Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy - Chương 8 pot

HWRU-CE project - TUDelft
87

CHƯƠNG 8 - ỨNG DỤNG PPTKNN ðÁNH GIÁ AN TOÀN HỆ THỐNG CÔNG
TRÌNH BẢO VỆ BỜ
Mục ñích chương này là giới thiệu tổng quan một vấn ñề kỹ thuật bờ biển thực tế trong ñiều
kiện Việt Nam và ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên ñể giải quyết. Hệ thống công
trình bảo vệ bờ biển Nam ðịnh ñược lựa chọn ñể phân tích trong chương này. Nó phản ánh
ñược tính ñại diện cho vấn ñề bảo vệ bờ biển của Việt Nam và tính cấp thiết trong vài thập kỷ
gần ñây. Nội dung của chương này chủ yếu ñược lấy từ nghiên cứu thực hiện gần ñây nhất
cho khu vực này trong báo cáo thảo luận tại Hội nghị Cơ học Thủy khí toàn Quốc lần thứ X,
2005 tại Hạ Long, Quảng Ninh, thực hiện bởi nhóm tác giả Mai Cao Trí
1
, Mai Văn Công
2
và
Nguyễn Văn Mạo
2
, 2005.
8.1 Giới thiệu chung vùng dự án
R
e
d

R
i
v
e
r
D

a
y

R
i
v
e
r
N
i
n
h

C
o

R
i
v
e
r
Ba Lat Estuary
Ha lan estuary
Day estuary
Lach Giang estuary
S
o

R
i

v
e
r
TONKIN GULF
Giao Thuy District
NAM DINH
THAI BINH PROVINCE
NINH BINH PROVINCE
HA NAM PROVINCE
Hai Trieu
Hai Ly
5 Km
Hai Hau District
Nghia Hung
District
Hai Thinh
A
c
c
r
e
t
i
o
n
A
c
c
r
e

t
i
o
n
E
r
o
s
i
o
n
S
t
a
b
l
e

Hình 8.1 Thực trạng vùng bờ Nam ðịnh

Nam ðịnh là một tỉnh thuộc ñồng bằng sông Hồng vùng Bắc Bộ.Với tổng chiều dài bờ biển
khoảng 70 km. Phần lớn ñường bờ khu vực này nằm trong vùng chịu xói lở mạnh, hệ thống
ñê biển và công trình bảo vệ bờ, phòng chống lũ thường chịu các tác ñộng bất lợi từ phía biển
và xảy ra hư hỏng, thiệt hại nặng trong nhiều năm qua. Do ñó vùng biển Nam ðịnh ñược xem
như là một ñiển hình về các sự cố vùng bờ và công trình bảo vệ bờ. Các công trình bảo vệ bờ
khu vực này chủ yếu gồm ñê và kè bảo vệ mái ñê. Nhìn chung, vấn ñề xói lở ñường bờ và hư
hỏng các công trình bảo vệ bờ gây ra các hậu quả nghiêm trọng về kinh tế cũng như xã hội tại
các khu vực có liên quan (ba huyện Giao Thủy, Hải Hậu và Nghĩa Hưng).

1

Trung tâm Thủy Công, Viện Khoa học Thủy Lợi
2
ðại học Thủy Lợi

HWRU-CE project - TUDelft
88

8.2 Các vấn ñề tồn tại
Nguyên nhân chính gây ra hư hỏng ñê kè biển là do tác ñộng của bão và sóng lớn thường là
vượt quá ñiều kiện thiết kế. Hơn nữa, sóng và xói lở bờ biển xảy ra nghiêm trọng tại khu vực
trước chân ñê cũng là một nguyên nhân ñáng kể dẫn ñến hư hỏng thường xuyên của kết cấu
bảo vệ chân và mái ngoài ñê. Các vấn ñề cụ thể ñược liệt kê như sau:

Xói lở bờ biển xảy ra mạnh dưới cả hai hình thức: ảnh hưởng của quá trình vận
chuyển bùn cát dọc bờ và các phản ứng phụ của các giải pháp công trình; ảnh hưởng
của quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ trong ñiều kiện thời tiết bất lợi (gió mùa,
bão ). Theo số liệu thống kê và các nghiên cứu gần ñây, tốc ñộ xói bãi vào khoảng
10-20m/năm và hạ thấp ñộ sâu bãi trung bình 0,3-0,6m/năm tại các bãi trước ñê. ðiều
này sẽ dẫn ñến hiện tượng biển tiến, mất ñất vùng bờ nhanh chóng nếu không có các
biện pháp bảo vệ hữu hiệu và kịp thời.

Trong 100 năm qua, dưới tác dụng của ñiều kiện biên phía biển như sóng lớn và bão
quá trình xói bãi diễn ra liên tục, nhiều lần xảy ra vỡ ñê và phải lùi tuyến bảo vệ làm
mất tổng cộng khoảng 3000m bãi. Tổng diện tích ñất bị mất khoảng 15000 ha (gần
bằng huyện Hải Hậu hiện nay) (Theo[9]).

Bão lớn với gió từ cấp 9 ñến 12 gây nhiều thiệt hại về người và tài sản. Trong khoảng
thời gian 20 năm từ 1976 ñến 1995, bão ñã lấy ñi 4.028 ngôi nhà, chìm 6 tàu ñánh cá,
làm 25 người chết và 34 người bị thương.


Vỡ ñê dẫn ñến nước biển tràn vào gây ra lũ lụt và nhiễm mặn trên diện rộng, mất ñất
canh tác nông nghiệp. Theo các các số liệu thống kê cho thấy có 38.273 ha ñất canh
tác bị nhiễm mặn, mất mùa dẫn ñến thiệt hại gần 80.000 tấn hoa màu. Các ruộng muối,
hồ nuôi tôm bị thiệt hại nặng nề.

Sóng lớn ñi ñôi với thuỷ triều dâng gây thiệt hại hàng năm cho ñê biển Nam ðịnh. Từ
năm 1976 ñến năm 1995 có khoảng 934.000m3 ñất và 30.400 m3 ñá của ñê biển bị
cuốn ñi. Do ñó chi phí bảo trì là rất lớn (hàng triệu Euro).

