Một phương pháp đánh giá xác suất an toàn của cống lộ thiên - Ứng dụng cho cống tân đệ thuộc hệ thống thủy lợi Nam Thái Bình

ừng cơ chế sự cố [3]: 
0
1 1
0 . exp .
22
Z
at
ZZ
Z
P P Z dZ

 
 
 (12) 
- Chỉ số độ tin cậy [3] :
2 2
R NZ
Z R N
 

  
 (13)
Trong đó:
  
 hàm phân bố chuẩn; 
, , ; , ,Z R N Z R N      : kỳ vọng và độ lệch chuẩn của 
hàm tin cậy Z, hàm sức chịu tải R và hàm tải trọng N.
2.5. Độ tin cậy của cống 
Bảng 1. Ma trận xác suất làm việc an toàn của các phần tử cống trong hệ thống 
Sự cố PT1 PT2 PT3 . PTn 
1 P11 P21 P31 . Pn1 
2 P12 P22 P32 . Pn2 
3 P13 P23 P33 . Pn3 
4 P14 P24 P34 . Pn4 
. . . . . . 
m . 
Pat của các phần tử cống 
1CT
atP 
2CT
atP 
3CT
atP . 
CTn
atP 
- Lập ma trận xác suất làm việc an toàn của các 
bộ phận cống (mỗi bộ phận là 1 phần tử) như bảng 1, 
với giả thiết có n phần tử (PT) cống và m cơ chế sự 
cố xảy ra với từng phần tử cống đó, coi các cơ chế sự 
cố xảy ra độc lập [3]. 
- Khi các sự cố (trên sơ đồ 1) liên kết với nhau 
theo cổng “hoặc”, xác suất an toàn của phần tử thứ 
i: CTiatP tính theo (14); các sự cố liên kết với nhau theo 
cổng “và”, CTiatP tính theo (15) [3]: 
1
1 1
m
CTi
at ij
j
P P
  (14); 
1
1 1
m
CTi
at ij
j
P P
  (15) 
Trong đó: Pij - Xác suất an toàn của từng cơ chế 
sự cố tính như mục 2.4. 
- Chưa xét tương quan giữa các bộ phận cống, 
xác suất an toàn (độ tin cậy) của cống có các bộ phận 
làm việc theo sơ đồ ghép nối tiếp tính theo (16) 
1
n
HT CTi
at at
i
P P
  (16) 
3. PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA CỐNG TÂN ĐỆ 
3.1. Hiện trạng cống Tân Đệ 
- Cống Tân Đệ là cống lộ thiên cấp I thuộc hệ 
thống thủy lợi Nam Thái Bình, cống được xây dựng 
tại xã Tân Lập, huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình năm 
2006. Cống có nhiệm vụ cung cấp nước tưới cho 2291 
ha đất canh tác của huyện Vũ Thư, bổ sung nguồn 
nước còn thiếu cho hệ thống Nam Thái Bình, kết hợp 
lấy phù sa từ sông Hồng và phục vụ giao thông thủy 
[4]. Hệ thống cống Tân Đệ gồm 3 phần [4]: 
Hình 2. Chính diện thượng lưu cống 
Tân Đệ - Thái Bình 
- Thân cống: Chiều rộng thông nước B = 8,5 m, 
chia làm 3 cửa: cửa giữa rộng 5,5 m, kiểu lộ thiên kết 
hợp thông thuyền; 2 cửa bên kiểu cống ngầm, kích 
thước mỗi cửa B x H =(1,5 x 2,6) m. Có 2 hàng cừ 
chống thấm L=2,5 m ở chân khay thượng và hạ lưu 
cống. Cầu giao thông trên cống tải trọng H30-X80. 
- Tuyến kênh thượng lưu dài 525 m, kênh đất, 
mặt cắt hình thang có Bđ = 12 m; m = 2. Đoạn nối tiếp 
kênh dẫn thượng lưu với sông Hồng là cửa vào mở 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n - KỲ 1 - TH¸NG 11/2020 85 
rộng dần và được gia cố bằng kè đá kiểu thả rồng và 
rọ đá, lát mái bằng đá hộc. 
