thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy

THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THEO
LÝ THUYẾT NGẪU NHIÊN
VÀ
PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY



TS. Mai Văn Công
Trường Đại học Thủy lợi








Delft 2004 Hà Nội 2006
HWRU/CE Project - TU Delft ii


TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
BỘ MÔN KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH BIỂN






THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THEO LÝ THUYẾT NGẪU NHIÊN VÀ
PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY

TS. Mai Văn Công
Trường Đại học Thủy lợi

(in lần thứ nhất)














Mã hiệu giáo trình: HWRU/CE-D02-04
HWRU/CE Project - TU Delft iii

LỜI CẢM ƠN

Giáo trình “Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy” được
thực hiện trong khuôn khổ dự án hợp tác HWRU-CE, “Nâng cao năng lực đào tạo
ngành kỹ thuật bờ biển trường Đại học Thủy Lợi”. Dự án được thực hiện dưới sự tài
trợ của Đại Sứ Quán Vương quốc Hà Lan tại Việt Nam với sự tham gia cộng tác của
các đối tác phía Delft, Hà Lan bao gồm: Trường Đại học Công nghệ Delft (TUDellft),

Viện Thủy lực Delft (Delft Hydraulics), Viện đào tạo Quốc tế các vấn đề về nước
(UNESCO-IHE Delft) và Bộ Gia
o thông Công chính và Công trình công cộng Hà Lan
(RIKZ).
Nội dung phần lý thuyết của giáo trình này là sự tiếp thu có chọn lọc từ hai nguồn tài
liệu tham khảo chính: (i) Probabilistic design, Bài giảng cho sinh viên đại học và cao
học trường Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan do Gs. Han Vrijling và Dr. Pieter van
Gelder biên soạn năm 2000; (ii) CUR 190, Probabilistic design in Civil Engineering
do RIKZ/CUR xuất bản năm 1997. Giáo trình này được chuẩn bị và thực hiện theo hai

giai đoạn: Giai đoạn I, biên soạn bản Tiếng Anh, tại Trường Đại học Công nghệ Delft
(2004); Giai đoạn 2, biên dịch bản Tiếng Việt, tại Trường Đại học Thủy Lợi, Hà Nội
(2005).
Trong quá trình thực hiện giai đoạn I tác giả nhận được sự ủng hộ, giúp đỡ nhiệt tình
của các tổ chức, cá nhân phía đối tác Delft, Hà Lan. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ir.
Wilfred Molenaar, Dr. Pieter van Gelder và Gs. Han Vrijling, khoa Xây dựng, TU-
Delft về sự cộng tác và góp ý nhiệt tình trong các vấn đề chuyên môn. Tác giả xin cảm
ơn Ir. Michel Tonneijck, cố vấn trưởng dự án HWR
U-CE, cùng ban lãnh đạo và nhân
viên Phòng hợp tác quan hệ Quốc tế CICAT, TU-Delft đã tạo điều kiện thuận lợi trong
thời gian thực hiện biên soạn giáo trình bản Tiếng Anh tại Hà Lan.
Trong quá trình thực hiện biên dịch bản Tiếng Việt, tác giả xin đặc biệt cảm ơn
PGS.TS. Vũ Minh Cát, Gs. Nguyễn Văn Mạo về những góp ý chuyên m
ôn và các gợi
ý trong sử dụng ngôn từ chuyên ngành. Tác giả xin chân thành cảm ơn ThS. Lê Hải
Trung, CN. Lê Thị Kim Thoa về những đóng góp cụ thể trong quá trình biên soạn,
hiệu chỉnh và hoàn thiện giáo trình này.
Giáo trình này được in lần thứ nhất làm tài liệu học tập và tham khảo chính thức cho
sinh viên trường Đại học Thủy lợi, chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Tác giả
xin chân thành đón nhận những ý kiến góp ý của độc giả và đồng nghiệp để giáo trình

đựơc hoàn thiện hơn trong các lần in sau.

Mai Văn Công
HWRU/CE Project - TU Delft iv

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MÔN HỌC 7
1.1 Giới thiệu chung 7
1.2 Những tồn tại của phương pháp thiết kế truyền thống - Sự cần thiết ứng dụng
thiết kế công trình theo lý thuyết độ tin cậy
8
1.3 Kết cấu bài giảng 9
CHƯƠNG 2 - PHÂN TÍCH RỦI RO 11
2.1 Giới thiệu chung 11
2.2 Cấp độ rủi ro chấp nhận được trong công tác phòng chống lũ 14
2.3 Các bước phân tích rủi ro 14
2.4 Chọn lọc nhanh cho phương án quy hoạch từng bước 15
2.4.1 Mô tả quy trình/quá trình hay đối tượng một cách hệ thống 15
2.4.2 Liệt kê khả năng xảy ra các sự cố ngoài ý muốn, các ảnh hưởng và hậu quả 15
2.4.3 Xác suất rủi ro thành phần: 16
2.4.4 Đánh giá và xác định rủi ro 17
2.4.5 Ra quyết định dựa vào kết quả quá trình phân tích rủi ro 17
2.4.6 Rủi ro chấp nhận được trong thực tế 17
2.5 Phân tích rủi ro và sơ đồ sự cố của hệ thống công trình phòng chống lũ 19
2.6 Các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp 22
2.7 Phương pháp tất định 23
2.8 Phương pháp ngẫu nhiên 24
CHƯƠNG 3 - PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA THÀNH PHẦN HỆ THỐNG 27
3.1 Tổng quan 27

3.2 Trạng thái giới hạn công trình, độ bền và tải trọng 27
3.3 Các phương pháp tính toán 30
3.4 Khái niệm về độ tin cậy phụ thuộc thời gian 30
CHƯƠNG 4 - CỞ SỞ TOÁN HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP NGẪU NHIÊN 28
4.1 Tính toán cấp độ III 28
4.1.1 Giải pháp cơ bản 28
4.1.2 Xác định điểm thiết kế theo phương pháp cấp độ III 30
4.2 Tính toán ở cấp độ II 30
4.2.1 Giới thiệu về phương pháp tính toán ở cấp độ II 30
4.2.2 Các hàm tin cậy phi tuyến 33
4.2.3 Các biến cơ sở không tuân theo luật phân phối chuẩn 39
4.2.4 Các biến ngẫu nhiên cơ sở phụ thuộc 41
4.3 Tính toán cấp độ I 41
4.3.1 Nguyên lý tính toán cấp độ I 41
4.3.2 Liên kết phương thức cấp độ I trong tính toán xác suất xảy ra sự cố 42
4.3.3 Chuẩn hóa các giá trị α 44
4.3.4 Tổ hợp tải trọng trong tính toán độ bền theo cấp độ I 45
HWRU/CE Project - TU Delft v

CHƯƠNG 5 - PHÂN TÍCH TÍNH TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG 49
5.1 Giới thiệu về phương pháp phân tích độ tin cậy của hệ thống 49
5.2 Tính toán xác suất sự cố cho các hệ thống đơn giản 50
5.2.1 Xác suất sự cố của hệ thống nối tiếp 50
5.2.2 Xác suất sự cố của hệ thống song song 56
5.3 Phân tích hệ thống 58
5.3.1 Giới thiệu phương pháp phân tích hệ thống 58
5.3.2 Phương pháp FMEA (Phân tích các kiểu sự cố và những ảnh hưởng) 59
5.3.3 Phương pháp FMECA (Các kiểu sự cố, phân tích ảnh hưởng và các trạng thái
giới hạn - Failure modes, Effects and Criticality Analyses)
61

5.3.4 Cây sự kiện 62
5.3.5 Cây sự cố 64
5.3.6 Sơ đồ nguyên nhân-hậu quả 69
5.4 Chỉ định xác suất xảy ra sự cố và xem xét hệ thống 70
5.4.1 Chỉ định xác suất xảy ra sự cố 70
5.4.2 Xem xét hệ thống 71
CHƯƠNG 6 – MÔ TẢ CƠ CHẾ XẢY RA SỰ CỐ ĐỐI VỚI HỆ THỐNG CÔNG
TRÌNH PHÒNG CHỐNG LŨ VÀ HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ
BIỂN
74
6.1 Sóng tràn 74
6.1.1 Cơ chế sóng tràn 74
6.1.2 Hàm tin cậy của cơ chế sóng tràn. 74
6.2 Cơ chế chảy tràn 75
6.3 Cơ chế mất ổn định trượt mái-mất ổn định tổng thể 76
6.4 Cơ chế xói ngầm/đẩy trồi 77
6.4.1 Cơ chế xói ngầm 77
6.4.2 Hàm tin cậy của điều kiện (1) 78
6.4.3 Hàm tin cậy của điều kiện (2) 78
6.4.3.1 Tiêu chuẩn Blight 78
6.4.3.2 Mô hình Sellmeijer 78
6.5 Mất ổn định cấu kiện bảo vệ mái
79
CHƯƠNG 7 – PHÂN PHỐI CỦA CÁC BIẾN NGẪU NHIÊN ẢNH HƯỞNG
ĐẾN XÁC SUẤT XẢY RA SỰ CỐ
86
7.1 Sự phân bố theo không gian và thời gian 86
7.2 Các thông số của biên địa kỹ thuật 88
7.3 Các đặc tính ngẫu nhiên của công trình bảo vệ bờ và công trình phòng chống
lũ

