B(cid:1244) GIÁO D(cid:1256)C VÀ ĐÀO T(cid:1188)O
B(cid:1244) NỌNG NGHI(cid:1226)P VÀ PTNT
TR(cid:1132)(cid:1248)NG Đ(cid:1188)I H(cid:1232)C TH(cid:1258)Y L(cid:1254)I DOÃN TH(cid:1230) N(cid:1244)I NGHIÊNăC(cid:1260)UăS(cid:1268)ăBI(cid:1218)NăĐ(cid:1244)NGăC(cid:1258)AăM(cid:1132)AăLǛ VÀăĐ(cid:1220)ăXU(cid:1192)Tă C(cid:1130)ăS(cid:1250)ăKHOAăH(cid:1232)CăTệNHăLǛăCHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG VÙNGăNÚIăĐỌNGăB(cid:1202)CậVI(cid:1226)TăNAM
Chuyên ngành: Th(cid:1259)yăvĕnăh(cid:1233)c Mƣăsốăchuyên ngành: 62-44-02-24
TịM T(cid:1202)T LU(cid:1200)N ÁN TIẾN SĨ KỸ THU(cid:1200)T HÀăN(cid:1244)I, NĔMă2016
Côngătrìnhăđ(cid:1133)ợcăhoƠnăthƠnhătạiăTr(cid:1133)(cid:1249)ng Đ(cid:1189)i h(cid:1233)c Th(cid:1259)y l(cid:1255)i
Ng(cid:1133)(cid:1249)iăh(cid:1133)ớngădẫnăkhoaăh(cid:1233)că1: PGS.TS. Ngô Lê Long
Ng(cid:1133)(cid:1249)iăh(cid:1133)ớngădẫnăkhoaăh(cid:1233)că2: PGS.TS. Hoàng Thanh Tùng
Ph(cid:1191)năbi(cid:1227)nă1:ăGS.TS Trần Th(cid:1257)c, Vi(cid:1227)năKHKTV&BĐKH
Ph(cid:1191)năbi(cid:1227)nă2:ăPGS.TS Trần Đình Nghiên,ăChuyênăgiaăđ(cid:1245)căl(cid:1201)p
Ph(cid:1191)năbi(cid:1227)nă3:ăTS Nguy(cid:1225)n L(cid:1201)p Dân,ăVi(cid:1227)năĐ(cid:1231)aăLỦ,ăVi(cid:1227)năHàn Lâm KHVN
Lu(cid:1201)năánăs(cid:1217)ăđ(cid:1133)ợcăb(cid:1191)oăv(cid:1227)ătr(cid:1133)ớcăH(cid:1245)iăđồngăch(cid:1193)mălu(cid:1201)năánăh(cid:1233)pătại………….. ------------------------------------------------------------------------------------------ vào lúc gi(cid:1249)ăăăăăăăăngƠyăăă tháng nĕm Cóăthểătìmăhiểuălu(cid:1201)năánătạiăth(cid:1133)ăvi(cid:1227)n:
- Th(cid:1133)ăvi(cid:1227)n Quốc gia - Th(cid:1133)ăvi(cid:1227)năTr(cid:1133)(cid:1249)ngăĐại h(cid:1233)c Th(cid:1259)y lợi
M(cid:1250) Đ(cid:1194)U
1. Tính c(cid:1193)p thi(cid:1219)t c(cid:1259)a đ(cid:1221) tài
Giao thông là huyết m(cid:1189)ch của mỗi quốc gia, muốn phát triển đất nước cần ph(cid:1191)i hoàn thiện và hiện đ(cid:1189)i hệ thống giao thông. Hàng năm, nhà nước đã đầu tư rất nhiều kinh phí cho đầu tư xây mới, nâng cấp và m(cid:1251) rộng hệ thống giao thông để đ(cid:1191)m b(cid:1191)o giao thương kinh tế văn hóa các vùng trên c(cid:1191) nước và quốc tế.
Với trên 2/3 diện tích là địa hình đồi núi, đư(cid:1249)ng miền núi chiếm hơn 70% tổng km chiều dài đư(cid:1249)ng bộ c(cid:1191) nước. Đư(cid:1249)ng miền núi chủ yếu thuộc lo(cid:1189)i cấp III-V, các h(cid:1189)ng mục công trình thoát nước (cầu, cống, rãnh) chưa được chú trọng trong thiết kế và xây dựng, các tính toán thủy văn, thủy lực còn h(cid:1189)n chế.
Dưới (cid:1191)nh hư(cid:1251)ng của khí hậu nhiệt đới gió mùa, với chế độ mưa lũ khắc nghiệt, mức độ ngày càng tăng đã làm cho các công trình giao thông bị hư hỏng nặng nề. Một trong những nguyên nhân gây tác động đáng kể tới độ bền vững của công trình gây s(cid:1189)t l(cid:1251) ta luy dương, âm, trôi cầu cống, hỏng mố trụ…thì những tác động của mưa, lũ trong đó việc tính toán lũ thiết kế chưa đúng hoặc chưa phù hợp là nguyên nhân chính.
Trong TCVN 9845:2013 (viết dựa trên cơ s(cid:1251) của QP.TL C-6-77) đã giới thiệu một số phương pháp tính lũ thiết kế từ mưa như: Cư(cid:1249)ng độ giới h(cid:1189)n, Xokolopxky...có nguồn gốc của các tác gi(cid:1191) iên Xô (cũ), có nhiều thông số chưa phù hợp với điều kiện Việt am, khó xác định, vì vậy khi áp dụng vào tính toán kết qu(cid:1191) tính có thể chưa phù hợp với thực tế d n tới kh u độ các công trình thoát nước chưa đáp ứng được yêu cầu.
Việc thiếu tài liệu quan trắc mưa và dòng ch(cid:1191)y, đặc biệt là tài liệu quan trắc th(cid:1249)i đo(cid:1189)n ngắn cũng gây khó khăn khi tính toán lũ thiết kế cho các công trình. Với tất c(cid:1191) lí do trên, luận án“Nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc Việt Nam” mà CS lựa chọn là hết sức cấp thiết.
1
2. Mục tiêu nghiên c(cid:1261)u
ghiên cứu những biến động của mưa lũ, chi tiết hóa lượng mưa và mặt đệm, xác lập cơ s(cid:1251) khoa học tính lũ thiết kế cho công trình giao thông. 3. Đối t(cid:1133)ợng và phạm vi nghiên c(cid:1261)u
- Ph(cid:1189)m vi nghiên cứu: hai tỉnh Bắc K(cid:1189)n và (cid:1189)ng Sơn thuộc vùng núi Đông Bắc-Việt am;
- Đối tượng nghiên cứu: mưa và lũ thiết kế phục vụ xây dựng các công trình thoát nước nằm trên các quốc lộ Q 3, 3B, 279, 3, 4A, 4B, 1A thuộc khu vực nghiên cứu. 4. Cách ti(cid:1219)p c(cid:1201)n vƠ ph(cid:1133)(cid:1131)ng pháp nghiên c(cid:1261)u
Để đ(cid:1189)t được mục tiêu đề ra, luận án đã thu thập các tài liệu cần thiết, nghiên cứu tổng quan những biến động về mưa lũ, các phương pháp tính lũ thiết kế cho giao thông (cid:1251) trong nước và trên thế giới từ đó lựa chọn hướng tiếp cận phù hợp, mang tính kế thừa, đ(cid:1191)m b(cid:1191)o tính sáng t(cid:1189)o trong nghiên cứu.
Các phương pháp sử dụng trong luận án: i) phương pháp phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các nghiên cứu liên quan; ii) phương pháp phân tích (cid:1191)nh viễn thám, GIS phục vụ mô phỏng lưu vực trong các mô hình toán và xây dựng các b(cid:1191)n đồ chuyên đề làm cơ s(cid:1251) khoa học cho các phương pháp tính lũ kiến nghị; iii) phương pháp mô hình toán, tính toán thử nghiệm làm cơ s(cid:1251) cho việc kiến nghị các phương pháp tính lũ thiết kế phù hợp cho các công trình giao thông khu vực Đông Bắc, Việt am. 5. Ý nghĩa khoa h(cid:1233)c và th(cid:1269)c ti(cid:1225)n
Kết qu(cid:1191) nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn cao vì đã gi(cid:1191)i quyết một phần khó khăn hiện nay trong tính toán thủy văn cầu đư(cid:1249)ng. Việc nghiên cứu biến động của mưa lũ khu vực Đông Bắc và xác lập cơ s(cid:1251) khoa học tính lũ thiết
kế cho các công trình giao thông có ý nghĩa khoa học trong việc tiếp cận với
những phương pháp tính toán hiện đ(cid:1189)i làm tiền đề cho việc xây dựng một quy trình tính toán phù hợp với điều kiện của Việt am.
