Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:169

Thêm vào BST

Báo xấu

56
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu những biến động của mưa lũ, chi tiết hóa mưa và mặt đệm, xác lập cơ sở khoa học tính lũ thiết kế cho công trình giao thông. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI DOÃN THỊ NỘI NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA MƢA LŨ VÀ ĐỀ XUẤT CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG VÙNG NÚI ĐÔNG BẮC–VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA MƢA LŨ VÀ ĐỀ XUẤT CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG VÙNG NÚI ĐÔNG BẮC–VIỆT NAM Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 62-44-02-24 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Ngô Lê Long 2. PGS.TS Hoàng Thanh Tùng HÀ NỘI, NĂM 2016
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 Doãn Thị Nội i
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Ngô Lê Long, PGS.TS Hoàng Thanh Tùng đã tận tình hƣớng dẫn tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo ĐH&SĐH, Tập thể các Thầy cô giáo khoa Thủy văn và Tài nguyên nƣớc, Phòng Khoa học Công nghệ, Trƣờng Đại Học Thủy Lợi - Hà Nội, đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại Học Giao Thông Vận Tải, Khoa Công Trình, Bộ môn Thủy Lực - Thủy Văn, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện về thời gian và công việc giúp tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè luôn sát cánh động viên tác giả vƣợt qua mọi khó khăn để thực hiện luận án của mình. Tác giả luận án ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH......................................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................x 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. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu...........................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..............................................................................3 6. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................3 7. Cấu trúc của luận án .............................................................................................4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG ...................................................................................................5 1.1 Tổng quan về tính lũ thiết kế ............................................................................5 1.1.1 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế trên thế giới ........................................5 1.1.2 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế ở Việt Nam .........................................6 1.2 Tổng quan tính lũ thiết kế cho công trình giao thông .......................................8 1.2.1 Tính lũ thiết kế ở các nƣớc Nhật, phƣơng Tây và Mỹ ..............................9 1.2.2 Tính lũ thiết kế ở các nƣớc Đông Âu và Nga..........................................14 1.2.3 Tính lũ thiết kế ở Việt Nam.....................................................................15 1.3 Những hạn chế trong tính lũ thiết kế cho giao thông ở Việt Nam..................20 1.4 Đề xuất hƣớng tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu .....................................22 1.5 Tổng quan về khu vực nghiên cứu..................................................................24 1.5.1 Đặc điểm tự nhiên ...................................................................................24 1.5.2 Đặc điểm khí tƣợng thủy văn ..................................................................26 1.5.3 Tình trạng giao thông và các sự cố công trình trong mùa mƣa lũ...........30 1.5.4 Tình hình tài liệu nghiên cứu ..................................................................36 iii
1.6 Kết luận chƣơng I ...........................................................................................39 CHƢƠNG 2 XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU ...................................................41 2.1 Cơ sở lý thuyết của các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ....................................41 2.1.1 Phƣơng pháp của Cơ quan bảo vệ thổ nhƣỡng Hoa Kỳ (SCS - CN) ......41 2.1.2 Phƣơng pháp mô hình quan hệ ................................................................47 2.1.3 Phƣơng trình hồi quy ...............................................................................51 2.2 Cơ sở dữ liệu của các phƣơng pháp tính lũ thiết kế .......................................53 2.2.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu mƣa ...................................................................53 2.2.