Các công trình bảo vệ bờ bị hư hỏng và phá hủy, ñê, kè lát mái và kết cấu chân kè biển.
Có nhiều kiểu sự cố xuất hiện tại những ñoạn ñê và kè ñã bị hư hỏng.

Hệ thống ñê biển Nam ðịnh ñược thiết kế và xây dựng với hai nhiệm vụ chính là
phòng chống lũ phía biển và bảo vệ vùng ñất bên trong không bị xói lở. Trong mọi
tình huống cần phải có ñê biển ñể bảo vệ vùng bờ trũng nằm ngay sau ñê có chiều
rộng từ 3 ñến 10 km. Bằng chứng là các ñê biển này ñã tồn tại hằng ngàn năm nay.
Tuy nhiên, hầu hết hệ thống ñê trước ñây ñều ñược xây dựng chủ yếu dựa theo kinh
nghiệm của ñịa phương (chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của nhân dân trong vùng) và
theo các phương pháp thiết kế ñã lỗi thời. Theo thời gian, hệ thống ñê này không còn
ñáp ứng ñược trước các ñiều kiện biên thực tế.
Dưới ñây là một số hình ảnh mô tả thực trạng ñường bờ và công trình bảo vệ bờ biển tại Hải
Hậu trong vài năm gần ñây. Các hình ảnh phản ánh rõ tính nghiêm trọng và gây ấn tượng ñối
với các vấn ñề ñang xảy ra cho vùng bờ Nam ðịnh.

HWRU-CE project - TUDelft
89


Hình 8.2 Một ñoạn ñê bị hư hỏng(Hải Hậu 1998).

Hình 8.3 ðặc trưng mặt cắt ngang còn lại của một ñoạn ñê sau khi bị vỡ (Văn Lý 1995).

Hình 8.4a Làng Hải Triều năm 1995 Hình 8.4b Viết tích làng Hải Triều năm 2001

8.3 Hiện trạng ñê kè biển Nam ðịnh

HWRU-CE project - TUDelft
90

Theo VCZVA (1996), ñộ dốc mái ngoài của ñê Nam ðịnh thường ñược thiết kế theo tỉ lệ 1:3
ñến 1:4; cao trình ñỉnh ñê khoảng 5 ñến 5,5 m so với cao ñộ lục ñịa. Thân ñê ñược cấu tạo
bằng vật liệu ñịa phương sẵn có, lõi cát và cát pha, mái ngoài bọc ñất sét pha, ñất thịt. Mái
ngoài ñê ñược bảo vệ bằng kè ñá ñổ hoặc ñã xếp trên tầng lọc hạt. Một số ñoạn ñê mới xây
dựng sử dụng kè lát khan bằng các cấu kiện bê tông ñúc sẵn kiểu lập phương hoặc tự chèn,
TSC-178. Hệ thống bảo vệ có hai tuyến bảo vệ chính, tuyến ngoài và tuyến trong. Hình 8.5 &
8.6 mô tả mặt bằng hệ thống và các mặt cắt ngang ñại ñiện của ñê.

Hình 8.5 Phác thảo hệ thống ñê kép-hai tuyến bảo vệ - tại bờ biển Hải Hậu Nam ðịnh.
Hệ thống ñê biển Nam ðịnh chia thành ba ñoạn chính riêng biệt, ngăn cách bởi các cửa sông
và theo ba huyện vùng biển (tính theo chiều dài ñê biển):Xuân Thuỷ (32 km), Hải Hậu (33 km)
và Nghĩa Hưng (26 km).
Mặt cắt thiết kế:
- Mực nước thuỷ triều thiết kế MSL+ 2,29m (tần suất vượt quá 5%); chiều cao nước dâng do
bão +1,0m; Mực nước thiết kế MSL + 3,29 m.
- Khoảng tự an toàn ñỉnh ñê : 0,21m;
-

Cao trình ñỉnh ñê + 5,50m (tính toán với sóng leo trên mái dốc 1:4);

-

ðộ dốc mái ñê phía biển 1:4, ñộ dốc mai trong ñê (phía ñất liền) 1:2;
-

Chiều rộng ñỉnh 4÷5m;
Mái ñê ñược bảo vệ bằng kè theo hai dạng:
-

Dưới MSL +3,5m chiều dày 45cm (tính theo công thức Hudson ñối với kè ñá ñổ tự do);
kích thước cấu kiện thiết kế 0,50 x 0,50 x 0,45, trọng lượng trung bình xấp xỉ 250kg.
-

Trên MSL +3,5 m chiều dày kè 0,3m
-

Tầng lọc: chiều dày lớp sỏi là 25 và lớp cát 15 cm, ñặt trên lớp sét pha dày 70÷50cm.


HWRU-CE project - TUDelft
91

+3.29(+MSL)-DWL
3
2
1
+5.5m
500
-0.50 m

Hình 8.6 Mặt cắt ngang ñiển hình ñê kè biển Nam ðịnh.
Mục ñính yêu cầu:
Ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên ñể ñánh giá ñộ an toàn ñê Nam ðịnh với các số
liệu cho như trên. ðánh giá cho ñoạn ñê ñiển hình tập trung vào các cơ chế phá hoại chủ yếu
liên quan ñến:
o
Các vấn ñề liên quan ñến biên thuỷ ñộng học
o
Các vấn ñề liên quan ñến biên ñịa kỹ thuật
o
Các vấn ñề liên quan ñến bài toán kết cấu công trình
Các tính toán phân tích ñối với ñê biển Nam ðịnh trong ví dụ này áp dụng theo phương pháp
tính toán cấp ñộ II.

8.4 Tóm tắt lý thuyết
Việc tính toán xác suất phá hỏng của một thành phần ñược dựa trên hàm ñộ tin cậy của từng
cơ chế phá hỏng. Hàm ñộ tin cậy Z ñựợc thiết lập căn cứ vào trạng thái giới hạn tương ứng
với cơ chế phá hỏng ñang xem xét, và là hàm của nhiều biến và tham số ngẫu nhiên. Theo ñó,
Z<0 ñược coi là có xảy ra hư hỏng. Hư hỏng không xảy ra nếu Z nhận các giá trị còn lại, xem
Hình 8.7. Do ñó, xác suất phá hỏng ñược xác ñịnh là P{Z<0}.

