Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích an toàn công trình kè bảo vệ bờ sông Nam bộ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:195

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích an toàn công trình kè bảo vệ bờ sông Nam bộ" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về đánh giá an toàn kè bờ sông theo lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro; Cơ sở khoa học của lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro trong đánh giá an toàn kè bờ sông; Thiết lập bài toán ứng dụng lý thuyết độ tin trong đánh giá an toàn kè bờ sông Nam Bộ; Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy đánh giá an toàn kè bờ sông Sài Gòn đoạn thành phố Thủ Dầu Một.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích an toàn công trình kè bảo vệ bờ sông Nam bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM -------------------------- DOÃN VĂN HUẾ ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH AN TOÀN CÔNG TRÌNH KÈ BẢO VỆ BỜ SÔNG NAM BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2025
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM -------------------------- DOÃN VĂN HUẾ ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG PHÂN TÍCH AN TOÀN CÔNG TRÌNH KÈ BẢO VỆ BỜ SÔNG NAM BỘ NGÀNH : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY MÃ SỐ : 9 58 02 02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS TÔ VĂN THANH 2. PGS.TS MAI VĂN CÔNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2025
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 dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Doãn Văn Huế i
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn PGS.TS Tô Văn Thanh, PGS.TS Mai Văn Công đã luôn định hướng 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 các đồng chí lãnh đạo và đồng nghiệp tại Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, 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 được cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hữu Bảo, các thày cô và các nhà khoa học trong và ngoài Viện 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 CÁC HÌNH ẢNH................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU .........................................................xi MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết và lý do lựa chọn đề tài ....................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................3 4. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu...........................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................4 6. Những điểm mới của luận án ..................................................................................5 7. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KÈ BỜ SÔNG THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO ......................................................6 1.1 Tổng quan về kè bảo vệ bờ sông ở Nam Bộ.......................................................6 1.1.1 Khái quát về kè bảo vệ bờ sông .................................................................6 1.1.2 Tổng quan về xói lở bờ sông và sự cố các công trình kè ở Nam Bộ .........8 1.1.3 Phân tích nguyên nhân hư hỏng công trình kè .........................................30 1.2 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng LTĐTC và PTRR trong lĩnh vực thủy lợi và đánh giá an toàn kè ............................................................................................... 36 1.2.1 Các nghiên cứu điển hình trên thế giới ....................................................36 1.2.2 Các nghiên cứu trong nước ......................................................................38 1.2.3 Một số hàm tin cậy đối với cơ chế sự cố hệ thống đê kè .........................45 1.2.4 Các công cụ tính toán độ tin cậy .............................................................. 48 1.3 Tồn tại trong nghiên cứu đánh giá an toàn kè ở Việt Nam .............................. 50 1.4 Định hướng nghiên cứu và các vấn đề cần giải quyết của luận án...................52 1.5 Kết luận Chương 1 ............................................................................................ 53 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KÈ BỜ SÔNG ................................ 54 2.1 Lý thuyết độ tin cậy trong đánh giá an toàn kè bờ sông...................................54 2.1.1 Khái niệm an toàn kè sông .......................................................................54 2.1.2 Khái niệm cơ chế sự cố ............................................................................54 iii
