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

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 TỒN CHO HỆ THỐNG KIỂM SỐT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SƠNG ĐỒNG NAI – SÀI GỊN 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 SỐT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SƠNG ĐỒNG NAI – SÀI GÒN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trin ̀ h thủy Mã số: 62-58-02-02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS MAI VĂN CÔNG GS.TS FRANZ NESTMANN HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Chữ ký Lê Xuân Bảo i LỜI CÁM ƠN Trong trình thực luận án tiến sĩ “Ứng dụng phương pháp phân tích rủi ro lý thuyết độ tin cậy để xác định mức bảo đảm an tồn cho hệ thống kiểm sốt ngập lụt vùng hạ du sơng Đồng Nai – Sài Gịn”, tác giả nhận quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện mặt quan, đơn vị, nhà khoa học, gia đình, bạn bè đồng nghiệp Tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện mặt thầy Ban Giám hiệu trường Đại học Thủy Lợi, tới Phòng Đào tạo Đại học Sau đại học, Khoa Cơng trình, Bộ mơn Thủy cơng, quan công tác Viện Thủy Lợi Môi trường Cơ sở - Trường Đại học Thủy Lợi; Trân trọng cảm ơn quan, đơn vị hữu quan tận tình giúp đỡ tác giả q trình thu thập thơng tin, tài liệu tham khảo thực luận án; Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến nhà khoa học quan tâm, chia sẻ, đóng góp bổ sung nhiều thơng tin bổ ích thơng qua hoạt động khoa học liên quan đến luận án suốt trình thực hiện; Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến cố GS.TS Nguyễn Văn Mạo, người gợi ý cho tác giả định hướng khoa học hướng dẫn hoạt động nghiên cứu ban đầu luận án; Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Mai Văn Cơng GS.TS Franz Nestmann tận tình hướng dẫn q trình thực hồn thành luận án này; Và sau cùng, tác giả ghi nhận bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp quan tâm, động viên, chia sẻ tạo điều kiện cho tác giả suốt trình thực hồn thành luận án Lê Xn Bảo ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG xvii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MỨC BẢO ĐẢM AN TỒN HỆ THỐNG KIỂM SỐT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SƠNG ĐỒNG NAI – SÀI GỊN 1.1 Tổng quan ngập lụt vùng hạ du sơng Đồng Nai-Sài Gịn 1.1.1 Hiện trạng ngập lụt 1.1.2 Hiện trạng quản lý ngập lụt vùng hạ du sông ĐN-SG khu vực TP.HCM 13 1.2 Luận giải vấn đề nghiên cứu .18 1.3 Tổng quan phương pháp phân tích rủi ro lý thuyết độ tin cậy .19 1.3.1 Phương pháp phân tích rủi ro Lý thuyết độ tin cậy 19 1.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC cho hệ thống KSNL giới 21 1.3.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC phân tích an tồn cho hệ thống KSNL Việt Nam vùng hạ du lưu vực ĐN-SG 22 1.4 Kết luận Chương 26 CHƯƠNG 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 hệ thống KSNL 30 2.1.4 Đánh giá rủi ro 31 2.1.5 Ra định dựa kết phân tích rủi ro 31 2.2 Phân tích độ tin cậy cho chế cố 31 2.2.1 Khái niệm chế cố 31 2.2.2 Phân tích độ tin cậy chế cố theo Cấp độ II phương pháp FORM 36 iii 2.2.3 Phân tích độ tin cậy chế cố theo toán Cấp độ III- Mô ngẫu nhiên Monte-Carlo 40 2.3 Phân tích độ tin cậy hệ thống 42 2.3.1 Khái niệm Hệ thống 42 2.3.2 Các hệ thống liên kết 43 2.3.3 Phân tích hệ thống 44 2.4 Kết luận chương .47 CHƯƠNG XÂY DỰNG CÁC BÀI TOÁN ỨNG DỤNG PTRR & LTĐTC CHO HỆ THỐNG KSNL VÙ NG HẠ DU SÔNG CHỊU ẢNH HƯỞNG KẾT HỢP CỦA THỦY TRIỀU VÀ LŨ 48 3.1 Hệ thống kiểm soát ngập lụt đa thành phần vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp thủy triều lũ .48 3.2 Phân tích rủi ro xác định mức bảo đảm an toàn tối ưu cho hệ thống KSNL .49 3.3 Phân tích độ tin cậy hệ thống cơng trình KSNL 52 3.3.1 Phân tích