2
6. Nh(cid:1267)ng đóng góp mới c(cid:1259)a lu(cid:1201)n án
- uận án đã hoàn thiện phương pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông có xét đến biến động mưa lũ và đặc điểm tự nhiên khu vực Đông Bắc, trên cơ s(cid:1251) ứng dụng mô hình toán thủy văn và GIS.
- uận án đã bước đầu xây dựng được phần mềm hỗ trợ tính lũ cho công trình thoát nước trên đư(cid:1249)ng giao thông. 7. C(cid:1193)u trúc c(cid:1259)a lu(cid:1201)n án
goài phần M(cid:1251) đầu, Kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 3 chương:
Ch(cid:1133)(cid:1131)ng 1: Tổng quan về nghiên cứu tính lũ thiết kế cho công trình giao thông.
Ch(cid:1133)(cid:1131)ng 2: Xây dựng cơ s(cid:1251) khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc-Việt am.
Ch(cid:1133)(cid:1131)ng 3: Tính thử nghiệm và đề xuất phương pháp tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc-Việt am.
T(cid:1240)NG QUAN V(cid:1220) NGHIÊN C(cid:1260)U TệNH LǛ THI(cid:1218)T K(cid:1218) CH(cid:1132)(cid:1130)NG 1 CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG
1.1 T(cid:1241)ng quan v(cid:1221) tính lǜ thi(cid:1219)t k(cid:1219) 1.1.1 Các nghiên cứu trên thế giới
Việc tính lũ thiết kế đã tr(cid:1191)i qua một quá trình dài nghiên cứu mang tính kế thừa
và phát triển nhằm chính xác và hiện đ(cid:1189)i hóa phục vụ xây dựng các công trình
an toàn trong mùa mưa lũ, đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay. Một số nghiên cứu về lũ thiết kế điển hình có thể kể đến như nghiên cứu của Chow và Shaw (1964), Chow và Maidment (1988), Vijay (2002), Raghunath
(2006), và nhiều nghiên cứu khác. Về cơ b(cid:1191)n, các phương pháp tính toán đều
dựa trên lý thuyết căn nguyên dòng ch(cid:1191)y và các cách chuyển đổi mưa hiệu qu(cid:1191)
thành dòng ch(cid:1191)y. Tuy nhiên, từ hai thập kỷ tr(cid:1251) l(cid:1189)i đây với sự phát triển vượt
bậc của công nghệ máy tính, kỹ thuật viễn thám và GIS đã cho phép các nhà
3
khoa học phân tích và thử nghiệm, cập nhật những công nghệ hiện đ(cid:1189)i nhằm chính xác hóa các tham số mà các phương pháp trước đây chưa xây dựng được. 1.1.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam
Các nghiên cứu tính lũ thiết kế (cid:1251) Việt am được đề cập trong nhiều tài liệu, tiêu chu n, quy chu n, giáo trình, đề tài, luận án như QP.T C-6-77 (1977); Giáo trình Thủy văn Công trình của Đỗ Cao Đàm và nnk (1990), ATS nghiên cứu về mưa, lũ cực h(cid:1189)n cho Việt am của ê Đình Thành (1997); Giáo trình
guyên lý Thủy văn và Tính toán thủy văn thiết kế của PGS.TS ê Văn
ghinh (2000 & 2003); báo cáo CKH cấp Bộ đề tài “ ghiên cứu c(cid:1191)nh báo dự báo lũ vượt thiết kế-Gi(cid:1191)i pháp tràn sự cố” của GS.TS. Ph(cid:1189)m gọc Quý và nnk (2005), Giáo trình Thủy văn Công trình của GS.TS Hà Văn Khối và nnk
(2012); ĐTKH cấp hà nước “ ghiên cứu cơ s(cid:1251) khoa học đề xuất các tiêu
chu n thiết kế lũ, đê biển trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng (cid:1251)
Việt am và gi(cid:1191)i pháp phòng tránh, gi(cid:1191)m nhẹ thiệt h(cid:1189)i” do PGS.TS gô ê
ong làm chủ nhiệm. Các nghiên cứu này đã trình bày các phương pháp tính lũ thiết kế hiện nay, các các mô hình thủy văn tính toán dòng ch(cid:1191)y, xây dựng phần mềm tính lũ thiết kế hay đề xuất phương pháp tính lũ thiết kế cho các công trình hồ chứa có xét tới tác động của biến đổi khí hậu. 1.2 T(cid:1241)ng quan tính lǜ thi(cid:1219)t k(cid:1219) cho công trình giao thông 1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới
Tính lũ thiết kế cho công trình giao thông trên thế giới được tổng hợp trong các tài liệu hướng d n và tiêu chu n thiết kế: (cid:1250) hật trong Hướng d n tính thủy văn thủy lực - Hướng d n và tiêu chu n kỹ thuật cho các dự án thiết kế (phần kiểm soát lũ); (cid:1251) Anh trong Hướng d n thiết kế cầu đư(cid:1249)ng-Tiêu chu n kỹ thuật của Cơ quan đư(cid:1249)ng bộ quốc gia; (cid:1251) Mỹ trong các tài liệu Hướng d n tính thoát nước trên đư(cid:1249)ng (AASHTO); Tài liệu giới thiệu mô hình toán thủy văn HEC; Thủy văn đư(cid:1249)ng bộ (FHWA); Hướng d n kỹ thuật (TR55) hay các tiêu chu n thiết kế; (cid:1251) Columbia trong tài liệu ''Hướng d n và tiêu chu n thiết kế cầu''; (cid:1251)
4
Nga trong Quy trình BCH 63 - 67 - Quy trình kh(cid:1191)o sát và thiết kế công trình vượt sông trên đư(cid:1249)ng sắt và đư(cid:1249)ng ô tô và nhiều tài liệu khác.
Qua kết qu(cid:1191) tổng quan, có thể phân thành hai nhóm chính: i) nhóm các phương
pháp sử dụng (cid:1251) các nước phương Tây, hật và Mỹ
và ii) nhóm các phương
Hình 1.1 Các phương pháp tính lũ thiết kế cho giao thông trên thế giới
pháp sử dụng (cid:1251) các nước
Đông Âu và ga (hình 1.1).
1.2.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam
Tính lũ thiết kế cho giao thông (cid:1251) Việt am được tổng kết và đề cập trong TCVN 9845:2013 - Tiêu chu n tính toán đặc trưng dòng ch(cid:1191)y lũ; trong Sổ tay tính toán thủy lực thủy văn cầu đư(cid:1249)ng (2006) của Bộ GTVT; trong các nghiên cứu của Mai Anh Tuấn (2003), Trần Đình ghiên (2003), guyễn Quang
Chiêu & Trần Tuấn Hiệp (2004), guyễn Xuân Trục (2009), Đoàn hư Thái
Dương (2012), guyễn Tiến Cương (2012), và gần đây nhất là trong ATS của guyễn Anh Tuấn (2014).
Các phương pháp tính lũ thiết kế (cid:1251) Việt am phụ thuộc vào
diện tích, tình tr(cid:1189)ng số liệu
thủy văn và mức độ quan
trọng của công trình (cấp công trình), có thể phân thành hai nhóm: i) nhóm phương pháp
Hình 1.2 Các phương pháp tính lũ thiết kế cho giao
phân tích thống kê và ii) nhóm phân tích nguyên nhân hình
thông (cid:1251) Việt am
thành (hình 1.2).
5
i) hóm phương pháp thống kê xác suất sử dụng khi có nhiều số liệu đo đ(cid:1189)c lũ.
Hiện nay, có nhiều phần mềm vẽ đư(cid:1249)ng tần suất được xây dựng để tính các
tham số thống kê nhằm tăng độ chính xác và tiện dụng. Tuy vậy, các công trình
giao thông trong khu vực nghiên cứu phần lớn đều có vị trí t(cid:1189)i các sông, suối
không có số liệu lũ thực đo để ứng dụng phương pháp này. ii) hóm phương
pháp phân tích nguyên nhân hình thành, gồm các công thức kinh nghiệm theo
Liên Xô cũ và các công thức kinh nghiệm xây dựng cho từng vùng. 1.3 Nh(cid:1267)ng hạn ch(cid:1219) trong tính lǜ thi(cid:1219)t k(cid:1219) cho giao thông (cid:1251) Vi(cid:1227)t Nam
Qua nghiên cứu, phân tích và đánh giá cho thấy tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông (cid:1251) Việt Nam còn một số h(cid:1189)n chế sau:
- Hiện nay, việc chọn tần suất mới dựa vào cấp đư(cid:1249)ng mà chưa xét đến các điều kiện bất lợi khác như điều kiện tự nhiên và khí tượng thủy văn của vùng xây dựng công trình d n đến tình tr(cid:1189)ng công trình không đủ năng lực và gặp nhiều sự cố.