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu mặt đệm ............................................................82 2.3 Kết luận chƣơng II ..........................................................................................96 CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN THỬ NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG.........................................98 3.1 Cơ sở phân nhóm công trình thoát nƣớc trong tính lũ thiết kế .......................98 3.2 Tính thử nghiệm theo các phƣơng pháp khác nhau ......................................100 3.2.1 Thông số tính toán của các lƣu vực cầu tính thử nghiệm .....................100 3.2.2 Tính lũ thiết kế theo phƣơng pháp SCS - CN .......................................108 3.2.3 Tính lũ thiết kế theo mô hình quan hệ ...................................................111 3.2.4 Tính lũ thiết kế theo phƣơng trình hồi quy tƣơng quan ........................112 3.2.5 Tính lũ theo pp Xokolopsky và CĐGH (TCVN 9845:2013) ................115 3.2.6 Đánh giá kết quả tính theo các phƣơng pháp ........................................117 3.3 Đề xuất phƣơng pháp tính phù hợp ..............................................................119 3.4 Xây dựng chƣơng trình tính lũ thiết kế cho các công trình giao thông ........120 3.4.1 Giới thiệu chung về chƣơng trình tính ..................................................120 3.4.2 Cấu trúc của chƣơng trình tính ..............................................................121 3.4.3 Hƣớng dẫn sử dụng chƣơng trình tính ..................................................123 3.5 Kêt luận chƣơng III .......................................................................................125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................126 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................130 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................131 PHỤ LỤC ....................................................................................................................136 iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thông trên thế giới .....................................8 Hình 1.2 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thông ở Việt Nam ....................................17 Hình 1.3 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu ..............................................................................23 Hình 1.4 Bản đồ khu vực nghiên cứu (vùng Đông Bắc) ...............................................24 Hình 1.5 Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn) ..............25 Hình 1.6 Bản đồ các tuyến đƣờng chính khu vực nghiên cứu ......................................31 Hình 1.7 Bản đồ bố trí các công trình thoát nƣớc khu vực nghiên cứu ........................32 Hình 1.8 Nƣớc chảy gây xói mái ta luy dƣơng vì không có rãnh dọc tuyến [39] .........34 Hình 1.9 Tuyến đƣờng nội tỉnh ở Lạng Sơn bị ngập năm 2013 và xói ta luy âm .........34 Hình 1.10 Nƣớc lũ tràn mặt đƣờng................................................................................34 Hình 1.11 Cầu Sam Lang lúc khánh thành và bị lũ cuốn trôi (sau hai tháng sử dụng) .35 Hình 1.12 Bản đồ các trạm khí tƣợng khu vực nc (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn) .........36 Hình 2.1 Đƣờng quá trình lũ đơn vị theo phƣơng pháp SCS ........................................44 Hình 2.2 Sơ đồ tính lũ thiết kế theo phƣơng pháp SCS-CN .........................................46 Hình 2.3 Sơ đồ tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng pháp mô hình quan hệ ................51 Hình 2.4 Đƣờng đi của các trận bão năm 2012 và năm 2013 .......................................57 Hình 2.5 Đƣờng đi của trận bão Utor năm 2013 ...........................................................57 Hình 2.6 Thành Phố Lạng Sơn ngập trong nƣớc lũ năm 2014 ......................................59 Hình 2.7 Đƣờng đi của các trận bão năm 2014 và 2015 ...............................................59 Hình 2.8 Biến đổi lƣợng mƣa ngày lớn nhất trạm Bắc Kạn và Bắc Sơn ......................62 Hình 2.9 Biến đổi lƣợng mƣa ngày lớn nhất trạm Hữu Lũng và Lạng Sơn ..................63 Hình 2.10 Biến đổi lƣợng mƣa ngày lớn nhất trạm Ngân Sơn và Thất Khê .................63 Hình 2.11 Bản đồ hệ số biến thiên lƣợng mƣa ngày max (CV) vùng Đông Bắc ..........64 Hình 2.12 Sơ đồ xây dựng IDF theo hàm mũ ...............................................................67 Hình 2.13 Tƣơng quan X1ng max-X1h max; X1ng max-X3hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=100) .68 Hình 2.14 Tƣơng quan X1ng max-X6h max; X1ng max-X12h max Bắc Kạn-Lạng Sơn(T=100) .69 Hình 2.15 Tƣơng quan X1ng max- X24 h max tỉnh Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=100) .................69 