Phân tích độ tin cậy đê Hữu Hồng đoạn qua thành phố Hà Nội
BÀI BÁO KHOA HỌC
PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY ĐÊ HỮU HỒNG
ĐOẠN QUA THÀNH PHỐ HÀ NỘI
Trần Quang Hoài1, Mai Văn Công2
Tóm tắt: Theo đánh giá của các cơ quan quản lý về đê điều, các tuyến đê của Hà Nội hiện đủ cao
trình để chống lũ. Tuy nhiên, nhiều năm qua, hầu hết các tuyến đê chưa có cơ hội để "thử thách"
trước những trận lũ lớn. Thêm vào đó là tình trạng suy giảm độ bền của các tuyến đê liên quan đến
thân và nền đê, và sự xuất hiện các đầm, hồ ao ven đê dẫn đến sự xuất hiện hiện tượng mạch đùn,
mạch sủi ngà một phổ biến hơn, đe dọa đến an tòan hệ thống đê. Báo cáo này trình bày phương
pháp phân tích an toàn của hệ thống đê theo lý thuyết độ tin cậy và ứng dụng cho đê Hữu Hồng
đoạn qua thành phố Hà Nội. Kết quả phân tích của bài báo cũng chỉ ra rằng, hệ thống đê Hữu
Hồng hiện nay cần thiết phải được nâng cấp để đảm bảo an toàn phòng lũ theo tiêu chuẩn hiện tại
và phù hợp hơn với tình hình phát triển kinh tế, xã hội hiện tại.
Từ khóa: Độ tin cậy; an toàn đê; đê Hữu Hồng; tiêu chuẩn an toàn.
việc tính toán xác suất xảy ra sự cố thông qua
hàm phân phối tiêu chuẩn N(-) bằng cách sử
dụng các giá trị kỳ vọng Z, độ lệch chuẩn Z và
chỉ số độ tin cậy =Z/Z của hàm tin cậy.
1. SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY
TRONG PHẠM VI BÀI TOÁN1
Để đánh giá an toàn của một hệ thống công
trình phòng chống lũ cần đánh giá tất cả các cơ
chế phá hỏng của thành phần hệ thống. Để đánh
giá các cơ chế phá hỏng cần thành lập các hàm
tin cậy (thường dùng các phương trình trạng thái
giới hạn để xây dựng). Công thức tổng quát của
một hàm tin cậy có dạng (Mai Văn Công, 2006):
Z=0 Biên sự cố
Z<0 Vùng sự cố
S
Z=R-S
* Trong đó:
(1)
Z>0 Vùng an toàn
+ R: Độ bền hay khả năng kháng hư hỏng;
+ S: Tải trọng hay khả năng gây hư hỏng.
R
Hình 1. Hàm tin cậy biểu diễn trong m/p RS
Hàm tin cậy Z được thiết lập căn cứ vào
trạng thái giới hạn tương ứng với cơ chế phá
hỏng đang xem xét và là hàm của nhiều biến và
tham số ngẫu nhiên. Theo đó, Z<0 được coi là
có hư hỏng xảy ra và hư hỏng không xảy ra nếu
Z nhận các giá trị còn lại (Z ≥ 0). Trạng thái giới
hạn là trạng thái mà tại đó Z=0 trong mặt phẳng
RS (H.F. Burcharth, et al 1995); đây được coi là
biên sự cố. Xác suất phá hỏng được xác định:
Hàm tin cậy biểu diễn trong mặt phẳng RS và
xác suất xảy ra sự cố và chỉ số độ tin cậy được
định nghĩa như Hình 1: Điểm nằm trong miền sự
cố với mật độ xác suất lớn nhất được coi là điểm
thiết kế. Thông thường điểm này nằm trên đường
biên sự cố. Điểm thiết kế đóng vai trò quan trọng
trong ước lượng xác suất xảy ra sự cố.
2. LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG
PHÂN TÍCH AN TOÀN HỆ THỐNG
PHÒNG CHỐNG LŨ
Các cơ chế xảy ra sự cố đối với hệ thống
công trình phòng lũ nói chung là đa dạng và
phức tạp. Trong khuôn khổ bài báo đề cập đến
một số cơ chế phá hỏng chính với đê Hữu Hồng
như sau:
Pf = P(Z≤0) = P(S≥R)
Xác suất an toàn: P(Z>0) = 1-Pf
(2)
(3)
Trường hợp đơn giản, hàm tin cậy tuyến tính
với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân bố chuẩn,
1
Tổng cục Thủy lợi, Bộ Nông nghiệp và Phát triển
nông thôn.