90
7.3.1 Các biến ngẫu nhiên cơ bản của công trình bảo vệ vùng bờ và công trình
phòng chống lũ
90
7.3.2 Các biến liên quan đến xác định kích thước hình học mặt cắt đê 90
HWRU/CE Project - TU Delft vi

7.4 Tổng kết chung 91
CHƯƠNG 8 - ỨNG DỤNG PPTKNN ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỆ THỐNG
CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ
92
8.1 Giới thiệu chung vùng dự án 92
8.2 Các vấn đề tồn tại 93
8.4 Tóm tắt lý thuyết 96
8.5 Đặt vấn đề - Xây dựng bài toán mẫu 99
8.6 Xác định xác suất xảy ra sự cố, đánh giá an toàn đê kè biển Nam Định 99
8.6.1 Sóng tràn và chảy tràn đỉnh đê 99
8.6.2 Mất ổn định kết cấu bảo vệ mái 102
8.6.3 Hiện tượng xói ngầm nền đê và đẩy trồi phía chân hạ lưu đê (Piping) 104
8.6.4 Mất ổn định trượt mái đê 106
8.6.5 Xói trước chân đê và chân kè (Sumer and Fredsoe,2001) 108
8.6.6 Tổng hợp xác suất phá hỏng đê biển Nam Định 109
8.7 Kết luận 110
CHƯƠNG 9 – MÔ HÌNH TRỢ GIÚP TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 113
9.1 BESTFIT - Ước lượng hợp lý tối đa hàm thống kê cho các biến ngẫu nhiên từ
số liệu quan trắc-đo đạc (ước lượng sát nhất)
113
9.2 Mô hình VaP 114

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MÔN HỌC

1.1 Giới thiệu chung
Trong vài thập kỷ gần đây, công tác thiết kế đê, kè, đập và các công trình phòng c
hống
lũ khác đã có những phát triển đột biến. Trước đây, như thường lệ, đê đã được thiết kế
chủ yếu dựa theo kinh nghiệm. Theo đó, cao trình đỉnh đê được xác định căn cứ vào
mực nước lũ lớn nhất của các sự kiện lũ lịch sử có thể ghi
chép được. Tại nhiều nơi
trên thế giới việc thiết kế đê kè biển cũng như đê sông được dựa trên khái niệm “mực
nước ứng với tần suất thiết kế”. Đối với đê biển mực nước này xác định dựa trên các
số liệu thống kê và được gọi là Mực nước thiết kế, xác định dựa trên một tần suất thiết
kế ha
y tần suất xuất hiện.
Tần suất xuất hiện của mực nước thiết kế được thành lập để dùng áp dụng rộng rãi như
là một tiêu chuẩn an toàn cho vùng được bảo vệ bởi đê, nó được xây dựng căn cứ vào
xác suất xảy ra ngập lụt. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng cho những trường hợp lý thuyết
khi mà sự cố đê xảy ra do nguyên nhân lũ vượt quá mực nước thiết kế, nó không
thích
hợp khi sự cố khác xảy ra ứng với trường hợp mực nước lũ nhỏ hơn mực nước thiết kế.
Tại Hà Lan, một đất nước đi đầu trong công tác phòng chống lũ và bảo vệ bờ biển, Hội
đồng khoa học Đồng Bằng (The Delta Commision)
1
chỉ rõ rằng không nên đồng nhất
xác suất xuất hiện mực nước thiết kế với xác suất xảy ra sự cố của hệ thống đê. Theo
quan điểm đó, đê của Hà Lan được thiết kế với một độ dư an toàn khi mực nước thiết
kế xuất hiện. Hệ quả là mực nước có thể gây thảm họa chắc chắn sẽ phải cao hơn mực
nước thiết kế. Hội Đồng Đê Sông cũng nhận ra rằng do có rất nhiều yếu tố liên quan
ảnh hưởng và phụ thuộc vì vậy xác suất xảy ra ngập lụt không chỉ xác định dựa trên
tần suất vượt quá mực nước thiết kế. Trong t
hực tế, với những trường hợp cụ thể đê đã

có thể duy trì làm việc tốt và đứng vững trước mực nước tương đối lớn với một
khoảng dư an toàn, tuy nhiên trong các trường hợp khác với mực nước thấp hơn, chưa
chắc điều này đã đúng.

Trong trường hợp tất cả các nguyên nhân xảy ra hư hỏng đê có thể liệt kê và xác suất
xảy ra từng hư hỏng đó có thể chắc chắn được xác định thì về nguyên tắc có thể xác
định được xác suất xảy ra ngập lụt. Do hiện tại các tính toán này chưa thể thực hiện
ứng dụng dễ dàng tr
ong thiết kế, vì vậy thiết kế đê hiện tại vẫn xác định tần suất thiết
kế (tần suất vượt quá của các thông số tải trọng chính) dựa theo tần suất chấp nhận xảy
ra ngập lụt.
Căn cứ vào các vấn đề nêu trên, xác suất xuất hiện các thông số tải trọng chính
được xây dựng trong tiêu chuẩn thiết kế và
được chọn làm tiêu chuẩn đánh giá an
toàn phòng chống lũ lụt. Tại Việt Nam, tần suất mực nước thiết kế vào khoảng 1/20

1
Delta Commission- Hội đồng khoa học Hà Lan về an toàn vùng đồng bằng

HWRU/CE Project - TU Delft 8

đến 1/100, tần suất thiết kế lưu lượng (đối với đê sông) khoảng từ 1/50 đến 1/1000,
giá trị này phụ thuộc mức độ quan trọng của khu vực được bảo vệ. Điều này được
ghi nhận thành tiêu chuẩn và áp dụng rộng rãi, tuy nhiên phương pháp tiếp cận này
như một công cụ tính toán được áp dụng cho tình huống bị động, " mong muốn
điều gì đó sẽ tốt hơn".
Theo ý tưởng của phương pháp luận nêu trên, người ta hoàn toàn có thể đưa ra một
phương pháp tiếp cận mới trong thiết kế công trình với ý tưởng “Cần xem xét về
mức độ có thể xây dựng tiêu chuẩn an toàn phòng chống lũ căn cứ vào phân tich
rủi ro của tất cả cá

c yếu tố liên quan”. Đây chính là lí do cơ bản cho sự phát triển
"Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy".

1.2 Những
tồn tại của phương pháp thiết kế truyền thống - Sự cần thiết ứng dụng
thiết kế công trình theo lý thuyết độ tin cậy
Phương pháp thiết kế truyền thống thông thường được gọi là phương pháp tất định
(Deterministic Design). Theo phương pháp này các giá trị thiết kế của tải trọng và các
tham số độ bền được xem là xác định, tương ứng với trường hợp và tổ hợp t
hiết kế [6].
Ví dụ trong thiết kế công trình bảo vệ bờ biển, tương ứng với mỗi giá trị tần suất thiết
kế, mực nuớc và chiều cao sóng được xác định và được coi là tải trọng thiết kế. Dựa
vào tiêu chuẩn quy định thiết kế, hình dạng và các kích thước của công trình được xác
định. Các tiêu chuẩn quy định này được xây dựng dựa trên các trạng thái giới hạn của
các cơ chế phá hỏng, trong đó có kể đến số dư an toàn thông qua hệ số an toàn.
The
o phuơng pháp thiết kế tất định, công trình được coi là an toàn khi khoảng cách
giữa tải và sức chịu tải đủ lớn để đảm bảo thoả mãn từng trạng thái giới hạn của tất cả
các thành phần công trình.
Một số hạn chế của phương pháp thiết kế tất định theo [8] như sau:
- Trên thực tế, chưa xác định đư
ợc xác suất phá hỏng của từng thành phần cũng như
của toàn hệ thống.
- Chưa xét đến tính tổng thể của một hệ thống hoàn chỉnh.
- Trong thiết kế, chưa kể đến ảnh hưởng quy mô hệ thống (chiều dài tuyến đê ) của
hệ thống. Đối với công trình phòng chống lũ và bảo vệ bờ, thiết kế hiện tại thường
chỉ tính toán chi tiết tại một mặt cắt tiêu biểu và áp dụng tương tự cho toàn bộ
chiều dài tuyến công trình (thiết kế đê sông, đê kè biển ). Tuy vậy, với cái nhìn

trực quan chúng ta có thể nhận thấy rõ rằng xác suất xảy ra lũ sẽ tăng khi chiều dài

hệ thống phòng chống lũ tăng.
- Không so sánh được độ bền của các mặt cắt khác nhau về hình dạng và vị trí.
- Không đưa ra được xác suất gây t
hiệt hại và mức độ thiệt hại của vùng được bảo vệ
( Xác suất xảy ra sự cố công trình, xác suất xảy ra ngập lụt )
Phương pháp thiết kế công trình theo lý thuyết độ tin cậy được đưa ra nhằm thỏa mãn
yêu cầu của thực tiễn đòi hỏi hạn chế tối đa những tồn tại nêu trên.
Sự khác nhau căn bản giữa thiết kế truyền thống và thiết kế ngẫu nhiê
n là ở chỗ,
phương pháp thiết kế ngẫu nhiên dựa trên xác suất hoặc tần suất chấp nhận thiệt hại
của vùng ảnh hưởng. Kết quả được đưa ra là xác suất hư hỏng của từng thành phần

HWRU/CE Project - TU Delft 9

công trình và toàn bộ hệ thống. Vì vậy có thể nói thiết kế ngẫu nhiên là phương pháp
thiết kế tổng hợp cho toàn thể hệ thống.