- Việc tính lũ thiết kế mới chú trọng đỉnh lũ mà chưa xét đến tổng lượng lũ (W) d n đến tổng lượng nước đổ dồn vào công trình, không kịp thoát (kh u độ nhỏ), t(cid:1189)o hiện tượng tích nước (cid:1251) thượng lưu đối với các công trình, t(cid:1189)o áp lực khí gây hỏng mố cầu cống hay đuôi cống, mặt đư(cid:1249)ng bị phá hai bên thân cống.
- Các b(cid:1191)ng tra là cơ s(cid:1251) khoa học của các phương pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông hiện t(cid:1189)i đã cũ, chủ yếu sử dụng các nghiên cứu (cid:1251) iên Xô cũ và được xây dựng từ số liệu rất h(cid:1189)n chế (cid:1251) Việt am (b(cid:1191)n đồ tỉ lệ nhỏ, chuỗi số
liệu quan trắc ngắn), kh(cid:1191) năng hỗ trợ trong tính toán còn theo cách truyền thống, chưa cập nhập các công cụ hiện đ(cid:1189)i nên kết qu(cid:1191) không tránh khỏi những sai số không mong muốn và phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm ngư(cid:1249)i tính. 1.4 H(cid:1133)ớng ti(cid:1219)p c(cid:1201)n vƠ ph(cid:1133)(cid:1131)ng pháp nghiên c(cid:1261)u
Từ những h(cid:1189)n chế trong tính lũ cho giao thông (cid:1251) Việt am, tính ưu việt trong
một số phương pháp tính lũ thiết kế đang được sử dụng (cid:1251) các nước Phương
6
Tây, hật và Mỹ, tác gi(cid:1191) lựa chọn hướng tiếp cận như minh họa trong hình 1.3
bao gồm:
i) ) ghiên cứu lựa chọn các phương pháp, điều kiện ứng dụng và yêu cầu số liệu và cơ s(cid:1251) khoa học của các phương pháp.
ii) Nghiên cứu đặc trưng mưa: biến động của mưa lũ qua thống kê và đánh giá các hình thế th(cid:1249)i tiết gây mưa lũ trong khu vực; sự biến động của mưa lũ theo không gian và th(cid:1249)i gian, trong đó a) phương pháp Mann-Kendall và Sen được sử dụng để đánh giá sự biến động của mưa theo th(cid:1249)i gian; phương pháp phân tích tần suất, xây dựng các bộ đư(cid:1249)ng cong IDF cho các tiểu vùng khác nhau trong khu vực cũng như chi tiết hóa (chuyển đổi) mưa ngày thành mưa th(cid:1249)i đo(cid:1189)n ngắn; b) kỹ thuật viễn thám và GIS được sử dụng để cập nhập các số liệu mới từ (cid:1191)nh vệ tinh và phân tích không gian để đánh giá sự biến động của mưa
theo không gian và xây dựng các b(cid:1191)n đồ đẳng trị về biến đổi lượng mưa, hệ số biến đổi lượng mưa Cv theo không gian trong khu vực nghiên cứu.
iii) ghiên cứu phân tích điều kiện mặt đệm của khu vực Đông Bắc bao gồm phân tích các đặc trưng hình thái của tiểu lưu vực thoát nước qua cầu, xây dựng
b(cid:1191)n đồ chỉ số C , b(cid:1191)n đồ hệ số dòng ch(cid:1191)y C, b(cid:1191)n đồ hệ số nhám Manning và các b(cid:1191)ng tra phụ trợ, kỹ thuật Viễn thám và mô hình phân tích không gian trong GIS được sử dụng để tận dụng ưu điểm của dữ liệu không gian và kh(cid:1191) năng cập nhật nhanh những dữ liệu này khi áp dụng thực tế.
iv) Tính toán thử nghiệm, đánh giá kết qu(cid:1191): phân tích cơ s(cid:1251) và các điều kiện áp dụng từng phương pháp lựa chọn để đề xuất các phương pháp phù hợp cho từng lo(cid:1189)i công trình và phù hợp với đặc điểm của vùng nghiên cứu.
v) Xây dựng chương trình tính nhằm tích hợp tất c(cid:1191) các kết qu(cid:1191) đ(cid:1189)t được cùng với quy trình hướng d n tính toán lũ thiết kế cho các công trình giao thông thuộc khu vực vùng núi Đông Bắc với mong muốn chương trình này gi(cid:1191)i quyết
được một số h(cid:1189)n chế trong tính toán hiện nay, đồng th(cid:1249)i để m(cid:1251) để các nhà nghiên cứu tiếp tục cập nhật và hoàn thiện.
7
T(cid:1241)ng quan các tƠi li(cid:1227)u, các nghiên c(cid:1261)u, các bƠi báo
PP SCS-CN
PP mô hình quan h(cid:1227): - Hệ số dòng ch(cid:1191)y C - Cư(cid:1249)ng độ mưa I - Diện tích lưu vực A
- B(cid:1191)n đồ chỉ số C ; - Diện tích lưu vực A - Mưa thiết kế
PT h(cid:1239)i quy vùng - Diện tích lưu vực A - Độ dốc S - Mưa thiết kế
Nghiên c(cid:1261)u đặc tr(cid:1133)ng mặt đ(cid:1227)m
Nghi(cid:1227)n c(cid:1261)u đặc tr(cid:1133)ng m(cid:1133)a
Xây dựng b(cid:1191)n đồ chỉ số CN
Xây dựng b(cid:1191)n đồ hệ số nhám n
Bi(cid:1219)n động theo KG: - Biến động hệ số CV; Bi(cid:1219)n động theo TG: - Tăng gi(cid:1191)m theo xu thế của Mann kendall và Sen
Tính m(cid:1133)a thi(cid:1219)t k(cid:1219): - Chuyển đổi mưa ngày thành mưa th(cid:1249)i đo(cid:1189)n ngắn - Cư(cid:1249)ng độ mưa IDF - ượng mưa thiết kế - Đư(cid:1249)ng cong lũy tích mưa 24h
Xây dựng b(cid:1191)n đồ hệ số dòng ch(cid:1191)y C
Xây dựng và phân tích lưu vực và đặc trưng lưu vực
Tính th(cid:1265) nghi(cid:1227)m - hóm cầu có A< 5km2 - hóm cầu có A=5-30 km2 - hóm cầu A=30-100 km2 - hóm cầu có A>100km2
Đ(cid:1221) xu(cid:1193)t ph(cid:1133)(cid:1131)ng pháp phù hợp cho khu v(cid:1269)c nghiên c(cid:1261)u
Hình 1.3 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu
1.5 T(cid:1241)ng quan v(cid:1221) khu v(cid:1269)c nghiên c(cid:1261)u
Khu vực Đông Bắc, Việt am (hình 1.4) phía bắc và phía đông tiếp giáp với Trung Quốc, phía đông nam trông ra vịnh Bắc Bộ, phía nam được giới h(cid:1189)n b(cid:1251)i
dãy núi Tam Đ(cid:1191)o và vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng. Đây là khu vực có
địa hình đồi núi dốc cao, vực thẳm, chia cắt m(cid:1189)nh, nằm trong những tâm mưa
lớn. Mùa mưa lũ, tình tr(cid:1189)ng s(cid:1189)t trượt núi, cắt đứt đư(cid:1249)ng, làm trôi cầu giao
thông x(cid:1191)y ra khá nghiêm trọng. Hai tỉnh (cid:1189)ng Sơn và Bắc C(cid:1189)n thuộc vùng núi
Đông Bắc với 80% diện tích đồi núi, là vùng đầu nguồn của các con sông lớn
với độ dốc phức t(cid:1189)p; là nơi có các tâm mưa lớn của c(cid:1191) nước như tâm mưa Bắc
8
Quang, Móng Cái, Đình ập.
tổng
Mùa mưa từ tháng V đến tháng IX, với tổng lượng mưa chiếm từ 75-80% lượng mưa năm.Tháng có lượng mưa lớn
nhất là tháng VII và tháng VIII
với lượng mưa phân bố trên 300mm/tháng. Các quốc lộ ch(cid:1189)y qua vùng Đông Bắc bao gồm: QL1A, QL4A, QL4B, QL31,
Hình 1.4 B(cid:1191)n đồ khu vực nghiên cứu (vùng Đông Bắc)
QL3, QL3B.