2.1.3 Hàm tin cậy của một cơ chế sự cố ........................................................... 54 2.1.4 Cách giải hàm tin cậy của một cơ chế sự cố ............................................56 2.1.5 Xác định giá trị thiết kế của biến độ bền .................................................67 2.1.6 Sơ đồ cây sự cố ........................................................................................68 2.1.7 Độ tin cậy của hệ thống ...........................................................................70 2.2 Phân tích rủi ro sạt lở bờ sông ..........................................................................71 2.2.1 Nguyên tắc xác định rủi ro sạt lở bờ sông ...............................................71 2.2.2 Trình tự phân tích rủi ro sạt lở bờ sông ...................................................72 2.3 Hậu quả của sạt lở bờ sông và xác định thiệt hại sạt lở bờ sông ......................74 2.3.1 Hậu quả của sạt lở bờ sông ......................................................................74 2.3.2 Phương pháp đánh giá thiệt hại vùng bảo vệ của kè bờ sông ..................74 2.4 Đánh giá an toàn kè có xét đến rủi ro sạt lở bờ sông .......................................78 2.4.1 Đánh giá rủi ro sạt lở bờ sông theo quan điểm kinh tế ............................ 78 2.4.2 Đánh giá an toàn kè bờ sông ....................................................................82 2.5 Kết luận Chương 2............................................................................................ 82 CHƯƠNG 3 THIẾT LẬP BÀI TOÁN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KÈ BỜ SÔNG NAM BỘ ........................................83 3.1 Sơ đồ hóa mối liên hệ giữa công trình kè và bờ sông ......................................83 3.1.1 Sơ đồ hóa công trình kè bờ sông .............................................................. 83 3.1.2 Cấu tạo công trình kè sông.......................................................................84 3.1.3 Kết nối giữa an toàn công trình kè và sạt lở bờ sông............................... 85 3.1.4 Giới hạn trường hợp nghiên cứu .............................................................. 86 3.2 Thiết lập sơ đồ cây sự cố ..................................................................................86 3.3 Thiết lập hàm tin cậy của cơ chế sự cố kè sông ...............................................90 3.3.1 Nguyên tắc thiết lập .................................................................................90 3.3.2 Thiết lập một số hàm tin cậy đối với CTK sông ......................................93 3.3.3 Giải hàm tin cậy .....................................................................................104 3.4 Xác định SXSC và phân tích ĐTC của hệ thống công trình kè sông .............106 3.4.1 Mục tiêu .................................................................................................106 3.4.2 Nội dung bài toán ...................................................................................106 3.4.3 Kết quả và ý nghĩa của bài toán .............................................................108 3.5 Xây dựng đường cong sự cố ...........................................................................109 iv
3.6 Phương pháp xác định ĐTC yêu cầu cho hệ thống kè ...................................110 3.6.1 Phương pháp xác định giá trị rủi ro chấp nhận ......................................110 3.6.2 ĐTC yêu cầu từ giá trị rủi ro chấp nhận dựa theo quan điểm kinh tế....110 3.6.3 Độ tin cậy yêu cầu từ giá trị rủi ro chấp nhận theo quan điểm cộng đồng về nguy cơ thiệt mạng .........................................................................................112 3.7 Biện pháp nâng cao an toàn kè sông, giảm thiểu rủi ro sạt lở ........................113 3.7.1 Nhóm giải pháp giảm thiểu rủi ro sạt lở bờ sông...................................113 3.7.2 Nhóm giải pháp phòng, tránh rủi ro sạt lở bờ sông ...............................114 3.7.3 Giải pháp kết hợp giảm thiểu và phòng, tránh rủi ro sạt lở bờ sông......114 3.8 Kết luận Chương 3 ..........................................................................................116 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KÈ BỜ SÔNG SÀI GÒN ĐOẠN THÀNH PHỐ THỦ DẦU MỘT .................................117 4.1 Giới thiệu chung về kè bờ sông Sài Gòn đoạn thành phố Thủ Dầu Một .......117 4.1.1 Vị trí, đặc điểm tự nhiên khu vực nghiên cứu .......................................117 4.1.2 Khái quát về kè sông Sài Gòn đoạn thành phố Thủ Dầu Một ...............120 4.2 Đánh giá