Nghiên cứu ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro để đánh giá mức đảm bảo an toàn cho hệ thống công trình thủy lợi lấy nước bằng hồ chứa trong điều kiện Việt Nam

Nội dung của bài báo trình bày mục tiêu nghiên cứu và cách tiếp cận đề tài Nghiên cứu ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro để đánh giá mức đảm bảo an toàn cho hệ thống công trình thủy lợi lấy nước bằng hồ chứa trong điều kiện Việt Nam đồng thời trình bày ví dụ ứng dụng lí thuyết độ tin cậy phân tích an toàn công trình trên để làm rõ các vấn đề cần tổ chức nghiên cứu.

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÍ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO ĐỂ ĐÁNH GIÁ MỨC ĐẢM BẢO AN TỒN CHO HỆ THỐNG CƠNG TRÌNH THỦY LỢI LẤY NƯỚC BẰNG HỒ CHỨA TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM ThS Nguyễn Lan Hương – Đại học Thuỷ lợi GS TS Nguyễn Văn Mạo – Đại học Thuỷ lợi TS Mai Văn Cơng – Đại học Thuỷ lợi Tóm tắt: Ứng dụng thiết kế ngẫu nhiên phân tích rủi ro thiết kế cơng trình xây dựng nói chung cơng trình thuỷ lợi nói riêng phổ biến xu chung giới Tại Việt Nam nghiên cứu ứng dụng lý thuyết thiết kế cơng trình bước đầu mở rộng năm gần Nội dung báo trình bày mục tiêu nghiên cứu cách tiếp cận đề tài “Nghiên cứu ứng dụng lí thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro để đánh giá mức đảm bảo an tồn cho hệ thống cơng trình thủy lợi lấy nước hồ chứa điều kiện Việt Nam“, đồng thời trình bầy ví dụ ứng dụng lí thuyết độ tin cậy phân tích an tồn cơng trình tràn để làm rõ vấn đề cần tổ chức nghiên cứu Giới thiệu chung Việt Nam quốc gia có nhiều hồ chứa Để mang lại nguồn lợi lớn, hồ thiết kế với đa mục tiêu, lưu vực khai thác theo hệ thống bậc thang, với hồ nhỏ suối thượng nguồn tạo thành “mạng lưới kiểu dây bầu, dây bí’’ Trừ số hồ lưu vực lớn có nhiệm vụ phòng lũ, lại phần lớn hồ, hồ thủy điện miền Trung chưa trọng đến khả phòng lũ Trong vài thập kỉ gần đây, ảnh hưởng biến đổi khí hậu làm cho tính bất thường thời tiết ngày rõ rệt, ảnh hưởng thiên nhiên an tồn hồ đập ngày khó kiểm sốt, dường trở nên “vơ hạn” Trong khả đầu tư khoa học cơng nghệ, tài để đảm bảo an tồn cho hồ đập “hữu hạn” Như loài người phải đối mặt với thảm họa cố vỡ đập gây Nghiên cứu giải pháp nhằm đảm bảo an toàn hồ đập giảm thiểu thiệt hại vỡ đập gây quốc gia có nhiều hồ đập, có Việt Nam ln vấn đề thời mang tính cấp thiết [7] Chọn mức đảm bảo an toàn cho hồ đập điều kiện tính bất thường thiên tai ngày trở lên gay gắt hợp lí ? Một cách nghiên cứu để tìm lời giải cho câu hỏi đặt tiếp cận với thiết kế ngẫu nhiên phân tích rủi ro Bài báo giới thiệu số nhận thức ban đầu làm sở đặt toán nghiên cứu ứng dụng thiết kế ngẫu nhiên phân tích rủi ro cho hệ thống thủy lợi lấy nước hồ chứa điều kiện Việt Nam Tiếp cận với thiết kế ngẫu nhiên phân tích rủi ro để xác định độ tin cậy an toàn hệ thống thủy lợi lấy nước hồ chứa Việt Nam Tiếp cận với thiết kế ngẫu nhiên phân tích rủi ro lĩnh vực cơng trình xây dựng cách tiếp cận khoa học đại, Việt Nam cách