Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy để xác định mức bảo đảm an toàn cho hệ thống kiểm soát ngập lụt vùng hạ du sông Đồng Nai – Sài Gòn

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:221

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án là xây dựng cở sở khoa học, phương pháp luận xác định MBĐAT cho các hệ thống KSNL nhiều thành phần vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp của thủy triều và lũ phù hợp hơn trong điều kiện Việt Nam; Ứng dụng tính toán cho một hệ thống KSNL tại khu vực Tp.HCM thuộc vùng hạ du sông Đồng Nai – Sài Gòn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy để xác định mức bảo đảm an toàn cho hệ thống kiểm soát ngập lụt vùng hạ du sông Đồng Nai – Sài Gòn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ XUÂN BẢO ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ĐỂ XÁC ĐỊNH MỨC BẢO ĐẢM AN TOÀN CHO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SÔNG ĐỒNG NAI – SÀI GÒN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ XUÂN BẢO ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ĐỂ XÁC ĐỊNH MỨC BẢO ĐẢM AN TOÀN CHO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SÔNG ĐỒNG NAI – SÀI GÒN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trin ̀ h thủy Mã số: 62-58-02-02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. MAI VĂN CÔNG 2. GS.TS. FRANZ NESTMANN HÀ NỘI, NĂM 2017
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 văn 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 đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Lê Xuân Bảo i
LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án tiến sĩ “Ứng dụng phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy để xác định mức bảo đảm an toàn cho hệ thống kiểm soát ngập lụt vùng hạ du sông Đồng Nai – Sài Gòn”, tác giả đã nhận được quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện về mọi mặt của các cơ quan, đơn vị, các nhà khoa học, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới sự quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện về mọi mặt của các thầy trong Ban Giám hiệu trường Đại học Thủy Lợi, tới Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Thủy công, và cơ quan công tác Viện Thủy Lợi và Môi trường và Cơ sở 2 - Trường Đại học Thủy Lợi; Trân trọng cảm ơn các cơ quan, đơn vị hữu quan đã tận tình giúp đỡ tác giả trong quá trình thu thập các thông tin, tài liệu tham khảo khi thực hiện luận án; Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các nhà khoa học đã quan tâm, chia sẻ, đóng góp và bổ sung nhiều thông tin bổ ích thông qua các hoạt động khoa học liên quan đến luận án trong suốt quá trình thực hiện; Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến cố GS.TS. Nguyễn Văn Mạo, người đã gợi ý cho tác giả định hướng khoa học và hướng dẫn các hoạt động nghiên cứu ban đầu của luận án; Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Mai Văn Công và GS.TS. Franz Nestmann đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này; Và sau cùng, tác giả ghi nhận và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm, động viên, chia sẻ và tạo mọi điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Lê Xuân Bảo ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................xi DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG ...............................................................xv MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Sự cần thiết phải nghiên cứu ...............................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .............................................................................4 5. Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu ...................................................................4 6. Cấu trúc luận án ...................................................................................................5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MỨC BẢO ĐẢM AN TOÀN HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SÔNG ĐỒNG NAI – SÀI GÒN .7 1.1 Tổng quan ngập lụt vùng hạ du sông Đồng Nai-Sài Gòn ...................................7 1.1.1 Hiện trạng ngập lụt ................................................................................................... 7 1.1.2 Hiện trạng quản lý ngập lụt vùng hạ du sông ĐN-SG và khu vực TP.HCM .... 