Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích và đánh giá an toàn công trình đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam theo lý thuyết độ tin cậy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN LAN HƢƠNG

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ AN TỒN CƠNG TRÌNH ĐẦU
MỐI HỒ CHỨA THỦY LỢI VIỆT NAM THEO LÝ THUYẾT
ĐỘ TIN CẬY

Chuyên ngành : Xây dựng cơng trình thủy
Mã số

: 62.58.40.01

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017


Cơng trình được hồn thành tại Trƣờng Đại học Thủy Lợi
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Quang Hùng
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Nguyễn Hữu Bảo

Phản biện 1: GS.TS. Phạm Khắc Hùng, Trường Đại học Xây Dựng
Phản biện 2: GS.TS. Tăng Đức Thắng, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Văn Vi, Trường Đại học Công nghệ Giao thông
Vận tải

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại Room 5 - K1,
Trường Đại học Thủy Lợi vào lúc 14 giờ ngày 21 tháng 8 năm 2017

Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc Gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam là quốc gia có nền nơng nghiệp phát triển, nên hệ thống cơng trình
đầu mối chứa thuỷ lợi đóng vai trị quan trọng trong sự phát triển của xã hội.
Các hồ đập được thiết kế theo phương pháp truyền thống trong đó các chỉ tiêu
kỹ thuật của cơng trình được mơ phỏng qua khả năng tháo, khả năng chịu tải
của công trình nhưng chưa xét đến sự ảnh hưởng của các thành phần cơng trình
đến an tồn chung của hệ thống. Bên cạnh đó, các yếu tố bất định từ phía tự
nhiên tác động vào hồ đập ngày một phức tạp và khó kiểm sốt làm cho hồ đập
là nơi tiềm ẩn các tai họa do vỡ đập gây ra. Đến nay, các nghiên cứu về an tồn
cơng trình thủy lợi ở Việt Nam, đặc biệt là việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy
để phân tích và đánh giá an toàn cho hệ thống đầu mối hồ chứa thủy lợi chưa
đầy đủ. Chính vì vậy, việc nghiên cứu phát triển ứng dụng toán xác suất - thống
kê kết hợp với lý thuyết về cơng trình thủy lợi và lý thuyết về hệ thống vào các
phân tích về an tồn đập có ý nghĩa về khoa học và thực tiễn, bổ sung các luận
cứ khoa học cho công tác quản lý an toàn đập theo các nghị định về an toàn đập
của chính phủ. Với ý nghĩa đó tác giả chọn đề tài ‘‘Phân tích và đánh giá an
tồn cơng trình đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam theo lý thuyết độ tin cậy’’
làm đề tài nghiên cứu của mình.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng phương pháp, và các bài tốn đánh giá an tồn cơng trình đầu mối hồ
chứa thủy lợi bằng lý thuyết độ tin cậy, làm cơ sở khoa học cho công tác thiết
kế cải tạo, nâng cấp và quản lý an tồn cơng trình thủy lợi ở nước ta.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu các cơng trình của đầu mối hồ chứa

thủy lợi có đập dâng là đập đất, cơng trình tháo lũ là các đập tràn và đường tràn
dọc có ngưỡng thuộc dạng đập bê tơng tràn nước, cống lấy nước là cống ngầm
đặt trong thân đập đất.
3.2 Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá mức độ ổn định và độ bền của các cơng
trình đầu mối hồ chứa thủy lợi chịu tác động của các yếu tố thường xuyên thay
đổi đổi (tải trọng, độ bền, điều kiện làm việc, …), chưa xét đến các yếu tố gây
1


sự cố khác gồm: động đất, kết quả tính tốn thủy văn và sự cố do vận hành
cơng trình.
4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
4.1 Cách tiếp cận
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu tác giả đã tổng hợp, phân tích các cơng trình
nghiên cứu có liên quan, từ đó lựa chọn hướng tiếp cận vừa mang tính kế thừa
vừa mang tính hiện đại, phù hợp với điều kiện nghiên cứu Việt Nam.
4.2 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tổng quan; phương pháp điều tra thực tế; phương
pháp kế thứa và mơ hình tốn; phương pháp nghiên cứu ứng dụng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Luận án đã xây dựng được phương pháp đánh giá và
chương trình SYPRO2016 để tính xác suất an tồn cho các cơng trình và hệ
thống đầu mối hồ chứa thủy lợi. Đây là sự bổ sung về mặt lý luận cho các nội
dung tính tốn kiểm tra an tồn đập và tính tốn thiết kế cơng trình đầu mối hồ
chứa theo lý thuyết độ tin cậy.
- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án cung cấp bộ công cụ phục
vụ cho công tác quản lý an toàn đập theo Nghị định 72/2007/NĐ-CP của chính
phủ và cũng là cơ sở cho việc thiết kế nâng cấp, sửa chữa các hồ đập của Việt
Nam.
6. Cấu trúc của luận án:

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 4
chương bao gồm:
Chƣơng 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu hồ chứa và ứng dụng lý thuyết
độ tin cậy để đánh giá an tồn cơng trình thủy lợi;
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết để đánh giá an tồn cơng trình đầu mối hồ chứa
nước;
Chƣơng 3: Phân tích và đánh giá an tồn cơng trình đầu mối hồ chứa thủy lợi
theo độ tin cậy;
Chƣơng 4: Đánh giá mức độ an toàn cơng trình đầu mối hồ chứa nước Phú
Ninh - Quảng Nam.
2


CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HỒ CHỨA
VÀ ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ĐỂ ĐÁNH GIÁ AN TỒN
CƠNG TRÌNH THỦY LỢI
1.1

Đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam

1.1.1
1.1.1.1

Hiện trạng các đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam
Các hệ thống hồ và liên hồ

Việt Nam là quốc gia có nhiều hồ đập nhưng phân bố không đều theo không
gian, thời gian và vùng lãnh thổ. Các hệ thống hồ và liên hồ có quan hệ và ràng
buộc về mục đích khai thác hoặc về vận hành tháo lũ, được phân thành 2 loại:
Hệ thống có xét đến quan hệ cân bằng nước trên lưu vực sông và hệ thống

không xét đến quan hệ cân bằng nước. Các hồ đập hiện hữu ở Việt Nam được
xây dựng trong nhiều giai đoạn khác nhau với các tiêu chuẩn kỹ thuật khác
nhau nên có chất lượng khơng đồng đều, đang bị xuống cấp, tồn tại cả những
cơng trình xuống cấp nghiêm trọng, nhiều cơng trình đã đến lúc phải sửa chữa,
nâng cấp. Một điểm tồn tại nữa của các đầu mối hồ chứa ở Việt Nam hiện nay
là chưa được đầu tư đồng bộ để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh, trừ một số
các đập cao từ 50m trở lên đã được lắp đặt và tổ chức quan trắc tương đối đầy
đủ theo quy định. Các đập thấp hơn, nhiều đập không đặt thiết bị quan trắc hoặc
chỉ quan trắc một phần, tình trạng này ở các hồ thủy lợi phổ biến hơn là ở hồ
thủy điện.
1.1.1.2 Các thành phần cơng trình đầu mối ở Việt Nam
Ba thành phần cơng trình chính hình thành đầu mối hồ chứa thủy lợi ở Việt
Nam là:
- Đập dâng: được sử dụng phổ biến ở Việt Nam là đập vật liệu địa phương (đập
đất, đập đất đá hỗn hợp, đập đá đổ, đập đá đầm nén có bản mặt bê tơng cốt
thép) và đập bê tông (đập bê tông trọng lực và đập vịm).
- Cơng trình tháo lũ: phổ biến là các đường tràn và đập tràn.
- Cơng trình lấy nước: chủ yếu là các cống ngầm đặt trong thân đập đất.
1.1.2

