Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro trong đánh giá an toàn hồ chứa thủy lợi Việt Nam

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:209

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy (LTĐTC) và PTRR trong đánh giá an toàn hồ chứa có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du để nâng cao tính chính xác trong đánh giá an toàn làm cơ sở cho việc cải tạo, nâng cấp và quản lý hồ chứa một cách khoa học và hiệu quả đáp ứng tính cấp thiết về mặt khoa học và thực tiễn nêu trên.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro trong đánh giá an toàn hồ chứa thủy lợi Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI CẦM THỊ LAN HƢƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ CHỨA THỦY LỢI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI CẦM THỊ LAN HƢƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ CHỨA THỦY LỢI VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 9580202 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. NGND.GS.TS PHẠM NGỌC QUÝ 2. PGS.TS MAI VĂN CÔNG HÀ NỘI, NĂM 2020
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Cầm Thị Lan Hƣơng i
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hƣớng dẫn NGND. GS.TS Phạm Ngọc Quý, PGS.TS Mai Văn Công đã luôn định hƣớng và sát sao cùng Tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Bộ môn Thủy công, Khoa Công trình - Trƣờng Đại học Thủy lợi, các đồng chí lãnh đạo và đồng nghiệp tại Tổng cục Thủy lợi nơi Tác giả đang công tác đã tạo điều kiện về thời gian, động viên Tác giả hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu của mình. Từ đáy lòng mình, Tác giả xin đƣợc cảm ơn đến các thày cô và các nhà khoa học trong và ngoài Trƣờng đã quan tâm góp ý về chuyên môn cho Tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và đặc biệt trong giai đoạn hoàn thiện luận án. Và đặc biệt, Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên, khích lệ để Tác giả hoàn thành luận án tiến sĩ của mình. ii
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU ................................................................ xii MỞ ĐẦU…….. ...............................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2 4. Hƣớng tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu........................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................3 6. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ AN TOÀN HỒ CHỨA, ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ CHỨA THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO ................5 1.1 Tổng quan về an toàn hồ chứa, lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro ............5 1.1.1 Khái niệm về an toàn hồ chứa, lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro ....5 1.1.2 Vấn đề ngập lụt hạ du ................................................................................6 1.1.3 Một số sự cố hồ chứa nƣớc trên thế giới....................................................8 1.1.4 Hiện trạng hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam....................................................9 1.1.5 Một số sự cố hồ chứa thủy lợi những năm gần đây .................................11 1.1.6 Nguyên nhân dẫn đến sự cố hồ chứa nƣớc ..............................................13 1.1.7 Một số giải pháp tăng cƣờng quản lý an toàn hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam….. .................................................................................................................18 1.2 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng LTĐTC và PTRR trong lĩnh vực thủy lợi và đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc .............................................................................19 1.2.1 Các nghiên cứu điển hình trên thế giới ....................................................19 1.2.2 Các nghiên cứu trong nƣớc ......................................................................21 1.2.3 Các công cụ giải hàm tin cậy của cơ chế sự cố........................................25 1.3 Tồn tại của nghiên cứu đánh giá an toàn hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam ..........26 1.4 Định hƣớng nghiên cứu và các vấn đề cần giải quyết của Luận án .................28 1.5 Kết luận Chƣơng 1 ............................................................................................ 28 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ CHỨA......................................29 iii
