Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp xác định chỉ số an toàn và độ tin cậy yêu cầu cho hệ thống đê vùng đồng bằng sông Hồng theo lý thuyết độ tin cậy và phân

Nội dung nghiên cứu của luận án là phân tích tổng quan rủi ro lũ lụt, an toàn đê điêu và tình hình phát triển và ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC trong đánh giá an toàn hệ thống đê; Nghiên cứu phương phương pháp xây dựng các bài toán xác định các chỉ số an toàn hiện tại và độ tin cậy yêu cầu (ĐTCYC) cho hệ thống đê vùng đồng bằng trên cơ sở khoa học của PTRR & LTĐTC; Áp dụng các bài toán xây dựng tại nội dung tính toán cụ thể xác định chỉ số an toàn hiện tại và ĐTCYC cho hai hệ thống đê điển hình vùng ĐBSH.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN QUANG HOÀI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ AN TOÀN VÀ ĐỘ TIN CẬY YÊU CẦU CHO HỆ THỐNG ĐÊ VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Mã số: 62-58-40-01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 Cơng trình hoàn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS MAI VĂN CÔNG Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS TRỊNH MINH THỤ Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại: Trường Đại học Thủy Lợi vào lúc …phút …ngày… tháng… năm… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết lý lựa chọn đề tài Hệ thống đê vùng đồng sông Hồng công trình xây dựng nhiều hệ người Việt, gắn bó với lịch sử tồn phát triển đất nước, với sống cộng đồng dân cư khu vực Do trình xây dựng phát triển lâu dài, đê không xử lý đắp, vật liệu đắp đê không đồng đều, trải qua thời gian xuất nhiều ẩn họa thân đê Hàng năm cố đê điều xẩy ra, gây thiệt hại vật chất đe dọa tính mạng người dân, ảnh hưởng đến an sinh xã hội Trong phương pháp tính tốn đánh giá an tồn hệ thống đê theo phương pháp truyền thống cịn có hạn chế, chưa đánh giá sát mức độ an toàn hệ thống đê, chưa hỗ trợ cách tin cậy cho việc định đầu tư cải tạo nâng cấp đê Vì đề tài nghiên cứu luận án có tính cấp thiết Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án xây dựng phương pháp đánh giá, xác định số an toàn độ tin cậy yêu cầu hệ thống đê vùng đồng sông Hồng cho điều kiện tương lai xét đến BĐKH phát triển kinh tế xã hội Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: o Hệ thống đê sông vùng đồng để bảo vệ thành phố đông dân cư (HT1): Hệ thống đê Hữu Hồng bảo vệ khu vực trung tâm thành phố Hà Nội; o Hệ thống đê phức hợp đê sông - đê cửa sông - đê biển (HT2): Hệ thống đê bảo vệ khu vực ven biển thuộc huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá mức độ an toàn ổn định hệ thống đê vùng đồng bắng sông Hồng, kể đến tính ngẫu nhiên tải trọng độ bền, xem xét đến yếu tố kinh tế xã hội vùng bảo vệ ảnh hưởng BĐKH Trong nghiên cứu không xem xét tải trọng động đất mưa cục Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Các phương pháp tiếp cận sử dụng nghiên cứu bao gồm tiếp cận hệ thống, tiếp cận tổng hợp, tiếp cận bền vững tiếp cận đại Phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án lý thuyết độ tin cậy (LTĐTC) phân tích rủi ro(PTRR) Ngồi ra, cịn có phương pháp kế thừa, phương pháp chuyên gia, phương pháp xác suất thống kê phương