tiếp cận Thực thiết kế ngẫu nhiên phân tích rủi ro thường phải vượt qua khó khăn tốn học, sở liệu Do khó khăn nên cách tiếp cận với thiết kế ngẫu nhiên mức độ xác suất khác nhau: - Tiếp cận mức độ xác suất cấp độ 0, thiết 57 kế truyền thống, phương pháp hệ số an toàn - Tiếp cận mức độ xác suất cấp độ I, thiết kế bán xác suất, phương pháp nhiều hệ số an toàn - Tiếp cận xác suất cấp độ II cấp độ III, phương pháp tiếp cận ngẫu nhiên Mức độ III, hàm phân bố biến giữ nguyên quy luật phân bố tính tốn khơng sử dụng phương pháp gần Cấp độ II, sử dụng phương pháp gần để biến đổi luật phân bố tải trọng sức chịu tải hàm phân bố chuẩn, tính tốn sử dụng phương pháp xác suất gần Một phương pháp gần sử dụng phổ biến toán thuộc lĩnh vực cơng trình xây dựng giải tốn khn khổ lí thuyết độ tin cậy [2], [5] Một nội dung quan trọng ứng dụng lí thuyết độ tin cậy vào tốn hệ thống nhận biết hệ thống mô tả hệ thống Hệ thống cơng trình thủy lợi lấy nước từ hồ chứa đề cập đến báo bao gồm cơng trình tạo thành hồ chứa, hệ thống kênh cơng trình kênh Để tìm mức đảm bảo an toàn hay độ tin cậy an tồn cho hệ thống cơng trình thủy lợi cần tìm độ tin cậy an toàn thành phần (các cơng trình) độ tin cậy hệ thống Trên giới, từ năm 90, lý thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro quan tâm ứng dụng nhiều lĩnh vực cơng trình thuỷ Nhiều nước đưa vào tiêu chuẩn kĩ thuật nước châu Âu có ISO 2394 tính tốn cơng trình theo độ tin cậy; Trung Quốc có tiêu chuẩn nhà nước JB 50153-92, “Tiêu chuẩn thống để thiết kế kết cấu cơng trình theo độ tin cậy”; [3] Cho đến nay, Việt Nam, hệ thống thuỷ lợi thiết kế theo phương pháp truyền thống (tiếp cận xác suất cấp độ 0) Trong đó, hàng chục năm nay, lý thuyết độ tin cậy tuổi thọ cơng trình đưa vào chương trình 58 giảng dạy trường đại học như: Đại Học Bách Khoa, Đại Học Xây Dựng, Đại Học Thuỷ Lợi… Một số nghiên cứu gần ứng dụng lí thuyết độ tin cậy lĩnh vực thuỷ lợi thu mức độ luận văn tiến sĩ thạc sĩ vấn đề như: “Probabilistic Design of Coastal Flood Defences in Viet Nam - Thiết kế ngẫu nhiên hệ thống phòng lũ bờ biển Việt Nam’’, [1]; “Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng hệ thống công trình thuỷ nơng theo lý thuyết độ tin cậy điều kiện Việt Nam”; “Phân tích ổn định số tuyến đê thuộc hệ thống sông Hồng sông Thái Bình”; “Thiết kế xác suất phân tích rủi ro cho đê sông Đuống – Đồng châu thổ sông Hồng Việt Nam” ;“Nghiên cứu ổn định mái dốc đê, đập”, [3] Kết nghiên cứu gần đề tài độc lập cấp nhà nước đề nghị ứng dụng lí thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro vào nghiên cứu xác định độ tin cậy an tồn cho cơng trình xây dựng điều kiện thiên tai bất thường, [7] Các nghiên cứu nêu tiền đề thuận lợi cho việc nghiên cứu áp dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro vào tốn đánh giá an tồn cho cơng trình thuỷ lợi hệ thống thuỷ lợi điều kiện Việt Nam Tuy nhiên việc nghiên cứu áp dụng vào Việt Nam nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu Trong nghiên cứu không việc