Các công trình thoát nước vùng Đông Bắc bao gồm: cầu lớn và cầu trung ( c>25m); cầu nhỏ và cống ( c<25m); rãnh thoát nước; dốc nước; bậc nước;
đư(cid:1249)ng tràn; cầu tràn. Trên các tuyến thuộc hai tỉnh Bắc K(cid:1189)n và (cid:1189)ng Sơn, đa
phần là cầu nhỏ và cống, ngoài ra có rất nhiều cống địa hình thoát nước mặt qua đư(cid:1249)ng. 1.6 K(cid:1219)t lu(cid:1201)n ch(cid:1133)(cid:1131)ng I
Các phương pháp tính lũ thiết kế trên thế giới và Việt am đều chia thành hai
nhóm: nhóm phương pháp trực tiếp (có số liệu thực đo) và gián tiếp từ mưa và
mặt đệm (không có số liệu thực đo). Các phương pháp hiện nay (cid:1251) Việt am
(TCV 9845:2013) còn có nhiều vấn đề tồn t(cid:1189)i, gây khó khăn trong việc tính
toán cũng như tính hợp lý của kết qu(cid:1191). Do đó, cần thiết nghiên cứu tiếp cận các
phương pháp đang sử dụng (cid:1251) các nước tiến tiến cùng với sự hỗ trợ của công
nghệ máy tính, tư liệu viễn thám và công nghệ GIS nhằm chi tiết và chính xác
hóa cơ s(cid:1251) dữ liệu để áp dụng các phương pháp đã lựa chọn tính lũ thiết kế cho các công trình giao thông.
9
XÂY D(cid:1268)NG C(cid:1130) S(cid:1250) KHOA H(cid:1232)C TệNH LǛ THI(cid:1218)T K(cid:1218)
CH(cid:1132)(cid:1130)NG 2 CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU V(cid:1268)C NGHIÊN C(cid:1260)U
2.1 C(cid:1131) s(cid:1251) lý thuy(cid:1219)t c(cid:1259)a các ph(cid:1133)(cid:1131)ng pháp tính lǜ thi(cid:1219)t k(cid:1219) 2.1.1 Phương pháp SCS-CN
Hình 2.2 Sơ đồ tính lưu lượng thiết kế theo pp SCS-CN
Hình 2.3 Sơ đồ tính lưu lượng tk theo pp mô hình quan hệ
Phương pháp này được Cơ quan b(cid:1191)o vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (SCS) xây dựng và chính thức đưa vào Sổ tay Kỹ thuật Hoa Kỳ năm 2004, hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Phương pháp SCS-C bao gồm 2 phần chính: tính tổn thất dòng ch(cid:1191)y (mưa hiệu qu(cid:1191), từ C ) và tính chuyển mưa hiệu qu(cid:1191) thành dòng ch(cid:1191)y theo lũ đơn vị SCS. Số liệu đầu vào của phương pháp bao gồm: lượng mưa, lo(cid:1189)i đất, địa hình, độ m, hiện tr(cid:1189)ng sử dụng đất. Sơ đồ tính hình 2.2.
2.1.2 Phương pháp mô hình quan hệ (Rational Method)
Phương pháp mô hình quan hệ (hay là Q = C.I.A) được đề cập trong hầu hết các tiêu chu n thiết kế công trình giao thông (cid:1251) các nước trên thế giới, dựa trên mối quan hệ giữa dòng ch(cid:1191)y và các đặc trưng cơ b(cid:1191)n của lưu vực, cư(cid:1249)ng độ mưa trung bình và diện tích lưu vực. Công thức tính đỉnh lũ thiết kế có d(cid:1189)ng:
(2-9) QmaxP = (C.I.A)/3,6
Trong đó: QmaxP là lưu lượng đỉnh lũ thiết kế (m3/s); C là hệ số dòng ch(cid:1191)y; I là cư(cid:1249)ng độ mưa ứng với th(cid:1249)i gian tập trung dòng ch(cid:1191)y (mm/h); A là diện tích lưu vực (km2). Các bước tính toán của phương pháp mô hình quan hệ được tóm tắt trong sơ đồ hình 2.3.
10
2.1.3 Phương trình hồi quy vùng
Phương trình hồi quy vùng là một trong những phương pháp thư(cid:1249)ng được sử dụng trong quy ho(cid:1189)ch hoặc tính toán thiết kế sơ bộ cho các công trình thoát nước (cid:1251) vùng không có số liệu. Cơ s(cid:1251) khoa học của phương pháp là tổng kết các
đặc trưng lưu vực, mặt đệm, mưa thiết kế để xây các phương trình hồi quy
vùng dưới d(cid:1189)ng quan hệ giữa mô đun hay lưu lượng đỉnh lũ với diện tích lưu vực cho các khu vực khác nhau trên lãnh thổ (ví dụ 2.2 C(cid:1131) s(cid:1251) d(cid:1267) li(cid:1227)u c(cid:1259)a các ph(cid:1133)(cid:1131)ng pháp tính lǜ thi(cid:1219)t k(cid:1219)
Để ứng dụng của các phương pháp lựa chọn (mục 1.5 và 2.1) cần xây dựng cơ s(cid:1251) dữ liệu về mưa và mặt đệm như sau: 2.2.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu mưa
Mưa là đặc trưng quan trọng quyết định sự hình thành dòng ch(cid:1191)y trên lưu vực. ghiên cứu về mưa gồm: ượng mưa, th(cid:1249)i gian mưa, cư(cid:1249)ng độ mưa, phân bố (biến động) mưa theo không gian và th(cid:1249)i gian. uận án đã thống kê các hình thế th(cid:1249)i tiết gây mưa lớn (cid:1251) khu vực nghiên cứu, biến động của mưa theo không gian và th(cid:1249)i gian, chi tiết hóa mưa ngày thành mưa th(cid:1249)i đo(cid:1189)n ngắn, xây dựng bộ đư(cid:1249)ng cong ''Cư(cid:1249)ng độ mưa -Th(cid:1249)i gian mưa - Tần suất mưa (IDF)'', xây dựng các b(cid:1191)n đồ biến thiên lượng mưa, các đư(cid:1249)ng cong tích lũy mưa cho các khu vực khác nhau trong vùng nghiên cứu. Một số kết qu(cid:1191) điển hình được minh họa tóm tắt trong các hình và b(cid:1191)ng sau:
Test
B(cid:1191)ng 2.3 Kết qu(cid:1191) kiểm định xu thế lượng mưa ngày lớn nhất Độ dốc theo Sen
K(cid:1219)t lu(cid:1201)n theo
Z1-α/2
n
Chuỗi m(cid:1133)a
Mann-Kendall
Z
(α = 5%)
(mm/năm)
57
1,20
176,0
1,96
Xn max Bắc K(cid:1189)n
Xu thế tăng
39
0,33
28,0
1,96
Xn max Bắc Sơn
Xu thế tăng
39
1,72
143,0
1,96
Xn max Chợ Rã
Xu thế tăng
39
- 0,93
-78,0
1,96
Xn max Đình ập
Xu thế gi(cid:1191)m
39
-0,80
-67,0
1,96
Xn max Hữu ũng
Xu thế gi(cid:1191)m
55
1,79
247,0
1,96
Xn max (cid:1189)ng Sơn
Xu thế tăng
52
1,10
141,0
1,96
Xn max gân Sơn
Xu thế tăng
47
-1,72
-189,0
1,96
Xn max Thất Khê
Xu thế gi(cid:1191)m
11
Hình 2.11 B(cid:1191)n đồ hệ số biến thiên lượng mưa ngày max (CV), Đông Bắc
Hình 2.24 B(cid:1191)n đồ đẳng trị cư(cid:1249)ng độ mưa I-1-100 (Bắc K(cid:1189)n và (cid:1189)ng Sơn)
T = 5
T = 10
T = 25
Tr(cid:1189)m
a
n
a
n
a
n
50,9
-1,25
63,0
-1,25
79,1
-1,25
Bắc C(cid:1189)n
59,3
-1,32
74,9
-1,38
95,9
-1,45
Bắc Sơn
38,2
-1,18
47,5
-1,17
59,9
-1,16
Chợ Rã
54,8
-1,14
71,1
-1,14
93,8
-1,14
Đình ập
46,9
-1,24
56,2
-1,24
68
-1,24
(cid:1189)ng Sơn
58,2
-1,32
72,5
-1,31
91,5
-1,29
Thất Khê
89,6
-1,3
57,7
-1,25
71,8
-1,27
gân Sơn
67,5
-1,36
83,9
-1,39
105,9
-1,41
Hữu ũng
Hình 2.23 Bộ đư(cid:1249)ng cong IDF tr(cid:1189)m (cid:1189)ng Sơn và Đình ập
B(cid:1191)ng 2.6 B(cid:1191)ng hệ số của phương trình đư(cid:1249)ng cong IDF, I = a.Dn
Kết qu(cid:1191) nghiên cứu cho thấy nếu c(cid:1191) khu vực Đông Bắc chỉ được coi là một trong 18 vùng của Việt am để sử dụng các hệ số triết gi(cid:1191)m mưa cũng như chỉ sử dụng Hnp% trong tính toán lũ thiết kế trong giao thông là chưa hợp lý vì lượng mưa (cid:1251) đây có sự biến động lớn c(cid:1191) về không gian và th(cid:1249)i gian giữa các
12
khu vực (b(cid:1191)ng 2.3, hình 2.11 và hình 2.24). hư vậy, việc chi tiết hóa lượng mưa ngày thành mưa gi(cid:1249) và xây dựng các b(cid:1191)n đồ phân bố mưa ngày, họ đư(cid:1249)ng
cong IDF cho các khu vực khác nhau trong vùng nghiên cứu là rất cần thiết.