HWRU-CE project - TUDelft
92


Hình 8.7 ðịnh nghĩa biên hư hỏng (sự cố).
Bài báo này trình bày việc tính toán theo mức ñộ II
1
, trong ñó ñể xác ñịnh xác suất xảy ra phá
hỏng của ñê biển Nam ðịnh. Hàm tin cậy thiết lập theo dạng chung Z=R-S. Trong ñó R và S

là hàm của ñộ bền và tải trọng, cả hai hàm này ñược giả thiết tuân theo luật phân phối chuẩn.
Các ñặc trưng thống kê của Z ñược xác ñịnh như sau:
Kỳ vọng: µ(Z) = µ(R)- µ(S) (8-1)
Phương sai: σ
2
(Z) = σ
2
(R) + σ
2
(S) (8-2)
Hàm mật ñộ xác suất của Z ñược xác ñịnh theo:
2
2
2
)(
2
2
1
)(
σ
µ
πσ
−−
=
Z
eZf
(8-3)
Hàm phân phối xác suất của Z ñược xác ñịnh theo:
∫
∞−

−
Φ==
a
NzZ
a
dXXfaF )()()(
σ
µ
(8-4)
Xác suất sảy ra sự cố của một thành phần (cơ chế phá hỏng) tương ứng với hàm tin cậy Z là
FZ(a=0)=P(Z<0):
∫
∞−
−Φ==<
0
)()(}0{
β
Nz
dXXfZP
(8-5)
Trong ñó :
β
là chỉ số ñộ tin cậy;
σ
µ
β
=


1

: Sử dụng một số phương pháp xấp xỉ và bài toán ñược tuyến tính hoá, hàm mật ñộ xác suất
của các biến ngẫu nhiên ñược thay bằng hàm mật ñộ tuân theo luật phân phối chuẩn. Ngoài
mức ñộ II, tính toán có thể thực hiện ở mức ñộ I hoặc III, xem [2].
Z > 0 vùng không hư hỏng
Z < 0 Vùng hư hỏng
X
1

X
2

Z = 0 biên hư hỏng

HWRU-CE project - TUDelft
93

)(
β
−Φ
N
Giá trị phân phối chuẩn của biến ngẫu nhiên
β


Hình 8.8 ðịnh nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số ñộ tin cậy.
Thông thường Z là hàm của nhiều (n) biến ngẫu nhiên, X1, X2, ,Xn, của cả Tải S và Sức
chịu tải R. ðể thực hiện tính toán mức ñộ II, các biến X1, X2, ,Xn ñược giả thiết là biến ñộc
lập, tuân theo luật phân bố chuẩn và phải ñảm bảo thoả mãn ñiều kiện tuyến tính hoá hàm Z
trong toàn miền tính toán.
Tuyến tính hoá hàm Z theo khai triển Taylor bậc nhất như sau:

0*)(), ,(
*
1
***
2
*
1
=






∂
∂
−+=
=
=
∑
ii
XX
n
i
iinlin
X
Z
XXXXXZZ
(8-6)
Z

Lin
= Hàm tin cậy tuyến tính của Z trong không gian {X
i
*
}






∂
∂
X
Z
Xi=Xi*
= ðạo hàm từng phần của hàm Z theo Xi, tại vị trí Xi =X
i
*

Trị trung bình và ñộ lệch chuẩn của ZLin :
*
1
***
2
*
1
*)(), ,()(
ii
XX

n
i
i
i
Xnlin
X
Z
XXXXZZ
=
=
∑






∂
∂
−+=
µµ
(8-7)
*
2
1
22
)(
*
i
X

i
X
i
Xlin
n
i
Z
X
Z
=
∑
=






∂
∂
=
σσ
(8-8)
Xác suất xảy ra sự cố và chỉ số ñộ tin cậy ñược xác ñịnh theo:
∫
∞−
−Φ==<
0
)()(}0{
βξξ

Nz
dfZP
(8-9)

HWRU-CE project - TUDelft
94

vi
)(
)(
Lin
Lin
Z
Z

à

=
l ch s ủ tin cy.
Nu biờn s c l phi tuyn, thc hin tuyn tớnh hoỏ hm ủ tin cy ti ủim thit k (Design
Point) s cho kt qu chp nhn ủc. im thit k ủc ủnh ngha ti biờn s c m ti ủú
mt ủ xỏc sut l ln nht. im thit k ủc xỏc ủnh thụng qua:
ii
XiXi
X
à

*
=
(8-10)

iLin
i
X
Z
Z
Xi


=
*
)(
)(



(H s nh hng ca bin ngu nhiờn th i) (8-11)

8.5 t vn ủ - Xõy dng bi toỏn mu
Cỏc c ch phỏ hoi cú th xy ra ti ủờ kố vựng b bin Nam nh l ủa dng v phc tp,
chi tit xem thờm [5]. Trong khuụn kh bi bỏo ny, tỏc gi ủ cp nm c ch phỏ hng
chớnh, bao gm: Súng trn/chy trn qua ủnh ủờ; Mt n ủnh trt ca mỏi; Xúi chõn ủờ
vt quỏ gii hn bo v; Xúi ngm nn ủờ/ủy tri chõn ủờ; v mt n ủnh kt cu bo v
mỏi ủờ. Bi toỏn ủc xõy dng cho ủon ủờ ủi din nguy him nht dc b bin Nam nh,
ti v trớ Hi Triu.
S c ca ton h thng ủờ khụng xy ra nu tt c cỏc ủon ủờ thnh phn khụng gp h
hng. Vi mi ủon ủờ thnh phn, s c cú th xy ra nu mt trong cỏc c ch phỏ hng
xut hin. Trong trng hp ny, s ủ s c ca h thng ủờ ủc trỡnh by theo hỡnh 8.9.

