Cỏc đặc trưng thống kờ của một biến khụng hoàn toàn được mụ tả chớnh xỏc thụng qua định nghĩa bởi dạng phõn bố và cỏc thụng số của nú. Do đú, cần phải xem xột thờm đến đặc tớnh về sự phõn bố theo khụng gian và thời gian. Giỏ trị xem xột của biến ngẫu nhiờn tại vị trớ x và thời điểm t khụng giống giỏ trị của nú tại vị trớ và thời điểm khỏc. Mối quan hệ giữa điểm đang xột với điểm khỏc của cựng một biến ngẫu nhiờn cú thể ớt liờn hệ hơn nếu khoảng cỏch hay thời gian giữa điểm đang xem xột đến điểm đú đủ lớn.
HWRU-CE project - TUDelft 87 Mối quan hệ này được mụ tả chủ yếu thụng qua hàm tương quan. Dạng tổng quỏt của hệ số tương quan trong trường ngẫu nhiờn (bài toỏn 1 chiều) cú dạng:
Hỡnh 7.1 Dạng tổng quỏt của hàm tương quan khụng gian.
Trong đú:
ρx là hằng số tương quan,
dx là hệ số tương quan khoảng cỏch
Đối với quỏ trỡnh vật lý (sự biến đổi ngẫu nhiờn theo thời gian) thường được biểu diễn theo mụ hỡnh Ferry Borges-Castanheta dưới dạng rời rạc trong khoảng thời gian t và hệ số tương quan ρt. Hỡnh 7.2 trỡnh bày khỏi quỏt quy trỡnh này.
Túm tắt:
Phần lớn cỏc biến ngẫu nhiờn (trường hay quy trỡnh) được mụ tả bởi:
• Loại phõn phối
• Giỏ trị trung bỡnh
• Độ lệch chuẩn σ và sai số quõn phương V
• Hàm tương quan phõn bố khụng gian với thụng sốdx và ρx
• Hàm tương quan phõn bố thời gian với thụng sốt và ρt
Giỏ trị trung bỡnh tuỳ theo từng trường hợp, chẳng hạn khi xột đến chiều cao đỉnh đờ. Khi đú người ta dựng cỏc giỏ trị “nom” = nominal hay sử dụng giỏ trị chỉ định thiết kế trong bảng.
HWRU-CE project - TUDelft 88 Nhiều khi sự dao động về khụng gian và/hoặc thời gian khụng được quan tõm đỳng mức. Chỳng được chọn giỏ trị dx= ∞ and ρx = 1.0, trong bảng cỏc giỏ trị này là dx = -- và ρx =_.
Hỡnh 7.2 Mụ hỡnh Ferry Borges – Castanheta đối với dao động theo thời gian.
7.2 Cỏc thụng số của biờn địa kỹ thuật
Xem xột cỏc thụng sốđộ bền coi là biến ngẫu nhiờn trong bài toỏn địa kỹ thuật như lực dớnh đơn vị, c’, và gúc nghỉ tự nhiờn, tan(ϕ’), khi đú cần phải xem xột phõn bố của cỏc biến ngẫu nhiờn này là phõn bố trong khụng gian 3 chiều. Hàm tương quan thường dựng cú dạng như sau:
Trong đú:
rx= khoảng cỏch theo phương ngang giữa 2 điểm
rz = khoảng cỏch theo phương thẳng đứng giữa 2 điểm
dx = tương quan khoảng cỏch theo phương ngang
dz = tương quan khoảng cỏch theo phương thẳng đứng
α = tỉ số dao động
Tại Hà Lan, theo kinh nghiệm tỉ số dao động thụ đối với đất: dx = 30 – 70m và dz = 0.25 - 0.5 m.
Tỉ số dao động, α, là kết quả phộp chia giữa sự biến đổi theo phương ngang tại một điểm với tổng cỏc biến đổi trong trường xem xột. Hỡnh 7.3 túm tắt một mụ hỡnh kết hợp xỏc định cỏc hệ số tương quan khụng gian.