hiện trạng an toàn của kè bờ sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một .....121 4.2.1 Sơ đồ tiếp cận phân tích an toàn kè .......................................................121 4.2.2 Xác định xác suất sự cố và chỉ số độ tin cậy hiện trạng của kè .............122 4.3 Thiết lập các đường cong sự cố công trình kè ................................................136 4.4 Xác định độ tin cậy yêu cầu của CTK theo rủi ro sạt lở ................................139 4.4.1 Xây dựng đường cong tổng chi phí đầu tư Ipf .......................................139 4.4.2 Lựa chọn xác suất sự cố cho phép [Pf] của CTK ...................................144 4.5 Kết quả đánh giá an toàn CTK có xét đến sạt lở bờ sông ..............................144 4.6 Phân tích lựa chọn giải pháp sửa chữa nâng cấp kè bờ sông Sài Gòn ...........145 4.7 Thiết kế kè bờ sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một đạt ĐTC yêu cầu...............145 4.8 Kết luận Chương 4 ..........................................................................................147 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................149 1. Kết quả đạt được của luận án ..............................................................................149 2. Những đóng góp mới của luận án .......................................................................150 3. Các tồn tại ............................................................................................................151 4. Hướng phát triển ..................................................................................................151 5. Kiến nghị .............................................................................................................151 v
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................153 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................154 PHỤ LỤC ....................................................................................................................159 PHỤ LỤC 1: ................................................................................................................160 1.1. Thống kê một vài sự cố kè sông ở Nam Bộ trong 15 năm gần đây .................160 1.2. Các thông số kỹ thuật cơ bản của kè bờ sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một, tỉnh Bình Dương .............................................................................................................172 PHỤ LỤC 2: ................................................................................................................173 2.1. Tính toán phân phối xác xuất thống kê biến mực nước Zmn ...........................173 2.2. Tính toán phân phối xác xuất thống kê biến chỉ tiêu cơ lý đất.........................178 PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ THIỆT HẠI VÀ THIẾT LẬP ĐƯỜNG CONG THIỆT HẠI .....................................................................................................179 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Kết cấu kè bảo vệ bờ sông loại tường đứng trên hệ cọc neo ..........................6 Hình 1-2: Kết cấu kè bảo vệ bờ sông loại mái nghiêng ..................................................7 Hình 1-3: Kết cấu kè bảo vệ bờ sông loại tường đứng không neo ..................................7 Hình 1-4: Kết cấu kè bảo vệ bờ sông loại hỗn hợp mái nghiêng - tường đứng ..............8 Hình 1-5: Lược đồ tự nhiên đồng bằng Nam Bộ ............................................................. 9 Hình 1-6: Vị trí CTK đường Nguyễn Tri Phương thành phố Thủ Dầu Một [32] .........16 Hình 1-7: Diễn biến sạt lở kè đường Nguyễn Tri Phương thành phố Thủ Dầu Một [32] .......................................................................................................................................16 Hình 1-8: Hình ảnh sạt lở kè đường Nguyễn Tri Phương thành phố Thủ Dầu Một [32] .......................................................................................................................................16 Hình 1-9: Vị trí tuyến kè đường Nguyễn Tri Phương điều chỉnh thiết kế do sạt lở [32] .......................................................................................................................................16 Hình 1-10: Vị trí xây dựng CTK bờ trái phía hạ lưu cầu Phước Lộc, huyện Nhà Bè [33].................................................................................................................................18 Hình 1-11: Mặt cắt ngang điển hình kè Phước Lộc, huyện Nhà Bè [33] ......................18 Hình 1-12: Kết cấu kè phân đoạn trước khi sạt lở (ảnh trái) và cao trình bơm cát (ảnh phải) khi sạt lở ở CTK Phước Lộc [33] .........................................................................19 Hình 1-13: Vị trí và kết cấu CTK sông Cần Thơ dự án Vincom Xuân Khánh [31] .....20 Hình 1-14: Hiện trạng bờ kè sông Cần Thơ khu vực dự án VinCom Xuân Khánh Khánh [31] .....................................................................................................................20 Hình 1-15: Vị trí xây dựng CTK Bình Thành đến Vàm Phong Mỹ Khánh [34] ..........21 Hình 1-16: Mặt cắt ngang thiết kế kè Bình Thành đoạn L1 [34] ...................................22 Hình 1-17: Mặt cắt ngang thiết kế kè Bình Thành đoạn L2, L3, L4 [34]........................23 Hình 1-18: Hình ảnh sạt lở kè bờ sông Tiền khu vực chợ Bình Thành [34] .................24 Hình 1-19: Sơ đồ vị trí các đoạn kè khu vực cửa sông Gành Hào [31] ........................26 Hình 1-20: Hình ảnh sự cố kè Gành Hào đoạn G1-835m, ảnh chụp tháng 02/2017 [31] .......................................................................................................................................26 Hình 1-21: Sơ đồ cây sự cố công trình kè bảo vệ bờ sông ............................................30 Hình 1-22: Sơ đồ tổng quát mô tả cơ chế mất ổn định trượt mái đê [3] .......................48 Hình 1-23: Sơ đồ tính toán XSSC của hệ thống sử dụng phần mềm Bestfit, VaP, và Open FTA [11] ..............................................................................................................49 Hình 2-1: Phân phối xác suất của hàm tin cậy .............................................................. 55 Hình 2-2: Quan hệ giữa hàm tải trọng S và hàm sức chịu tải R ....................................56 Hình 2-3: Ý nghĩa chỉ số độ tin cậy  [41] ....................................................................59 Hình 2-4: Biểu thị chỉ số độ tin cậy  [41] ....................................................................59 Hình 2-5: Miền tính toán tích phân của hàm fR,S(R.S) [3] ............................................63 Hình 2-6: Số lượng mẫu yêu cầu N không phụ thuộc vào số biến của hàm Z [44] ......66 Hình 2-7: Sơ đồ cây sự cố điển hình của hệ thống ........................................................70 vii
Hình 2-8: Minh họa cách xác định XSSC của hệ thống nối tiếp...................................70 Hình 2-9: Sơ đồ PTRR sạt lở bờ sông do sự cố kè ........................................................73 Hình 2-10: Các bước cơ bản trong PTRR sạt lở bờ sông do sự cố kè .......................... 73 Hình 2-11: Sơ họa các nhu cầu sử dụng đất khu vực kè bờ sông .................................76 Hình 2-12: Đường cong thiệt hại lớn nhất cho 1 đơn vị sử dụng đất khu vực bờ sông Sài Gòn .......................................................................................................................... 77 Hình 2-13: Tối ưu XSSC theo quan điểm kinh tế [43], [51] .........................................81 Hình 3-1: Sơ đồ tổng quát CTK bờ sông .......................................................................83 Hình 3-2: Sơ đồ minh họa cấu tạo CTK bờ sông kiểu mái nghiêng ............................. 84 Hình 3-3: Sơ đồ kết nối giữa an toàn CTK và sạt lở bờ sông .......................................85 Hình 3-4: Sơ đồ cây sự cố tổng quát của CTK .............................................................. 86 Hình 3-5: Sơ đồ cây sự cố của CTK sông vùng Nam Bộ ..............................................89 Hình 3-6: Sơ đồ cơ chế sự cố nước tràn đỉnh kè ........................................................... 93 Hình 3-7: Sơ đồ tính ổn định mái dốc theo phương pháp Bishop [40] .........................94 Hình 3-8: Sơ đồ minh họa cơ chế sự cố xói cục bộ chân kè .........................................97 Hình 3-9: Sơ đồ thuật giải phương pháp cấp độ III theo mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo ............................................................................................................................105 Hình 3-10: Sơ đồ thuật toán xác định giá trị thiết kế theo bài toán ĐTC cấp độ III ...109 Hình 3-11: Lựa chọn điểm thiết kế nâng cao an toàn kè và giảm thiểu rủi ro sạt lở bờ sông ..............................................................................................................................115 Hình 4-1: Bản đồ vị trí khu vực nghiên cứu ................................................................117 Hình 4-2: Bản đồ vị trí kè bờ sông Sài Gòn đoạn thành phố Thủ Dầu Một ...............118 