2 Khoa Công trình, trường Đại học Thủy lợi.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
52
Hàm tin cậy trong trường hợp dòng chảy
xiên góc với bờ và lòng dẫn có bãi được viết
thành:
2.1. Cơ chế Chảy tràn
Nguyên nhân gây ra cơ chế này là khi mực
nước trước đê chảy tràn qua đỉnh đê và có
hướng gió thổi từ sau đê ra ngoài, sóng có
hướng đi ra xa bờ, trường hợp này yếu tố sóng
được bỏ qua. Hàm tin cậy của cơ chế này được
viết như công thức (4):
2
23tg
Q12
42
(8)
Z ht
30d
B12H12 (1 )2
1 m2 g
Hàm tin cậy trong trường hợp dòng chảy
xiên góc với bờ và lòng dẫn không có bãi được
viết thành:
Z = Hk – H = Z= Hk – (MNL + h)
* Trong đó:
- Hk: Độ cao của đỉnh đê;
- H: Mực nước suất hiện trước đê = MNL + h
- MNL: Mực nước lũ
(4)
2
23tg
Q2
W Wp
(9)
Z ht
30d
2
- h: Chiều cao nước dềnh do gió gây ra;
2.2. Cơ chế mất ổn định cấu kiện bảo vệ mái
Hàm tin cậy chung cho trường hợp này được
định nghĩa như sau:
* Đối với kết cấu bảo vệ mái đê là đá lát
khan, hàm tin cậy được triển khai thành:
1 m2 g
Trong đó:
- B1: Chiều rộng bãi, khoảng cách từ mép
đến chân dốc (m); Q1: phần lưu lượng thiết kế
thông qua bãi, (m3/s); H1: độ sâu trên bãi;
- η: hệ số phân bố không đều của lưu tốc;
- ∆hp :Độ sâu xói cục bộ tính từ đáy sông, m;
- α: Góc giữa lưu hướng dòng chảy ở mực
H
L
3
Z tR K
(5)
1 b
H
m
*Đối với kết cấu bảo vệ mái đê sông là tấm nước lũ tính toán và mái bờ;
- m: Hệ số mái chân kè;
- d: đường kính hạt tính toán của đất đáy
sông tại sát chân kè, cm;
lát bê tông trên mái nghiêng, hàm tin cậy được
triển khai thành:
L
(6)
Z tR H
- W: diện tích mặt cắt ngang dòng sông; Wp:
Diện tích ngang lòng sông sau khi thu hẹp;
2.4. Cơ chế xói ngầm, đẩy trồi
Cơ chế xói ngầm xảy ra khi nó đồng thời
thỏa mãn hai điều kiện:
1) Lớp sét nền đê bị chọc thủng;
2) Xuất hiện dòng chảy vận chuyển cát ngầm
dưới đê.
b Bm
Trong đó:
- tR: Chiều dày của kết cấu mái bảo vệ đê
sông;
- tS: Chiều dày KCBV cần thiết đảm bảo điều
kiện ổn định;
- K1: Hệ số, đá thường lấy bằng 0,266, đá
vuông và đá cột (chẻ) lấy bằng 0,225;
- γb: Khối lượng riêng của đá; γ: Khối lượng
riêng của nước;
- H: Chiều cao sóng tính toán; L: Chiều dài
sóng, m;
- m: hệ số mái dốc; B: Chiều dài cạnh tấm
bản theo hướng vuông góc với đường mép nước.
2.3. Cơ chế xói chân đê
Cơ chế này xảy ra khi chiều sâu hố xói trước
chân đê lớn hơn chiều sâu bảo vệ của kết cấu
chân đê. Hàm tin cậy của cơ chế này được viết
như sau:
Hàm tin cậy của từng cơ chế:
Lt
Z(41) cgd w gH và
(10)
Z(42) m ΔH
c
* Trong đó:
+ c: Trọng lượng đơn vị bão hòa của lớp đất
nền; w: Trọng lượng đơn vị của nước;
+ g: Gia tốc trọng trường; d: Bề dày lớp đất
sét tính từ chân đê đến lớp cát nền bên dưới;
+ H = MNL + MNBĐ – MNHL
+ c = cB: Hằng số Blight, phụ thuộc vào loại đất;
+ m – Thông số mô hình, để tính toán sự
phân tán theo kinh nghiệm khảo sát.
