Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình biển: Nghiên cứu phát triển ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế tối ưu hệ thống đê vùng cửa sông, ven biển áp dụng cho một hệ thống đê cụ thể khu vực hạ lưu sông Hồng hoặc sông Thái Bình

eeceeccecsessessesssessessessesssessessessusssessessessesssessessessusssessessesssssesseesess 4 1.3.Hiện trạng hệ thống đê, kè huyện Giao Thủy - Nam Định ...--- 9 1.3.1.Một số đặc điểm C

LỜI CAM ĐOAN

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 bồ trong bat kỳ dé tài nào trước đây.

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Tác giả luận văn

Nguyễn Quang Đức Anh

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

sắc tới TS Mai Văn Công - Khoa Kỹ thuật biển - Truong Đại học Thuy loi đã tận tình hướng dan, chỉ bảo và đóng góp các ý kiến quý báu trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

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

và kinh nghiệm của các thay cô giáo trong khoa Kỹ thuật biển, Phòng Đào tao Đại học và sau đại học; tập thể lớp cao học I9BB- Truong Đại hoc Thuỷ lợi cùng toàn thể gia đình và bạn bè đã động viên, khích lệ, tạo điêu kiện thuận lợi về mọi mặt dé

tác giả hoàn thành luận văn này.

Trong quá trình thực hiện luận văn, do thời gian và kiến thức còn hạn chế

nên chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thay cô, đồng nghiệp dé giúp tác giả hoàn thiện về mặt kiên thức trong học tập và nghiên cứu.

Xin trân trọng cam on!

Hà Noi, ngày tháng năm 2013

Tác giả

Nguyễn Quang Đức Anh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 52-52 2S 2k 2E 211271271211211211 11211211 111111211 1111121111 ke 1

1.1.Giới thiệu CHUN eeceeccecsessessesssessessessesssessessessusssessessessesssessessessusssessessesssssesseesess 4

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

¡1 ccc cccccceeceecceccceccccecceeeesesuuauaueeeeeeeeeeeeeeeeeeesssssssasneeeeeeeeeeees 10

1.3.2.Đánh giá hiện trang đê, kè trên dia bàn huyện Giao Thủy 14 1.4.Téng quan phương pháp thiết kế: -¿ 2¿2¿©5£++£+£E£2EE£EE+zExezrxrrrerree 16

1.4.2.Phương pháp thiết kế ngẫu mhiGne cee eeccccsecseesseessesssecssesseeesecssessseeseessesseeens 18 1.5.Kết luận chương Lte.ceecccccccccccssscsessessessessessessessssvcsecsecsessessessssuesussecsessessesseseeescaes 18 CHƯƠNG 2.LÝ THUYET ĐỘ TIN CẬY VA PHAN TÍCH RỦI RO 20 TRONG THIẾT KE HỆ THONG PHONG CHONG VÀ XÂY DỰNG CÁC BÀI

2.1.Giới thiệu chung [7]: 2 + 5E+E£2EE+EE+EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkrrkerrrree 20

2.2.Tóm tắt cơ sở lý thuyẾt [7]: - ¿-©5£+S£+EE+EE+EE£2EE2EESEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkrrkerkeee 21

2.2.1.Phân tích rủi rO: ¿- +52 £+SE+Ek£EE£EEEEEEEEEE212112117171121121111 111.1 cre 21

2.2.3.Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên: - -2-525+25+25+2 25

2.3.Các bài toán trong thiết kế ngẫu nhiên công trình phòng chống lũ — Ứng dung

của chúng cho khu vực Giao Thủy — Nam Định +5 + + x++ccssersseresrexes 32

2.3.2.Bài toán mẫu 2 -1: Tối ưu tiêu chuẩn an toàn theo quan điểm kinh tế: 41 2.3.3.Bai toán mẫu 2-2: Tiêu chuẩn an toàn tối ưu theo rủi ro cá nhân 46

CHƯƠNG III.MÔ HÌNH NGAP LUT HUYỆN GIAO THỦY — NAM ĐỊNH 50

EE2ì8‹00 0010 Ả.ốốố 53

3.4.Điều kiện ban đầu: c.cceccscessessessessessessssssssessessessusssessessecsssssssessessesssessesseesesesees 55

3.6.1 Kich ban 0n 62 3.6.2 KICH bản 2: c1 0111201111111 11111 KT HH KH ret 63 3.7.Kết luận chương 3 -:- ¿©52St+SE2E2E12E1E712112112711112112111111 2111111 64

CHƯƠNG IV.ỨNG DUNG LÝ THUYET ĐỘ TIN CẬY TRONG THIET KE TOI

UU HE THONG PHONG CHONG LŨ HUYỆN GIAO THUY - NAM ĐỊNH 66

4.1.Bài toán 1 - Xác định xác suất xay ra sự có, đánh giá an toàn hệ thống đê, kè

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

4.2.3.Tổng chi phí đầu tư Ip¿: -¿-©2¿2S¿22+2E++EE2SEEEEEEEEEEEEEEkrrrkrrkrerkree 86 4.2.4.Ước lượng thiệt hại kinh tế khi có lũ xảy ra PV(P;#D) -2-55c- 87

4.3.Bài toán 3 — Xác định Tiêu chuan an toàn của hệ thống hệ thống phòng chống

Li của huyện Giao Thủy — Nam Dinh theo rủi ro cá nhân cá nhân: 91 4.3.1.Xác định chi số rủi ro cho một cá nhân sinh sống trên dia bàn huyện Giao

1/11 91

'Vh0( 0 00h aaaODO Ả Ô 96

5.3 Kim nhs nh 45444354 98

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 mat ôn định kết cau bảo vệ mái 71 Bang 4 5: Xác suất xảy ra su cô va ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế

Bảng 4 6: Xác suất xảy ra sự cố và ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế

mat ôn định kết cấu bảo vệ mái tính theo TC Thiết kế kỹ thuật đê biển 2012 73

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

Bang 4 9: Các biến ngẫu nhiên của cơ chế xói ngầm, đầy trồi - 77 Bang 4 10: Xác suất xảy ra sự cố và ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế KOU QAM ẽ ễ^“'®^”-.- 78

Bang 4 11: Xác suât xảy ra sự cô và anh hưởng của các biên ngau nhiên đên cơ chê

;;00 i0 78 Bang 4 12: Xác suất xảy ra sự cô trượt mái đê phía biển và đê phía sông 81 Bang 4 13: Bang tổng hợp xác suất xảy ra SỰ CO vecceccecscesessseseesessessessessessessesseaes 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 DInh 0 1A 85

Bảng 4 16: Quan hệ giữa tan suất đảm bảo phòng lũ với chi phí đầu tư nâng cấp hệ

Bang 4 17: Chi phí quản lý vận hành hang năm tăng them theo Tần suất thiết ké 86

Bảng 4 18: Chi phi đầu tư nâng cấp hệ thống đê Iyy và Chi phí quan lý vận hành

Bảng 4 19: Thiét hại kinh tế do lũ lụt gây ra tai các huyện ven biên Nam Định 88 Bang 4 20: Quan hệ giữa tần suất đảm bảo phòng lũ tổng chi phí đầu tư, chi phí rủi

Bảng 4 21 - Tỉ lệ dân số tử vong theo độ sâu ngập lụt -¿-s¿-s¿-: 94 Bảng 4 22: Số người tử vong khi lũ lụt xảy ra -5¿©52©5s+cxccxccxcerserxerxcres 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 thé 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 5- 13

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

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

Hình 2 3: Định nghĩa xác suất xảy ra sự có và chỉ số độ tin cậy [7I 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 có hệ thống phòng chống lũ huyện Giao Thủy - Nam

DAD 017 35 Hình 2 8: Cơ chế xói chân đê [8] ¿¿ 522+++‡EEEtrtEErrrrriirrrriirirri 39

Hình 2 11: Phân bố Độ sâu NGAP Ut 0111717 48 Hình 3 1: Địa hình khu vực nghiên cứu và chỉ tiết lưới tính đoạn đê hữu Hồng 51

Hình 3 2: Số hóa địa hình huyện Giao Thủy — chỉ tiết lưới tính đoạn đê biên 52

Hình 3 4: So sánh mực nước thực do 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 DAD 0 - 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

Hình 3 8: Hình anh Huyện Giao Thuy 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

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

Hình 3 12: Biến trình độ sâu ngập lụt tại một số xã trên địa bàn H.Giao Thủy — Kich ban 00 a ÔÒỎ 62 Hình 3 13: Biến trình độ sâu ngập lụt tại một số xã trên địa bàn H.Giao Thủy — S000 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 biển ngẫu nhiên đến xác suất xảy ra sự cô của cơ chế mat ôn định két câu bảo vệ mái với chiêu dày áo kè hiện tại - ‹ 72

Hình 4 4: Anh hưởng của các biên ngầu nhiên đên xác suât xảy ra sự cô của cơ chê mat ôn định kết cầu bảo vệ mái với chiều day 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 đầy trôi 79

Hình 4 8: Hệ số ôn định mái dốc đê phía biển SF„¡a =1.501 với mặt cắt đại diện đê biển Giao Thủy — Nam Định ¿- ¿5£ +seSE#EESEE9EEEEE2112112112121711111 1.1.1 te 80 Hình 4 9: Hệ số ồn định mái dốc đê phía đồng SF„„„= 1.805 với dai diện mặt cắt đê biển Giao Thủy — Nam Định 2-2 c k9 ềEE£EE£EEEEEEE121121171E11717111 1.1.1 xeE 80 Hình 4 10: Tổ hợp xác suất xảy ra sự cô hệ thống đê biển Giao Thủy hiện tai 82

Hình 4 11: Tổ hợp xác suất xảy ra sự có hệ thống đê biên Giao Thủy thiết kế theo TC kỹ thuật thiết kế đê biển 20 12 -¿ 2¿ 2¿©2+2+++EE+2EEtEEEEEEEEEEESEErrrkrrkrerkree 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 19300 - -©E+SE+EE+EE2EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkrrrree 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 cấp thiết của đề tài

Tại Việt Nam, đê điều là công trình quan trọng được xây dựng, tu bố 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 đây 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 thong đê điều cũng như tác động trực tiếp của con người đối với đê ngày càng tăng va có diễn bién 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 thong kê va 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

có 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 gan 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 chuan 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 bắt 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 Namở thời điểm hiện tại và tương lai

là vô cùng cân thiệt.

2 Mục đích của dé tai

- _ Xây dựng được phương pháp đánh giá an toàn hệ thông 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 thông vùng cửa sông, ven biên;

Ung 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 tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Ung dụng lý thuyết độ tin cậy va 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 biên;

- Keé thừa các kêt quả nghiên cứu liên quan tới hệ thông dé vùng cửa sông, ven

biên.

Với những nội dung và lý do kế trên học viên đã lựa chon 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 ITI: 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 TONG QUAN VAN DE NGHIÊN CUU

1.1 Giới 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

miên của đât 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 biến trên thế giới là hướng ra biển, các thành phố lớn tập trung ven biển, phát triển về tài nguyên biên, 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 dep, tạo ra các vùng trú ân 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 tai Các sự kiện thiên tai lũ lụt gần đây mang tính lịch sử phải kế 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 thiêu rủi ro do lũ lụt hiện nay được đặc biệt quan tâm tại nhiều quốc gia trên thế giới.