độ tin cậy hệ thống cơng trình KSNL 52 3.3.2 Các bước phân tích độ tin cậy cho hệ thống cơng trình KSNL 53 3.3.3 Phân tích thống kê số liệu 55 3.3.4 Phân tích độ tin cậy cho cơng trình cống dạng trụ đỡ 56 3.3.5 Phân tích độ tin cậy cho cơng trình đê bao 61 3.3.6 Phân tích độ tin cậy cho cơng trình kè tường đứng 66 3.4 Phân tích rủi ro cho vùng bảo vệ 68 3.4.1 Xây dựng đồ ngập lụt 69 3.4.2 Thiết lập hàm thiệt hại 69 3.4.3 Thiết lập đồ thiệt hại 71 3.4.4 Phân tích xác định giá trị rủi ro, thiết lập đường cong rủi ro đồ rủi ro 72 3.5 Các phần mềm hỗ trợ phân tích độ tin cậy 72 3.5.1 Phần mềm BestFit 72 3.5.2 Phần mềm Vap 73 3.5.3 Phần mềm OpenFTA 74 3.6 Kết luận Chương 74 CHƯƠNG 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 75 4.1 Mơ tả hệ thống cơng trình kiểm sốt ngập lụt thiết lập biên phân tích 75 4.2 Phân tích độ tin cậy cống Phú Định 78 iv 4.2.1 Mô tả cống Phú Định thiết lập sơ đồ cố 78 4.2.2 Cơ chế cố nước tràn qua cống 79 4.2.3 Cơ chế cố khả chịu tải khối móng quy ước 81 4.2.4 Cơ chế ổn định cống Phú Định khả chịu tải trọng đứng cọc 83 4.2.5 Cơ chế cố khả chịu tải trọng ngang cọc 85 4.2.6 Cơ chế cố ổn định thấm qua cống 86 4.2.7 Tổng hợp xác suất cố cống Phú Định 88 4.3 Phân tích độ tin cậy cơng trình đê bao sơng Cần Giuộc 91 4.3.1 Mô tả công trình đê bao sơng Cần Giuộc thiết lập sơ đồ cố 91 4.3.2 Cơ chế chảy tràn đỉnh đê 92 4.3.3 Cơ chế cố ổn định trượt mái 93 4.3.4 Cơ chế cố lún thân đê vượt giá trị lún tới hạn 94 4.3.5 Cơ chế hư hỏng xói ngầm đẩy trồi 95 4.3.6 Cơ chế ổn định thấm cục 96 4.3.7 Tổng hợp xác suất cố đê bao sông Cần Giuộc 97 4.4 Phân tích độ tin cậy kè tường đứng bảo vệ bờ sơng Sài Gịn 98 4.4.1 Mơ tả hệ thống kè tường đứng thiết lập cố 98 4.4.2 Cơ chế nước tràn đỉnh kè 100 4.4.3 Cơ chế cố ổn định trượt sâu 101 4.4.4 Cơ chế cố khả chịu tải đứng cọc 103 4.4.5 Cơ chế cố khả chịu tải ngang cọc 103 4.4.6 Tổng hợp độ tin cậy kè sơng Sài Gịn 104 4.5 Tổng hợp xác suất cố hệ thống cơng trình KSNL khu vực IA1-3, Tp.HCM 105 4.6 Xây dựng hàm đầu tư cho hệ thống cơng trình KSNL 106 4.7 Xây dựng đường cong rủi ro ngập lụt cho vùng bảo vệ 108 4.7.1 Mô ngập lụt thiết lập đồ ngập lụt (theo kịch tần suất) 108 4.7.2 Bản đồ sử dụng đất 109 4.7.3 Xây dựng hàm thiệt hại 110 4.7.4 Thiệt hại vùng bảo vệ 113 4.7.5 Xác định rủi ro ngập lụt 113 v 4.8 Xác định Mức bảo đảm an toàn tối ưu hệ thống KSNL 114 4.9 Đề xuất giải pháp giảm thiểu rủi ro cho hệ thống KSNL khu vực TP.HCM 116 4.10 Kết luận chương 116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .118 i) Những tồn 119 ii) Hướng phát triển 120 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 PHỤ LỤC 129 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1: Vị trí Tp.HCM lưu vực sơng ĐN-SG [2] Hình 2: Các vùng chống ngập theo QH1547 [7] - Giai đoạn .2 Hình 3: Sơ đồ hệ thống KSNL Hình 1.1: Ngập vùng hạ du sơng ĐN-SG năm 2050 trường hợp khơng có cơng trình KSNL [13] .8 Hình 1.2: Mực nước triều lớn năm trạm Phú An giai đoạn 1983 - 2014 .9 Hình 1.3: Một số hình ảnh ngập lụt Tp.HCM sau mưa triều cường Hình 1.4: Biểu đồ quan hệ diện tích cao độ Tp.HCM .10 Hình 1.5: Dự báo tốc độ lún (m) thời kỳ từ năm 2005 đến năm 2050 với mức độ khai thác nước ngầm trạng 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 - Gị Cơng .17 Hình 1.8: Mơ hình chương trình “XtremRisK” [31] .23 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý phân tích rủi ro [33] 29 Hình 2.2: Các bước phân tích rủi ro [33] 29 Hình 2.3: Phân bố xác suất hàm Z [33] 32 Hình 2.4: Định nghĩa biên cố [33] 32 Hình 2.5: Quan hệ hàm tải trọng S hàm sức chịu tải R [33] .33 Hình 2.6: Miền tính tốn tích phân hàm fR,S(R.S) [33] 34 Hình 2.7: Đường đẳng mật độ xác suất hàm kết hợp fR(X1)fS(X2) Vùng bôi đen thể vùng cố X1