1.3 Kết cấu bài giảng

Giáo trình này giới thiệu khái quát một số khái niệm trong thiết kế ngẫu nhiên và phân
tích rủi ro cũng như các ứng dụng của nó trong thiết kế công trình thủy lợi. Tài liệu
chủ yếu dựa trên kết quả nghiên cứu của Hội đồng tư vấn khoa học Hà Lan trong
phòng chống lũ (the Dutch Technical Advisory Committee on Water Defenses-TAW)
[1.1] và Trung tâm nghiên cứu tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng Hà Lan, nhóm nghiên cứu
ứng dụng các phương pháp ngẫu nhiên trong thiết kế (the Center for Civil Engineering
Research Codes-CUR-Working Group “Probabilistic Methods”). Ngoài ra, các bài
giảng "Thiết kế ngẫu nhiê
n trong kỹ thuật xây dựng" do GS. Vrijling & Dr. Pieter van
Gelder, trường Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan ("Probabilistic Design in civil
engineering") biên soạn cũng là tài liệu tham khảo chính trong quá trình xây dựng giáo

trình này.
Giáo trình có tên đầy đủ là: "Thiết kế công trình theo phương pháp ngẫu nhiên và phân
tích độ tin cậy". Tên gọi này đã bao gồm nội dung tổng quát của môn học. Để tiện
trong các lần đề cập sau, có thể gọi tắt môn học với tiêu đề ngắn gọn hơn: " Thiết kế
ngẫu nhiên" hoặc "Thiết kế bất định". Giáo tr
ình bao gồm 9 chương.
Chương 1 giới thiệu tổng quan về phương pháp tiếp cận, lịch sử phát triển và ứng dụng
của môn học này trong kỹ thuật xây dựng nói chung và kỹ thuật thủy lợi nói riêng.
Chương 2 của bài giảng đề cập đến các khái niện cơ bản liên quan đến lý thuyết phân
tích rủi ro bao gồm:
- Định nghĩa rủi ro, các dạng rủi ro.
- Rủi ro, thiệt hại và các phương thức đánh giá rủi ro
- Tính toán thiệt hại dựa
vào sự cố ngoài ý muốn
- Các mức độ chấp nhận rủi ro.
Chương 3 cung cấp kiến thức cơ bản trong phân tích tin cậy của một thành phần hệ
thống, một quá trình đơn lẻ hay một hệ thống con đơn giản. Theo đó, hàm tin cậy của
một thành phần công trình đư
ợc xây dựng trước hết dựa trên các trạng thái giới hạn
công trình. Các phương pháp tiếp cận giải quyết hàm độ tin cậy được trình bày từ tổng
quan đến chi tiết. Các dạng hàm tin cậy khác nhau thường gặp trong thực tế được nêu
ra và minh họa bằng các ví dụ cụ thể. Phương pháp và cách tiếp cận trong phân tích tin
cậy được chia theo ba cấp độ tính toán khác nhau, liên tiếp: phương pháp cấp độ III, II
và I.
Chương 4 trình bày cơ sở toán học trong tính toán thiết kế ngẫu nhiên và phân tích ti
n
cậy của một thành phần và một hệ thống theo từng cấp độ tính toán khác nhau.
Chương 5 hướng vào phân tích độ tin cậy của hệ thống hoàn chỉnh bao gồm nhiều
thành phần và các hệ thống con và cách xác định mức độ tin cậy của toàn hệ thống.
Trong chương này, việc phân tích hàm tin cậy của các thành phần và toàn hệ thống chỉ

đề cập đến các bài toán ổn định, hàm tin cậy không chứa yếu tố thời gian. Tuy nhiê
n
trong nhiều trường hợp hàm tin cậy có thể phụ thuộc theo thời gian, tùy thuộc vào

HWRU/CE Project - TU Delft 10

từng hệ thống. Chương này cũng giới thiệu các quy tắc phân tích đối với hai hệ thống
cơ bản: hệ thống nối tiếp và hệ thống song song.
Chương 6 mô tả các cơ chế phá hỏng cơ bản liên quan đến hệ thống công trình phòng
chống thiên tai và công trình bảo vệ bờ. Cách xây dựng hàm tin cậy cho các cơ chế
xảy ra sự cố cũng được trình bày trong chương này. Trường hợp của Hà Lan, được
xem là điểm k
hởi đầu và tiên phong trong xây dựng quan điểm thiết kế này ứng dụng
trong lĩnh vực phòng chống thiên tai và bảo vệ bờ, được đưa ra để phân tích. Có thể
xem xét nó như một trường hợp nghiên cứu chung và có thể triển khai áp dụng được
cho các trường hợp khác trong điều kiện Việt Nam. Sau khi có các hàm độ tin cậy,
công việc quan trọng tiếp theo là tìm các hàm phân phối xác xuất phù hợp với các biến
ngẫu nhiên liên quan.
Chương 7 trình bày cách xác định các biến ngẫu nhiên l
iên quan trong các hàm tin cậy.
Đặc điểm của các biến ngẫu nhiên (loại phân phối và thông số thống kê) trong bài toán
công trình biển phổ biến được nêu ra. Mỗi biến ngẫu nhiên riêng biệt sẽ được mô tả và
sử dụng bằng một hàm mật độ phân phối xác suất gần đúng.
Chương 8 giới thiệu tóm tắt ứng dụng phương pháp ngẫu nhiên trong đánh giá an toàn
hệ thống công trình phòng chống lũ và bảo vệ bờ biển Việt Nam. Trường hợp nghiên
cứu cụ thể áp dụng c
ho vấn đề thực tế tại vùng bờ biển Nam Định được đưa ra làm ví
dụ phân tích.
Một số công cụ hỗ trợ và mô hình tính toán lập sẵn phục vụ trong ứng dụng phương
pháp trong thực tế thiết kế được giới thiệu trong Chương 9.

HWRU/CE Project - TU Delft 11

CHƯƠNG 2 - PHÂN TÍCH RỦI RO

2.1 Giới thiệu chung
Trước khi đề cập đến phâ
n tích rủi ro, cần xem xét khái niệm rủi ro. Trong các cuộc
thảo luận, khái niệm rủi ro rất mơ hồ. Theo từ điển Oxford, rủi ro là “khả năng xảy ra
kết quả xấu, gây thiệt hại ”
Định nghĩa trên có đề cập đến xác suất (khả năng xảy ra) và hậu quả. Định lượng và
so sánh các rủi ro chỉ dựa vào xác suất là không thực tế, vì rủi ro trong trường hợp mất
100 nghì
n đồng với khả năng 50% không giống với rủi ro mất 1 triệu đồng với khả
năng 50%.
Các nhà phân tích rủi ro không thống nhất về khái niệm rủi ro. Thông thường, có 4
định nghĩa về rủi ro được đưa ra phân tích:
- Rủi ro là xác suất xảy ra một sự cố ngoài ý muốn trong một quy trình/quá trình hay
của một đối tượng.
- Rủi ro là hậu quả của một sự cố ngoài ý m
uốn.
- Rủi ro là tích số của xác suất xảy ra sự cố và hậu quả do sự cố.
- Rủi ro là hàm của xác suất xảy ra thiệt hại và hậu quả thiệt hại.
Nhìn chung, hai định nghĩa đầu không phù hợp lắm. Rủi ro do các xác suất nhỏ nhưng
gây ra hậu quả rất lớn hoặc xác suất lớn nhưng có hậu quả nhỏ, vì vậy định nghĩa thứ
nhất không giải thích thỏa đáng, tương tự định nghĩa thứ hai cũng vậy.
Định nghĩa thứ ba đưa ra sự so sánh tốt hơn về rủi ro. Thực tế ta có thể xác định giá trị
hậu quả chấp nhận đư
ợc của một quá trình. Trong nhiều trường hợp giá trị này tương
ứng với thiệt hại xảy ra trong thời gian dài. Với định nghĩa này, xác suất xảy ra sự cố

