BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
ĐẶNG QUỐC TUẤN
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐÊ HỮU HỒNG ĐOẠN QUA HÀ NỘI TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng
Mã số : 62580211
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2017
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi
Người hướng dẫn khoa học 1: TS. Phạm Quang Tú
Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Trịnh Minh Thụ
Phản biện 1: .........................................................................................................
Phản biện 2: .........................................................................................................
Phản biện 3: .........................................................................................................
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại ..........................,
Trường Đại học Thủy lợi vào lúc ... giờ, ngày ... tháng ... năm 2018
Có thể tìm hiểu Luận án tại:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi.
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) là một vùng đất rộng lớn nằm quanh khu vực hạ lưu sông Hồng. Đây là vùng kinh tế, chính trị quan trọng của đất nước trong đó có thủ đô Hà Nội. Hệ thống công trình phòng chống lũ bảo vệ cho ĐBSH gồm các hồ chứa thượng lưu và hệ thống đê điều hạ lưu với tổng chiều dài khoảng 3.000 km. Các hồ chứa thượng lưu đã được đầu tư xây dựng tương đối hoàn chỉnh, hệ thống đề điều hạ lưu cũng nhận được sự quan tâm của Nhà nước nên được bố trí nhiều nguồn vốn khác nhau để củng cố, nâng cấp nhằm bảo đảm an toàn chống lũ thiết kế và phấn đầu chống được lũ cao hơn. Tuy nhiên, do hệ thống đê của ĐBSH có lịch sử hình thành lâu đời, thân đê được đắp tôn cao mở rộng qua nhiều thời kỳ khác nhau để trống lũ tràn, nền đê thường không được xử lý trước khi đắp nên mỗi khi có lũ lớn, những đoạn đê có nền xấu thường xuất hiện các sự cố, nhiều nơi lặp đi lặp lại. Mặt khác, biến đổi khí hậu (BĐKH) đang tạo ra nhiều hình thái thời tiết cực đoan với bão, lũ cường độ lớn, trái mùa liên tiếp xảy ra có thể gây nên các tác động bất lợi cho hệ thống công trình phòng lũ. Sự phát triển về kinh tế, xã hội và tầm quan trọng của vùng được bảo vệ ngày càng tăng do đó đòi hỏi phải nâng cao mức đảm bảo an toàn của hệ thống công trình phòng chống lũ. Trước thực trạng trên, việc nghiên cứu cơ sở khoa học và làm căn cứ đề xuất các giải pháp tăng cường ổn định đê sông Hồng trong bối cảnh BĐKH là cần thiết và cấp bách.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận án cần đánh giá được mức độ an toàn của hệ thống đê Hữu sông đoạn từ Sơn Tây về Phú Xuyên (Hà Nội) trong điều kiện BĐKH trong đó trọng tâm vào xác định điều kiện biên thủy lực, nghiên cứu quá trình xói ngầm dưới nền đê cùng một số giải pháp giảm thiểu ngập lụt theo lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: đối tượng nghiên cứu chủ yếu của luận án là hệ thống
đê hữu sông Hồng trên địa bàn thành phố Hà Nội với điều kiện địa chất và
điều kiện biên thủy lực có xét đến tác động của BĐKH.
1
Phạm vi nghiên cứu: đề tài tập trung đánh giá an toàn hệ thống công trình
phòng lũ qua các cơ chế mất ổn định dưới nền theo các kịch bản BĐKH và
NBD cập nhật đến năm 2016.
4. Nội dung nghiên cứu
Dựa trên mục tiêu đã nêu, các câu hỏi nghiên cứu sau được đặt ra: (i) Ảnh hưởng của BĐKH theo các kịch bản khí hậu tác động như thế nào đến chế độ thủy văn trên sông Hồng trong phạm vi nghiên cứu?; (ii) Cơ chế sự cố nào có nguy cơ gây mất ổn định hệ thống đê sông Hồng?; (iii) Đánh giá ảnh hưởng của quá trình xói ngầm dưới nền đê sông Hồng thông qua mô hình vật lý trong phòng và phân tích thống kê hiện trường?; (iv) Đánh giá an toàn hệ thống đê sông Hồng hiện tại trong điều kiện BĐKH và NBD bằng lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro?.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng các phương pháp (i) Phương pháp kế thừa; (ii) Phương pháp
chuyên gia; (iii) Phương pháp phân tích tổng hợp; (iv) Phương pháp sử dụng
các mô hình số để tính toán; (v) Phương pháp thực nghiệm trong phòng.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: bằng nghiên cứu phân tích hệ thống và nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra nguyên nhân quan trọng dẫn đến sự cố đê sông Hồng.
Ý nghĩa thực tiễn: xác định được xác suất sự cố của hệ thống đê Hữu Hồng làm cơ sở lựa chọn giải pháp phòng sự cố.
7. Cấu trúc luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm có 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu an toàn đê trong điều kiện BĐKH.
Chương 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu, đánh giá an toàn đê và giải pháp tăng
cường ổn định đê.
Chương 3: Nghiên cứu hiện tượng xói ngầm dưới nền đê bằng mô hình vật lý
trong phòng. Chương 4: Đánh giá an toàn đê sông Hồng trong điều kiện BĐKH.
2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU AN TOÀN ĐÊ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
1.1 Hệ thống công trình phòng chống lũ bảo vệ vùng ĐBSH
1.1.1 Hệ thống hồ chứa thượng lưu
Do có vị trí và địa hình thuận lợi nên trên lãnh thổ Việt Nam đã có nhiều hồ
chứa được xây dựng. Theo thống kê, trên lưu vực hiện nay có khoảng 53 hồ
lớn nhỏ trong trạng thái đã vận hành, đang xây dựng và quy hoạch. Đặc biệt,
trên các dòng chính có 5 hồ chứa lớn đa mục tiêu đã được đưa vào vận hành
khai thác, đó là các hồ: Lai Châu (sông Đà); Thác Bà (sông Chảy); Sơn La
(sông Đà); Tuyên Quang (sông Gâm); Hòa Bình (sông Đà). Trong đó nhiệm
vụ chính của các hồ là điều tiết, cắt lũ để mực nước trên hệ thống sông hạ lưu
không vượt ngưỡng cho phép nhằm bảo đảm an toàn cho hệ thống đê.