HWRU-CE project - TUDelft 89 Hỡnh 7.3 Vớ dụ về kiểu biến đổi theo khụng gian của lực dớnh đơn vị trong lớp đất sột. Trờn hỡnh biểu diễn một mặt cắt ngang của lớp đất nền, vớ dụ như dọc theo trục đờ. Tại vị trớ cú tọa độ x1, x2, và x3 tiến hành thớ nghiệm xỏc định lực dớnh đơn vị c. Kết quả được ghi lại theo từng tọa độ tương ứng với từng chiều sõu lớp lấy mẫu c(x1, z); c(x2,
z), c(x3, z). Cỏc giỏ trị thu được dao động quanh giỏ trị trung bỡnh thống kờ tương ứng tại mỗi vị trớ. Tổng bỡnh phương cỏc giỏ trị dao động được thể hiện thụng qua sai số quõn phương σ2
f. Trị số trung bỡnh thống kờ dao động quanh giỏ trị trung bỡnh của nú theo chiều dài đờ, c. Sai số quõn phương của tham số này là σ2
c Khi đú tổng sai số quõn phương xỏc định được là:
σ2 c= σ2
f+σ2 c
Tỉ số dao động αđược xỏc định theo: α= σ2 f/σ2
c
Nếu chọn α=1, tức là σ2
c=0. Trong trường hợp này mụ hỡnh suy giảm về mụ hỡnh một chiều thường được sử dụng trong cỏc tài liệu hướng dẫn hiện hành. Kết quả của mụ hỡnh này là xỏc định trị trung bỡnh của cả khu vực chỉ dựa vào trung bỡnh thống kờ theo phương thẳng đứng. Thực tếđó phản ỏnh hạn chế về tớnh khụng chớnh xỏc của mụ hỡnh này. Thường hệ sốα nằm trong khoảng 0,5 đến 1,0.
HWRU-CE project - TUDelft 90 7.3 Cỏc đặc tớnh ngẫu nhiờn của cụng trỡnh bảo vệ bờ và cụng trỡnh phũng chống lũ 7.3.1 Cỏc biến ngẫu nhiờn cơ bản của cụng trỡnh bảo vệ vựng bờ và cụng trỡnh phũng chống lũ Cỏc biến ngẫu nhiờn cơ bản của cụng trỡnh bảo vệ vựng bờ và cụng trỡnh phũng chống lũđược đưa ra trong Bảng 7.1. Mỗi biến ngẫu nhiờn được mụ tả bằng hàm phõn bốđặc trưng của nú được xem là thớch hợp với nú nhất trong hầu hết mọi trường hợp. Tuy nhiờn để lựa chọn hàm phõn bố xỏc suất chớnh xỏc hơn cho từng biến đũi hỏi phải căn cứ vào dữ liệu thống kờ quan trắc và đo đạc của từng biến Bảng 7.1 Cỏc biến ngẫu nhiờn cơ bản của cụng trỡnh bảo vệ vựng bờ và cụng trỡnh phũng chống lũ. Thụng số phõn phối X Mụ tả biến Đơ n vị Luật phõn phối Vị trớ Phõn bố MHW L Mực nước trung bỡnh
m Gum (Norm) nom 0,1m
DWL Mực nước thiết kế m Gum (Norm) nom 0,1m
Hs Độ cao súng thiết
kế
m Weilbul nom 0,1m
d Độ sõu mực nước m Nor nom 0,3m
7.3.2 Cỏc biến liờn quan đến xỏc định kớch thước hỡnh học mặt cắt đờ
Biến ngẫu nhiờn quan trọng nhất trong xỏc định kớch thước hỡnh học mặt cắt đờ là cao trỡnh đỉnh đờ. Dữ liệu thực tế cú sẵn về cỏc thụng số thường khụng đầy đủ. Trong bảng 7.2 là kết quả phõn tớch được từ một bộ số liệu. Cỏc dữ liệu khỏc chỉ là ước lượng theo kinh nghiệm. Bảng 7.2 Cỏc biến để xỏc định kớch thước mặt cắt thiết kếđờ. Thụng số thống kờ Tham số phõn phối khụng gian Tham số phõn phối thời gian X Mụ tả biến Đơn vị Kiểu phõn phối Độ lớn Độ lệch dx ρx t ρt hk Cao trỡnh đỉnh m Nom σ=0,1 300 0 - - Ht Cao trỡnh đỉnh chõn kố m Nor Nom σ=0,2 300 0 - -