Hư hỏng và sự cố của các cơng trình đầu mối thủy lợi ở Việt Nam

Các nghiên cứu về sự cố đập đất ở Việt Nam cho thấy: thấm là một trong những
nguyên nhân chính dẫn đến các hư hỏng và sự cố đập. Các sự cố vỡ đập có thể
xảy ra đối với hồ đang vận hành, trong giai đoạn thi công hoặc thi công mới
3


hoàn thành, một số đập bị hư hỏng nặng nhưng chưa xảy ra vỡ đập. Có thể thấy
rằng vỡ đập là sự cố lớn nhất xảy ra ở hồ chứa, khi phân tích theo đặc tính làm

việc và cơ chế phá hoại của các cơng trình tạo thành hồ chứa dẫn đến sự cố vỡ
đập có thể khái quát thành hai nhóm nguyên nhân. Nhóm nguyên nhân thứ nhất
là do đập không đủ khả năng chịu tải biểu hiện ở các hiện tượng: nước tràn đỉnh
đập, đập đất bị trượt mái, dịng thấm mạnh khơng kiểm sốt được, đập bị nứt
dọc, nứt ngang, …. Nhóm nguyên nhân thứ hai là do sự cố xảy ra ở các cơng
trình tháo lũ, cống lấy nước dẫn đến sự cố ở đập. Các nguyên nhân dẫn đến sự
cố vỡ đập có quan hệ với nhau tác động đến nhau theo logíc hệ thống.
1.1.3

Sự cần thiết đảm bảo an tồn cơng trình đầu mối

Hệ thống hồ đập được xây dựng để đáp ứng các yêu cầu dùng nước và phòng
chống thiên tai, nên để đảm bảo an tồn cho các cơng trình cần phải: Xây dựng
đồng bộ hệ thống tiêu chuẩn thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy; Cập nhật và
nghiên cứu phát triển các mơ hình phân tích ngẫu nhiên vào trong các hoạt
động xây dựng, hoạt động quản lý hồ đập và được xem như là ứng dụng tiến bộ
khoa học công nghệ vào điều kiện Việt Nam.
1.2

Các phƣơng pháp đánh giá an tồn cơng trình thủy lợi

Hiện nay trên thế giới đang sử dụng phương pháp thiết kế tất định và phương
pháp thiết kế ngẫu nhiên để đánh giá an tồn cho cơng trình thủy lợi.
1.2.1

Phương pháp thiết kế tất định

Phương pháp ứng suất cho phép, phương pháp các hệ số an toàn và phương
pháp các trạng thái giới hạn là các phương pháp thiết kế tất định được dùng phổ
biến trong mơ hình thiết kế truyền thống ở Việt Nam. Các phương pháp này

mang tính tiền định, khơng xét đến yếu tố thời gian và các đặc trưng ngẫu nhiên
của các tham số sử dụng trong tính tốn nên khơng đánh giá được độ tin cậy
của cơng trình trong tương lai và không xét được đầy đủ mức độ ảnh hưởng của
tính chất biến đổi ngẫu nhiên liên tục của tính chất các vật liệu xây dựng và đất
nền cũng như của tải trọng đến trạng thái làm việc của cơng trình.
1.2.2

Phương pháp thiết kế theo mơ hình ngẫu nhiên

Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên ngồi việc tính được độ tin cậy an tồn cho
cơng trình và hệ thống cịn là tiền đề cho q trình phân tích rủi ro nên phương
4


pháp này tiến bộ hơn phương pháp thiết kế tất định, do vậy đây là phương pháp
được lựa chọn để tính tốn an tồn đập trong nghiên cứu này. Trong thiết kế
cơng trình, mức độ tiếp cận với xác suất ở từng trường hợp khác nhau nên được
chia thành 3 cấp độ tính tốn: cấp độ I, cấp độ II và cấp độ III.
1.2.3 Nhận xét các phương pháp thiết kế
Phương pháp thiết kế theo mơ hình ngẫu nhiên và tính độ tin cậy tiến bộ hơn
phương pháp thiết kế tất định và tính hệ số an tồn, ở đây có sự kế thừa, khơng
có sự phủ nhận. Các tính toán độ tin cậy vẫn dựa trên các điều kiện làm việc,
các sơ đồ tính, các thuật tốn cũng như các tiêu chuẩn hiện hành của phương
pháp thiết kế tất định. Tuy nhiên các bài toán tiếp cận được với thực tế hơn bởi
phương pháp này xét được đầy đủ mức độ ảnh hưởng của tính biến đổi ngẫu
nhiên của tính chất các vật liệu xây dựng và đất nền cũng như của tải trọng đến
trạng thái kết cấu. Phương pháp này ngồi việc tính được độ tin cậy an tồn cho
cả hệ thống cịn là tiền đề cho q trình phân tích rủi ro sau này. Đây là một xu
thế phát triển mơ hình thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới hiện nay, do vậy đây là
phương pháp được lựa chọn để tính tốn an tồn đập trong nghiên cứu này.

Trên thực tế việc thiết kế các cơng trình chỉ dừng ở cấp độ II, và cấp độ III chỉ
dùng cho các cơng trình đặc biệt có u cầu cao về mức an toàn.
1.3 Các nghiên cứu về lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực thủy lợi và an
toàn đập
1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới
Lý thuyết độ tin cậy đã ra đời từ những năm 1920 và ứng dụng từ những năm
1970 trong nhiều lĩnh vực khác nhau ở các nước phát triển như: Nga, Hà Lan,
Nhật, Trung Quốc, ..., nhưng mãi đến những năm 1990 lý thuyết này mới được
quan tâm và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơng trình thuỷ lợi. Việc ứng
dụng lý thuyết độ tin cậy trong đánh giá an tồn cơng trình thủy lợi tại các quốc
gia nói trên đã thu được nhiều kết quả thực tế rất tích cực và đáng tin cậy. Tuy
nhiên các ứng dụng này phần lớn tập trung nghiên cứu cho các cơng trình
phịng lũ và bảo vệ bờ, đối với các cơng trình đầu mối hồ chứa thủy lợi có đề
cập đến nhưng chưa đầy đủ, chủ yếu là các nghiên cứu để tính xác suất an tồn
cho từng thành phần cơng trình trong hệ thống.
1.3.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam
Từ những năm 1960 lý thuyết độ tin cậy đã được biết đến và nghiên cứu tại
5


Việt Nam, tuy nhiên phải đến đầu những năm 2000 lý thuyết này mới được ứng
dụng phổ biến trong lĩnh vực cơng trình thủy và đã đạt được nhiều thành quả rất
tích cực. Tuy vậy các nghiên cứu trong lĩnh vực an tồn đập là chưa đầy đủ,
chưa có các nghiên cứu để đánh giá và phần mềm để định lượng độ tin cậy cho
cơng trình đầu mối hồ chứa thủy lợi trong điều kiện Việt Nam theo lý thuyết độ
tin cậy. Do đó, vấn đề nghiên cứu xây dựng phương pháp và phần mềm để tính
tốn xác suất an toàn cho cả hệ thống hồ thủy lợi là thực sự cần thiết.
1.4 Kết luận Chƣơng 1
- Việc đánh giá hiện trạng, quan trắc các hư hỏng và sự cố các đầu mối hồ chứa
dẫn tới sự cần thiết phải có các giải pháp đảm bảo an tồn cho hồ đập. Việc sử

dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên để xây dựng phương pháp đánh giá an
toàn cho đầu mối hồ chứa nước thủy lợi cũng là một trong những giải pháp
quan trọng đảm bảo an toàn cho hồ chứa.
- Các nghiên cứu về ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực an toàn đập là
rất phổ biến trên thế giới và Việt Nam, nhưng tập nhiều cho các cơng trình
phịng lũ và bảo vệ bờ. Các nghiên cứu về đánh giá độ tin cậy cho các đầu mối
hồ chứa thủy lợi là chưa đề cập đầy đủ, do đó cần định lượng được độ tin cậy
của cơng trình và hệ thống đầu mối hồ chứa làm cơ sở cho việc xác định mức
độ an toàn của hệ thống hồ chứa Việt Nam theo độ tin cậy.
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ ĐÁNH GIÁ AN TỒN CƠNG
TRÌNH ĐẦU MỐI HỒ CHỨA NƢỚC
2.1 Quan điểm về an toàn cơng trình thủy lợi
Theo các tiêu chuẩn tính tốn của các nước trên thế giới, hồ đập được đảm bảo
an tồn khi khơng xảy ra ít nhất một trong hai loại sự cố: sự cố vận hành và sự
cố kết cấu. Sự cố vận hành: hồ không đủ nước hoặc khơng hoạt động bình
thường và hậu quả là thiệt hại về kinh tế cho vùng được cấp nước. Sự cố kết
cấu: kết cấu cơng trình bị phá hoại hoặc đập bị vỡ gây thiệt hại cho đập và các
thiệt hại về kinh tế, con người ở vùng hạ lưu. Trong nghiên cứu này mới xét
đến các sự cố liên quan đến kết cấu cơng trình.
2.2

Cấu trúc các cơng trình trong đầu mối hồ chứa thủy lợi

Phân loại các đầu mối hồ chứa thủy lợi theo số lượng cơng trình
trong hệ thống
Hình thức liên kết đập dâng, cơng trình tháo lũ và cống lấy nước tạo thành một
2.2.1

6

hệ thống kết cấu hoặc hệ thống vận hành phụ thuộc vào kiểu bố trí sơ đồ tổng
thể. Hệ thống kết cấu: Đập bê tông tràn nước và cống ngầm bố trí trên thân đập
và đóng vai trị như một phần của đập dâng. Hệ thống vận hành: Đập bê tơng
tràn nước và cống ngầm bố trí tách rời đập, các cơng trình này tạo thành hệ
thống thơng qua mối quan hệ vận hành hồ. Sơ đồ bố trí tổng thể các cơng trình
đầu mối ở hồ chứa Việt Nam hiện nay có thể khái qt thành ba kiểu chính:
Đầu mối hồ chứa có 3 cơng trình; Đầu mối hồ chứa có 4 cơng trình; Đầu mối
hồ chứa có nhiều hơn 4 cơng trình. Có nhiều cách để phân tích mối liên kết của
các cơng trình và thành phần cơng trình trong hệ thống theo các sơ đồ tốn học,
trong nghiên cứu này căn cứ vào hình thức của cơng trình tháo lũ: Có cửa van
và khơng có cửa van để phân loại các đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam thành
hai loại hệ thống: hệ thống ghép nối tiếp và hệ thống ghép hỗn hợp.

Hình 2-10. Đầu mối hồ chứa có các Hình 2-11. Đầu mối hồ chứa có các
cơng trình được bố trí theo hình thức cơng trình được bố trí theo hình thức
ghép nối tiếp
ghép hỗn hợp
2.2.2

Sự sai khác của mơ hình tính tốn so với hệ thống đầu mối hồ chứa
thực tế

Trong tính tốn sẽ có sự sai lệch về mức độ an tồn giữa các mơ hình tính và hệ
thống thực tế trong một số trường hợp mực nước hồ thay đổi theo thời gian
trong năm, do đó sự cố hệ thống có thể xảy ra ở mơ hình lý thuyết nhưng chưa
chắc đã xảy ra ở hệ thống đầu mối hồ chứa thực tế.
Trường hợp 1: Khi mực nước hồ lớn hơn mực nước dâng bình thường
Z mn  MNDBT nếu cơng trình tháo lũ bị sự cố do mất ổn định tổng thể hoặc sự
cố cửa van sẽ làm cho hệ thống bị sự cố, trường hợp này sự cố hệ thống xảy ra

ở cả hệ thống đầu mối thực tế và mơ hình lý thuyết. Hệ thống làm việc theo sơ
đồ ghép như hình 2-10 hoặc 2-11 cịn tùy thuộc vào kết cấu của cơng trình tháo
lũ.
Trường hợp 2: Khi mực nước hồ dao động từ mực nước chết (MNC) đến
MNDBT MNC  Z mn  MNDBT , nếu cơng trình tháo lũ bị sự cố thì sự cố hệ
thống có thể không xảy ra ở đầu mối hồ chứa thực tế nhưng được giả thiết sẽ
xảy ra ở mơ hình lý thuyết
7


Mối liên hệ giữa xác suất an toàn của hệ thống thực tế và mơ hình lý thuyết có
thể xác định được bằng cách thống kê các số liệu quan trắc về sự cố xảy với các
cơng trình và hệ thống thực tế, đánh giá xác suất sự cố của mơ hình tính tốn
thơng qua các số liệu quan trắc về cơng trình. Trên cơ sở đó xây dựng mối quan
hệ giữa xác suất an toàn của hệ thống thực tế và mơ hình tính tốn trong các
trường hợp mực nước hồ thay đổi, từ đó sẽ tìm được một hệ số hoặc một hàm
số (phụ thuộc vào các biến ngẫu nhiên) thể hiện mối quan hệ về mức độ an tồn
giữa hệ thống thực tế và mơ hình lý thuyết. Việc thống kê và đánh giá xác suất
sự cố cho các hệ thống thực tế trong điều kiện Việt Nam cịn gặp nhiều khó
khăn nên trong nghiên cứu này giả thiết hàm số phụ thuộc giữa hệ thống thực tế
và mơ hình lý thuyết là một hằng số và có giá trị bằng 1, và cũng giả thiết rằng
các sự cố xảy ra với hệ thống thực tế và mơ hình lý thuyết là giống nhau trong
các trường hợp mực nước hồ thay đổi.
2.3 Cơ sở lý thuyết và thực tiễn khi đánh giá an tồn cơng trình đầu mối
Các lý thuyết chính được sử dụng để tốn tính xác suất an tồn cơng trình đầu
mối hồ chứa nước thủy lợi gồm: Lý thuyết cơng trình thủy lợi; Lý thuyết độ tin
cậy và lý thuyết xác suất - thống kê và lý thuyết hệ thống.
Các tài liệu quan trắc cơng trình cũng như các tài liệu thống kê có liên quan tới
tính an tồn cơng trình theo lý thuyết xác suất - thống kê nói chung và lý thuyết
độ tin cậy ở Việt Nam hiện nay đang ở trong tình trạng khơng đầy đủ, các tiêu

chuẩn thiết kế cơng trình thủy lợi theo độ tin cậy đang trong thời kỳ nghiên cứu
xây dựng. Do vậy trong nghiên cứu này, các nội dung có liên quan tới tiêu
chuẩn thiết kế theo độ tin cậy sẽ được tham khảo theo tiêu chuẩn nước ngồi.
Trong thực tế có rất nhiều sự cố xảy ra đối với cơng trình đầu mối được xác
định bằng các phương pháp quan trắc mà không cần thông qua tính tốn cũng
có thể khẳng định cơng trình đó xảy ra sự cố. Tuy nhiên trong nghiên cứu này
mới tính và lập các hàm tin cậy cho một số cơ chế sự cố xảy ra đối với cơng
trình đầu mối khi mắt thường không thể quan sát thấy, bên cạnh đó cịn chưa
xét tới một số cơ chế sự cố do hiện tượng thủy lực gây ra ở công trình tháo lũ
và cống ngầm.
Phân tích các yếu tố gây hƣ hỏng, sự cố các cơng trình đầu mối hồ
chứa
Rất nhiều cơng trình bị sự cố trong thời gian vận hành do nhiều nguyên nhân
khác nhau, phân loại các yếu tố ngẫu nhiên tác động lên kết cấu cơng trình về
2.4