1.1.1 Trên thế giới

Một số các dấu ân khoa học và các chương trình nghiên cứu tiêu biểu ngoài

nước liên quan đến an toàn phòng chống lũ lụt và an toàn đê điều, phát triển ứng

dụng lý thuyết độ tin cậy trong an toàn hệ thống, an toàn công trình có thể kế đến như sau:

Hà Lan: Là quốc gia đi đầu trong công tác phòng chống lũ Hà Lan liên tục đầu tư nghiên cứu và đi đầu trong KHCN thuộc lĩnh vực này Lý thuyết độ tin cậy

đã được đưa vào ứng dụng thiết kế các hợp phần quan trọng của các chương trình Đồng bằng (Deltaplan) từ nhừng năm 70 Lý thuyết độ tin cậy tiếp tục được phát triển và mở rộng ứng dụng liên tục và trở thành các môn học bắt buộc trong khối ngành kỹ thuật xây dựng từ những năm 1985 Tiêu chuẩn thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy được cập nhật vào các năm 1990, 1995 va 2000 Dự án VNK được thực hiện

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, van dé 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 ké đến các giá trị khác không quy về tiến được như văn hóa, lịch sử, môi trường vv

Anh Quốc 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 tat 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 khăng 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 dé 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.

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 chuyên 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 [B].

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 [B]=4.2.

Nga và Trung Quốc: Đã ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong định lượng an toàn công trình thông qua các tiêu chuan kỹ thuật bằng độ tin cậy cho phép [B] 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 cau cụ thé bằng những giá tri độ tin cậy cố định Ví dụ

độ tin cậy của kết cau bê tông cét thép 3,6 < < 4,2 Nga dùng độ tin cậy B dé 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 P; Giá trị này thé hiện kha năng xảy ra

sự có 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

Dé đánh giá một cách tông quan về công tác đê điều và van dé an toàn phòng

chống lũ lụt hiện tại tại Việt Nam có thê 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 6 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 tồn 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 đồi 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 thông cảnh báo dự báo, thông tin liên lạc, cứu hộ cứu nan 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 6n định va 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, chuyên 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 day 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 thé 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 va Bắc Trung bộ: dài 5.620km, có nhiệm vụ bảo vệ chống

lũ triệt dé, 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 va Nam Trung bộ: có tông

chiều dài 904km

= Hệ thống a

4.015km.

sông, bờ bao khu vực Đồng bằng sông Cửu Long: có chiều dồi

“Trong điều kiện phát tiễn kinh tẾ xã hội cia đắt nước hiện nay, những yêu

cầu về việc bảo vệ các khu dan cư và kinh tế chống lại sự tan phá của bão, lũ, nước

dâng ngày cing trở lên cắp bách Bên cạnh việc củng cổ, nâng cắp cúc hệ thing để

đã có, việc qui hoạch bảo vệ bir sông, bờ biển và xây dựng các hệ thing đề mới

dang được đặt ra ở cả bà miỄn của đắt nước

Hiện nay với vin dễ đội khí hậu toàn, Việt Nam là một trong các nước trên

thể giới chịu ảnh hưởng nặng né nhất, Ngoài ra, xu hướng phát triển của Việt Nam

cũng như các nước có biển thé giới là hướng ra biển, các thành phố lớn tập trung ven b , phát triển về tài nguyên biển, du lịch và giao thông thủy Do đó, hệ

thống dé và các công tình bảo vệ bờ có vai rồ h fe quan trọng, ngoài nhiệm vụ bảo vệ dân cu và các cơ sở hạ ting, còn có nhiệm vụ tạo ra các địa điểm du lịch

nghỉ đường, cảnh quan thiên nhiên tươi đẹp, tạo ra các vùng trú dn cho tàu thuyền,

bảo vệ cảng khi có giớ bão.

1-3 Hiện trang hệ thống đề, kè huyện Giao Thủy - Nam Định

Gino Thuỷ là một huyện ven biển của tỉnh Nam Định, nằm ở ria đồng bằng

6 Nam Định 45 km về phía Nam: Phía Tay Bắc

giáp với huyện Xuân Trường, phía Tây Nam giáp với huyện Hải Hậu, ranh giới với.

châu thé 1g Hồng, cách thành pl

hai huyện này là con sông Sd phân lưu của sông Hồng Phía Bắc và Đông Bắc tiép

giáp với tỉnh Thái Bình mà ranh giới là sông Hồng (chính Bắc là huyện Kiến

"Xương, Đông Bắc à huyện Tiên Hii), Cục Đông là của Ba Lạt ca sing Hồng, cục

Nam là thị rắn Quất Lâm

Huyện Giao Thủy có đ 0 ích tự nhiên là 23.799,64 ha, với số dân sinh sống trong vũng là 205.075 người (số liên thống kê năm 2010) được bao bọc bởi sông và

biển Huyện Giao Thủy có 32km bi biển, nằm giữa 2 cửa sông lớn à ông Hồng và

sông Sò.

phòng chống lũ huyện Giao Thủy bao gồm: 31.161 km dé biển tir

K0+000 đến K31+161 và gần 30km dé sông trong đó đoạn đê Hữu Hồng dài 11.702

ke có vị tí từ K208+000 đến K2194702 (Xem bản đồ tổng thé hộ thng phòngchống lũ Huyện Giao Thủy ~ Nam Định hình 1-1),

Tình 1 1: Bản dé tổng thé Hệ thống đề, kè Huyện Giao Thủy ~ Nam Dinh1.3.1 Một số đặc điểm Công trình phòng chống lũ trên địa bàn Huyện Giao

Thủy:

a, Dé, kề biển:

Năm 1997 ~ 2001 đ Biển Nam Định được đầu tư bằng nguồn vốn PAM để

nâng cấp những đoạn để xung yêu, và từ năm 2001 ~ 2004 bằng nguồn vốn của

“Trung ương xây dựng thêm được một số doạn ké có kết cấu như kè PAM Trong đỏtuyển dé Giao Thuỷ được nâng cấp với chiều dài: 2580 mét Tai các vị trí : KI5.603

+ KI5.903; K20.350 + K22.267; K 23.685 + K23.935 đoạn này nằm chủ yếu tại Cổ

Vay, cống Thanh niên , Ang Giao phong Các thông số mặt cắt điển hình của các

đoạn đê này như sau:

= Mặt để B = 4,0 m; Cao trình mặt (45.5); m= 4; mụ= 2.