13 1.2 Luận giải vấn đề nghiên cứu .............................................................................18 1.3 Tổng quan phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy .....................19 1.3.1 Phương pháp phân tích rủi ro và Lý thuyết độ tin cậy ......................................... 19 1.3.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC cho hệ thống KSNL trên thế giới............................................................................................................... 21 1.3.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC phân tích an toàn cho hệ thống KSNL tại Việt Nam và vùng hạ du lưu vực ĐN-SG.......................... 22 1.4 Kết luận Chương 1.............................................................................................26 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ..................................................................................27 2.1 Phân tích rủi ro ..................................................................................................27 2.1.1 Phương pháp phân tích rủi ro ................................................................................ 27 2.1.2 Phân tích rủi roc ho hệ thống KSNL..................................................................... 30 2.1.3 Giá trị rủi ro chấp nhận của hệ thống KSNL ........................................................ 30 2.1.4 Đánh giá rủi ro ........................................................................................................ 31 iii
2.1.5 Ra quyết định dựa trên kết quả phân tích rủi ro ................................................... 31 2.2 Phân tích độ tin cậy cho một cơ chế sự cố ........................................................31 2.2.1 Khái niệm cơ chế sự cố .......................................................................................... 31 2.2.2 Phân tích độ tin cậy một cơ chế sự cố theo Cấp độ II bằng phương pháp FORM ................................................................................................................................. 36 2.2.3 Phân tích độ tin cậy một cơ chế sự cố theo bài toán Cấp độ III- Mô phỏng ngẫu nhiên Monte-Carlo ............................................................................................................... 40 2.3 Phân tích độ tin cậy của hệ thống ......................................................................42 2.3.1 Khái niệm Hệ thống ............................................................................................... 42 2.3.2 Các hệ thống liên kết cơ bản.................................................................................. 43 2.3.3 Phân tích hệ thống .................................................................................................. 44 2.4 Kết luận chương 2 .............................................................................................47 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CÁC BÀI TOÁN ỨNG DỤNG PTRR & LTĐTC CHO HỆ THỐNG KSNL VÙ NG HẠ DU SÔNG CHỊU ẢNH HƯỞNG KẾT HỢP CỦA THỦY TRIỀU VÀ LŨ ..................................................................................................49 3.1 Hệ thống kiểm soát ngập lụt đa thành phần tại vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp của thủy triều và lũ .......................................................................................49 3.2 Phân tích rủi ro xác định mức bảo đảm an toàn tối ưu cho hệ thống KSNL .....50 3.3 Phân tích độ tin cậy hệ thống công trình KSNL................................................53 3.3.1 Phân tích độ tin cậy hệ thống công trình KSNL .................................................. 53 3.3.2 Các bước phân tích độ tin cậy cho hệ thống công trình KSNL........................... 54 3.3.3 Phân tích thống kê các số liệu cơ bản ................................................................... 56 3.3.4 Phân tích độ tin cậy cho công trình cống dạng trụ đỡ .......................................... 57 3.3.5 Phân tích độ tin cậy cho công trình đê bao ........................................................... 62 3.3.6 Phân tích độ tin cậy cho công trình kè tường đứng.............................................. 67 3.4 Phân tích rủi ro cho vùng được bảo vệ ..............................................................69 3.4.1 Xây dựng bản đồ ngập lụt ...................................................................................... 