8


mặt kỹ thuật, gồm 5 nhóm yếu tố chính: yếu tố tự nhiên, yếu tố khảo sát thiết
kế, yếu tố thi công, yếu tố khai thác và quản lý, yếu tố chiến tranh phá hoại có
chủ ý. Trong nghiên cứu này, mới xét đến một số yếu tố ngẫu nhiên có ảnh
hưởng nhiều đến độ tin cậy của hệ thống như trên bảng 2-1. Một số yếu tố khác
còn để mở và có thể được xét đến khi sử dụng các phương pháp tính tốn khác
như “Lý thuyết tập mờ”, ….
Bảng 2-1. Các yếu tố ngẫu nhiên được xét đến khi tính độ tin cậy của đầu mối
hồ chứa
Nhóm
Nhóm 1: Yếu tố
tự nhiên

Nhóm 3: Yếu tố
thi cơng
Nhóm 4: Quản
lý khai thác

Tên
Địa chất
Địa hình
Thủy lực
Kết cấu và vật
liệu xây dựng kết
cấu
Vận hành cửa van
của đập tràn

Nội dung
Tính khơng đồng đều của địa chất
nền cơng trình.
Vị trí xây dựng cơng trình
Tác động của nước lên cơng trình
Sai lệch kích thước do thi cơng
cơng trình, tính chất cơ lý khơng
đồng đều.
Tác động của cửa van đến độ tin
cậy hệ thống

Ứng dụng
Chương 2,
3, 4
Chương 3,

4
Chương 2

Đặc điểm làm việc, cơ chế phá hoại và trạng thái giới hạn của các
cơng trình đầu mối hồ chứa
2.5.1 Đặc điểm làm việc của các cơng trình đầu mối hồ chứa
Các cơng trình đầu mối hồ chứa: đập đất, đập tràn và cống ngầm phải được tính
tốn để đảm bảo an toàn trong các cơ chế phá hoại theo quy định của tiêu chuẩn
thiết kế hiện hành như sau:
- Nước không tràn qua đỉnh đập; Mái dốc của đập khơng bị phá hoại trượt trong
q trình thi cơng cũng như trong các trường hợp làm việc; Đập không bị phá
hoại do hiện tượng thấm thông thường và thấm đặc biệt.
- Đập tràn không bị mất ổn định do phá hoại trượt; Đập tràn không bị mất ổn
định do phá hoại lật hoặc do cường độ nền; Đập tràn không bị mất ổn định do
lún không đều giữa các đơn nguyên; Đập tràn không bị các hư hỏng do thủy lực
gây ra như: thấm mang tràn, gãy đổ các tường tràn, xói hạ lưu, ….
- Độ bền thân cống và khớp nối khi các đoạn lún không đều; Độ bền kết cấu
theo phương ngang và phương dọc cống; Đường viền thấm dọc thân cống phải
đủ dài để không xảy ra hiện tượng mất ổn định thấm; Đảm bảo không xảy ra
khí thực sau cửa van cống hoặc có xảy ra nhưng vẫn nằm trong điều kiện an
toàn cho phép.
2.5

9


2.5.2 Cơ chế phá hoại, trạng thái giới hạn
An toàn về ổn định của cơng trình liên quan tới trạng thái giới hạn của một cơ
chế phá hoại. Sự phá hoại cơng trình được phân thành hai loại, phá hoại cục bộ
và phá hoại tổng thể. Các cơ chế phá hoại đã được lý thuyết cơ học, lý thuyết

cơng trình xác định có quy luật được mơ phỏng theo các bài tốn phân tích ổn
định như: ổn định trượt, ổn định lật, độ bền, ....
Trong quá trình thiết lập bài tốn tính xác suất an tồn cơng trình đầu mối hồ
chứa, các bài tốn cơng trình được thực hiện theo nguyên tắc thiết kế trạng thái
giới hạn. Trạng thái làm việc của cơng trình được mơ tả bằng tham số cơng
năng Z  X i  . Cơng trình thỏa mãn điều kiện ổn định theo một trạng thái giới
hạn nào đó khi:
Z  X1 , X 2 ,..., X n   0
(2-1)
Trong đó: X i i  1,2,3,..., n  là các biến số cơ bản gồm: các tác động vào cơng
trình, tính năng của vật liệu đất, đá, vật liệu xây dựng và tính bất định của mơ
hình thiết kế.
2.5.3 Các quan điểm về cơ chế phá hoại
Trong một hệ thống hoặc ở một cơng trình, mỗi cơ chế phá hoại có thể thiết lập
được một hàm tin cậy. Cơ chế phá hoại ở các cơng trình đầu mối có thể diễn ra
theo quy luật (PHQL) hoặc không quy luật (PHKQL). PHQL là các phá hoại
xảy ra ở kết cấu hoặc cơng trình mà việc mơ phỏng các cơ chế phá hoại đã được
định dạng thành những quy luật ứng với từng loại cơng trình. PHKQL là các
phá hoại xảy ra ở một hệ kết cấu có sự suy thối: cơng trình có khuyết tật trong
q trình thi cơng hoặc những cơng trình hiện hữu đang có hư hỏng về kết cấu,
… nên các cơ chế phá hoại thường khơng cịn tn theo các quy luật thơng
thường.
2.6 Kết luận Chƣơng 2
Chương 2 đã giới thiệu các cơ sở lý thuyết về cơng trình thủy lợi làm căn cứ
xây dựng các thuật toán, các sơ đồ khối cho các bài tốn tính xác suất an tồn
theo cấp độ II và cấp độ III cho cơng trình đầu mối hồ chứa thủy lợi trong
chương 3.
CHƢƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ AN TỒN CƠNG TRÌNH
ĐẦU MỐI HỒ CHỨA THỦY LỢI THEO ĐỘ TIN CẬY
3.1 Đặt vấn đề

Trong chương 3 mới phân tích và đánh giá xác suất an tồn cho các cơng trình
10


đầu mối hồ chứa thủy lợi có đập dâng là đập đất, các đập tràn hoặc ngưỡng
đường tràn thuộc dạng đập bê tông tràn nước, cống ngầm đặt trong đập đất. Để
tính xác suất an tồn cho tất cả các loại sơ đồ đầu mối là một khối lượng nghiên
cứu lớn, bởi vậy đối tượng nghiên cứu trong phạm vi của luận án là đầu mối hồ
chứa được mô phỏng theo hệ thống có liên kết nối tiếp. Các nội dung tính tốn,
các cơ chế phá hoại, các tải trọng, tác động, ... trong các bài tốn kiểm tra an
tồn cơng trình thực hiện theo hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn Việt Nam hiện
hành.
3.2 Phân tích và đánh giá an tồn cơng trình đầu mối hồ chứa theo lý
thuyết độ tin cậy cấp độ II
3.2.1 Mô phỏng các sự cố của cơng trình đầu mối hồ chứa
Sù cè hƯ thống