tanα Mỏi dốc ngoài - Nor Nom V=0,05 150 0 - -
HWRU-CE project - TUDelft 91
Hb Cao trỡnh cơ m Nor Nom σ=0,2 300 0 - -
D Chiều sõu nước m Nor Nom σ=0,3 900 0 year 0,5
7.4 Tổng kết chung
Sau khi liệt kờ cỏc cơ chế phỏ hỏng cú thể xảy ra, tiến hành xõy dựng hàm tin cậy cho từng cơ chế theo phương phỏp trong Chương 6. Phần trờn của chương 7 trỡnh bày tổng quỏt về cỏc đặc điểm chung của cỏc biến ngẫu nhiờn và phõn bố của nú trong khi giải hàm tin cậy cho từng cơ chế. Sau khi cú cỏc biến ngẫu nhiờn và phõn bố của nú cú thể xỏc định xỏc suất xảy ra sự cố của từng cơ chế phỏ hỏng, ỏp dụng cỏc phương phỏp tớnh toỏn cấp độ III hoàn chỉnh hoặc phương phỏp gần đỳng cấp độ II. Cuối cựng cần tiến hành tổng hợp xỏc suất xảy ra sự cố tổng cộng bằng cỏch kết hợp tất cả cỏc cơ chể phỏ hỏng dựa trờn mối quan hệ phụ thuộc thống kờ của chỳng. Tổng hợp cỏc bước thực hiện 1 bài toỏn phõn tớch an toàn cụng trỡnh bảo vệ bờ theo thiết kế ngẫu nhiờn và lý thuyết độ tin cậy được trỡnh bày thụng qua vớ dụ thực tế trong chương 8.
Cõu hỏi cuối chương:
Cõu 1: Trong trường hợp khụng đủ tài liệu, số liệu để xỏc định phàm phõn phối phự hợp cho biến ngẫu nhiờn quan tõm, hàm phõn phối nào nờn được chọn để mụ tả biến ngẫu nhiờn đang xem xột. Khi đú cần cú những lưu ý gỡ về tớnh phự hợp của biến ngẫu nhiờn với hàm phõn phối xỏc suất được chọn?
Cõu 2: Anh/ chị hóy cho biết chiều dài của hệ thống đờ cú ảnh hưởng đến xỏc suất sự cố của hệ thống đờ hay khụng? Hóy giải thớch.
HWRU-CE project - TUDelft 92
CHƯƠNG 8 - ỨNG DỤNG PPTKNN ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỆ THỐNG
CễNG TRèNH BẢO VỆ BỜ
Mục đớch chương này là giới thiệu tổng quan một vấn đề kỹ thuật bờ biển thực tế trong điều kiện Việt Nam và ứng dụng phương phỏp thiết kế ngẫu nhiờn để giải quyết. Hệ thống cụng trỡnh bảo vệ bờ biển Nam Định được lựa chọn để phõn tớch trong chương này. Nú phản ỏnh được tớnh đại diện cho vấn đề bảo vệ bờ biển của Việt Nam và tớnh cấp thiết trong vài thập kỷ gần đõy. Nội dung của chương này chủ yếu được lấy từ nghiờn cứu thực hiện gần đõy nhất cho khu vực này trong bỏo cỏo thảo luận tại Hội nghị Cơ học Thủy khớ toàn Quốc lần thứ X, 2005 tại Hạ Long, Quảng Ninh, thực hiện bởi nhúm tỏc giảMai Cao Trớ1, Mai Văn Cụng2và Nguyễn Văn Mạo2, 2005.