pháp mơ hình tốn Nội dung nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu nội dung sau: 1) Phân tích tổng quan rủi ro lũ lụt, an tồn đê điêu tình hình phát triển ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC đánh giá an toàn hệ thống đê; 2) Nghiên cứu phương phương pháp xây dựng toán xác định số an toàn độ tin cậy yêu cầu (ĐTCYC) cho hệ thống đê vùng đồng sở khoa học PTRR & LTĐTC; 3) Áp dụng toán xây dựng nội dung tính tốn cụ thể xác định số an toàn ĐTCYC cho hai hệ thống đê điển hình vùng ĐBSH Ý nghĩa khoa học thực tiễn 6.1 Ý nghĩa khoa học Phát triển ứng dụng phương pháp phân tích rủi ro lý thuyết độ tin cậy để xác định mức đảm bảo an toàn cho hệ thống đê ĐTCYC đê nâng cấp tương lai nhằm cung cấp sở khoa học cho việc lựa chọn quy mô đầu tư giải pháp nâng cấp đê 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Xác định số an toàn ĐTCYC đến năm 2050 cho hai hệ thống đê điển hình khu vực đồng sông Hồng (đê Hữu Hồng bảo vệ khu vực trung tâm Hà Nội, đê biển bảo vệ khu vực Giao Thủy, Nam Định) Các kết tính tốn phân tích kiến nghị để lựa chọn quy mô giải pháp đầu tư nâng cấp đê Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận kiến nghị, luận án trình bày chương gồm: Chương 1: Tổng quan hệ thống đê, nghiên cứu rủi ro lũ lụt an toàn đê điều; Chương 2: Phương pháp luận phân tích an tồn xác định ĐTCYC cho hệ thống đê; Chương 3: Thiết lập toán xác định số an toàn ĐTCYC cho hệ thống đê; Chương 4: Ứng dụng phân tích độ tin cậy cho hệ thống đê điển hình vùng đồng sơng Hồng CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÊ PHÒNG CHỐNG LŨ, NGHIÊN CỨU RỦI RO LŨ LỤT VÀ AN TỒN ĐÊ ĐIỀU 1.1 Tổng quan phịng chống lũ Việt Nam Suốt chiều dài lịch sử dựng nước giữ nước, hệ người Việt Nam sớm có giải pháp hữu hiệu phịng chống lũ lụt Truyền thuyết Sơn Tinh – Thủy Tinh hình ảnh sống động kỳ tích nhân dân ta đắp đê phòng lụt Cách 2200 năm, huyện (Kinh đô) Phong Khê thời An Dương Vương (257 năm trước cơng ngun) có đê ngăn lũ (Giao Châu Ký, Hậu Hán thư dẫn) Hệ thống đê phòng chống lũ Việt Nam thường xuyên xây dựng nâng cấp Đến nay, đê điều nước ta gồm khoảng 6.500km đê sông (trên 2.700km đê từ cấp III đến cấp đặc biệt, lại đê cấp III) gần 1000km đê biển Vấn đề lũ lụt hàng năm Việt Nam loại hình thiên tai xảy thường xuyên nhất, gây thiệt hại lớn cho kinh tế ảnh hưởng lớn đến đời sống xã hội Bởi vậy, thực tế đòi hỏi cần thiết phải có nhiều nghiên cứu ngập lụt, thiệt hại rủi ro lũ lụt gây để có biện pháp phịng chống giảm thiểu thiệt hại 1.2 Cơng tác phịng chống lũ hệ thống đê điển hình giới Không Việt Nam, lũ lụt mối đe dọa nghiêm trọng với nhiều quốc gia giới Đê điều giải pháp chủ yếu quan trọng với quốc gia có dịng sông lớn chảy qua vùng đất trũng dọc theo dải ven biển Sau kiện lũ lịch sử, quốc gia trọng đến nâng cao an toàn hệ thống đê Hà Lan sau trận lũ 1953 thành lập Ủy ban Đồng bằng, nâng cấp toàn diện hệ thống đê đập ngăn lũ nâng TCAT chống lũ lên 1/10.000 năm; Sau trận bão Katrina Mỹ nâng TCAT đê bảo vệ New Orleans lên mức 1/1.000 năm…Nhìn chung, với quốc gia có dịng sơng lớn chảy qua có vùng đất trũng dọc theo dải ven biển vấn đề giảm thiểu rủi ro lũ lụt trọng hàng đầu việc đầu tư xây dựng, nâng cấp hệ thống đê giải pháp chủ yếu ưu tiên 1.3 Tổng quan hệ thống đê vùng ĐBSH khu vực nghiên cứu Hệ thống đê vùng đồng Bắc bao gồm tuyến đê thuộc hệ thống sơng Hồng sơng Thái Bình Trong các tuyến đê sơng Đà, đê sơng Thao, sơng Lơ, sơng Phó Đáy, sơng Hồng, sơng Đuống, sông Luộc, sông Trà Lý, sông Đào, sông Ninh Cơ sông Đáy tuyên đê thuộc hệ thống sơng Hồng Hà Nội có 20 tuyến đê dài khoảng 470 km, có 37 km đê hữu Hồng đê cấp đặc biệt, 211,5 km đê cấp I (hữu Hồng, tả Hồng, hữu Đuống, tả Đáy) lại đê cấp II, III IV Ngồi ra, Hà Nội cịn có 27 tuyến đê bối dài 82,5 km Nam định có tuyến đê sông, đê cửa sông thuộc bờ hữu sông Hồng, tả sông Đáy, tả hữu sông Đào, tả hữu sơng Ninh Cơ, Tả hữu sơng Sị tuyến đê biển qua ba huyện: Giao Thủy, Hải Hậu Nghĩa Hưng Hệ thống đê sông cửa sông Nam Định có chiều dài khoảng 421 km cho đê cấp I, II III Đê biển Nam Định có tổng chiều dài 137,19 km với trạng hệ thống đê sông đê cửa sông tuyến đê đủ cao trình chống với mực nước lũ thiết kế 1.4 Đánh giá thực trạng an toàn hệ thống đê vùng ĐBSH Vùng ĐBSH phân thành 03 vùng đặc trưng: (i) vùng thượng lưu – trung du miền núi; (ii) vùng đồng (iii) vùng hạ du ven biển Kết kiểm tra phân tích an tồn cho thấy tuyến đê đáp ứng mức đảm bảo an toàn Tuy nhiên cịn số đoạn đê có điều kiện làm việc gần sát với trạng thái giới hạn xuất lũ thiết kế Những cố chủ yếu thường xảy tràn đỉnh đê chưa đạt cao trình đỉnh thiết kế, xói lở chân đê (đối với đê sông đê biển), cống qua đê hư hỏng xuống cấp (đê sông), thấm qua đê, xói ngầm (đê sơng) & sóng tràn, ổn định kết cấu mái ngồi (đê biển)…điển năm 2017 có 168 điểm xung yếu; xảy 91 cố hệ thống đê Sự cố số tuyến đê năm vừa qua cho thấy vấn đề an toàn đê cần xem xét đánh giá lại cách chi tiết khoa học Mặt khác, BĐKH làm gia tăng điều kiện biên khí tượng, thủy hải văn lên trung bình khoảng từ 5% đến 10% tính đến năm 2050 Vì vậy, cần phải xem xét đến mức độ thay đổi điều kiện biên (lưu lượng, mực nước, sóng) tương lai theo chu kỳ nâng cấp đê chu kỳ tuổi thọ cơng trình 1.5 TCAT phương pháp đánh giá an toàn hệ thống đê Đê phân theo cấp từ cấp đặc biệt, cấp I đen V Việc phân cấp đê dựa theo tiêu số dân, diện tích, lưu lượng lũ thiết kế (đê sơng) độ ngập sâu trung bình TCAT tương ứng với đê phụ thuộc vào quy mô mức độ quan trọng vùng bảo vệ (đê biển theo QĐ 58 đê sông theo QĐ 2068) Phương pháp xác định TCAT hệ thống đê chưa định lượng cụ thể yếu tố phát triển kinh tế xã hội vùng bảo vệ gia tăng điều kiện biên BĐKH Đánh giá an tồn đê điều cơng trình phịng chống lũ thực với tổ hợp tải trọng tổ hợp tải trọng đặc biệt Yêu cầu chung đê cần phải đảm bảo an toàn chống tràn, ổn định kết cấu cơng trình, ổn định địa kỹ thuật thân đê xuất điều kiện lũ thiết kế Việc đánh giá an tồn tổng thể hệ thống đê thơng qua đánh giá an tồn chế cố dựa theo hệ số an toàn K chế, so sánh với giá trị hệ số an toàn cho phép [K] phụ thuộc vào cấp đê 1.6 Phương pháp thiết kế truyền thống tồn Thiết kế truyền thống tính tốn cơng trình theo phương pháp tất định dựa vào phương trình trạng thái giới hạn với hai tham số độ bền đặc trưng tải trọng thiết kế Theo phương pháp giá trị thiết kế tải trọng tham số độ bền xác định giá trị đặc trưng ứng với tần suất thiết