đặt giải tốn xác suất, sử lí số liệu đầu vào mà phải nghiên cứu vấn đề xây dựng khung thể chế sách đền bù thiệt hại cố cơng trình, đưa quy định ứng dụng mơ hình thiết kế vào hệ thống tiêu chuẩn kĩ thuật… Ở hầu hết hồ chứa thủy lợi, cơng trình đầu mối, kênh mương cơng trình kênh, cơng trình có chức cơng khác móc nối với để thực chung nhiệm vụ lấy nước hồ chứa Thường quen gọi “hệ thống công trình thủy lợi lấy nước hồ chứa” (HTTL) Trong HTTL chế làm việc cơng trình phần tử hệ thống Cũng hệ thống khác, HTTL vai trò phần tử hệ thống khơng hồn tồn giống nhau, tùy thuộc vào vị trí đứng hệ thống, mối quan hệ phần tử quan hệ với hệ thống Tuy nhiên có thống độ tin cậy an toàn hệ thống phụ thuộc vào độ tin cậy an toàn thành phần liên hệ thành phần hệ thống Theo góc độ chịu tải, độ tin cậy an toàn hệ thống thời điểm phụ thuộc vào chất lượng cơng trình, quản lí xây dựng thường đánh giá khả chịu tải hữu Cách đánh giá xác khả chịu tải hệ thống cơng trình giai đoạn thiết kế cơng trình biện pháp kiểm soát chất lượng cách khoa học Như phân tích, hướng định xác tiêu an tồn cho HTTL tiếp cận đến thiết kế ngẫu nhiên phân tích rủi ro Mục tiêu “Nghiên cứu ứng dụng lí thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro để đánh giá mức đảm bảo an toàn cho hệ thống cơng trình thủy lợi lấy nước hồ chứa điều kiện Việt Nam” không nghiên cứu để xây dựng cơng nghệ xác định tiêu an tồn cho hệ thống thủy lợi lấy nước hồ chứa mà đồng thời đóng góp vào nghiên cứu cho thiếu nước ta, [4] Ví dụ tính độ tin cậy cơng trình hệ thống Hệ thống lấy làm ví dụ hệ thống cơng trình tràn tràn xả lũ Cây cố hệ thống mô tả sơ đồ hình Nhìn sơ đồ có kiện dẫn đến cố cơng trình tràn Với mục đích mơ phỏng, ví dụ tính độ tin cậy an tồn (độ tin cậy không xẩy cố) trượt mặt tiếp xúc đập sơ đồ hình (Trn s Phỳ Ninh.) Sự cố Tràn xả lũ or Sù cè Ngng trµn or Sù cè Cưa van or Sù cè Dèc n­íc Sù cè bé phËn tiªu or Kẹt, Trượt dáy Trượt Lật Đẩy TK sai g·y cưa dèc C¸c sù cè kh¸c or 17m Trượt, lật tường bên Xói tiêu Hỡnh S đồ cố thành phần: Sự cố tràn xả lũ Bài toán tiếp cận xác suất theo mức độ I Điều kiện để cơng trình an tồn theo trạng thái giới hạn phải thỏa mãn công thức sau: m nc N tt  R (1) kn Từ (1) thành lập hàm xác suất Z  F R( X i )   F ( N ( X i )) (2) Trong đó: F(R(Xi)): hàm sức chịu tải ; Hình Sơ đồ ngoại lực tác dụng lên tràn số F(N(Xi)): hàm tải trọng; X i  X i  X i với X i giá trị trung bình X i , X i sai số trung bình số học X i ; Z  : công trình an tồn; Z  : cơng trình bị cố; Z  : cơng trình khơng an tồn, bị sụp đổ, xem hình 59 X2 Z1 = biªn h­ háng Z1< Vïng h­ háng Z1 < Vïng kh«ng h­ háng X1 Hình Mơ biên hư hỏng (sự cố) Z1  Độ tin cậy an tồn cơng trình xác định theo cấp độ II (FORM) sau:  1  Z ; (3)  Z1 Trong đó:  Z kỳ vọng hàm Z1:  z  F R X i   F N X i  , Z1 sai số quân      Z1     phương hàm Z1 :  Z      X  Xi    i   Khi thực tốn lĩnh vực kĩ thuật ví dụ trên, thường gặp số vấn đề khó khăn sau: - Khơng đủ số liệu để tìm hàm phân phối biến xác định tham số thống kê hàm