= Mái đê phía biển gia cổ như sau:

+ Từ cao độ (+3.5) + mặt bãi (0.00 + -0.5) lát cầu kiện bê tông (0.4*0.4* 0.28) + Từ cao độ (13.5) + mặt dé (+5.5) đá lát khan dày 0,35 m

+ Chân khay chôn ống buy BTCT M200# diy 10cm 4 100; L = 1,5m trong xếp

đã hie.

= Cao trình đình chân phía biển +0.0m;

= Cao trình đỉnh chân kè: -2.0m;

~ Mai trong trồng c6 thường trong khung BTCT M200,

Ngoài những kề có kết cfu như trên dé biển Giao Thuỷ còn những kể cổ kết

cắn bằng đ lt khan, d xây mái m =3: m=3, Nhưng do phải trụ diện với biển nên

các kẻ thuộc tuyển dé biển Giao Thuỷ có nhiều chỗ bị hư hỏng

[Ang Giao Phong hiện tại đều có những vị trí bong xô.

~ Kẻ Đông công số 9 đã được tu bổ đoạn dài 100m năm 2004 các đoạn khác

trong đợi thing 6-7 liên tục bị bong, sip.

~ Doan từ KO K12+600 ao độ hiện tại chỉ đạt (3.90 + +4.20) thiểu cao tinh từ (080- 1.10 m);

= Đaạn từ K12+600 - K25+091 cao độ hiện tại đạt (+4.50 = +5.00) đoạn đề này

được đắp theo chương trình dự án PAM 5325

= Từ KI6.6I+00 = K24+00 mặt dé đã được ri cá ip phối B= 3 m nhưng nhiều đoạn

Do được tôn cao áp trúc nhiều lẫn, chất lượng đề nhiều khi không được đảmbảo, mặt dé bị cày xới do công nông di lại Một số đoạn đê được đắp bằng cắt bọcđất thịt (đoạn từ K221400 + K27+ lớI), mặt và mái đê bị nước mưa xối thành rãnhlàm thu hẹp mặt cắt để cục bộ có chỗ chi còn (1,5 ~ 2,0 mét) mặt dé như đoạn Giao.

Phong + Giao Lâm.

Mặt cit ngang đại diện đề, ké biển huyện Giao Thủy thể hiện trong hình dưới đây:

Hình L 2: Mặt cất ngang đại điện đề, kể biển huyện Giao Thủy ~ Nam Định

b Dé hữu Hồng:

“Trong tổng số gần 30km dé sông của huyện Giao Thủ én đê hữu Hồng

K2194702, Cao trình để từ 44,5 +

có chiều đài là 11.702 km từ K208+000

đ 16 các diện tích ất bãi với nhiều đự án phát triển công nghiệp được wid

lân sinh thuộc 6 xã ven dé và thị trin sôi động Tuyển dé trên còn là đườn

Đồng.

K2081735: Mặt để hiện tại là

= Đối với đomn để hữu Hồng từ K208+153

đường bê tông còn tương đối tốt,

= Đối với đoạn đề hữu Hồng từ K208+735 đến K210+670: Mặt để hiện ti là đường bê tông đã bị hư hỏng nặng, không đảm bảo điều kiện chịu tải cằn thiết

hải bóc ba và gia cổ mới

Hình 1 3: Một số hình ảnh hiện trang tuyển đề, kỳ hữu Hồng

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

eaten

Hin 1 4: Mat edt ngang đại diện để hữu Hồng

1.32, Đánh giá hiện trạng đẻ, kè trên địa bàn huyện Giao Thủy

'Các tuyển 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.

“Tuyển để chạy đài từ cửa sông Hồng ở phía Bắc (đầu tuyển) đến sung Si (Cửa sông

Ha Lan) ở phía Nam (Cuối tuyến) trên địa hình phức tạp có điều kiện địa hình, địachất thay đổi thường xuyên Chịu ảnh hưởng trực tiếp của thuỷ triểu, gió bão, từbiến Đông vừa chịu ảnh hưởng dòng chảy li đỗ vào biển Đông của các sông ngòinội địa, nên những năm qua tuyển bờ biển huyện Giao Thuỷ diễn bi

ii thoải gây

trọng ảnh hưởng đến tuyển đẻ, nhiễu khu vực biển đã ân sâu vào đất iễn phá vỡ để,

n phức tập,

đoạn giữa ty trực đệ với iễn, nh trạng biễn ị lở nghiêm

gây thiệt hại lớn cho nhân dân rong vùng Dặc bit khỉ gặp bảo lớn rự ti

kes hop với tiểu cường tuyến để biển huyện Giao Thuỷ thường xuyên xy ra các sự

sỗ vỡ để, sa, trượt, gây nhiễu tiệt hại đến tính mạng tài sân của nhân din ong

khu vực

Nhigu đoạn dé chất lượng dit đắp thân để và nền dé rất kém, chủ yêu là dắtcất và đất cát pha, dễ sat lở do mưa và sóng Những đoạn đề trực điện với biễn,