kế, tương ứng với tổ hợp thiết kế Tính tốn theo cách số tồn sau: (i) Chưa kể đên đặc tính ngẫu nhiên biên tải trọng độ bền, chưa xác định xác suất phá hỏng cơng trình, khơng trả lời cơng trình an tồn mức độ nào; (ii) Chưa xét đến tính tổng thể hệ thống hồn chỉnh tính tốn, kiểm tra ổn định thành phần, chế riêng lẻ; (iii) Trong thiết kế, chưa kể đến ảnh hưởng quy mô hệ thống (như chiều dài tuyến đê) đến an tồn cơng trình 1.7 Tình hình nghiên cứu ứng dụng PTRR & LTĐTC an toàn đê điều rủi ro lũ lụt LTĐTC tính tốn thiết kế đánh giá an tồn cơng trình thơng qua xác suất cố tổng hợp (Pf) số độ tin cậy (β), xem xét biên tải trọng (S) độ bền (R) đại lượng ngẫu nhiên Phương pháp PTRR xác định qui mơ cơng trình phịng chống lũ nói chung hệ thống đê nói riêng dựa quan điểm rủi ro chấp nhận được; cách xác lập quan hệ xác suất cố cơng trình với chi phí đầu tư xây dựng rủi ro cố xảy ra, so sánh từ xác định giá trị ĐTCYC Việc nghiên cứu ứng dụng PTRR & LTĐTC thiết kế, xây dựng vận hành hệ thống phòng chống lũ, hệ thống đê phát triển nhiều nước giới Mỹ, Hà Lan, Đức, Anh, …Tại Việt Nam, có số nghiên cứu ứng dụng PTRR LTĐTC phân tích an tồn cơng trình thủy lợi Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu thực tồn diện cho hệ thống đê điều vùng đồng chưa giải toán cấp độ hệ thống Các nghiên cứu chưa xem xét việc tích hợp khung tốn phân tích độ tin cậy hệ thống với tốn phân tích rủi ro để xác định độ tin cậy yêu cầu cho hệ thống Việc xác định giá trị rủi ro tổng hợp gồm yếu tố kinh tế người, kể đến phát triển kinh tế xã hội bỏ ngỏ 1.8 Luận giải vấn đề nghiên cứu luận án Hệ thống đê bao gồm nhiều tuyến đê công trình qua đê; hệ thống đê mơ tả sơ đồ cố kể đến chế phá hỏng tiềm tàng tác động tương tác biên địa kỹ thuật biên thủy động lực (ví dụ trượt mái đê, xói ngầm, đẩy trồi, thấm vượt lưu lượng cho phép, lún thân đê,…) An toàn hệ thống đê bao gồm an toàn ổn định tuyến đê, đoạn đê an tồn phịng lũ vùng bảo vệ Vì vậy, đánh giá an tồn hệ thống đê bao gồm hai vấn đề: (i) Đánh giá an toàn ổn định tuyến đê hệ thống theo độ tin cậy yêu cầu (tiêu chuẩn an toàn tại) (ii) Đánh giá phù hợp độ tin cậy yêu cầu (tiêu chuẩn an toàn) vùng bảo vệ hệ thống đê Đề tài nghiên cứu mở rộng ứng dụng tích hợp phương pháp thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy lý thuyết phân tích rủi ro để xây dựng phương pháp xác định số an toàn độ tin cậy yêu cầu hệ thống đê có xem xét đến yếu tố phát triển kinh tế xã hội BĐKH cho điều kiện tương lai Vấn đề an toàn hệ thống đê nghiên cứu luận giải theo khái niệm an tồn hệ thống tích hợp, bao gồm tuyến đê vùng dân cư hệ thống bảo vệ chống lũ (vùng bảo vệ) 1.9 Kết luận Chương Thơng qua phân tích trạng tổng quan tình hình lũ lụt cơng tác đê điều, phòng chống lũ vùng ĐBSH thấy nguy an toàn hệ thống đê rủi ro lũ lụt vùng nghiên cứu có xu gia tăng Việc xác định tiêu chuẩn an toàn hệ thống đê ảnh hưởng đến quy mô hệ thống đê mức đảm bảo an tồn phịng chống lũ cho vùng hệ thống đê bảo vệ Tuy nhiên xác định tiêu chuẩn an toàn chưa xem xét đến yếu tố phát triển kinh tế, xã hội vùng bảo vệ rủi ro cố hệ thống đê xảy Vấn đề thực nghiên cứu xác lập cở sở khoa học, xây dựng phương pháp, sơ đồ thuật giải toán xác định