69 3.4.2 Thiết lập hàm thiệt hại............................................................................................ 70 3.4.3 Thiết lập bản đồ thiệt hại........................................................................................ 72 3.4.4 Phân tích xác định giá trị rủi ro, thiết lập đường cong rủi ro và bản đồ rủi ro.... 73 3.5 Các phần mềm hỗ trợ phân tích độ tin cậy ........................................................73 3.5.1 Phần mềm BestFit .................................................................................................. 73 3.5.2 Phần mềm Vap ....................................................................................................... 74 3.5.3 Phần mềm OpenFTA ............................................................................................. 75 iv
3.6 Kết luận Chương 3.............................................................................................75 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY XÁC ĐỊNH MỨC ĐẢM BẢO AN TOÀN HỢP LÝ CHO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT KHU VỰC TP.HCM ....................................77 4.1 Mô tả hệ thống công trình kiểm soát ngập lụt và thiết lập biên phân tích ........77 4.2 Phân tích độ tin cậy cống Phú Định ..................................................................80 4.2.1 Mô tả cống Phú Định và thiết lập sơ đồ cây sự cố ............................................... 80 4.2.2 Cơ chế sự cố do nước tràn qua cống ..................................................................... 81 4.2.3 Cơ chế sự cố do mất khả năng chịu tải dưới khối móng quy ước....................... 83 4.2.4 Cơ chế mất ổn định cống Phú Định do mất khả năng chịu tải trọng đứng của cọc ................................................................................................................................. 85 4.2.5 Cơ chế sự cố do khả năng chịu tải trọng ngang của cọc ...................................... 87 4.2.6 Cơ chế sự cố do mất ổn định thấm qua nền cống ................................................ 88 4.2.7 Tổng hợp xác suất sự cố cống Phú Định .............................................................. 90 4.3 Phân tích độ tin cậy công trình đê bao sông Cần Giuộc....................................93 4.3.1 Mô tả công trình đê bao sông Cần Giuộc và thiết lập sơ đồ cây sự cố ............... 93 4.3.2 Cơ chế chảy tràn đỉnh đê........................................................................................ 94 4.3.3 Cơ chế sự cố do mất ổn định trượt mái ................................................................. 95 4.3.4 Cơ chế sự cố do lún thân và nền đê vượt giá trị lún tới hạn ................................ 96 4.3.5 Cơ chế hư hỏng do xói ngầm đẩy trồi ................................................................... 97 4.3.6 Cơ chế mất ổn định thấm cục bộ ........................................................................... 97 4.3.7 Tổng hợp xác suất sự cố của đê bao sông Cần Giuộc ......................................... 99 4.4 Phân tích độ tin cậy kè tường đứng bảo vệ bờ sông Sài Gòn ..........................100 4.4.1 Mô tả hệ thống kè tường đứng và thiết lập cây sự cố ........................................ 100 4.4.2 Cơ chế nước tràn đỉnh kè ..................................................................................... 102 4.4.3 Cơ chế sự cố do mất ổn định trượt sâu................................................................ 103 4.4.4 Cơ chế sự cố do mất khả năng chịu tải đứng của cọc ........................................ 105 4.4.5 Cơ chế sự cố do mất khả năng chịu tải ngang của cọc ...................................... 105 4.4.6 Tổng hợp độ tin cậy kè sông Sài Gòn ................................................................. 106 4.5 Tổng hợp xác suất sự cố của hệ thống công trình KSNL khu vực IA1-3, Tp.HCM ...................................................................................................................107 4.6 Xây dựng hàm đầu tư cho hệ thống công trình KSNL ....................................108 4.7 Xây dựng đường cong rủi ro do ngập lụt cho vùng được bảo vệ ....................110 4.7.1 Mô phỏng ngập lụt và thiết lập bản đồ ngập lụt (theo các kịch bản tần suất) .. 110 v
