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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Mai Văn Công GS.TS Trịnh Minh Thụ HÀ NỘI, NĂM 2018 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo quy định Tác giả luận án Trần Quang Hoài i LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận án tiến sĩ “Nghiên cứu phương pháp xác định số an toàn độ tin cậy yêu cầu cho hệ thống đê vùng đồng sông Hồng theo lý thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro”, tác giả nhận quan tâm, giúp đỡ tạo điều kiện mặt quan, đơn vị, nhà khoa học, bạn bè đồng nghiệp Tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy Lợi, Phòng Đào tạo Đại học Sau đại học, Khoa Cơng trình quan cơng tác Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn tạo điều kiện thuận lợi suốt trình thực luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến nhà khoa học góp ý bổ sung thơng tin chun mơn hữu ích giúp nâng cao chất lượng luận án Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS.Mai Văn Công GS.TS.Trịnh Minh Thụ tận tình hướng dẫn trình thực hoàn thành luận án Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp bạn bè quan tâm, chia sẻ động viên suốt trình thực luận án Trần Quang Hoài ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH vii DANH MỤC CÁC BẢNG x CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ xii DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG .xv MỞ ĐẦU 17 Tính cấp thiết đề tài .17 Mục đích nghiên cứu .18 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 18 3.1 Đối tượng nghiên cứu 18 3.2 Phạm vi nghiên cứu .19 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 19 4.1 Phương pháp tiếp cận 19 4.2 Phương pháp nghiên cứu 19 Ý nghĩa khoa học thực tiễn .20 5.1 Ý nghĩa khoa học 20 5.2 Ý nghĩa thực tiễn 20 Cấu trúc luận án 20 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÊ PHÒNG CHỐNG LŨ, NGHIÊN CỨU RỦI RO LŨ LỤT VÀ AN TOÀN ĐÊ ĐIỀU 21 1.1 Tổng quan cơng tác đê điều phịng chống lũ Việt Nam 21 1.2 Cơng tác phịng chống lũ hệ thống đê điển hình giới 22 1.3 Tổng quan hệ thống đê vùng Đồng sông Hồng 24 1.3.1 Hệ thống đê vùng Đồng sông Hồng khu vực nghiên cứu [13] 24 1.3.2 Đánh giá trạng an toàn hệ thống đê vùng Đồng sông Hồng 25 1.3.3 Các biểu cố, hư hỏng đê .30 iii 1.4 Đánh giá thực trạng đảm bảo an toàn đê vùng ĐBSH 31 1.5 Phương pháp phân tích an tồn hệ thống đê theo quy định hành 32 1.5.1 Tiêu chuẩn an toàn phân cấp đê 32 1.5.2 Yêu cầu kỹ thuật đánh giá an toàn đê .33 1.6 Phương pháp thiết kế truyền thống tồn 35 1.7 Tình hình nghiên cứu ứng dụng PTRR & LTĐTC an toàn đê điều rủi ro lũ lụt 36 1.7.1 Ứng dụng phân tích, đánh giá an tồn hệ thống đê phịng chống lũ .36 1.7.2 Các kết nghiên cứu ứng dụng nước 37 1.7.3 Tình hình nghiên cứu nước 40 1.8 Luận giải vấn đề nghiên cứu luận án 43 1.9 Kết luận 44 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP LUẬN PHÂN TÍCH AN TỒN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ TIN CẬY U CẦU CHO HỆ THỐNG ĐÊ .45 2.1 Phương pháp phân tích độ tin cậy đánh giá an tồn cơng trình 45 2.1.1 Khái niệm chế cố hàm tin cậy 45 2.1.2 Phân tích độ tin cậy chế cố theo tốn Cấp độ III - Mơ ngẫu nhiên Monte-Carlo 48 2.2 Phương pháp phân tích rủi ro hệ thống đê vùng bảo vệ .51 2.2.1 Phân tích rủi ro lũ lụt 54 2.2.2 Phương pháp xác định thiệt hại lũ .56 2.2.3 