Hỡnh 8.9 S ủ h hng (s c) ủờ kố bin Nam nh) [5]

H hỏng (
sự cố) hệ thống đê

Sóng tràn
đỉnh đê, chảy
tràn

Xói ngầm,
đẩy trồi
Sliding of
inner slope

Mất ổn định kết
cấu bảo vệ mái
đê

H hỏng
đoạn đê 1

H hỏng
đoạn đê 2

H hỏng
đoạn đê i

H hỏng
đoạn đê n

Trợt mái

đê phía
biển /đồng

Xói chân
đê/chân kè
vợt quá h
t


HWRU-CE project - TUDelft
95

8.6 Xác ñịnh xác suất xảy ra sự cố, ñánh giá an toàn ñê kè biển Nam ðịnh
8.6.1 Sóng tràn và chảy tràn ñỉnh ñê
Sóng tràn và chảy tràn ñỉnh ñê xảy ra khi mực nước biển có kể ñến ảnh hưởng của sóng leo
(Z
max
) cao hơn cao trình ñỉnh ñê (Z
c
). Hàm tin cậy trong trường hợp này như sau:
Z
=
Z
c
-
Z
max
(8-12)
Trong ñó:
Z

c
là cao trình ñỉnh ñê;
Z
max
: Mực nước lớn nhất trước ñê (bao gồm nước dâng do
sóng leo và các yếu tố khác).
Cơ chế này xảy ra khi
Z
<0, do ñó xác suất xảy ra hiện tượng sóng tràn/chảy tràn ñỉnh ñê là
P
(
Z
<0).
Cao trình ñỉnh ñê:
Giả thiết cao trình ñỉnh ñê tuân theo luật phân phối chuẩn. Trị trung bình
lấy giá trị của ñê hiện tại, ñộ lệch chuẩn lấy là 0,1m ñược coi là sai số trong quá trình thi công.
Mực nước biển lớn nhất:
Z
max
={MHWL(MSL+High tide) + Surge + Sea level rise}+
R
un-up level

Trong ñó:
- MHWL: Mực nước biển trung bình nhiều năm tính toán trong thời kỳ triều cường, xác ñịnh
căn cứ vào số liệu thực ño. MHWL tuân theo phân bố chuẩn N(2.29; 0,071).
Trong ñó:
- MHWL: Mực nước biển trung bình nhiều năm tính toán trong thời kỳ triều cường, xác ñịnh
căn cứ vào số liệu thực ño.

Sử dụng dữ liệu về mực nước biển trung bình tại trạm Vạn Lý ño
ñược trong vòng 19 năm. Sử dụng phương pháp BESTFIT tìm hàm phân phối thống kê phù
hợp nhất. Kết quả phân tích cho thấy MHWL tuân theo phân bố chuẩn N(2.29; 0,071). (Xem
hình 8.10 kèm theo)


HWRU-CE project - TUDelft
96


Hình 8.10 Phân phối MHWL dựa theo dữ liệu thống kê bằng phương pháp BESTFIT.
C
ác biến ngẫu nhiên cơ bản khác có liên quan cũng có thể xác ñịnh tương tự theo phương
pháp trên. Bao gồm:
- Surge: ðộ dềnh cao do gió (wind setup).
- MS. Rise: Mực nước dâng cao do hiệu ứng nhà kính.
- Run-up level: Nước dâng do sóng leo.
Chiều cao sóng và sóng leo xác ñịnh theo Bảng 1. Trong ñó chiều cao sóng xác ñịnh theo
phương pháp ñộ sâu giới hạn. Chiều cao sóng leo xác ñịnh theo [8].
Bảng 8.1 Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế sóng tràn/chảy tràn ñỉnh ñê.
ðặc trưng thống kê
X Mô tả biến ngẫu nhiên ðơnvị
Luật phân phối
Kỳ vọng ðộ lệch
MHWL
MNBTB m Nor 2,29 0,071
Surge
Dềnh cao do gió bão m Nor 1,0 0,2
S.L rise
Dâng nước do hiệu ứng nhà

kính
m Nor 0,1 0,05
Z
bed

Cao trình bãi tại chân ñê m Nor nom 0,2
a
Hệ số kinh nghiệm - Nor 0,5 0,05
d
Chiều sâu nước trước ñê m = DWL-Z
bed
=(MHWL+Surge+S.L.Rise)-Z
bed


HWRU-CE project - TUDelft
97

Hs
Chiều cao sóng thiết kế m = a*d = a*{(MHWL+Surge+S.L.Rise)-Z
bed
}
K
∆

ảnh hưởng do nhám của mái ñê m Nor Nom- 0,05
K
w
ảnh hưởng của gió - der 1 -
K

p
Hệ số quy ñổi tần suất m der 1,65 -
m Mái dốc ñê phía biển - Nor 4 0,15
T
m
Chu kỳ sóng trung bình s Deter nom (8,5)
(Nom: Giá trị theo thiết kế tất ñịnh; Nor: biến ngẫu nhiên theo luật phân phối chuẩn)
Hàm tin cậy trở thành:
Z
ovetopping.
=Z
c
-Z
max
=Z
c
-(MHWL+Surge+S.L.Rise+Z
2%
)

Khi luật phân phối của các biến ngẫu nhiên thành phần ñã ñược xác ñịnh, việc tính toán xác
suất xảy ra sự cố dựa vào hàm tin cậy sẽ thực hiện ñược. Sử dụng mô hình VAP với phương
pháp FORM (First Order Reliability Method) và thuật giải Monte – Carlo, kết quả tính toán
thu ñược trình bày tại Bảng 2.
Bảng 8.2 Kết quả tính toán xác suất sự cố và ñộ tin cậy.
ðê thiết kế mới theo phương pháp thiết
kế tất ñịnh
Trường hợp Thông số
ðơn
vị

ðê hiện
tại
T.C Việt Nam T.C Hà Lan
Cao trình ñỉnh ñê m 5,50 6,60 7,60
Xác suất hư hỏng - 0,414 0,0474 0,0501
Kè ñá xếp
Chỉ số tin cậy - 0,0646 1,67 1,64
Cao trình ñỉnh ñê m 5,50 7,60 8,75
Xác suất hư hỏng - 0,632 0,0464 0,0201
Cấu kiện B.T
ñúc sẵn
Chỉ số tin cậy - -0,338 1,68 2,05
Phân tích ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên ñến xác suất xảy ra sự cố (biểu thị bằng hệ số
ảnh hưởng
α
i
) cho kết quả như Hình 8.11. Qua phân tích, (MHWL + Surge) có ảnh hưởng
nhiều nhất ñến hiện tượng sóng tràn/chảy tràn (40%). Mặt khác, các thông số mô hình cũng
có ảnh hưởng một lượng ñáng kể ñến kết quả tính toán.