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

hoại, do kết cầu mái kè, chân kè bằng các cấu kiện chưa hợp lý (Như kè và phần

mái kề bằng di hộc lát Kham) Một

sống ngắn so với thân đề, hình thức, kết ấu lạc hậu, đã bị hư hông và xuống cấp,

cống qua đê xây dụng ách đây trên 40 năm,

Không ip ứng được yêu c chống lụ bão hiện nay

Mức bảo đảm thiết kế hiện tạ còn thip, do vậy để biển không đáp ứng được

với yêu cầu phòng chống lũ bão hiện nay, Cơn bão số 7 là cơn bão cắp 10-12 giật

12, bảo đổ bộ vào đất đăng lúc triều cường, vượt suất thiết kế dé

(Tuyển đê biển hiện nay thiết kế với mức bảo đảm chống được với gió bão cấp 9

với tiều rung bình ứng với tin suất 5) Tổ hợp bio cộng với tiểu cường là tổhợp bit lợi nhất cho để kề ven biển Với tổ hợp này rt í khi xảy ra, nhưng khi đã

xây ra sẽ gây phá hoại rit nghiêm trọng cho đê kè.

“Trong thời gian gin diy, cũng với sự biển đổi khí hậu toàn cầu, các thiệt hi

do thiên tai có chiều hướng gia ting trên toàn thé giới Các cơn bão có chiễu hướng

trở lên mạnh hơn, trở thành các siêu bão có sức tàn phá năng n, Các hiện tượng,

mưa lớn, gió giật lốc xoáy cũng xây ra thường xuyên hơn Tại nhiều nơi trên thé

giới hiện tượng động đất và sóng thin cũng xây ra thường xuyên và gây nhiễu hậu

‘qua vô cùng nại trọng

“Các hoạt động kinh tế xã hội tại vùng biển và ven biển đã gây ra những thay

446i về môi trường tự nhiên theo bướng bất lợi và lam gia tăng thiên tai và thiệt hại

ccủa thiên ai Ở nhiễu khu vực, rừng ngập man và từng phòng hộ ven biển đã bị mắt

không những gây ra biển đổi v môi trường sinh thái theo hướng có hại, mà cũng làm cho sóng lớn đánh thẳng vào dé biển, gây vỡ để biển và ngập lụt

Quốc tế (PAM) đã khôi phục, nâng cấp, tôn cao áp trúc mặt cắt

phía biển và cứng hoá mặt đê bằng bê tôi

lâm kẻ lát mái đá

đá cắp phối tg Í số đoạn để 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 Ly) Tuy nhiên nếu phải chịu tác

động vượt tần suất thiết kế tên, đề bin Giao Thuỷ Không đủ sức chẳng đỡ, các sự

cổ hư hỏng, sat 16, vỡ để hoàn toàn có thể xây ra

1.4 Tổng quan phương pháp thiết kế:

1.41 Phương pháp thiết kế truyền thống

“Thiết kế trayén thống hiện nay là tính toán công tình theo mô hình tit định

Theo phương pháp này các giá trị thiết kế của tai trọng và các tham số độ bén được

xem là xác định, tương ứng với trường hợp và tổ hợp thiết kế, Người hide kế lựa

chọn điều kiện giới hạn và trong ứng với nó là các tổ hợp ti trong thết kế thíchhợp Giới hạn này thường tương ứng với độ bền đặc trưng của công trình

CCéng trình được coi là an toàn khi khoảng cách giữa ải trọng và độ bền đủlớn dé dim bảo thỏa mãn từng trạng thái giới hạn của tất cả các thành phần công

ình

Tính toán theo cách này mới chỉ giải quyết được hai vấn đề là én định tổng

thé và bn định theo độ bền của công trình

Nội dang các phương pháp thết kế như sau

a Phương pháp ứng suất cho phép,

“Theo phương pháp này, điều kiện bồn có dang

Ganx Š [Ø] 4)

* Trong đó:

+ Gane ứng sult

bất lợi nhất,

toán lớn nhất tại một điểm, xác định từ tổ hợp tải trọng

+ [ol - ứng guấtcho phép, lẤy theo ti liệu, iều chun

b Phương pháp tính theo hệ số an toàn:

Phương pháp này thường được ứng dụng tong tính toán én định Khi đó

công thức kiểm tra là

* Trong đó:

+ K - hệ số an toàn;

+E, - yếu tổ gây ôn định

+ E,- yêu tổ gây mắt dn định;

“+ K.„ - hệ số an toàn cho phép, phụ thuộc cắp công trình và tổ hợp ải trong;

Phương pháp tính toán theo trang 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 kẻ: hé số tổ hợp tải trọng nc, hệ

ỗ 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 thé cho một hệ số an toàn chung K Phương pháp

này phân làm 2 nhóm tinh toán là theo trang tii iới hạn thứ nhất và trang thái giới

hạn thứ 2, Điều kiện đảm bao dn định hay độ bén của công trình là:

n.N, < mRK, đ3)

* Trong đó

+ Nq- tr số tính toán của tải trọng tổng hợp;

+R 6 tính toán của độ bên công trình

1.42 Phương pháp thiết kế ngẫu nhĩ

Trong trường hợp tắt cả các nguyên nhân xây ra hư hỏng công trình có thể ligt kê và xác suất xây ra hư hỏng đó có thể chắc chi được xác định thì vỀ nguyên

tắc có thể xác định được xác suất xây ra sự cổ, Vì vậy, hoàn toàn có thể đưa ra một

phương pháp tiếp cận mới rong 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 phan tích rủi ro

cho tit cả các yếu tổ liên quan” Đây là lý do cơ bản của sự phát triển phương pháp

“Thiết kế công trình theo lý huyết ngẫu nhiên và phân ích độ tn cậy”

Phương pháp thiết kể ngẫu nhiên là phương pháp thiết kế dựa trên cơ sở toán.