Sự cố công trình tháo lũ

Sự cố vỡ đập
hoặc

hoặc

hoặc

hoặc

Phá hoại cục bộ

Phá hoại tổng thể
hoặc hoặc

hoặc

Tràn Nứt
Tổ Tr-ợt
đỉnh ngang, mối mái
th-ợng
đập nứt dọc
l-u
đập

hoặc

hoặc

hoặc

hoặc

hoặc

hoặc

Phá hoại khác
và

và

hoặc

hoặc

hoặc

và

và

và

Tr-ợt ống Thiết bị Thấm Biến Lún Tr-ợt Lật Hỏng Xói
mái thấm chống tiếp
hình
liên tiêu
hạ
năng
thấm
sóng bị xóc
kÕt
l-u
lón sơt
cưa
ra

vµ

vµ

H- ThÊm H- HG·y
háng tiÕp háng háng cèng
vËt xóc cửa cửa
hoặc
liệu
van vào
Lún Thân
nền cống
khuyết
tật

Vỡ
cống
hoặc

Kết cấu
thân
cống
không
đủ sức
chịu tải

hoặc

Phá hoại cục bộ Phá hoại
khác

hoặc

và

Sự cố công trình khác

hoặc

hoặc

Phá hoại cục bộ Phá hoại khác Phá hoại tổng thể

Phá hoại tổng thể

và

Sự cố cống ngầm

và

và

và

và

Hhỏng
khớp
nối

Thấm
qua
bê

tông
thân
cống

Hhỏng
cửa
van

Vấn
đề
thủy
lực

Kết
cấu
cống
có
khuyết
tật

Hỡnh 3-1. S cõy s c cỏc cơng trình trong đầu mối hồ chứa nước
Với quan điểm coi các hư hỏng là nguyên nhân dẫn đến sự cố cơng trình hay sự
cố hệ thống cơng trình, nên hệ thống bị sự cố là do nhiều nguyên nhân gây ra và
cần thiết phải mô phỏng sự cố hệ thống đầu mối hồ chứa theo một sơ đồ dạng
cây, gọi là cây sự cố. Hình 3-1 là một ví dụ về cây sự cố cơng trình đầu mối ở
hồ chứa, trong đó mỗi hư hỏng có thể được mơ phỏng theo một cơ c
hế
phá hoại có nguy cơ dẫn đến sự cố cơng trình hoặc sự cố hệ thống.
3.2.2

Thiết lập hàm tin cậy

Hàm số biểu thị mối quan hệ giữa sức chịu tải và tải trọng tác dụng vào cơng
trình được gọi là hàm tin cậy. Với mỗi cơ chế phá hoại sẽ thiết lập được một
hàm tin cậy (HTC) như công thức (3-1).
Z  R  xi   N  y j 
(3-1)
N  y j  - Hàm tải trọng; R  xi  - Hàm sức chịu tải; xi , yi - Là các biến số cơ gồm:
các lực, các tác động phát sinh từ môi trường nước, các lực và các ảnh hưởng
của môi trường nền thơng qua tính chất của đất đá cũng như các tải trọng phát
sinh từ mơi trường cơng trình thơng qua tính chất của vật liệu xây dựng.
11


Luận án đã xây dựng được một số hàm tin cậy cho các cơ chế sự cố của đập
đất, đập tràn và cống ngầm từ việc phân tích các sự cố có thể xảy ra với các
cơng trình này.
3.2.3 Tính tốn xác suất an tồn cho từng cơ chế sự cố
- Kiểm định luật phân bố xác suất của các biến ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn khi
bình - phương  2 , xác định các đặc trưng thống kê: kỳ vọng    và độ lệch
chuẩn   của các biến ngẫu nhiên.
- Chỉ số độ tin cậy    , xác suất an toàn của các cơ chế sự cố  PZ 0  được xác
định theo công thức (3-24) và (3-25) trong các trường hợp: HTC là tuyến tính,
các biến ngẫu nhiên tuân theo luật phân bố chuẩn; HTC là phi tuyến, các biến
ngẫu nhiên tuân theo luật phân bố chuẩn; HTC là phi tuyến hoặc tuyến tính với
các biến ngẫu nhiên có luật phân bố xác suất bất kỳ.

 Z
(3-24)

 

Z

P Z 0      

(3-25)
3.2.4 Đánh giá xác suất an toàn các cơng trình trong đầu mối hồ chứa
Lập ma trận xác suất làm việc an tồn của các cơng trình trong đầu mối hồ chứa
như bảng 3-1, với giả thiết có n cơng trình trong hệ thống và m cơ chế sự cố
xảy ra với từng cơng trình đó. Căn cứ vào mối liên kết “hoặc, và” giữa các cơ
chế sự cố để xác định xác suất an toàn cho từng cơng trình PatCTi .
Bảng 3-1. Ma trận xác suất làm việc an tồn của các cơng trình trong hệ thống
Sự cố
1
2
3
4
….
m
Xác suất an tồn
của cơng trình

Cơng trình 1
P11
P12
P13
P14
….

Cơng trình 2
P21
P22
P23
P24
….

Cơng trình 3
P31
P32
P33
P34
….

….
….
….
….
….
….
….

Cơng trình n
Pn1
Pn2
Pn3
Pn4
….

PatCT 1

PatCT 2

PatCT 3

….

PatCTn

3.2.5 Đánh giá xác suất an tồn của đầu mối hồ chứa
Các cơng trình trong đầu mối hồ chứa làm việc theo sơ đồ ghép nối tiếp, với giả
thiết các cơng trình làm việc độc lập, xác suất làm việc an toàn của hệ thống
đầu mối hồ chứa PatHT được xác định theo cơng thức (3-48). Các thuật tốn tính
xác suất an tồn hệ thống theo cấp độ II được thực hiện theo các bước tính trên
sơ đồ khối hình 3-6.
n
(3-48)
PatHT   PatCTi
i 1

12


Hình 3-6. Sơ đồ khối tính xác suất an tồn (XSAT) của hệ thống đầu mối hồ
chứa theo cấp độ II
13


3.2.6

Phạm vi ứng dụng của bài toán cấp độ II trong luận án

Bài tốn sử dụng vào trong các tính tốn kiểm tra ổn định và độ bền của cơng
trình đầu mối khi thiết kế cơng trình, đánh giá chất lượng trong thi cơng, kiểm
định chất lượng các cơng trình hiện hữu theo định kỳ hoặc khi xảy ra sự cố. Bài
tốn cịn được sử dụng vào một số nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng và quản
lý an toàn hồ đập như: nghiên cứu lựa chọn phương án vận hành hồ chứa; bài
tốn phân tích an tồn hệ thống; bài tốn phân tích rủi ro của sự cố đập.
Tính xác suất an tồn cơng trình đầu mối hồ chứa theo lý thuyết độ
tin cậy cấp độ III
3.3.1 Sự cần thiết xây dựng bài tốn tính xác suất an tồn cơng trình theo
cấp độ III
Các tính tốn xác suất an tồn đập có nhiều trường hợp khơng phù hợp với giả
thiết của bài tốn cấp độ II. Phân tích số liệu quan trắc của một số hồ có nhiều
số liệu quan trắc như Hịa Bình, Vĩnh Sơn, Phú Ninh, Trị An và Yên Lập cho
thấy các số liệu về quan trắc mực nước, cột nước thấm và chuyển vị theo 2
phương (đứng và ngang) ở 5 hồ kể trên hầu như không tuân theo luật phân bố
chuẩn. Như vậy việc áp dụng lý thuyết độ tin cậy cấp độ II để tính xác suất an
tồn cho cơng trình đầu mối hồ chứa trong điều kiện Việt Nam vẫn còn nhiều
hạn chế, cần tiếp tục nghiên cứu. Các tính tốn theo cấp độ III là để tìm ra độ
tin cậy của cơng trình trong những trường hợp này, và để giải bài tốn có thể
dùng phương pháp giải tích hoặc phương pháp Monte Carlo. Hướng nghiên cứu
phát triển của luận án là sử dụng phương pháp Monte Carlo để tính xác suất
làm việc an tồn của cơng trình.
3.3.2 Thiết lập hàm tin cậy Z
Nguyên lý và các bước thiết lập HTC ứng với từng cơ chế phá hoại cho bài toán
cấp độ III giống như bài toán cấp độ II, HTC tổng quát như công thức 3-1. Hàm
Z được tạo nên bằng cách tạo n lần các biến ngẫu nhiên của hàm Z theo đúng
luật phân bố xác suất của chúng, từ đó tìm được n giá trị của hàm Z, sau đó sử
dụng cơng thức trong thống kê để tìm xác suất sự cố hoặc xác suất an tồn.