Hình 4-3: Mặt cắt ngang điển hình kè bờ sông Sài Gòn đoạn thành phố Thủ Dầu Một .....................................................................................................................................121 Hình 4-4: Phối cảnh kè bờ sông Sài Gòn đoạn thành phố Thủ Dầu Một ....................121 Hình 4-5: Sơ đồ tiếp cận giải quyết bài toán ...............................................................122 Hình 4-6: Sơ họa hệ thống CTK bờ sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một ......................123 Hình 4-7: Sơ đồ cây sự cố CTK bờ sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một .......................123 Hình 4-8: Phân phối xác suất mực nước sông Sài Gòn từ liệt số liệu quan trắc .........124 Hình 4-9: Kết quả tính toán ổn định trượt tổng thể công trình kè ngẫu nhiên bằng phần mềm Geoslope 2007 (trường hợp thiết kế - TH1) .......................................................127 Hình 4-10: Kết quả tính toán ổn định trượt tổng thể công trình kè ngẫu nhiên bằng phần mềm Geoslope 2007 (trường hợp xét đến BĐKH - TH2) ..................................127 Hình 4-11: Mức độ ảnh hưởng của các cơ chế sự cố đến an toàn kè sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một ...............................................................................................................136 Hình 4-12: Đường cong sự cố cơ chế nước tràn đỉnh kè sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một...............................................................................................................................137 Hình 4-13: Đường cong sự cố cơ chế xói cục bộ chân kè và cơ chế mất ổn định tổng thể CTK sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một .................................................................138 viii
Hình 4-14: Các kịch bản tính toán xác định ĐTC yêu cầu của CTK sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một ...............................................................................................................140 Hình 4-15: Đường quan hệ (IPf), (RPf) và (Ctot) ứng với kịch bản 1 ............................143 Hình 4-16: Đường quan hệ (IPf), (RPf) và (Ctot) ứng với kịch bản 2 ............................143 Hình 4-17: Đường cong chi phí đầu tư nâng cấp CTK sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một có xét đến rủi ro sạt lở bờ sông ............................................................................144 Hình 4-18: Ảnh hưởng của các cơ chế đến XSSC của CTK trường hợp MNTK tính toán cập nhật BĐKH ...................................................................................................145 Hình 4-19: Mặt cắt ngang CTK sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một nâng cấp theo ĐTC yêu cầu .........................................................................................................................146 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Đặc trưng sức chống cắt của các lớp bùn ở ĐBSCL [22] ............................ 11 Bảng 1-2: Thống kê sự cố của một số công trình kè sông ở Nam Bộ ........................... 27 Bảng 1-3: Khái quát mối quan hệ giữa các bộ phận của kết công trình ........................28 Bảng 1-4: Các yếu tố ngẫu nhiên được xét đến khi tính ĐTC công trình kè sông .......29 Bảng 2-1: Ký hiệu và ý nghĩa của các loại cổng liên kết trong sơ đồ cây sự cố ...........69 Bảng 2-2: Các kiểu sự cố/sự kiện và các loại cổng liên kết trong sơ đồ cây sự cố .......69 Bảng 3-1: Một số cơ chế sự cố ở công trình kè sông ....................................................87 Bảng 3-2: Nguyên tắc thiết lập một số hàm tin cậy của CTK bờ sông .........................91 Bảng 3-3: Hệ số không đều của lưu tốc  .....................................................................99 Bảng 3-4: Ma trận XSSC của hệ thống công trình kè .................................................107 Bảng 4-1: Đặc trưng mực nước sông Sài Gòn (đơn vị: cm) [20] ................................119 Bảng 4-2: Dòng chảy tháng sông Sài Gòn tại trạm Dầu Tiếng và Thủ Dầu Một ứng với P = 50% (đơn vị: m3/s) trước khi xây dựng hồ [20] ....................................................120 Bảng 4-3: Bảng thông số đầu vào ứng với cơ chế nước tràn đỉnh kè .........................125 Bảng 4-4: Các giá trị của BNN và hàm tin cậy khi tính theo phương pháp MCS-TH1 126 Bảng 4-5: Xác suất sự cố ứng với cơ chế nước tràn đỉnh kè .......................................126 Bảng 4-6: Bảng thông số đầu vào ứng với cơ chế lún vượt giới hạn ..........................128 Bảng 4-7: Các giá trị của BNN và hàm tin cậy khi tính theo phương pháp MCS-TH1 ..128 Bảng 4-8: Xác suất sự cố ứng với cơ chế lún vượt giới hạn .......................................129 Bảng 4-9: Bảng thông số đầu vào ứng với cơ chế xói cục bộ chân kè vượt giới hạn .130 Bảng 4-10: Các giá trị của BNN và hàm tin cậy khi tính theo phương pháp MCS-TH1..130 Bảng 4-11: Xác suất sự cố ứng với cơ chế xói cục bộ chân kè vượt giới hạn ............130 ix