4.7.2 Bản đồ sử dụng đất ............................................................................................... 111 4.7.3 Xây dựng hàm thiệt hại ........................................................................................ 112 4.7.4 Thiệt hại vùng được bảo vệ ................................................................................. 115 4.7.5 Xác định rủi ro ngập lụt ....................................................................................... 115 4.8 Xác định Mức bảo đảm an toàn tối ưu hệ thống KSNL ..................................116 4.9 Đề xuất giải pháp giảm thiểu rủi ro cho hệ thống KSNL khu vực TP.HCM ..118 4.10 Kết luận chương 4 ...........................................................................................118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................121 1 Kết quả đạt được của Luận án .........................................................................121 2 Những đóng góp mới của Luận án ..................................................................122 3 Tồn tại và hướng phát triển .............................................................................122 4 Kiến nghị .........................................................................................................123 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................125 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................127 PHỤ LỤC ....................................................................................................................132 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1: Vị trí Tp.HCM và lưu vực sông ĐN-SG [2] ..........................................................1 Hình 2: Các vùng chống ngập theo QH1547 [7] - Giai đoạn 1 .......................................2 Hình 3: Sơ đồ hệ thống KSNL ........................................................................................4 Hình 1.1: Ngập vùng hạ du sông ĐN-SG năm 2050 trong trường hợp không có công trình KSNL [13]...............................................................................................................8 Hình 1.2: Mực nước triều lớn nhất năm tại trạm Phú An trong giai đoạn 1983 - 2014 .......9 Hình 1.3: Một số hình ảnh ngập lụt tại Tp.HCM sau mỗi cơn mưa hoặc triều cường ....9 Hình 1.4: Biểu đồ quan hệ diện tích và cao độ của Tp.HCM .......................................10 Hình 1.5: Dự báo tốc độ lún nền (m) trong thời kỳ từ năm 2005 đến năm 2050 với mức độ khai thác nước ngầm hiện trạng ở năm 2007 [15] ....................................................12 Hình 1.6: Bản đồ phân vùng tiêu thoát nước Tp.HCM .................................................15 Hình 1.7: Quy hoạch hệ thống đê biển Vũng Tàu - Gò Công .......................................17 Hình 1.8: Mô hình chương trình “XtremRisK” [31] .....................................................23 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý phân tích rủi ro [33] ...........................................................29 Hình 2.2: Các bước cơ bản trong phân tích rủi ro [33] .................................................29 Hình 2.3: Phân bố xác suất của hàm Z [33] ..................................................................32 Hình 2.4: Định nghĩa biên sự cố [33] ...........................................................................32 Hình 2.5: Quan hệ giữa hàm tải trọng S và hàm sức chịu tải R [33] .............................33 Hình 2.6: Miền tính toán tích phân của hàm fR,S(R.S) [33] ........................................34 Hình 2.7: Đường đẳng mật độ xác suất của hàm kết hợp fR(X1)fS(X2) [33] .............34 Hình 2.8: Số lượng mẫu yêu cầu N không phụ thuộc vào số biến của hàm Z ..............42 Hình 2.9: Sơ đồ cây sự cố của hệ thống nối tiếp và song song .....................................43 Hình 2.10: Sơ đồ minh họa cây sự cố của một hệ thống KSNL điển hình ...................45 Hình 2.11: Minh họa gán xác suất xảy ra sự cố của hệ thống nối tiếp có các thành phần độc lập............................................................................................................................46 Hình 3.1: Sơ họa hệ thống KSNL tổng quát .................................................................49 Hình 3.2: Tối ưu MBĐAT theo quan điểm kinh tế .......................................................53 Hình 3.3: Sơ đồ cây sự cố hệ thống KSNL điển hình ...................................................54 Hình 3.4 Sơ đồ cây sự cố cống dang trụ đỡ...................................................................59 Hình 3.5: Sơ đồ cây sự cố đê bao ..................................................................................63 