ngẫu nhiên - Do Việt Nam chưa có tiêu chuẩn độ tin cậy cho phép hay xác suất cố cho phép cơng trình thuỷ lợi nên tác giả tính tốn xác suất cố cho phép chế trượt tràn theo tiêu chuẩn Eurocode:  p1   1,44 x10 4 - Tiếp khó khăn việc xác định giá trị X i Mức độ xác giá trị X i định mức độ xác tốn Với mục đích mơ phỏng, tính năm phương án ví dụ tham khảo cách xác định X i số tính tốn có [3] Phương án 1:  Z  23,26 ,  Z  5,53 , 1  4,2 , p1 Z1    0,13x10 4 <  p1  ;Tràn không bị trượt Phương án 2:  Z  23,26 , 60  Z  8,14 , 1  2,86 , p1 Z1    1,9 x10 3 >  p1 ; Tràn bị trượt Phương án 3:  Z  23,26 ,  Z  24,41 , 1  0,95 , p1 Z1  0  0,17 >  p1 ; Tràn bị trượt Phương án 4:  Z  23,26 ,  Z  32,55 , 1  0,71 , p1 Z1    0,24 >  p1  ; Tràn bị trượt Phương án 5:  Z  23,26 ,  Z  48,82 , 1  0,48 , p1 Z1    0,32 >  p1  ; Tràn bị trượt Theo phương pháp hệ số an toàn: hệ số an toàn chống trượt tràn K at  1,65 ; hệ số an toàn cho phép chống trượt tràn K   1,2 So sánh thấy K at  K  ; Tràn khơng bị trượt, [8] Từ kết tính tốn có nhận xét sau: - Khi tính tốn theo phương pháp hệ số an tồn khẳng định tràn làm việc an toàn: tải trọng sức chịu tải tính tốn giá trị đặc trưng cố định - Theo phương pháp thiết kế ngẫu nhiên phương án tràn làm việc an tồn, phương án lại tràn bị trượt Kết tính tốn phương án cho thấy: giá trị kì vọng hàm Z1 =23,26 ,  Z thay đổi từ  Z  5,53 đến  Z  48,82 β1 thay đổi từ 1  4,2 đến 1  0,48 Như điều kiện biên thiết kế không chắn ảnh hưởng đáng kể đến vấn đề an toàn giải pháp thiết kế đưa ra, từ thiết lập mối quan hệ β,  Z , X i X i hàm độ nhậy để dùng thiết kế Cây cố tràn hình 1, phần tử quan hệ với hệ thống nối tiếp Xác suất cố hệ thống P tính theo công thức biên rộng sau: max pi Z i    P    pi Z i  0 (4) i 1 Trong đó: pi Z i  0 xác suất cố phần tử thứ i, ví dụ tính cho chế phá hoại trượt tràn nêu 4 Đánh giá khả áp dụng phân tích rủi ro cho hệ thống thủy lợi Sử dụng phương pháp phân tích rủi ro vào nghiên cứu để định hợp lí mức đảm bảo an tồn cho cơng trình hướng tiếp cận nước ta Chỉ số rủi ro hệ thống xác định: Rủi ro = P x D (5) Trong P xác suất cố hệ thống, D thiệt hại người cố gây Các bước phân tích rủi ro thực theo sơ đồ hình Từ công thức (5) cho thấy tiến tới phân tích rủi ro thành cơng phải đủ điều kiện thực xác tốn xác suất để tìm xác suất cố có đầy đủ kiện đền bù thiệt hại D Trong điều kiện Việt Nam xác định D gặp nhiều khó khăn chế, sách; để áp dụng phân tích rủi ro vào điều kiện Việt Nam cần tổ chức nghiên cứu có hệ thống thơng tin, lưu trữ số liệu cỏch khoa hc Đối tượng phân tích rủi ro Mô tả hệ thống Liệt kê cố thảm hoạ xảy Xác định xác suất xảy cố Định lượng hậu Tần suất mức độ thiệt hại Tiêu chuẩn tham chiếu Kết hợp XS thiệt hại Rủi ro Đánh giá Điều chỉnh Tiêu chuẩn, tiêu chí Ra định Cấp độ chÊp nhËn rđi ro Hình Sơ đồ q trình phân tích rủi ro [2] Kết luận - Kiểm sốt an tồn hệ thống thủy lợi lấy nước hồ chứa khơng góp phần vào khai thác hiệu hệ thống mà có tầm quan trọng việc chủ động phòng tránh nguy vỡ đập xẩy - Tiếp