1.1.2 Hệ thống đê điều hạ lưu
Vùng ĐBSH có cao độ tự nhiên đa phần thấp hơn mực nước trên hệ thống
sông vào mùa lũ nên từ xa xưa cư dân người Việt cổ đã phải đắp những tuyến
đê bao để bảo vệ nơi mình sinh sống và cach tác. Sau đó mỗi khi có lũ lớn hơn
thì đê được tôn cao và mở rộng dần, quá trình đó tiếp diễn một cách bền bỉ qua
các triều đại phong kiến cũng như chính quyền thực dân đô hộ. Từ khi hòa
bình lập lại, hệ thống đê sông càng nhận được sự quan tâm đầu tư nhiều hơn
cả về nguồn vốn và khoa học kỹ thuật nên đã xây dựng được một phòng tuyến
vững chắc với các tuyến đê quy mô bảo vệ cho vùng đất rộng lớn đang ngày
càng phát triển mạnh mẽ về mọi mặt.
Hình 1.2 và 1.3 dưới đây minh họa cho quá trình phát triển của đê Hữu Hồng
qua một số giai đoạn khác nhau.
Có thể thấy hệ thống đê sông Hồng nói chung và đê Hữu Hồng nói riêng được
đắp qua nhiều thời kỳ khác nhau nên thân đê có tính đồng nhất không cao; nền
đê thường không được xử lý trước khi đắp, vấn đề chọn tuyến không được
xem trọng. Do đó hệ thống đê luôn tiềm ẩn nhiều sự cố có nguy cơ dẫn đến
mất an toàn nhất là trong mùa bão lũ.
3
Hình 1.2 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1915 đến 1945
Hình 1.3 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1945 đến 2000
Theo các tài liệu thống kê của các đơn vị quản lý đê điều và phòng chống lụt bão, các sự cố thường gặp: đối với thân đê là hiện tượng thẩm lậu, lún, nứt, trượt, rò rỉ, và tổ mối; trong khi nền đê phổ biến là các mạch đùn sủi hoặc bãi đùn sủi nhiều vị trí nước thoát ra mang theo cát.
1.2 Biến đổi khí hậu ở Việt Nam
BĐKH là hiện hữu và đã ảnh hưởng không nhỏ đến tất cả các lĩnh vực trong đó có các công trình hạ tầng kỹ thuật theo xu thế bất lợi. Hệ thống công trình phòng chống lũ của vùng ĐBSH cũng không nằm ngoài ảnh hưởng đó. Trước thực trạng của BĐKH, bộ Tài nguyên và Môi trường đã căn cứ vào các kịch bản phát thải khí nhà kính của Ủy ban Liên chính phủ về BĐKH (IPCC) để dự báo về sự thay đổi các yếu tố khí tượng, thời tiết, nước biển dâng (NBD) trên toàn lãnh thổ VN ở các giai đoạn khác nhau trong tương lai, làm cơ sở cho các Bộ, Ban, Nghành và địa phương kịp thời có những giải pháp ứng phó. Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng kết quả dự báo về NBD ứng với kịch bản phát thải khí nhà kính trung bình (RCP4.5) để tiến hành tính toán xác định điều kiện biên thủy lực, đây là một trong những thông số đầu vào của bài toán đánh giá an toàn đê (ATĐ).
1.3 Tổng quan về nghiên cứu an toàn đê
1.3.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài
Trước thực trạng của BĐKH toàn cầu, các quốc gia phát triển đã tập trung nghiên cứu để đối phó với những biến đổi, thách thức trong bối cảnh mới.
4
- Ở Hà Lan năm 2008, Ủy ban Nghiên cứu về đồng bằng đã đề xuất với chính phủ nâng mức an toàn của hệ thống phòng lũ lên 10 lần, và chống được NBD lên đến 1,3 m để ứng phó với BĐKH đến năm 2100;
- Các nước Châu Âu có sự hợp tác xuyên quốc gia trong các nghiên cứu liên quan đến an toàn của hệ thống công trình phòng lũ dưới sự tác động của BĐKH, NBD; đã tạo ra những sản phẩm có hàm lượng khoa học và có tính ứng dụng cao. Mỹ và các quốc gia khác như Nhật Bản, Nga, Úc,… đều tiến hành các nghiên cứu liên quan vấn đề này;
- Lý thuyết độ tin cậy (LTĐTC) và phân tích rủi ro được áp dụng trong các bài toán đánh giá ngập lụt, từ việc xem xét đến sự bất định của các biến đầu vào, bất định của mô hình tính toán cũng như lỗi do con người gây ra.
Một số tác giả nước ngoài đã đi sâu vào nghiên cứu xói ngầm, trong đó:
- Tsugaev đã căn cứ vào các số liệu thống kê sự cố của các công trình thủy lợi bằng đất để chỉnh lý mô hình lý thuyết, xác định được Gradient áp lực thấm cho phép. Theo Tsugaev dòng thấm nguy hiểm nhất (không cho phép) trong đập đất hoặc nền là dòng thấm xuất hiện trong những hang thấm tập trung và nhiệm vụ cơ bản khi xây dựng công trình đất là cần phải làm thế nào để không cho phép xuất hiện những hang đó (độ bền thấm đặc biệt);
- Các mô hình kiểm toán xói ngầm như của Bligh và Lane được thiết lập thông qua hàng loại số liệu sự cố của đập trên thế giới: dự báo chiều cao cột nước chênh giới hạn với các loại đất khác nhau, tuy chứa nhiều hệ số kinh nghiệm nhưng đơn giản nên được dùng rộng rãi;
- Một số tác giả như Sellmeijer, Vera van;… đã sử dụng các mô hình thí nghiệm trong phòng và hiện trường để nghiên cứu, khảo sát sự ảnh hưởng của các tham số đất nền đến xói ngầm gồm: hệ số thấm; đường kính hạt; khối lượng thể tích; hs không đều hạt,…
1.3.2 Các nghiên cứu trong nước
Các nghiên cứu trong nước đã sử dụng mô hình lý thuyết cùng với các mô hình thực nghiệm trong phòng và hiện trường trong các nghiên cứu về an toàn đê. Điển hình là nghiên cứu của các nhà khoa học thuộc viện Địa chất, viện Khoa học Thủy Lợi, trường đại học Mỏ địa chất, trường đại học Thủy Lợi,
5
tiêu biểu như: Nguyễn Trấn; Nghiêm Hữu Hạnh; Phạm Văn Quốc; Tô Xuân Vu; Bùi Văn Trường,…. Trong đó nhiều tác giả đi sâu vào nghiên cứu xói ngầm dưới nền đê và chỉ ra xói ngầm là nguy cơ tiềm ẩn gây mất an toàn đê.