- Tuyến kênh hạ lưu dài 1653 m nối cống với 
sông Kiến Giang tại cầu Nhất. Kênh đất, mặt cắt hình 
thang có Bđ=12 m; m=2,0, trên kênh có các hệ thống 
cầu và công trình trên kênh. 
3.2. Sơ đồ cây sự cố của cống Tân Đệ 
Hình 3. Sơ đồ cây sự cố cống Tân Đệ 
Hàng năm cống Tân Đệ có một số hư hỏng nhỏ 
và được tu bổ sửa chữa và phần lớn các hạng mục 
chính của cống đang vận hành ổn định. Theo các số 
liệu quan trắc và các đánh giá về hiện trạng cống, 
nghiên cứu sẽ thực hiện các đánh giá độ tin cậy của 
cống Tân Đệ cho 6 cơ chế sự cố như trên sơ đồ hình 3: 
thân cống bị trượt phẳng; thân cống bị lật quanh trục 
chân khay hạ lưu; nền cống không đủ khả năng chịu 
tải; đáy cống bị xói; cọc dưới đáy cống không đủ khả 
năng chịu tải; mái kênh cửa ra của cống bị trượt sâu. 
3.3. Các số liệu tính độ tin cậy của cống 
Hình 4. Cắt dọc thân cống Tân Đệ [4]. 
Do không thu thập được đầy đủ các số liệu 
(quan trắc, đo đạc và thí nghiệm), nhiều BNN chỉ có 
giá trị thiết kế nên trong một số trường hợp các giá 
trị về độ lệch chuẩn và luật phân bố xác suất của các 
BNN được lấy theo kinh nghiệm thiết kế và các 
nghiên cứu đã được công bố [5]. 
Bảng 2. Các BNN khi tính sự cố trượt, lật của thân cống và khả năng chịu tải của nền cống [4] 
Tên BNN Ký hiệu BNN Kỳ vọng Độ lệch chuẩn: Luật PBXS 
Dung trọng của bê tông xây dựng cống 
bt (KN/m
3) 24 0,24 Phân bố chuẩn 
Chiều dài thân cống L (m) 23,6 0,1 Phân bố chuẩn 
Chiều rộng của cống B (m) 8,5 - Tất định 
Mực nước thượng lưu cống Z1 (m) 6,28 0,2 Phân bố chuẩn 
Mực nước hạ lưu cống Z2 (m) 0,33 0,1 Phân bố chuẩn 
Hệ số điều kiện việc m1 0,8 - Tất định 
Lực dính đơn vị của đất nền cống Cđ (KN/m
2) 9 1,35 Phân bố chuẩn 
Góc ma sát trong của đất nền cống đ 6 0,9 
Dung trọng đẩy nổi của đất nền d (KN/m
3) 6,44 0,6 Phân bố chuẩn 
Chiều rộng móng cống b 12,7 0,2 Phân bố chuẩn 
Tải trọng bên móng q 36,8 3 Phân bố chuẩn 
Độ lệch tâm của tổng các lực tác dụng 
đối với tâm đáy móng 
e (m) 0,63 0,06 Phân bố chuẩn 
Tổng các lực thẳng đứng tác dụng lên 
tâm 0 của đáy móng 
G (KN/m2) 17690 50 Phân bố chuẩn 
A 0,11 - Tất định 
B 1,43 - Tất định 
Các hệ số phụ thuộc vào góc ma sát 
trong của đất 
D 3,77 - Tất định 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n - KỲ 1- TH¸NG 11/2020 86 
Bảng 3. Các BNN khi tính khả năng chịu tải của cọc [4] 
Tên BNN Ký hiệu BNN Kỳ vọng: Độ lệch chuẩn: Luật PBXS 
Số lượng cọc n 112 - Tất định 
Đường kính cọc d (m) 0,3 0,01 Phân bố chuẩn 
Khoảng cách giữa các cọc Ccọc (m) 1,3 0,05 Phân bố chuẩn 
Chiều dài của cọc Lcọc (m) 9 - Tất định 
Cường độ chịu nén của bê tông làm 
cọc 
Rb (kg/cm
2) 135 6,75 Phân bố chuẩn 
Cường độ chịu nén của thép Ra (kg/cm
2) 2700 50 Phân bố chuẩn 