Hình 2.16 Tƣơng quan X1ng max-X1h max; X1ngay max-X3hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) .69 Hình 2.17 Tƣơng quan X1ng max-X6h max; X1ng max-X12hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) ...70 Hình 2.18 Tƣơng quan X1ng max-X24h max Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) ............................70 Hình 2.19 Sơ đồ các bƣớc xây dựng đƣờng cong IDF (khu vực nghiên cứu) ..............75 Hình 2.20 Bộ đƣờng cong IDF (Lạng Sơn, T = 5 năm và T = 10 năm phút) ...............76 Hình 2.21 Bộ đƣờng cong IDF (Lạng Sơn, T = 25 năm và T = 50 năm, phút) ............76 Hình 2.22 Bộ đƣờng cong IDF (Lạng Sơn, T = 100 và T = 200 năm, phút) ................76 Hình 2.23 Bộ đƣờng cong IDF trạm Lạng Sơn và Đình Lập ........................................77 Hình 2.24 Bản đồ đẳng trị cƣờng độ mƣa (I-1-100) (Bắc Kạn và Lạng Sơn) ..............78 Hình 2.25 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Bắc Kạn và Bắc Sơn ..................................80 Hình 2.26 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Chợ Rã và Đình Lập ..................................80 v
Hình 2.27 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Lạng Sơn và Ngân Sơn ..............................81 Hình 2.28 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Thất Khê.....................................................81 Hình 2.29 Sơ đồ các bƣớc xây dựng bản đồ chỉ số CN.................................................84 Hình 2.30 Bản đồ loại đất tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn ..................................................86 Hình 2.31 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn ..........................88 Hình 2.32 Bản đồ chỉ số CN tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn ..............................................90 Hình 2.33 Sơ đồ các bƣớc xây dựng bản đồ hệ số dòng chảy C ...................................91 Hình 2.34 Bản đồ hệ số dòng chảy tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn (S > 6%) .....................92 Hình 2.35 Sơ đồ các bƣớc xây dựng bản đồ hệ số nhám Manning n ............................93 Hình 2.36 Bản đồ hệ số nhám Manning tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn ............................94 Hình 2.37 Bản đồ lƣu vực cầu Bắc Khƣơng .................................................................95 Hình 3.1 Bản đồ lƣu vực cầu Can ...............................................................................100 Hình 3.2 Bản đồ lƣu vực cầu Bản Chắt .......................................................................101 Hình 3.3 Bản đồ lƣu vực cầu Pắc Vằng ......................................................................102 Hình 3.4 Bản đồ lƣu vực cầu Kỳ Lừa..........................................................................103 Hình 3.5 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất và hệ số nhám lƣu vực cầu Can...................104 Hình 3.6 Bản đồ hệ số dòng chảy và chỉ số CN lƣu vực cầu Can ...............................104 Hình 3.7 Bản đồ hiện trạng và chỉ số CN lƣu vực cầu Bản Chắt ................................105 Hình 3.8 Bản đồ hệ số dòng chảy và hệ số nhám lƣu vực cầu Bản Chắt ....................105 Hình 3.9 Bản đồ hiện trạng và chỉ số CN lƣu vực cầu Pắc Vằng ...............................106 Hình 3.10 Bản đồ hệ số nhám và hệ số dòng chảy C lƣu vực cầu Pắc Vằng ..............106 Hình 3.11 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất và chỉ số CN lƣu vực cầu Kỳ Lừa .............107 Hình 3.12 Bản đồ hệ số nhám và hệ số dòng chảy lƣu vực cầu Kỳ Lừa.....................107 Hình 3.13 Quá trình lũ thực đo và tính toán tại Trạm Lạng Sơn (2008 và 2013) .......109 Hình 3.14 Quá trình mƣa và lũ thiết kế lƣu vực cầu Kỳ Lừa và cầu Pắc Vằng ..........110 Hình 3.15 Quá trình mƣa và lũ thiết kế lƣu vực cầu Bản Chắt và cầu Can ................111 Hình 3.16 Các bƣớc tính theo phƣơng pháp CIA ........................................................112 Hình 3.17 Tƣơng quan giữa Q100 ~A và Q50~A tại Bắc Kạn - Lạng Sơn ................114 Hình 3.18 Tƣơng quan giữa Q25~A và Q10 ~A tại Bắc Kạn - Lạng Sơn ..................114 Hình 3.19 Giao diện ban đầu trên nền ảnh vệ tinh của Google map ...........................121 Hình 3.20 Sơ đồ khối xây dựng chƣơng trình tính ......................................................122 Hình 3.21 Giao diện ban đầu của chƣơng trình tính trên nền bản đồ..........................123 Hình 3.22 Kết quả tính lũ cầu Can theo pp CIA (Trên nền ảnh vệ tinh) ....................124 Hình 1 Bộ đƣờng cong IDF các trạm khi T = 5 năm và T = 10 năm ..........................136 Hình 2 Bộ đƣờng cong IDF các trạm khi T = 25 năm và T = 50 năm ........................136 Hình 3 Bộ đƣờng cong IDF các trạm khi T = 100 năm và T = 200 năm ....................136 Hình 4 Bộ đƣờng cong IDF trạm Thác Giềng và Chợ Mới ........................................137 Hình 5 Bộ đƣờng cong IDF trạm Chợ Đồn và An Tịnh ..............................................137 Hình 6 Bộ đƣờng cong IDF trạm Bằng Khẩu và Bằng Lũng ......................................137 Hình 7 Bộ đƣờng cong IDF trạm Bằng Phúc và Cốc Đán ..........................................137 vi