Các nghiên cứu trong nước đã đề xuất một số giải pháp tăng cường ổn định đê, trong số các giải pháp đó, giải pháp giếng giảm áp và cừ chống thấm được nhiều nhà khoa học kiến nghị áp dụng để nâng cao an toàn đê sông Hồng, sông Thái Bình.
1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án
Từ tổng quan nghiên cứu ở trên, các tồn tại liên quan đến an toàn đê cần tập trung giải quyết trong đề tài gồm: (i) BĐKH có ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống công trình phòng lũ trên ĐBSH, đê Hữu Hồng; (ii) Các cơ chế sự cố có thể xảy ra với hệ thống công trình phòng lũ trên tuyến đê Hữu Hồng thuộc địa bàn thành phố Hà Nội; (iii) Diễn biến sự cố BDT dưới nền đê sông Hồng thể hiện như thế nào; (iv) Mức độ an toàn của hệ thống công trình phòng lũ trên tuyến đê Hữu Hồng thuộc địa bàn thành phố Hà Nội; (v) Cơ sở đề xuất các giải pháp công trình nâng cao mức an toàn của hệ thống công trình phòng lũ.
1.5 Kết luận chương 1
Đê sông Hồng hình thành từ lâu đời, được đắp tôn cao và mở rộng dần qua nhiều thời kỳ khác nhau, việc chọn tuyến và xử lý nền đê trước khi đắp thường chưa được xem trọng. Do vậy thân và nền đê luôn tiềm ẩn nhiều nguy cơ có thể dẫn tới mất an toàn trong mùa mưa lũ.
BĐKH là hiện hữu, với mưa bão cường độ lớn, nhiệt độ tăng, NBD sẽ gây bất lợi cho hệ thống công trình phòng chống lũ.
Mô hình thí nghiệm vật lý trong phòng và hiện trường được sử dụng phổ biến trong các nghiên cứu về xói ngầm. Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã chỉ ra xói ngầm là nguy cơ chính gây mất an toàn của công trình chắn nước. Các nghiên cứu trong nước đã chỉ ra xói ngầm và cát chảy là các biến hình thấm phổ biến gây mất an toàn đê nói chung và đê sông Hồng nói riêng.
Nghiên cứu này sẽ một phần làm sáng tỏ an toàn đê sông Hồng trong bối cảnh BĐKH có xem xét chi tiết đến các cơ chế biến dạng thấm (BDT) như xói ngầm, đẩy trồi,... cũng như tràn đỉnh đê.
6
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐÊ VÀ GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH ĐÊ
2.1 Điều kiện biên thủy lực
Trong bối cảnh BĐKH, cần tiến hành tính toán xác định mực nước lũ và quá trình lũ trên hệ thống sông Hồng để làm cơ sở cho bài toán phân tích, đánh giá ATĐ.
Sử dụng mực NBD ứng với kịch bản phát thải khí nhà kính trung bình (RCP4.5); lũ thiết kế chu kỳ lặp lại 300 năm và 500 năm; các hồ chứa thượng lưu vận hành theo Quyết định số 1622/QĐ-TTg ngày 17/09/2015 của thủ tướng Chính phủ về việc ban hành Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng (QT1622). Theo QT1622, liên hồ chứa thượng lưu có thể vận hành theo hai trạng thái bình thường và bất lợi: bình thường là khi các hồ chứa thượng lưu vào thời kỳ lũ chính vụ được duy trì ở mức thấp; bất lợi là khi hồ tích sớm sau 10/8 với mực nước cao hơn, trường hợp này nếu do sai sót trong công tác dự báo khi đó có trận lũ lớn xảy ra sẽ rất bất lợi cho công trình đầu mối hồ chứa đồng thời cũng bất lợi cho hệ thống đê hạ lưu.
Quá trình tính toán diễn toán lũ được thể hiện ở sơ đồ Hình 2.1. Trong đó kế thừa toàn bộ mạng lưới sông, mặt cắt và các thông số của mô hình MIKE 11 đã được viện Quy hoạch Thủy lợi thiết lập cho lưu vực sông Hồng.
Hình 2.1 Sơ đồ tính toán dòng chảy lũ hệ thống sông Hồng
Diễn toán lũ trên hệ thống sông Hồng cho kết quả đoạn sông (Km28+500 ÷ Km117+900) như sau: với lũ có chu kỳ 500 năm, mực nước lớn nhất ở Sơn Tây (Km31+600) đạt +16,0 m, ở Hà Nội (Km65+210) là +13,4 m; với lũ chu
7
kỳ 300 năm, mực nước tương ứng ở Sơn Tây và Hà Nội lần lượt là +15,5 m và +12,9 m. Như vậy, trong trường hợp bất lợi vẫn đảm bảo mực nước lớn nhất trên sông Hồng không vượt ngưỡng quy định (tại Sơn Tây +16,0 m; tại Hà Nội +13,4 m) tuy nhiên thời gian duy trì lũ trên báo động II kéo dài đến 180 giờ.
2.2 Điều kiện địa chất công trình và phân chia cấu trúc nền đê
Nền đê sông Hồng nói chung, đê Hữu Hồng nói riêng có đặc điểm địa chất công trình biến đổi phức tạp. Để đơn giản trong việc đánh giá khả năng phát sinh BDT nhằm tìm ra các giải pháp xử lý, cần điển hình hóa cấu trúc địa chất nền đê trên toàn tuyến (phân đoạn đê), hay nói cách khác là phải tiến hành phân chia tuyến đê thành các đoạn có cấu trúc nền (CTN) hoặc mô hình nền đại diện. Phạm Quang Tú đã căn cứ vào địa tầng nền đê và các sự cố đã xảy ra trong quá khứ để phân đê Hữu Hồng đoạn qua Hà Nội với chiều dài khoảng 100 km thành 17 đoạn (Hình 2.11) với ba CTN điển hình (Hình 2.13).
Hình 2.11 Phân đoạn đê Hữu Hồng với mức độ nguy hiểm về thấm khác nhau
Hình 2.13 Các kiểu mô hình nền đê Hữu Hồng từ Sơn Tây đến Phú Xuyên
Trong nghiên cứu này, kế thừa cách phân đoạn đê ở trên để sử dụng trong đánh giá an toàn đê được thực hiện ở Chương 4.
8
2.3 Điều kiện địa chất thủy văn
Ảnh hưởng của điều kiện địa chất thủy văn đối với mỗi loại công trình xây dựng khác nhau là khác nhau. Đối với nền các tuyến đê sông Hồng, hoạt động của nước ngầm trong tầng chứa nước thứ nhất kể từ trên xuống (đây chính là lớp cát thuộc hệ tầng Hải Hưng) trực tiếp ảnh hưởng đến an toàn đê. Nước ngầm thuộc tầng này có quan hệ mật thiết với nước mặt, theo dõi mực nước trong các giếng đào của dân cho thấy khi mực nước lũ sông Hồng lên cao thì mực nước trong các giếng này cũng lên theo. Ngược lại, vào mùa kiệt khi nước sông Hồng hạ thấp thì nước ngầm tàng trữ trong tầng cát sẽ chảy ra ngoài sông.
2.4 Đánh giá an toàn đê theo phương pháp truyền thống
Ở Việt Nam, quy trình và chu kỳ lặp lại việc đánh giá an toàn đê (ATĐ) chưa được trình bày trong các văn bản pháp quy mà được thực hiện tùy theo kế hoạch duy tu hoặc cải tạo, nâng cấp đê điều của các địa phương. Ở các nước khác trên thế giới như Hà Lan, đánh giá ATĐ được thực hiện theo chu kỳ 5 năm một lần với các số liệu được cập nhật đầy đủ nhất của hiện trạng đê điều.
Hiện nay ở Việt Nam, đánh giá ATĐ sông vẫn thực hiện theo phương pháp truyền thống, đê được xem là an toàn khi đồng thời thỏa mãn các điều kiện: không xảy ra lũ tràn đỉnh; không xảy ra BDT; không xảy ra trượt mái;… được quy định cụ thể trong các Quy chuẩn, Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.
2.5 Đánh giá an toàn đê theo phương pháp lý thuyết độ tin cậy
Lý thuyết độ tin cậy (LTĐTC) nhằm giải quyết các bài toán có nhiều biến số mà quy luật biến đổi ngẫu nhiên của chúng ảnh hưởng nhiều đến kết quả tính toán và khắc phục những tồn tại của phương pháp thiết kế truyền thống như phụ thuộc tất cả vào hệ số an toàn cũng như việc lựa chọn các hệ số an toàn hiện còn đang là ẩn số. Bài toán đánh giá ATĐ thường được bắt đầu bằng các số liệu cơ bản về thủy văn, đê và các thông số của nền để tìm các quy luật phân phối của chúng; bước tiếp theo là tiến hành mô tả hệ thống, phân đoạn đê, mô tả các cơ chế phá hoại, lập các sơ đồ cây sự cố, thiết lập các hàm tin cậy và tìm xác suất sự cố; bước cuối cùng là so sánh độ tin cậy của hệ thống với độ an toàn cho phép, đề xuất các giải pháp để nâng cao ATĐ.
9
2.6 Phương pháp thực nghiệm nghiên cứu xói ngầm dưới nền đê bằng mô hình vật lý trong phòng
2.6.1 Các khái niệm về xói ngầm
Có nhiều quan niệm khác nhau về xói ngầm, về cơ bản đó là sự dịch chuyển các hạt đất (thường là cát) ra khỏi vị trí ban đầu dưới tác dụng của dòng thấm. Việc di chuyển này tạo ra khoảng trống dưới nền công trình, thúc đẩy BDT phát triển, gây phá hủy dưới nền và công trình phía trên.
TAW (1999) đã định nghĩa xói ngầm là quá trình hình thành một đường ống dưới nền đê hoặc công trình thủy lợi bởi một dòng thấm tập trung; hiện tượng này còn được gọi là sự xói ngầm cơ học.
2.6.2 Ảnh hưởng của xói ngầm đến an toàn đê
Hình 2.20 Các giai đoạn phá hủy do BDT dưới nền đê
Hình 2.20 mô phỏng sự cố vỡ đê do BDT, có thể thấy khi chênh cao cột nước
thấm (H) đủ lớn, cát dưới nền đê sẽ bị dòng thấm đẩy ra ngoài hạ lưu đê qua
cửa sổ bục đất hoặc khuyết tật của tầng phủ. Khi H tiếp tục gia tăng hoặc duy trì thì ống xói sẽ hình thành và phát triển. Nếu ống xói có điều kiện hình thành thông xuốt từ hạ lưu về thượng lưu đê thì một lượng cát lớn đã bị dòng thấm đùn đẩy ra ngoài, nền đê rỗng, thân đê có thể bị võng xuống, nước lũ sẽ tràn qua đỉnh đê gây xói mái đê và dẫn tới vỡ đê.
10
Các số liệu thống kê về sự cố đã từng xảy ra ngoài hiện trường đối với đê sông Hồng cho thấy phổ biến nhất là hiện tượng xói ngầm. Thực tế, xói ngầm đã gây ra một số trận vỡ đê và để lại hậu quả rất nghiêm trọng (vỡ đê Cống Thôn năm 1971, vỡ đê Vân Cốc năm 1986).
Do xói ngầm là một trong những hiện tượng địa chất công trình nguy hiểm đe dọa đến an toàn đê cũng như các công trình phòng lũ nên trong đề tài này tác giả kế thừa các nghiên cứu trước và tiếp tục đi sâu nghiên cứu xói ngầm thông qua hai mô hình vật lý thí nghiệm trong phòng (thấm ngang và thấm đứng).