2.1 Lý thuyết độ tin cậy trong đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc .............................. 29 2.1.1 Độ tin cậy của một cơ chế sự cố .............................................................. 29 2.1.2 Sơ đồ cây sự cố ........................................................................................ 41 2.1.3 Hàm tin cậy của một hệ thống .................................................................42 2.2 Phân tích rủi ro ngập lụt vùng hạ du hồ chứa ...................................................46 2.2.1 Định nghĩa rủi ro ngập lụt vùng hạ du hồ chứa .......................................46 2.2.2 Nguyên lý và trình tự phân tích rủi ro ngập lụt hạ du hồ chứa ................46 2.3 Hậu quả ngập lụt hạ du và xác định thiệt hại ngập lụt hạ du hồ chứa ..............48 2.3.1 Hậu quả của ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc ...............................................48 2.3.2 Phƣơng pháp đánh giá thiệt hại vùng hạ du hồ chứa nƣớc ......................49 2.4 Đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du .....................53 2.4.1 Đánh giá rủi ro ngập lụt hạ du .................................................................53 2.4.2 Đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc................................................................ 58 2.5 Kết luận Chƣơng 2 ............................................................................................ 58 CHƢƠNG 3 THIẾT LẬP BÀI TOÁN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ CHỨA CÓ XÉT ĐẾN NGẬP LỤT HẠ DU ............................................................................................. 59 3.1 Sơ đồ hóa mối liên hệ giữa CTĐM và vùng hạ du ...........................................59 3.1.1 Sơ đồ hóa công trình đầu mối ..................................................................59 3.1.2 Sơ đồ hóa vùng ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc ..........................................61 3.1.3 Kết nối giữa an toàn công trình đầu mối và ngập lụt hạ du .....................62 3.1.4 Giới hạn trƣờng hợp nghiên cứu .............................................................. 64 3.2 Thiết lập sơ đồ cây sự cố của hồ chứa nƣớc .....................................................65 3.2.1 Cơ chế sự cố và sơ đồ cây sự cố của đập đất ...........................................66 3.2.2 Cơ chế sự cố và sơ đồ cây sự cố của tràn xả lũ .......................................67 3.2.3 Cơ chế sự cố và sơ đồ cây sự cố của cống lấy nƣớc ................................ 68 3.3 Thiết lập hàm độ tin cậy của cơ chế sự cố hồ chứa nƣớc .................................70 3.3.1 Nguyên tắc thiết lập .................................................................................70 3.3.2 Một số hàm tin cậy của đập đất ............................................................... 75 3.3.3 Một số hàm tin cậy của tràn xả lũ ............................................................ 79 3.3.4 Một số hàm tin cậy của cống lấy nƣớc ....................................................80 3.3.5 Giải hàm tin cậy ....................................................................................... 82 iv
3.4 Bài toán 1: Xác định xác suất sự cố và phân tích độ tin cậy của hệ thống công trình đầu mối hồ chứa nƣớc ....................................................................................... 83 3.4.1 Mục tiêu ...................................................................................................83 3.4.2 Nội dung bài toán .....................................................................................83 3.4.3 Kết quả và ý nghĩa của bài toán 1 ............................................................ 86 3.5 Bài toán 2: Xác định độ tin cậy yêu cầu của công trình đầu mối theo rủi ro ngập lụt hạ du ............................................................................................................86 3.5.1 Mục tiêu ...................................................................................................86 3.5.2 Nội dung bài toán .....................................................................................86 3.5.3 Kết quả và ý nghĩa của Bài toán 2 ........................................................... 90 3.6 Bài toán 3: Thiết kế sửa chữa, nâng cấp công trình đầu mối hồ chứa theo độ tin cậy yêu cầu có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du hồ chứa ...............................................90 3.6.1 Mục tiêu bài toán .....................................................................................90 3.6.2 Nội dung bài toán .....................................................................................91 3.6.3 Kết quả và ý nghĩa của bài toán 3 ............................................................ 