Hình 2.25 Phân bố lũy tích mưa 24h tr(cid:1189)m Bắc K(cid:1189)n và Bắc Sơn
2.2.1 Xây d(cid:1269)ng c(cid:1131) s(cid:1251) d(cid:1267) li(cid:1227)u mặt đ(cid:1227)m
Xây dựng cơ s(cid:1251) dữ liệu mặt đệm phục vụ tính toán lũ thiết kế công trình giao
thông cho khu vực nghiên cứu bao gồm việc khoanh lưu vực, xác định các đặc
trưng lưu vực (diện tích chiều dài, độ dốc..), xây dựng các b(cid:1191)n đồ (b(cid:1191)ng tra) hệ
GoogleEarth
(cid:1190)nh vệ tinh
Thu thập và phân tích tài liệu
B(cid:1191)n đồ đất
Hiện tr(cid:1189)ng sử dụng đất qua gi(cid:1191)i đoán (cid:1191)nh Vệ tinh
B(cid:1191)n đồ hiện tr(cid:1189)ng sử dụng đất
Hiện tr(cid:1189)ng sử dụng đất đã cập nhật
Phân tích không gian trong GIS
B(cid:1191)n đồ C cho vùng nghiên cứu
số dòng ch(cid:1191)y, xây dựng b(cid:1191)n đồ (b(cid:1191)ng tra) chỉ số C , và xây dựng các b(cid:1191)n đồ hệ số nhám. Trong nghiên cứu này, uận án đã ứng dụng công cụ viễn thám và GIS nhằm cập nhật dữ liệu, phân tích thuộc tính không gian và xây dựng các b(cid:1191)n đồ chuyên dùng, phục vụ tính lũ.
Hình 2.29 Sơ đồ các bước xây dựng b(cid:1191)n đồ chỉ số C
13
2.2.1.1. Xây dựng bản đồ chỉ số CN
Việc xây dựng b(cid:1191)n đồ chỉ số
CN cho khu vực nghiên cứu
được thực hiện theo sơ đồ
hình 2.29. Kết qu(cid:1191) được minh
họa (cid:1251) hình 2.32. Phần giá trị
CN của tiểu lưu vực thoát
nước qua cầu B(cid:1191)n Chắt được
Hình 2.32 B(cid:1191)n đồ chỉ số C tỉnh Bắc K(cid:1189)n và (cid:1189)ng Sơn
trích xuất từ b(cid:1191)n đồ CN của
khu vực nghiên cứu. 2.2.1.2. Xây dựng bản đồ hệ số dòng chảy C dạng ô lưới
Hình 2.33 Sơ đồ các bước xây dựng b(cid:1191)n đồ hệ số dòng ch(cid:1191)y C
Hình 2.34 B(cid:1191)n đồ hệ số dòng ch(cid:1191)y C tỉnh Bắc K(cid:1189)n và (cid:1189)ng Sơn
Việc xây dựng b(cid:1191)n đồ hệ số dòng ch(cid:1191)y C d(cid:1189)ng ô lưới cho khu vực nghiên cứu được thực hiện theo sơ đồ hình 2.33. Kết qu(cid:1191) được minh họa trong hình 2.34
2.2.1.3. Xây dựng bản đồ hệ số nhám Manning n
Việc xây dựng b(cid:1191)n đồ hệ số nhám n cho khu vực nghiên cứu được thực hiện
theo sơ đồ hình 2.35. Kết qu(cid:1191) được minh họa trong hình 2.36.
14
Hình 2.35 Sơ đồ các bước xd bđ hệ số nhám Manning
Hình 2.36 B(cid:1191)n đồ hệ số nhám (BK và LS)
2.2.1.4. Phân chia và tính toán các đặc trưng lưu vực từ DEM Việc tính toán các đặc trưng lưu vực thoát nước rất cần thiết; đặc trưng lưu vực
ph(cid:1191)n ánh độ cao, hướng dòng ch(cid:1191)y và là dữ liệu để tính các tham số như: th(cid:1249)i gian tập trung dòng ch(cid:1191)y, diện tích lưu vực. Luận án đã xác định ranh giới và xây
Hình 2.37 B(cid:1191)n đồ lv cầu Bắc Khương
dựng b(cid:1191)n đồ cho các lưu vực thoát nước
(hơn 40 lưu vực thoát nước) của khu vực Đông Bắc. Kết qu(cid:1191) tính toán các đặc trưng lưu vực Bắc Khương được minh họa (cid:1251) hình 2.37 và b(cid:1191)ng 2.17.
B(cid:1191)ng 2.17 Kết qu(cid:1191) tính các đặc trưng (lưu vực cầu Bắc Khương)
TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9
% km2 km km km km2/km
Tr(cid:1231) số 506,5 27,3 40,1 56,2 9,0 2,0 23,6 0,4
P F L ∑ i Llv B n J(Sb) % Js(Sr)%
Các đặc tr(cid:1133)ng c(cid:1195)u Bắc Kh(cid:1133)(cid:1131)ng Kí hi(cid:1227)u Đ(cid:1131)n v(cid:1231) Tần suất thiết kế Diện tích lưu vực Chiều dài dòng chủ Tổng chiều dài dòng nhánh Chiều dài lưu vực Độ rộng bình quân lưu vực Số sư(cid:1249)n lưu vực Độ dốc lưu vực Độc dốc lòng sông
2.3 K(cid:1219)t lu(cid:1201)n ch(cid:1133)(cid:1131)ng II
15
Kết qu(cid:1191) nghiên cứu cho thấy, Vùng Đông Bắc được chia thành một vùng mưa
trong 18 vùng mưa của c(cid:1191) nước (TCV 9845:20013) là chưa hợp lý b(cid:1251)i sự
biến đổi lượng mưa theo không gian là rất lớn. Việc chi tiết hóa mưa ngày
thành mưa th(cid:1249)i đo(cid:1189)n ngắn, xây dựng bộ đư(cid:1249)ng cong IDF, bộ đư(cid:1249)ng cong lũy
tích mưa 24h, b(cid:1191)n đồ đẳng trị lượng mưa phù hợp với tính toán cho công trình
thoát nước vừa và nhỏ. Việc chi tiết hóa và cập nhật mặt đệm thông qua xây
dựng b(cid:1191)n đồ lưu vực, b(cid:1191)n đồ chỉ số C , hệ số dòng ch(cid:1191)y C, độ nhám Manning nhằm chính xác hóa các thông số mặt đệm, là cơ s(cid:1251) dự liệu để áp dụng các phương pháp lựa chọn trong uận án.
TÍNH TOÁN TH(cid:1264) NGHI(cid:1226)M VÀ Đ(cid:1220) XU(cid:1192)T PH(cid:1132)(cid:1130)NG CH(cid:1132)(cid:1130)NG 3 PHÁP TệNH LǛ THI(cid:1218)T K(cid:1218) CHO CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG
3.1 C(cid:1131) s(cid:1251) phơn nhóm công trình thoát n(cid:1133)ớc trong tính lǜ thi(cid:1219)t k(cid:1219)
Các căn cứ để phân chia các nhóm lưu vực và phương pháp tính lũ thiết kế:
+ Căn cứ vào điều kiện áp dụng: Phương pháp mô hình quan hệ được áp dụng khi diện tích lưu vực A < 65 km2; Phương pháp SCS có giới h(cid:1189)n từ 2 - 500 km2; Phương pháp hồi quy vùng sẽ tùy vào mức độ chi tiết số liệu đầu vào;
+ Căn cứ vào kết qu(cid:1191) thu thập dữ liệu công trình (vị trí, tuyến, số lượng);
+ Căn cứ vào các thông số tính toán (nhóm đất, lo(cid:1189)i th(cid:1191)m phủ, hệ số C , hệ số
dòng ch(cid:1191)y và đặc trưng nhám, độ dốc lưu vực), cho thấy cỡ lưu vực tương ứng với mức độ phức t(cid:1189)p trong tính các đặc trưng về mưa và mặt đệm.