số an toàn độ tin cậy yêu cầu cho hệ thống đê vùng đồng sông Hồng CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP LUẬN PHÂN TÍCH AN TỒN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ TIN CẬY YÊU CẦU CHO HỆ THỐNG ĐÊ 2.1 Phương pháp phân tích độ tin cậy đánh giá an tồn cơng trình 2.1.1 Khái niệm chế cố Cơ chế cố kiểu hư hỏng cơng trình q trình học - vật lý tương tác điều kiện biên cơng trình Thời điểm để chế cố xảy trạng thái cân độ bền tải trọng Hàm tin cậy (Z) mô tả chế cố tổng quát có độ bền R tải trọng S sau: Z=R–S (2-1) Trong Z hàm trạng thái giới hạn; R khả chịu tải; S tải trọng tác dụng Sự cố xảy xuất biến cố (Z < 0) Xác suất cố Pf=P(Z0 đến cận 1) đưa vào hàm ngược hàm phân phối xác suất S R để xác định giá trị ngẫu nhiên cặp biến; - Bước 3: Tính Z = R – S cho lần mô tương ứng; - Bước 4: Kiểm tra Z < n = n + 1; Z ≥ hàm đếm giữ nguyên giá trị; - Bước 5: Lặp lại bước 2, 3, 4, … đến N lần dừng; - Bước 6: Kết thúc mơ phỏng; tính xác suất cố theo công thức Pf = n/N 2.2 Phương pháp phân tích rủi ro hệ thống đê vùng bảo vệ 2.2.1 Định nghĩa rủi ro tổng quát Khi xem xét đối tượng (hay hoạt động), rủi ro gắn với đối tượng liên quan đến khả xảy cố đối tượng hậu cố gây Định nghĩa tổng quát: rủi ro tích số xác suất xảy cố với hậu cố Định nghĩa vận dụng cho đối tượng hệ thống đê, xác suất cố hệ thống đê coi xác suất xảy ngập lụt 2.2.2 Phân tích rủi ro lũ lụt Các bước phân tích rủi ro bao gồm xác định nguồn gây, kiểu cố, đối tượng chịu thiệt hại hậu Rủi ro ngập lụt phụ thuộc vào xác suất xảy ngập lụt giá trị thiệt hại ngập lụt xảy 2.2.3 Phương pháp xác định thiệt hại lũ Theo nghiên cứu giới nay, thiệt hại ngập lụt chia làm thiệt hại trực tiếp gián tiếp, thiệt hại hữu hình thiệt hại vơ hình khơng thể tính tiền Hai phương pháp xác định thiệt hại lũ sử dụng luận án gồm: i) Phương pháp mơ hình mơ ngập lụt ii) phương pháp phân tích thống kê số liệu lịch sử 2.1.2.1 Phương pháp mơ hình mơ ngập lụt Nếu xem xét khu vực có diện tích A biết độ sâu ngập với tần suất lũ, phần diện tích Aij A bị ngập với chiều sâu nước khoảng [hi, hj], gây thiệt hại với mức độ thiệt hại pij Do đó, tổng thiệt hại ngập lụt gây  Aij pij với khu vực A là: D  x , với x giá trị vật chất đơn vị diện tích Trong mức độ thiệt hại xác định từ đường cong thiệt hại Đường cong thiệt hại mô tả quan hệ độ sâu ngập mức độ thiệt hại, xác định dựa theo điều tra thống kê 2.1.2.2 Phương pháp phân tích thống kê số liệu lịch sử Thiệt hại lũ lụt vùng xác định dựa vào phân tích thống kê số liệu lịch sử nhiều trận lũ xảy khứ Phương pháp xây dựng đường cong tần suất thiệt hại (đường cong FD), thể quan hệ chu kỳ lặp lại trận lũ giá trị thiệt hại trung bình Sử dụng đặc trưng thống kê đường cong FD xác định mức độ thiệt hại rủi ro kinh tế khả dĩ, làm đầu vào cho toán phân tích rủi ro 2.2.3 Giá trị rủi ro chấp nhận hệ thống đê 2.1.2.3 Rủi ro theo quan điểm kinh tế Với hệ thống đê có, cố hệ thống dẫn đến ngập lụt chấp nhận với chuẩn xác suất nhỏ định trước quy phạm (TCAT) Chuẩn xác xuất giá trị rủi ro chấp nhận hệ thống đê hay gọi ĐTCYC hệ thống Đối với toán thiết kế nâng cấp hệ thống đê, ĐTCYC giá trị cần phải xác định để định quy mơ cơng trình đê ĐTCYC xác định