2.6.3 Cơ sở xây dựng mô hình thí nghiệm thấm trong phòng
Sử dụng mô hình thực nghiệm tương tự về vật lý để nghiên cứu về xói ngầm. Sự tương tự về vật lý là hai quá trình vật lý mô hình và thực tế phải có cơ chế tương đồng, với những đặc trưng hình học khác nhau theo tỷ lệ nhất định. Điều này có nghĩa là sự tương tự về vật lý dựa trên sự tương tự hình học của hai quá trình vật lý cần xem xét. Khi có sự tương tự hình học, thì để biết tất cả
các kích thước của hình thể tương tự, ta nhân với tỷ lệ tuyến tính (l). Đây chính là tỷ số giữa kích thước trong thiên nhiên và kích thước ở mô hình.
2.7 Các giải pháp nâng cao an toàn đê
Đê là công trình chống lũ bằng đất, có vai trò hết sức quan trọng nhưng do nằm ở ngoài thiên nhiên nên chịu sự tác động tổng hợp của nhiều yếu tố: tự nhiên như mưa bão, dòng chảy; động vật, côn trùng như chuột, cầy, mối,…; con người gồm các hoạt động khoan, đào, chất tải,… Các tác động này thường gây ra những hư hại bên trong nên rất khó phát hiện và kiểm soát, chỉ khi có lũ lớn mới xuất hiện và bộc lộ ra ngoài. Chúng ta luôn phải đối phó với những nguy cơ tiềm ẩn đó trong tình trạng bị động và thực tế đã xảy ra những trận vỡ đê lớn để lại hậu quả nghiêm trọng.
Đối với công trình chắn nước bằng đất, thường gặp phải các sự cố như: mất ổn định mái dốc; thấm vượt giới hạn cho phép; lún lớn; sự hình thành các hang hốc trong thân hoặc nền công trình. Nếu không có giải pháp xử lý, ngăn chặn kịp thời thì có thể dẫn tới nguy cơ đổ vỡ nhất là trong mùa mưa lũ. Để đảm bảo ổn định cho đê, các giải pháp công trình và phi công trình đưa ra cần tập trung vào việc tăng cường ổn định mái đê, giảm áp lực thấm dưới nền đê, hạn chế lún và chênh lệch lún, xử lý và chống mối,…
11
2.8 Nguyên lý rủi ro trong thiết kế công trình
Các sự cố sạt trượt mái đê, đùn sủi do BDT dưới nền đê đều có nguy cơ dẫn đến vỡ đê khi diễn ra trong mùa mưa lũ. Cần phân tích và kiểm soát rủi ro để đưa ra giải pháp giảm thiểu tối đa rủi ro cho vùng được đê bảo vệ. Phân tích rủi ro còn giúp đưa ra quyết định lựa chọn giải pháp công trình thích hợp để có sự đầu tư hiệu quả. Kết quả của bài toán phân tích rủi ro là thiết lập được đường cong chi phí tổng thiệt hại và từ đó xác định được phương án tối ưu tăng cường ổn định đê.
2.9 Kết luận chương 2
Nền đê sông Hồng có địa chất phức tạp, rất nhạy cảm với BDT, khi mực nước lũ cao và kéo dài ngày sẽ phát sinh nhiều nguy cơ gây mất an toàn đê. Việc phân chia CTN đê giúp đánh giá ATĐ có tính hệ thống và khoa học trong đó trọng tâm vào các đoạn có nguy cơ mất ổn định về BDT.
Mô hình vật lý nghiên cứu xói ngầm sẽ mô phỏng lại các điều kiện biên thủy lực trong điều kiện BĐKH và mô hình nền tại các vị trí nhạy cảm về BDT, nội dung chi tiết sẽ trình bày trong Chương 3 và 4.
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XÓI NGẦM DƯỚI NỀN ĐÊ BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ TRONG PHÒNG
3.1 Giới thiệu chung
Bằng mô hình thí nghiệm trong phòng, tiến hành nghiên cứu hiện tượng xói ngầm nhằm hiểu rõ bản chất vật lý của BDT diễn ra dưới nền đê: quan sát được chi tiết diễn biến của quá trình thấm dưới nền đê và quan sát được quá
trình đùn sủi dẫn tới phá hủy nền hạ lưu đê; thông qua mô hình thấm ngang,
tìm được quan hệ (Lx T, Lx H) với các độ chặt khác nhau của cát thí nghiệm. Các tương quan hệ này có ý nghĩa hết sức quan trọng trong dự báo
quá trình phát triển của ống xói ở mỗi trận lũ trên sông Hồng.
Mặt khác, từ các số liệu thống kê đùn sủi đã xảy ra trong quá khứ có thể thiết lập được quan hệ giữa sự cố hiện trường với mực nước ngoài sông. Để đánh giá ATĐ phải dựa vào kết quả quan sát, thống kê thực tế. Tuy nhiên, trên toàn
tuyến công trình không phải vị trí nào cũng có đầy đủ số liệu thống kê hiện
12
trường. Đây cũng là lý do cần tiến hành các mô hình trong phòng và cùng với số liệu hiện trường đã có để đánh giá ATĐ. Sự khác biệt giữa hai chuỗi số liệu được tác giả đề xuất một hệ số, đó là hệ số tương quan giữa hai mô hình trong
phòng và thực tế hiện trường [hệ số nền alpha (αn) và hệ số mô hình ()].
3.2 Thiết kế mô hình thí nghiệm
Có nhiều phương pháp nghiên cứu BDT khác nhau, trong đó nghiên cứu bằng mô hình vật lý là phương pháp có nhiều ưu điểm vì nó cho phép xét đến khá đầy đủ tính phức tạp của điều kiện tự nhiên.
3.2.1 Tỷ lệ mô hình, ưu nhược điểm của mô hình thí nghiệm trong phòng
Với mô hình thấm ngang thì chiều dài của đường thấm, còn với mô hình thấm đứng thì chiều dày tầng chứa nước là yếu tố trực tiếp quyết định đến việc lựa chọn tỷ lệ mô hình. Tuy nhiên, điều kiện vận chuyển lắp đặt, và thao tác vận hành mô hình cũng là các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước của thiết bị. Từ đó, chọn tỷ lệ mô hình thấm ngang là 1/100 và thấm đứng là 1/50, tỷ lệ này là cơ sở để thiết kế, chế tạo và thi công lắp đặt mô hình.