Từ các căn cứ trên và kết qu(cid:1191) xây dựng cơ s(cid:1251) khoa học, tiến hành phân chia nhóm công trình tính lũ thiết kế như sau: hóm thứ nhất: các công trình có diện tích lưu vực khống chế bé (A<5km2) bao gồm các cống, cầu nhỏ chiếm kho(cid:1191)ng 50% số lượng công trình thoát nước trên đư(cid:1249)ng. hóm này có đặc
điểm là lo(cid:1189)i đất, th(cid:1191)m phủ và lưu vực đơn gi(cid:1191)n (thư(cid:1249)ng là một lo(cid:1189)i đất và một vài lo(cid:1189)i th(cid:1191)m phủ) có thể tính toán nhanh được lưu lượng lũ thiết kế; hóm thứ hai: các công trình có diện tích lưu vực khống chế kho(cid:1191)ng 5 - 30 km2, chiếm đến 40% số lượng công trình thoát nước trên đư(cid:1249)ng. hóm này phức t(cid:1189)p hơn vì
16
có nhiều lo(cid:1189)i đất và th(cid:1191)m phủ; hóm thứ ba: Các công trình còn l(cid:1189)i với diện tích lớn hơn 30 km2 chiếm số lượng ít. Các lưu vực này có điều kiện về địa chất th(cid:1191)m phủ phức t(cid:1189)p hơn cần chia thành nhiều lưu vực con để tính các đặc trưng
cho phù hợp, mặt khác kết hợp các phương pháp khác nhau để tính toán kiểm nghiệm.
B(cid:1191)ng 3.14 Kết qu(cid:1191) tính lưu lượng thiết kế theo 5 phương pháp
K(cid:1219)t qu(cid:1191) tính l(cid:1133)u l(cid:1133)ợng Q p% (m3/s) bằng các ph(cid:1133)(cid:1131)ng pháp
TCVN 9845:2013
TT Tên c(cid:1195)u
Lu(cid:1201)n án
A (km2)
CIA
SCS
Xokolosky
CDGH
Hồi quy
Can
3,16
87,8
95,8
74,6
93,0
71,0
1
25,2
327,5
276,0
281,9
362,1
252,9
2
B(cid:1191)n Chắt
129,2
652,2
610,9
707,4
712,5
711,9
3
Pắc Vằng
4
1559,9
2170,1
3420,0
3325,4
3960,0
3856,8
Kỳ ừa
3.2 Tính thử nghiệm theo các phương pháp khác nhau
unh thử nghiệm theo các phương pháp khác nhauện về địa chất th(cid:1191)m phủ
phức t(cid:1189)p hơn cần chia thành nhiều lưu vực con để tính các đặc trưng cho phù
hợp, mặt khác kết hợp các phương pháp khác nhau để tính toán kiểm
nghiệmnhanh được lưu lượng lũ thiết kế;bộ đưho các cầu có diện tích lưu vực A < 5 km2; Cầu B(cid:1191)n Chắt đ(cid:1189)i diện cho các cầu có diện tích lưu vực 5 km2 < A < 30 km2; Cầu Pắc Vằng đ(cid:1189)i diện cho các cầu có diện tích lưu vực 30 km2 < A < 100 km2; Cầu Kỳ ừa đ(cid:1189)i diện cho các cầu có diện tích A > 100 km2.
S(cid:1251) dĩ có các kết qu(cid:1191) tính toán khác nhau b(cid:1251)i vì hai cách tiếp cận và điều kiện
cơ s(cid:1251) dữ liệu khác nhau. Ba phương pháp được lựa chọn trong uận án xây
dựng từ cơ s(cid:1251) phân tích dữ liệu mưa và mặt đệm chi tiết và cập nhật, với công
nghệ hiện đ(cid:1189)i cho phép truy xuất các kết qu(cid:1191) cho từng tiểu lưu vực và có thể
tính được giá trị trung bình trên lưu vực nên việc tính toán sẽ tr(cid:1251) nên đơn gi(cid:1191)n
hơn, nhanh hơn và kết qu(cid:1191) tính toán cũng hợp lý hơn. Còn 2 phương pháp hiện dùng đều coi c(cid:1191) khu vực Đông Bắc là một phân vùng (1 trong 18 phân vùng
17
của Việt am) nên các hệ số sử dụng cho vùng là dùng chung cho mọi công
trình trong khu vực nghiên cứu sẽ d n tới các hệ số (cid:1251) một số khu vực là thiên
cao, còn một số l(cid:1189)i thiên thấp d n đến kết qu(cid:1191) tính chưa hợp lý, thêm vào đó là
các b(cid:1191)ng tra được xây dựng từ lâu, trên nền dữ liệu h(cid:1189)n chế và chưa được cập nhật.
3.3 Đề xuất phương pháp tính phù hợp
Qua nghiên cứu lý thuyết ba phương pháp, xây dựng cơ s(cid:1251) khoa học để áp dụng tính lũ thiết kế cho các công trình thoát nước khu vực Đông Bắc và tính toán thử nghiệm cho một số công trình, uận án đề xuất phương pháp tính cho các lo(cid:1189)i công trình thoát nước trong giao thông như (cid:1251) b(cid:1191)ng 3.15.
B(cid:1191)ng 3.15 Kiến nghị phương pháp tính lũ cho công trình giao thông
Công trình
Các nội dung th(cid:1269)c hi(cid:1227)n
TT Nhi(cid:1227)m
Ph(cid:1133)(cid:1131)ng pháp
Cỡ l(cid:1133)u v(cid:1269)c A (km2)
vụ
A < 5
Cống nhỏ
Mô hình quan hệ
5 < A < 30
Q=C.I.A
Cầu nhỏ và cống
- Tra b(cid:1191)n đồ C -Tra A từ b(cid:1191)n đồ lưu vực; - Tính Tc từ đặc trưng lưu vực - Tra I từ bộ đư(cid:1249)ng cong IDF
1
Thiết kế
5 < A < 30
Cầu nhỏ và cống
SCS-CN
30 < A < 100
Cầu trung
-Tra C từ b(cid:1191)n đồ C đã xd; - Tra A từ b(cid:1191)n đồ lưu vực - Tính Tc từ đặc trưng lưu vực
A > 100
Cầu lớn
Cống
Cầu nhỏ
2
A < 400
Hồi quy vùng
Cầu trung
- Tra A từ b(cid:1191)n đồ lưu vực - Chọn tần suất tính toán - Tra hệ số phương trình Q=f(A)
Quy ho(cid:1189)ch, ập dự án
Cầu lớn
18
3.4 Xây d(cid:1269)ng ch(cid:1133)(cid:1131)ng trình tính lǜ thi(cid:1219)t k(cid:1219) cho các công trình thoát
n(cid:1133)ớc trong giao thông khu v(cid:1269)c Đông Bắc
3.4.1 Giới thiệu chung về chương trình tính
Dựa trên cơ s(cid:1251) khoa học đã xây dựng (cid:1251) chương I, II: các phương pháp tính, điều kiện áp dụng, cơ s(cid:1251) dữ liệu mưa và bề mặt đã xây dựng (các b(cid:1191)n đồ, b(cid:1191)ng
tra, phương trình), uận án đã tiến hành xây dựng chương trình tính lũ thiết kế cho công trình thoát nước trong giao thông (cid:1251) khu vực Đông Bắc. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ Visual studio và Java được tích hợp trên nền của Google Map do vậy có thể tận dụng được sự cập nhập thông tin thư(cid:1249)ng xuyên của (cid:1191)nh viễn thám độ phân gi(cid:1191)i cao (IKO OS – 1m), các b(cid:1191)n đồ cơ s(cid:1251) trong đó có giao thông tương đối chi tiết của Google, đồng th(cid:1249)i trên nền Google map có thể phóng to (zoom) để xem chi tiết (cid:1191)nh vệ tinh bề mặt của khu vực .
Mã nguồn của chương
tính được đưa ra trình trong phụ lục của uận án; Giao diện ban đầu của
Hình 3.19 Giao diện ban đầu trên nền (cid:1191)nh vệ tinh của Google map
chương trình được minh họa trong hình 3.19.
3.4.2 Cấu trúc của chương trình tính
Cấu trúc của chương trình tính được xây dựng theo sơ đồ khối hình 3.20. Theo sơ đồ này, chương trình chia thành 2 khối chính: i) khối các mô đun tính gồm việc xây dựng các chương trình con cho 3 phương pháp kiến nghị (4 trang đầu
của mã chương trình); ii) khối truy xuất và qu(cid:1191)n lý dữ liệu phục vụ tính toán, lưu trữ và hiển thị kết qu(cid:1191) (các trang còn l(cid:1189)i của mã chương trình).