xắc suất thing kế dé phân tích tương tắc giữa các biển ng nhiên của tải trọng và của sức chịu tải tong các cơ chế phá hoại theo giới hạn làm việc của công

Trong thi nhiên, tat cả các cơ chế phá hỏng được mô tả bởi mô hình.

toản hoặc mô hình mô phỏng tương ứng Tinh toắn xác suất phá hồng của một bộ

phận kết cầu hoặc của công trình được dựa trên hàm độ tin cậy của từng cơ chế phá.

hỏng Ci sở lý thuyết và ứng dụng của phương pháp thiết kể ngẫu nhiên tác gia di

sâu vào phân tích và nghĩ cứu trong chương IL

Đã từ lầu, hệ thống để và các công trình bảo vệ bờ đóng một vai tr quan

trọng trong việc phòng chéng, giảm nhẹ thiên tai Trong điều kiện hiện nay, hệ

thống đề và các công nh bảo vệ còn có thêm những vai trỏ hét súc quan trong

khác như: đảm bảo an toàn cho các vùng dân cư, đô thị, phục vụ cho các nhiệm vụ.

thing phòng chống lồ cổ nhiệm vụ hết sức quan trọng trong việc đảm bảo kinh

chính trị của tỉnh huyện nói riêng và toàn tỉnh Nam Định cũng như cả nước nói chủng

Phin tích công trnh theo lý thuyết xác suất ong khuôn khổ ý thuyết độ in

cậy là sự phát triển có tinh lôgíc, phát triển dan từng bước từ phương pháp hệ số an

toàn, phương pháp bin ngẫu nhiên, để phân tích các biên tải trong, sức chịu tải của

vật liệu, tính chất kết edu và các điều kiện làm việc của công trình

Việc nghiên cứu mở rộng ứng dụng của phương pháp luận thi kế theo lý

thuyết độ tin cậy kết hợp với phân các yếu tổ tác động, ảnh hưởng đến hệ thông

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 thé cho trường hop nghiên cứu đại diện là hệ thống dé bảo vệ vùng din cư huyện Giao Thủy ~ Nam Định

saabnc

“Trong vài thập ky gin đây, công tác thể

phòng chống lũ khác đã có những phát tiễn đột biến, Tae đây, như thường

đã được thiết kế chủ yếu dựa theo kinh nghiệm Theo đó, cao trình đỉnh dé được xácđịnh căn cứ vào mực nước lũ lớn nhất của các sự kiện lũ lịch sử cỏ thể gh chép

được Tại nhiề nơi trê thể giới, việc thiết kế để, kế biển cũng như để sông được

<a vào Khái niệm "mực nước ứng với tin suất thiết ke Đi với để biển mực nước

xác định dựa trên các liệu thống kế và được gọi là mực nước thiết kể, xácđịnh dựa trên một tin suất thiết

Tin suất suất hiện của mục nước thiết kể được thành lập để dùng áp dụng rộng rai như là một tiêu chuẩn an toàn cho ving được bảo vệ bởi đê, nó được xây

dạng căn cổ vào xác uất xây ra ngập lạ, Tuy nhiên, điều này chỉ đăng cho những

trường hợp lý thuyết khi ma sự cỗ đề xảy ra do nguyên nhân lũ vượt quá mực nước thiết kế, nó không thích hợp khi sự cổ khác xáy 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 thé theo cách tiếp cậntruyền thống là tin suất thiết kế của tải trong và hệ số an toàn cho phép chung và

‘iia từng thành phần công trình, theo từng cơ chế phá hông Theo cách tiếp cận ngẫu

nhiễn và lý thuyết độ tin cây, tiêu chuỗn an toàn là giới hạn về xác suất xây ra sự cổ

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 chẻ phá hỏng có

thể có, Xác suất xây ra sự cỗ của hệ thống công trình có liên quan mật thiết với tần

suất vượt qué của tại trong tác động Tuy nhiên, hai khái niệm không đồng nhất và

không thay thể được cho nhau.

“Trong trường hop tắt cả các nguyễn nhân xiy ra hư hỏng đề có thể ột kể và

xác suất xây ra tùng hư hỏng đó có thể chắc chắn được xác định thì về nguyên tắc

số thé xá định được xác suit xây ra ngập lụt Do hiện tai ec tin toàn này chưa

chưa thể thực hiện ứng dụng d ding trong thiết ké vì vậy thiết kế để hiện ti vẫn

xắc định tn suấthiết kế (tin suất vượt quá của các thông s tải trong chính ) dựa

theo tin suất chấp nhận sy ra ngập I),

Can cứ vào cá ¢ vấn dé nêu trên, xác suất xuất hiện các thông số tai trọng

chính được xây dựng trong tiêu chuẩn thiết kế và được chọn làm tiêu chuẩn đánh giá an toàn phòng chống lũ lục Tại Việt Nam , tần suất mục nước thiết kế v ào

để sông) khoảng từ 1/50

<dén 1/1000, giá trị này phụ thuộc mức độ quan trọng của khu vực được bảo vệ.