Bảng 4-12: Bảng thông số đầu vào ứng với cơ chế kè bị lật .......................................131 Bảng 4-13: Các giá trị của BNN và hàm tin cậy khi tính theo phương pháp MCS-TH1..131 Bảng 4-14: Xác suất sự cố ứng với cơ chế kè bị lật ....................................................132 Bảng 4-15: Bảng thông số đầu vào ứng với cơ chế chuyển vị ngang kè vượt giới hạn ....132 Bảng 4-16: Các giá trị của BNN và hàm tin cậy khi tính theo phương pháp MCS-TH1..132 Bảng 4-17: Xác suất sự cố ứng với cơ chế chuyển vị ngang kè vượt giới hạn ...........133 Bảng 4-18: Bảng thông số đầu vào ứng với cơ chế độ bền thân kè ............................134 Bảng 4-19: Các giá trị của BNN và hàm tin cậy khi tính theo phương pháp MCS-TH1..134 Bảng 4-20: Xác suất sự cố thân kè không đảm bảo yêu cầu về cường độ ..................135 Bảng 4-21: Xác suất sự cố của CTK sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một .....................135 Bảng 4-22: Xác định đường cong sự cố nước tràn đỉnh kè .........................................137 Bảng 4-23: Xác định đường cong sự cố xói cục bộ chân kè .......................................137 Bảng 4-24: Xác định đường cong sự cố mất ổn định tổng thể CTK ...........................138 Bảng 4-25: Các kịch bản sửa chữa, nâng cấp CTK sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một ....140 Bảng 4-26: Giá trị đầu tư tuyến kè bờ sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một (Ipf) ..........141 Bảng 4-27: Tần suất đảm bảo, giá trị đầu tư, rủi ro và tổng chi phí của tuyến kè bờ sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một ................................................................................142 Bảng 4-28: Kích thước cơ bản của CTK tính theo xác suất sự cố cho phép ...............146 Bảng PL2-1: Mực nước sông Sài Gòn trạm Thủ Dầu Một cực trị năm (Đơn vị: cm) 173 Bảng PL2-2: Các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp và đất nền tuyến kè sông Sài Gòn đoạn Thủ Dầu Một ...............................................................................................................178 x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU 1. Danh mục các từ viết tắt BĐKH - NBD Biến đổi khí hậu - nước biển dâng BNN Biến ngẫu nhiên BTCT Bê tông cốt thép CTK Công trình kè ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long ĐTC Độ tin cậy LTĐTC Lý thuyết độ tin cậy MCS Mô phỏng Monte Carlo MNTK Mực nước thiết kế PTRR Phân tích rủi ro XSSC Xác suất sự cố 2. Danh mục các kí hiệu z Độ lệch chuẩn của các biến của hàm tin cậy   Ứng suất cho phép  tt Ứng suất tính toán lớn nhất (I), (C), (R) Đồ thị đường cong đầu tư, đường cong chi phí, đường cong rủi ro [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 g Hàm tin cậy Z gần đúng Io Giá trị đầu tư công trình IPf Chi phí đầu tư xây dựng và nâng cấp công trình đạt ĐTC Pf K Hệ số an toàn ổn định xi
Chi phí quản lý vận hành (M) trong thời gian công trình đã được khai MPf thác sử dụng Pf Xác suất sự cố Pf-opt Xác suất sự cố tối ưu về kinh tế Ps Xác suất an toàn Chi phí ròng quản lý vận hành (M) trong thời gian công trình đã được PV(MPf) 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 Tỷ lệ lãi suất hiệu quả R, R0 Khả năng chịu tải, khả năng chịu tải giới hạn 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 được tính bằng năm Z Hàm tin cậy của một cơ chế sự cố Zdk Cao trình đỉnh kè Mực nước cao nhất trong sông được tính từ mực nước tĩnh tính toán Zln cộng với độ dềnh cao nhất của sóng ZMN Cao trình mực nước β Chỉ số độ tin cậy k Trọng lượng riêng khô của đất nền n Trọng lượng riêng của nước xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết và lý do lựa chọn đề tài Nam Bộ có tiềm năng kinh tế đa dạng với đặc điểm sông rạch chằng chịt được chi phối bởi hai hệ thống sông lớn nhất là sông Đồng Nai và sông Cửu Long. Sông ở Nam Bộ thường rộng, sâu, địa chất đất nền yếu và có tốc độ biến hình hàng năm khá lớn, vùng cửa sông thường xuyên chịu ảnh hưởng mạnh của sóng, gió bão, dòng chảy và nước biển dâng do biến đổi khí hậu; phía thượng nguồn bị chi phối bởi vấn đề khai thác và sử dụng nguồn nước của các quốc gia khác, nhất là Trung Quốc. Ngoài