93 3.7 Giải pháp bảo đảm an toàn hồ chứa, giảm thiểu rủi ro ngập lụt hạ du .............97 3.7.1 Nhóm giải pháp giảm thiểu rủi ro ngập lụt hạ du ....................................97 3.7.2 Nhóm giải pháp phòng, tránh rủi ro ngập lụt hạ du .................................98 3.7.3 Giải pháp kết hợp giữa giảm thiểu và phòng, tránh rủi ro ngập lụt hạ du…….. .................................................................................................................99 3.8 Kết luận Chƣơng 3 ..........................................................................................100 CHƢƠNG 4 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ NÚI CỐC CÓ XÉT ĐẾN NGẬP LỤT HẠ DU ...........102 4.1 Giới thiệu chung về hồ Núi Cốc...................................................................102 4.1.1 Vị trí, đặc điểm tự nhiên, đặc điểm kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu 102 4.1.2 Khái quát về hồ chứa Núi Cốc ...............................................................103 4.2 Đánh giá hiện trạng an toàn của hồ Núi Cốc có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du….. .......................................................................................................................105 4.2.1 Sơ đồ tiếp cận phân tích an toàn hồ Núi Cốc .........................................105 4.2.2 Xác định xác suất sự cố và chỉ số độ tin cậy hiện trạng của hồ Núi Cốc…… ...............................................................................................................105 v
4.2.3 Xác định độ tin cậy yêu cầu của công trình đầu mối theo rủi ro ngập lụt vùng hạ du ...........................................................................................................111 4.2.4 Kết quả đánh giá an toàn hồ Núi Cốc có xét đến ngập lụt hạ du ...........118 4.2.5 Phân tích lựa chọn giải pháp sửa chữa, nâng cấp hồ Núi Cốc ...............119 4.2.6 Thiết kế hồ Núi Cốc đạt độ tin cậy yêu cầu ...........................................120 4.3 Kết luận Chƣơng 4 ..........................................................................................121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................123 1. Kết quả đạt đƣợc của luận án ..............................................................................123 2. Những đóng góp mới của luận án .......................................................................124 3. Các tồn tại và hƣớng phát triển ...........................................................................125 4. Kiến nghị .............................................................................................................126 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................127 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................128 PHỤ LỤC 134 PHỤ LỤC 1: Thống kê một vài sự cố vỡ đập 10 năm gần đây và các thông số kỹ thuật cơ bản của hồ Núi Cốc ................................................................................................135 PHỤ LỤC 2: Tính toán xác suất sự cố hiện trạng, độ tin cậy yêu cầu của hồ Núi Cốc……………. ..........................................................................................................140 P2.1. Tính toán phân bố xác xuất biến mực nƣớc Zmn...........................................140 P2.2. Một số thông số kỹ thuật công trình ...............................................................142 P2.3. Tính toán XSSC của từng cơ chế thành phần từng hạng mục thuộc CTĐM hồ Núi Cốc ....................................................................................................................143 P2.4: Tính cho trƣờng hợp mực nƣớc cực trị năm có phân bố loga chuẩn Zmn = (46,51; 0,51) ............................................................................................................168 P2.5. Thiết lập đƣờng cong sự cố nƣớc tràn đỉnh đập, mất ổn định mái hạ lƣu đập chính………………………………………………………………………………170 P2.6. Tính toán chi phí đầu tƣ sửa chữa, nâng cấp và chi phí quản lý vận hành PV(M) hồ Núi Cốc, Thái Nguyên ...........................................................................171 P2.7. Đánh giá ngập lụt hạ du và xác định thiệt hại ................................................175 vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Bản đồ ngập lụt hạ du hồ Dầu Tiếng ứng với các kịch bản [6] ......................7 Hình 1-2: Hiện trạng đập Bản Kiều khi vỡ [1] ................................................................ 8 Hình 1-3: Đập Edenville bị vỡ do lũ tần suất 1/500 năm [8] ..........................................9 Hình 1-4: Số lƣợng hồ chứa thủy lợi thống kê theo các tỉnh, thành phố ở Việt Nam .....9 Hình 1-5: Bản đồ phân vùng hồ chứa thủy lợi .............................................................. 