Mặc dù mô hình thí nghiệm vật lý trong phòng đóng vai trò rất lớn trong nghiên cứu thủy địa cơ, nhưng cũng chỉ mô phỏng được gần đúng hiện tượng với các điều kiện tương đồng với thực tế làm việc của công trình. Hạn chế này là do ảnh hưởng bởi kích thước của thiết bị và tính nguyên trạng của vật liệu thí nghiệm. Tuy nhiên, phương pháp này có ưu điểm là tiến hành khá đơn giản, lặp đi lặp lại được nhiều lần với nhiều trường hợp và kịch bản khác nhau, chi phí ít tốn kém và điều quan trọng là nghiên cứu và quan sát được trực tiếp bản chất, diễn biến của quá trình thấm.
3.2.2 Kích thước mô hình
Thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật của trường đại học Thủy Lợi. Mô hình thí nghiệm gồm ba bộ phận chính: hệ thống cung cấp và duy trì cột áp thấm; hộp thí nghiệm; hệ thống thu nước thấm; ngoài ra còn có hệ thống camera quan sát diễn biến của quá trình thấm trong ngăn (2).
Mô hình thí nghiệm thấm ngang (Hình 3.3a): hộp thí nghiệm hình chữ nhật được làm bằng thép, kích thước (rộng x dài x cao) = (53x113x42)cm; mô hình thí nghiệm thấm đứng: đường kính hộp 30 cm, chiều cao 40 cm (Hình 3.3b).
13
(a) Thiết bị thí nghiệm thấm ngang (b) Thiết bị thí nghiệm thấm đứng
I: Hộp thí nghiệm (chứa mẫu cát), II: Bình tạo áp thượng lưu, III: Bình chứa nước hạ lưu, IV: Máy bơm, (1): Miền cấp nước (thượng lưu), (2) mẫu cát, (3) miền thoát nước (hạ lưu).
Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo mô hình thí nghiệm
3.2.3 Vật liệu thí nghiệm
Vật liệu thí nghiệm trong ngăn (2) là cát dưới nền đê Hữu Hồng, được lấy ở những vị trí đã từng xảy ra sự cố đùn sủi nguy hiểm như khu vực đê Sen Chiểu (Km31÷Km33) và khu vực đê Lĩnh Nam (đê Bùng) (Km73+500 ÷ Km74+100).
3.3 Thí nghiệm thấm ngang
Mô hình thí nghiệm thấm ngang được sử dụng để nghiên cứu vận động của dòng thấm theo phương nằm ngang, dòng thấm này gây BDT trong trầm tích chứa nước dưới nền đê.
Hình 3.8 là quá trình phát triển của ống xói từ khi mới hình thành ở hạ lưu cho đến khi hoàn chỉnh nối thông đến thượng lưu của miền thấm: khi chênh cao cột nước đủ lớn, quan sát thấy sự dịch chuyển của cát, nước thấm thoát ra đục dần; khi cột áp thấm tăng lên hoặc tiếp tục được duy trì, quan sát thấy cát bị đẩy ra hạ lưu qua cửa thoát và ống xói hình thành (Hình 3.8a); khi cột áp thấm được duy trì hoặc tăng thêm, quan sát thấy cát thoát ra hạ lưu nhiều hơn, ống xói phát triển nhanh hơn (Hình 3.8b); khi chênh cao cột áp tiếp tục tăng lên và đạt đến một giá trị nhất định, quan sát thấy ống xói phát triển mạnh hơn, hình thành nhiều nhánh với quỹ đạo bất định, cát thoát ra hạ lưu rất lớn (Hình 3.8c); tiếp tục tăng cột áp thượng lưu, ống xói phát triển nối thông từ hạ lưu đến thượng lưu miền thấm, ngay sau đó quan sát thấy môi trường thấm sập xuống và bị phá hủy (Hình 3.8d).
14
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.8 Quá trình phát triển của ống xói
Hình 3.9 thể hiện ống xói hình thành liên tục trong miền thấm sau đó gây phá hủy môi trường thấm (Hình 3.9a là ảnh chụp thực tế; Hình 3.9b là quỹ đạo bất định của các ống xói được biểu diễn trên giấy bóng kính có lưới ô vuông).
(a) (b)
Hình 3.9 Sơ đồ ống xói hình thành do BDT từ thí nghiệm thấm ngang
Thí nghiệm thấm ngang cũng thiết lập được tương quan giữa chênh cao cột
nước H cũng như chiều dài ống xói Lx theo thời gian như Hình 3.10 và 3.18. Kết quả này rất quan trọng và được sử dụng để thiết lập mô hình dự báo sự phát triển của chiều dài ống xói ngoài hiện trường (ở Chương 4).
15
Hình 3.10 ΔH~T cát Sen Chiểu Hình 3.18 Lx T cát Sen Chiểu
Có thể chia quá trình thấm ngang thành ba giai đoạn (Hình 3.20): giai đoạn 1 (GĐ1) từ khi dâng nước thí nghiệm đến khi bắt đầu có sự dịch chuyển của cát; giai đoạn 2 (GĐ2) từ thời điểm cát bắt đầu dịch chuyển đến khi ống xói phát triển đến độ dài Lx-gh; giai đoạn 3 (GĐ3) từ khi ống xói vượt qua Lx-gh đến khi hình thành liên tục thông suốt từ hạ lưu đến thượng lưu và phá hủy môi trường thấm. Ở cuối mỗi giai đoạn đều xác định được gradient áp lực thấm tương ứng (J1; J2 và J3). Cụ thể: cát xốp (J1 = 0,119 ÷ 0,369; J2 = 0,300 ÷ 0,402; J3 = 0,452 ÷ 0,598); cát chặt vừa (J1 = 0,238 ÷ 0,452; J2 = 0,392 ÷ 0,600; J3 = 0,452 ÷ 0,892); cát chặt (J1 = 0,402 ÷ 0,598; J2 = 0,598 ÷ 0,696; J3 = 0,700 ÷ 0,990).