Hình 8 Bộ đƣờng cong IDF trạm Côn Minh và Đông Lạc .........................................137 Hình 9 Bộ đƣờng cong IDF trạm Dƣơng Phong và Hảo Nghĩa ..................................137 Hình 10 Bộ đƣờng cong IDF trạm Liên Thụy và Nà Pạc ...........................................137 Hình 11 Bộ đƣờng cong IDF trạm Thuận Mang và Xuân Dƣơng ..............................137 Hình 12 Bộ đƣờng cong IDF trạm Xuân Lạc và Yên Hán ..........................................137 Hình 13 Bộ đƣờng cong IDF trạm Yên Nhuận và Yên Tịnh ......................................137 Hình 14 Bộ đƣờng cong IDF trạm Vu Loan ...............................................................137 Hình 15 Bản đồ lƣu vực cầu Khuổi Lu .......................................................................137 Hình 16 Bản đồ phân vùng mƣa theo Đa giác Theissen cầu Can và Bản Chắt ..........137 Hình 17 Bản đồ phân vùng mƣa theo Đa giác Theissen cầu Pắc Vằng và Kỳ Lừa ....137 Hình 18 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Thất Khê ..................................137 Hình 19 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Thất Khê ................................137 Hình 20 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Ngân Sơn .................................137 Hình 21 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Ngân Sơn ...............................137 Hình 22 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Lạng Sơn .................................137 Hình 23 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Lạng Sơn ...............................137 Hình 24 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Hữu Lũng ................................137 Hình 25 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Hữu Lũng ..............................137 Hình 26 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Đình Lập .................................137 Hình 27 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Đình Lập ...............................137 Hình 28 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Chợ Rã ....................................137 Hình 29 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Chợ Rã ..................................137 Hình 30 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Bắc Sơn ...................................137 Hình 31 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Bắc Sơn .................................137 Hình 32 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Bắc Kạn ...................................137 Hình 33 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Bắc Kạn .................................137 Hình 0.34 Kết quả tính lũ cầu Pắc Vằng theo pp SCS (Trên nền ảnh vệ tinh) ...........137 Hình 0.35 Kết quả tính lũ cầu Pắc Vằng theo pp SCS (Trên nền ảnh vệ tinh) ...........137 vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tóm tắt các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho giao thông ở Mỹ ....................10 Bảng 1.2 Bảng thống kê các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Đông Âu và Nga ............15 Bảng 1.3 Quy định về tần suất lũ ..................................................................................16 Bảng 1.4 Các đặc trƣng khí tƣợng trung bình nhiều năm .............................................27 Bảng 1.5 Dòng chảy trung bình nhiều năm khu vực nghiên cứu ..................................29 Bảng 1.6 Bảng phân loại cầu theo chiều dài khu vực nghiên cứu.................................33 Bảng 1.7 Các sự cố công trình giao thông khu vực nghiên cứu ....................................35 Bảng 1.8 Các trạm đo mƣa thuộc tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn .......................................37 Bảng 1.9 Các trạm quan trắc thủy văn thuộc tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn .....................38 Bảng 2.1 Xác suất bão, ATNĐ có lƣợng mƣa 24 giờ cực đại các cấp (%) ...................54 Bảng 2.2 Xác suất bão, ATNĐ có tổng lƣợng mƣa theo các cấp (%) ...........................54 Bảng 2.3 Kết quả kiểm định xu thế lƣợng mƣa ngày lớn nhất ......................................63 Bảng 2.4 Bảng hệ số CV lƣợng mƣa ngày