ra, cùng với các tác động lấn chiếm dòng chảy từ quá trình đô thị hóa vùng ven sông đã và đang diễn ra rất nhanh trong thời gian vừa qua, việc khai thác cát thiếu kiểm soát,… là những nguyên nhân gây ảnh hưởng và tác động mạnh đến sự biến đổi của lòng dẫn, bờ sông tạo ra nơi bồi, nơi xói lở và có những đoạn bị xói lở khá mạnh và tập trung nhiều ở những sông lớn như trên sông Hậu khu vực thành phố Cần Thơ, Long Xuyên; sông Tiền khu vực huyện Châu Thành, tỉnh Đồng Tháp; bờ sông Nhà Bè, sông Sài Gòn ở thành phố Hồ Chí Minh,… Để chống xói lở, bảo vệ cơ sở hạ tầng các khu dân cư và vùng sản xuất, trong những năm qua Nhà nước đã đầu tư hàng nghìn tỷ đồng cho việc xây dựng các công trình kè bảo vệ bờ. Hiện nay ở nước ta, các công trình kè được thiết kế theo mô hình thiết kế truyền thống, trong đó các chỉ tiêu an toàn dùng để đánh giá là hệ số ổn định. Mức độ an toàn của các công trình được đánh giá thông qua các bài toán về ổn định tổng thể, biến dạng trong đó các chỉ tiêu kỹ thuật của công trình được mô phỏng qua khả năng chịu tải của công trình nhưng sự ảnh hưởng của các thành phần công trình đến công trình chưa được xét đến. Công trình kè bảo vệ bờ sông có cấu trúc đa dạng gồm nhiều thành phần công trình (tường chắn đất, kết cấu neo giữ, mái kè, chân kè, mặt kè,…) cần được phân loại theo cấu trúc phù hợp để tìm được độ tin cậy về an toàn làm cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu, cải tạo, nâng cấp và thiết kế mới hệ thống công trình kè theo các xu hướng thiết kế tiến bộ trên thế giới. Công trình kè bảo vệ bờ đa phần là các công trình đa mục tiêu. Tuy nhiên về mặt an toàn, công trình kè lại là nơi tiềm ẩn tai họa bởi sự cố sụp đổ gây ra do các yếu tố bất 1
định từ phía tự nhiên tác động vào công trình ngày một phức tạp, đây là một trong những tác động trực tiếp dẫn đến sự cố ở các công trình kè bảo vệ bờ sông. Trong thời gian nhiều năm gần đây, sự cố về mất ổn định công trình kè bảo vệ bờ sông ở Nam Bộ (kè sông Cần Thơ, kè sông Tiền, kè kênh Đồng Tiến - Lagrange tại Đồng Tháp, kè thành phố Vĩnh Long, kè bờ sông Nhà Bè huyện Cần Giờ, kè bờ sông Sài Gòn đoạn qua thành phố Thủ Dầu Một, tỉnh Bình Dương,…) đã xảy ra ngày càng tăng thêm. Vì vậy, nghiên cứu các giải pháp khoa học công nghệ kiểm soát được an toàn cũng như nâng cao an toàn cho các công trình kè bảo vệ bờ sông, an toàn cộng đồng là một vấn đề luôn mang tính thời sự và cấp thiết. Vấn đề nghiên cứu đánh giá chất lượng kết cấu công trình xây dựng, đánh giá các công trình phòng lũ theo lý thuyết độ tin cậy (LTĐTC) đã khá hoàn thiện và đầy đủ. Đã có các nghiên cứu về một số thành phần công trình trong đầu mối hồ chứa nước và các đánh giá về chất lượng cho hệ thống công trình thủy nông, ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên và phân tích rủi ro để đánh giá độ tin cậy (ĐTC) cho hệ thống phòng lũ bờ biển của Việt Nam, tuy nhiên các nghiên cứu về đánh giá ĐTC cho công trình kè bảo vệ bờ sông ở vùng Nam Bộ đến nay chưa có. Hiện nay hầu hết các tiêu chuẩn tính công trình theo độ tin cậy đều dựa trên các tiêu chuẩn của nước ngoài. Năm 2014, tiêu chuẩn về tính công trình theo LTĐTC được biên soạn dựa trên các tiêu chuẩn về ĐTC của Trung Quốc và đã được chính thức đưa vào sử dụng. Các kết quả nêu trên là tiền đề thuận lợi cho việc áp dụng LTĐTC vào bài toán đánh giá an toàn công trình kè bảo vệ bờ sông ở Nam Bộ. Mặt khác, các công trình kè được xây dựng trong nhiều thời kỳ khác nhau với những tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau nên chất lượng của công trình kè hiện hữu, mô hình thiết kế đang áp dụng, cũng như công tác quản lý còn nhiều bất cập. Vấn đề đặt ra là cần đánh giá phân tích được mức độ an toàn công trình kè bờ sông ở Nam Bộ nhằm đánh giá chất lượng hiện hữu của các công trình để quản lý an toàn và hiệu quả là một đóng góp mới nhằm cải thiện chất lượng các hoạt động thuộc lĩnh vực an toàn công trình hiện nay ở Việt Nam. Luận án này nghiên cứu ứng dụng LTĐTC và PTRR trong đánh giá an toàn công trình kè có xét đến rủi ro sạt lở để nâng cao độ chính xác trong đánh giá an toàn công trình 2
