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

THIẾT KẾ CƠNG 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


TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
BỘ MƠN KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH BIỂN

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

TS. Mai Văn Cơng
Trường Đại học Thủy lợi
(in lần thứ nhất)

Mã hiệu giáo trình: HWRU/CE-D02-04

HWRU/CE Project - TU Delft

ii


LỜI CẢM ƠN

Giáo trình “Thiết kế cơng 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 Giao thơng Cơng chính và Cơng 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, TUDelft về sự cộng tác và góp ý nhiệt tình trong các vấn đề chun mơn. Tác giả xin cảm
ơn Ir. Michel Tonneijck, cố vấn trưởng dự án HWRU-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 chun mơn 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 q trình biên soạn,
hiệu chỉnh và hồn 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 hồn thiện hơn trong các lần in sau.
Mai Văn Công

HWRU/CE Project - TU Delft

iii


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
8
thiết kế cơng trình theo lý thuyết độ tin cậy
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 cơng tác phịng 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 Mơ tả quy trình/q 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 phịng 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 cơng trình, độ bền và tải trọng
27
3.3 Các phương pháp tính tốn
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 tốn 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 tốn 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 tốn cấp độ I
41
4.3.1 Ngun lý tính tốn cấp độ I .................................................................................................... 41
4.3.2 Liên kết phương thức cấp độ I trong tính tốn 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 tốn độ bền theo cấp độ I.................................................. 45
HWRU/CE Project - TU Delft

iv


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 tốn 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 CƠNG
TRÌNH PHỊNG CHỐNG LŨ VÀ HỆ THỐNG CƠNG 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 Mơ hình Sellmeijer.....................................................................................78
79
6.5 Mất ổn định cấu kiện bảo vệ mái
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 cơng trình bảo vệ bờ và cơng trình phịng chống

90
lũ
7.3.1 Các biến ngẫu nhiên cơ bản của cơng trình bảo vệ vùng bờ và cơng trình
phịng 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

v


7.4 Tổng kết chung
91
CHƯƠNG 8 - ỨNG DỤNG PPTKNN ĐÁNH GIÁ AN TỒN HỆ THỐNG
CƠNG 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 – MƠ HÌNH TRỢ GIÚP TRONG TÍNH TỐN 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 Mơ hình VaP
114

HWRU/CE Project - TU Delft

vi


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 cơng trình phịng chống
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 hay 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 khơng 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 cơng tác phịng 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 Sơng 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 thực 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 tốn này chưa thể thực hiện
ứng dụng dễ dàng trong 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 thơng số tải trọng chính
được xây dựng trong tiêu chuẩn thiết kế và được chọn làm tiêu chuẩn đánh giá an
tồn phịng 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


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 cơng cụ tính tốn 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 hồn tồn có thể đưa ra một
phương pháp tiếp cận mới trong thiết kế cơng trình với ý tưởng “Cần xem xét về
mức độ có thể xây dựng tiêu chuẩn an tồn phịng chống lũ căn cứ vào phân tich
rủi ro của tất cả các yếu tố liên quan”. Đây chính là lí do cơ bản cho sự phát triển
"Thiết kế cơng 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 cơng 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 thiết kế [6].
Ví dụ trong thiết kế cơng 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 cơng 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 tồn thơng qua hệ số an tồn.
Theo phuơng pháp thiết kế tất định, cơng trình được coi là an tồn 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 cơng trình.
Một số hạn chế của phương pháp thiết kế tất định theo [8] như sau:
- Trên thực tế, chưa xác định được 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 cơng trình phịng chống lũ và bảo vệ bờ, thiết kế hiện tại thường
chỉ tính tốn chi tiết tại một mặt cắt tiêu biểu và áp dụng tương tự cho tồn bộ
chiều dài tuyến cơng 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 phịng chống lũ tăng.
- Khơng so sánh được độ bền của các mặt cắt khác nhau về hình dạng và vị trí.

