Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI CẦM THỊ LAN HƢƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ CHỨA THỦY LỢI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI CẦM THỊ LAN HƢƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ CHỨA THỦY LỢI VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 9580202 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. NGND.GS.TS PHẠM NGỌC QUÝ 2. PGS.TS MAI VĂN CÔNG HÀ NỘI, NĂM 2020 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Cầm Thị Lan Hƣơng i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hƣớng dẫn NGND. GS.TS Phạm Ngọc Quý, PGS.TS Mai Văn Công đã luôn định hƣớng và sát sao cùng Tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Bộ môn Thủy công, Khoa Công trình - Trƣờng Đại học Thủy lợi, các đồng chí lãnh đạo và đồng nghiệp tại Tổng cục Thủy lợi nơi Tác giả đang công tác đã tạo điều kiện về thời gian, động viên Tác giả hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu của mình. Từ đáy lòng mình, Tác giả xin đƣợc cảm ơn đến các thày cô và các nhà khoa học trong và ngoài Trƣờng đã quan tâm góp ý về chuyên môn cho Tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và đặc biệt trong giai đoạn hoàn thiện luận án. Và đặc biệt, Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên, khích lệ để Tác giả hoàn thành luận án tiến sĩ của mình. ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU ................................................................ xii MỞ ĐẦU…….. ...............................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2 4. Hƣớng tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu........................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................3 6. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ AN TOÀN HỒ CHỨA, ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ CHỨA THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO ................5 1.1 Tổng quan về an toàn hồ chứa, lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro ............5 1.1.1 Khái niệm về an toàn hồ chứa, lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro ....5 1.1.2 Vấn đề ngập lụt hạ du ................................................................................6 1.1.3 Một số sự cố hồ chứa nƣớc trên thế giới....................................................8 1.1.4 Hiện trạng hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam....................................................9 1.1.5 Một số sự cố hồ chứa thủy lợi những năm gần đây .................................11 1.1.6 Nguyên nhân dẫn đến sự cố hồ chứa nƣớc ..............................................13 1.1.7 Một số giải pháp tăng cƣờng quản lý an toàn hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam….. .................................................................................................................18 1.2 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng LTĐTC và PTRR trong lĩnh vực thủy lợi và đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc .............................................................................19 1.2.1 Các nghiên cứu điển hình trên thế giới ....................................................19 1.2.2 Các nghiên cứu trong nƣớc ......................................................................21 1.2.3 Các công cụ giải hàm tin cậy của cơ chế sự cố........................................25 1.3 Tồn tại của nghiên cứu đánh giá an toàn hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam ..........26 1.4 Định hƣớng nghiên cứu và các vấn đề cần giải quyết của Luận án .................28 1.5 Kết luận Chƣơng 1 ............................................................................................ 28 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ CHỨA......................................29 iii 2.1 Lý thuyết độ tin cậy trong đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc .............................. 29 2.1.1 Độ tin cậy của một cơ chế sự cố .............................................................. 29 2.1.2 Sơ đồ cây sự cố ........................................................................................ 41 2.1.3 Hàm tin cậy của một hệ thống .................................................................42 2.2 Phân tích rủi ro ngập lụt vùng hạ du hồ chứa ...................................................46 2.2.1 Định nghĩa rủi ro ngập lụt vùng hạ du hồ chứa .......................................46 2.2.2 Nguyên lý và trình tự phân tích rủi ro ngập lụt hạ du hồ chứa ................46 2.3 Hậu quả ngập lụt hạ du và xác định thiệt hại ngập lụt hạ du hồ chứa ..............48 2.3.1 Hậu quả của ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc ...............................................48 2.3.2 Phƣơng pháp đánh giá thiệt hại vùng hạ du hồ chứa nƣớc ......................49 2.4 Đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du .....................53 2.4.1 Đánh giá rủi ro ngập lụt hạ du .................................................................53 2.4.2 Đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc................................................................ 58 2.5 Kết luận Chƣơng 2 ............................................................................................ 