ngoài ý m
uốn và hậu quả của nó đóng vai trò quan trọng như nhau.
Do xác suất xảy ra sự cố là đại lượng không thứ nguyên, nên theo định nghĩa này xác
suất xảy ra sự cố cũng ngang bằng với hậu quả của nó. Định nghĩa tuy đơn giản nhưng
hậu quả của một sự cố ngoài ý muốn xảy ra thường có thứ nguyên và khác nhau về
tính chất (thiệt hại về vật chất, thương vong, gây hoang mang ) nên rủi ro không thể
diễn tả chỉ trong một con số.
Định nghĩa rủi ro cuối cù
ng là tổng quát nhất trong bốn định nghĩa nêu trên. Ba định
nghĩa đầu là những trường hợp đặc biệt của định nghĩa thứ tư. Qua đó, ta có thể xác
định trọng số đối với hậu quả của sự cố ngoài ý muốn tuỳ theo tính chất nghiêm trọng
của nó. Điều này đặc b
iệt quan trọng đối với trường hợp xác suất xảy ra sự cố nhỏ
nhưng hậu quả lớn, khi không xác định được thiệt hại lâu dài. Việc đánh giá rủi ro phải
tính đến các rủi ro không mong muốn.
Hậu quả của một sự cố ngoài ý muốn có thể là tất định hoặc bất định. Nếu hậu quả
mang tính bất định thì có thể định nghĩa rủi ro bằng hà
m mật độ xác suất để xác định
các đại lượng quan tâm.

HWRU/CE Project - TU Delft 12

nh ngha tng quỏt nht v ri ro l: tớch s ca xỏc sut xy ra thit hi vi lu tha
bc n ca hu qu thit hi: Ri ro = xỏc sut thit hi * (hu qu thit hi)
n
. Lu tha
m n ph thuc vo tỡnh trng ca h thng, thụng thng vi n = 1 l trng hp
phõn tớch ri ro t nhiờn, trng hp ny ta cú th tớnh c cỏc giỏ tr d kin, trong
khi n > 1 phn ỏnh trng hp ri ro khụng mong mun.
điều chỉnh

Xác đinh xác suất
xảy ra sự cố
Tiêu chuẩn,
tiêu chí
Cấp độ rủi ro
chấp nhận
đánh giá
Tần suất và
mức độ thiệt hại
Ra quyết định
Rủi ro
Kết hợp XS
và thiệt hại
Tiêu chuẩn
tham chiếu
đối tợng phân tích rủi ro
Mô tả hệ thống
Liệt kê các sự cố và
thảm họa
có thể xảy ra
định lợng hậu quả

Hỡnh 2.1 S quỏ trỡnh phõn tớch ri ro.
Hỡnh 1 mụ t cỏc thnh phn trong phõn tớch ri ro ca mt h thng theo phng
phỏp ngu nhiờn. u tiờn l mụ t cỏc thnh phn trong h thng cụng trỡnh phũng
chng l nh cỏc on ờ, cng v cỏc cụng trỡnh thnh phn khỏc. Tip theo l danh
mc lit kờ cỏc kiu nguy c v s c h hng cú th xy ra. õy l mt bc quan
trng trong phõn tớch ri ro bi nu thiu mt kiu s c (mt c ch phỏ hoi) cng
cú th gõ
y nh hng nghiờm trng n an ton trong thit k. Bc k tip l nh

lng hu qu cho tt c s c cú kh nng xy ra.

Vớ d 2.1
Mt b cha ngm c dựng cha cht thi c hi. S c mụi trng ca h
thng b cha ny l xy ra rũ r, chy trn cht thi c
vo mụi trng t. Da vo
s lan rng ca lng cht thi ta cú th xỏc nh c thit hi mụi trng. Trong
trng hp ny, mt s vn cn xem xột ú l cỏc thit hi quan trng lm nh
hng n cu trỳc t, mc nc ngm v dũng chy, s thm thu t. Lng cht
thi c rũ r (X) l hu qu ca s c ngoi ý mun Rũ r b cha v thit hi v
mụi trng l mt hm s g(X).

HWRU/CE Project - TU Delft 13

Xem lượng chất thải độc bị rò rỉ là sự cố ngoài ý muốn, có giá trị trung bình μ và độ
lệch chuẩn σ. Xác suất của sự cố ngoài ý muốn là P
f
. Mật độ xác suất thiệt hại môi
trường được mô tả như sau:

g( )
f
X0
(g(X )) =
X
f
PX0
∞
=
⎧

⎪
−μ
⎨
⎛⎞
ϕ
≠
⎜⎟
⎪
σ
⎝⎠
⎩
X

Nếu rủi ro được biểu diễn thông qua giá trị kỳ vọng E(P
f
g(X)), ta có:
f
-
risk = P g( ) d
X
X
X
∞
∞
−μ
⎛⎞
ϕ
⎜⎟
σ
⎝⎠

∫

Việc giải toán hàm tích phân trên có thể tham khảo tại mục 2.4
Phân tích rủi ro được dùng cho nhiều mục đích chẳng hạn kiểm tra độ an toàn của một
quy trình hay đối tượng có phù hợp với tiêu chuẩn hay đạt tối ưu về kinh tế hay không.
Mục đích chung của phân tích rủi ro là cung cấp cơ sở để đưa ra quyết định cuối cùng
dựa trên cơ sở kết quả phân tích rủi ro.
Các ví dụ cho mục đíc
h này được áp dụng trong thiết kế công trình, tối ưu hoá thiết kế
hệ thống phòng chống lũ và các hệ thống tương tự, tối ưu hoá về quy hoạch, duy tu
bảo dưỡng
Căn cứ vào các mục tiêu mà kết quả phân tích cần đạt đến chuẩn đã thiết lập. Liên
quan đến các vấn đề về an toàn thì chính sách an toàn quốc gia là quan trọng nhất.
Chính sách này là các tiêu chuẩn trong nghị định do chính phủ ban hành. Trong trường
hợp cần thiết, quy trình và thông số kỹ thuật của đối tượng phải điều c
hỉnh để tuân
theo các chuẩn đó.
Với mục đích tối ưu hoá kinh tế thì rủi ro gắn với giá thành của đối tượng cũng đóng
vai trò quan trọng. Có thể xem xét rủi ro theo hướng tài chính. Chẳng hạn người ta tập
trung phân tích để làm giảm tối thiểu rủi ro và tổng giá thành khi triển khai và bảo
dưỡng đối tượng. Trong những trường hợp như vậy, không thể xác định trước giá trị
giới hạn rủi ro.

Ví dụ 2.2
Khái niệm rủi ro liên quan đến hệ thống c
ông trình đầu mối hồ chứa và vùng hạ lưu.
Chức năng chính của một đập dâng là trữ nước. Nếu đập bị vỡ, nước chảy tràn bất ngờ
gây ra lũ lụt dẫn đến hậu quả nặng nề về tài sản và si
nh mạng vùng hạ du. Vì vậy, cần
tránh vỡ đập vì nó là nguyên nhân gây ra thiệt hại to lớn về kinh tế, xã hội và con

người.
Đập tràn là giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề điều tiết lũ. Tuy nhiên, việc đảm
bảo an toàn cho đập dâng là một vấn đề luôn được quan tâm trong thiết kế. Nếu lượng
nước chảy vào hồ chứa quá lớn tạo ra mực nước lớn hơn mực
cho phép thì tràn xả lũ
bắt đầu hoạt động. Kết quả là mực nước và lưu tốc dòng chảy hạ lưu tăng lên gây xói
lở nền sông, bờ sông ngay hạ lưu công trình. Nếu so với hậu quả do vỡ đập thì thiệt hại
kiểu này không lớn và có thể sửa chữa với chi phí thấp hơn.
Do mức độ lũ lụt khác nhau nên các cấp độ rủi ro chấp nhận do vỡ đập cũng như
những thiệt hại của công trình do mực nước, dòng chảy dâng cao cũng hoàn toàn khác

HWRU/CE Project - TU Delft 14

nhau. Vỡ đập chỉ được chấp nhận với xác suất rất nhỏ (nhỏ hơn một lần mỗi năm),
trong khi thiệt hại do phá hoại nền/bờ sông lại được chấp nhận với tần suất cao hơn
nhiều. Ví dụ hư hỏng không nghiêm trọng của chân kè hàng năm có thể được sửa chữa
hoàn chỉnh và kịp thời (đòi hỏi phải chuẩn bị kế hoạch
bảo dưỡng hoàn chỉnh). Trong
trường hợp này, mức độ thiệt hại chấp nhận được xác định bằng giá thành tối ưu giữa
vốn đầu tư xây dựng ban đầu và chi phí bảo dưỡng, khắc phục hậu quả.