10 Hình 1-6: Đập Phân Lân (Vĩnh Phúc)………………………………………………..12 Hình 1-7: Hồ Đầm Hà Động (Quảng Ninh) ..................................................................12 Hình 1-8: Hồ Đội 6 (Đắk Lắk)………………………………………………………..12 Hình 1-9: Hồ 201 (Đắk Lắk) ......................................................................................... 12 Hình 2-1: Phân bố xác suất của hàm tin cậy .................................................................29 Hình 2-2: Quan hệ giữa hàm tải trọng (S) và hàm sức chịu tải (R) .............................. 30 Hình 2-3: Miền tính toán tích phân của hàm fR,S(R.S) [30] .........................................36 Hình 2-4: Số lƣợng mẫu yêu cầu N không phụ thuộc vào số biến của hàm Z [29]. .....40 Hình 2-5: Sơ đồ cây sự cố điển hình của hệ thống [31], [43] .......................................43 Hình 2-6: Minh họa cách xác định XSSC của hệ thống nối tiếp [31], [43] ..................43 Hình 2-7: Sơ đồ cây sự cố của hệ thống CTĐM hồ chứa nƣớc ....................................45 Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý phân tích rủi ro ngập lụt hạ du hồ chứa ............................. 47 Hình 2-9: Các bƣớc cơ bản trong phân tích rủi ro ngập lụt hạ du hồ chứa ...................48 Hình 2-10: Thiệt hại đơn vị lớn nhất vùng hạ du hồ chứa nƣớc Dầu Tiếng [6]............52 Hình 2-11: Đƣờng cong thiệt hại vùng hạ du hồ chứa nƣớc Dầu Tiếng [6]. ................52 Hình 2-12: Tối ƣu XSSC theo quan điểm kinh tế [45], [53] .........................................57 Hình 3-1: Một số hình thức bố trí tổng thể CTĐM hồ chứa ở Việt Nam .....................60 Hình 3-2: Sơ họa vùng ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc ...................................................62 Hình 3-3: Sơ đồ hóa tổng quát vùng ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc .............................. 62 Hình 3-4: Sơ đồ kết nối giữa an toàn CTĐM và ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc ..........62 Hình 3-5: Sơ đồ hóa CTĐM và vùng hạ du hồ chứa nƣớc...........................................63 Hình 3-6: Sơ đồ cây sự cố tổng quát ngập lụt vùng hạ du hồ chứa nƣớc....................63 Hình 3-7: Sơ họa hóa tổng quát vùng ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc trƣờng hợp nghiên cứu .................................................................................................................................65 Hình 3-8: Sơ đồ cây sự cố ngập lụt vùng hạ du hồ chứa nƣớc đối với trƣờng hợp nghiên cứu .....................................................................................................................65 Hình 3-9: Sơ đồ cây sự cố của đập ...............................................................................67 Hình 3-10: Sơ đồ cây sự cố của tràn xả lũ....................................................................68 vii
Hình 3-11: Sơ đồ cây sự cố của cống lấy nƣớc ............................................................ 70 Hình 3-12. Sơ đồ cơ chế sự cố nƣớc tràn đỉnh đập [34]................................................75 Hình 3-13. Sơ đồ cơ chế trƣợt mái hạ lƣu theo phƣơng pháp Bishop [34], [56] ..........76 Hình 3-14. Sơ đồ cơ chế sự cố do biến hình thấm đặc biệt [34], [56] .......................... 78 Hình 3-15: Minh họa đƣờng cong sự cố nƣớc tràn đỉnh đập [63]và cơ chế mất ổn định mái hạ lƣu đập [23] ............................................................................................. 86 Hình 3-16: Sơ đồ minh họa phân bổ độ tin cậy theo sơ đồ cây sự cố .......................... 92 Hình 3-17: Sơ đồ tiếp cận đề xuất giải pháp nâng cao an toàn hồ chứa nƣớc ..............97 Hình 3-18: Lựa chọn điểm thiết kế nâng cao an toàn hồ chứa, giảm thiểu rủi ro cho vùng hạ du............................................................................................................................... 99 Hình 4-1: Bản đồ vị trí hồ Núi Cốc .............................................................................102 Hình 4-2: Toàn cảnh đầu mối hồ Núi Cốc ..................................................................104 Hình 4-3: Tràn xả lũ hồ Núi Cốc .................................................................................104 Hình 4-4: Cống lấy nƣớc và đập phụ của hồ Núi Cốc ................................................104 Hình 4-5: Sơ đồ tiếp cận giải quyết bài toán ...............................................................105 Hình 4-6: Sơ họa hệ thống CTĐM hồ Núi Cốc...........................................................106 Hình 4 - 7: Sơ đồ cây sự cố CTĐM hồ Núi Cốc .........................................................106 Hình 4 -8: Mặt bằng CTĐM hồ chứa nƣớc Núi Cốc, Thái Nguyên [66] ....................107 Hình 4-9: Phân tích XSSC bằng phần mềm OPEN FTA ............................................108 Hình 4-10: Mức độ ảnh hƣởng của các cơ chế sự cố đến an toàn hồ Núi Cốc ...........110 Hình 4-11: Đƣờng cong sự cố cơ chế nƣớc tràn đỉnh đập và mất ổn định mái hạ lƣu111 Hình 4-12: Các kịch bản tính toán xác định ĐTC yêu cầu của hồ Núi Cốc ...............113 Hình 4-13: Đƣờng quan hệ (IPf), (RPf) và (Ctot) ứng với các kịch bản.........................117 Hình 4-14: Đƣờng cong chi phí đầu tƣ nâng cấp CTĐM có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du hồ Núi Cốc ..............................................................................................................118 Hình 4-15: Ảnh hƣởng của các cơ chế đến XSSC của hệ thống CTĐM trƣờng hợp MNLTK tính toán cập nhật thủy văn và bồi lắng lòng hồ ..........................................120 Hình P2-1: Phân bố xác suất mực nƣớc hồ Núi Cốc từ liệt số liệu quan trắc .............143 Hình P2-2a: Kết quả tính ổn định mái hạ lƣu đập ngẫu nhiên bằng Geoslope 2007 (trƣờng hợp mực nƣớc lũ thiết kế cập nhật +48,70) ....................................................145 Hình P2-2b: Kết quả tính ổn định mái hạ lƣu đập ngẫu nhiên bằng Geoslope 2007 (trƣờng hợp mực nƣớc cực trị năm +46,51) ................................................................146 Hình P2-3: Sơ đồ tính toán biến hình thấm đặc biệt ...................................................150 Hình P2-4: Đƣờng mực nƣớc lớn nhất dọc sông Công theo các kịch bản tính toán điều tiết ................................................................................................................................176 viii
Hình P2-5: Thời gian chảy truyền dọc sông Công theo các kịch bản tính toán ..........177 Hình P2-6a: Dện tích ngập lụt theo các kịch bản tại huyện Phổ Yên (độ sâu ngập
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Hiện trạng hƣ hỏng của CTĐM các hồ chứa thủy lợi [2] ............................. 11 Bảng 2-1: Các kiểu sự cố và các loại cổng liên kết trong sơ đồ cây sự cố [31], [43] ..42 Bảng 2-2: Phân loại thiệt hại do ảnh hƣởng của ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc .............49 Bảng 3-1a: Một số trƣờng hợp kết nối giữa CTĐM và ngập lụt hạ du thƣờng gặp ở Việt Nam........................................................................................................................ 64 Bảng 3-1: Một số cơ chế sự cố ở đập ngăn sông ........................................................... 66 Bảng 3-2: Một số cơ chế sự cố ở công trình tháo lũ .....................................................67 Bảng 3-3: Một số cơ chế sự cố ở cống lấy nƣớc ........................................................... 69 Bảng 3-4: Nguyên tắc thiết lập một số hàm tin cậy của các hạng mục thuộc CTĐM hồ chứa nƣớc ......................................................................................................................72 Bảng 3-5: Ma trận sự cố của hệ thống CTĐM hồ chứa nƣớc ......................................84 Bảng 3-6: Chi phí đầu tƣ sửa chữa, nâng cấp và chi phí quản lý vận hành .................89 Bảng 3-7: Chi phí đầu tƣ nâng cấp hệ thống CTĐM theo các kịch bản ....................... 89 Bảng 3-8: Nguyên tắc xác định một số thông số kỹ thuật chủ yếu của hạng mục thuộc CTĐM hồ chứa nƣớc theo LTĐTC ...............................................................................94 Hình 4-2, 4-3, 4-4 là ảnh chụp toàn cảnh và một số hạng mục thuộc CTĐM hồ Núi Cốc…………………………………………………………………………………...104 Bảng 4-1: Mức độ ảnh hƣởng của các cơ chế sự cố đến ĐTC của CTĐM .................109 Bảng 4-2: Các kịch bản sửa chữa, nâng cấp hồ Núi Cốc từ kết quả tính toán điều tiết lũ .....................................................................................................................................114 Bảng 4-3: Giá trị đầu tƣ CTĐM hồ Núi Cốc (Ipf) ......................................................115 Bảng 4-4: Giá trị rủi ro ngập lụt hạ du hồ Núi Cốc ....................................................116 Bảng 4-5: Tổng chi phí đầu tƣ ứng với các kịch bản ..................................................117 Bảng 4-6: Kích thƣớc cơ bản của đập chính xác định từ phân bổ XSSC cho phép ....121 Bảng P2-1: Mực nƣớc hồ cực trị năm .........................................................................140 Bảng P2-2: Các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp và đất nền đập chính ...............................142 Bảng P2-3: Gradien thấm cho phép của đập và nền ....................................................143 Bảng P2-4: Bảng thông số đầu vào ứng với cơ chế nƣớc tràn đỉnh ............................144 Bảng P2-5: Các giá trị của biến ngẫu nhiên và hàm tin cậy khi tính theo phƣơng pháp MC ...............................................................................................................................144 Bảng P2-6: Xác suất sự cố của cơ chế nƣớc tràn đỉnh đập .........................................144 Bảng P2-7: Bảng thông số đầu vào ứng với cơ chế xói tại vị trí cửa ra ......................146 Bảng P2-8: Các giá trị của biến ngẫu nhiên và hàm tin cậy tính theo phƣơng pháp MC .....................................................................................................................................147 Bảng P2-9: Xác suất sự cố của cơ chế xói tại vị trí cửa ra ..........................................147 Bảng P2-10: Bảng thông số đầu vào của cơ chế xuất hiện hang thấm trong thân đập .....................................................................................................................................148 Bảng P2-11: Các giá trị của BNN và hàm tin cậy tính theo phƣơng pháp MC ..........149 x
Bảng P2-12: Xác suất sự cố của cơ chế xuất hiện hang thấm trong thân đập .............149 Bảng P2-13: Bảng thông số đầu vào tính toán cơ chế xuất hiện hang thấm trong nền đập ...............................................................................................................................150 Bảng P2-14: Các giá trị của biến ngẫu nhiên và hàm tin cậy tính theo phƣơng pháp MC ...............................................................................................................................151 Bảng P2-15: Xác suất sự cố của cơ chế xuất hiện hang thấm trong nền đập ..............151 Bảng P2-16: Bảng thông số đầu vào của cơ chế mất ổn định trƣợt của tràn ..............152 Bảng P2-17: Các giá trị của biến ngẫu nhiên và hàm tin cậy của tràn chính tính theo phƣơng pháp MC .........................................................................................................153 Bảng P2-18: Xác suất sự cố của cơ chế mất ổn định trƣợt của tràn chính ..................153 Bảng P2-19: Bảng thông số đầu vào của cơ chế mất ổn định lật của tràn chính ........154 Bảng P2-20: Các giá trị của biến ngẫu nhiên và hàm tin cậy tính theo phƣơng pháp MC ...............................................................................................................................155 Bảng P2-21: Xác suất sự cố của cơ chế mất ổn định trƣợt của tràn chính ..................155 Bảng P2-22: Bảng thông số đầu vào của cơ chế xuất hiện khí thực trên dốc nƣớc ....156 BảngP 2-23: Các giá trị của biến ngẫu nhiên và hàm tin cậy khi tính theo phƣơng pháp MC ...............................................................................................................................156 Bảng P2-24: Xác suất sự cố ứng với cơ chế khí thực trên dốc nƣớc ..........................157 Bảng P2-25: Bảng thông số đầu vào của cơ chế thấm dọc theo hành lang đặt cống ..157 Bảng P2-26: Các giá trị của biến ngẫu nhiên và hàm tin cậy tính theo MC ...............158 Bảng P2-27: Xác suất sự cố của cơ chế thấm dọc mang cống ....................................158 Bảng P2-28: Các đặc trƣng thống kê của các BNN đầu vào của cơ chế thân cống ngầm không đảm bảo cƣờng độ ............................................................................................159 Bảng P2-29: Bảng thông số đầu vào của cơ chế thân cống ngầm không đảm bảo cƣờng độ .................................................................................................................................160 Bảng P2-30: Xác suất sự cố thân cống ngầm không đảm bảo cƣờng độ ....................161 Bảng P2-31: Bảng thông số đầu vào của cơ chế khí thực sau cửa van cống ngầm ....161 Bảng P2-32: Các giá trị của biến ngẫu nhiên và hàm tin cậy tính theo MC ...............161 Bảng P2-33: Xác suất sự cố của cơ chế khí thực sau cửa van cống ............................162 Bảng P2-34: Xác suất sự cố của CTĐM ứng với các trƣờng hợp tính toán ................169 Bảng P2-35: Xác định đƣờng cong sự cố nƣớc tràn đỉnh đập .....................................170 Bảng P2-36: Xác định đƣờng cong sự cố mất ổn định mái hạ lƣu đập chính .............170 Bảng P2-37: Tính toán giá trị đầu tƣ (I) ......................................................................172 Bảng P2-38: Bảng tính tổng chi phí đầu tƣ Cfp ứng với các kịch bản .........................174 Bảng P2-39: Kết quả tính toán điều tiết lũ hồ Núi Cốc [46] .......................................175 Bảng P2-40: Thiệt hại lớn nhất cho 1 đơn vị diện tích sử dụng đất ............................186 Bảng P2-41: Thiệt hại vỡ đập do tràn đỉnh với lũ đến hồ tần suất P= 0.2% (KB3) ....188 Bảng P2-42: Thiệt hại vỡ đập do tràn đỉnh khi lũ đến hồ với các tần suất khác nhau193 xi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU 1. Danh mục các từ viết tắt BĐKH Biến đổi khí hậu BNN Biến ngẫu nhiên CCSC Cơ chế sự cố CTĐM Công trình đầu mối ĐLNN Đại lƣợng ngẫu nhiên ĐTC Độ tin cậy KB Kịch bản LTĐTC Lý thuyết độ tin cậy MC Monte - Carlo PTRR Phân tích rủi ro SCNC Sửa chữa nâng cấp TNHH MTV Trách nhiệm hữu hạn một thành viên XSAT Xác suất an toàn XSSC Xác suất sự cố 2. Danh mục các kí hiệu z Độ lệch chuẩn của các biến của hàm tin cậy  Lth  Chiều dài đƣờng viền thấm cho phép   Ứng suất cho phép của bản mặt chống thấm  tt Ứng suất tính toán lớn nhất tại bản mặt  Kỳ vọng toán của sai số trong mô phỏng MC X  Ƣớc lƣợng kỳ vọng toán của ĐLNN có phân bố chuẩn X X Sai số tƣơng đối của ƣớc lƣợng kỳ vọng toán D X Sai số tƣơng đối của phƣơng sai của ĐLNN có phân bố chuẩn X (I), (C), (R) Đồ thị đƣờng cong đầu tƣ, đƣờng cong chi phí, đƣờng cong rủi ro xii
[J] Gradient dòng thấm cho phép [K] Hệ số an toàn ổn định cho phép µz Kỳ vọng toán của các biến của hàm tin cậy C1, Ci, Cm Cống lấy nƣớc 1, cống lấy nƣớc thứ i, cống lấy nƣớc thứ n ĐC Đập chính ĐP1, Đpi, ĐPn; Đập phụ 1, đập phụ thứ i, đập phụ thứ n DX Phƣơng sai của ĐLNN có phân bố chuẩn X E Sai số mô hình g Hàm độ tin cậy Z gần đúng Io Giá trị đầu tƣ công trình Chi phí đầu tƣ xây dựng và nâng cấp công trình đầu mỗi đạt ĐTC IPf Pf J0 Gradient dòng thấm Jtt Độ dốc dòng thấm tính toán tại vị trí kiểm tra k Só nguyên thể hiện khoảng tin cậy theo quy luật k* K Hệ số an toàn ổn định Ltt Tổng chiều dài đƣờng viền thấm tính toán. Chi phí quản lý vận hành (M) trong thời gian công trình đã đƣợc MPf khai thác sử dụng N Số lần mô phỏng trong MC Pf Xác suất sự cố Pf-opt Xác suất sự cố tối ƣu về kinh tế Ps Xác suất an toàn Chi phí ròng quản lý vận hành (M) trong thời gian công trình đã PV(MPf) đƣợc khai thác sử dụng PV(Pf.D) Giá trị ròng rủi ro kinh tế khi xảy ra lũ với xác suất xảy ra Pf R Khả năng chịu tải r Tỷ lệ lãi suất hiệu quả R, R0 Khả năng chịu tải, khả năng chịu tải giới hạn xiii
RPi Rủi ro tiềm tàng khi sự cố công trình xảy ra với xác suất sự cố Pi S, S0 Tải trọng, tải trọng giới hạn T Tuổi thọ công trình đƣợc tính bằng năm t Chiều dày tầng thấm TRbs1, TRbs2 Tràn bổ sung 1, tràn bổ sung 2 Trc Tràn chính V Vùng hạ du sau đập và tràn của hồ chứa có 1 vùng hạ du V1 Vùng hạ du sau đập phụ V2 Vùng hạ du sau tràn bổ sung VPf Hệ số biến thiên của XSSC trong mô phỏng MC Z Hàm tin cậy của một cơ chế sự cố Zđđ Cao trình đỉnh đập Zln Mực nƣớc cao nhất trong hồ ZMN Cao trình mực nƣớc β Chỉ số độ tin cậy  Sai số tƣơng đối trong mô phỏng MC k Trọng lƣợng riêng khô của đất nền n Trọng lƣợng riêng của nƣớc xiv
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hồ chứa nƣớc là công trình lợi dụng tổng hợp nguồn nƣớc nhằm cung cấp nƣớc cho các ngành kinh tế quốc dân, cắt giảm lũ, phát điện và cải thiện môi trƣờng. Hồ chứa nƣớc trên thế giới đƣợc xây dựng và phát triển rất đa dạng, phong phú. Đến nay, thế giới đã xây dựng hơn 1.400 hồ có dung tích trên 100 triệu m3 với tổng dung tích lên đến 4.200 tỷ m3 [1]. Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn [2], hiện cả nƣớc có 6.750 hồ chứa thủy lợi, gồm: 4 hồ chứa quan trọng đặc biệt, 888 hồ chứa lớn, 1.633 hồ chứa vừa, 4.225 hồ chứa nhỏ, có 178 hồ chứa có cửa van điều tiết còn lại là tràn tự do. Hồ chứa thủy lợi phân bố tại 45/63 địa phƣơng với tổng dung tích trữ khoảng 14,5 tỷ m3, tạo nguồn nƣớc tƣới cho 1,1 triệu ha đất nông nghiệp, cấp khoảng 1,5 tỷ m3 nƣớc cho sinh hoạt, công nghiệp góp phần quan trọng vào quá trình phát triển kinh tế -xã hội của đất nƣớc. Các hồ chứa thủy lợi đƣợc xây dựng trong điều kiện kinh tế chƣa phát triển; trình độ thiết kế, thi công xây dựng công trình còn hạn chế; thiếu kinh phí bảo trì; công tác quản lý còn nhiều bất cập; trải qua thời gian dài khai thác, công trình bị hƣ hỏng, xuống cấp. Hiện cả nƣớc có 1.200 hồ chứa bị xuống cấp, thiếu khả năng xả lũ, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn. Những năm gần đây, ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu gây ra mƣa, lũ cực đoan diễn biến phức tạp, bất thƣờng ảnh hƣởng nghiêm trọng đến an toàn hồ chứa. Từ năm 2010 đến nay, đã xảy ra 71 sự cố đập, hồ chứa, tập trung nhiều trong 3 năm: 2017 (23 hồ), 2018 (12 hồ, đập), 2019 (11 hồ), sự cố vỡ hồ Đầm Thìn, Phú Thọ xảy ra gần đây ngày 28/5/2020. Ở Việt Nam hiện nay, việc đánh giá an toàn công trình đầu mối (CTĐM) hồ chứa chủ yếu đƣợc thực hiện theo phƣơng pháp tất định và chƣa xét đến rủi ro ở hạ du. Do đó, có nhiều trƣờng hợp đánh giá chƣa chính xác nên việc đề xuất giải pháp xử lý không phù hợp dẫn đến sự cố công trình, đặc biệt là vỡ đập gây thiệt hại nặng cho bản thân công trình, ngập lụt ảnh hƣởng đến tài sản, tính mạng nhân dân vùng hạ du. Do vậy, an toàn đập, hồ chứa nƣớc cần đƣợc xem xét trên quan điểm hệ thống với bài toán phân tích đánh giá tổng thể rủi ro về các vấn đề thƣợng nguồn, công trình đầu mối và 1
