Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy để đánh giá rủi ro và tính toán thiết kế cho kè phú đa tỉnh phú yên

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn đúng với thực tế và chưa được công bố trong các công trình trước đây. Tất cả các trích dẫn đã được ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 23 tháng 04 năm 2015 Tác giả luận văn Vũ Thị Hoài LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện luận văn Thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy để đánh giá rủi ro và tính toán thiết kế cho kè Phú Đa - tỉnh Phú Yên” tác giả đã hoàn thành theo đúng nội dung của đề cương nghiên cứu, được Hội đồng Khoa học và Đào tạo của trường Đại học Thủy Lợi phê duyệt. Luận văn được thực hiện với mục đích nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế tối ưu hệ thống phòng chống lũ. Để có được kết quả như ngày hôm nay, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Đồng Kim Hạnh Bộ môn Công nghệ & quản lý xây dựng, các thầy cô giáo chuyên nghành - Trường Đại học Thủy lợi đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và đóng góp các ý kiến quý báu trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới lãnh đạo trường Đại học Thủy Lợi, Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, khoa Công trình và các thầy cô đã tham gia giảng dạy trong thời gian qua, đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả có thể hoàn thành khóa học và Luận văn của mình. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người đã động viên, tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua. 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 thầy cô, đồng nghiệp để giúp tác giả hoàn thiện về mặt kiến thức trong học tập và nghiên cứu. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội,ngày 23 tháng 04 năm 2015 Tác giả luận văn Vũ Thị Hoài MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1 2. Mục đích của đề tài .................................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .............................................................2 5. Kết quả đạt được .....................................................................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ XÂY DỰNG KÈ ........................................................................................................3 1.1. Lý thuyết độ tin cậy trong an toàn công trình trên thế giới và Việt Nam ............3 1.1.1. Trên thế giới ................................................................................................3 1.1.2. Tại Việt Nam ...............................................................................................5 1.2. Các công trình bảo vệ bờ......................................................................................7 1.2.1. Công trình bảo vệ bờ sông ...........................................................................7 1.2.2. Công trình bảo vệ bờ biển ...........................................................................8 1.3. Phương pháp thiết kế truyền thống ......................................................................9 1.3.1. Phương pháp ứng suất cho phép ..................................................................9 1.3.2. Phương pháp tính theo hệ số an toàn .........................................................10 1.3.3. Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn ................................................10 1.4. Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên. ......................................................................10 1.5. Kết luận chương 1 ..............................................................................................11 CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÒNG CHỐNG LŨ ..................................................13 2.1. Phân tích rủi ro do lũ lụt ..................................................................................14 2.2. Phân tích độ tin cậy của thành phần hệ thống .................................................16 2.3. Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên..................................................18 2.3.1 Tính toán cấp độ I .......................................................................................18 2.3.2. Tính toán cấp độ II.....................................................................................19 2.3.3 Tính toán cấp độ III ....................................................................................24 2.4. Các bài toán trong thiết kế ngẫu nhiên công trình phòng chống lũ ...................25 2.4.1. Bài toán 1 – Đánh giá an toàn của hệ thống đê. ........................................25 2.4.2. Bài toán 2: Tối ưu tiêu chuẩn an toàn theo quan điểm kinh tế ..................33 2.5 Kết luận chương 2 ...........................................................................................36 CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỆ THỐNG PHÒNG CHỐNG LŨ VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG PHÒNG CHỐNG LŨ TUYẾN KÈ PHÚ ĐA, HUYỆN ĐÔNG HÒA, PHÚ YÊN .........................................................................37 3.1. Một số đặc điểm chính về khu vực xây dựng kè Phú Đa...................................37 3.1.1. Vị trí địa lý .................................................................................................37 3.1.2. Điều kiện địa hình......................................................................................37 3.1.3. Đặc điểm khí hậu .......................................................................................38 3.1.4. Tình hình mạng lưới quan trắc ..................................................................38 3.1.5. Đặc diểm Khí tượng năm 2009 .................................................................39 3.1.6. Tình hình dân sinh kinh tế - Kinh tế Xã hội huyện Đông Hòa theo thống kê năm 2009.........................................................................................................39 3.1.7. Một số đánh giá hiện trạng về khu vực xây dựng kè Phú Đa ....................40 3.2. Mô tả hệ thống kè Phú Đa ..................................................................................41 3.3. Tính toán cao trình đỉnh đê theo thiết kế truyền thống ......................................43 3.3.1. Cao trình đỉnh kè .......................................................................................44 3.3.2.Cao trình đỉnh chân kè ................................................................................44 3.3.3. Cao trình đáy chân kè ................................................................................44 3.4. Xác định cao trình đỉnh đê hợp lý theo lý thuyết độ tin cậy ..............................45 3.4.1 Bài toán 1 – Đánh giá an toàn hệ thống đê hiện tại ...................................45 3.4.2. Bài toán 2 – Xác định cao trình đỉnh kè hợp lý theo phương pháp lý thuyết độ tin cậy..............................................................................................................59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................68 1. Những kết quả đạt được ........................................................................................68 2. Những tồn tại .........................................................................................................68 3. Kiến nghị ...............................................................................................................69 4. Hướng tiếp tục nghiên cứu ....................................................................................69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71 DANH MỤC BẢNG Bảng 2. 1– Đường kính (cm) tương đương của đất sét .............................................30 Bảng 2. 2 - Hệ số không đều của lưu tốc n: ..............................................................30 Bảng 3. 1- Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế chảy tràn đỉnh đê: ...................45 Bảng 3. 2 - Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế chảy tràn ...........................................46 Bảng 3. 3 - Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế mất ổn định mái bảo vệ ..........47 Bảng 3. 4- Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định KCBV mái ......................48 Bảng 3. 5- Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế mất ổn định mái bảo vệ ...........49 Bảng 3. 6 - Xác suất sự cố và hệ số ảnh hưởng cơ chế mất ổn định mái bảo vệ ......49 Bảng 3.7 - Các biến ngẫu nhiên của cơ chế xói ngầm, đẩy trồi cho Đoạn 1 ..........51 Bảng 3. 8 - Xác suất xảy ra sự cố và ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiênđến cơ chế xói ngầm ....................................................................................................................52 Bảng 3. 9 - Xác suất xảy ra sự cố và ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiênđến cơ chế đẩy trồi ......................................................................................................................53 Bảng 3. 10 - Các biến ngẫu nhiên của cơ chế mất ổn định mái đê ..........................54 Bảng 3. 11 - Hệ số ổn định mái kè ............................................................................55 Bảng 3. 12 - Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định mái kè .........................56 Bảng 3. 13 – Các hệ số chi phí nâng cấp đơn vị của kè Phú Đa ..............................59 Bảng 3. 14 – Quan hệ giữa tần suất đảm bảo phòng lũ và chi phí nâng cấp kè ......60 Bảng 3. 15– Quan hệ giữa tần suất đảm bảo phòng lũ và chi phí q.lý vận hành .....61 Bảng 3. 16 – Quan hệ giữa tần suất đảm bảo phòng lũ và chi phí đầu tư ...............62 Bảng 3. 17 – Số liệu thống kê về thiệt hại kinh tế do lũ lụt tại huyện Đông Hòa .....62 Bảng 3. 18 – Quan hệ giữa tần suất đảm bảo phòng lũ tổng chi phí đầu tư, chi phí rủi ro và tổng chi phí của hệ thống ...........................................................................65 DANH MỤC HÌNH Hình 2. 1- Sơ đồ quá trình phân tích rủi ro [6]. .................................................. 16 Hình 2. 2 - Hàm tin cậy biểu diễn trong mặt phẳng RS [6]. ................................. 17 Hình 2. 3 - Định nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số độ tin cậy [6] ................... 18 Hình 2. 4 - Cơ chế xói ngầm/đẩy trồi [8] ............................................................ 31 Hình 2. 5 – Phương pháp xác định điểm tối ưu thiết kế về kinh tế ........................ 35 Hình 3. 1 - Khu vực xây dựng kè ...............................................................................37 Hình 3. 2 - Sơ họa khu vực xây dựng kè ...................................................................42 Hình 3. 3 - Sơ đồ cây sự cố hệ thống phòng lũ huyện Đông Hòa, Phú Yên .............43 Hình 3. 4 - Phân phối MNL dựa trên số liệu đo đạc theo BESTFIT ........................46 Hình 3. 5 - Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến xác suất xảy ra sự cố của cơ chế chảy tràn .............................................................................................................46 Hình 3. 6 - Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế mất ổn định KCBV mái .....48 Hình 3. 7 - Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế xói chân .....................50 Hình 3. 8 - Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế xói ngầm ....................52 Hình 3. 9 - Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế đẩy trồi.......................53 Hình 3. 10 - Trường hợp 1 - Công trình vừa thi công xong, mực nước sông là mực nước kiệt MNK= -2,5m .............................................................................................55 Hình 3. 11- Trường hợp 2 - Mực nước rút từ MNL =5m xuống mực nước =3.5m trong một ngày ..........................................................................................................56 Hình 3. 12 - Mặt cắt đại diện tuyến phòng chống lũ ................................................59 Hình 3. 13- Xác định giá trị thiệt hại do lũ lụt .............................................................63 Hình 3. 