2.2 Cấp độ rủi ro chấp nhận đư
ợc trong công tác phòng chống lũ
Một trong những vấn đề quan trọng trong thiết kế đập dâng là xác định tần suất xảy ra
sự cố của công trình. Quyết định cần phải được đưa ra trong giai đoạn thiết kế là với
khoảng tần suất xảy ra lũ lụt là bao nhiêu thì có thể chấp nhận được cho một vùng cụ
thể. Đây không phải là vấn đề thuộc lĩnh vực kỹ thuật thiết kế công trình đơn thuần,
m
à nó còn bao hàm cả phạm trù kinh tế và chính trị. Ta có thể thấy được mối liên hệ
giữa chi phí xây dựng hồ chứa và giá trị hàng hoá, của cải vùng hạ lưu (các đập nước

lớn hơn có chi phí xây dựng cao hơn, nhưng khi đập nước được xây dựng thì cơ sở hạ
tầng vùng hạ lưu được đảm bảo hơn). Tuy nhiên, không thể giải quyết vấn đề đơn
thuần dựa vào phâ
n tích kinh tế mà không tính đến các giá trị về xã hội, tự nhiên, văn
hoá, lịch sử nghệ thuật Các giá trị kinh tế về môi trường quan hệ giữa con người với
nhau hay giá trị của một khu bảo tồn tự nhiên, một địa danh lịch sử hay bảo tàng nghệ
thuật là không thể tính được. Mức độ an toàn của các công trình kinh tế văn hóa xã hội
phụ thuộc vào mức độ tin cậy
an toàn của công trình và ngoài ra còn phụ thuộc vào
vốn đầu tư hiệu quả của công trình.

2.3 Các bước phân tích rủi ro
Rủi ro là hàm số xác suất của sự cố và hậu quả của nó. Vì vậy, phân tích rủi ro
bao
gồm phân tích xác suất và hậu quả. Hơn nữa, tùy thuộc vào mục tiêu, nhiệm vụ và đối
tượng phân tích ta có thể xác định các tiêu chuẩn và tiêu chí mà rủi ro phải đáp ứng.
Hình 2.1 trình bày sơ đồ khái quát về các thành phần trong phân tích rủi ro. Trong
phân tích rủi ro, các khái niệm sau cần được phân biệt:
1- Một phân tích định tính bao gồm phân tích các chức năng và các thành phần của hệ
thống, liệt kê các hiểm h
oạ, các dạng sự cố, hậu quả và xác định các mối quan hệ
nội tại.
2- Một phân tích định lượng bao gồm tính toán xác suất xảy ra sự cố, định lượng hậu
quả xảy ra, tính toán rủi ro và đánh giá kết quả bằng cách thử nghiệm trên các hệ
thống chuẩn.
3- Ra quyết định và kiểm định rủi ro.
Phân tích định lượng không phải lu
ôn luôn có khả năng thực hiện được hay có thể ước
lượng được. Vì vậy chỉ có thực hiện phân tích định tính mới có thể đánh giá rủi ro một
cách tổng thể và qua đó nâng cấp, cải tiến được quy trình, hệ thống hoặc đối tượng

nghiên cứu.

HWRU/CE Project - TU Delft 15

Các bước trong phân tích rủi ro thường dùng các thành phần đưa ra trong hình 2.2.
Mũi tên chỉ theo thứ tự thực hiện. Thủ tục này đưa ra nhằm hỗ trợ thực hiện một phân
tích rủi ro đại biểu và không mang tính chất bắt buộc.
Có khi các thành phần được thêm vào các bước phân tích bởi vì chúng liên quan đến
việc đưa ra quyết định. Nếu không có ảnh hưởng lớn, chúng bị bỏ qua do không (chưa)
hợp lý về mặt kỹ thuật hay do giá thành quá lớn. Tuy nhiên chỉ đưa thêm vào khi
chúng có những ảnh hưởng t
hích hợp .

2.4 Kế hoạch từng bước của phân tích rủi ro
2.4.
1 Mô tả quy trình/quá trình hay đối tượng một cách hệ thống
Phân tích rủi ro sử dụng nền tảng là lý thuyết hệ thống. Tiến trình hay đối tượng được
xem xét qua mô tả thành phần đầu vào - đầu ra (xem hình 2.2). Thông thường hệ thống
được chia 2thành các thành phần và các hệ thống con. Mỗi thành phần như vậy được
khái quát hoá như một thành phần đầu vào - đầu ra. Thông qua các mối tương quan nội
tại, chúng hình thà
nh nên hệ thống tổng thể.
Sự chia nhỏ các thành phần và hệ thống con dẫn đến cấp độ xác định xác suất xảy ra
sự cố


Hình 2.2 Hệ thống đầu vào - đầu ra.
2.4.2 Liệt kê khả năng xảy ra các sự cố ngoài ý muốn, các ảnh hưởng và hậu quả
Giai đoạn này nhằm liệt kê và đưa ra tất cả các sự cố ngoài ý muốn có thể xảy ra có
thể xảy ra và hậu quả của chúng.

Một hệ thống hay một bộ phận được coi là gặp sự cố nếu nó không còn thực hiện các
chức năng mong muốn. Sự cố xảy ra theo nhiều cách khác nhau. Mỗi cách đó đư
ợc gọi
là cơ chế dẫn đến sự cố. Ranh giới giữa vùng sự cố và vùng an toàn được gọi gọi là
biên không gian sự cố, biên này trùng với đồ thị hàm trạng thái giới hạn.
Trong thực tế có 2 dạng biên giới hạn, một dạng gây ra sự cố tạm thời hay sự cố một
phần và một dạng gây ra sự cố lâu dài hay hoàn toàn. Trong các tài liệu tham
khảo, các
dạng này được hiểu:

HWRU/CE Project - TU Delft 16

Trạng thái giới hạn về khả năng phục vụ (S.L.S); là các trạng thái giới hạn mà chức
năng hoạt động có thể được thực hiện, được gọi là biên hữu ích. Ví dụ cho trạng thái
này là tình trạng cảng tạm thời không thể làm việc do song quá cao.
Trạng thái giới hạn cuối cùng (U.L.S), là trạng thái giới hạn tối đa. Thông qua sự cố và
hư hỏng thường xuyên của một đối tượng dẫn đến sự dừng hoạt động. Ví dụ như đập
chắn sóng tại cửa vào cảng bị vỡ, hậu quả sẽ là xuất hiện các con s
óng trong cảng có
chiều cao lớn hơn chiều cao cho phép, điều này dẫn đến việc ngừng hoạt động của
cảng.
Điều quan trọng nhất với tất cả các cơ chế này là chúng phải được đề cập càng kỹ càng
tốt trước khi tiến hành phân tích định lượng. Trong thực tế, các hư hỏng xảy ra do
không xác định được kiểu sự cố (không đề cập đến) nhiều hơn so với lỗi do phâ
n tích
một kiểu sự cố.
Việc tìm ra các mối đe doạ và các kiểu sự cố là công việc không đơn giản. Các phương
pháp hỗ trợ là thu thập dữ liệu về vùng bờ, vùng lân cận, nghiên cứu tài liệu, phỏng
vấn, ki
nh nghiệm kết hợp với so sánh các hệ thống, tổ chức họp để lấy ý kiến Các

nguyên nhân chính gây ra sự cố đối với các hệ thống phổ biến thường được biết đến và
có thể tìm thấy trong sách hướng dẫn và sổ tay kỹ thuật.
2.4.3 Xác suất rủi ro thành phần:
Xác suất rủi ro thành phần bao gồm:
- Xác suất xảy ra sự cố ngoài ý muốn
- Xác suất sự cố ngoài ý muốn dẫn đến/ gâ
y nên tác động nào đó
- Xác suất mà tác động này gây nên hậu quả đáng kể.
Các thành phần này có thể minh hoạ bằng:
- Xác suất xảy ra sự cố trượt mái đê
- Xác suất nước tràn vào vùng lân cận khi mực nước dâng cao.
- Xác suất xảy ra thiệt hại và thương vong.
Có thể tính xác suất xảy ra sự cố ngoài ý muốn theo 2 cách khác nhau:
Cách thứ nhất là phương pháp quy nạp (phương pháp dựa trên kinh nghiệm). Theo
phương pháp này người ta xác định xác suất của một sự cố chắc chắn xảy ra bằng số
liệu (cơ sở dữ liệu). Thuận lợi của phương pháp nà
y là không có kiểu hư hỏng quan
trọng nào bị bỏ qua khi phân tích một quá trình hay một hệ thống. Tuy nhiên, bất lợi
của nó là không đưa ra đánh giá chi tiết đối với các kiểu sự cố. Kết quả là việc ngăn
ngừa các sự cố kém hiệu quả. Nếu dùng phương pháp quy nạp để xác định xác suất
xảy ra sự cố thì một điều quan trọng là hệ thống và các điều kiện biên không thay đổi
theo thời gian.
Cách thứ hai theo phương phá
p nội suy. Phương pháp này xem xét tất cả các kiểu sự
cố có thể xảy ra. Thuận lợi của phương pháp này là xem xét thấu đáo
các kiểu sự cố từ
đó đưa ra các biện pháp đặc thù nhằm giảm thiểu xác suất xảy ra sự cố ngoài ý muốn.
Việc xác định xác suất cho các tác động có khả năng xảy ra và xác suất xảy ra hậu quả
mà các tác động đó mang lại cũng tương tự như cách xác định xác suất xảy ra sự cố
ngoài ý muốn. Nó có liên quan đến các xác suất điều kiện. Tổng xác suất thành phần

của rủi ro là:


