Luận án tiến sĩ: Xác định chỉ số an toàn và độ tin cậy yêu cầu hệ thống đê vùng Đồng bằng sông Hồng - Trần Quang Hoài, Trường Đại học Thủy Lợi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN QUANG HOÀI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ AN TOÀN VÀ ĐỘ TIN CẬY YÊU CẦU CHO HỆ THỐNG ĐÊ VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN QUANG HOÀI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ AN TOÀN VÀ ĐỘ TIN CẬY YÊU CẦU CHO HỆ THỐNG ĐÊ VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO Chuyên ngành: Xây dựng Công trình thủy Mã số: 62-58-40-01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. Mai Văn Công GS. Trịnh Minh Thụ HÀ NỘI, NĂM 2018 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tác giả. Các kết quả nghiên cứu cũng như các kết luận trong luận án này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào dưới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tác giả luận án Trần Quang Hoài i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án tiến sĩ “Nghiên cứu phương pháp xác định chỉ số an toàn và độ tin cậy yêu cầu cho hệ thống đê vùng đồng bằng sông Hồng theo lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro”, tác giả đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện về mọi mặt của các cơ quan, đơn vị, các nhà khoa học, bạn bè và đồng nghiệp. Tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy Lợi, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa Công trình và cơ quan công tác là Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã luôn tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình 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 bản thảo luận án này.

Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.Mai Văn Công và GS.Trịnh Minh Thụ đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC HÌNH.

vii DANH MỤC CÁC BẢNG. x CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ. xii DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG. xv MỞ ĐẦU.

Tính cấp thiết của đề tài. Mục đích nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu.

Phạm vi nghiên cứu. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. Phương pháp tiếp cận. Phương pháp nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Ý nghĩa khoa học. Ý nghĩa thực tiễn. Cấu trúc của luận án.

20 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÊ PHÒNG CHỐNG LŨ, NGHIÊN CỨU RỦI RO LŨ LỤT VÀ AN TOÀN ĐÊ ĐIỀU. Tổng quan về công tác đê điều phòng chống lũ tại Việt Nam. Công tác phòng chống lũ và các hệ thống đê điển hình trên thế giới. Tổng quan về hệ thống đê vùng Đồng bằng sông Hồng.

Hệ thống đê vùng Đồng bằng sông Hồng và khu vực nghiên cứu [13]. Đánh giá hiện trạng an toàn của hệ thống đê vùng Đồng bằng sông Hồng. Phân tích nguyên nhân gây mất ổn định của đê. Đánh giá thực trạng đảm bảo an toàn đê vùng ĐBSH.

Phương pháp phân tích an toàn hệ thống đê theo quy định hiện hành .1 Tiêu chuẩn an toàn và phân cấp đê .2 Yêu cầu kỹ thuật trong đánh giá an toàn đê. Phương pháp thiết kế truyền thống và những tồn tại. Tình hình nghiên cứu ứng dụng PTRR & LTĐTC trong an toàn đê điều và rủi ro lũ lụt. Ứng dụng trong phân tích, đánh giá an toàn hệ thống đê phòng chống lũ.

Các kết quả nghiên cứu ứng dụng ở nước ngoài. Tình hình nghiên cứu trong nước. Luận giải vấn đề nghiên cứu của luận án. Kết luận Chương 1.

45 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP LUẬN PHÂN TÍCH AN TOÀN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ TIN CẬY YÊU CẦU CHO HỆ THỐNG ĐÊ. Phương pháp phân tích độ tin cậy trong đánh giá an toàn công trình. Khái niệm cơ chế sự cố. Phân tích độ tin cậy một cơ chế sự cố theo bài toán Cấp độ III - Mô phỏng ngẫu nhiên Monte-Carlo.

Phương pháp phân tích rủi ro hệ thống đê và vùng được bảo vệ. Phân tích rủi ro lũ lụt. Phương pháp xác định thiệt hại do lũ. Xác định rủi ro của hệ thống đê.

Giá trị rủi ro chấp nhận của hệ thống đê. Đánh giá rủi ro. Ra quyết định dựa trên kết quả phân tích rủi ro. Phương pháp đánh giá an toàn tổng thể hệ thống đê.

Khái niệm hệ thống. Các hệ thống liên kết cơ bản. Phân tích hệ thống. 70 iv CHƯƠNG 3 THIẾT LẬP BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ AN TOÀN VÀ ĐỘ TIN CẬY YÊU CẦU CHO HỆ THỐNG ĐÊ.

Sơ đồ hóa hệ thống đê phòng chống lũ vùng đồng bằng. Thiết lập sơ đồ cây sự cố cho các hệ thống đặc trưng. Thiết lập cây sự cố chi tiết cho hệ thống đê. Cơ chế sự cố do chảy tràn.

Cơ chế sự cố mất ổn định cấu kiện bảo vệ mái. Cơ chế xói ngầm và đẩy trồi. Cơ chế mất ổn định trượt mái – mất ổn định tổng thể. Cơ chế chảy tràn đê biển.

Cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ đối với đê biển. Cơ chế sự cố do xói chân đối với đê biển. Cơ chế sự cố mất ổn định thấm. Phương pháp xác định độ tin cậy hệ thống đê hiện tại.

Phương pháp xác định hiệu ứng chiều dài trong phân tích độ tin cậy hệ thống đê. Xác định độ tin cậy hệ thống đê khi xem xét hiệu ứng chiều dài đê. Phương pháp xác định độ tin cậy yêu cầu cho hệ thống đê. Phương pháp xác định giá trị rủi ro chấp nhận.