thơng qua tối ưu hóa chi phí (gồm đầu tư xây dựng ban đầu chi Hình 3-2: Sơ đồ cố Hệ thống 3.3 Hình 3-3: Sơ đồ cố Hệ thống Phương pháp xác định độ tin cậy hệ thống đê Phân tích độ tin cậy hệ thống đê nhằm xác định độ tin cậy hệ thống so sánh với giá trị xác suất cố cho phép lớn [Pf] để từ kết luận mức độ an toàn tin cậy hệ thống Phân tích độ tin cậy hệ thống đê bao gồm (i) phân tích độ tin cậy cho chế phá hỏng xảy đoạn đê (ii) phân tích độ tin cậy đoạn đê hệ thống đê Phân tích độ tin cậy hệ thống đê thực theo bước sau: Bước 1: Mô tả thành phần toàn hệ thống đê cho vùng nghiên cứu; Bước 2: Liệt kê kiểu cố xảy cho hệ thống toàn hệ thống đê; Bước 3: Xây dựng sơ đồ cố hệ thống toàn hệ thống đê; Bước 4: Xây dựng hàm tin cậy chế cố tiến hành giải hàm tin cậy để xác định xác suất xảy chế cố hệ thống con; Bước 5: Xác định xác suất xảy cố hệ thống toàn hệ thống đê, phân tích đánh giá đề xuất điều chỉnh Kết phân tích trình bày dạng ma trận cố Từ ma trận cố xác định đoạn đê xung yếu chế cố có nguy xảy cao 3.4 Xác định hiệu ứng chiều dài phân tích độ tin cậy hệ thống đê Xem xét hệ thống đê có mặt cắt đại diện áp dụng cho toàn chiều dài tuyến L Hệ thống đê xem xét hệ thống nối tiếp bao gồm n đoạn đê có chiều dài d (d xem xét đủ nhỏ để đoạn đê xem làm việc độc lập thống kê với nhau) Khi hiệu ứng chiều dài kể đến, sơ đồ cố hệ thống đê xem xét theo hai cách: o Coi chiều dài độc lập d tương tự cho chế cố Khi hiệu ứng chiều dài kể đến sau xác định độ tin cậy đoạn đê 12 o Coi chế cố đoạn đê có chiều dài độc lập d khác Khi hiệu ứng chiều dài kể đến xác định xác suất cố chế, trước tổ hợp xác suất cố đoạn đê Thiết lập công thức xác định hiệu ứng chiều dài xác định độ tin cậy hệ thống đê: với tuyến đê đồng có chiều dài L số độ tin cậy đoạn độc lập , hệ số ảnh hưởng chiều dài xác định sau: L   f Li   +  R   d  (3-1) Xem xét tất khả xảy mực nước trước đê, tổng xác suất cố hệ thống đê tất chế cố gây là:  all H f _ sys P   3.5  system f _L f ( H ).P  m  ( H ).dH   f ( H )  .Pfi ,sec * f Li  dH  i 1  (3-2) Phương pháp xác định độ tin cậy yêu cầu cho hệ thống đê 3.5.1 Phương pháp xác định giá trị rủi ro chấp nhận Trong luận án này, giá trị rủi ro chấp nhận xác định dựa theo hai quan điểm: quan điểm kinh tế quan điểm cộng đồng 3.5.2 Độ tin yêu cầu từ giá trị rủi ro chấp nhận theo quan điểm kinh tế Theo cách tiếp cận rủi ro thiệt hại kinh tế, tổng chi phí cho hệ thống đê xác định tổng giá trị đầu tư xây dựng hệ thống giá trị rủi ro lũ lụt gây cho hệ thống xem xét Độ tin cậy yêu cầu xác định điểm tối ưu đường cong tổng chi phí, điểm mà có tổng chi phí hệ thống nhỏ 3.5.3 Độ tin cậy yêu cầu từ giá trị rủi ro chấp nhận theo quan điểm cộng đồng nguy thiệt mạng Theo quan điểm xã hội (cộng đồng), giá trị rủi ro chấp nhận hệ thống đê phòng chống lũ cho vùng xác suất trung bình nhiều năm xảy thiệt mạng lũ lụt vùng Giá trị rủi ro cộng đồng dân cư sống vùng chịu lũ chấp nhận nhỏ chuẩn xác suất xảy thiệt mạng tổng cộng nguyên nhân khác bệnh tật tự nhiên, tai nạn giao thông tai nạn tham gia hoạt động khác diễn vùng vv… 3.6 Kết luận Chương 13 Toàn phần lý thuyết trình bày Chương sử dụng để xây dựng toán tổng quát cho hệ thống đê Chương Theo đó, tốn thiết