HWRU/CE Project - TU Delft 17

121 12
P(E )P(E | E )P(G | E E )
∩
(3.1)
Trong đó:
- E
1
là sự cố ngoài ý muốn (chẳng hạn như sự cố vỡ đê)
- E
2
là tác động của nó (chẳng hạn như ngập lụt vùng lân cận)
- G là hậu quả (chẳng hạn như số người chết đuối)
Hàm xác suất P(E
1
)P(E
2
|E1) chính là xác suất xảy ra sự cố P
f
. Xác suất P(G|E
1
∩E
2
) có
thể được xác định nếu hậu quả là tuân theo luật phân phối tất định hoặc biến rời rạc
ngẫu nhiên với hàm mật độ xác suất cho trước (Xem 2.2).

2.4.4 Xác định và đánh giá rủi ro
Sau bước xác định hậu quả và xác suất tương ứng là bước xác định và đánh giá rủi ro.
Thông thường bước thử nghiệm rủi ro dựa trên các tiêu chuẩn cho trước. Nếu dùng
phân tích rủi ro để thiết kế tiến trình ha
y đối tượng thì các bước được lặp lại nhiều lần
để điều chỉnh các chi tiết kỹ thuật của hệ thống để hướng tới một thiết kế tối ưu. Bước
tối ưu tài chính tính toán giá thành của quy trình, hệ thống hay đối tượng cùng với rủi
ro với mỗi bước lặp. Thiết kế tối ưu nếu giá thành tối thiểu.
2.4.5 Ra quyết định dựa trên kết quả phân tích rủi ro
Phân tích rủi ro thường hỗ trợ cho việc đưa ra quyết định. Về lý thuyết, một phâ
n tích
rủi ro được xem là hoàn chỉnh sau khi đánh giá và đưa ra quyết định dựa trên phân tích
rủi ro.
Việc ghi chép những biến thể khác nhau, với những rủi ro đi kèm, chi phí và lợi ích
trong một ma trận hay cây quyết định được coi như công cụ trợ giúp cho việc ra quyết
định. Qua đó, lựa chọn tối ưu c
ó thể được thực hiện từ một số các khả năng khác nhau.
2.4.6 Rủi ro chấp nhận được trong thực tế
a. Rủi ro theo quan điểm cá nhân
Cách thứ nhất để thiết lập xác suất xảy ra sự cố chấp nhận là coi nó tương đương với
xác suất thương vong được tính bằng bình quân đầu người. Các phân tích rủi ro dựa
trên dữ liệu thống kê mang tính xã hội thường đưa ra một chỉ số trung bình rủi ro chấp
nhận đư
ợc về số người chết. Theo phương pháp phân tích dựa trên lý trí và nhận thức,
các cá nhân của một hoạt động luôn ý thức về tính cân bằng giữa rủi ro và lợi nhuận
chấp nhận được. Phụ thuộc vào lợi ích của quá trình này mà hoạt động tình nguyện có
được bảo đảm hay không. Vì vậy mà tạo ra sự khác biệt giữa các hoạt động tình
nguyện được đảm bảo và các hoạt động không được bảo đảm. Th
eo như cách thức này,
mức độ tình nguyện có liên quan đến xác suất xảy ra tai nạn được dự báo trước.

Số liệu thống kê về nguyên nhân tử vong thể hiện qua xác suất xấp xỉ 10
-4
đối với các
hoạt động tự do có ý thức mức trung bình. Số liệu này sử dụng 1 chỉ số dành cho rủi
ro cá nhân chấp nhận được. Đối với các quốc gia không thuộc phương Tây, lợi tức cho
1 hoạt động như vậy có thể khác biệt rõ so với minh hoạ trên, ví dụ như phụ thuộc vào
địa lý, văn hoá và các nguyên do về kinh tế . Rủi ro cá nhân chấp nhận được (P
di
) dành
cho một hoạt động cụ thể được tính bằng:
/pi fi d Fi
di
di
pi
NPP
N
P
NNpi
==


HWRU/CE Project - TU Delft 18

Trong đó:
N
pi
là số thành viên của hoạt động thứ i
N
di
là số người chết trong hoạt động thứ i

P
fi
là xác suất tai nạn của hoạt động thứ i.
P
d/Fi
là xác suất tỉ lệ người chết xảy ra trong một tai nạn.
b. Rủi ro theo quan điểm xã hội (mang tính cộng đồng)
Phương pháp tiếp cận này nhằm xác định rủi ro chấp nhận được của một dự án cụ thể
với quan điểm là khó có khả năng xảy ra. Câu hỏi dành cho khả năng chấp nhận của
tập thể thực chất là một vấn đề về phương pháp thử đúng dần, từ đó có 2 hướng xảy ra:
1
) Xác định dựa vào kinh nghiệm số lượng thương vong chấp nhận được thông qua
đánh giá tai hoạ do sự cố công trình.
2) Giảm thiểu vấn đề về mặt tối ưu hoá kinh tế thông qua diễn giải tất cả hậu quả
theo đơn vị thương vong/ thiệt hại.
Trong nội dung thứ nhất, công thức sau được hình thành (TAW/CUR, 1990) dành
cho xác suất xảy ra sự cố tối ưu
/
()
fop
df P P f
I
PBrg
PNC C
=−
+

Trong đó:
I là chi phí đầu tư cho một đơn vị gia tăng về thông số độ bền (chiều cao đỉnh, đường
kính viên đá)

- C
f
là tổng chi phí liên quan đến sự cố (rủi ro)
- P
d/f
là xác suất thương vong của một sự cố
- N
P
là số người dân mà sinh mạng của họ phụ thuộc vào công trình;
- C
p
là chi phí cho mỗi sinh mạng (điều này có thể bàn cãi)
- B là tham số kinh nghiệm dạng “mũ” của phân phối tải trọng, kể đến ảnh hưởng
của việc gia tăng độ bền.
- r là lãi suất thực tế.
- g là tốc độ tăng trưởng kinh tế
Trong nội dung thứ hai, chỉ tiêu (P
fn
) biến đổi từ xác suất gây chết một người (số N
d
),
do sự hiện diện vô tình trong các nhà máy, tàu thuỷ hay máy bay với số lần xuất
hiện N
c
của cá thể đó, và họ là thành viên trong tổng số N người:
P
fn
=N
d
/NN

c
Nếu xác định trước một cấp độ rủi ro chấp nhận được thì bất kỳ công trình được xem
xét nào của dự án cũng có thể giới hạn được rủi ro theo giá trị định trước này.
Nếu không có cấp độ rủi ro nào được xác định trước thì đánh giá rủi do có thể căn cứ
vào các phân tích giá trị lợi nhuận kinh tế (BCN) về chi phí do thiệt hại hay thiệt hại
về mạng sống con người; hay chi phí bảo dưỡng và sửa chữa cũng tương tự như những
chi phí nà
y.Theo phương pháp này, giá trị về con người có thể được xác định bằng
tổng sản phẩm quốc nội chia cho tổng dân số. Tuy nhiên với phạm trù về đạo đức và
tinh thần thì việc gán giá trị vật chất cho sinh mạng con người là một điều nhức nhối
và chưa dễ được chấp nhận vì sinh mạng con người là quan trọng nhất và là vô giá.

HWRU/CE Project - TU Delft 19

Một số giá trị phi vật thể, không thể đánh giá chính xác đươc, như giá trị thiệt hại về
môi trường xây dựng dự án công trình được diễn giải là chi phí “bóng” của dự án để
phần nào giảm nhẹ ảnh hưởng của các tác động ngược.
Đối với trường hợp mở rộng, rủi ro chấp nhận được có thể được xem xét lại dựa
vào quan hệ giữa các khả năng giám sát, điều tra và sửa chữa. Vì vậy thiết kế có

thể đề cập đến những khả năng này để dự phòng các thủ tục điều tra và duy tu bảo
dưỡng. Ngược lại thiếu các khả năng kể trên đòi hỏi phải có được chấp nhận rủi ro
tối thiểu.