lớn nhất vùng Đông Bắc ............................65 Bảng 2.5 Bảng thông số ở các trạm, tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn (T=100 năm) ............68 Bảng 2.6 Bảng hệ số của phƣơng trình đƣờng cong IDF, I = a.Dn ...............................77 Bảng 2.7 Bảng hệ số của phƣơng trình đƣờng cong IDF, I = a.Dn ...............................77 Bảng 2.8 Kết quả tính cƣờng độ mƣa theo hàm mũ cho khu vực nghiên cứu ..............78 Bảng 2.9 Bảng so sánh kết quả tính theo luận án và TCVN 9845:2013 .......................81 Bảng 2.10 Bảng phần trăm sai số giữa kết quả tính theo luận án và TCVN .................82 Bảng 2.11 Bảng phân loại các nhóm đất khu vực nghiên cứu ......................................86 Bảng 2.12 Bảng thống kê hiện trạng sử dụng đất trên khu vực nghiên cứu .................87 Bảng 2.13 Bảng giá trị CN đối với tình hình sử dụng đất và các nhóm đất ..................89 Bảng 2.14 Bảng tra hệ số dòng chảy C (nhóm A và B) ................................................91 Bảng 2.15 Bảng tra hệ số dòng chảy C (nhóm C và D) ................................................92 Bảng 2.16 Bảng tra hệ số nhám Manning .....................................................................94 Bảng 2.17 Kết quả tính các đặc trƣng (lƣu vực cầu Bắc Khƣơng) ...............................95 Bảng 3.1 Các đặc trƣng lƣu vực (tính toán từ GIS) tại cầu Can .................................100 Bảng 3.2 Các đặc trƣng trƣng lƣu vực (tính toán từ GIS) tại cầu Bản Chắt ...............101 Bảng 3.3 Các đặc trƣng trƣng lƣu vực (tính toán từ GIS) tại Cầu Pắc Vằng ..............102 Bảng 3.4 Các đặc trƣng trƣng lƣu vực (tính toán từ GIS) tại Kỳ Lừa ........................103 Bảng 3.5 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Can..................104 Bảng 3.6 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Bản Chắt .........105 Bảng 3.7 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Pắc Vằng.........106 Bảng 3.8 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Kỳ Lừa ............108 Bảng 3.9 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng pháp SCS-CN .......................110 Bảng 3.10 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo mô hình quan hệ...............................112 Bảng 3.11 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng trình hồi quy .......................115 Bảng 3.12 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế Xokolopsky ..............................................116 viii
Bảng 3.13 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng pháp cƣờng độ giới hạn ......117 Bảng 3.14 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo 5 phƣơng pháp khác nhau ................117 Bảng 3.15 Kiến nghị phƣơng pháp tính lũ cho công trình giao thông ........................120 Bảng 1 Bảng hệ số của phƣơng trình đƣờng cong IDF, I = a.Dn ................................137 Bảng 2 Bảng hệ số của phƣơng trình đƣờng cong IDF, I = a.Dn ................................137 Bảng 3 Các công trình cầu đƣợc tính thử nghiệm trong luận án .................................137 Bảng 4 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 trạmLạng Sơn ( Gumbel) ...................................137 Bảng 5 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Thất Khê) ...............................137 Bảng 6 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Bắc Kạn) ................................137 Bảng 7 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Bắc Sơn) .................................137 Bảng 8 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Chợ Rã) ..................................137 Bảng 9 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Ngân Sơn) ..............................137 ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội đƣờng cao tốc liên bang và quốc lộ Hoa Kỳ) AASHTO - LRFD American Association of State Highway and Transportation Officials - Load & Resistance Factor Design (Tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng - Hiệp hội đƣờng cao tốc liên bang và quốc lộ Hoa Kỳ). C50 hệ số dòng chảy ứng với thời kỳ lặp lại T = 50 năm. AR&R Australian Rainfall & Runoff CTBD Cao Áp Thái Bình Dƣơng CN Curve Number EVT 1 Extreme Value Type - I distribution FHWA Federal Highway Administration (Cục liên bang đƣờng bộ Mỹ) GIS Geographical Information Systems (Hệ thống thông tin địa lý) GTVT Giao Thông Vận Tải GEV Gumbel's Extreme Value distribution HTNĐ Hội tụ nhiệt đới HEC-HMS Hydrologic Engineering Center- Hydrologic Modeling System IDF Intensity - Duration - Frequency (Cƣờng độ mƣa - Thời gian - Tần suất) ID Identification (Mã kí hiệu) MIKE Viện nghiên cứu tài nguyên nƣớc Đan Mạch DHI Danish Hydraulic Institute (Viện Thủy lực Đan Mạch) NHI National Highway Institute (Viện nghiên cứu đƣờng bộ Mỹ) NRCS Natural Resources Conservation Service (Cơ quan bảo vệ tài nguyên thiên nhiên - Mỹ) PMP Probable Maximum Precipitation (Mƣa lớn nhất khả năng) PMF Probable Maximum Flood (Lũ lớn nhất khả năng) QP Quy phạm QPTL C - 6 - 77 Quy phạm tính toán các đặc trƣng thủy văn thiết kế SCS - CN Soil Conversation service - Curve Number (Cơ quan bảo vệ thổ nhƣỡng - chỉ số đƣờng cong) x