14 - Quan hệ giữa tần suất đảm bảo phòng lũ Pf với Chi phí rủi ro kinh tế Rpf và Tổng chi phí nâng cấp của hệ thống Ctot .........................................................66 BẢNG CÁC KÝ HIỆU σmax : Ứng suất tính toán lớn [σ] : Ứng suất cho phép K : Hệ số an toàn; Fg : Yếu tố gây ổn định; Ft : Yếu tố gây mất ổn định; Kcp : Hệ số an toàn cho phép Ntt : Trị số tính toán của tải trọng tổng hợp; R : Độ bền hay khả năng kháng hư hỏng S : Tải trọng hay khả năng gây hư hỏng. Z : Hàm tin cậy γΡ : Hệ số an toàn của độ bền; γΣ : Hệ số an toàn của tải trọng. qc : Lưu lượng tràn tới hạn gây hư hỏng công trình [m3/s/m]; q0 : Lưu lượng tràn thực tế qua công trình [m3/s/m]; Zc : Cao trình đỉnh đê (m); Zmax : Mực nước lớn nhất trước (m); ht : Chiều sâu bảo vệ của kết cấu chân đê; hx : Chiều sâu hố xói dự kiến trước chân đê. h : Chiều sâu nước trước chân đê; Hs : Chiều cao sóng trước chân đê; α : Góc mái thượng lưu đê. ρc : Trọng lượng đơn vị bão hòa của lớp đất nền; ρw : Trọng lượng đơn vị của nước; g : Gia tốc trọng trường; d :Bề dày lớp đất sét tính từ chân đê đến lớp cát nền bên dưới; ∆Η :Cột nước áp lực; I∆H : Chi phí nâng cấp cho hệ thống phòng chống lũ IPf : Tổng vốn đầu tư cho hệ thống phòng chống lũ D : Thành phần rủi ro thiệt hại MNTK : Mực nước thiết kế; MNBĐ : Mực nước biến đổi; ∇MĐTN : Cao trình mặt đất tự nhiên của bãi trước chân đê; Pf : Xác suất sự cố trong 1 năm; E(M) : Chi phí duy tu bảo dưỡng khả dĩ hàng năm; E(D) : Thiệt hại có thể trong trường hợp lũ xảy ra; r : Tỷ lệ lãi suất hiệu quả; T : Thời đoạn quy hoạch (tuổi thọ công trình), năm. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Các vùng châu thổ sông thường là các vùng được thiên nhiên ưu đãi: đất đai màu mỡ, gần nguồn nước, địa hình bằng phẳng thuận lợi cho sự tập trung phát triển kinh tế xã hội của con người. Vì thế hầu hết các thành phố lớn, các trung tâm kinh tế, các khu công nghiệp, các vùng nông nghiệp tập trung tại đây. Tuy vậy các vùng này hàng năm cùng thường xuyên bị đe dọa bởi nguy cơ ngập lụt do nước lũ từ các hệ thống sông. Tại nhiều vùng ở Việt Nam, nhiều năm gần đây lũ lụt đã xảy ra và đã gây thiệt hại rất lớn đến con người tài sản, ảnh hưởng lớn đến quá trình phát triển kinh tế và ổn định xã hội. Sông Bánh Lái là một đoạn của con sông Bàn Thạch. Độ dốc sông ở thượng nguồn rất lớn 750/00, sau đó chảy qua vùng đồng bằng độ dốc chỉ còn 20/00. Sông Bánh Lái có diện tích không lớn, nhưng sông nằm cạnh dãy núi cao đón gió mùa Đông Bắc, nên thuộc vùng có lượng mưa dồi dào chỉ sau vùng núi cao lưu vực sông Hinh, lại nằm sát biển nên hay xảy ra những trận lũ riêng biệt ngay trong mùa khô. Điển hình là trận lũ lịch sử năm 2009 vừa qua đã gây thiệt hại không ít về người và của cho khu vực hai bên bờ sông. Hiện nay trong tính toán thiết kế đều dựa vào các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành để xác định quy mô, cấp công trình từ đó tính toán và xác định các hệ số an toàn, thông số thiết kế cho công trình, chưa xét đến tính tổng thể của một hệ thống hoàn chỉnh, chưa xem xét cục bộ để có giải pháp đánh giá sự an toàn cho công trình. Tuy nhiên, phương pháp thiết kế công trình theo lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro có nhiều ưu điểm và giải quyết được tổng thể bài toán này. Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế công trình xây dựng nói chung và công trình thủy lợi nói riêng hiện đang phổ biến và là xu thế chung trên thế giới. Ở Việt Nam nghiên cứu ứng dụng lý thuyết này trong thiết kế công trình đang ở những bước đầu. Trước những ảnh hưởng bất 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 2 an toàn theo lý thuyết độ tin trong điều kiện Việt Nam ở thời điểm hiện tại và tương lai là vô cùng cần thiết. 2. Mục đích của đề tài - Xây dựng được phương pháp đánh giá an toàn hệ thống đê sông 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 thống đê sông; - Ứng dụng nghiên cứu cho hệ thống kè Phú Đa, ; 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu phát triển ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong đánh giá an toàn hệ thống kè Phú Đa – Bờ Bắc sông Bánh Lái huyện Đông Hòa, tỉnh Phú Yên và đưa ra kiến nghị để đưa tần suất thiết kế đảm bảo tối ưu theo quan điểm kinh tế. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy và 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 sông; - Kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan tới hệ thống đê sông. 5. Kết quả đạt được - Nghiên cứu và áp dụng được lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro cho bài toán đánh giá, nâng cấp kè Phú Đa – bờ Bắc sông Bánh Lái – Huyện Đông Hòa – Tỉnh Phú Yên. - Xác định được tần suất đảm bảo tối ưu cho kè Phú Đa. - Với các kết quả đóng góp của luận văn làm cơ sở ban đầu cho các cơ quan hữu quan, các nhà hoạch định chính sách trong công tác xây dựng, nâng cấp tiêu chuẩn an toàn, quy hoạch hệ thống phòng lũ, bảo vệ bờ cho huyện Đông Hòa – tỉnh Phú Yên nói riêng và vùng hệ thống đê sông trên cả nước nói chung. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ XÂY DỰNG KÈ 1.1. Lý thuyết độ tin cậy trong an toàn công trình trên thế giới và Việt Nam 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. 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 tại. Các sự kiện thiên tai lũ lụt gần đây mang tính lịch sử phải kể 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 thiểu 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 ấn 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 và 2000. Dự án VNK được thực hiện 4 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, vấn đề 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 kể đến các giá trị khác không quy về tiền 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 tắt 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 khẳng 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 toan, 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 để 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 5 chuẩn đã được chuyển 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 [β]. 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 [β]=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 chuẩn kỹ thuật bằng độ tin cậy cho phép [β]. 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 cấu cụ thể bằng những giá trị độ tin cậy cố định. Ví dụ độ tin cậy của kết cấu bê tông cốt thép 3,6 ≤ β ≤ 4,2. Nga dùng độ tin cậy β để 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 điều, hồ đập đã được xây dựng và áp dụng trong 5 năm trở lại đây. Thành phần quan trọng trong đánh giá an toàn công trình theo lý thuyết độ tin cậy là xác định xác suất xảy ra ngập lụt Pf. Giá trị này thể hiện khả năng xảy ra sự cố 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 Tiếp cận với thiết kế ngẫu nhiên và phân tích rủi ro trong lĩnh vực công trình xây dựng đối với Việt Nam đây còn là một cách tiếp cận mới. Cho đến nay, ở Việt Nam, các hệ thống thủy lợi đã và đang được thiết kế theo phương pháp truyền thống. Một số các nghiên cứu mới gần đây ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực thủy lợi cũng mới chỉ thu được ở mức độ các luận văn tiến sĩ và thạc sĩ về các vấn đề như: “Probabilistic Design of Coastal Flood Defences in Viet Nam – Thiết kế ngẫu nhiên hệ thống phòng lũ bờ biển Việt Nam” [8]; “ Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng hệ thống công trình thủy nông theo lý thuyết độ 6 tin cậy trong điều kiện Việt Nam”, “ Phân tích ổn định của một số tuyến đê thuộc hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình”, “ Thiết kế xác suất và phân tích rủi ro cho đê sông Đuống – Đồng bằng châu thổ sông Hồng Việt nam”, “ Nghiên cứu độ ổn định mái dốc đê đập” [10]. Các nghiên cứu trên là tiền đề thuận lợi cho việc nghiên cứu áp dụng lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro vào bài toán đánh giá an toàn cho công trình thủy lợi và hệ thống thủy lợi của Việt Nam nói chung và kè Phú Đabờ Bắc sông Bánh Lái – Huyện Đông Hòa – Tỉnh Phú Yên nói riêng. Để đánh giá một cách tổng quan về công tác đê điều và vấn đề an toàn phòng chống lũ lụt hiện tại Việt Nam có thể 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 ổ 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 tổn 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 đổi 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 4.500 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 thống cảnh báo dự báo, thông tin liên lạc, cứu hộ cứu nạn ... 