3.3.3 Tính xác suất an tồn các cơng trình trong đầu mối hồ chứa theo
phương pháp Monte Carlo
3.3.3.1 Thể hiện các biến ngẫu nhiên theo đúng luật phân bố xác suất
Sử dụng phương pháp Monte Carlo để tạo lập rất nhiều biến ngẫu nhiên  
trong hàm tin cậy Z theo đúng luật phân bố xác suất của các biến đó. Biến 
3.3

14


được tạo ra từ hàm ngược  F 1  R   của hàm phân bố xác suất F(x).
  F 1  R 

(3-54)

Trong đó: R là số ngẫu nhiên có phân bố đều trong khoảng (0,1).
Trong nghiên cứu này mới đề cập đến việc kéo dài một số luật phân bố xác suất
thường gặp ở các đầu mối hồ chứa thủy lợi Việt Nam: luật phân bố chuẩn, loga
chuẩn, mũ, Rayleigh, Weibull và gamma.
3.3.3.2 Xác suất an toàn của các cơ chế sự cố theo phương pháp Monte
Carlo
Để kết quả ổn định và hội tụ thì số lần mô phỏng về hàm tin cậy N  2,14.109 .
Xác suất an tồn được xác định theo cơng thức (3-75), m là số lần Z  0 .
Pat  m / N
(3-75)
3.3.3.3 Xác suất an tồn của các cơng trình
Tương tự như bài tốn cấp độ II, lập bảng ma trận xác làm việc an toàn (bảng 31) và tính xác suất an tồn của từng cơng trình căn cứ vào mối liên kết “hoặc”,
“và” giữa các cơ chế sự cố của cơng trình.
3.3.4 Xác suất an tồn của đầu mối hồ chứa nước
Tương tự như bài toán cấp độ II, xác suất làm việc an toàn của hệ thống được

tính như cơng thức (3-48). Các thuật tốn tính xác suất an toàn cho đầu mối hồ
chứa theo phương pháp Monte Carlo được thực hiện theo sơ đồ khối hình 3-8.
3.3.5
Phạm vi ứng dụng của bài tốn cấp độ III trong luận án
Bài toán cấp độ III áp dụng cho các bài tốn tính ổn định và độ bền cơng trình
đầu mối cũng như các nghiên cứu như bài toán cấp II. Tuy nhiên trong phạm vi
của luận án mới chỉ kiểm nghiệm bằng số liệu cụ thể cho bài toán tràn nước qua
đỉnh đập, căn cứ vào luật phân bố xác suất của các biến ngẫu nhiên trong hàm
tin cậy này mà luận án mới đề cập đến các biến ngẫu nhiên có luật phân bố
chuẩn, loga chuẩn, phân bố mũ, Rayleigh, Weillbul và phân bố gamma, và đây
cũng là các phân bố xác suất thường gặp ở các đầu mối hồ chứa nước thủy lợi
Việt Nam.
3.4 Mối quan hệ giữa chỉ số độ tin cậy và hệ số an tồn
Để tìm xác suất an tồn của cơng trình có thể phân tích quan hệ giữa chỉ số độ
tin cậy    và hệ số dự trữ K theo công thức (3-79).
K 1
(3-79)

K 2 . R2   N2

Trong đó:  R   ;  N  
R
N
R

N

15

Hình 3-8. Sơ đồ khối tính xác suất an tồn của hệ thống đầu mối hồ chứa theo
cấp độ III
16


Xây dựng chƣơng trình tính xác suất an tồn cho đầu mối hồ chứa
nƣớc
Chương trình SYPRO2016 sử dụng ngơn ngữ C++ để thực hiện các thuật toán
trong sơ đồ khối hình 3-9, ngơn ngữ Java để xây dựng các giao diện tính tốn.
Khi thực hiện các đánh giá an tồn cho các cơng trình đầu mối hồ chứa, phần
mềm SYPRO2016 đã thể hiện được một số ưu điểm như sau:
- Trong phạm vi nghiên cứu của luận án các kết quả tính tốn độ tin cậy từ phần
mềm SYPRO2016 và các phần mềm đã có: Bestfit, Vap, Open FTA, ... là tương
đương đương nhau. Các phần mềm: Bestfit, Vap, Open FTA được dùng để
phân tích độ tin cậy của nhiều loại hệ thống, trong khi phần mềm SYPRO2016
được viết riêng để tính cho đầu mối hồ chứa thủy lợi. Do vậy phần mềm
SYPRO2016 có khả năng nhận biết và xử lý tốt một số biến đặc trưng của hồ
chứa mà phần mềm Bestfit chưa xử lý hiệu quả được.
- Chỉ cần sử dụng SYPRO2016 có thể tính được xác suất an toàn của hệ thống:
xử lý số liệu đầu vào, tính xác suất an tồn các cơ chế sự cố, tính xác suất an
tồn của cơng trình và hệ thống cơng trình. Nếu sử dụng các phần mềm: Bestfit,
Vap, Open FTA thì phải tính liên tiếp 3 phần mềm này mới tìm được kết quả
cuối cùng, hơn nữa một số kết quả của phần mềm trước (Bestfit) lại chưa phải
là đầu vào của phần mềm sau (Vap) mà cần thông qua việc hiệu chỉnh tính tốn,
vấn đề này sẽ gây khó khăn cho người sử dụng.
- Các giao diện của phần mềm SYPRO2016 đơn giản, tiện dụng và hiệu quả với
các đối tượng sử dụng: người thiết kế, người quản lý và khai thác vận hành, ….
3.6 Kết luận Chƣơng 3
- Từ việc phân tích các hư hỏng và sự cố có thể xảy ra với hệ thống đầu mối hồ
chứa đã mô phỏng được các nguyên nhân dẫn đến sự cố hệ thống thông qua sơ

đồ cây sự cố. Phân tích các sự cố có khả năng xảy ra với từng cơng trình: đập
đất, đập tràn và cống ngầm để thiết lập các hàm tin cậy cho các cơ chế sự cố đó.
- Xây dựng được thuật tốn và sơ đồ khối theo lý thuyết độ tin cậy cấp độ II và
cấp độ III để tính: xác suất an toàn của các cơ chế sự cố và mức độ ảnh hưởng
của các biến ngẫu nhiên; xác suất an toàn của các cơng trình (đập đất, đập tràn
và cống ngầm) và mức độ ảnh hưởng của từng cơng trình đến an toàn chung
của hệ thống; xác suất an toàn của hệ thống đầu mối hồ chứa làm việc theo sơ
đồ nối tiếp.
- Viết được chương trình SYPRO2016 để tính xác suất an toàn theo cấp độ II và
cấp độ III cho đầu mối hồ chứa thủy lợi làm việc theo sơ đồ nối tiếp. Chương
trình đã được kiểm định và có độ chính xác cần thiết để tính độ tin cậy cho hệ
thống cơng trình đầu mối hồ chứa.
3.5