8.1 Giới thiệu chung vựng dự ỏn Red Riv Red Riv er Day Riv er Ninh Co R iver Ba Lat Estuary Ha lan estuary Day estuary
Lach Giang estuary So
Riv er
TONKIN GULF
Giao Thuy District
NAM DINH
THAI BINH PROVINCE
NINH BINH PROVINCE HA NAM PROVINCE
Hai Trieu Hai Ly
5 Km
Hai Hau District
Nghia Hung District Hai Thinh Accre tion Accr etio n Eros ion Stab le Hỡnh 8.1 Thực trạng vựng bờ Nam Định
Nam Định là một tỉnh thuộc đồng bằng sụng Hồng vựng Bắc Bộ.Với tổng chiều dài bờ biển khoảng 70 km. Phần lớn đường bờ khu vực này nằm trong vựng chịu xúi lở mạnh, hệ thống đờ biển và cụng trỡnh bảo vệ bờ, phũng chống lũ thường chịu cỏc tỏc động bất lợi từ phớa biển và xảy ra hư hỏng, thiệt hại nặng trong nhiều năm qua. Do đú vựng biển Nam Định được xem như là một điển hỡnh về cỏc sự cố vựng bờ và cụng trỡnh bảo vệ bờ. Cỏc cụng trỡnh bảo vệ bờ khu vực này chủ yếu gồm đờ và kố bảo vệ mỏi đờ.
1 Trung tõm Thủy Cụng, Viện Khoa học Thủy Lợi
HWRU-CE project - TUDelft 93 Nhỡn chung, vấn đề xúi lở đường bờ và hư hỏng cỏc cụng trỡnh bảo vệ bờ gõy ra cỏc hậu quả nghiờm trọng về kinh tế cũng như xó hội tại cỏc khu vực cú liờn quan (ba huyện Giao Thủy, Hải Hậu và Nghĩa Hưng).
8.2 Cỏc vấn đề tồn tại
Nguyờn nhõn chớnh gõy ra hư hỏng đờ kố biển là do tỏc động của bóo và súng lớn thường là vượt quỏ điều kiện thiết kế. Hơn nữa, súng và xúi lở bờ biển xảy ra nghiờm trọng tại khu vực trước chõn đờ cũng là một nguyờn nhõn đỏng kể dẫn đến hư hỏng thường xuyờn của kết cấu bảo vệ chõn và mỏi ngoài đờ. Cỏc vấn đề cụ thểđược liệt kờ như sau:
Xúi lở bờ biển xảy ra mạnh dưới cả hai hỡnh thức: ảnh hưởng của quỏ trỡnh vận chuyển bựn cỏt dọc bờ và cỏc phản ứng phụ của cỏc giải phỏp cụng trỡnh; ảnh hưởng của quỏ trỡnh vận chuyển bựn cỏt ngang bờ trong điều kiện thời tiết bất lợi (giú mựa, bóo...). Theo số liệu thống kờ và cỏc nghiờn cứu gần đõy, tốc độ xúi bói vào khoảng 10-20m/năm và hạ thấp độ sõu bói trung bỡnh 0,3-0,6m/năm tại cỏc bói trước đờ. Điều này sẽ dẫn đến hiện tượng biển tiến, mất đất vựng bờ nhanh chúng nếu khụng cú cỏc biện phỏp bảo vệ hữu hiệu và kịp thời.
Trong 100 năm qua, dưới tỏc dụng của điều kiện biờn phớa biển như súng lớn và bóo quỏ trỡnh xúi bói diễn ra liờn tục, nhiều lần xảy ra vỡ đờ và phải lựi tuyến bảo vệ làm mất tổng cộng khoảng 3000m bói. Tổng diện tớch đất bị mất khoảng 15000 ha (gần bằng huyện Hải Hậu hiện nay) (Theo[9]).
Bóo lớn với giú từ cấp 9 đến 12 gõy nhiều thiệt hại về người và tài sản. Trong khoảng thời gian 20 năm từ 1976 đến 1995, bóo đó lấy đi 4.028 ngụi nhà, chỡm 6 tàu đỏnh cỏ, làm 25 người chết và 34 người bị thương.
Vỡ đờ dẫn đến nước biển tràn vào gõy ra lũ lụt và nhiễm mặn trờn diện rộng, mất đất canh tỏc nụng nghiệp. Theo cỏc cỏc số liệu thống kờ cho thấy cú 38.273 ha đất canh tỏc bị nhiễm mặn, mất mựa dẫn đến thiệt hại gần 80.000 tấn hoa màu. Cỏc ruộng muối, hồ nuụi tụm bị thiệt hại nặng nề.
Súng lớn đi đụi với thuỷ triều dõng gõy thiệt hại hàng năm cho đờ biển Nam Định. Từ năm 1976 đến năm 1995 cú khoảng 934.000m3 đất và 30.400 m3 đỏ của đờ biển bị cuốn đi. Do đú chi phớ bảo trỡ là rất lớn (hàng triệu Euro).