Khoảng 1/20 đến 1/100, tin suất thiết kế lưu lượng (đối ví

“Theo ý tưởng của phương pháp luận nêu trên , người ta hoàn toàn có thé đưa.

ra một phương pháp tiếp trong thiết kế công tình với ý tưởng "Cần xem

xét về mức độ có thể xây dựng tiêu chun an toàn công trình căn cứ vào phân tích

ri ro của tắt cả các yếu tiên quan" Đây chỉnh là ý do cơ bản cho sự phátiển

“Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân ích độ tin cây"

2.2 Tôm tit cơ sờlý thuyết]:

2.2.1 Phân tích rủi ro:

heo các báo cáo nghiên cứu về giải pháp giảm thiểu rủi ro trong phòng

tránh lũ lụt và thiên tai của ác nước tiên tiến như Đức, Hà Lan, Nhật, Anh Quốc và

Mỹ, định nghĩa tổng quát nhắt vẻ rủi ro do lũ lạt và thiên tai được các tổ chức khoa

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

ủi ro= (Xác suất xảy ra ngập lụt) x (Hậu quả của ngập lụt) _ (1)

Để giảm thiểu rủi ro do lũ lụt, nhiễu quốc gia đã thực hiện việc vận dụng định nghĩatrên bằng sự kết hợp hai nhóm giái pháp chính:

1) Nhóm giả pháp 1- chống lũ: Giảm xác suit xảy ra ngập lụ, bằng các biệnpháp nâng cao an toàn của các hệ thông phòng chống lũ lụt như gia tăng độcing cổ và nâng cấp các tuyỂn đê, đập và hệ thống ig trình phòng

bảo hiểm lũ lụt wy.

“Theo xu th chúng trên thể giới vẫn để an toàn phòng chống lũ và an toàn

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

+ HG thống đê sông: Bao gồm hai thành phần chính i) các tuyến để, đoạn để

tạo thành “vòng bảo vệ khép ki tho một khu vực din cư vũng được bảo

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

+ An toàn hệ thống đê: bao gồm An toàn én định tuyển đê, đoạn để và an

toàn phòng lũ của vùng được bảo vệ

Như vậy, định gid an toàn hệ thống đề sẽ bao gồm việc đánh giả an toin én

định của vòng đê và việc đánh giá về sự phù hợp của mức đảm bao phòng lũ biện

tại của vùng bảo vệ mà tuyển để mang lại Việc đánh giá nảy có thể thực hiện được.

mmột cách thấu đáo thông qua vận dụng định nghĩa tổng quất rủi ro nêu trên với tiêu

chỉ đạt ra là rủi ro tiềm ting do lũ đe dọa vùng bảo vệ là nhỏ nhất có thể (1).

Dé đính giá đúng mức rủi ro lũ ạt ứng với mỗi kịch bản kết hợp hai nhóm giải

phip tên, việc xác định và mô phòng các thành phần trong định nghĩa (1) là đặc biệt quan trọng.

(Qua tình 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 kế các kiểu nguy cơ và sự cổ có thể xây ra;

+ Dinh lượng hậu qui cho ắt cả các sự cổ có khả năng xây ra

+ Xác định và đánh giá rùi ro;

+ Ra quyết định trên kết quả phân tích rủi ro.

cận tổng quát h giá, phân tích rủi ro ứng dung cho hệ

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

¬ Rear

Hình 2 1: Sơ đổ quá tình phân ch ri ro

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

Trang thái giới hạn là trạng thái ngay trước khi sự cố xảy ra Độ tin cậy làxác suất mà trạng thái giới hạn không bị vượt qua Người ta thường ding các trạng

thai iới hạn để xây dựng, thành lập các him tỉ cậy Công thứ tổng quất của một him tin cậy có dạng 21

ea

* Trong dé: + §~ Độ bền hay khả năng Kháng hư hong:

+S Tải trọng hay khả năng gây hư hong.

Việc tính toán xác suất pha hỏng của một thành phần được dựa trên him tin

cậy của từng cơ chế phá hỏng Ham tin cậy Z được thiết lập căn cứ vào trạng tháigiới hạn tương ứng với cơ chế phá hông đang xem xét va là hàm của nhiều biến và

tham số ngẫu nhiên Theo đó, Z<0 được coi là có hư hông xây ra và hư hông không

xây manda Z nhận các giá tí côn Ii (Z >0)

Trang thái giới hạn là trang thái ma tại đó Z=0 trong mặt phẳng RS; đây

duge coi là biên sự cổ

Xác suất phi hong được xấ định: B= P(Z<0) = P(S>R)

Độ tin cậy được xác định Ib: PŒ>0) -P;

“Trưởng hợp don giản, him tin cậy tuyển tính với các biển ngẫu nhiên cơ bin

phân bổ chuẩn, việc tinh toán xác suất xảy ra sự cổ thông qua hàm phân phối tiêu

chuẩn ®y(-B) bằng cách sử dụng các giá ti kỷ vọng yr, độ lệch chuẳn ơ; và chỉ số

độ tin cậy =gz/øz của him tin cậy.

xây ra sự cổ và chỉ sốHam tin cậy biểu điễn trong mặt phẳng RS và xác su

449 tin cậy được định nghĩa trên Hình 2.2 và 2.3 đưới day:

Z<0 Vũng sự cố

Z>0 Vùng an toàn

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

trò quan trong trong uúc lượng xác suất xay ra sự cổ

24 Cu sử toán học của phương pháp ngẫu nhiên:

a Tinh toán cấp độ I:

Mot cách tổng quất, hiện nay các thiết kế được dựa vào các tiêu chun vàhướng dẫn thiết kể Trong đỏ các thông số độ bén được gia giảm bằng các hệ số đặctrưng, các thông số tải trọng được gia ting bằng các hệ số ải trọng Thể hiện theo

Re ty thy

S Hy thos a

Mot số sich hướng dẫn thiết kế gằn đây da liên kết tinh toán theo biểu thức2.2 với lí thuyết độ tin cậy để tinh toán xác suất xảy ra sự cổ ớ mức độ II Sự kếthợp này được thể hiện trong định nghĩa diém thiết kế "Điểm thiết kế là điểm nằmtrong miễn sự cổ với mật độ xác suất kết hợp của độ bên và ải wong là lớn nhất”

Vi vậy ma giá tị độ bỀn và ti trọng tại điểm sự cổ gin với giá trị ti điểm thiết kể

Tính toán cấp độ II bao gồm một sé phương pháp gin đăng dé biển đổi him

phân phối xác sud sang dang him phân phối chuẳn hay phân phối Gaussian Để xác

inh gin đồng các giá tị xc suất xảy ra sự cổ, quế trình uyễn tính hoa ton học

các phương trình liên quan cin được thực hiện.