Mô men tính toán ứng với các trục 
chính x 
Mx 0 0,5 Phân bố chuẩn 
Mô men tính toán ứng với các trục 
chính y 
My 504,16 10 Phân bố chuẩn 
Tọa độ các cọc ở biên xmax 11,70 0,3 Phân bố chuẩn 
Tọa độ các cọc ở biên ymax 3,25 0,2 Phân bố chuẩn 
Tổng các lực theo phương thẳng đứng P (KN) 17690 50 Phân bố chuẩn 
Sức chịu tải của cọc Pc (KN) 401 20 Phân bố chuẩn 
Bảng 4. Các đặc trưng thống kê của các BNN khi tính sự cố xói ngầm ở cửa ra của cống [4] 
Tên BNN Ký hiệu BNN Kỳ vọng  Độ lệch chuẩn Luật PBXS 
Dung trọng khô của đất k 3/KN m 16 1,6 Phân bố chuẩn 
Dung trọng của nước n 3/KN m 10 - Tất định 
Độ rỗng của đất nền cống n 0,35 0,035 Phân bố chuẩn 
Chiều dày tầng thấm To (m) 11 1 Phân bố chuẩn 
Tổng hệ số sức kháng i 3,463 0,15 Phân bố chuẩn 
Hệ số theo Antipov 0,621 - Tất định 
Bảng 5. Các đặc trưng thống kê của các BNN khi tính sự cố trượt mái kênh [4] 
Tên BNN Ký hiệu BNN Kỳ vọng  
Độ lệch 
chuẩn 
Luật PBXS 
(KN/m
3) 18,9 2,835 Phân bố chuẩn 
Dung trọng đất đắp mái kênh 
(KN/m
3) 18,6 2,79 Phân bố chuẩn 
Dung trọng đất đáy kênh (KN/m
3) 17,4 2,61 Phân bố chuẩn 
  độ) 12,4 1,86 Phân bố chuẩn 
Góc ma sát trong đất mái kênh 
  độ) 9 1,35 Phân bố chuẩn 
Góc ma sát trong đất đáy kênh   độ) 6 0,9 Phân bố chuẩn 
C1 (KN/m
2) 10 1,5 Phân bố chuẩn 
Lực dính đơn vị mái kênh 
C2 (KN/m
2) 9 1,35 Phân bố chuẩn 
Lực dính đơn vị đáy kênh C3 (KN/m
2) 6 0,9 Phân bố chuẩn 
K1(m/s) 1,10
-7 - Tất định 
Hệ số thấm đất mái kênh 
K2(m/s) 1,4.10
-7 - Tất định 
Hệ số thấm đất đáy kênh K3(m/s) 5.10
-7 - Tất định 
3.4. Xác suất an toàn của cống Tân Đệ 
Phân tích kết quả: 
- Với các số liệu thu thập được từ hệ thống cống 
Tân Đệ, nghiên cứu đã tính được độ tin cậy của cống 
là Pat = 0,95473 hay chỉ số độ tin cậy β = 1,69. Hiện 
tại, Việt Nam chưa có các tiêu chuẩn cụ thể về độ tin 
cậy cho phép cho công trình thủy lợi, do đó nghiên 
cứu đã sử dụng tiêu chuẩn về độ tin cậy của Nga và 
Trung Quốc để so sánh. 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n - KỲ 1 - TH¸NG 11/2020 87 
+ Theo tiêu chuẩn của Nga [6]: xác suất an toàn 
của cống Tân Đệ lớn hơn xác suất an toàn cho phép 
Pat = 0,95473>[P] = 0,95, nên có thể kết luận: Cống 
Tân Đệ làm việc an toàn khi tính theo lý thuyết độ 
tin cậy. 
+ Theo tiêu chuẩn của Trung Quốc [7], Pat = 
0,95473<[P] = 0,99653 hay β = 1,69<[β]=2,7, cống 
làm việc không an toàn theo các tiêu chuẩn về độ tin 
cậy nên cần có các giải pháp để nâng cao độ tin cậy 
cho hệ thống. 
Bảng 6. Hàm tin cậy và xác suất an toàn của cống Tân Đệ 
TT Các cơ chế sự cố Hàm tin cậy Pat 
1 Cống bị trượt phẳng 
 1 1 c H
2
t . m E + L.B.C (W E W )
.(3887, 2. 2319, 6. ) 21,1052.( 4). (45 )
2
17041,8 21.8 L .C
d th tt b T
d
d bt d
Z g P W W
tg L tg
  