HWRU-CE project - TUDelft
98

MHWL
4.53%
Surge
36.10%
S.L rise
2.25%
Zbed

2.28%
a
12.10%
Krough
21.80%
m
6.97%
Zc
13.98%

Hình 8.11 Ảnh hưởng của các biến ñến cơ chế sóng tràn/ chảy tràn ñỉnh ñê.
8.6.2 Mất ổn ñịnh kết cấu bảo vệ mái
Hàm ñộ tin cậy chung: Z= (H
s
/
∆
D)
R
- (H
s
/
∆
D)
S
(8-13)
Trong ñó: (
H
s
/
∆D

)
R
(1): ðặc trưng không thứ nguyên của sức chịu tải; (
H
s
/
∆D
)
S
(2): ðặc
trưng không thứ nguyên của tải;
∆
là tỉ trọng của vật liệu kết cấu bảo vệ mái;
D
là ñường kính
trung bình của viên ñá (cấu kiện).
Báo cáo này trình bày việc áp dụng phương pháp kiểm tra ổn ñịnh cấu kiện bảo vệ mái của (1)
Pilarczyk; (2) Jan Van der Meer; [7]. Xác ñịnh các biến ngẫu nhiên liên quan theo Bảng 3.
Kết quả tính toán theo Bảng 4. Kết quả ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên ñến
P
y
theo bảng
5.
Bảng 8.3 Danh sách các biến ngẫu nhiên theo cơ chế mất ổn ñịnh kết cấu bảo vệ mái.
ðặc trưng thống kê

X
i
Mô tả biến ngẫu nhiên ðơn
vị

Luật
P.Phối
Kỳ vọng ðộ lệch
Hàm tin cậy theo Pilarczyk, áp dụng cho kết cấu bảo vệ mái bêtông
Z
= {
φ
φφ
φ
*
∆
∆∆
∆
*
D
}-
H
s
*(tan
α
αα
α
/SQRT(
S
0
))
b
/cos
α
αα

α

H
s Chiều cao sóng thiết kế m LogNor Bảng 2 Bảng 2
tan
α

Tg(Mái dốc ñê phía biển) - Nor 0,25 0,018 (error 1
o
)
S
0
ðặc trưng sóng - Deter 0,02
cos
α

Cosin (mái dốc ñê) - Nor 0,97 0,05 (error 1
o
)
∆

Tỷ trọng của bêtông - Nor 1,4 0,05
φ

Hệ số kinh nghiệm - Nor 5 0,5
b
Chỉ số mũ (kinh nghiệm) - Nor 0,65 0,15

HWRU-CE project - TUDelft
99

D
Kích thước ñá yêu cầu m Deter nom
Hàm tin cậy theo Van der Meer áp dụng cho kè ñá xếp
Z
={8.7*
P
0.18
*(
S
/
N
0.5
)
0.2
*(tan
α
αα
α
/SQRT(
S
0
))
-0.5
}-{
H
s
/
∆
∆∆

∆
/
D
}
N
Số cơn bão - Deter 7000
P
Hệ số ảnh hưởng tính thấm - Nor 0,2 0,05
S
Trị số hư hỏng ban ñầu - Deter 2
∆

Tỷ trọng của ñá - Nor 1,6 0,1
8,7 Thông số mô hình - nor 8,7 0,065*8,7=0,5655

Bảng 8.4 Kết quả tính toán xác xuất phá hỏng với các trường hợp kết cấu mái kè.
ðê thiết kế mới theo T.K tất ñịnh Trường hợp Thông số ðơn vị

ðê hiện
tại
T.C Việt Nam T.C Hà Lan
ðường kính ñá m 0,45 0,89 0,86
Xác suất hư hỏng - 0,413 0,0157 0,0274
Kè ñá xếp
Chỉ số tin cậy - 0,0671 2,15 1,92
ðường kính ñá m 0,5 0,75 0,7
Xác suất hư hỏng - 0,132 0,0123 0,0288
Cấu kiện B.T
ñúc sẵn
Chỉ số tin cậy - 1,11 2,25 1,9

Kết quả phân tích cho thấy khả năng xảy ra hiện tượng mất ổn ñịnh kết cấu bảo vệ mái dốc là
tương ñối cao, ở mức 50% ñối với ñê ñã xây dựng.
Phân tích tính nhạy cảm và tính ảnh hưởng của các ñại lượng ngẫu nhiên cho thấy chiều cao
sóng thiết kế gây ảnh hưởng chính ñến cơ chế phá hỏng này. Bên cạnh ñó các tham số mô
hình và hệ số kinh nghiệm cũng có sự ảnh hưởng ñáng kể.
Bảng 8.5 Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên ñến cơ chế mất ổn ñịnh kết cấu bảo vệ mái.
Theo tiêu chuẩn Pilarczyk Theo tiêu chuẩn Van der Meer
No.
Xi
α
i

(
α
i
)
2
% ảnh hưởng No. Xi
α
i
(
α
i
)
2
% ảnh hưởng
1 Delta -0,181 0,033 3,28 1 Delta -0,2 0,040 4,00

HWRU-CE project - TUDelft
100

2
H
s

0,646 0,417 41,73 2
H
s

0,824 0,679 67,90
3
Φ
-0,535 0,286 28,62 3
P
-0,231 0,053 5,34
4
b
0,445 0,198 19,80 4 model -0,418 0,175 17,47
5 Slope 0,257 0,066 6,60 5 Slope 0,23 0,053 5,29

8.6.3 Hiện tượng xói ngầm nền ñê và ñẩy trồi phía chân hạ lưu ñê (Piping)
Hiện tượng này xảy ra khi ñồng thời thoả mãn hai ñiều kiện [2]:
(1) Lớp sét nền ñê bị chọc thủng.
(2) Xuất hiện dòng chảy vận chuyển cát ngầm dưới ñê.
- Hàm tin cậy cho ñiều kiện 1:
Z
1
=
ρ
c

*
g
*
d
-
ρ
w
*
g
*
∆H
(8-14)
- Hàm tin cậy cho ñiều kiện 2:
Z
2
=
m
*
L
t
/
c
-
∆H
(8-15)
Trong ñó:
ρ
c
: Khối lượng riêng của lớp sét.