lập có tích hợp yếu tố sau đây: (i) Mơ tả tính ngẫu nhiên yếu tố tải trọng sức chịu tải phân tích độ tin cậy đánh giá an tồn hệ thống đê; (ii) Kể đến hiệu ứng chiều dài hệ thống đê đánh giá an toàn xác định độ tin cậy hệ thống đê; (iii) Các thiệt hại tiềm tàng vùng bảo vệ có kể đến tốc độ phát triển kinh tế tương lai, tích hợp vào bước xác định hàm thiệt hại phân tích rủi ro theo quan điểm kinh tế Cân chi phí đầu tư rủi ro để xác định độ tin cậy yêu cầu; (iv) Kể đến rủi ro tiềm tàng số người thiệt mạng lũ lụt xảy việc xác định độ tin cậy yêu cầu hệ thống đê CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CHO CÁC HỆ THỐNG ĐÊ ĐIỂN HÌNH VÙNG ĐỒNG BẰNG SƠNG HỒNG 4.1 Lựa chọn hệ thống đê điển hình vùng đồng sơng Hồng kịch phân tích 4.1.1 Lựa chọn hệ thống đê điển hình Để ứng dụng tốn thiết lập Chương cho trường hợp thực tế, hai trường hợp điển hình mang tính đại diện cao thuộc hệ thống đê phòng chống lũ vùng đồng sơng Hồng lựa chọn để phân tích, là:  Hệ thống (HT1): Hệ thống đê Hữu Hồng bảo vệ khu vực trung tâm thành phố Hà Nội;  Hệ thống (HT2): Hệ thống đê phức hợp bảo vệ khu vực ven biển thuộc huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định 4.1.2 Kịch phân tích Trong nghiên cứu tốn phân tích kể đến ảnh hưởng hai yếu tố, biến đổi khí hậu tốc độ phát triển kinh tế vùng bảo vệ Trên sở đó, 02 kịch phân tích bao gồm:  KB1: Kịch từ 1965-2015 Đây trường hợp trạng;  KB2: Kịch tương lai - kể đến BĐKH phát triển kinh tế xã hội dự báo đến năm 2050; 14 4.2 Xác định số an toàn ĐTCYC hệ thống đê Hữu Hồng bảo vệ khu vực trung tâm thành phố Hà Nội (HT1) 4.1.1 Mô tả hệ thống đê Hà Nội Khu vực trung tâm Hà Nội mô tả thành 03 vùng (I,II III), xem Hình 41 Để giảm khối lượng tính tốn, luận án giới hạn phân tích cho tuyến đê Hứu Hồng bảo vệ Vùng I Hệ thống đê tả sông Nhuệ giả thiết biên an tồn Vùng Hình 4-1: Sơ họa hệ thống đê khu vực trung tâm Hà Nội 4.1.2 4.1.2.1 Xác định độ tin cậy đánh giá an toàn hệ thống đê Thiết lập sơ đồ cố hệ thống đê Tuyến đê Hữu Hồng bảo vệ khu vực nội thành thành phố Hà Nội chia thành đoạn Trên sở sơ đồ hệ thống mơ tả Hình 4-1 xem xét chế xảy với hệ thống đê Mục 3.2, sơ đồ cố cho hệ thống đê Hữu Hồng đoạn qua thành phố Hà Nội thiết lập Hình 4-2 Hình 4-2: Sơ đồ cố cho hệ thống đê Hữu Hồng (HT1) 4.1.2.2 Xác định độ tin cậy xác suất xảy cố chế Kết phân tích độ tin cậy theo chế cố xảy cho hệ thống đê HT1 trình bày Bảng 4-1 Bảng 4-1: Kết phân tích độ tin cậy chế cố cho HT1 15 Cơ chế Chảy tràn Mất ổn định kết cấu bảo vệ mái đê Xói chân đê Xói ngầm đẩy trồi (mạch đùn) Ổn định mái đê phía 4.1.2.3 Đoạn 3 3 KB1 Xác suất Độ tin cậy 0,0061 2,506 0,0018 2,911 0,0028 2,770 2,71×10-4 3,46 2,71×10-4 3,46 2,71×10-4 3,46 0,00135 3,000 0,00113 3,054 0,00179 2,913 0,008648 2,380 0,000147 3,621 0,000012 4,224 5,2 ×10-6 4,409 0,2 ×10-4 4,107 0,8×10-5 4,314 KB2 Xác suất Độ tin cậy 0,0094 2,349 0,0072 2,447 0,0089 2,370 2,94×10-4 3,43 2,94×10-4 3,43 2,94×10-4 3,43 0,00142 2,300 0,00184 2,366 0,00198 2,387 0,013298 2,217 0,000470 3,308 0,000072 3,801 1,9 ×10-5 4,119 2,1 ×10-4 3,527 1,4 ×10-5 4,189 Xác định độ tin cậy hệ thống đánh giá an toàn Phân tích độ tin cậy hệ thống đê HT1 theo phương pháp mô Monte Carlo