 0,99188 
2 Cống bị lật 
2 w
w w w
2
( + M + M )
(M M +M M ) 52818, 01. 346329, 05
( 4). 5886 106, 07. (45 ) 33738.
2
B HL n d
TL tt th c
cl gl p E P P
E bt
d
d
Z M M M M M
tg L


0,999998 
3 
Nền cống không đủ 
khả năng chịu tải 
3 1,2. ( )
6 6
0,
. . . . 
5. (1
)
)
.
(1
m
T
m
CZ
G Ge e
F L
m A b B q
F
C
L
D 
 
0,9822 
4 
Cọc dưới đáy cống 
không đủ khả năng 
chịu tải 
4.1 axc mZ P P và 4.2 minZ P 
2
max
2
max
min,max
**
i
x
i
y
y
yM
x
xM
n
P
P



0,99424 
5 
Xói ngầm ở cửa ra của 
cống 
 5
1
. 1 0,5. .
.
d n
tt i
H
Z n n
T
 
 
 
 0,9870 
6 Mái kênh bị trượt sâu 6
1 1
1
. . . tan . .sin
tan . tan
1 .cos
m m
n n n n n n
i in
n
at
Z c b W u b W
K
 
0,99865 
ĐTC của cống HT
atP 0,95473 
- Phân tích mức ảnh hưởng của các cơ chế sự cố 
đến an toàn cống (Hình 5): 
Hình 5. Ảnh hưởng của các cơ chế sự cố đến độ tin 
cậy của cống Tân Đệ 
+ Các cơ chế sự cố: Nền cống không đủ khả 
năng chịu tải (39,32%), xói ngầm dưới đáy cống 
(28,72%) và cống bị trượt phẳng (17,94%) có ảnh 
hưởng nhiều nhất đến độ tin cậy của cống. Do đó, 
khi cần nâng cấp độ tin cậy của cống hoặc trong các 
quá trình sửa chữa định kỳ cống cần quan tâm nhiều 
hơn đến các cơ chế sự cố này. 
+ Các cơ chế sự cố còn lại có ảnh hưởng không 
đáng kể đến an toàn của cống. 
- Phân tích ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên 
đến độ tin cậy của từng cơ chế sự cố (hình 6 và 7): 
+ Độ rỗng của nền (n) và chênh lệch cột nước 
thượng và hạ lưu cống (H) có ảnh hưởng lớn nhất 
đến sự cố xói tại cửa ra cống, các biến ngẫu nhiên 
còn lại T, ,  có ảnh hưởng nhỏ hơn nhiều. 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n - KỲ 1- TH¸NG 11/2020 88 
+ Dung trọng của bê tông, chiều dài đáy cống và 
lực dính đơn vị của đất nền là 3 biến ngẫu nhiên có 
ảnh hưởng chủ yếu đến cơ chế trượt phẳng thân 
cống, chiếm 95%. Các biến ngẫu nhiên còn lại có ảnh 
hưởng không đáng kể. 
Hình 6. Ảnh hưởng của các BNN đến sự cố trượt 
phẳng thân cống 
Hình 7. Ảnh hưởng của các BNN đến sự cố xói 
ngầm dưới đáy cống 
3.5. Các giải pháp chung để nâng cao độ tin cậy 
cho cống 
Hiện tại, cống Tân Đệ đang vận hành ổn định 
theo các tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam nhưng 
chưa đáp ứng tiêu chuẩn theo thiết kế ngẫu nhiên và 
phân tích độ tin cậy. Căn cứ vào hiện trạng cống Tân 
Đệ và các đánh giá về ổn định cho cống theo phương 
pháp lý thuyết độ tin cậy, nghiên cứu đề xuất một số 
giải pháp để nâng cao độ tin cậy cho cống: 
- Cần phải phân bổ độ tin cậy và trọng số thích 
hợp cho những cơ chế sự cố có ảnh hưởng lớn đến 
độ tin cậy của cống khi thiết kế mới hoặc cần nâng 
cấp, sửa chữa hệ thống đầu mối. 
- Bố trí các thiết bị quan trắc, đo đạc để: phát 
hiện sớm các nguy cơ sự cố xảy ra với cống; có các 
liệt số liệu đủ dài về các biến ngẫu nhiên để đánh giá 
ổn định công trình. 
- Bảo dưỡng sửa chữa các thiết bị của cống định 
kỳ phải được thực hiện nghiêm túc, thường xuyên, 
tuân thủ các nguyên tắc kỹ thuật. Sau mỗi mùa mưa 
lũ, cần tiến hành kiểm tra, sửa chữa bảo dưỡng các 
thiết bị, máy đóng mở van và cửa van, tra dầu mỡ 
thường xuyên các bộ phận máy móc thiết bị. Thay 
thế các bộ phận thiết bị bị hỏng, bị mòn và có nguy 
cơ bị hỏng. Kiểm tra sự làm việc của các bộ phận 
cống: mố trụ, tường bên, ngưỡng cống, cửa van, 
tường ngực, bể tiêu năng sau cống, kiểm tra hiện 
tượng xói của cửa vào và cửa ra của cống. 
- Tổ chức quản lý vận hành để không xảy ra các 