58 CHƢƠNG 3 THIẾT LẬP BÀI TOÁN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ CHỨA CÓ XÉT ĐẾN NGẬP LỤT HẠ DU ............................................................................................. 59 3.1 Sơ đồ hóa mối liên hệ giữa CTĐM và vùng hạ du ...........................................59 3.1.1 Sơ đồ hóa công trình đầu mối ..................................................................59 3.1.2 Sơ đồ hóa vùng ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc ..........................................61 3.1.3 Kết nối giữa an toàn công trình đầu mối và ngập lụt hạ du .....................62 3.1.4 Giới hạn trƣờng hợp nghiên cứu .............................................................. 64 3.2 Thiết lập sơ đồ cây sự cố của hồ chứa nƣớc .....................................................65 3.2.1 Cơ chế sự cố và sơ đồ cây sự cố của đập đất ...........................................66 3.2.2 Cơ chế sự cố và sơ đồ cây sự cố của tràn xả lũ .......................................67 3.2.3 Cơ chế sự cố và sơ đồ cây sự cố của cống lấy nƣớc ................................ 68 3.3 Thiết lập hàm độ tin cậy của cơ chế sự cố hồ chứa nƣớc .................................70 3.3.1 Nguyên tắc thiết lập .................................................................................70 3.3.2 Một số hàm tin cậy của đập đất ............................................................... 75 3.3.3 Một số hàm tin cậy của tràn xả lũ ............................................................ 79 3.3.4 Một số hàm tin cậy của cống lấy nƣớc ....................................................80 3.3.5 Giải hàm tin cậy ....................................................................................... 82 iv 3.4 Bài toán 1: Xác định xác suất sự cố và phân tích độ tin cậy của hệ thống công trình đầu mối hồ chứa nƣớc ....................................................................................... 83 3.4.1 Mục tiêu ...................................................................................................83 3.4.2 Nội dung bài toán .....................................................................................83 3.4.3 Kết quả và ý nghĩa của bài toán 1 ............................................................ 86 3.5 Bài toán 2: Xác định độ tin cậy yêu cầu của công trình đầu mối theo rủi ro ngập lụt hạ du ............................................................................................................86 3.5.1 Mục tiêu ...................................................................................................86 3.5.2 Nội dung bài toán .....................................................................................86 3.5.3 Kết quả và ý nghĩa của Bài toán 2 ........................................................... 90 3.6 Bài toán 3: Thiết kế sửa chữa, nâng cấp công trình đầu mối hồ chứa theo độ tin cậy yêu cầu có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du hồ chứa ...............................................90 3.6.1 Mục tiêu bài toán .....................................................................................90 3.6.2 Nội dung bài toán .....................................................................................91 3.6.3 Kết quả và ý nghĩa của bài toán 3 ............................................................ 93 3.7 Giải pháp bảo đảm an toàn hồ chứa, giảm thiểu rủi ro ngập lụt hạ du .............97 3.7.1 Nhóm giải pháp giảm thiểu rủi ro ngập lụt hạ du ....................................97 3.7.2 Nhóm giải pháp phòng, tránh rủi ro ngập lụt hạ du .................................98 3.7.3 Giải pháp kết hợp giữa giảm thiểu và phòng, tránh rủi ro ngập lụt hạ du…….. .................................................................................................................99 3.8 Kết luận Chƣơng 3 ..........................................................................................100 CHƢƠNG 4 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ NÚI CỐC CÓ XÉT ĐẾN NGẬP LỤT HẠ DU ...........102 4.1 Giới thiệu chung về hồ Núi Cốc...................................................................102 4.1.1 Vị trí, đặc điểm tự nhiên, đặc điểm kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu 102 4.1.2 Khái quát về hồ chứa Núi Cốc ...............................................................103 4.2 Đánh giá hiện trạng an toàn của hồ Núi Cốc có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du….. .......................................................................................................................105 4.2.1 