Z3 = ht - hx
* Trong đó:
(7)
Pf P(Z14 Z42 ) P(Z14 )P(Z24 | Z14 )
(11)
2.5. Cơ chế mất ổn định trượt mái
Hàm tin cậy của cơ chế (Ghecxêvanôp):
- ht: Chiều sâu bảo vệ của kết cấu chân đê;
- hx: Chiều sâu hố xói dự kiến trước chân đê.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
53
n
n
n
- q là lưu lượng thấm trên đơn vị chiều rộng,
m2/s;
(12)
T
i
Z5 SF
SF
N Wi tg C l
i
i
i
i
i1
i1
i1
* Trong đó:
- H1 là mực nước thượng lưu, (m); m1 là hệ
số mái dốc thượng lưu;
3. ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH AN TOÀN
CHO HỆ THỐNG PHÒNG CHỐNG LŨ
ĐOẠN QUA THÀNH PHỐ HÀ NỘI
Hà Nội hiện có 20 tuyến đê chính dài khoảng
470km, trong đó có hơn 37km đê hữu Hồng là
đê cấp đặc biệt, 211,5km đê cấp I; 67,4km đê
cấp II, còn lại là đê cấp III và cấp IV.
Có thể mô tả hệ thống phòng chống lũ đoạn
qua Hà Nội thành 03 khu vực, tuy nhiên để đơn
giản trong tính toán, tác giả sẽ phân tích các cơ
chế gây mất ổn định và tổng hợp xác suất xảy ra
ngập lụt cho Vùng I – trung tâm thành phố Hà
Nội và vùng II - khu vực các quận Gia Lâm,
Long Biên; chưa xem xét các đến vùng III. Từ
sơ đồ này, tác giả có thể đề xuất sơ đồ cây sự cố
cho hệ thống phòng chống lũ đoạn qua Hà Nội
như hình 02 dưới đây.
+ SF – Hệ số an toàn ổn định trượt mái đê;
+ [SF] – Hệ số an toàn ổn định trượt mái đê
cho phép. [SF] = 1.
+ Ni = Gi.cosi; Ti = Gi.sini; Gi = bi ihi -
Trọng lượng của dải thứ i;
+ Wi – Áp lực thủy tĩnh dưới đáy dải thứ i; li
– Chiều dài đáy dải thứ i; Ci , i – Lực dính đơn
vị và góc ma sát trong tại đáy dải thứ i.
3.6. Cơ chế mất ổn định do thấm
Hàm tin cậy trong trường hợp này có thể viết
thành:
H1 H2
L m1H1 0,88T
.T
(13)
Z
q
q
q qD k0
Trong đó:
- qD: là lưu lượng thấm trên đơn vị chiều rộng
tìm được của đê đất đồng chất, trên nền không
thấm nước, có cùng hình thức tiêu nước, m2/s;
- T là chiều dầy tầng thấm nước, m; k0 là hệ
số thấm của tầng thấm nước, m/s;
Hình 2. Sơ họa khu vực nghiên cứu & Sơ đồ cây sự cố
Comparison of Input Distribution and Normal(10.85,1.15)
3.1. Danh sách các biến ngẫu nhiên
0.6
0.3
0.0
Đối với các biến ngẫu nhiên có số liệu thống
kê, sử dụng phần mềm BESTFIT tìm hàm phân
phối xác suất phù hợp nhất và các tham số thống
kê của nó. Đối với các biến ngẫu nhiên không
có số liệu thống kê, hàm phân phối lấy theo các
hàm đặc trưng. Các biến ngẫu nhiên của mỗi cơ
chế được tổng hợp trong các bảng 1 đến bảng 4
Input
Normal
0.85 0.93 1.01 1.09 1.16 1.24
Valuesin 10^1
Hình 3. Phân tích mực nước lũ tại trạm Long Biên
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
54
Bảng 1. Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế chảy tràn đỉnh đê
Đặc trưng (m)
Kỳ vọng Độ lệch
Phân
đoạn
Kí
hiệu
Luật
P.Phối
BNN
Lý trình
Đoạn 1 Hữu Hồng K31+100÷K47+980 ZĐ1
Nor
Nor
Nor
Nor
Nor
Norl
17.5
14.67
13
0.2
CTĐĐ Đoạn 2 Hữu Hồng K48+000÷K57+000 ZĐ2
Đoạn 3 Hữu Hồng K57+000÷K80+340 ZĐ3
Đoạn 1 Hữu Hồng K31+100÷K47+980 MNL1
0.2
0.1
15.7
13.6
10.8
1.15
1.15
1.15
MNL
Đoạn 2 Hữu Hồng K48+000÷K57+000 MNL2
Đoạn 3 Hữu Hồng K57+000÷K80+340 MNL3