- Khơng đưa ra được xác suất gây thiệt hại và mức độ thiệt hại của vùng được bảo vệ
( Xác suất xảy ra sự cố cơng 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 nhiên 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

8


cơng trình và tồn 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 cơng 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 nhiên 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 cơng 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 mơn học với tiêu đề ngắn gọn hơn: " Thiết kế
ngẫu nhiên" hoặc "Thiết kế bất định". Giáo trình 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 tốn 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 cơng trình được xây dựng trước hết dựa trên các trạng thái giới hạn
cơng 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 tốn khác nhau, liên tiếp: phương pháp cấp độ III, II
và I.
Chương 4 trình bày cơ sở tốn học trong tính tốn thiết kế ngẫu nhiên và phân tích tin
cậy của một thành phần và một hệ thống theo từng cấp độ tính tốn 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 tồn hệ thống chỉ
đề cập đến các bài tốn ổn định, hàm tin cậy không chứa yếu tố thời gian. Tuy nhiên
trong nhiều trường hợp hàm tin cậy có thể phụ thuộc theo thời gian, tùy thuộc vào
HWRU/CE Project - TU Delft

9


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 cơng trình phịng
chống thiên tai và cơng 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 khởi 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,
cơng 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 liên quan trong các hàm tin cậy.
Đặc điểm của các biến ngẫu nhiên (loại phân phối và thông số thống kê) trong bài tốn
cơng 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 cơng trình phịng chống lũ và bảo vệ bờ biển Việt Nam. Trường hợp nghiên
cứu cụ thể áp dụng cho vấn đề thực tế tại vùng bờ biển Nam Định được đưa ra làm ví
dụ phân tích.
Một số cơng cụ hỗ trợ và mơ hình tính tốn 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

10


CHƯƠNG 2 - PHÂN TÍCH RỦI RO

2.1 Giới thiệu chung
Trước khi đề cập đến phân 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 khơng thực tế, vì rủi ro trong trường hợp mất
100 nghìn đồng với khả năng 50% khơng giống với rủi ro mất 1 triệu đồng với khả
năng 50%.
Các nhà phân tích rủi ro khơng thống nhất về khái niệm rủi ro. Thơng 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 muốn.
- 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 khơng 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 khơng 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 được 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 muốn và hậu quả của nó đóng vai trị 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 ngồi 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 cùng 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 ngồi ý muốn tuỳ theo tính chất nghiêm trọng
của nó. Điều này đặc biệt 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 khơng mong muốn.

Hậu quả của một sự cố ngồi 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 hàm mật độ xác suất để xác định
các đại lượng quan tâm.
HWRU/CE Project - TU Delft

11


Định nghĩa tổng quát nhất về rủi ro là: tích số của xác suất xảy ra thiệt hại với luỹ thừa
bậc n của hậu quả thiệt hại: Rủi ro = xác suất thiệt hại * (hậu quả thiệt hại)n. Luỹ thừa
mũ n phụ thuộc vào tình trạng của hệ thống, thơng thường với n = 1 là trường hợp
phân tích rủi ro tự nhiên, trường hợp này ta có thể tính được các giá trị dự kiến, trong
khi n > 1 phản ánh trường hợp rủi ro khơng mong muốn.
®èi tợng phân tích rủi ro