TCN Tiêu chuẩn ngành TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TR55 Technical Release 55 (Tiêu chuẩn kỹ thuật 55) TxDOT Texas Department of Transportation (Sở giao thông Bang Texas) USGS United state Geological Survey (Cơ quan khảo sát địa chất Mỹ) XT Xoáy thuận XN Xoáy nghịch RTN Rãnh thấp nóng USACE United States Army Corps of Engineers (Hiệp hội kỹ sƣ quân sự Mỹ) xi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Giao thông đƣợc coi là huyết mạch của mỗi quốc gia, muốn phát triển đất nƣớc cần phải hoàn thiện và hiện đại hệ thống giao thông. Hàng năm nhà nƣớc đã đầu tƣ rất nhiều kinh phí cho phát triển giao thông trên toàn quốc. Các tuyến đƣờng đƣợc đầu tƣ xây mới, nâng cấp và mở rộng để đảm bảo giao thƣơng kinh tế văn hóa các vùng trên cả nƣớc và quốc tế. Với trên 2/3 diện tích của đất nƣớc là địa hình đồi núi, theo thống kê của Bộ GTVT đƣờng miền núi chiếm hơn 70% km trong tổng km chiều dài đƣờng bộ cả nƣớc. Đƣờng miền núi chủ yếu cấp V, chỉ một số km là cấp III và IV cho nên các công trình thoát nƣớc nhƣ cầu, cống và rãnh thoát nƣớc chƣa đƣợc chú trọng trong thiết kế và xây dựng, việc tính toán thủy văn thủy lực còn hạn chế. Trong những năm gần đây, việc thiết kế đƣờng ô tô đã chuyển từ tiêu chuẩn 22 - TCN - 4054 - 85 sang 22 - TCN - 4054 - 98, 22TCN - 4054 - 2005 và các tiêu chuẩn tính toán lũ thoát nƣớc cũng chuyển từ 22TCN - 1995, 22TCN 273 - 01; 22TCN 273 - 05 sang TCVN 9845:2013 với các yêu cầu kỹ thuật cao hơn, các tuyến đƣờng cần cải tạo theo tiêu chuẩn mới để tăng mức độ an toàn chạy xe nhằm đáp ứng chiến lƣợc an toàn giao thông quốc gia và nâng cao hiệu quả vận tải. Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa với chế độ mƣa lũ rất khắc nghiệt và dƣờng nhƣ mức độ đó ngày càng tăng lên do biến đổi khí hậu toàn cầu làm cho các công trình giao thông thƣờng bị hƣ hỏng nặng nề. Các hƣ hỏng của hệ thống đƣờng bộ có nhiều nguyên nhân nhƣ: chế độ khí hậu có sự thay đổi đáng kể và xu thế ngày càng ác liệt; do các nguyên nhân địa chất, nền móng và có thể do công tác xây dựng, vận hành và bảo dƣỡng. Tuy nhiên trong các nhóm nguyên nhân kể trên thì vấn đề ảnh hƣởng của mƣa, lũ là nguyên nhân chính gây tác động đáng kể tới các hƣ hỏng của công trình. Các hƣ hỏng thƣờng kể đến nhƣ hiện tƣợng sạt lở ta luy dƣơng, âm, trôi cầu cống, hỏng mố trụ đều do nguyên nhân tính lũ thiết kế chƣa đúng hoặc chƣa phù hợp. 1
Trong TCVN 9845:2013,''Tiêu chuẩn tính toán đặc trƣng dòng chảy lũ'' (đƣợc biên soạn dựa theo QP.TL C - 6 - 77) đã giới thiệu một số phƣơng pháp tính lũ thiết kế từ mƣa rào nhƣ Cƣờng độ giới hạn, Xokolopsky, phƣơng pháp của trƣờng Đại học Xây dựng. Các phƣơng pháp trên do các tác giả Liên Xô (cũ) xây dựng và đã đƣợc đƣa vào sử dụng ở nƣớc ta. Tuy nhiên, các công thức này có nhiều thông số đƣợc xác định trong điều kiện của nƣớc Nga, khi đƣa vào quy phạm tính toán của Việt Nam dù đã đƣợc hiệu chỉnh nhƣng trong điều kiện rất thiếu số liệu nên chƣa đƣợc chuẩn hóa; có những thông số rất khó xác định, với phạm vi thay đổi quá lớn, dẫn tới kết quả tính toán có độ chính xác không cao, tùy thuộc vào quan điểm lựa chọn thông số của mỗi ngƣời sử dụng và hậu quả là rủi ro hƣ hỏng công trình cũng tăng lên. Khó khăn chính trong tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Việt Nam là thiếu các tài liệu từ các đặc trƣng lƣu vực, đất đai, lớp phủ, đặc biệt là mƣa và dòng chảy thực đo thời đoạn ngắn thƣờng chỉ có tài liệu mƣa ngày, tuy nhiên khối lƣợng cũng rất hạn chế. Vì vậy, 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 NCS lựa chọn là rất cấp thiết và có ý nghĩa khoa học. Kết quả của luận án là cơ sở khoa học đề xuất các phƣơng pháp tính lũ thiết kế đơn giản với độ tin cậy và mức độ ổn định cao hơn, phục vụ xây dựng các công trình thoát nƣớc trên đƣờng, góp phần cập nhật và xây dựng qui trình tính hợp lý cho công tác duy tu, bảo dƣỡng và nâng cấp các công trình hiện có, cũng nhƣ xây dựng các công trình mới an toàn, giảm thiểu các thiệt hại cho các công trình giao thông. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu những biến động của mƣa lũ, chi tiết hóa mƣa và mặt đệm, xác lập cơ sở khoa học tính lũ thiết kế cho công trình giao thông. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu của luận án gồm hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn nằm trong vùng núi Đông Bắc - Việt Nam; - Đối tƣợng nghiên cứu là mƣa và lũ thiết kế phục vụ xây dựng các công trình thoát nƣớc nằm trên các quốc lộ QL3, 3B, 279, 3, 4A, 4B, 1A thuộc khu vực nghiên cứu. 2