Bảng 2. Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế mất ổn định mái bảo vệ
Đặc trưng thống kê
Biến ngẫu nhiên
Kí hiệu Đơn vị
Luật
P.Phối
LogNor
Nor
Nor
Nor
Deter
Nor
Nor
Kỳ vọng
Độ lệch
Chiều cao sóng trước đê
Chiều dài sóng
Hs
L
t
m
m
m
0,42
10
0.2
6
1
2.4
5
0,063
1.5
0.01
0.3
0.05
0.1
0.2
Chiều dày lớp áo kè
Độ sâu nước trước chân kè
Khối lượng riêng của nước
Khối lượng riêng của đá
Hệ số mái dốc
d
γ
γb
m
m
KN/m3
KN/m3
-
Bảng 3. Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế xói chân đê
Đặc trưng thống kê
Kí
hiệu
Q1
Biến ngẫu nhiên
Lưu lượng lũ sông
Chiều rộng bãi, khoảng cách từ mép
đến chân dốc
Đơn vị
m3/s
m
Luật P.Phối
Kỳ vọng Độ lệch
18,000
Nor
100
B1
Nor
500
10
Độ sâu trên bãi
H1
η
m
-
Nor
Deter
5
2
0.2
Hệ số phân bố không đều của lưu tốc
Góc giữa lưu hướng dòng chảy ở
mực nước lũ tính toán và mái bờ
Hệ số mái chân kè
Đường kính hạt tính toán của đất đáy
sông tại sát chân kè
α
m
d
rad
-
Nor
Nor
Nor
Nor
0.53
3
0.05
0.1
m
m
0.01
3
0.0005
0.2
Chiều sâu bảo vệ của kết cấu chân đê
ht
Bảng 4. Các biến ngẫu nhiên của cơ chế xói ngầm, đẩy trồi
Đặc trưng thống kê
Luật P.Phối Kỳ vọng μ
Biến ngẫu nhiên
Kí hiệu
Đơn vị
Độ lệch α
Dung trọng b.hòa đất nền
Dung trọng riêng của nước
Thông số mô hình
Chiều dài viền thấm
Hằng số Blight
Chiều dày lớp sét
Mực nước lũ sông
Mực nước trong đồng
ρc
ρw
m
Lt
CB
T/m3
Nor
Deter
Nor
Nor
Deter
Nor
1.80
1.00
2.00
50
15.00
2
-
-
T/m3
-
m
-
m
m
0.20
4.50
-
0.4
0.4
0.3
d
MNTL
MNHL
Nor
Nor
17.5
13
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
55
3.2. Xác suất xảy ra sự cố của từng cơ chế và các hệ số ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên
Bảng 5. Kết quả xác suất xảy ra sư cố đối với đê Hữu Hồng đoạn qua nội thành Hà Nội
Cơ chế sự cố
Sóng tràn/chảy tràn
Kí hiệu
P(Z1<0)
P(Z2<0)
P(Z3<0)
P(Z4<0)
P(Z5<0)
P(Z5<0)
PHT
Xác suất xảy ra sự cố
0.06145
Mất ÔĐ KCBV
Xói chân đê
2.75×10-4
0.175
Xói ngầm
Đẩy trồi
Mất ổn định trượt mái
TỔNG HỢP
0.114
2,79E-8
2,79E-8
0.1802
4e. Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên
đến cơ chế đẩy trồi của đê hữu Hồng.
4a. Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên
đến cơ chế chảy tràn.
3.3. Xác suất tổng hợp xảy ra sự cố
Phân tích bài toán mẫu cho một đoạn đê biển
đại diện kể đến năm cơ chế hư hỏng chính như
đã nêu ở trên. Tổng hợp xác suất xảy ra hư hỏng
của đoạn đê đại diện được thực hiện theo sơ đồ
sự cố 2. Xác suất tổng hợp xảy ra sự cố được
xác định như sau (Mai Văn Công, 2010):
Pvỡ đê= P (Z1<0 Z2<0 Z3-1 Z3-2<0
4b. Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên
đến cơ chế mất ổn định KCBV mái.
Z41<0 Z4-2 <0Z5<0)
Trong đó:
- Z1<0 biểu thị sự xảy ra hiện tượng sóng
tràn/chảy tràn;
- Z2<0 biểu thị sự xảy ra hiện tượng hư hỏng
kết cấu bảo vệ mái đê;
- Z3<0 biểu thị sự xả ra hiện tượng xói ngầm,
đẩy trồi;
- Z4-1; Z4-2 biểu thị sự xảy ra hiện tượng hư
hỏng do trượt mái đê phía biển và phía đồng
tương ứng;
4c. Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên
đến cơ chế xói chân.