Tiêu chuẩn
tham chiếu

Mô tả hệ thống

Liệt kê các sự cố và
thảm họa
có thể xảy ra

Xác đinh xác suất
xảy ra sự cố
Kết hợp XS
và thiệt hại

định lợng hậu quả

Tần suất và
mức độ thiệt hại
Rủi ro
đánh giá

điều chỉnh

Tiêu chuẩn,
tiêu chí

Ra quyết định
Cấp độ rủi ro
chấp nhận

Hỡnh 2.1 S đồ q trình phân tích rủi ro.
Hình 1 mơ tả các thành phần trong phân tích rủi ro của một hệ thống theo phương
pháp ngẫu nhiên. Đầu tiên là mô tả các thành phần trong hệ thống cơng trình phịng
chống lũ như các đoạn đê, cống và các cơng trình thành phần khác. Tiếp theo là danh
mục liệt kê các kiểu nguy cơ và sự cố hư hỏng có thể xảy ra. Đây là một bước quan
trọng trong phân tích rủi ro bởi nếu thiếu một kiểu sự cố (một cơ chế phá hoại) cũng
có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ an toàn trong thiết kế. Bước kế tiếp là định
lượng hậu quả cho tất cả sự cố có khả năng xảy ra.
Ví dụ 2.1
Một bể chứa ngầm được dùng để chứa chất thải độc hại. Sự cố môi trường của hệ
thống bể chứa này là xảy ra rị rỉ, chảy tràn chất thải độc vào mơi trường đất. Dựa vào
sự lan rộng của lượng chất thải ta có thể xác định được thiệt hại mơi trường. Trong
trường hợp này, một số vấn đề cần xem xét đó là các thiệt hại quan trọng làm ảnh
hưởng đến cấu trúc đất, mực nước ngầm và dòng chảy, sự thẩm thấu đất. Lượng chất
thải độc rò rỉ (X) là hậu quả của sự cố ngồi ý muốn “Rị rỉ bể chứa” và thiệt hại về

môi trường là một hàm số g(X).

HWRU/CE Project - TU Delft

12


Xem lượng chất thải độc bị rò rỉ là sự cố ngồi ý muốn, có giá trị trung bình μ và độ
lệch chuẩn σ. Xác suất của sự cố ngoài ý muốn là Pf. Mật độ xác suất thiệt hại môi
trường được mô tả như sau:
∞
X=0
⎧
⎪
f g( X )(g(X )) = ⎨
⎛ X−μ⎞
⎪Pf ϕ ⎜ σ ⎟ X ≠ 0
⎝
⎠
⎩

Nếu rủi ro được biểu diễn thông qua giá trị kỳ vọng E(Pfg(X)), ta có:
∞

risk = Pf

⎛ X −μ
σ

∫ g( X )ϕ ⎜⎝

-∞

⎞
⎟d X
⎠

Việc giải tốn 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 tồn của một
quy trình hay đối tượng có phù hợp với tiêu chuẩn hay đạt tối ưu về kinh tế hay khơng.
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 đích này được áp dụng trong thiết kế cơng trình, tối ưu hố 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 tồn thì chính sách an tồn 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 thơng số kỹ thuật của đối tượng phải điều chỉnh để tuân
theo các chuẩn đó.
Với mục đích tối ưu hố kinh tế thì rủi ro gắn với giá thành của đối tượng cũng đóng
vai trị 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 cơng 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 sinh mạng vùng hạ du. Vì vậy, cần
tránh vỡ đập vì nó là ngun 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 sơng, bờ sơng ngay hạ lưu cơng trình. Nếu so với hậu quả do vỡ đập thì thiệt hại
kiểu này khơng 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 cơng trình do mực nước, dịng chảy dâng cao cũng hoàn toàn khác
HWRU/CE Project - TU Delft

13


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 khơng nghiêm trọng của chân kè hàng năm có thể được sửa chữa
hồn chỉnh và kịp thời (địi 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 được 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 cơng 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 cơng trình đơn thuần,
mà nó cịn 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 phân tích kinh tế mà khơng 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 khơng thể tính được. Mức độ an tồn của các cơng trình kinh tế văn hóa xã hội
phụ thuộc vào mức độ tin cậy an tồn của cơng trình và ngồi ra cịn phụ thuộc vào
vốn đầu tư hiệu quả của cơng 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 hoạ, các dạng sự cố, hậu quả và xác định các mối quan hệ
nội tại.
2- Một phân tích định lượng bao gồm tính tốn xác suất xảy ra sự cố, định lượng hậu
quả xảy ra, tính tốn 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 khơng phải ln ln 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

14


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 khơng 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 khơng (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 thích hợp .
2.4 Kế hoạch từng bước của phân tích rủi ro
2.4.1 Mơ tả quy trình/q 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 mơ tả thành phần đầu vào - đầu ra (xem hình 2.2). Thơng 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. Thơng qua các mối tương quan nội
tại, chúng hình thành 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 ngồi 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 khơng cịn thực hiện các
chức năng mong muốn. Sự cố xảy ra theo nhiều cách khác nhau. Mỗi cách đó được gọi
là cơ chế dẫn đến sự cố. Ranh giới giữa vùng sự cố và vùng an tồn được gọi gọi là
biên khơng 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