4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu Để đạt đƣợc mục tiêu đề ra, tác giả đã thu thập các số liệu, tài liệu cần thiết, tiến hành nghiên cứu tổng quan những biến động về mƣa lũ (mƣa sinh lũ), các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông ở trong nƣớc và trên thế giới từ đó lựa chọn hƣớng tiếp cận phù hợp, vừa mang tính kế thừa vừa đảm bảo tính sáng tạo trong nghiên cứu. Các phƣơng pháp đƣợc sử dụng trong luận án bao gồm: i) phƣơng pháp phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu đã có nhằm tập hợp, đánh giá những biến động về mƣa lũ trong khu vực nghiên cứu; ii) phƣơng pháp phân tích ảnh viễn thám, GIS phục vụ mô phỏng lƣu vực trong các mô hình toán và xây dựng các bản đồ chyên đề làm cơ sở khoa học cho các phƣơng pháp tính lũ kiến nghị; iii) phƣơng pháp mô hình toán, tính toán thử nghiệm làm cơ sở cho việc kiến nghị các phƣơng pháp tính lũ thiết kế phù hợp cho các công trình giao thông khu vực Đông Bắc - Việt Nam. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Quá trình phát triển dân sinh kinh tế ở Việt Nam hiện nay đòi hỏi phải nâng cấp và xây mới hàng loạt các tuyến đƣờng giao thông huyết mạch, đặc biệt là các tuyến đƣờng giao thông miền núi vì vậy kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn cao vì đã giải quyết những khó khăn hiện nay trong tính toán thủy văn, thủy lực hiện nay. Việc nghiên cứu biến động của mƣa lũ cho khu vực Đông Bắc và xác lập cơ sở khoa học tính lũ thiết kế cho các công trình giao thông ở khu vực này có ý nghĩa khoa học trong việc tiếp cận với những phƣơng pháp tính toán hiện đại và tiện lợi làm tiền đề cho việc xây dựng một quy trình tính toán phù hợp với điều kiện của Việt Nam trong tƣơng lai gần. 6. Những đóng góp mới của luận án - Luận án đã hoàn thiện phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông có xét đến biến động của mƣa lũ và chi tiết hóa đặc điểm tự nhiên của khu vực Đông Bắc, trên cơ sở ứng dụng thành tựu công nghệ hiện đại là hệ thống thông tin địa lý (GIS); - Đã bƣớc đầu xây dựng đƣợc phần mềm hỗ trợ tính lũ cho công trình thoát nƣớc trên đƣờng giao thông. 3
7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, luận án đƣợc trình bày trong 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về nghiên cứu tính lũ thiết kế cho công trình giao thông. Chƣơng 2: Xây dựng cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc - Việt Nam. Chƣơng 3: Tính thử nghiệm và đề xuất phƣơng pháp tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc - Việt Nam. 4
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 1.1 Tổng quan về tính lũ thiết kế 1.1.1 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế trên thế giới Dòng chảy lũ là đặc trƣng quan trọng trong tính toán thiết kế các công trình, bởi vậy tính toán lũ là một vấn đề đặc biệt đƣợc quan tâm nghiên cứu. Lũ thiết kế là trận lũ đƣợc sử dụng trong thiết kế công trình có trạng thái bất lợi, độ lớn phụ thuộc vào cấp công trình và đƣợc quy định bởi từng quốc gia. Lũ thiết kế bao gồm đỉnh lũ, tổng lƣợng và quá trình lũ. Hiện nay, tính lũ thiết kế phân thành hai nhóm: phƣơng pháp trực tiếp (phân tích thống kê xác suất) và phƣơng pháp gián tiếp (phân tích mƣa và mặt đệm). Việc tính lũ thiết kế trải qua một quá trình dài nghiên cứu mang tính kế thừa và phát triển nhằm chính xác và hiện đại hóa phục vụ xây dựng các công trình an toàn trong mùa mƣa lũ đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện tại. Một số nghiên cứu về lũ thiết kế điển hình có thể kể đến nhƣ: Chow (1964), Shaw [1] là cuốn sổ tay tính toán thủy văn có đề cập đến phƣơng pháp tính toán lũ thiết kế phụ thuộc vào diện tích lƣu vực và tình trạng số liệu: đối với lƣu vực lớn, đủ số liệu thì dùng phƣơng pháp ngẫu nhiên (thống kê xác suất), đối với lƣu vực nhỏ dùng phƣơng pháp mô hình quan hệ, đường lũ đơn vị và quan hệ lưu lượng với diện tích và thời gian. Chow, Maidment (1988) [2] là tài liệu cơ bản nhất có đề cập đến tính toán thủy văn và các đặc trƣng thủy văn thiết kế nhƣ quá trình thu phóng, lựa chọn mƣa thiết kế và xây dựng đƣờng cong IDF, biểu đồ mƣa thiết kế dạng đƣờng cong tích lũy 24h, ƣớc tính thời gian mƣa giới hạn, tính toán lƣợng mƣa lớn nhất khả năng (PMF), các bản đồ đẳng trị mƣa với các thời gian mƣa, D = 5 - 60 phút hay 30 phút - 24h cho các thời kỳ lặp lại T = 1 - 100 năm. Các phƣơng pháp chuyển đổi mƣa hiệu quả và xác định dòng chảy thiết kế gồm đỉnh lũ, tổng lƣợng và quá trình lũ thiết kế dùng để thiết kế công trình thoát nƣớc, mô phỏng vùng ngập lụt, thiết kế hồ chứa, sử dụng và quản lý tài nguyên nƣớc. Đối với thoát nƣớc, Chow cũng giới thiệu phương pháp tính lũ cho lưu vực vừa và nhỏ theo mô hình quan hệ với A là diện tích lưu vực, I là cường độ mưa, C 5