Sơ đồ tiếp cận phân tích an toàn hồ Núi Cốc .........................................105 4.2.2 Xác định xác suất sự cố và chỉ số độ tin cậy hiện trạng của hồ Núi Cốc…… ...............................................................................................................105 v 4.2.3 Xác định độ tin cậy yêu cầu của công trình đầu mối theo rủi ro ngập lụt vùng hạ du ...........................................................................................................111 4.2.4 Kết quả đánh giá an toàn hồ Núi Cốc có xét đến ngập lụt hạ du ...........118 4.2.5 Phân tích lựa chọn giải pháp sửa chữa, nâng cấp hồ Núi Cốc ...............119 4.2.6 Thiết kế hồ Núi Cốc đạt độ tin cậy yêu cầu ...........................................120 4.3 Kết luận Chƣơng 4 ..........................................................................................121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................123 1. Kết quả đạt đƣợc của luận án ..............................................................................123 2. Những đóng góp mới của luận án .......................................................................124 3. Các tồn tại và hƣớng phát triển ...........................................................................125 4. Kiến nghị .............................................................................................................126 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................127 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................128 PHỤ LỤC 134 PHỤ LỤC 1: Thống kê một vài sự cố vỡ đập 10 năm gần đây và các thông số kỹ thuật cơ bản của hồ Núi Cốc ................................................................................................135 PHỤ LỤC 2: Tính toán xác suất sự cố hiện trạng, độ tin cậy yêu cầu của hồ Núi Cốc……………. ..........................................................................................................140 P2.1. Tính toán phân bố xác xuất biến mực nƣớc Zmn...........................................140 P2.2. Một số thông số kỹ thuật công trình ...............................................................142 P2.3. Tính toán XSSC của từng cơ chế thành phần từng hạng mục thuộc CTĐM hồ Núi Cốc ....................................................................................................................143 P2.4: Tính cho trƣờng hợp mực nƣớc cực trị năm có phân bố loga chuẩn Zmn = (46,51; 0,51) ............................................................................................................168 P2.5. Thiết lập đƣờng cong sự cố nƣớc tràn đỉnh đập, mất ổn định mái hạ lƣu đập chính………………………………………………………………………………170 P2.6. Tính toán chi phí đầu tƣ sửa chữa, nâng cấp và chi phí quản lý vận hành PV(M) hồ Núi Cốc, Thái Nguyên ...........................................................................171 P2.7. Đánh giá ngập lụt hạ du và xác định thiệt hại ................................................175 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Bản đồ ngập lụt hạ du hồ Dầu Tiếng ứng với các kịch bản [6] ......................7 Hình 1-2: Hiện trạng đập Bản Kiều khi vỡ [1] ................................................................ 8 Hình 1-3: Đập Edenville bị vỡ do lũ tần suất 1/500 năm [8] ..........................................9 Hình 1-4: Số lƣợng hồ chứa thủy lợi thống kê theo các tỉnh, thành phố ở Việt Nam .....9 Hình 1-5: Bản đồ phân vùng hồ chứa thủy lợi .............................................................. 10 Hình 1-6: Đập Phân Lân (Vĩnh Phúc)………………………………………………..12 Hình 1-7: Hồ Đầm Hà Động (Quảng Ninh) ..................................................................12 Hình 1-8: Hồ Đội 6 (Đắk Lắk)………………………………………………………..12 Hình 1-9: Hồ 201 (Đắk Lắk) ......................................................................................... 12 Hình 2-1: Phân bố xác suất của hàm tin cậy .................................................................29 Hình 2-2: Quan hệ giữa hàm tải trọng (S) và hàm sức chịu tải (R) .............................. 30 Hình 2-3: Miền tính toán tích phân của hàm fR,S(R.S) [30] .........................................36 Hình 2-4: Số lƣợng mẫu yêu cầu N không phụ thuộc vào số biến của hàm Z [29]. .....40 Hình 2-5: Sơ đồ cây sự cố điển hình của hệ thống [31], [43] .......................................43 Hình 2-6: Minh họa cách xác định XSSC của hệ thống nối tiếp [31], [43] ..................43 Hình 2-7: Sơ đồ cây sự cố của hệ thống CTĐM hồ chứa nƣớc ....................................45 Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý phân tích rủi ro ngập lụt hạ du hồ chứa ............................. 