2.5 Phân tích rủi ro và sơ đồ sự cố của hệ thống c
ông trình phòng chống lũ
Nghiên cứu về độ an toàn công trình tập trung vào các khái niệm sự cố và hư hỏng
công trình. Cho dù hai khái niệm này thường được dùng như có chung một ý nghĩa,
tuy vậy, cũng cần có sự phân biệt rõ ràng về sự khác biệt giữa chúng.
Một kết cấu hay một thành phần kết cấu hư hỏng nếu nó không còn thực hiện được

chức năng chính, cơ bản của nó. Chức năng của một công trình phòng chống lũ được
xác định là ngăn chặn lũ lụt, nghĩa là bảo vệ vùng có khả năng ngập lụt không bị nước
lũ tràn vào,
không bị xảy ra các thiệt hại về sinh mạng và/hoặc thiệt hại về tài sản.
Một công trình hay một thành phần công trình hư hỏng đổ vỡ nếu dưới tác dụng của tải
trọng gâ
y nên sự xuất hiện biến dạng với giá trị lớn nghiêm trọng làm mất đi hình dạng
ban đầu của công trình. Nhìn chung sự đổ vỡ công trình thường tương ứng với xác suất
xảy ra hư hỏng với giá trị lớn. Đổ vỡ và hư hỏng không phải lúc nào cũng gây nên
thiệt hại mang tính thảm họa. Chẳng hạn, đập bị mất ổn định do trượt xảy ra tại thời
điểm mực nước của hồ chứa đa
ng duy trì ở mức thấp, trong thời gian dài sẽ không gây
ra thảm hoạ cho khu vực hạ lưu. Trường hợp ngược lai, khi mực nước trong sông, hồ
cao, có thể xảy ra sóng tràn, có thể làm hư hỏng công trình phòng chống lũ (hư hỏng
đỉnh, mái phía trong của đê, đập) nhưng kết cấu của nó vẫn có thể được giữ nguyên.
Một công trình phòng chống lũ phải đư
ợc thiết kế sao cho trong suốt giai đoạn xây
dựng công trình và thời gian phục vụ còn lại của nó, xác suất xảy ra sự cố hay đổ vỡ
đảm bảo thấp. Để xác định được tối ưu giữa quy mô công trình và mức độ an toàn, cần
thiết phải thực hiện phân tích rủi ro. Các thành phần phân tích rủi ro được trình bày
tóm tắt trên Hình 2.3.


HWRU/CE Project - TU Delft 20



Hình 2.3 Các thành phần trong phân tích rủi ro.

Trong phân tích rủi ro, có ba cụm từ khoá: nguy cơ xảy ra sự cố-cơ chế xảy ra sự cố -

hậu quả của sự cố. Một phân tích rủi ro thường được bắt đầu bằng việc liệt kê các
nguy cơ sự cố và cơ chế xảy ra sự cố. Một cơ chế xảy ra sự cố được mô tả là các phản
ứng lại của công trình đối với từng nguy cơ sự cố. Nguy cơ sự cố diễn biến the
o cơ chế
xảy ra sự cố, theo một xác suất xuất hiện riêng, gây ra hư hỏng hoặc phá hỏng công
trình hoặc thành phần công trình. Biên giữa các trạng thái hư hỏng và không hư hỏng,
hay giữa phá hỏng và không phá hỏng thường được gọi là trạng thái giới hạn. Có hai
khái niệm về trạng thái giới hạn được đưa ra: Trạng thái giới hạn cuối cùng (ULS) và
Trạng thái giới hạn phục vụ (SLS).
Kết quả của một quá t
rình phân tích rủi ro là xác định hậu quả mà sự cố hư hỏng/phá
hỏng gây ra. Trong trường hợp xảy ra sự cố của một hệ thống phòng chống lũ, cần
phải đánh giá các đặc trưng liên quan đến ngập lụt (ví dụ như độ sâu ngập lụt, tốc độ
ngập lụt) và ước lượng thiệt hại về vật chất và phi vật chất.
The
o định nghĩa, rủi ro được xác định bằng tích số giữa xác suất xảy ra sự cố và thiệt
hại (= hậu quả) do sự cố gây nên. Để có một thiết kế tối ưu tổng thể cho một hệ thống
phòng chống lũ, cần phải tìm ra sự cân bằng giữa mức độ rủi ro và chi phí đầu tư xây
dựng hệ thống. Khi đánh giá độ an toàn của hệ thống công trình phòng chống lũ, cần
xem
xét một cách tổng thể toàn hệ thống chống lũ. Hệ thống thường bao gồm nhiều
thành phần, mỗi thành phần có thể bị hư hỏng/sự cố theo nhiều nguy cơ và nhiều dạng
cơ chế. Sự đổ vỡ của thành phần A có thể dẫn đến nguy cơ hư hỏng thà
nh phần B. Hư
hỏng của một số thành phần có thể dẫn đến hư hỏng của toàn bộ hệ thống. Liên kết
giữa các thành phần tạo nên một “hệ thống nối tiếp”. Trong các trường hợp khác, các
thành phần trong một hệ thống có thể hỗ trợ, bổ sung cho nhau làm tăng độ bền của hệ
thống, khi đó chúng có thể tạo nê
n “hệ thống song song”.
Mô

p
hỏn
g
các cơ chế hư hỏn
g
Xác định XS xả
y
ra sự cố
R
ủi ro = XS * Thiệt h
ạ
i
Đánh
g
iá thiệt hại
Liệt
k
ê các kiểu thảm họa

HWRU/CE Project - TU Delft 21


Hình 2.4 Ví dụ về sơ đồ cây sự kiện (trái) và cây sự cố (phải).

Đối với một cây sự kiện, quá trình được bắt đầu với sự hình thành của sự cố khởi tạo
ngoài ý muốn (hư hỏng của một thành phần, hoả hoạn, sai sót do con người ) và kết
thúc bằng việc đánh giá những phản ứng lại của hệ thống và xác định hậu quả của hư
hỏng ha
y sự cố. Một sơ đồ cây sự cố dựa vào tiến trình ngược lại: bắt đầu với một sự
cố ngoài ý muốn, nó được phân tích xem do nguyên nhân nào gây ra. Sơ đồ cây sự cố

sử dụng các biểu tượng “cổng và” và “cổng hoặc”. “cổng và” sử dụng để mô tả một hệ
thống song song, “cổng hoặc” dùng cho hệ thống nối tiếp. Hình 2.6 minh hoạ sơ đồ
cây hư hỏng tổng quát áp dụng cho hệ thống đê.
Đối với các kết cấu công trình điển hình, c
hẳng hạn như cửa lấy nước qua đê, vấn đề
cần quan tâm lại không phải ở hư hỏng về mặt kết cấu mà là vấn đề vận hành công
trình, những sai sót của con người quản lý như không đóng kịp cửa van trước khi xảy
ra mực nước lũ xuất hiện. Vấn đề này cũng có thể được thể hiện theo sơ đồ hư hỏng.
Hình 2.5 biểu diễn cây sự cố trong trường hợp không đóng kịp cửa van của một công
trình ngăn lũ.


Hình 2.5 Ví dụ về sơ đồ cây sự cố của hệ thống đóng mở cửa van.
Bất lợi của cây sự cố và cây sự kiện ở chỗ chúng ít khi được điều chỉnh chính xác. Cây
sự cố không cho phép kết hợp các nhánh; trong khi các nhánh của cây khiếm khuyết

HWRU/CE Project - TU Delft 22

không được phép phân chia. Hơn nữa, bản chất của hệ thống là chia đôi: một sự cố có
thể hoặc không xảy ra. Tuy nhiên, trong thiết kế công trình các vấn đề có đặc tính liên
tục và mức độ xảy ra cũng khác nhau, có thể nhiều hoặc ít. Để khắc phục các bất lợi
được đề cập như trên, hay nói cách khác là để thể hiện được các kiểu nguy hại, các cơ
chế xảy ra và các thành phần cần đưa ra biểu đồ nguyên nhân - hậu quả như m
inh hoạ
trên hình 2.4.
Nhiệm vụ của các kỹ năng đề cập ở trên là chỉ ra các phương pháp thể hiện vấn đề hơn
là việc tìm giải đáp cho vấn đề. Việc xác định những vấn đề nào có thể xảy ra, và nếu
xảy ra thì nó có thể diễn biến như thế nào là nhiệm vụ rất lớn của người thiết kế. Việc
cân nhắc liệt kê các cơ chế gâ
y ra nguy hại hay hư hỏng thường được xem xét thận

trọng hơn là phân tích những tác động xảy ra sau đó.
Các công cụ hỗ trợ cho việc chuẩn bị liệt kê các nguyên nhân gây ra sự cố là:
1. Ngân hàng dữ liệu;
2. Nghiên cứu tài liệu;
3. Phỏng vấn điều tra;
4. Nghiên cứu hiện trạng ngay sau xảy ra sự cố thiệt hại;
5. Tổ chức lấy ý kiến thảo luận- phương phá
p não công;
6. Kinh nghiệm từ các hệ thống tương tự và tình trạng tương tự
7. Các thông tin khác, v.v
Đối với các công trình thường gặp hầu hết các kiểu nguy cơ sự cố đã ghi nhận và có
thể tìm được trong các sổ tay hướng dẫn và cẩm nang thiết kế. Để hoàn thiện quy trình
thiết kế, cần phân tích các nguyên nhân gây ra sự cố. Tuy nhiên trong thực tế nhiều khi
các dữ liệu, thông tin về hư hỏng không được công bố, đặc biệt các kiểu sự cố liên
qua
n đến tính chất pháp lý, vấn đề chịu trách nhiệm trước pháp luật. Trong trường hợp
đó, lòng tự trọng của người có trách nhiệm liên quan bị đặt không đúng chỗ.