Hình 3.6 Cơ chế xói ngầm và đẩy trồi ...........................................................................65 Hình 3.7: Cây sự cố của kè tường đứng ........................................................................67 Hình 3.8: Sơ đồ phương pháp đánh giá thiệt lại do ngập lụt .........................................73 Hình 4.1: Phạm vi vùng IA1-3 ......................................................................................77 Hình 4.2: Sơ đồ cây cố hệ thống KSNL vùng nghiên cứu ............................................78 Hình 4.3: Sơ đồ cây sự cố của hệ thống chống ngập xét theo các thành phần..............78 Hình 4.4: Vị trí xây dựng cống Phú Định .....................................................................80 Hình 4.5: Sơ đồ kết cấu cống Phú Định ........................................................................81 vii
Hình 4.6: Sơ đồ cây sự cố cống Phú Định.....................................................................82 Hình 4.7: Xác suất xảy ra sự cố với cống Phú Định .....................................................91 Hình 4.8: Đê bao Cần Giuộc quanh khu vực thành phố Hồ Chí Minh .........................93 Hình 4.9: Các xác suất của sự cố đối với đê bao Cần Giuộc ........................................99 Hình 4.10: Phối cảnh kè sông ......................................................................................101 Hình 4.11: Tuyến kè tường đứng sông Sài Gòn ..........................................................101 Hình 4.12: Cây sự cố kè sông Sài Gòn ........................................................................102 Hình 4.13: Hàm phân bố ngẫu nhiên của hệ số an toàn SF .........................................104 Hình 4.14: Xác suất sự cố kè sông Sài Gòn ................................................................107 Hình 4.15: Xác suất sự cố các thành phần và của toàn hệ thống KSNL .....................109 Hình 4.16: Đường cong đầu tư (I) hệ thống công trình KSNL khu vực IA1-3...........109 Hình 4.17: Bản đồ số hoá độ cao vùng dự án ..............................................................110 Hình 4.18: Bản đồ ngập tương ứng với mực nước 2m (bên trái) và 3m (bên phải)....111 Hình 4.19: Bản đồ quy hoạch SDĐ 2025 ...................................................................112 Hình 4.20: Bản đồ quy hoạch SDĐ 2100 ....................................................................112 Hình 4.21: Hàm thiệt hại thiệt hại với các loại hình sử dụng đất theo giá trị thiệt hại .......114 Hình 4.22: Hàm thiệt hại thiệt hại với các loại hình sử dụng đất theo tỷ lệ thiệt hại..........114 Hình 4.23: Bản đồ thiệt hại ứng với hiện trạng sử dụng đất năm 2010, ứng với các mức ngập khác nhau ............................................................................................................115 Hình 4.24: Tổng hợp giá trị thiệt theo hiện trạng và quy hoạch sử dụng cho vùng được bảo vệ ...........................................................................................................................115 Hình 4.25: Rủi ro do ngập của vùng nghiên cứu tương ứng với các KB1, KB2, KB3 .....................................................................................................................................116 Hình 4.26: Đường cong Tổng chi phí (Ctot) của hệ thộng KSNL vùng TP.HCM theo các KB1, KB2 & KB3. ................................................................................................116 Hình 4.27: Mức đảm bảo an toàn tối ưu hệ thống theo KB1- 1/5 năm .......................117 Hình 4.28: Mức đảm bảo an toàn tối ưu hệ thống theo KB2- 1/100 năm ...................117 Hình 4.29: Mức đảm bảo an toàn tối ưu hệ thống theo KB3- 1/500 năm ...................117 viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thống kê tình trạng ngập lụt khu vực Tp.HCM một số năm...........................9 Bảng 2.1: Các loại cổng liên kết trong sơ đồ cây sự cố, kí hiệu và ý nghĩa ..................45 Bảng 2.2: Ký hiệu của các sự cố/sự kiện trong sơ đồ cây sự cố ...................................46 Bảng 3.1 Ví dụ về Ma trận sự cố ...................................................................................56 Bảng 4.1: Thống kê các công trình KSNL ....................................................................79 Bảng 4.2: Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên trong hàm tin cậy Z .........82 Bảng 