là hệ số dòng chảy. Ngoài ra, các đường lũ đơn vị cũng được đề cập sử dụng cho các lưu vực vừa và nhỏ. Vijay (2002) [3] trình bày các mô hình toán ứng dụng để tính lũ cho lƣu vực lớn và các lƣu vực nhỏ. Đối với các lƣu vực nhỏ các mô hình ứng dụng trình bày 15 mô hình đại diện trên toàn thế giới. Về lý thuyết cơ bản để xây dựng các mô hình đều là những kiến thức ứng dụng từ các tài liệu của Chow hay Maidment. Raghunath (2006) [4] là tài liệu về nguyên lý thủy văn, trình bày các vấn đề về tính thủy văn vùng Tapti, Ấn độ (miền trung Ấn độ). Phần tính lũ thiết kế gồm tổng lƣợng lũ, đỉnh lũ, tần suất lũ, xác suất rủi ro với các phƣơng pháp đề xuất nhƣ: Đƣờng lũ đơn vị tức thời, mô hình Nash, mô hình Clark, đƣờng lũ đơn vị SCS, hồi quy tuyến tính, phân tích thống kê xác suất, mô hình toán, tính lũ tại vị trí không có số liệu quan trắc theo phƣơng pháp hồi quy đa biến. Ngoài các tài liệu cơ bản đã nêu, còn có rất nhiều các tài liệu nghiên cứu liên quan đề cập đến các phƣơng pháp tính lũ thiết kế trên thế giới. Về cơ bản, lý thuyết tập trung dòng chảy hay phƣơng thức chuyển đổi mƣa hiệu quả vẫn nhƣ những tài liệu trên, tuy nhiên từ hai thập kỷ trở lại đây với sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ máy tính, kỹ thuật viễn thám và GIS cho phép các nhà khoa học phân tích và thử nghiệm, cập nhật những công nghệ hiện đại nhằm chính xác hóa các tham số mà các phƣơng pháp trƣớc đây chƣa xây dựng đƣợc. 1.1.2 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế ở Việt Nam Một số các tài liệu điển hình đề cập đến tính lũ thiết kế ở Việt Nam nhƣ: Quy phạm QP.TL C-6-77 (1977) [5] trình bày phƣơng pháp tính toán các đặc trƣng thủy văn cần thiết cho việc thiết kế các công trình thủy lợi trên các sông không bị ảnh hƣởng của thủy triều ở Việt Nam. Các đặc trƣng thủy văn đƣợc hƣớng dẫn tính trong quy phạm này bao gồm: lƣu lƣợng bình quân năm, lƣu lƣợng lớn nhất, lƣu lƣợng nhỏ nhất, sự phân phối dòng chảy năm, các loại mực nƣớc thiết kế và các thông số khác. Khi tính lũ phục vụ thiết kế các công trình trên sông trong trƣờng hợp đủ số liệu thì tiến hành phân tích tần suất, trong trƣờng hợp không có số liệu thì sử dụng các công thức kinh nghiệm nhƣ: công thức cƣờng độ giới hạn cho lƣu vực có diện tích nhỏ hơn 6
100 km2, công thức Triết giảm và Xokolopxky cho lƣu vực có diện tích trên 100 km2. Cho đến nay quy định về phƣơng pháp tính lũ thiết kế vẫn chủ yếu dựa trên quy phạm này nên có một số bất cập nhƣ các bảng tra không đƣợc cập nhập; việc xác định một số thông số vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm và chủ quan của ngƣời tính toán. Đỗ Cao Đàm và nnk (1990) [6] đã xuất bản cuốn Thủy văn công trình, trong tài liệu có trình bày cách tính lũ thiết kế, các phƣơng pháp này chủ yếu cũng là các phƣơng pháp đã đƣợc đề cập trong QP.TL C - 6 - 77. Lê Đình Thành (1997) [7] đã nghiên cứu tìm ra khả năng và điều kiện ứng dụng phƣơng pháp tính mƣa lớn nhất khả năng (PMP) và lũ lớn nhất khả năng (PMF), từ đó kiến nghị một tiêu chuẩn tính lũ thiết kế hợp lý hơn cho điều kiện Việt Nam. Kết quả nghiên cứu đã đề cập một cách chi tiết đến các phƣơng pháp cũng nhƣ tính lũ liên quan đến lũ lớn nhất khả năng, tuy nhiên đối với công trình giao thông mức độ và tiêu chuẩn cũng nhƣ tính chất của công trình nếu xét theo bài toán này cần phải có những nghiên cứu cụ thể hơn nữa trong tƣơng lai. Lê Văn Nghinh (2000) [8] đã biên soạn cuốn Nguyên lý Thủy văn, đây cũng là một tài liệu quan trọng đề cập đến tính toán các đặc trƣng thiết kế nhƣ dòng chảy năm, tháng, lũ, kiệt và mực nƣớc thiết kế. Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cũng bao gồm các phƣơng pháp nằm trong QP.TL C - 6 - 77. Tuy nhiên, tài liệu chủ yếu đề cập đến dòng chảy tháng và năm thiết kế phục vụ cho xây dựng và vận hành hồ chứa. Bộ môn TV&TNN (2003) [9] đã biên soạn cuốn Thủy văn thiết kế, đây cũng là tài liệu quan trọng dùng để tính toán các đặc trƣng thiết kế công trình. Tuy nhiên các phƣơng pháp và cách tiếp cận cũng dựa trên nền của QP.TL C - 6 - 77. Phạm Ngọc Quý và nnk (2005) [10], đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Nghiên cứu cảnh báo dự báo lũ vƣợt thiết kế - Giải pháp tràn sự cố” đã tiến hành xây dựng phần mềm tính lũ thiết kế. Phần mềm này cho phép tính lũ theo tần suất thiết kế dựa vào các công thức kinh nghiệm trong QP.TL C - 6 - 77 nêu trên, phƣơng pháp tính lũ đơn vị SCS, tính lũ lớn nhất khả năng PMF theo phƣơng pháp thống kê của Hasfield. Tuy nhiên phần mềm này cũng chƣa có sự cập nhập mới nào về bảng tra. 7