xác định xác suất xảy cố hệ thống đê Hữu Hồng theo KB1 Pf = 0,00198 (~1/501,2) kịch KB2 Pf = 0,0085 (~1/117) So sánh với độ tin cậy yêu cầu [Pf] = 1/500 hệ thống đê hiên đảm bảo an tồn ; nhiên, với KB2 xét đến ảnh hưởng BĐKH xem xét chiều dài hệ thống số an tồn hệ thống đê khơng đảm bảo Kết phân tích chế nước tràn đỉnh đê ảnh hưởng nhiều đến an tồn đê sơng (76 %) Ngồi ra, chế cố khác ổn định kết cấu bảo vệ mái đê chiếm 12 %, xói ngầm đẩy trồi chiếm 11 % Bảng 4-2: Tổng hợp kết xác định độ tin cậy hệ thống đê HT1 (đê Hữu Hồng) Xác suất cố hệ thống đê Pf  Kịch 0,00198 (~1/500,1) 2,88 Kịch 0,0085 (~1/117) 2,35 4.1.3 Xác định độ tin cậy yêu cầu Mô ngập lụt thực ứng với trường hợp mực nước lũ lưu lượng lũ đạt tần suất thiết kế theo tiêu chuẩn hành, với P = 1/500 trạm Hà Nội (Tại Hà Nội mực nước sông Hồng +13,40 m, lưu lượng lũ 20.000 m3/s); mô thực với giả thiết vị trí vết vỡ chiều rộng vỡ đê tương tự kiện năm 1971 Liên Trì Trên sở đồ phân bố độ ngập sâu trung bình (Hình 4-3) đường cong thiệt hại cho vùng Hà Nội xác định 16 Hình 4-3: Độ sâu ngập lụt ổn định (Trường hợp 1) Dựa vào kết tính tốn, đường cong quan hệ tổng chi phí nâng cấp đê (IPf), rủi ro (RPf) tổng chi phí hệ thống (Ctot) theo hai kịch phân tích (KB1 & KB2) xây dựng Hình 4-4 Hình 4-4: Quan hệ tần suất đảm bảo phòng lũ, tổng chi phí đầu tư, chi phí rủi ro tổng chi phí hệ thống HT1 (Hữu Hồng, Hà Nội) Từ kết trình bày Hình 4-4 ta thấy: khu vực trung tâm Hà Nội có ĐTCYC phịng lũ tối ưu theo quan điểm kinh tế nằm khoảng từ 1/500 năm đến 1/750 tương ứng với kịch KB1 KB2 Hiện đê Hữu Hồng, Hà Nội thiết kế với ĐTCYC [Pf]=1/500 năm Như vậy, tiêu chuẩn an toàn hành đáp ứng đủ an toàn cho vùng nghiên cứu Xem xét độ dốc đường cong đầu tư (IPf) đường cong tổng chi phí hệ thống (Ctot) Hình 44, Hà Nội nên đầu tư để hệ thống đê Hữu Hồng đạt ĐTCYC chống lũ [Pf]=1/750 năm Điều hoàn toàn phù hợp xem xét đến biến đổi gia tăng yếu tố điều kiện biên tác động BĐKH gia tăng tài sản cần bảo vệ trình phát triển kinh tế xã hội tương lai 17 4.3 Xác định số an toàn độ tin cậy yêu cầu hệ thống đê Giao Thủy, Nam Định (HT2) 4.3.1 Mô t h thng Giao Thy, Nam nh đo ạn -đê sô ng ạn đo 2đê vùng bảo vệ Huyện giao thủy a cử ng sô đoạn - đoạn đê biển Biển Hỡnh 4-6: S h thng đê phịng chống lũ huyện Giao Thủy, Nam Định Hình 4-5: Bản đồ tổng thể hệ thống đê bảo vệ huyện Giao Thủy, Nam Định (Sở NN&PTNT Nam Định, 2015) Hệ thống đê phòng chống lũ huyện Giao Thủy gồm có 31,161 km đê biển (từ K0+000 đến K31+161) gần 30 km đê sông đê cửa sông (trong đoạn đê Hữu Hồng dài 11.702 km có vị trí từ K208+000 đến K219+702, xem Hình 4-5) 4.3.2 Xác định số an toàn hệ thống đê Giao Thủy 4.3.2.1 Thiết lập sơ đồ cố hệ thống đê Khu vực ven biển huyện Giao Thủy chịu tác động đồng thời dịng chảy sơng yếu tố bất lợi từ biển Cây cố cho hệ thống đê Giao Thủy trình bày Hình 4-7 Hình 4-7: Sơ đồ cố cho hệ thống đê Giao Thủy (HT2) 4.3.2.2 Xác định độ tin cậy đánh giá an tồn Phân tích độ tin cậy thực cho chế cố cho ba thành phần hệ thống tuyến đê sông, tuyến đê cửa sông tuyến đê biển Kết phân 18 tích độ tin cậy chế cố thuộc HT2 trình bày tóm tắt Bảng 4-3 đến 4-5; Bảng 4-3: Độ tin cậy tuyến đê sông thuộc HT2 TT Tuyến đê KB2 P(Z