7 - 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, chuyển 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. Các công trình bảo vệ bờ Hiện nay với vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu, Việt Nam là một trong ít nước trên thế giới chịu ảnh hưởng nặng nề nhất. Từ thực tế các trận lũ lụt trong những năm trong những năm qua cho thấy có những đoạn bờ sông, bờ biển đã ổn định trong nhiều năm, nay phải trải qua những diễn biến phức tạp do đổi dòng, biển lấn vào đất liền…Ngoài ra, xu hướng phát triển của Việt Nam cũng như các nước trên thế giới là hướng ra biển, các thành phố lớn tập trung ở ven biển, phát triển tài nguyên biển, du lịch và giao thông thủy. Do đó, hệ thống đê và đặc biệt 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 điểm du lịch nghỉ dưỡng, cảnh quan thiên nhiên tươi đẹp, tạo ra các vùng trú ẩn cho tàu thuyền, bảo vệ cảng khi có bão. Do đặc điểm tác dụng của dòng chảy và sóng gió lên công trình, thường phân biệt các công trình bảo vệ bờ sông và công trình bảo vệ bờ biển. 1.2.1. Công trình bảo vệ bờ sông Loại này chịu tác động chủ yếu là từ các dòng chảy trong sông, đặc biệt là về mùa lũ. Các công trình bảo vệ bờ sông được xây dựng bảo vệ bờ khỏi bị xói lở, biến dạng do dòng chảy mặt, và để lái dòng chảy mặt hay dòng bùn cát di theo hướng xác định theo mục đích chỉnh trị sông. Thuộc loại này bao gồm: 8 + Các loại kè mái. + Các đập mỏ hàn để lái dòng chảy trong sông đi theo hướng xác định. + Các mỏ hàn mềm được làm phên và cọc hay bãi cây chìm để điều khiển bùn cát đáy, gây bồi, chống xói bờ và chân dốc. + Các hệ thống lái dòng đặc biệt (ví dụ hệ thống lái dòng Potapop) để hướng dòng chảy mặt vào cửa lấy nước, xói trôi bãi bồi, bảo vệ các đoạn bờ xung yếu… 1.2.2. Công trình bảo vệ bờ biển Khác với công trình bảo vệ bờ sông, các công trình bảo vệ bờ biển chịu tác động của hai yếu tố chính là: + Tác dụng của sóng gió. + Tác dụng của dòng ven bờ. Dòng này có thể mang bùn cát bồi đắp cho bờ hay làm xói chân mái dốc dẫn đến sạt lở bờ. Ngoài ra các công trình bảo vệ bờ biển được xây dựng trong môi trường nước mặn nên cần lựa chọn vật liệu thích hợp. Công trình bảo vệ bờ biển gồm các loại sau: + Các loại kè biển: Dùng các vật liệu khác nhau để gia cố bờ trực tiếp, chống lại sự phá hoại của sóng và dòng chảy. Do tác dụng của sóng gió, giới hạn trên của kè phải xét đến tổ hợp bất lợi của sóng gió và thủy triều, trong đó kể cả độ dâng cao của mực nước do gió bão. + Các loại công trình giảm sóng, ngăn cát. Được xây dựng trên vùng bãi phía trước mục tiêu cần bảo vệ. Thuộc loại này bao gồm: Các rừng cây ngập mặn chống sóng. Đây là một giải pháp bảo vệ bờ rất hữu hiệu, tạo ra hiệu quả tổng hợp về ngăn sóng và tăng khả năng lắng đọng phù sa, hình thành các bãi bồi ven biển. Tuy nhiên nó chỉ thích hợp những vùng gần cửa sông, có bãi thoải và nguồn phù sa tương đối dồi dào. 9 Đê mỏ hàn cũng như đập mỏ hàn ở bờ sông, được xây dựng nhô ra khỏi bờ để cản sóng và hạn chế các dòng ven có tính xâm thực. Loại này không thích hợp với bờ có bãi thoải và rộng. Đê dọc đứt khúc xa bờ: Thích hợp với các bờ có bãi thoải và rộng. Khi có đê được đặt song song với bờ, và cách bờ một khoảng nhất định (xác định theo điều kiện kinh tế - kỹ thuật). Đê được bố trí gồm các quãng liền và đứt xen kẽ, các quãng liền có thể làm cao hơn mặt nước (đê nổi) hoặc chìm dưới nước (đê ngầm giảm sóng) Các mỏ hàn dang chữ T, chữ Y: là các phương án kết hợp giữa đê mỏ hàn và đê dọc đứt khúc để tăng hiệu quả cản sóng, bảo vệ bờ. 1.3. Phương pháp thiết kế truyền thống Thiết kế truyền thống hiện nay là tính toán công trình theo mô hình tất định. Theo phương pháp này các giá trị thiết kế của tải trọng và các tham số độ bền được xem là xác định, tương ứng với trường hợp và tổ hợp thiết kế. Người thiết kế lựa chọn điều kiện giới hạn và tương ứng với nó là các tổ hợp tải trọng thiết kế thích hợp. Giới hạn này thường tương ứng với độ bền đặc trưng của công trình. Công trình được coi là an toàn khi khoảng cách giữa tải trọng và độ bền đủ lớn để đảm bảo thỏa mãn từng trạng thái giới hạn của tất cả các thành phần công trình. Tính toán theo cách này mới chỉ giải quyết được hai vấn đề là ổn định tổng thể và ổn định theo độ bền của công trình. Nội dung các phương pháp thiết kế