hoạt động như: Nổ mìn gây chấn động đến cống, vận 
tải qua công trình bằng các xe có tải trọng lớn vượt 
tải trọng cho phép. 
- Đào tạo đội ngũ cán bộ quản lý vận hành có 
hiểu biết về kỹ thuật máy móc thiết bị thủy lợi và 
hiểu rõ quy trình vận hành cống. 
4. KẾT LUẬN 
Nghiên cứu đã giới thiệu một phương pháp tính 
độ tin cậy của cống lộ thiên theo hướng tiếp cận với 
phương pháp phân tích hệ thống kết hợp với lý 
thuyết xác suất – thống kê. Thực hiện các tính toán 
độ tin cậy cho cống lộ thiên Tân Đệ – Thái Bình, so 
sánh với độ tin cậy tiêu chuẩn của Nga và Trung 
Quốc và có các nhận xét định hướng về các nguyên 
nhân gây ra sự cố cống, phân tích ảnh hưởng của các 
biến ngẫu nhiên đến các cơ chế sự cố của cống. Trên 
cơ sở đó đề xuất một số giải pháp an toàn để nâng 
cao độ tin cậy của cống khi cần thiết phải tu sửa, 
nâng cấp hoặc thiết kế mới hệ thống cống lộ thiên. 
Nội dung bài báo là tài liệu tham khảo thiết thực cho 
công tác thiết kế và quản lý an toàn công trình thủy 
lợi ở Việt Nam. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Nguyễn Văn Mạo và nnk (2013). Giới thiệu và 
cơ sở thiết kế công trình thủy lợi. Nhà xuất bản Xây 
dựng, 2013. 
2. Nguyễn Chiến (chủ biên), Nguyễn Văn Mạo, 
Phạm Ngọc Quý (2013). Bài giảng: Công trình trên 
hệ thống thủy lợi. Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên 
và Xã hội, Hà Nội, 2013. 
3. Nguyễn Văn Mạo, Nguyễn Hữu Bảo, Nguyễn 
Lan Hương (2014). Cơ sở tính độ tin cậy an toàn đập. 
Nhà xuất bản Xây dựng, 2014. 
4. Báo cáo: Nâng cấp sửa chữa hệ thống thủy lợi 
Nam Thái Bình. 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n - KỲ 1 - TH¸NG 11/2020 89 
5. Phạm Hồng Cường (2009). Nghiên cứu xây 
dựng phương pháp đánh giá chất lượng hệ thống 
công trình thủy nông theo lý thuyết độ tin cậy trong 
điều kiện Việt Nam. Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Hà 
Nội, 2009. 
6. "Основные положения расчета причальных 
сооружений на надежность," М. В/О 
“Мортехинформреклама”, РД 31-31-35-85, 1986. 
7. Tiêu chuẩn thống nhất để thiết kế độ tin cậy 
kết cấu công trình". Bộ Xây dựng nước Cộng hòa 
Nhân dân Trung Hoa. Tiêu chuẩn Nhà nước Cộng 
hòa Nhân dân Trung Hoa, JB 50153 – 92, 1992. 
AN ASSESSMENT METHOD OF SLUICE SAFETY CONFIDENCE ANALYSIS - APPLICATION 
FOR TAN DE SLUICE OF THE NAM THAI BINH IRRIGATION WORK 
Nguyen Lan Huong, Nguyen Quang Hung, Dang Quang Huy 
Summary 
Vietnam irrigation systems design method is deterministic and based on safety factors analysis, in other 
countries it’s popular with random design and confidence analysis. The paper presented how to develop 
sluice confidence calculation method according to reliability theory level II: definition of sluices, problem 
tree, confidence functions for system simulation, calculate random variables according to probability-
statistics theory. Conduct reliability assessments for Tan De - Thai Binh sluice, analyze the impact of fault 
mechanisms and random variables on the reliability of the system in accordance with the reliability 
standards of Russia and China, from there, propose solutions to improve the reliability of the sluice. 
Keywords: Sluice, confidence function, reliability, destruction mechanism, random variable, problem tree. 
Người phản biện: TS. Nguyễn Ngọc Nam 
Ngày nhận bài: 24/7/2020 
Ngày thông qua phản biện: 25/8/2020 
Ngày duyệt đăng: 3/9/2020