Tủy thuộc dang ham tin cậy và phân bổ các biến ngẫu nhiên cơ bản mà các

trường hợp tính toán cắp độ này bao gồm:

+ Trưởng hợp (1): Hàm tin cây tuyển tính với các biến ngẫu nhiên cơ

bản phân bổ chuẩn;

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

+ Trường hop (3): Các in cơ bản không phân bổ chun;

+ Trường hop (4): Các in ngẫu nhiề cơ sở phụ thuộc

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

Trong đó, tu ơ; được tinh theo công thức 2.8 dưới đây:

Z=aIXi +ayX: + + ayXy tb

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

“Trường hợp hàm cậy là hàm phí tuyến của một số iển cơ bản độc lập có

phân bổ chuẩn thi hàm này sẽ không phân bổ chuẩn Có thé sử dụng phương pháp,

khai triển Taylor (ấy 2 số hạng dầu tiên của đa thúc) để xác định hm tin cây Z gần

vào hàm tin cậy có phải là him tuyển tính không Vì vậy, cằn tuyển tính hóa hàm Z

tại đúng điểm thiết kế (điểm thiết kế là điểm nằm trên biên sự cổ với khoảng cách

cđến gốc tọa độ là ngắn nhất) Có nhiều phương pháp để tìm điểm thiết kế thông qua

‘qua trình lặp, nhưng có hai phương pháp thường dùng Li phương pháp giải tích và

phương pháp số.

- Phương pháp đầu tiên dựa vào việc chuẩn hóa ham tin cậy thành him của

các biến tiêu chuẩn, Tọa độ của điểm thiết ké là

(0; (aj8.4,/ 4,Ø) và X;=„y +U/ø,, (3.15)

Điễm thiết ké và giá tị ƒ tim được đựa vào gus tình lập để gi các bì

thức

(ap)

eu,

Z6)J(a/,a,f œ,0)

2.16)

“Trong đó, f(U,, Us, , Up) là hàm tin cậy của các biến cơ bản đã được chuẩn

hóa, a, là hệ số ảnh hưởng của biển i

- Phương pháp thứ bai không cần chuẩn hóa him tn cậy thành him của các

biển ti chuẩn Giá trị 3 được tính theo biểu thức 2.13 với hàm tin cậy được tuyển.

tính hóa tại một điểm Sau đó dùng giá trị này để xác định điểm mới mà tại đó ham

tin cậy là tuyển tính

“Tung hợp này giơ đưc nh eo công hú 217

Nếu bài toán liên quan dén các biến cơ sở ngẫu ngiên không phân bé chuẫnthì him tin cậy cũng không phân bố chuẩn Để có thể áp dụng được phương pháp.đúng cấp độ 11 thì cần phải biển đổi các biển cơ sở này thành các biển cơ sở

phân bổ chuẩn, Khi dé biểu thức 2.19 sau phải hòa mãn tại điểm thiết kế.

ban đầu Rackwitz và Fiessler đưa ra phương pháp chuyên đổi một

có luật phân bố tùy ý sang phân bổ chuẩn Giả tiết rằng gi thực và giá tị sắp xỉ

của hàm mật độ xác suất cũng như ham phân bo xác suất là tương đương nhau tại

tắt phân bó tiêu chuẩn;

Giải hệ phương trình trên thu được:

(2.22)

"Từ hệ phương trình 2.2 cho thấy, độ lệch chun va tung bình gi tỉ xắp xỉcủa hàm phân bố chuẩn phụ thuộc vào giá trị của X tại điểm thiết kế Do đó, trong

<q tình tính toán lập điểm thiết kế và chỉ số độ tin cây cần phải tính luôn giá tị

mới của ơ`, „ tẺ, tại mỗi bước:

* Trường hop (4) ~ Các bién ngẫu nhiền cơ sở phụ thuộc:

các biển ngẫu nhiên cơ sở là phụ thuộc thì chúng phải được biến đổi

sang dang biến độc lập Nếu tổn tại một him liên hệ th hiện sự phụ thuộc giữa các

biển thi có thé rút gon các biến trong him tin cậy, Trong nhiều trường hợp không

xác định được chính xác mối liên hệ giữa các, iến, khi đó cin thiết phải biểu diễn

bằng các mỗi tương quan thing kẻ, Trong những trường hợp như vậy, các biển cơ

sử cổ thể biển đổi được, Phương pháp in đổi tổng quất được sử dụng rộng rãi là

Rosenblatt ~ Tranformation.

Phuong pháp biển đổi Rosenblatt dựa trên him mật độ xác suất kết hợp củamột vector thống kế với các biển cổ phụ thuộc Bit đầu bằng him mật độ xác suấtcủa một vector có n biến ngẫu nhiên, ta có thể xác định các him mật độ xác suất của

n vector tinh phin bằng tích phân,

e Tính toán cấp độ III:

Nén ting của phương pháp tính toán xác suấ xây ra sự cổ cấp độ TIT là mô

phòng toán họ các khoảng tập hợp con sác suất liên quan đến sự cổ.

Nếu him mật độ xác suất kết hợp fis(R, S) của độ bổn R với tải trọng S đãbiết thi xác suất xảy ra sự cổ có thé được tinh theo phương pháp tích phân:

P|Z <0}= P, = ff 1,„(R,S)4RdS (2.23)

VỀ nguyên ắc tích phân này được xác định bing phương pháp giải ch

nhưng đối với các bãi 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 ích phân số và phương pháp Monte Carlo