4.3: Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế nước tràn đỉnh cống .................................83 Bảng 4.4: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số .......................83 Bảng 4.5: Các đặc trưng thống kê của các BNN trong hàm tin cậy Z ..........................84 Bảng 4.6 Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế sự cố do khả năng chịu tải dưới KMQU...84 Bảng 4.7 Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ........................85 Bảng 4.8: Các đặc trưng thống kê của các BNN trong hàm tin cậy Z ...............................86 Bảng 4.9 Xác suất xảy ra sự cố do chịu tải trọng đứng của cọc ....................................86 Bảng 4.10 Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ......................87 Bảng 4.11: Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên trong hàm tin cậy Z .......88 Bảng 4.12: Xác suất xảy ra sự cố do tải trọng ngang........................................................88 Bảng 4.13 Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ...........................89 Bảng 4.14 Các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên trong hàm tin cậy Z ........89 Bảng 4.15 Xác suất thấm qua nền cống theo các phương pháp tính .............................89 Bảng 4.16 Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các biến ............................89 Bảng 4.17: Hệ số ảnh hưởng của các cơ chế sự cố đến an toàn hệ thống cống Phú Định ..91 Bảng 4.18: Hệ số ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến an toàn hệ thống cống Phú Định .......................................................................................................................92 Bảng 4.19: Qui mô kích thước cơ bản của đê bao sông Cần Giuộc ..............................93 Bảng 4.20: Các biến ngẫu nhiên của cơ chế chảy tràn đỉnh đê .....................................94 Bảng 4.21: Xác suất sự cố của cơ chế chảy tràn ...........................................................95 Bảng 4.22 Bảng các hệ số ảnh hưởng đến cơ chế chảy tràn ........................................95 Bảng 4.23 Chỉ tiêu các lớp đất trong tính toán ổn định tổng thể đê bao Cần Giuộc .....95 Bảng 4.24: Tóm tắt kết quả phân tích ổn định mái đê...................................................96 Bảng 4.25: Xác suất sự cố lún nền đê và các hệ số ảnh hưởng .....................................96 Bảng 4.26: Hệ số ảnh hưởng và tọa độ điểm thiết kế cơ chế lún nền đê ......................96 Bảng 4.27 Các biến ngẫu nhiên cơ chế xói ngầm và đẩy trồi .......................................97 Bảng 4.28 Xác suất xảy ra sự cố cơ chế xói ngầm và đẩy trồi .........................................97 Bảng 4.29: Hệ số ảnh hưởng của cơ chế ngầm và đẩy trồi .............................................98 Bảng 4.30: Các biến ngẫu nhiên cơ chế mất ổn định do thấm ......................................98 Bảng 4.31: Xác suất sự cố mất ổn định thấm ................................................................98 Bảng 4.32: Ảnh hưởng của biến ngẫu nhiên đến cơ chế mất ổn định thấm .......................98 ix
Bảng 4.33: Hệ số ảnh hưởng của các cơ chế sự cố đến an toàn hệ thống cống Phú Định .....................................................................................................................................100 Bảng 4.34: Qui mô kích thước cơ bản của công trình kè tường đứng ........................102 Bảng 4.35: Biến ngẫu nhiên của cơ chế sự cố nước tràn ............................................103 Bảng 4.36: Xác suất sự cố của cơ chế nước tràn đỉnh cống ........................................103 Bảng 4.37: Tóm tắt kết quả phân tích ổn định mái dốc...............................................104 Bảng 4.38: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ...................104 Bảng 4.39: Các biến ngẫu nhiên sự cố do mất khả năng chịu tải đứng cọc ................105 Bảng 4.40: Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế do khả năng chịu tải đứng của cọc ......105 Bảng 4.41: Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ...................105 Bảng 4.42 Biến ngẫu nhiên cơ chế sự cố do khả năng chịu tải ngang của cọc ...........106 Bảng 4.43 Xác suất sự cố của cơ chế do khả năng chịu tải ngang của cọc .................106 Bảng 4.44 Tọa độ điểm thiết kế và mức độ ảnh hưởng của các tham số ....................106 Bảng 4.45: Tổng hợp kết quả phân tích an toàn hệ thống