Toàn bộ các b(cid:1191)n đồ và cơ s(cid:1251) dữ liệu (chỉ số C , hệ số dòng ch(cid:1191)y C, hệ số Cv, cư(cid:1249)ng độ mưa, các tiểu lưu vực và đặc trưng hình thái), biểu đồ (các họ đư(cid:1249)ng
19
cong IDF cho các khu vực khác nhau trong vùng nghiên cứu), b(cid:1191)ng tra, các phương trình hồi quy vùng đều được tích hợp trong cơ s(cid:1251) dữ liệu không gian (GEO-database) và được tích hợp trên nền Google Map. Cơ s(cid:1251) dữ liệu không gian (GEO-database) có thể định nghĩa là cơ s(cid:1251) dữ liệu đặc biệt có 2 phần chính đó là phần không gian dùng để mô t(cid:1191) vị trí, hình d(cid:1189)ng, kích thước, có thể
(cid:1251) định d(cid:1189)ng vector hay raster (đây chính là các b(cid:1191)n đồ C , C, Cv, ..) và phần thuộc tính dùng để mô t(cid:1191) giá trị và các thông tin của phần không gian trên,
Hình 3.20 Sơ đồ khối xây dựng chương trình tính
thư(cid:1249)ng (cid:1251) dưới d(cid:1189)ng b(cid:1191)ng biểu (là các ma trận hiển thị các giá trị của ô lưới) (minh họa (cid:1251) các hình 2.37 là dữ liệu C , hình 2.38 là dữ liệu hệ số dòng ch(cid:1191)y C).
3.4.3 Hướng dẫn sử dụng chương trình tính
Chương trình tính được xây dựng với mục đích hỗ trợ tính toán nhanh đồng
th(cid:1249)i cho phép cập nhập các thông số khi cần thiết cho khu vực nghiên cứu và m(cid:1251) rộng cho các khu vực khác (cid:1251) Việt am. Chương trình được tích hợp trên nền Google Map và có giao diện cũng như thao tác tính toán rất đơn gi(cid:1191)n. Các bước sử dụng như sau:
20
Hình 3.21 Giao diện của CT trên nền b(cid:1191)n đồ
Bước 1: Gọi chương trình tính: ngư(cid:1249)i dung chỉ cần gõ vào địa chỉ, màn hình như hình 3.21 (cid:1251) trên sẽ hiện ra, click vào nút “bản đồ” hay “vệ tinh” (cid:1251) lề trái giao diện để hiển thị (cid:1191)nh vệ tinh hoặc b(cid:1191)n đồ giao thông của khu vực tính toán.
Bước 2: ựa chọn phương pháp tính: Căn cứ vào mục đích tính và
diện tích thoát nước cho công trình
(theo đề xuất (cid:1251) b(cid:1191)ng 3.22) lựa chọn
phương pháp tính. Hình 3.22 minh
Hình 3.22 Kết qu(cid:1191) tính lũ cầu Can theo pp CIA (Trên nền (cid:1191)nh vệ tinh)
họa giao diện mô hình khi chọn phương pháp Mô hình quan hệ.
Bước 3: hập thông tin về công trình: thông tin về tên công trình, tần suất, vị trí công trình (kinh độ, vĩ độ), diện tích lưu vực, chương trình sẽ tự động chuyển đến và phóng to b(cid:1191)n đồ lưu vực và vị trí công trình cần tính, đồng th(cid:1249)i
truy vấn các thông tin trong cơ s(cid:1251) dữ liệu và ước tính các thông số cho lưu vực
thoát nước của công trình như: th(cid:1249)i gian tập trung dòng ch(cid:1191)y, độ dốc bình quân lưu vực, hệ số dòng ch(cid:1191)y bình quân lưu vực, cư(cid:1249)ng độ mưa ứng với tần suất thiết kế (xem hình 3.22). gư(cid:1249)i dùng có thể nhấn ngay vào nút “Tính toán” (cid:1251) phía trên bên ph(cid:1191)i của màn hình, hoặc có thể căn cứ vào hiện tr(cid:1189)ng sử dụng đất từ (cid:1191)nh vệ tinh độ phân gi(cid:1191)i cao của Google Map ((cid:1191)nh IKO OS – 1m) để hiệu chỉnh các thông số đã được truy vấn và hiển thị (cid:1251) trên trước khi nhấn vào nút “Tính toán”. Ví dụ mặc dù truy vấn ra hệ số dòng ch(cid:1191)y trung bình là 0,45 nhưng t(cid:1189)i th(cid:1249)i điểm tính, lưu vực tính toán đã thay đổi, hiện rừng không còn nữa (căn cứ trên (cid:1191)nh vệ tinh, do Google cập nhập thư(cid:1249)ng xuyên) thì ngư(cid:1249)i dùng có thể thay đổi hệ số dòng ch(cid:1191)y bằng 0,7 cho lưu vực cần tính. Sau khi
21
nhấn vào nút “Tính toán”, chương trình sẽ hiển thị kết qu(cid:1191) lưu lượng đỉnh lũ thiết kế và đư(cid:1249)ng quá trình lũ thiết kế. gư(cid:1249)i dùng có thể in hoặc xuất kết qu(cid:1191) ra b(cid:1191)ng biểu để phục vụ báo cáo. Với các phương pháp tính khác khi lựa chọn, thì thao tác cũng tương tự như vậy. 3.5 Kết luận chương III
Với cơ s(cid:1251) dữ liệu đã được xây dựng từ chương II, căn cứ vào các điều kiện
phân chia cỡ lưu vực phù hợp với phương pháp tính, tính thử nghiệm cho 4
nhóm công trình và 5 phương pháp (3 phương pháp lựa chọn trong uận án; 2
phương pháp (cid:1251) TCV 9845:2013 dùng để kiểm nghiệm đánh giá), kết qu(cid:1191) tính và phân tích dùng để đề xuất các phương pháp cho từng lo(cid:1189)i công trình trong từng điều kiện và nhiệm vụ cụ thể. Kết qu(cid:1191) nghiên cứu được tích hợp trong
phần mềm viết trên nền Google map cho phép ngư(cid:1249)i dùng có thể tính toán nhanh và cập nhật dữ liệu cũng như hoàn thiện một chương trình m(cid:1251) dùng cho giao thông.
K(cid:1218)T LU(cid:1200)N VÀ KI(cid:1218)N NGH(cid:1230)
1. Nh(cid:1267)ng nội dung chính đƣ đ(cid:1133)ợc th(cid:1269)c hi(cid:1227)n
uận án đã thu thập các tài liệu liên quan mật thiết đến đề tài, tổng quan nghiên cứu tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông (cid:1251) trong nước và ngoài nước
từ đó tổng kết được các ưu điểm và nhược điểm nhằm lựa chọn hướng tiếp cận
phù hợp vừa mang tính kế thừa, vừa đ(cid:1191)m b(cid:1191)o tính sáng t(cid:1189)o trong nghiên cứu để đáp ứng mục tiêu đặt ra của luận án.
1) uận án đã thu thập dữ liệu (công trình cầu, khí tượng thủy văn, thổ nhưỡng, th(cid:1191)m phủ, b(cid:1191)n đồ DEM) và nghiên cứu xây dựng cơ s(cid:1251) khoa học để áp dụng theo các phương pháp bao gồm: i)Về phương pháp, đã giới thiệu cơ s(cid:1251) lý thuyết, điều kiện áp dụng, các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan, các yêu cầu về dữ liệu và trình tự tính của các phương pháp; ii) Về đặc trưng mưa, đã phân tích và tổng hợp các hình thế th(cid:1249)i tiết bất lợi trong khu vực nghiên cứu,
một số trận lũ điển hình, số liệu thống kê thiệt h(cid:1189)i để thấy sự cấp thiết của đề tài. ghiên cứu biến động của mưa (mưa sinh lũ) theo không gian và th(cid:1249)i gian,
22
sử dụng các phương pháp phân tích thống kê, kỹ thuật viễn thám và công nghệ GIS, phương pháp Mann-Kendall và Sen được dùng để đánh giá sự biến động của mưa theo th(cid:1249)i gian, phân tích tần suất, phân tích hồi quy được dùng để xây dựng các họ đư(cid:1249)ng cong IDF cho các tiểu vùng khác nhau trong khu vực cũng như chi tiết hóa mưa ngày thành mưa th(cid:1249)i đo(cid:1189)n ngắn. Kỹ thuật Viễn thám và GIS cũng được sử dụng để cập nhập các số liệu mới từ (cid:1191)nh vệ tinh, phân tích không gian và xây dựng các b(cid:1191)n đồ đẳng trị về biến đổi lượng mưa, hệ số biến
đổi lượng mưa Cv để đánh giá sự biến động của mưa theo không gian trong khu vực nghiên cứu; iii) Về đặc trưng mặt đệm, đã sử dụng các tư liệu không gian, ứng dụng kỹ thuật Viễn thám và GIS để xây dựng, phân chia khu vực nghiên cứu thành nhiều tiểu lưu vực thoát nước với trên 40 tiểu lưu vực thoát nước qua cầu và nhiều tiểu lưu vực nhỏ hơn, b(cid:1191)n đồ về chỉ số C được xây dựng và cập nhập mới theo số liệu mới nhất về lo(cid:1189)i đất và th(cid:1191)m phủ thực vật và
tư liệu viễn thám, b(cid:1191)n đồ hệ số dòng ch(cid:1191)y, b(cid:1191)n đồ hệ số nhám xây dựng phục vụ cho tính toán lũ thiết kế.