47 Hình 2-9: Các bƣớc cơ bản trong phân tích rủi ro ngập lụt hạ du hồ chứa ...................48 Hình 2-10: Thiệt hại đơn vị lớn nhất vùng hạ du hồ chứa nƣớc Dầu Tiếng [6]............52 Hình 2-11: Đƣờng cong thiệt hại vùng hạ du hồ chứa nƣớc Dầu Tiếng [6]. ................52 Hình 2-12: Tối ƣu XSSC theo quan điểm kinh tế [45], [53] .........................................57 Hình 3-1: Một số hình thức bố trí tổng thể CTĐM hồ chứa ở Việt Nam .....................60 Hình 3-2: Sơ họa vùng ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc ...................................................62 Hình 3-3: Sơ đồ hóa tổng quát vùng ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc .............................. 62 Hình 3-4: Sơ đồ kết nối giữa an toàn CTĐM và ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc ..........62 Hình 3-5: Sơ đồ hóa CTĐM và vùng hạ du hồ chứa nƣớc...........................................63 Hình 3-6: Sơ đồ cây sự cố tổng quát ngập lụt vùng hạ du hồ chứa nƣớc....................63 Hình 3-7: Sơ họa hóa tổng quát vùng ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc trƣờng hợp nghiên cứu .................................................................................................................................65 Hình 3-8: Sơ đồ cây sự cố ngập lụt vùng hạ du hồ chứa nƣớc đối với trƣờng hợp nghiên cứu .....................................................................................................................65 Hình 3-9: Sơ đồ cây sự cố của đập ...............................................................................67 Hình 3-10: Sơ đồ cây sự cố của tràn xả lũ....................................................................68 vii Hình 3-11: Sơ đồ cây sự cố của cống lấy nƣớc ............................................................ 70 Hình 3-12. Sơ đồ cơ chế sự cố nƣớc tràn đỉnh đập [34]................................................75 Hình 3-13. Sơ đồ cơ chế trƣợt mái hạ lƣu theo phƣơng pháp Bishop [34], [56] ..........76 Hình 3-14. Sơ đồ cơ chế sự cố do biến hình thấm đặc biệt [34], [56] .......................... 78 Hình 3-15: Minh họa đƣờng cong sự cố nƣớc tràn đỉnh đập [63]và cơ chế mất ổn định mái hạ lƣu đập [23] ............................................................................................. 86 Hình 3-16: Sơ đồ minh họa phân bổ độ tin cậy theo sơ đồ cây sự cố .......................... 92 Hình 3-17: Sơ đồ tiếp cận đề xuất giải pháp nâng cao an toàn hồ chứa nƣớc ..............97 Hình 3-18: Lựa chọn điểm thiết kế nâng cao an toàn hồ chứa, giảm thiểu rủi ro cho vùng hạ du............................................................................................................................... 99 Hình 4-1: Bản đồ vị trí hồ Núi Cốc .............................................................................102 Hình 4-2: Toàn cảnh đầu mối hồ Núi Cốc ..................................................................104 Hình 4-3: Tràn xả lũ hồ Núi Cốc .................................................................................104 Hình 4-4: Cống lấy nƣớc và đập phụ của hồ Núi Cốc ................................................104 Hình 4-5: Sơ đồ tiếp cận giải quyết bài toán ...............................................................105 Hình 4-6: Sơ họa hệ thống CTĐM hồ Núi Cốc...........................................................106 Hình 4 - 7: Sơ đồ cây sự cố CTĐM hồ Núi Cốc .........................................................106 Hình 4 -8: Mặt bằng CTĐM hồ chứa nƣớc Núi Cốc, Thái Nguyên [66] ....................107 Hình 4-9: Phân tích XSSC bằng phần mềm OPEN FTA ............................................108 Hình 4-10: Mức độ ảnh hƣởng của các cơ chế sự cố đến an toàn hồ Núi Cốc ...........110 Hình 4-11: Đƣờng cong sự cố cơ chế nƣớc tràn đỉnh đập và mất ổn định mái hạ lƣu111 Hình 4-12: Các kịch bản tính toán xác định ĐTC yêu cầu của hồ Núi Cốc ...............113 Hình 4-13: Đƣờng quan hệ (IPf), (RPf) và (Ctot) ứng với các kịch bản.........................117 Hình 4-14: Đƣờng cong chi phí đầu tƣ nâng cấp CTĐM có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du hồ Núi Cốc ..............................................................................................................118 Hình 4-15: Ảnh hƣởng của các cơ chế đến XSSC của hệ thống CTĐM trƣờng hợp MNLTK tính toán cập nhật thủy văn và bồi lắng lòng hồ ..........................................120 Hình P2-1: Phân bố xác suất mực nƣớc hồ Núi Cốc từ liệt số liệu quan trắc .............143 Hình P2-2a: Kết quả tính ổn định mái hạ lƣu đập ngẫu nhiên bằng Geoslope 2007 (trƣờng hợp mực nƣớc lũ thiết kế cập nhật +48,70) ....................................................145 Hình P2-2b: Kết quả tính ổn định mái hạ lƣu đập ngẫu nhiên bằng Geoslope 2007 (trƣờng hợp mực nƣớc cực trị năm +46,51) ................................................................146 Hình P2-3: Sơ đồ tính toán biến hình thấm đặc biệt ...................................................150 Hình P2-4: Đƣờng mực nƣớc lớn nhất dọc sông Công theo các kịch bản tính toán điều tiết ................................................................................................................................176 viii