công trình KSNL khu vực IA1-3 ............................................................................................................................108 Bảng 4.46: Thiệt hại lớn nhất cho 1 đơn vị sử dụng đất .............................................113 x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 1. Danh mục các từ viết tắt BĐKH-NBD Biến Đổi Khí Hậu - Nước Biển Dâng CDF Cumulative Distribution Function - Hàm phân phối lũy tích DF Damage Function - Hàm Thiệt Hại DM Damage Map - Bản đồ thiệt hại ĐN-SG Đồng Nai - Sài Gòn ĐTC Độ Tin Cậy PTRR&LTĐTC Phân Tích Rủi Ro và lý thuyết độ tin cậy FORM First Order Reliability Method - Phương pháp độ tin cậy bậc một KSNL Kiểm Soát Ngập Lụt MBĐAT Mức Bảo Đảm An Toàn MCS Phương pháp mô phỏng Monte Carlo PDF Probability Density Function - Hàm mật độ xác suất QH752 Quy hoạch tổng thể hệ thống thoát nước Tp. Hồ Chí Minh đến năm 2020 (Quyết định số 752/QĐ-TTg, ngày 19/6/2001) QH1547 Quy hoạch thủy lợi chống ngập úng khu vực thành phố Hồ Chí Minh (Quyết định số 1547/QĐ-TTg, ngày 28 tháng 10 năm 2008) TCAT Tiêu chuẩn an toàn TTGH Trạng Thái Giới Hạn TTCN Trung Tâm điều hành chương trình Chống Ngập nước Tp.HCM xi
2. Các thuật ngữ “Bản đồ ngâ ̣p lu ̣t” là bản đồ thể hiện chiều sâu ngập lụt của vùng được bảo vệ; “Bản đồ thiệt hại” là bản đồ thể hiện mức độ thiệt hại của vùng được bảo vệ; “Công trình” là các thành phần độc lập trong hệ thống được xây dựng kết nối với nhau tạo thành hệ thống công trình KSNL. Trong nghiên cứu này công trình được xem xét gồm các công trình: cống, đê và kè; “Chỉ số độ tin cậy 𝛽” là chỉ số phản ánh mức độ an toàn của một thành phần hay một hệ thống; “Cơ chế sự cố” là quá trình dẫn đến sự cố của một hạng mục công trình, có thể được diễn toán thông qua hàm TTGH; “Hàm trạng thái giới hạn”: “Hàm tin cậy” là dạng mô phỏng toán học của một cơ chế sự cố “Hàm thiệt hại” là quan hệ phản ánh sự thay đổi mức độ thiệt hại theo chiều sâu ngập lụt. Hàm thiệt hại nếu trình bày dưới dạng đồ thị còn được gọi là đường cong thiệt hại; “Hạng mục” là các thành phần độc lập được xây dựng kết nối với nhau tạo thành một công trình. VD, Trong nghiên cứu này công trình cống gồm các hạng mục: trụ cống, bản đáy, cửa van... “Hệ thống” là một nhóm các thành phần hoặc quá trình có chung mục đích, chức năng; “Hệ thống công trình KSNL” là hệ thống công trình có mục đích KSNL có thể gồm đê, kè và cống điều tiết có chức năng ngăn nước tràn vào vùng được bảo vệ và tiêu thoát nước ra ngoài; “Hệ thống KSNL” là hệ thống công trình KSNL và vùng được nó bảo vệ. “Hệ thống nối tiếp” là hệ thống gồm các thành phần con được liên kết với nhau sao cho sự cố của bất cứ một thành phần con nào thuộc hệ thống sẽ dẫn đến sự cố hệ thống; “Hệ thống song song” là hệ thống có các thành phần con được liên kết với nhau sao cho khi tất cả các thành phần con gặp sự cố mới dẫn đến sự cố của hệ thống; xii
“Hiểm họa” (hazard): Một hiện tượng/sự kiện vật lý hoặc hoạt động con người có nguy cơ gây ra mất mát về người hoặc thương vong, thiệt hại tài sản, gián đoạn kinh tế và xã hội hoặc suy thoái môi trường [1]; “Mức bảo đảm an toàn (MBĐAT)” là giới hạn trên của xác suất xảy ra sự cố hệ thống của hệ thống công trình. MBĐAT cho một hệ thống nào đó chính là độ tin cậy yêu cầu của hệ thống đó. MBĐAT dùng làm căn cứ để thiết kế (đối với hệ thống mới) và duy tu sửa chữa nâng cấp (đối với hệ thống đã tồn tại); “MBĐAT kinh tế” là MBĐAT được xác định từ phân tích rủi ro kinh tế. “MBĐAT tối ưu” là MBĐAT kinh tế tương ứng với chi phí thấp nhất thông qua phân tích rủi ro. “MBĐAT hợp lý” là MBĐAT đề nghị cho một hệ thống KSNL sau khi điều chỉnh MBĐAT tối ưu do các yêu cầu khác. “Mức độ dễ bị tổn thương” (Vulnerability): Mô tả đặc tính và hoàn cảnh của một hệ thống, một cộng đồng hoặc tài sản mà làm cho nó dễ bị tác hại bởi một hiểm họa [1]; “Tần suất thiết kế” là tần suất xảy ra tải trọng thiết kế (như lưu lượng hoặc mực nước thiết kế công trình) được xác định theo các quy phạm thiết kế công trình thủy lợi hiện hành; “TCAT” là giá trị tần suất thiết kế theo tiêu chuẩn hiện hành hoặc MBĐAT được xác định bằng phương pháp PTRR&LTĐTC của một hệ thống KSNL sau khi được cấp có thẩm quyền phê duyệt. “Rủi ro” (Risk) là khả năng xảy ra một sự cố không mong muốn đem lại hậu quả xấu. Rủi ro được xác định bằng hàm số của xác suất xảy ra sự cố và hậu quả do sự cố đó gây ra; “Rủi ro được chấp nhận” là rủi ro tương ứng với TCAT được xác định bằng phương pháp PTRR&LTĐTC của của hệ thống KSNL. MBĐAT tương ứng với rủi ro được chấp nhận là MBĐAT hợp lý. xiii