như sau: 1.3.1. Phương pháp ứng suất cho phép Theo phương pháp này, điều kiện bền có dạng: σmax≤ [σ] (1.1) * Trong đó: + σmax- ứng suất tính toán lớn nhất tại một điểm, xác định từ tổ hợp tải trọng bất lợi nhất; + [σ] - ứng suất cho phép, lấy theo tài liệu, tiêu chuẩn 10 1.3.2. Phương pháp tính theo hệ số an toàn Phương pháp này thường được ứng dụng trong tính toán ổn định. Khi đó công thức kiểm tra là: K = Fg/Ft≥ Kcp (1.2) * Trong đó: + K - hệ số an toàn; + Fg - yếu tố gây ổn định; + Ft- yếu tố gây mất ổn định; + Kcp - hệ số an toàn cho phép, phụ thuộc cấp công trình và tổ hợp tải trọng; 1.3.3. Phương pháp tính theo trạng 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 kê: hệ số tổ hợp tải trọng nc, hệ số 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 thế cho một hệ số an toàn chung K. Phương pháp này phân làm 2 nhóm tính toán là theo trạng thái giới hạn thứ nhất và trạng thái giới hạn thứ 2. Điều kiện đảm bảo ổn định hay độ bền của công trình là: nc.Ntt≤ mR/Kn (1.3) Trong đó: + Ntt - trị số tính toán của tải trọng tổng hợp; + R: trị số tính toán của độ bền công trình. 1.4. Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên. Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên là phương pháp thiết kế dựa trên cơ sở toán xác suất thống kế để phân tích tương tác giữa các biến ngẫu nhiên của tải trọng và của sức chịu tải trong các cơ chế phá hoại theo giới hạn làm việc của công trình. Trong thiết kế ngẫu nhiên, tất cả các cơ chế phá hỏng được mô tả bởi mô hình toán hoặc mô hình mô phỏng tương ứng. Tính toán xác suất phá hỏng của một bộ phận kết cấu hoặc của công trình được dựa trên hàm độ tin cậy của từng cơ chế phá hỏng [8]. Cở sở lý thuyết và ứng dụng của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên tác giả đi sâu vào phân tích và nghiên cứu trong chương 2. 11 1.5. Kết luận chương 1 Từ tính cấp thiết và mục tiêu của đề tài, trong chương 1 của luận văn đã làm rõ được những nội dung sau: Nêu được chức năng, nhiệm vụ của của các loại công trình bảo vệ bờ. Hiện nay, nhiều khu vực nghiên cứu có tiềm năng phát triển kinh tế và ngư nghiệp, xong kinh tế còn chậm phát triển, cuộc sống luôn bị đe dọa vì lũ lụt hàng năm, đất đai canh tác theo đầu người thấp, hàng năm lại mất đi một số diện tích đáng kể làm cho tình hình ngày càng trở nên trầm trọng. Kinh tế xã hội thấp không phát triển, còn bị đe dọa về tính mạng gây nên tình trạng bất ổn định trong cộng đồng dân cư. Hiện tượng xói lở chân, sạt lở bờ tiếp tục xảy ra ở nhiều khu vực, nếu khống chế được quá trình xói lở thì hạn chế quá trình xói lở tiếp diễn phía hạ lưu, giữ được thế sông và làm tăng khả năng thoát lũ nhanh của sông.Vì thế kè bảo vệ bờ chống xói lở đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân và đời sống của nhân dân. Tổng quan được các phương pháp đánh giá ổn định công trình trong hệ thống đó là: Phương pháp ứng suất cho phép, phương pháp hệ số an toàn, phương pháp trạng thái giới hạn và phương pháp lý thuyết độ tin cậy. Từ cái nhìn tổng quan đó có những nhận định, phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp này. Mục tiêu của luận văn chính là nghiên cứu khắc phục các khiếm khuyết của phương pháp tính truyền thống, bằng cách dựa trên áp dụng các phương pháp xác suất của lý thuyết độ tin cậy để đánh giá và từ đó nâng cao chất lượng như mong muốn của các công trình xây dựng trong điều kiện Việt Nam. Đó cũng là xu hướng phát triển hiện nay trên thế giới nhằm góp phần nâng cao năng suất nông nghiệp, bảo đảm an toàn lương thực, an ninh xã hội Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, nhiều hệ thống công trình thủy lợi được xây dựng đã lâu, xuống cấp nhưng không được đầu tư nâng cấp thỏa đáng mà hầu như sửa chữa mang tính chắp vá, không đồng bộ. Vì vậy, việc xây dựng phương pháp đánh giá ổn định hệ thống công trình theo độ tin cậy được nghiên cứu trong luận văn không chỉ nhằm phục vụ xây dựng mới hệ thống, đúng địa chỉ, mang lại 12 hiệu quả cao (tức là kiểm soát được chất lượng công trình và của hệ thống theo độ tin cậy) mà còn có thể hỗ trợ cho việc lập và so sánh các phương án tu sửa, nâng cấp các công trình thủy lợi đang khai thác. 