sau: 35.1m; 17.35m Nhận xét: Với số liệu thu thập giả định mức thiệt hại hạ du hồ Cam Ranh, tràn bổ sung có kích thước hệ thống đáp ứng mức đảm bảo an toàn P = 0.01% KẾT LUẬN Nghiên cứu giới thiệu trạng hồ đập công tác sửa chữa nâng cấp hồ chứa nước Việt Nam để đảm bảo an tồn cho cơng trình đầu mối vùng hạ du Bài báo sử dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro để tìm phương án tối ưu theo quan điểm kinh tế nâng cấp sửa chữa đầu mối hồ chứa nước Trên sở biến ngẫu nhiên thu thập từ đầu mối hồ chứa thủy lợi Cam Ranh số giả định thiệt hại vùng hạ du hồ chứa, tác giả xác định mức đảm bảo an toàn hệ thống để đáp ứng với mức rủi ro cho phép vùng hạ du từ tìm phương án nâng cấp hệ thống thiết kế tràn bổ sung theo lý thuyết độ tin cậy Nội dung báo tài liệu tham khảo thiết thực cho công tác thiết kế, nâng cấp sửa chữa quản lý an toàn hồ đập Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO Công ty TNHH Tư vấn Trường Đại học Thủy lợi, (2021), Báo cáo dự án nâng cao lực xả lũ hồ chứa nước Cam Ranh Mai Văn Công, (2007), Thiết kế cơng trình theo lý thuyết ngẫu nhiên phân tích độ tin cậy, Trường Đại học Thủy Lợi Nguyễn Văn Mạo, Nguyễn Hữu Bảo, Nguyễn Lan Hương, (2014) Cơ sở tính độ tin cậy an tồn đập, Nhà xuất Xây Dựng Tổng cục Thủy Lợi, (2021), Đề án bảo đảm an ninh nước giai đoạn 2021-2030, tầm nhìn đến năm 2045 138 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) Abstract: DETERMINATION OF RELIABILITY REQUIREMENT WHEN UPGRADING REPAIR HEADWORKS OF RESERVOIRS BY RELIABILITY THEORY AND RISK ANALYSIS Headworks of reservoirs were constructed in different periods, so many dams have not fully met the requirements for: design documents, design methods, construction techniques and maintenance work of the construction system Therefore, the safety level of works is often lower than the current regulations and standards, and many dams have failed as well as potential risks of unsafety of the reservoir If earth dams are broken, it will cause flooding and great loss of life and property to the downstream area, so the upgrading and repair of headworks of reservoirs in combination with improving the capacity of dam safety management should be improved Currently, the upgrading and repair of headworks is calculated by the deterministic method and have met the technical and economic requirements, but there is not much quantitative relationship with flood risk of the downstream areas Therefore, the decision to choose the option to upgrade and repair the system is highly effective and ensures the required reliability according to the acceptable risk level of the downstream area, the study introduces how to choose the optimal option when upgrading the focal system of the reservoir, the theory of reliability and risk analysis Apply the calculation results to choose the option when upgrading the Cam Ranh reservoir head system in Khanh Hoa province to meet ICOLD's flood prevention standards and design additional spillways according to the required reliability Keywords: Safety assurance level, required reliability, risk analysis, dam safety, failure probability Ngày nhận bài: 09/3/2022 Ngày chấp nhận đăng: 31/3/2022 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) 139 ... phục, sửa chữa bảo đảm bảo an tồn cơng tác xử lý cố đập, hồ chứa thủy lợi NÂNG CẤP, SỬA CHỮA HỆ THỐNG ĐẦU MỐI HỒ CHỨA THEO THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO 3.1 Phân tích độ tin cậy hệ. .. phép) hệ thống [ PfHT ] kết luận việc nâng cấp hệ thống theo yêu cầu thực tế (Nguyễn Văn Mạo, nnk 2014) 3.2 Xác định độ tin cậy yêu cầu hệ thống theo phân tích rủi ro ngập lụt 3.2.1 Thiết kế hệ thống. .. định lựa chọn phương án nâng cấp sửa chữa hệ thống hiệu đảm bảo độ tin cậy theo yêu cầu, báo giới thiệu cách ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro để lựa chọn phương án tốt ưu nâng cấp