Hình 3.20 Sơ họa các giai đoạn phát triển của BDT
Trên Hình 3.20: L0 là chiều dài ban đầu của miền thấm; Lx,t là chiều dài ống xói; Lt là chiều dài còn lại của miền thấm (Lt = L0 - Lx,t); Lx-gh là chiều dài ống xói giới hạn (trước khi chiều ống xói đạt đến giá trị này thì miền thấm vẫn an toàn); t1, ts, t2, tf lần lượt là thời điểm quan sát thấy cát bắt đầu dịch chuyển, ống xói bắt đầu hình thành ở hạ lưu, ống xói đạt chiều dài Lx-gh và ống xói
16
hoàn chỉnh nối thông từ hạ lưu đến thượng lưu của miền thấm gây phá hủy môi trường thấm.
3.4 Thí nghiệm thấm đứng
Hình 3.21 dưới đây được trích ra từ camera theo dõi thí nghiệm, đây là các giai đoạn phát triển của quá trình thấm theo phương đứng từ khi nước thấm thoát ra không mang theo cát đến khi cát bị đùn đẩy lên trên tăng cực hạn dẫn tới phá hủy môi trường thấm.
(a): Các bãi sủi hình thành (b): Phễu xói phát triển
(c): Miền thấm bị phá hủy (d): Phễu xói sau khi rút nước
Hình 3.21 Diễn biến của quá trình thấm đứng
Từ kết quả và quá trình quan sát, theo dõi thí nghiệm, có thể phân chia quá trình đứng thành ba giai đoạn: (i) Giai đoạn 1 (từ khi có sự chênh lệch cột nước thấm đến khi quan sát thấy nước thấm thoát ra đục). Gradient áp lực thấm cuối giai đoạn 1: cát xốp Jđ1 = 0,323 ÷ 0,387, cát chặt vừa Jđ1 = 0,355 ÷ 0,484, cát chặt, Jđ1 = 0,387 ÷ 0,581; (ii) Giai đoạn 2 [từ khi cát bị đùn ra đến khi trên bề mặt cát có hiện tượng bị đẩy vồng lên, bùng nhùng, cát thoát ra tăng mạnh (Hình 3.21b)]. Gradient thấm cuối giai đoạn 2: cát xốp Jđ2 = 0,452 ÷ 0,516, cát chặt vừa Jđ1 = 0,452 ÷ 0,581, cát chặt, Jđ1 = 0,483 ÷ 0,677; (iii) Giai đoạn 3 [từ cuối giai đoạn 2 đến khi môi trường thí nghiệm bị phá hủy, (Hình 3.21c và 3.21d)]. Gradient tại thời điểm phá hủy như sau: cát xốp, Jđ3 = 0,516 ÷ 0,613; cát chặt vừa, Jđ3 = 0,516 ÷ 0,774; cát chặt, Jđ3 = 0,581÷0,839.
17
3.5 Kết luận chương 3
3.5.1 Thí nghiệm thấm ngang
(i) Quan sát được chi tiết quá trình thấm trong ngăn (2). Mỗi giai đoạn của BDT đều xác định được giá trị J tương ứng, kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước; (ii) Từ mô hình thí nghiệm, ngoài việc xác định được J giới hạn và đề xuất J an toàn, J cực hạn thì quá trình phát triển của ống xói có thể được dự báo thông qua các phương trình được thiết lập từ kết quả thực nghiệm; (iii) Các kết quả đạt được từ thí nghiệm thấm ngang sẽ được sử dụng để nghiên cứu trong các nội dung tiếp theo của luận án.
3.5.2 Thí nghiệm thấm đứng
(i) Quan sát được hiện tượng đùn cát cũng như quá trình hình thành của phễu cát từ khi nước đục thoát ra đến khi lượng cát bị đẩy lên cực hạn gây phá hủy môi trường thấm. Hiện tượng này diễn ra phổ biến ở các đoạn đê có CTN như nền đê khu vực Sen Chiểu; (ii) Xác định được J tương ứng với ba giai đoạn khác nhau của quá trình thấm. Kết quả này được kỳ vọng sẽ là tài liệu tham khảo cho các đơn vị quản lý đê điều trong công tác bảo vệ đê và phòng chống lụt bão.
CHƯƠNG 4 ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐÊ SÔNG HỒNG TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Chương 4 giới thiệu tổng quan phương pháp đánh giá an toàn đê theo LTĐTC, ví dụ áp dụng cho tuyến đê Hữu Hồng đoạn qua Hà Nội trong đó trọng tâm nghiên cứu cơ chế xói ngầm dưới nền đê (Chương 3) và điều kiện biên BĐKH đã nghiên cứu trong Chương 2.
4.1 Đánh giá an toàn đê Hữu Hồng theo phương pháp truyền thống
Quy trình đánh giá ATĐ theo phương pháp truyền thống đã được trình bày trong Chương 2. Kết quả kiểm tra lũ tràn đỉnh: đoạn đê Vân Cốc, đỉnh đê không đủ độ cao an toàn; các đoạn còn lại đều có cao trình đỉnh lớn hơn mực nước thiết kế (0,97 ÷ 2,50)m, đảm bảo độ cao an toàn chống lũ tràn. Kết quả kiểm tra thấm và ổn định mái cho thấy tuyến đê Hữu Hồng đảm bảo ổn định theo các tiêu chuẩn an toàn hiện hành (Hình 4.1 và 4.2).
18
Hình 4.1 Gradient áp lực thấm ở thân và nền của 17 đoạn đê Hữu Hồng
Hình 4.2 Hệ số ổn định mái tương ứng của 17 đoạn đê Hữu Hồng
4.2 Phân tích độ tin cậy của hệ thống đê Hữu Hồng trong bối cảnh BĐKH
Trong phần này, sử dụng LTĐTC để đánh giá an toàn của hệ thống đê Hữu
Hồng địa phận Hà Nội (Hình 4.5a) với các đoạn đê có chiều dài khác nhau
được phân đoạn theo CTN và tổng chiều dài của các đoạn đê này chính là
chiều dài của hệ thống.
Hình 4.5a Tuyến đê Hữu Hồng (phạm vi nghiên cứu)
Hệ thống phòng chống lũ đê Hữu Hồng (hệ thống chính) làm việc theo sơ đồ nối tiếp, hệ thống xảy ra sự cố khi ít nhất một đoạn đê (trong 17 đoạn) gặp sự cố. Một đoạn đê bất kỳ (hệ thống con) lại được cấu thành bởi đê và cống dưới đê (phần tử), do vậy hệ thống con gặp sự cố khi phần tử cống hoặc đê bị sự cố. Đối với sự cố của từng phần tử, trong nghiên cứu này chỉ tập trung đánh giá các cơ chế: lũ tràn đỉnh; xói ngầm và bục tầng phủ hạ lưu; trượt mái (đê); khả năng chịu lực (cống).