“Xác suất sự cố - Pf” là khả năng xảy ra sự cố của một cơ chế sự cố, một thành phần công trình hay toàn bộ công trình. Quan hệ giữa xác suất sự cố với chỉ số độ tin cậy 𝛽 theo hàm số: Pf = Φ(-𝛽); “Xác suất an toàn” là giá trị xác suất bù của xác suất sự cố: Ps=1-Pf ; “Vùng được bảo vệ” là vùng được bảo vệ bởi hệ thống công trình KSNL. Trong trường hợp hệ thống công trình KSNL gặp sự cố, vùng được bảo vệ sẽ bị ngập lụt. xiv
DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG [S] Độ lún cho phép của công trình [SF] Hệ số an toàn ổn định trượt cho phép ∆H Chênh lệch cột nước áp lực α Góc giữa mái đê phía đồng với mặt đất tự nhiên β Giá trị độ tin cậy ρc Dung trọng bão hòa của đất ρw Dung trọng của nước A,B, D Hệ số điều kiện làm việc phụ thuộc vào góc ma sát trong đất nền c = cB Tiêu chí Blight CPf Chi phí đầu tư xây dựng mới hoặc, nâng cấp hệ thống hệ thống KSNL Ctot Tổng chi phí của hệ thống D Thiệt hại kinh tế tiềm t trong vùng được bảo vệ khi hệ thống bị sự cố dh Chiều sâu nước trung bình trước đê hoặc kè d Độ sâu lớp đất mặt nền có hệ số thấm nhỏ (sét) ∆h Chiều cao nước dềnh do gió Thiê ̣t ha ̣i kinh tế tại ô lưới thứ i trong vùng được bảo vệ khi hệ thống Di bị sự cố E(D) Kỳ vọng thiệt hại kinh tế khả dĩ; E(M) Kỳ vọng chi phí duy tu bảo dưỡng khả dĩ hàng năm; e1i Hệ số rỗng của lớp đất thứ i trước khi gia tải e2i Hệ số rỗng của lớp đất thứ i sau khi gia tải F Diện tích đáy hố móng (m2) xv
Giá tri ̣thiê ̣t ha ̣i của ô lưới thứ i, ứng với độ ngập sâu h của đối tượng fj(hi) thiệt hại thứ j; xác định được từ đường cong thiệt hại thành phần g gia tốc trọng trường đ Trọng lượng đất tại đáy móng quy ước ɣk Trọng lượng riêng khô của đất nền n Trọng lượng riêng của nước tb Trọng lượng riêng trung bình của đất trong khối móng quy ước hA Cột nước thấm tại điểm A dưới đáy móng hi Chiều dày lớp đất tính lún thứ i I Chi phí đầu tư hệ thống kiểm soát ngập lụt J0 Gradient dòng thấm Jx Mô men quán tính theo phương x Jy Mô men quán tính theo phương y L Đà gió dung tính chiều cao nước dềnh và sóng MNmax Mực nước lớn nhất xuất hiện trước cống hoặc trước đê bao Mx Tổng moment uốn lên đáy móng theo phương trục x My Tổng moment uốn lên đáy móng theo phương trục y N Tổng tải trọng đứng lên đáy móng n Số cọc dưới đáy móng Nc Trọng lượng bản thân cọc Nt Tải trọng tác dụng lên cọc theo phương đứng Pf Xác suất xảy ra sự cố của hệ thống Chi phí quản lý vận hành (M) trong thời gian tuổi thọ công trình quy PV(MPf) về giá trị hiện tại xvi
Giá trị rủi ro kinh tế do lũ gây ra ứng với xác suất Pf được quy về PV(Pf.D) hiện tại; Q Lực ngang tác dụng lên đáy hố móng Qc Sức chịu lực ngang của 1 cọc R Độ bền hay sức kháng Rủi ro tiềm tàng (trực tiếp, gián tiếp, các giá trị quy được về giá trị RPi kinh tế) r Tỷ lệ lãi suất hiệu quả Rbên Sức chịu tải bên của cọc theo đất nền Rmũi Sức chịu tải mũi của cọc theo đất nền S Tải trọng hay khả năng gây hư hỏng. SF Hệ số an toàn ổn định của mái dốc T Thời đoạn quy hoạch (tuổi thọ công trình), tính bằng năm t Chiều dày tầng thấm vw Vận tốc gió được xác định từ số liệu thực đo Khoảng cách từ tâm hàng cọc chịu nén lớn nhất theo phương x đến xd tâm đài Khoảng cách từ tâm hàng cọc chịu nén lớn nhất theo phương y đến yd tâm đài Z Hàm tin cậy Zcống Cao trình đỉnh cống Zđê Cao trình đỉnh đê Zđỉnh kè Cao trình đỉnh kè xvii
MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết phải nghiên cứu Châu thổ hạ du các dòng sông là nơi có điều kiện thuâ ̣n lơ ̣i cho phát triển kinh tế và xã hội do đất đai màu mỡ, gần với nguồn nước và địa hình bằng phẳng. Vì thế hầu hết các thành phố lớn, các trung tâm kinh tế, các khu công nghiệp và các vùng nông nghiệp thường tập trung tại đây. Đồng thời, hiểm họa lũ lụt từ sông cũng là rủi ro rất lớn đến con người, tài sản và sự phát triển của vùng hạ du. Riêng đối với vùng châu thổ gần biển, rủi ro do ngập lụt còn gia tăng và phức tạp hơn bởi sự kết hợp của thủy triều, nước dâng từ phía biển và lũ từ thượng nguồn. Đây cũng là đặc điểm chung của hầ u hế t các vùng ha ̣ du sông lớn ta ̣i Việt Nam trong đó có TP.HCM nằm tại hạ du hệ thống sông Đồ ng Nai - Sài Gòn (ĐN-SG), Hình 1. Ngập lụt tại khu vực Tp. Hồ Chí Minh và vùng hạ du sông Đồng Nai- Sài Gòn đang gây nên những khó khăn, thiệt hại cho các hoạt động dân sinh, kinh tế và trở thành vấn đề bức xúc cho người dân. Hình 1: Vị trí Tp.HCM và lưu vực sông ĐN-SG [2] 1