2.6 Các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương
pháp
Mức độ an toàn của một công trình liên quan đến một cơ chế phá hỏng riêng biệt được
mô tả là các xác suất xảy ra sự cố có liên quan đến cơ chế ấy. Các phương pháp tiếp
cận sau đây được sử dụng để xác định mức độ an toàn này:
Phương pháp tất định (tiếp cận cấp độ 0 - Phương pháp hệ số an toàn)
Thiết kế dựa trên cơ sở các trạng thái trung bình, các trị trung bình và kèm
theo hệ số
an toàn thích hợp tương ứng với mỗi lọai công trình.
Phương pháp tiếp cận bán ngẫu nhiên (tiếp cận cấp độ I)
Thiết kế sử dụng giá trị đặc trưng với tải trọng không vượt quá 95% các tổ hợp, hay độ
bền đảm bảo được 95% trị số độ bền vật liệu làm công trình.

Phương pháp tiếp cận ngẫu nhiên (tiếp cận cấp độ II và III)
Trong cấp độ tiếp cận này, các biến số thành phần về tải trọng và độ bền được mô tả
như các biến ngẫu nhiên hoàn t
oàn. Có hai cấp độ tiếp cận khác nhau được phân biệt:
Cấp độ II: cấp độ II bao gồm một số phương pháp gần đúng để biến đổi các hàm phân
phối xác suất sang dạng phân phối chuẩn hay phân phối Gaussian. Để xác định gần

HWRU/CE Project - TU Delft 23

đúng các giá trị xác suất xảy ra sự cố, quá trình tuyến tính hóa toán học các phương
trình liên quan cần được thực hiện.
Cấp độ III: theo cấp độ tiếp cận này, các hàm phân phối xác suất của các biến ngẫu
nhiên được xem xét hoàn toàn đúng với quy luật phân phối thực của chúng. Trường
hợp bài toán là phi tuyến, vấn đề cũng sẽ được giải quyết theo phi tuyến.
Các phương pháp ngẫu nhiên hiện vẫn đang được tiếp tục phát triển và chọn lọc.
Nhiều nghi
ên cứu về phát triển phương pháp này đã và đang thực hiện ở nhiều nơi trên
thế giới. Trong thực tế việc thiết kế chủ yếu được thực hiện theo phương pháp bán
ngẫu nhiên hay thậm chí là theo phương pháp truyền thống, tất định hoàn toàn.
Chi tiết của từng cấp độ tính toán sẽ được trình bày kỹ hơn trong chương 4.

2.7 Phương
pháp tất định
Phương pháp thiết kế truyền thống đua ra trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành được
coi là tiếp cận thiết kế theo cấp độ 0 và I. Trong phương pháp này, điều kiện về trạng
thái giới hạn được lựa chọn (ULS hay SLS) và tương ứng với nó là các tổ hợp tải trọng
thiết kế thích hợp. Trạng thái giới hạn này thường tương ứng với độ bền đặc trưng của
công trình. Mức độ vượt quá trạng thái giới hạn c
hỉ được chấp nhận khi xác suất xảy
ra sự cố là nhỏ. Theo cấp độ tiếp cận 0 thì giá trị xác suất này chưa xác định được.

Trong phương tiếp cận pháp bán ngẫu nhiên, xác suất xảy ra sự cố được xác định dựa
vào việc phân tích rủi ro đối với từng kiểu công trình cụ thể đang được xem
xét và xác
định các nguy cơ xảy ra sự cố. Đối với kết cấu công trình thuỷ lợi thường thích hợp
với thiết kế dựa trên nguyên tắc hệ số vượt tải. Trong đó, điều kiện tiên quyết là tải
trọng tác dụng ứng với với hệ số vượt tải γ không gây ra sự cố cho công trình. Theo
phương pháp này, độ an toàn được tính toán tại biên tải trọng. Một tải trọng xác định,
S
D
(ví dụ chiều cao sóng thiết kế), tương ứng với xác suất xuất hiện, P(F). Trong thực
tế giá trị P(F) nhỏ và thường được xác định như tần suất xuất hiện trung bình hằng
năm, chính là xác suất xảy ra sự cố công trình (bao nhiêu năm xảy ra một lần), hay
nghịch đảo của nó chính là chu kỳ xuất hiện lại, T
R
= 1/P(F). Chu kỳ xuất hiện lại được
xem là khoảng thời gian trung bình giữa hai lần xuất hiện tải trọng vượt quá tải trọng
thiết kế (vượt quá trạng thái giới hạn, gọi là tải trọng phá hủy).
Những điều kiện thiết kế này có thể xác định theo các điều kiện làm việc: làm việc
trong các điều kiện cực hạn: Trạng thái giới hạn cuối cùng (ULS); làm việc trong các

điều kiện bình thường: Trạng thái giới hạn phục vụ (SLS). Khi vượt quá một trong các
trạng thái giới hạn này, phản ứng lại của công trình được xem xét như các hư hỏng của
công trình (hay các bộ phận của công trình).
ULS (Ultimate Limit State): Trạng thái giới hạn cuối cùng, kết cấu hư hỏng do sự xuất
hiện điều kiện cực hạn
SLS (Serviceability Limit State): Trạng thái giới hạn phục vụ, kết cấu hư hỏng trong
điều kiện bì
nh thường
Hình 2.7 minh họa cho cách tiếp cận cấp độ 1. Tải trọng do sóng (sóng thiết kế) được
xác định từ số liệu sóng thống kê nhiều năm. Sóng thiết kế này sử dụng làm đầu vào

HWRU/CE Project - TU Delft 24

cho mô hình mô phỏng ổn định kết cấu bảo vệ mái trong công trình bảo vệ bờ. Tương
ứng với mỗi giá trị xác suất hư hỏng của kết cấu bảo vệ mái, kích thước cấu kiện
(đường kính viên đá) dùng cho kếu cấu đó có thể xác định được.
Một thiếu sót lớn nhất của phương pháp thiết kế truyền thống là không kể đến các khả
năng xuất hiện các tải trọng vượt quá hoặc nhỏ hơn tải trọng thiết kế. Nguyên nhâ
n
chính của thiếu sót này xuất phát từ việc chọn một giá trị tải trọng thiết kế cụ thể. Đây
là một thiếu sót nghiêm trọng trong việc ước lượng mức độ hư hỏng của công trình
cho mục đích duy tu bảo dưỡng.


Hình 2.6 Ví dụ về phương pháp cấp độ I.

2.8 Phương
pháp ngẫu nhiên
Trong phương pháp thiết kế ngẫu nhiên, tất cả các cơ chế phá hỏng được mô tả bởi các
mô hình toán hoặc mô hình mô phỏng tương ứng. Việc tính toán xác suất phá hỏng của

HWRU/CE Project - TU Delft 25

Z>0
Vùng không hư hỏng
một thành phần được dựa trên hàm tin cậy của từng cơ chế phá hỏng. Hàm tin cậy Z
đựợc 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 xảy
ra hư hỏng và hư hỏng không xảy ra nếu Z nhận các giá trị còn lại, xem Hình 2.7. Do
đó, xác suất phá hỏng được xác định là P{Z<0}.

Hình 2.7 Định nghĩa biên hư hỏng (biên sự cố) Z = 0.

Hàm độ tin cậy thiết lập the
o dạng chung Z=R-S. Trong đó R và S là hàm của độ bền
và tải trọng, cả hai hàm này được giả thiết tuân theo luật phân phối chuẩn.
Đối với các cơ chế phá hỏng đơn giản như vỡ đập nhỏ ngăn nước trên một con mương
do mực nước cao hơn đỉnh đập thì hàm tin cậy có thể dễ dàng xây dựng được. Tu
y
nhiên, đối với trường hợp khác như an toàn đập đất, hoặc sự cố của đê thì hàm Z trở
nên rất phức tạp. Điều này chủ yếu phụ thuộc vào tính tương tác phức tạp giữa môi
trường nước-đất-công trình v.v , mà các tương tác chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu
tố, biên ngẫu nhiên.

Hình 2.8 Tổng quát về phương pháp thiết kế ngẫu nhiên.
X
1

X
2

Z = 0 biên hư hỏng
Z < 0
Vùng hư hỏng