ρ
w
: Khối lượng riêng của nước.

∆H
: Chênh lệch mực nước.

L
t
: Chiều dài tính toán ñường viền thấm, xác ñịnh theo Bligh.

C
: Hệ số Bligh.
Xác ñịnh các biến ngẫu nhiên theo Bảng 6.
Bảng 8.6
Mô tả biến ngẫu nhiên Kí hiệu ðơnvị Luật P.P Kỳ vọng ðộ lệch
Khối lượng riêng ñất nền
ρ
c

kG/m
3
Deter 1800
Khối lượng riêng của nước
ρ
w

kG/m
3
Deter 1031

Chiều dày lớp sét nền ñê
d
m Nor 3,5 0,2 (sai số = 5% chiều dày)
Thông số mô hình
m
-
Nor 1,67 0,33
Chiều dài ñường viền thấm
L
k
m Nor 48 5
Hệ số Bligh

c
B
- Deter 15

Cột nước thấm
∆
∆∆
∆
H
m
=DWL-Z
inland
={MHWL+Surge}-Z
inland

Mực nước triều cường MHWL m Nor 2,29 0,071

HWRU-CE project - TUDelft
101

Dềnh nước do gió bão Surge m Nor 1,0 0,2
Mực nước phía ñồng
Z
inland
m Nor 0 0,5
Xác suất xảy ra xói ngầm và ñẩy trồi ñược tính toán bằng mô hình VAP. Kết quả tính toán ghi
tại Bảng 7. Hình 8.12 trình bày ảnh hưởng của các ñại lượng ngẫu nhiên ñến xác suất xảy ra
hiện tượng piping.
Bảng 8.7
Hàm tin cậy
Z
1

Hàm tin cậy
Z
2
β
1
=6,72
β
2
=3,21
P
(
Z
1
<0)= 9x10

-12
P
(
Z
2
<0)= 6,57x10
-4

piping failure condition 2
Z_inlan
14.36%
m
13.91%
MHWL
1.17%
Lt
61.29%
Surge
9.18%

Hình 8.12 Ảnh hưởng của các ñại lượng ngẫu nhiên ñén xác suất xảy ra hiện tượng ñẩy trồi/
xói ngầm.
Hiện tượng Piping xảy ra nếu (1) và (2) thoả mãn [3]. Do ñó xác suất phá hỏng do Piping là:
P
f
=
P
{
Z
=(

Z
1
<0 AND
Z
2
<0)}=
P
{
Z
1
<0}*
P
{
Z
2
<0
|

Z
1
<0 }
Sử dụng phương pháp xấp xỉ Ditlevsen ta có:
P
{
Z
2
<0
|

Z

1
<0 }
≥
max {
Φ
N
(-
β
1
)*
Φ
N
(-
β
*
2
);
Φ
N
(-
β
2
)*
Φ
N
(-
β
*
1
)} (8-16)

và
P
{
Z
2
<0
|

Z
1
<0 }
≤

Φ
N
(-
β
1
)x
Φ
N
(-
β
*
2
) +
Φ
N
(-

β
2
)*
Φ
N
(-
β
*
1
) (8-17)

2
*
1
ρ
ρβ
β
β
−
−
=
ji
(8-18)
)2(
1
)1(
21
),(
i
n

i
i
ZZ
ααρ
∑
=
=
(8-19)
Với
ρ
là hệ số tương quan. Các tham số khác tương tự như trong mục 2.
piping failure condition 1
d
39%
Z_inlan
35%
Surge
23%
MHWL
3%

HWRU-CE project - TUDelft
102

áp dụng cho trường hợp này ta có
ρ
=0,408 và
β
*
1

=5,93 ;
β
*
2
=0,51
Xác suất xảy ra sự cố:
max
{
Φ
N
(-6,72) *
Φ
N
(-0,51);
Φ
N
(-3,21) *
Φ
N
(-5,93)}

≤
≤≤
≤
P{Z
2
<0|Z
1
<0}
≤

≤≤
≤

{
Φ
N
(-6,72) *
Φ
N
(-
0,51) +
Φ
N
(-3,21) *
Φ
N
(-5,93)};

Biên trên
:
P
{piping}
=
P
{
Z
2
<0
|

Z
1
<0 } = 3,1x10
-10
Biên dưới
:
P
{piping}
=
P
{
Z
1
<0}*
P
{
Z
2
<0
|

Z
1
<0 }=9x10
-12
*3,1x10
-10
=3x10
-12

Với kết quả này có thể kết luận rằng hiện tượng xói ngầm/ñẩy trồi gần như không xảy ra.
Chiều dài ñường viền thấm, chênh lệch mực nước (cột nước thấm) và chiều dày tầng sét có
ảnh hưởng nhiều nhất ñến kết quả phân tích.

8.6.4 Mất ổn ñịnh trượt mái ñê
Phân tích ổn ñịnh mái dốc theo phương pháp ngẫu nhiên cho phép kể ñến sự thay ñổi của các
thông số ñầu vào của bài toán theo các luật phân phối xác suất và ñưa ra xác suất phá hỏng
mái dốc do trượt. Báo cáo này trình bày việc phân tích ổn ñịnh mái ñê theo phương pháp
Bishop, sử dụng chương trình SLOPE/W, thuật giải tính toán theo Monte Carlo. Các thông số
chỉ tiêu của ñất và lực tác dụng ñược coi là các biến ngẫu nhiên, tuân theo luật phân phối
chuẩn [4].
Hàm tin cậy:
Z
= SF (hệ số an toàn)
Do ñó, xác suất phá hỏng ñược ñịnh nghĩa là xác suất ñể SF nhỏ hơn 1,0:
P
failure
=
P
(
Z
<1)
Danh sách các biến ngẫu nhiên trình bày trong Bảng 8-8. Kết quả tính toán ghi tại Bảng 8-9.
Bảng 8.8 Danh sách biến ngẫu nhiên ñầu vào bài toán ổn ñịnh mái dốc
Mô tả biến ngẫu nhiên
Kí
hiệu
ðơn vị
Luật
P.P