Cỏc cụng trỡnh bảo vệ bờ bị hư hỏng và phỏ hủy, đờ, kố lỏt mỏi và kết cấu chõn kố biển. Cú nhiều kiểu sự cố xuất hiện tại những đoạn đờ và kố đó bị hư hỏng.
Hệ thống đờ biển Nam Định được thiết kế và xõy dựng với hai nhiệm vụ chớnh là phũng chống lũ phớa biển và bảo vệ vựng đất bờn trong khụng bị xúi lở. Trong mọi tỡnh huống cần phải cú đờ biển để bảo vệ vựng bờ trũng nằm ngay sau đờ cú chiều rộng từ 3 đến 10 km. Bằng chứng là cỏc đờ biển này đó tồn tại hằng ngàn năm nay. Tuy nhiờn, hầu hết hệ thống đờ trước đõy đều được xõy dựng chủ yếu dựa theo kinh nghiệm của địa phương (chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của nhõn dõn trong vựng) và theo cỏc phương phỏp thiết kếđó lỗi thời.
HWRU-CE project - TUDelft 94 Theo thời gian, hệ thống đờ này khụng cũn đỏp ứng được trước cỏc điều kiện biờn thực tế.
Dưới đõy là một số hỡnh ảnh mụ tả thực trạng đường bờ và cụng trỡnh bảo vệ bờ biển tại Hải Hậu trong vài năm gần đõy. Cỏc hỡnh ảnh phản ỏnh rừ tớnh nghiờm trọng và gõy ấn tượng đối với cỏc vấn đềđang xảy ra cho vựng bờ Nam Định.
Hỡnh 8.2 Một đoạn đờ bị hư hỏng(Hải Hậu 1998).
Hỡnh 8.3 Đặc trưng mặt cắt ngang cũn lại của một đoạn đờ sau khi bị vỡ (Văn Lý 1995).
HWRU-CE project - TUDelft 95
Hỡnh 8.4a Làng Hải Triều năm 1995 Hỡnh 8.4b Viết tớch làng Hải Triều năm
2001
8.3 Hiện trạng đờ kố biển Nam Định
Theo VCZVA (1996), độ dốc mỏi ngoài của đờ Nam Định thường được thiết kế theo tỉ lệ 1:3 đến 1:4; cao trỡnh đỉnh đờ khoảng 5 đến 5,5 m so với cao độ lục địa. Thõn đờ được cấu tạo bằng vật liệu địa phương sẵn cú, lừi cỏt và cỏt pha, mỏi ngoài bọc đất sột pha, đất thịt. Mỏi ngoài đờ được bảo vệ bằng kố đỏ đổ hoặc đó xếp trờn tầng lọc hạt. Một số đoạn đờ mới xõy dựng sử dụng kố lỏt khan bằng cỏc cấu kiện bờ tụng đỳc sẵn kiểu lập phương hoặc tự chốn, TSC-178. Hệ thống bảo vệ cú hai tuyến bảo vệ chớnh, tuyến ngoài và tuyến trong. Hỡnh 8.5 & 8.6 mụ tả mặt bằng hệ thống và cỏc mặt cắt ngang đại điện của đờ.
Hỡnh 8.5 Phỏc thảo hệ thống đờ kộp-hai tuyến bảo vệ - tại bờ biển Hải Hậu Nam Định. Hệ thống đờ biển Nam Định chia thành ba đoạn chớnh riờng biệt, ngăn cỏch bởi cỏc cửa sụng và theo ba huyện vựng biển (tớnh theo chiều dài đờ biển):Xuõn Thuỷ (32 km), Hải Hậu (33 km) và Nghĩa Hưng (26 km).
Mặt cắt thiết kế:
- Mực nước thuỷ triều thiết kế MSL+ 2,29m (tần suất vượt quỏ 5%); chiều cao nước dõng do bóo +1,0m; Mực nước thiết kế MSL + 3,29 m.
- Khoảng tự an toàn đỉnh đờ : 0,21m;
- Cao trỡnh đỉnh đờ + 5,50m (tớnh toỏn với súng leo trờn mỏi dốc 1:4);