- Z5 biểu thị sự xảy ra hiện tượng phá hỏng do
chiều sâu xói chân đê vượt quá chiều sâu bảo vệ.
4. NHẬN XÉT KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
Sử dụng phần mềm OpenFTA theo phương
pháp Monte Carlo mô phỏng được tổ hợp xác
suất xảy ra sự cố hệ thống phòng chống lũ nội
thành Hà Nội với đê sông hiện tại cho kết quả
4d. Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên
đến cơ chế xói ngầm.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
56
là: P2=0,04 (1/ 25 năm) Tiêu chuẩn an toàn hiện
tại: 1/500 (năm). Kết quả phân tích cũng chỉ ra
5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Đê Hữu Hồng đoạn qua thành phố Hà Nội
rằng cơ chế nước tràn đỉnh đê ảnh hưởng nhiều hiện tại cơ bản đảm bảo được nhiệm vụ đã thiết
nhất đến an toàn đê sông (86.83%). Dựa trên kế ban đầu của nó. Tuy nhiên, theo các báo cáo
các xác suất gây hư hỏng tuyến đê biển, thì cũng đánh giá về hiện trạng truyến đê này và kết quả
có thể thấy nên tập trung nâng cao cao trình phân tích độ tin cậy của hệ thống đê đã chỉ ra
đỉnh đê và tăng kích thước (chiều dày) khối phủ rằng: mức đảm bảo an toàn phòng lũ hiện tại
bảo vệ đê. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy không đạt được với tiêu chí thiết kế theo qui
rằng, yếu tố sóng có mức độ ảnh hưởng lớn nhất phạm hiện hành và cần thiết phải nâng cấp hệ
đến cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái. Như thống, đặc biệt là cho những đoạn đê xung yếu.
vậy ngoài việc tăng kích thước (chiều dày) của
Cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái kè
kết cấu bảo vệ mái, thì có thể xem xét đến các chiếm ưu thế với hệ số ảnh hưởng 85% đến xác
biện pháp như trồng rừng ngập mặn tại những vị sất sự cố tổng cộng. Như vậy, việc nâng cấp
trí thuận lợi, có bãi bồi trước đê cao để giảm ảnh tuyến đê nên tập trung vào nâng cao trình đỉnh
hưởng các tác động của sóng lên mái đê và tăng đê, nâng cấp giải pháp kết cấu bảo vệ mái hoặc
tính ổn định của cấu kiện cũng như của toàn bộ tăng kích thước (chiều dày) cấu kiện bảo vệ mái
hệ thống.
là cần thiết.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Burcharth, H.F., Sørensen, J.D. & Christiani, E. (1995). Application of reliability analysis for
optimal design of vertical wall breakwaters. Proceedings of the International Conference on Coastal
and Port Engineering in Developing Countries (COPEDEC)
Mai Văn Công, (2006); Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy; Bài
giảng Khoa Kỹ Thuật Biển, Trường Đại học Thủy lợi
Mai Văn Công, (2010); Probabilistic design of coastal flood defences in Vietnam; Luận án tiến sỹ,
Trường Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan.
Abstract:
RELIABILITY ANALYSIS OF HUU HONG LEVEE THROUGH INNER HANOI CITY
According to the department of dike management, the current dikes of Hanoi is high enough to
prevent river floods. However, the dikes have not been "challenged" with the major floods. In
addition, reduction of strengths of the dike body and its foundation and existence of mashes ponds
along the dikes frequently leads to sand boiling and even piping occurs at many places, which
threatening stability of the dike system. This paper presents reliability analysis of the dike system by
application of reliability theory and probabilistic approach. Detailed analysis is performed for the
case of Huu Hong dikes which protects central Hanoi. Research results show that Huu Hong dike
system need to be upgraded in order to ensure flood safety by present standard and further more for
the situation of present socio-economic development.
Keywords: Reliability; dike safety; river dikes; flood risk; flood safety.
BBT nhận bài: 25/1/2016
Phản biện xong: 11/3/2016
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
57
6 trang
19480
Free
Bạn đang xem tài liệu "Phân tích độ tin cậy đê Hữu Hồng đoạn qua thành phố Hà Nội", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- phan_tich_do_tin_cay_de_huu_hong_doan_qua_thanh_pho_ha_noi.pdf