15

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 sóng 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 phân 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, kinh 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/ gây 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 ngồi 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 này là không có kiểu hư hỏng quan
trọng nào bị bỏ qua khi phân tích một q trình hay một hệ thống. Tuy nhiên, bất lợi
của nó là khơng 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 pháp 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
ngồi 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

16


P(E1 ) P(E 2 | E1 ) P(G | E1 ∩ E 2 )

(3.1)

Trong đó:
- E1 là sự cố ngồi ý muốn (chẳng hạn như sự cố vỡ đê)
- E2 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(E1)P(E2|E1) chính là xác suất xảy ra sự cố Pf. Xác suất P(G|E1∩E2) 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 hay 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 tốn 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 phân 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 có 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 qn 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 được về số người chết. Theo phương pháp phân tích dựa trên lý trí và nhận thức,
các cá nhân của một hoạt động ln ý thức về tính cân bằng giữa rủi ro và lợi nhuận
chấp nhận được. Phụ thuộc vào lợi ích của q trình này mà hoạt động tình nguyện có
được bảo đảm hay khơng. Vì vậy mà tạo ra sự khác biệt giữa các hoạt động tình
nguyện được đảm bảo và các hoạt động khơng được bảo đảm. Theo 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 (Pdi) dành
cho một hoạt động cụ thể được tính bằng:

Pdi =
HWRU/CE Project - TU Delft

N di N pi Pfi Pd / Fi
=
N pi
Npi
17


Trong đó:
Npi là số thành viên của hoạt động thứ i
Ndi là số người chết trong hoạt động thứ i
Pfi là xác suất tai nạn của hoạt động thứ i.
Pd/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 cơng trình.
2) Giảm thiểu vấn đề về mặt tối ưu hố kinh tế thơng qua diễn giải tất cả hậu quả
theo đơn vị thương vong/ thiệt hại.
Trong nội dung thứ nhất, cơng thức sau được hình thành (TAW/CUR, 1990) dành
cho xác suất xảy ra sự cố tối ưu
Pfop =

I
B(r − g )
Pd / f N P CP + C f

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
- NP là số người dân mà sinh mạng của họ phụ thuộc vào cơng trình;
- Cp 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 (Pfn) biến đổi từ xác suất gây chết một người (số Nd),
do sự hiện diện vơ tình trong các nhà máy, tàu thuỷ hay máy bay với số lần xuất
hiện Nc của cá thể đó, và họ là thành viên trong tổng số N người:
Pfn=Nd/NNc
Nếu xác định trước một cấp độ rủi ro chấp nhận được thì bất kỳ cơng trình được xem
xét nào của dự án cũng có thể giới hạn được rủi ro theo giá trị định trước này.
Nếu khơng 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 này.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

18

Một số giá trị phi vật thể, không thể đánh giá chính xác đươc, như giá trị thiệt hại về
mơi trường xây dựng dự án cơng 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 địi hỏi phải có được chấp nhận rủi ro
tối thiểu.
2.5 Phân tích rủi ro và sơ đồ sự cố của hệ thống cơng trình phịng chống lũ
Nghiên cứu về độ an tồn cơng trình tập trung vào các khái niệm sự cố và hư hỏng
cơng 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 khơng cịn thực hiện được
chức năng chính, cơ bản của nó. Chức năng của một cơng trình phịng chống lũ được
xác định là ngăn chặn lũ lụt, nghĩa là bảo vệ vùng có khả năng ngập lụt khơng bị nước
lũ tràn vào, không bị xảy ra các thiệt hại về sinh mạng và/hoặc thiệt hại về tài sản.
Một cơng trình hay một thành phần cơng trình hư hỏng đổ vỡ nếu dưới tác dụng của tải
trọng gây nên sự xuất hiện biến dạng với giá trị lớn nghiêm trọng làm mất đi hình dạng
ban đầu của cơng trình. Nhìn chung sự đổ vỡ cơng 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 đang 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 cơng trình phịng chống lũ (hư hỏng
đỉnh, mái phía trong của đê, đập) nhưng kết cấu của nó vẫn có thể được giữ ngun.
Một cơng trình phịng chống lũ phải được thiết kế sao cho trong suốt giai đoạn xây
dựng cơng trình và thời gian phục vụ cịn lại của nó, xác suất xảy ra sự cố hay đổ vỡ
đảm bảo thấp. Để xác định được tối ưu giữa quy mơ cơng trình và mức độ an tồn, 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