Kỳ vọng ðộ lệch
Dung trọng tự nhiên của ñất
γ
unsat.

kN/m
3
Nor nom 0,05*nom
Dung trọng bão hòa của ñất
γ
sat.

kN/m
3
Nor nom 0,05*nom
Hệ số thấm
k
m/s Deter. nom
Lực dính ñơn vị của ñất
C
kN/m
2
Nor nom 0,05*nom
Góc ma sát trong của ñất
ϕ

Degree Nor nom 2
0
áp lực sóng lên mái ñê
A

kN Nor nom 50

HWRU-CE project - TUDelft
103

Tải trọng tại ñỉnh ñê (giao thông)
B
kN Nor 100 10
Kết quả tính toán cho thấy, xác suất xảy ra mất ổn ñịnh trượt mái ñê biển Nam ðịnh là 0,6%
ñối với mái ñê phía biển và 0,003% với mái ñê phía ñồng, chỉ số ñộ tin cậy là 2,5 và 4 tương
ứng.
Probability Density Function for Outer Slope
Frequency (%)
Factor of Safety
0
5
10
15
1.06 1.10 1.14 1.18 1.22 1.26 1.30 1.34 1.38 1.42

Probability Density Function for Inner Slope
Factor of Safety
0
5
10
15
0.96 1.00 1.04 1.08 1.12 1.16 1.20 1.24 1.28 1.32

Probability Distribution Function for Outer Slope
Probability (%)

Factor of Safety
0
20
40
60
80
100
1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45

Probability Distribution Function for Inner Slope
Factor of Safety
0
20
40
60
80
100
0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35

Outer slope Inner slope
Hình 8.13 Xác suất và hàm mật ñộ xác suất của thông số trượt an toàn mái ñê.


HWRU-CE project - TUDelft
104

Bảng 8.9 Tóm tắt kết quả phân tích ổn ñịnh mái ñê.
Thông số
Mái ñê phía biển Mái ñê phía ñồng
Hệ số an toàn trung

bình (Mean of SF)

1,1538

1,2485

Chỉ số tin cậy

2,528

4

ðộ lệch chuẩn 0,061 0,062
P
(Failure) (%) 0,00570860 0,00003130

8.6.5 Xói trước chân ñê và chân kè (Sumer and Fredsoe,2001)
Cơ chế phá hoại này xảy ra khi chiều sâu
hố xói trước chân ñê/kè lớn hơn chiều
sâu bảo vệ của kết cấu chân ñê/kè. Hàm
tin cậy cho cơ chế này ñược viết như sau:
Z
=
h
t
-
h
x

Trong ñó: ht là chiều sâu bảo vệ của kết

cấu chân kè;
h
x chiều xâu hố xói dự kiến trước chân kè. Theo giá trị thiết kế hiện tại của chân
kè biển Nam ðịnh, chân kè ñược bảo vệ tới cao trình -2,0, tương ứng với chiều sâu
h
t
=1,5m.
Khi kể ñến các ñiều kiện sai số trong thi công và do lún ban ñầu, có thể lấy
h
t
= Nor (1,5; 0,15
m).
Chiều sâu hố xói dự kiến trước chân kè có thể xác ñịnh ñược theo Sumer and Fredsoe
,2001:
(
)
1.35
2
sinh
x
s
f
h
H
h
L
α
π
=
 

 
 
 
 
 
với
15
e77,13,0)(f
α
−
−=α
Trong ñó, các thông số
h
(chiều sâu nước trước
chân ñê);
H
s (chiều cao sóng trước chân ñê) ñược
coi là các biến ngẫu nhiên tuân theo luật phân phối
chuẩn như trình bày trong các bài toán ở phần trên.
Giải hàm tin cậy theo FORM thu ñược:
Chỉ số ñộ tin cậy
β
= 1,49
Xác suất phá hỏng
P
failure
= 6,8 %
Phân tích tính nhạy cảm của các biến ngẫu nhiên
ñưa ra kết quả ảnh hưởng các biến ngẫu nhiên ñến cơ chế phá hoại này như trên ñồ thị hình 6.
cyclinrical concrete D=150 cm, rock filled

original sea bed
b
e
a
c
h

s
l
o
p
e

m
scour width
S
DWL+3.29m
-0.5m
m
=
4
1
4
°
h

HWRU-CE project - TUDelft
105

Base on Sumer & Fredsoe, 2001
tham so
2.78%
Tm
9.60%
Hs
42.22%
h
19.80%
Apha
25.61%

Hình 8.14 Ảnh hưởng của các ñại lượng ngẫu nhiên ñến sự xuất hiện cơ chế phá hỏng do xói chân ñê.
8.6.6 Tổng hợp xác suất phá hỏng ñê biển Nam ðịnh
Phân tích bài toán mẫu cho một ñoạn ñê biển ñại diện tại vị trí Hải Triều kể ñến năm cơ chế
hư hỏng chính như ñã nêu ở trên. Tổng hợp xác suất xảy ra hư hỏng của ñoạn ñê ñại diện
ñược thực hiện theo sơ ñồ sự cố của hệ thống như Hình 3. Xác suất tổng hợp xảy ra sự cố
ñược xác ñịnh như sau:
P
dike failure
=
P
(
Z
1
<0 ;
Z
2
<0 ;
Z

3
<0 ;
Z
4-1
<0 ;
Z
4-2
<0 ;
Z
5
) (8-20)

Trong ñó {
Z
1
<0 ;
Z
2
<0 ;
Z
3
<0 ;
Z
4-1
<0 ;
Z
4-2
<0 ;
Z
5

} biểu thị rằng có ít nhất một trong năm
cơ chế hư hỏng xảy ra.
Z
1
<0 biểu thị sự xảy ra hiện tượng sóng tràn/chảy tràn
Z
2
<0 biểu thị sự xảy ra hiện tượng hư hỏng kết cấu bảo vệ mái ñê
Z
3
<0 biểu thị sự xảy ra hiện tượng xói ngầm, ñẩy trồi (piping)
Z
4-1
<0 và
Z
4-2
<0 biểu thị sự xảy ra hiện tượng hư hỏng do trượt mái ñê phía biển và phía ñồng
tương ứng.
Z
5
biểu thị sự xảy ra hiện tượng phá hỏng do chiều sâu xói trước chân ñê vượt quá chiều sâu
bảo vệ.