làm cơ sở cho việc cải tạo, nâng cấp và quản lý công trình kè bờ sông 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 được phương pháp đánh giá mức độ an toàn theo lý thuyết độ tin cậy cho công trình kè bảo vệ bờ sông. Ứng dụng cho thiết kế mới, cải tạo nâng cấp các công trình kè bảo vệ bờ sông Nam Bộ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Công trình kè bảo vệ bờ sông. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu an toàn kè bảo vệ bờ sông đang khai thác sử dụng ở Nam Bộ. 4. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1. Hướng tiếp cận nghiên cứu - Tiếp cận hệ thống: tuyến kè và vùng bờ sông được bảo vệ được xem xét là một hệ thống hoàn chỉnh; - Tiếp cận tổng hợp: xem xét đầy đủ các yếu tố kinh tế, kỹ thuật và xã hội; - Tiếp cận mang tính kế thừa các công trình nghiên cứu đã có, trên cơ sở thừa hưởng số liệu, kết quả phân tích đã có. - Tiếp cận bền vững: xét đến sự thay đổi của điều kiện biên trong tương lai như BĐKH- NBD, phát triển kinh tế - xã hội; - 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 luận sử dụng là LTĐTC và PTRR. Ngoài ra, tác giả còn sử dụng một số phương pháp nghiên cứu khoa học sau: 3
Phương pháp điều tra, thu thập tài liệu: Thu thập, điều tra hiện trường phân tích đánh giá tổng hợp các tài liệu đã có. Điều tra và khảo sát hiện trường là phương pháp nghiên cứu đáng tin cậy phục vụ việc nghiên cứu của luận án. Phương pháp thống kê: Phương pháp thống kê, phân tích hệ thống các tài liệu đã có nhằm tổng kết và kế thừa các kết quả đã nghiên cứu, thống kê có tính đồng bộ, phân tích đánh giá theo nguyên nhân - kết quả. Phương pháp phân tích, kế thừa các tài liệu, các công trình khoa học đã được công nhận có liên quan đến nội dung của luận án. Phương pháp mô hình toán: Sử dụng phần mềm GeoSlope, Sap2000, Plaxis để tính toán cho nhiều trường hợp, nhiều kịch bản, làm cơ sở đưa ra những luận cứ khoa học chắc chắn cho việc xác lập cơ sở khoa học xác định phân tích rủi ro của vùng bờ sông nhằm xác định độ tin cậy tối ưu cho công trình kè bờ sông. 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 Hệ thống hóa cơ sở khoa học và thực tiễn về ứng dụng LTĐTC và PTRR trong phân tích an toàn công trình thủy lợi nói chung và công trình kè nói riêng. Bổ sung phương pháp và quy trình đánh giá an toàn kè có xét đến ảnh hưởng của các đoạn kè dọc theo bờ sông trên cơ sở đó xây dựng cơ sở khoa học cho việc thiết kế sửa chữa, nâng cấp công trình kè bờ sông đạt độ tin cậy yêu cầu đã xác định thông qua thiết lập và giải quyết bài toán hệ thống. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn Nhận dạng, phân tích các rủi ro gây mất an toàn và đánh giá an toàn công trình kè bờ sông có xét đến ảnh hưởng giữa các đoạn kè ứng dụng LTĐTC. 4
Kết quả đánh giá làm cơ sở cho việc lựa chọn giải pháp nâng cao an toàn kè bờ sông; áp dụng có kết quả cho kè bờ sông Sài Gòn đoạn chảy qua thành phố Thủ Dầu Một. 6. Những điểm mới của luận án (1) Xây dựng được bài toán tính độ tin cậy hệ thống kè sông, tính rủi ro chấp nhận để tìm độ tin cậy tối ưu. Xây dựng bài toán thiết kế hệ thống kè sông theo độ tin cậy tối ưu. (2) Áp dụng phân tích độ tin cậy cho hệ thống kè điển hình bảo vệ bờ sông Sài Gòn đoạn qua thành phố Thủ Dầu Một: đã lượng hóa được chỉ số an toàn hiện tại và độ tin cậy yêu cầu có kể đến rủi ro sạt lở bờ sông; nghiên cứu đề xuất giải pháp sửa chữa, nâng cấp kè đạt độ tin cậy yêu cầu. 7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 04 Chương: Chương 1: Tổng quan về đánh giá an toàn kè bờ sông theo lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro; Chương 2: Cơ sở khoa học của lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro trong đánh giá an toàn kè bờ sông; Chương 3: Thiết lập bài toán ứng dụng lý thuyết độ tin trong đánh giá an toàn kè bờ sông Nam Bộ; Chương 4: Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy đánh giá an toàn kè bờ sông Sài Gòn đoạn thành phố Thủ Dầu Một. 5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KÈ BỜ SÔNG THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO 1.1 Tổng quan về kè bảo vệ bờ sông ở Nam Bộ 1.1.1 Khái quát về kè bảo vệ bờ sông Công trình kè bờ sông ngày càng được đầu tư xây dựng với quy mô lớn và trở lên phổ biến ở các tỉnh Nam Bộ nhằm chống sạt lở bờ sông kênh rạch, bảo vệ cơ sở hạ tầng của các khu trung tâm hành chính, khu đô thị tập trung đông dân cư, ổn định điều kiện sản xuất, sinh hoạt và hạn chế những thiệt hại tiềm ẩn nhiều rủi ro của thiên tai lũ lụt, sạt lở và nước biển dâng do biến đổi khí hậu với xu thế ngày càng gia tăng. Kết cấu công trình kè (CTK) thường gồm 3 phần: chân kè, thân kè và đỉnh kè. Trên một mặt cắt ngang kè, tại những cao trình khác nhau, mức độ ảnh hưởng của tải trọng lên công trình cũng khác nhau. Hình 1-1: Kết cấu kè bảo vệ bờ sông loại tường đứng trên hệ cọc neo Chân kè là điểm tựa cho kết cấu mái và đỉnh kè. Kết cấu chân kè hiện nay thường được sử dụng là loại chân khay sâu bằng cừ tràm đóng thành cụm, cọc BTCT hoặc ống buy BTCT trong bỏ đá hộc, qua quá trình vận hành khai thác nhiều CTK bị sự cố mà nguyên nhân được xác định là do mất ổn định kết cấu chân kè. 6