19


Liệt kê các kiểu thảm họa

Mô phỏng các cơ chế hư hỏng

Xác định XS xảy ra sự cố

Đánh giá thiệt hại

Rủi ro = XS * Thiệt hại

Hình 2.3 Các thành phần trong phân tích rủi ro.
Trong phân tích rủi ro, có ba cụm từ khố: 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 cơng trình đối với từng nguy cơ sự cố. Nguy cơ sự cố diễn biến theo cơ chế
xảy ra sự cố, theo một xác suất xuất hiện riêng, gây ra hư hỏng hoặc phá hỏng cơng
trình hoặc thành phần cơng trình. Biên giữa các trạng thái hư hỏng và khơng 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 q trình 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.
Theo 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 cơng trình phịng 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 thành 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 nên “hệ thống song song”.

HWRU/CE Project - TU Delft

20


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 hay sự cố. Một sơ đồ cây sự cố dựa vào tiến trình ngược lại: bắt đầu với một sự
cố ngồi ý muốn, nó được phân tích xem do ngun 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 cơng trình điển hình, chẳng 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 cơng
trình, những sai sót của con người quản lý như khơng 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 khơng đóng kịp cửa van của một cơng

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

21


không được phép phân chia. Hơn nữa, bản chất của hệ thống là chia đơi: một sự cố có
thể hoặc khơng xảy ra. Tuy nhiên, trong thiết kế cơng 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 minh 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 gây ra nguy hại hay hư hỏng thường được xem xét thận
trọng hơn là phân tích những tác động xảy ra sau đó.
Các cơng 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 pháp não công;
6. Kinh nghiệm từ các hệ thống tương tự và tình trạng tương tự
7. Các thơng tin khác, v.v...
Đối với các cơng 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 ngun 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
quan đến tính chất pháp lý, vấn đề chịu trách nhiệm trước pháp luật. Trong trường hợp
đó, lịng tự trọng của người có trách nhiệm liên quan bị đặt khơng đúng chỗ.
2.6 Các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp
Mức độ an tồn của một cơng 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 tồn thích hợp tương ứng với mỗi lọai cơng 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 cơng 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 hồn tồn. 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

22


đúng các giá trị xác suất xảy ra sự cố, q trình tuyến tính hóa tốn 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 nghiên 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 tốn 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
cơng trình. Mức độ vượt quá trạng thái giới hạn chỉ 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 cơng trình cụ thể đang được xem xét và xác
định các nguy cơ xảy ra sự cố. Đối với kết cấu cơng 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 cơng trình. Theo
phương pháp này, độ an tồn được tính tốn tại biên tải trọng. Một tải trọng xác định,
SD (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 cơng trình (bao nhiêu năm xảy ra một lần), hay
nghịch đảo của nó chính là chu kỳ xuất hiện lại, TR= 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 cơng trình được xem xét như các hư hỏng của
cơng trình (hay các bộ phận của cơng 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 bình 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

23


cho mơ hình mơ phỏng ổn định kết cấu bảo vệ mái trong cơng 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. Ngun nhân
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 cơng 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 mơ tả bởi các
mơ hình tốn hoặc mơ hình mơ phỏng tương ứng. Việc tính tốn xác suất phá hỏng của
HWRU/CE Project - TU Delft

24


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 cịn lại, xem Hình 2.7. Do
đó, xác suất phá hỏng được xác định là P{Z<0}.
Z = 0 biên hư hỏng
X2

Z<0
Vùng hư hỏng
Z>0
Vùng khơng hư hỏng
X1

Hình 2.7 Định nghĩa biên hư hỏng (biên sự cố) Z = 0.
Hàm độ tin cậy thiết lập theo 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. Tuy
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 mơi
trường nước-đất-cơng 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.
HWRU/CE Project - TU Delft

25