17


Hình 3-9. Sơ đồ khối xây dựng chương trình SYPRO2016
18


CHƢƠNG 4 ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ AN TỒN CƠNG TRÌNH ĐẦU
MỐI HỒ CHỨA NƢỚC PHÚ NINH – QUẢNG NAM
4.1 Đặt vấn đề
Chương 4 sẽ ứng dụng phương pháp luận đã xây dựng trong chương 3 kết hợp
với công cụ là phần mềm SYPRO2016 để tính xác suất an tồn cho đầu mối hồ
chứa nước Phú Ninh - Quảng Nam làm việc theo sơ đồ ghép nối tiếp. Nội dung
tính tốn là: xác định xác suất an toàn của đầu mối hồ chứa nước Phú Ninh theo
cấp mực nước hồ trong q trình vận hành và tính tốn lại các thơng số cơ bản
của đập đất theo lý thuyết độ tin cậy để đảm bảo chức năng làm việc của hồ

chứa.
4.2 Giới thiệu về hệ thống thủy lợi Phú Ninh – Quảng Nam
Hồ chứa Phú Ninh là cơng trình cấp I được xây dựng trên sông Tam Kỳ thành
phố Tam Kỳ tỉnh Quảng Nam. Hồ Phú Ninh có nhiệm vụ: cấp nước, phát điện,
nuôi trồng thủy sản, du lịch sinh thái và cắt lũ cho hạ du thành phố Tam Kỳ. Hệ
thống cơng trình đầu mối hồ chứa gồm: 1 đập chính, 5 đập phụ (Tứ Yên, Long
Sơn1, 2, 3 và đập Dương Lâm), 3 tràn xả lũ, 3 cống lấy nước (cống Nam, cống
Bắc và cống Dương Lâm) và nhà máy thủy điện.
4.3 Tính xác suất an tồn của hệ thng Phỳ Ninh theo cp II
Sự cố đầu mối hồ
chứa n-ớc Phú Ninh
hoặc
Đập chính

Đập phụ
Tứ Yên

Đập phụ
Đập phụ
Long Sơn1 Long Sơn 2

Đập phụ
Long Sơn 3

Đập phụ
D-ơng Lâm

hoặc

N-ớc tràn

đỉnh đập

Tr-ợt mái
hạ l-u đập

Xói vị trí
chân khay

Xói vị trí cửa ra
của dòng thấm

Đập tràn
số 2

Đập tràn
số 3

Cống
Nam

Cống
Bắc

hoặc

Biến hình thấm
thông th-ờng
hoặc

Đập tràn

số 1

Ng-ỡng tràn
bị tr-ợt phẳng

Biến hình thấm
đặc biệt

Cống
D-ơng Lâm

hoặc

Ng-ỡng tràn
bị lật

Xói dọc theo
mang cống

Thân cống
không đủ khả
năng chịu lực

hoặc
Hang thấm tập
trung trong thân đập

Hang thấm tập trung
trong nền đập

Hỡnh 4-2. Cõy sự cố đầu mối hồ chứa nước Phú Ninh - Quảng Nam
Sơ đồ cây sự cố hình 4-2 được xây dựng sau khi thực hiện các quan sát, khảo
sát hiện trường đồng thời tiến hành các nghiên cứu và phân tích các tài liệu lưu
trữ bao gồm: hồ sơ thiết kế, hồ sơ thi cơng, hồ sơ hồn cơng, có các kết luận sơ
bộ về hiện trạng hồ và các cơng trình đầu mối hồ chứa nước Phú. Từ đó tính
xác suất an tồn cho: từng cơ chế sự cố; từng cơng trình và hệ thống cơng trình.
19


Hình 4-27. Xác suất an tồn của đầu mối hồ chứa Phú Ninh - Quảng Nam
- Khi mực nước hồ tăng dần từ Zmn = +28,17 đến Zmn= +34,44 thì xác suất an
toàn của đầu mối Phú Ninh giảm nhanh từ PatHT  0,99714 xuống PatHT  0,89581
hay chỉ số độ tin cậy của hệ thống giảm nhanh từ  HT  2,8 xuống  HT  1,26 .
- Khi Z mn  33, 30 độ tin cậy của hệ thống luôn lớn hơn độ tin cậy tiêu chuẩn
P   P  0,95 , nên hệ thống làm việc an toàn theo tiêu chuẩn về độ tin cậy cho
phép. Khi Z mn  33, 30 hệ thống đầu mối có độ tin cậy khá nhỏ và nhỏ hơn độ
tin cậy tiêu chuẩn P   P  0,95 , do vậy theo các tiêu chuẩn về độ tin cậy thì hệ
thống Phú Ninh có khả năng bị sự cố, và nguyên nhân dẫn đến sự cố do một
trong những cơng trình trong hệ thống có độ tin cậy khơng cao bị sự cố như:
đập chính, đập phụ Tứ Yên, đập phụ Long Sơn 1, 2, 3 và đập phụ Dương Lâm.
Các cống ngầm và các đập tràn là những thành phần cơng trình có độ tin cậy
lớn nên có ảnh hưởng rất nhỏ đến sự mất an toàn của hệ thống đầu mối.
- Như vậy, an toàn của hệ thống Phú Ninh có thể chia làm 3 mức: Bị ảnh hưởng
lớn (81,87%) từ đập chính và đập phụ Tứ Yên; Ảnh hưởng nhỏ (16,13%) từ đập
phụ Long Sơn 1, 2, 3 và đập phụ Dương Lâm; Ít bị ảnh hưởng (2%) từ các cống
(cống Bắc, cống Nam và cống Dương Lâm) và các đập tràn (đập tràn số 1, đập
tràn số 2 và đập tràn số 3).
Từ việc phân tích độ tin cậy của đầu mối chỉ ra rằng các đập đất (đập chính và
đập Tứ Yên) là các phần tử có độ tin cậy thấp hơn các phần tử khác trong hệ
thống do đó đây là những phần tử yếu nhất trong hệ thống. Khi hệ thống vận

hành thì những phần tử này có nguy cơ bị sự cố đầu tiên, bởi vậy cần phải phân
20


bổ độ tin cậy và trọng số thích hợp cho những cơng trình này khi thiết kế mới
hoặc cần nâng cấp, sửa chữa hệ thống đầu mối.
4.4 Tính tốn kích thƣớc cơ bản của đập chính Phú Ninh theo lý thuyết
độ tin cậy
Để thiết kế mới một hệ thống đầu mối hồ chứa theo lý thuyết độ tin cậy, cần
biết trước độ tin cậy cho phép của hệ thống rồi phân bổ độ tin cậy và các trọng
số phù hợp cho các cơng trình trong hệ thống và các sự cố của từng cơng trình.
Sau đó thực hiện tất cả các bước tính tốn giống như khi đánh giá độ tin cậy
của hệ thống. Đập chính được thiết kế với độ tin cậy cho phép P  0,98 , phân
chia P  0,98 cho các cơ chế sự cố của đập chính theo nguyên tắc độ tin cậy
như nhau. Tính toán độ tin cậy cho 4 cơ chế sự cố và xác định kích thước sơ bộ
của đập chính như bảng 4-14.
Kích thước mặt cắt cơ bản của đập chính Phú Ninh khi thiết kế theo lý thuyết
độ tin cậy với mức đảm bảo về độ tin cậy là P  0,98 cho kết quả lớn hơn so
với kích thước của mặt cắt ban đầu của đập chính. Do vậy có thể thấy mặt cắt
đập chính Phú Ninh hiện tại được thiết kế với mức đảm bảo thấp hơn so với các
tiêu chuẩn về độ tin cậy của Nga.
Bảng 4-14. Kích thước cơ bản của đập chính tính theo độ tin cậy tiêu chuẩn
Cơ chế sự cố
Độ tin cậy tiêu chuẩn
Kích thước của đập
Giá trị thiết kế