2) uận án đã tính thử nghiệm cho một số nhóm công trình trên cơ s(cid:1251) phân lo(cid:1189)i nhóm theo diện tích lưu vực và kiến nghị các phương pháp áp dụng:
- Trong thiết kế: Với cống thoát nước nhỏ có A< 5 km2 nên sử dụng phương pháp CIA;Với cầu nhỏ và cống thoát nước có A từ 5 đến 30 km2 nên sử dụng phương pháp mô hình quan hệ và tính thêm phương pháp SCS-CN để xây dựng đư(cid:1249)ng quá trình lũ; Với cầu trung A từ 30 đến 100 km2 và A>100 km2 nên sử dụng phương pháp SCS-CN kết hợp thêm các phương pháp khác;
- Trong quy ho(cid:1189)ch và lập dự án, kiến nghị phương pháp hồi quy vùng nhằm tính toán nhanh và kiểm tra thoát nước của các cầu cũ.
Thông qua thử nghiệm tính toán cho nhiều công trình trong khu vực nghiên
cứu, luận án cho thấy c(cid:1191) ba phương pháp này đều rất dễ áp dụng, kh(cid:1191) năng tính
toán nhanh, chính xác, cho phép áp dụng các kỹ thuật và công nghệ tiên tiến vào tính toán và đặc biệt khi tính toán chi tiết cho công trình lớn ngư(cid:1249)i sử dụng có thể tự cập nhập số liệu mới nhất về bề mặt đệm nếu cần thiết.
23
3) uận án đã tích hợp tất c(cid:1191) dữ liệu và cơ s(cid:1251) khoa học (các b(cid:1191)n đồ (chỉ số C ,
hệ số dòng ch(cid:1191)y, hệ số Cv, cư(cid:1249)ng độ mưa, các tiểu lưu vực và đặc trưng hình thái), biểu đồ (các họ đư(cid:1249)ng cong IDF trên khu vực), b(cid:1191)ng tra, các phương trình hồi quy vùng) vào cơ s(cid:1251) dữ liệu không gian (GEO-database) để xây dựng một phần mềm tính toán viết trên nền Google Map. Đây là chương trình có mã
nguồn m(cid:1251), cho phép ngư(cid:1249)i dùng cập nhật thư(cid:1249)ng xuyên cơ s(cid:1251) dữ liệu từ tư liệu viễn thám và các đặc trưng khác. 2. Nh(cid:1267)ng t(cid:1239)n tại c(cid:1259)a lu(cid:1201)n án
Mới đánh giá được biến động của mưa (mưa sinh lũ) mà chưa đánh giá được biến động của lũ trên khu vực nghiên cứu. Các b(cid:1191)n đồ xây dựng với tỷ lệ lớn; 3. Nh(cid:1267)ng đóng góp mới c(cid:1259)a Lu(cid:1201)n án
uận án đã đưa ra được 2 đóng góp mới (xem phần m(cid:1251) đầu). 4. H(cid:1133)ớng phát triển c(cid:1259)a Lu(cid:1201)n án
Kết qu(cid:1191) đ(cid:1189)t được mới chỉ là những thành công ban đầu, việc nghiên cứu m(cid:1251) rộng hơn nữa cần ph(cid:1191)i được tiếp tục trong th(cid:1249)i gian tới: i) Tiếp tục cập nhập số
liệu để nâng cao chất lượng các b(cid:1191)n đồ (chỉ số C , Cv, hệ số dòng ch(cid:1191)y, độ
nhám), các b(cid:1191)ng tra và đư(cid:1249)ng quá trình (IDF, lũy tích mưa..), các phương trình hồi quy vùng và các công thức để tiến hành chi tiết mưa ngày thành mưa các th(cid:1249)i đo(cid:1189)n ngắn; ii) Từng bước hoàn thiện phần mềm tính và chia sẻ phần mềm trên nền Google Map để các nhà khoa học có thể góp ý, cập nhập thêm các thông tin, các phương pháp tính ưu việt khác; iii) Tiếp tục nghiên cứu để m(cid:1251) rộng ph(cid:1189)m vi áp dụng ra các khu vực khác (cid:1251) Việt am. 5. Ki(cid:1219)n ngh(cid:1231)
Đề nghị có những nghiên cứu chuyên sâu hơn để nâng cấp Quy chu n tính toán
lũ cho công trình giao thông hiện nay theo hướng thuận tiện, chính xác và có
thể áp dụng được các phương tiện và công cụ tính toán hiện đ(cid:1189)i và tiên tiến như các nước phát triển đang có.
24
DANH M(cid:1256)C CỌNG TRỊNH ĐÃ CỌNG BỐ
1. Doưn Th(cid:1231) N(cid:1245)i, Ngô Lê Long & Hoàng Thanh Tùng (2016).''Nghiênăc(cid:1261)uăđ(cid:1221)ă xu(cid:1193)tă ph(cid:1133)(cid:1131)ngă phápă tínhă lǜă thi(cid:1219)tă k(cid:1219)ă côngă trìnhă giaoă thôngă vùngă núiă Đôngă B(cid:1203)c- Vi(cid:1227)tăNam''. Tạp chí KHKT&Môi Trường. Sốă53ăT6-2013. Trang 80-86;
2. Doưn Th(cid:1231) N(cid:1245)i, Hoàng Thanh Tùng & Nguy(cid:1225)năHoƠngăS(cid:1131)nă(2015).ă''Xơyăd(cid:1269)ngă b(cid:1245)ăđ(cid:1133)(cid:1249)ngăcongăIDFăchoănh(cid:1267)ngăvùngăcóăhoặcăthi(cid:1219)uăsốăli(cid:1227)uăm(cid:1133)aăngƠyăthu(cid:1245)căkhuă v(cid:1269)căĐôngăB(cid:1203)căVi(cid:1227)tănam''.ăHội nghị thường niên ĐHTL năm 2015. Trang 369- 371;
3. Doưn Th(cid:1231) N(cid:1245)i (2015).''Nghiênă c(cid:1261)uă tínhă lǜă choă l(cid:1133)uă v(cid:1269)că vừaă vƠă nhỏă theo ph(cid:1133)(cid:1131)ngăphápăSCSậCNăcóăxétătớiăs(cid:1269)ăthayăđổiăhi(cid:1227)nătrạngăsửăd(cid:1257)ngăđ(cid:1193)t''.ăH(cid:1245)iăngh(cid:1231)ă khoaă h(cid:1233)că ĐHGTVTă nĕmă 2015. Tạp chí Khoa học giao thông vận tải (số đặc biệt). SốăT11/2015. Trang 48-52;
4. Doưn Th(cid:1231) N(cid:1245)i,ă Nguy(cid:1225)nă HoƠngă S(cid:1131)n.ă (2015).ă ''Xơyă d(cid:1269)ngă đ(cid:1133)(cid:1249)ngă congă IDFă ph(cid:1257)căv(cid:1257)ătínhătoánălǜăthi(cid:1219)tăk(cid:1219)ăchoăcôngătrìnhăgiaoăthôngă(cid:1251)ăm(cid:1245)tăsốătỉnhăthu(cid:1245)căvùngă Đôngă B(cid:1203)cậVi(cid:1227)tă nam''.ă Tạp chí Khoa học giao thông vận tải.ă Sốă 47ă T8/2015.Trang 84-90;
5. Doưn Th(cid:1231) N(cid:1245)i,ăLêăTh(cid:1231)ăH(cid:1191)iăY(cid:1219)nă(2015).''(cid:1260)ngăd(cid:1257)ngămôăhìnhăHECậHMS tính th(cid:1259)yăvĕnăchoăcầuăThácăGi(cid:1221)ngậTỉnhăB(cid:1203)căKạn''. Tạp chí Giao thông vận tải.ăSốă T6/2015. Trang 52-55.