vùng hạ du - các yếu tố đầu vào, đầu ra trong quản lý, vận hành hồ chứa nƣớc. Phân tích rủi ro (PTRR) cho thấy rủi ro ngập lụt hạ du với an toàn CTĐM có quan hệ chặt chẽ: Gia tăng đầu tƣ cho CTĐM, tăng an toàn thì thiệt hại hạ du giảm, rủi ro giảm. Tuy nhiên, không thể tăng mãi đầu tƣ để hạn chế hết rủi ro. Vấn đề đặt ra là cần đánh giá đƣợc mối quan hệ giữa đầu tƣ ở CTĐM và khả năng chấp nhận rủi ro của vùng hạ du để tìm ra giải pháp tối ƣu về đầu tƣ hợp lý ở CTĐM. Luận án này nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy (LTĐTC) và PTRR trong đánh giá an toàn hồ chứa có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du để nâng cao tính chính xác trong đánh giá an toàn làm cơ sở cho việc cải tạo, nâng cấp và quản lý hồ chứa một cách khoa học và hiệu quả đáp ứng tính cấp thiết về mặt khoa học và thực tiễn nêu trên. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng cơ sở khoa học và phƣơng pháp luận đánh giá an toàn hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam có xét đến ngập lụt hạ du ứng dụng LTĐTC và PTRR. Vận dụng cơ sở lý thuyết để áp dụng đánh giá an toàn cho hồ chứa Núi Cốc, Thái Nguyên. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu: Hồ chứa thủy lợi đang khai thác sử dụng có đập dâng là đập đất và vùng hạ du. 3.2. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu an toàn hồ chứa thủy lợi đang khai thác sử dụng trên phạm vi cả nƣớc (1) Chỉ xét an toàn của đập chắn nƣớc và các công trình có liên quan thuộc CTĐM (đập đất, tràn, cống lấy nƣớc) trong mối liên quan đến ngập lụt vùng hạ du; (2) Hạ du chỉ chịu ảnh hƣởng ngập lụt do tác động của một hồ chứa; không xét đến tác động của hồ chứa thƣợng nguồn, ảnh hƣởng do nƣớc từ lƣu vực sông khác đổ về và thủy triều; (3) Nghiên cứu điển hình đối với hồ Núi Cốc, tỉnh Thái Nguyên. 4. Hƣớng tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu 4.1. Hướng tiếp cận nghiên cứu Tiếp cận hệ thống, tổng thể: Xem xét giải quyết bài toán đánh giá an toàn đập một 2
cách tổng thể trong mối liên hệ giữa an toàn CTĐM trong mối quan hệ với rủi ro ngập lụt ở hạ du từ hiện tƣợng, nguyên nhân đến đánh giá mức độ an toàn và đề xuất giải pháp bảo đảm an toàn. Tiếp cận mang tính kế thừa các công trình nghiên cứu đã có, trên cơ sở thừa hƣởng só liệu, kết quả phân tích đã có. Tiếp cận mang tính hiện đại: Điều tra, phân tích, đánh giá bổ sung cho nghiên cứu theo cách tiếp cận mới, khoa học hơn. 4.2. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp chính sử dụng là LTĐTC và PTRR. Ngoài ra, Tác giả còn sử dụng một số phƣơng pháp nghiên cứu khoa học sau: Phương pháp điều tra, thu thập tài liệu: Thu thập, điều tra hiện trƣờng phân tích đánh giá tổng hợp các tài liệu đã có. Phương pháp thống kê: Thống kê, phân tích hệ thống các tài liệu đã có nhằm tổng kết và kế thừa các kết quả đã nghiên cứu; phân tích đánh giá theo nguyên nhân -kết quả. Phương pháp phân tích, kế thừa các tài liệu, các công trình khoa học đã đƣợc công nhận có liên quan đến nội dung của luận án. Phương pháp mô hình toán: Sử dụng mô hình MIKE 11, MIKE FLOOD để tính toán cho nhiều trƣờng hợp, nhiều kịch bản, làm cơ sở đƣa ra những luận cứ cho việc xác lập cơ sở khoa học PTRR của vùng hạ du đập nhằm xác định ĐTC tối ƣu của hồ chứa. Phương pháp chuyên gia: Thông qua các hội thảo khoa học hoặc xin ý kiến góp ý trực tiếp để lấy ý kiến đóng góp và tham khảo kinh nghiệm của các chuyên gia. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5.1. Ý nghĩa khoa học Thiết lập và giải quyết 3 bài toán: Xác định xác suất sự cố của hệ thống, xác định độ tin cậy yêu cầu của hệ thống công trình đầu mối hồ chứa nƣớc dựa trên lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro ngập lụt hạ du hồ chứa; thiết kế công trình đầu mối hồ chứa 3
nƣớc đạt độ tin cậy yêu cầu. 5. 2. Ý nghĩa thực tiễn Nhận dạng, phân tích các cơ chế gây mất an toàn cho công trình đầu mối hồ chứa nƣớc thủy lợi, định lƣợng đƣợc mức độ an toàn của hồ chứa có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du làm cơ sở cho việc chọn giải pháp nâng cao an toàn hồ chứa nƣớc. 6. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án đƣợc trình bày trong 04 Chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về an toàn hồ chứa, đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc theo LTĐTC và PTRR; Chƣơng 2: Cơ sở khoa học của LTĐTC và PTRR trong đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc; Chƣơng 3: Thiết lập bài toán ứng dụng LTĐTC và PTRR trong đánh giá an toàn hồ chứa thủy lợi có xét đến ngập lụt hạ du; Chƣơng 4: Ứng dụng LTĐT và PTRR đánh giá an toàn hồ Núi Cốc, tỉnh Thái Nguyên có xét đến ngập lụt hạ du. 4