Độ tin cây yêu cầu từ giá trị rủi ro chấp nhận dựa theo quan điểm kinh tế. Độ tin cậy yêu cầu từ giá trị rủi ro chấp nhận theo quan điểm cộng đồng về nguy cơ thiệt mạng. Kết luận chương 3. 101 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CHO CÁC HỆ THỐNG ĐÊ ĐIỂN HÌNH VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG.

Lựa chọn hệ thống đê điền hình vùng đồng bằng sông Hồng và kịch bản phân tích. Hệ thống đê điển hình. Kịch bản phân tích. Xác định chỉ số an toàn và độ tin cậy yêu cầu của hệ thống đê Hữu Hồng bảo vệ khu vực trung tâm thành phố Hà Nội (HT1).

Mô tả hệ thống đê Hà Nội. Xác định độ tin cậy và đánh giá an toàn hệ thống đê hiện tại. Xác định độ tin cậy yêu cầu hệ thống đê Hà Nội theo rủi ro kinh tế. Xác định chỉ số an toàn và độ tin cậy yêu cầu của hệ thống đê Giao Thủy, Nam Định (HT2).

Mô tả hệ thống đê Giao Thủy, Nam Định. Xác định chỉ số an toàn hệ thống đê Giao Thủy. Xác định độ tin cậy yêu cầu hệ thống đê Giao Thủy theo rủi ro kinh tế. Đề xuất giải pháp nâng cao an toàn và giảm thiểu rủi ro lũ lụt vùng nghiên cứu.

Kết luận Chương 4. 139 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .141 1 Kết quả đạt được của luận án. 141 2 Những đóng góp mới của luận án. 142 3 Những tồn tại:.

143 4 Hướng phát triển:. 144 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .145 TÀI LIỆU THAM KHẢO .150 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1: Đê Hữu Hồng đoạn qua Hà Nội .27 Hình 1-2: Giếng xử lý xói ngầm, mạch đùn mạch sủi tại hạ lưu đê Tả Hồng, đoạn qua Nghi Xuyên, Khoái Châu, Hưng Yên.32 Hình 1-3: Hàm quan hệ giữa mực nước ngập với mức độ thiệt hại cho nhà dân dụng.40 Hình 1-4: Hàm quan hệ giữa thời gian ngập với mức độ thiệt hai cho cây trồng.40 Hình 1-5: Sơ đồ khối đánh giá thiệt hại dựa vào mô phỏng ngập lụt [12].41 Hình 2-1: Phân bố xác suất của hàm độ tin cậy Z [32, 33, 57] .46 Hình 2-2: Định nghĩa biên sự cố [33] .47 Hình 2-3: Quan hệ giữa hàm tải trọng S và hàm sức chịu tải R [54], [55] .47 Hình 2-4: Miền tính toán tích phân của hàm fR,S(R.48 Hình 2-5: Đường đẳng mật độ xác suất của hàm kết hợp fR(X1)fS(X2). Vùng bôi đen thể hiện vùng sự cố X1 < X2 [24] .49 Hình 2-6: Số lượng mẫu yêu cầu N không phụ thuộc vào số biến của hàm Z [19].52 Hình 2-7: Sơ đồ nguyên lý phân tích rủi ro .54 Hình 2-8: Các bước cơ bản trong phân tích rủi ro.55 Hình 2-9: Các bước cơ bản trong phân tích rủi ro [1] .55 Hình 2-10: Sơ đồ mô tả mô hình tính toán thiệt hại do ngập lụt [37]. 58 Hình 2-11: Rủi ro cá nhân tại các nước phương Tây dựa trên cơ sở thống kê các nguyên nhân gây thiệt mạng và tổng số người tham gia các hoạt động [52].

63 Hình 2-12: Sơ đồ cây sự cố của hệ thống: (a) song song và (b) nối tiếp .66 Hình 2-13: Tổ hợp xác suất sự cố của hai hệ thống cơ bản: (a) song song và (b) nối tiếp.66 Hình 2-14: Sơ đồ cây sự cố của hệ thống phức hợp .68 Hình 2-15: Sơ đồ minh họa cây sự cố của một hệ thống đê điển hình. 68 Hình 2-16: Minh họa gán xác suất xảy ra sự cố của hệ thống nối tiếp có các thành phần độc lập. 70 Hình 3-1: Sơ đồ hóa hệ thống đê phòng chống lũ vùng đồng bằng. 71 Hình 3-2: Sơ đồ cây sự cố ngập lụt vùng đồng bằng.72 Hình 3-3: Sơ đồ cây sự cố Hệ thống 1 .73 Hình 3-4: Sơ đồ cây sự cố Hệ thống 2 .74 vii Hình 3-5: Sơ đồ cây sự cố ngập lụt tổng quát.

76 Hình 3-6: Cơ chế xói ngầm/đẩy trồi .81 Hình 3-7: Cơ chế xói chân đê biển .86 Hình 3-8: Sơ đồ cây sự cố hệ thống đê nhiều thành phần .87 Hình 3-9: Sơ họa tuyến đê gồm nhiều đoạn đê liên tiếp .89 Hình 3-10: Hiệu ứng chiều dài được xem xét theo sự cố tổng hợp của cả đoạn đê .90 Hình 3-11: Hiệu ứng chiều dài được xem xét theo từng cơ chế sự cố của đoạn đê .