cận với thiết kế theo xác suất phân tích rủi ro để đánh giá an tồn cơng trình hệ thống điều kiện nước ta hướng tiếp cận mới, để ứng dụng vào thực tế cơng trình thuỷ lợi cần đầu tư nghiên cứu có hệ thống thơng tin lưu trữ số liệu để đáp ứng toán đặt tính tốn an tồn hệ thống cơng trình thuỷ lợi, thuỷ điện phương pháp lý thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro TÀI LIÊU THAM KHẢO [1] Mai Van Cong Probabilistic design of coastal flood defences in Vietnam Sieca Repro, the Netherlands (2010) ISBN: 978-90-9025648-1, 249p [2] Mai Văn Cơng Thiết kế cơng trình theo lý thuyết ngẫu nhiên phân tích độ tin cậy Giáo trình 2005 61 [3] Phạm Hồng Cường Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng hệ thống cơng trình thuỷ nơng theo lý thuyết độ tin cậy điều kiện Việt Nam Luận án tiến sỹ kỹ thuật, 2009 [4] Nguyễn Lan Hương Đề cương nghiên cứu sinh Năm 2011 [5] Nguyễn Văn Mạo Lý thuyết độ tin cậy thiết kế cơng trình thuỷ cơng Bài giảng cao học Đại học Thuỷ Lợi 2000 [6] Nghiên cứu sở khoa học giải pháp kĩ thuật đảm bảo an tồn cơng trình xây dựng điều kiện thiên tai bất thường Miền Trung Đề tài cấp Nhà Nước HàNội 2009 [7] Nghiên cứu giải pháp khoa học cơng nghệ đảm bảo an tồn hồ chứa nước miền Trung, đề tài cấp NN&PTNT HàNội 2006 [8] TCXDVN 285-2002 Abstract: RESEARCH AND APPLICATION OF RELIABILITY THEORY AND RISK ANALYSIS TO ASSESS THE SAFETY SYSTEM OF IRRIGATION WORKS TAKEN WATER RESERVOIRS IN CONDITIONS OF VIETNAM Application of probabilistic design in civil engineering, in general, and hydraulic engineering have been recently being a common trend worlwide In Viet Nam applying probabilistic design is just at the beginning states The design works are mostly based on conventional deterministic approach thus probabilistic approach for design of hydraulic structures is still very new field However, there are more researches which concerning probabilistic approach and development of this design tool during the last few years This paper presents the approach and objectives of the research project "Research and application of reliability theory and risk analysis to assess the safety system of irrigation works taken water reservoirs in conditions of Vietnam", and application examples presented theoretical analysis of the reliability and safety spillways to clarify the issues to research organizations 62 ... ro Mục tiêu Nghiên cứu ứng dụng lí thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro để đánh giá mức đảm bảo an toàn cho hệ thống cơng trình thủy lợi lấy nước hồ chứa điều kiện Việt Nam không nghiên cứu để. .. thuận lợi cho việc nghiên cứu áp dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro vào tốn đánh giá an tồn cho cơng trình thuỷ lợi hệ thống thuỷ lợi điều kiện Việt Nam Tuy nhiên việc nghiên cứu áp dụng vào... Để tìm mức đảm bảo an tồn hay độ tin cậy an tồn cho hệ thống cơng trình thủy lợi cần tìm độ tin cậy an tồn thành phần (các cơng trình) độ tin cậy hệ thống Trên giới, từ năm 90, lý thuyết độ tin