Xác suất sự cố tổng hợp ñược xác ñịnh nằm giữa hai biên giới hạn, biên giới hạn trên và biên
giới hạn dưới: max{
P
(
Z
i
<0)} ≤

P
dike failure
≤
6
1
{ 0}
i
Z i
i
P Z
=
<
∑
(8-21)
Trong ñó xác suất hư hỏng theo cơ chế phá hỏng thứ
i
,
P
(
Z
i
<0), ñã ñược xác ñịnh trong các
mục trên. Kết quả tổng hợp áp dụng phương trình (8-21) ghi trong bảng 10.
Bảng 8.10 Xác suất sự cố tổng hợp của ñê biển Nam ðịnh
a. ðoạn ñê ñược bảo vệ bằng kè ñá xếp
Trường hợp P(Z
1
<0) P(Z
2
<0) P(Z

3
<0) P(Z
4-1
<0) P(Z
4-2
<0) P(Z
5
<0)

Biên
dưới
Biên
trên

HWRU-CE project - TUDelft
106

ðê hiện tại 0,414 0,413 3,0E-12 0,00003 0,0057 0,068 0,414 0,950
ðê thiết kế mới

theo TCVN
0,047 0,015 3,0E-12 0,00003 0,0057 0,068 0,0414 0,137

b. ðoạn ñê ñược bảo vệ bằng cấu kiện bêtông ñúc sẵn
Trường hợp

P(Z
1
<0) P(Z
2

<0) P(Z
3
<0) P(Z
4-1
<0) P(Z
4-2
<0) P(Z
5
<0)

Biên
dưới
Biên
trên
ðê hiện tại 0,6320 0,1320 3,0E-12 0,00003 0,0057 0,068 0,632 0,836
ðê thiết kế mới
theo TCVN
0,0464 0,0123 3,0E-12 0,00003 0,0057 0,068 0,046 0,132

8.7 Kết luận
Kết quả phân tích cho thấy xác suất xảy ra sự cố của ñê biển Nam ðịnh tại vị trí nghiên cứu là
rất cao, với biên dưới là 41,4% và biên trên là 95%. Có thể nói rằng ñoạn ñê thường xuyên
xảy ra sự cố khi ñiều kiện biên thiết kế xuất hiện (ví dụ triều cường kết hợp bão thiết kế ).
Xác suất xảy ra hiện tượng sóng tràn và chảy tràn ñỉnh ñê là 41% cho loại ñê có kè ñá xếp và
63% cho loại ñê có kết cấu bảo vệ mái bằng cấu kiện bêtông. Nguyên nhân của sự kém an
toàn này là do cao trình thiết kế ñỉnh ñê không ñủ tương ứng với ñiều kiện biên hiện tại. Mức
ñộ an toàn này là quá thấp so với các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.
Tương tự ñối với ổn ñịnh kết cấu bảo vệ mái ñê, khả năng xảy ra sự cố là gần 50%. ðiều này
phản ảnh rằng khả năng xuất hiện và không xuất hiện hư hỏng là như nhau, 50-50. Như vậy,
có thể xem xét trạng thái làm việc của kết cấu bảo vệ mái ñê ñạt trạng thái giới hạn khi xảy ra

bão thiết kế với hệ số an toàn SF = 1,0 theo quan ñiểm thiết kế truyền thống.
Nguyên nhân hư hỏng chính của ñê biển Nam ðịnh qua phân tích là do khả năng xuất hiện
sóng tràn/chảy tràn và mất ổn ñịnh kết cấu bảo vệ mái ñê. Kết quả này rất phù hợp với những
nghiên cứu ñánh giá an toàn hệ thống ñê theo phương pháp thiết kế truyền thống (xem Mai
Van Cong, UNESCO-IHE, M.Sc thesis 2004-[5]). ðặc biệt, ñiều này cũng phù hợp với thực
tế diễn biến hàng năm tại vùng bờ biển Nam ðịnh.

Tài liệu tham khảo.
[8-1] Allsop N.W.H, 1998
, Coastline, structures and breakwaters, Proceeding of
international conference orgnized by Intitution of Civil Engineers and held in London,
20 March 1998, Thomas Telford, 1998

HWRU-CE project - TUDelft
107

[8-2] CUR/TAW, 1990
, Probabilistic design of flood defences, report 141, RWS/TAW,
Gouda,The Netherlands 1990.
[8-3] CUR/CIRIA, 1991
, Manual on application of rock in shoreline and coastal engineering,
CUR report 154, CIRIA special publication 83, Gouda/London, 1991
[8-4] GEO-Slope, 2000
, User’s manual for slope stability analysis, SLOPE/W 5.12, GEO-
Slope L.t.d, Canada, 2000
[5] Mai Van Cong, 2004
, Safety assessment of sea dike in Vietnam, M.Sc thesis, Unesco-IHE,
Delft, The Netherlands, June 2004.
[8-6] Nguyễn Văn Mạo, 2000
, Lý thuyết ñộ tin cậy trong thiết kế công trình thuỷ công, Bài

giảng cao học, ðại học Thuỷ lợi 2000.
[8-7] Pilarczyk, K.W., 1998
, Dikes and revetments, Design, maintenance and safety
assessment, Rijkswaterstaat, A.A.Balkema/Rotterdam/Brookfield, 1998
[8-8] Vrijling J.K., van Gelder P.H.A.J.M
, Proabilistic design in hydraulic engineering,
Lecture notes, CT5310, TU-Delft, 2002.
[8-9] Vinh, T. T., Kant, G., Huan, N. N., Pruszak, Z., 1996,
Sea dike erosion and coastal
retreat at Nam Ha Province, Vietnam
. Proceedings of the Coastal Engineering
Conference, v. 3, p. 2820-2828).