Xác định rủi ro hệ thống đê 58 2.2.4 Giá trị rủi ro chấp nhận hệ thống đê 59 2.2.5 Đánh giá rủi ro 64 2.2.6 Ra định dựa kết phân tích rủi ro .64 2.3 Phương pháp đánh giá an toàn tổng thể hệ thống đê .64 2.3.1 Khái niệm hệ thống 64 2.3.2 Các hệ thống liên kết .65 2.3.3 Phân tích hệ thống 66 2.4 Kết luận 69 iv CHƯƠNG THIẾT LẬP BÀI TỐN XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ AN TỒN VÀ ĐỘ TIN CẬY YÊU CẦU CHO HỆ THỐNG ĐÊ .70 3.1 Sơ đồ hóa hệ thống đê phòng chống lũ vùng đồng 70 3.2 Thiết lập sơ đồ cố cho hệ thống đặc trưng .71 3.3 Thiết lập cố chi tiết cho hệ thống đê .73 3.3.1 Cơ chế cố chảy tràn 75 3.3.2 Cơ chế cố ổn định cấu kiện bảo vệ mái 76 3.3.3 Cơ chế cố xói chân đê 78 3.3.4 Cơ chế cố xói ngầm đẩy trồi 80 3.3.5 Cơ chế cố ổn định trượt mái – ổn định tổng thể 82 3.3.6 Cơ chế cố chảy tràn đê biển 83 3.3.7 Cơ chế cố ổn định kết cấu bảo vệ mái đê biển 83 3.3.8 Cơ chế cố xói chân đê biển .84 3.3.9 Cơ chế cố ổn định thấm 85 3.4 Phương pháp xác định độ tin cậy cho hệ thống đê 86 3.5 Phương pháp xác định hiệu ứng chiều dài phân tích độ tin cậy hệ thống đê 88 3.5.1 Đặt vấn đề 88 3.5.2 Xác định độ tin cậy hệ thống đê xem xét hiệu ứng chiều dài đê 90 3.6 Phương pháp xác định độ tin cậy yêu cầu cho hệ thống đê 97 3.6.1 Phương pháp xác định giá trị rủi ro chấp nhận 97 3.6.2 Độ tin yêu cầu từ giá trị rủi ro chấp nhận dựa theo quan điểm kinh tế 98 3.6.3 Độ tin cậy yêu cầu từ giá trị rủi ro chấp nhận theo quan điểm cộng đồng nguy thiệt mạng 99 3.7 Kết luận 100 CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CHO CÁC HỆ THỐNG ĐÊ ĐIỂN HÌNH VÙNG ĐỒNG BẰNG SƠNG HỒNG 101 4.1 Lựa chọn hệ thống đê điền hình vùng đồng sơng Hồng kịch phân tích 101 4.1.1 Hệ thống đê điển hình 101 4.1.2 Kịch phân tích 101 v 4.2 Xác định số an toàn độ tin cậy yêu cầu hệ thống đê Hữu Hồng bảo vệ khu vực trung tâm thành phố Hà Nội (HT1) 102 4.2.1 Mô tả hệ thống đê Hà Nội .102 4.2.2 Xác định độ tin cậy đánh giá an toàn hệ thống đê .103 4.2.3 Xác định độ tin cậy yêu cầu hệ thống đê Hà Nội theo rủi ro kinh tế 114 4.3 Xác định số an toàn độ tin cậy yêu cầu hệ thống đê Giao Thủy, Nam Định (HT2) 121 4.3.1 Mô tả hệ thống đê Giao Thủy, Nam Định 121 4.3.2 Xác định số an toàn hệ thống đê Giao Thủy 124 4.3.3 Xác định độ tin cậy yêu cầu hệ thống đê Giao Thủy theo rủi ro kinh tế 130 4.5 Đề xuất giải pháp nâng cao an toàn giảm thiểu rủi ro lũ lụt 136 4.6 Kết luận 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .140 Kết đạt luận án 140 Những đóng góp luận án 141 Những tồn .142 Hướng phát triển 142 Kiến nghị 142 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 PHỤ LỤC .149 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1: Đê Hữu Hồng đoạn qua Hà Nội 26 Hình 1-2: Giếng xử lý xói ngầm, mạch đùn mạch sủi hạ lưu đê Tả Hồng, đoạn qua Nghi Xuyên, Khoái Châu, Hưng Yên 31 Hình 1-3: Quan hệ mực nước ngập với mức độ thiệt hại cho nhà dân dụng 39 Hình 1-4: Quan hệ thời gian ngập với mức độ thiệt hai cho trồng 39 Hình 1-5: Sơ đồ khối đánh giá thiệt hại dựa vào mô ngập lụt [12],[37] .40 Hình 2-1: Phân bố xác suất hàm độ tin cậy Z [32], [33], [57] 45 Hình 2-2: Định nghĩa biên cố [33] 46 Hình 2-3: Quan hệ hàm tải trọng S hàm độ bền R [54], [55] 46 Hình 2-4: Miền tính tốn tích phân hàm tin cậy [23] .47 Hình 2-5: Đường đẳng mật độ xác suất hàm kết hợp fR(X1)fS(X2) Vùng R