4.5

Nước tràn

đỉnh đập
0,99496
Zdd (m)
38,5

Trượt mái
thượng lưu
0,99496
m1
4,5

Trượt mái
hạ lưu
0,99496
m2
4,0

Hình thành hang
thấm trong nền đập
0,99496
Lđ (m)
318,6

Tính xác suất an tồn của đập chính Phú Ninh theo cấp độ III

Hình 4-33. Xác suất an tồn của đập chính theo LTĐTC cấp độ II, cấp độ III
21


Xác suất an tồn của đập chính khi tính theo cấp độ II có lớn hơn so với khi

tính theo cấp độ III nhưng không nhiều, khi mực nước mực nước hồ thay đổi từ
Zmn = +32,00 đến Zmn = +34,00 xác suất an tồn của đập chính theo cấp độ II
lớn hơn từ 1% đến 2% so với độ tin cậy tính với cấp độ III.
4.6 Kết luận Chƣơng 4
- Sử dụng SYPRO2016 đánh giá được độ tin cậy của hệ thống đầu mối hồ chứa
Phú Ninh. Trên cơ sở so sánh với độ tin cậy tiêu chuẩn của Nga đã có các kết
luận về mức độ tin cậy của từng cơng trình và hệ thống, và có các gợi ý về biện
pháp xử lý trong trường hợp hệ thống hoặc từng cơng trình có nguy cơ sự cố.
- Sử dụng SYPRO2016 để tính tốn kích thước cơ bản của đập chính Phú Ninh
theo độ tin cậy tiêu chuẩn phân bố cho từng cơ chế sự cố của đập. Kết quả tính
tốn cho thấy, khi thiết kế với mức đảm bảo lớn hơn thì cho kết quả về mặt cắt
cơ bản là lớn hơn so với thiết kế cũ.
- Khi thực hiện tính tốn độ tin cậy cho cơ chế sự cố nước tràn đỉnh đập theo
phương pháp Monte Carlo và so sánh với các tính tốn ở cấp độ II thấy rằng:
các kết quả độ tin cậy tính theo cấp độ II có lớn hơn so với cấp độ III, nhưng
khơng nhiều. Trong tính tốn thường sử dụng cấp độ II, nhưng cũng cần phải
xem xét tầm quan trọng của cơng trình để xác định cấp độ tính toán phù hợp.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
I. Kết quả đạt đƣợc của luận án
1. Luận án đã đánh giá được các ưu, nhược điểm và khả năng ứng dụng của các
phương pháp thiết kế đang được ứng dụng cho các cơng trình thủy lợi ở Việt
Nam và trên thế giới, từ đó chỉ ra rằng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên có kế
thừa và tiến bộ hơn các phương pháp thiết kế truyền thống. Phân tích được các
quan điểm nghiên cứu theo lý thuyết độ tin cậy của các công trình thủy lợi ở
trong nước và nước ngồi, từ đó rút ra được các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu
cho đầu mối hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam.
2. Trên cơ sở khái quát được dạng cấu trúc điển hình cho việc áp dụng lý thuyết
độ tin cậy vào việc tính xác suất an tồn của hệ thống, luận án đã áp dụng các lý
thuyết về cơng trình thủy lợi, lý thuyết về hệ thống và lý thuyết về độ tin cậy để
xây dựng được phương pháp đánh giá độ tin cậy cho cơng trình đầu mối hồ

chứa nước theo cấp độ II và cấp độ III, phục vụ cho việc đánh giá định lượng
độ tin cậy của các cơng trình thủy lợi trong điều kiện Việt Nam.
3. Xây dựng được các thuật toán và các sơ đồ khối tương ứng để tính xác suất
an tồn của cơng trình và độ tin cậy của hệ thống theo lý thuyết độ tin cậy cấp
độ II và cấp độ III, xây dựng được các hàm tin cậy cho các cơ chế sự cố có thể
22


xảy ra với các cơng trình trong đầu mối: đập đất, đập tràn và cống ngầm. Từ đó
xây dựng được phần mềm tính độ tin cậy đầu mối hồ chứa SYPRO2016, phần
mềm đã được kiểm định và có đủ độ tin cậy để tính xác suất an tồn cho các
cơng trình đầu mối hồ chứa làm việc theo sơ đồ nối tiếp gồm các cơng trình:
đập đất, đập bê tơng tràn nước và cống ngầm.
4. Sử dụng phần mềm SYPRO2016 đã tính được xác suất an tồn cho từng
cơng trình và toàn hệ thống đầu mối hồ chứa nước Phú Ninh - Quảng Nam. Sau
khi so sánh với độ tin cậy tiêu chuẩn của Nga đã đưa ra các kết luận về mức độ
tin cậy của từng cơng trình và hệ thống, trên cơ sở đó có các gợi ý về biện pháp
cơng trình trong trường hợp hệ thống hoặc từng cơng trình có nguy cơ sự cố.
a) Xác định được bằng định lượng các biến ngẫu nhiên (mực nước, chỉ tiêu cơ
lý của đất, kích thước cơng trình), các cơ chế sự cố có ảnh hưởng lớn đến sự
làm việc an tồn của cơng trình là trượt mái hạ lưu, nước tràn đỉnh đập. Đây là
căn cứ đưa ra các kiến nghị về mức độ quan trắc, đo đạc các biến ngẫu nhiên để
kết quả tính tốn đảm bảo độ tin cậy yêu cầu.
b) Luận án xác định được mức độ quan trọng của từng cơng trình trong đầu mối
để có thứ tự ưu tiên hợp lý khi duy tu bảo dưỡng cũng như khi thiết kế nâng cấp
công trình, trong nghiên cứu này: các đập đất đặc biệt là đập chính và đập phụ
Tứ n có ảnh hưởng lớn nhất đến an toàn của hệ thống, trong khi các cống
ngầm và các đập tràn có ảnh hưởng nhỏ hơn nhiều.
c) Luận án đã so sánh các kết quả tính tốn về ổn định mái hạ lưu các đập đất
và ổn định tổng thể của các ngưỡng tràn của hệ thống Phú Ninh theo phương

pháp thiết kế ngẫu nhiên và phương pháp thiết kế truyền thống để rút ra nhận
xét định hướng: hệ số an tồn tính theo phương pháp thiết kế truyền thống
thường lớn hơn so với phương pháp thiết kế ngẫu nhiên. Khi sử dụng tiêu
chuẩn về độ tin cậy của Nga để thiết kế mới đập chính Phú Ninh thấy rằng: mặt
cắt đập chính lớn hơn so với mặt cắt ban đầu, chứng tỏ đập Phú Ninh hiện tại
đã được thiết kế với các tiêu chuẩn thấp hơn so với tiêu chuẩn về độ tin cậy.
d) Luận án đã tính độ tin cậy của đập chính theo cấp độ III, sau khi so sánh với
cấp độ II thấy rằng: độ tin cậy tính được theo cấp độ II có lớn hơn so với cấp độ
III nhưng khơng nhiều. Do vậy trong tính tốn thường với cơng trình quan
trọng mới thực hiện các tính tốn độ tin cậy theo cấp độ III.
II. Những đóng góp mới của luận án
1. Xây dựng được cây sự cố và thiết lập được phương pháp tính tốn, thuật tốn
xác định độ an tồn của cơng trình đầu mối hồ chứa theo cấp độ II và cấp độ III
trên cơ sở phân tích đầy đủ các yếu tố gây sự cố cho đầu mối hồ chứa thủy lợi
có đập dâng là đập đất.
23