Để xác định được xác suất sự cố cần thiết lập được hàm tin cậy (Z) của từng cơ chế phá hỏng. Hàm tin cậy được thiết lập căn cứ vào trạng thái giới hạn tương ứng với cơ chế phá hỏng đang xem xét và là hàm của nhiều biến ngẫu
19
nhiên: Z = R(xi) – L(yi); R(xi) là hàm sức kháng; L(yi) là hàm tải trọng. Sau khi tìm được xác suất của từng cơ chế sự cố sẽ tìm được xác suất của phần tử, của hệ thống con và hệ thống chính. Ngoài ra ảnh hưởng của hiệu ứng độ dài của từng đoạn đê cũng được xem xét và đã làm tăng xác suất sự cố của hệ thống lên 1,58 lần. Cụ thể: xác suất sự cố của cả hệ thống đê Hữu Hồng khi chưa xét đến hiệu
ứng độ dài, = 39,89%; khi xét đến hiệu ứng độ dài, = 62,98%. Hiệu ứng độ
dài là một trong những tiến bộ của phương pháp LTĐTC, một số nhà nghiên cứu đã chỉ ra khi tuyến phòng lũ càng dài thì khả năng mất an toàn càng cao.
4.3 Phân tích an toàn đê dưới trận lũ thiết kế trong bối cảnh BĐKH
Nền đê sông Hồng có địa chất phức tạp và nhạy cảm với BDT nên tiềm ẩn nhiều nguy cơ mất an toàn đê khi lũ cao và kéo dài. Trong phần này, tác giả đi sâu phân tích ATĐ dưới trận lũ điển hình thông qua việc đánh giá về xói ngầm (trong phòng và hiện trường) trên cơ sở kết quả tính toán lũ có xét đến BĐKH.
Khi ống xói phát triển thì chiều dài đường thấm còn lại Lt sẽ giảm (Lt = L0 - Lx,t). Xét hàm tin cậy của cơ chế sự cố xói ngầm:
(4.29) Z = mp.Lt.FR.FS.FG.C - H = Hc - H
Khi Lt giảm thì xác suất để Z < 0 sẽ tăng (xem Hình 4.21 và 4.22).
(L0 là chiều dài đường thấm ban đầu;
Lx,t là chiều dài ống xói)
Hình 4.21 Sơ đồ ống xói phát triển theo thời gian
Hình 4.22 Sự suy giảm của chiều dài đường thấm và phát triển của chiều dài ống xói theo thời gian
Để tìm được xác suất xói ngầm trong trường hợp này cần thiết lập được mô hình dự báo xói ngầm theo thời gian. Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng đã xây dựng được các tương quan giữa chiều dài ống xói với chênh cao cột nước thấm (Lx,t H). Tuy nhiên chưa thể sử dụng tương quan này để dự báo sự phát triển của ống xói ngoài hiện trường. Do vậy cần căn cứ vào các sự cố xói
20
ngầm đã xảy ra trong quá khứ để hiệu chỉnh mô hình (các sự cố đùn sủi và vỡ đê Vân Cốc năm1986). Một số tác giả như Stive, Sellmeijer, Phạm Quang Tú,… đều khái quát hóa sự phát triển ống xói phụ thuộc vào hai nhân tố chính, đó là đặc tính của môi trường nền đất sẽ xảy ra xói ngầm và chênh cao cột nước tác dụng. Tổng quát hóa phương trình tương quan dự báo chiều dài ống xói ngoài hiện trường có thể trình bày dưới dạng sau:
(4.35) Lx_ht = .n.Lx_tn
Trong đó: Lx_ht là chiều dài ống xói hiện trường (m); αn là hệ số nền (m.giờ-0,5) là hệ số mô hình; Lx_tn là chiều dài ống xói thí nghiệm trong phòng.
Hình 4.33 Phân bố xác sất của hệ số dự báo chiều dài ống xói dưới nền đê Vân Cốc
Từ các sự cố đùn sủi khu vực đê Vân Cốc, tiến hành phân tích ngược xác định được αn [phân bố GEV (General Extreme Values, với k = 0,249; σ = 5,799; µ = 13,10). Sự cố vỡ đê Vân Cốc xác định được Lx_ht. Các thông số (Lx_tn; n; Lx_ht) đã biết, thay vào phương trình (4.35) sẽ xác định được . Hệ số và n có cùng phân phối GEV (Hình 4.33).
Như vậy, mô hình dự báo sự phát triển của chiều dài ống xói hiện trường (4.35) đã được thiết lập. Sử dụng mô hình (4.35) để xác định xác suất xói ngầm cho đoạn đê Sen Chiểu (với hệ số nền n được cập nhật lại cho nền đê khu vực này), kết quả được trình bày ở Hình 4.36 và 4.38a.
Hình 4.36 Phân bố xác suất của hệ số nền tại khu vực Sen Chiểu Hình 4.38a Chiều dài đường thấm suy giảm và xác suất sự cố xói ngầm
21
Trên Hình 4.38a, khi ống xói phát triển, chiều dài đường thấm Lt giảm dần, xác suất sự cố xói ngầm tăng lên và đạt giá trị lớn nhất Pf = 0,395%.
Để làm sáng tỏ về sự tồn tại của ống xói dưới nền đê, tháng 12/2016 công tác khảo sát hiện trường bằng phương pháp đo sâu điện đa cực (địa vật lý) ở hạ lưu đê Sen Chiểu (Km32+400) được tiến hành với ba tuyến đo (T1, T2, T3). Kết quả cho thấy dưới nền đê bên dưới tầng phủ có những vùng dị thường với điện trở suất lớn. Đây là những vùng cát xốp, phù hợp với nhận định về thực tế có sự tồn tại ống xói ở ngoài hiện trường (Hình 4.26). Sự tồn tại của ống xói đã lý giải được vì sao các sự cố đùn sủi xảy ra ngay cả khi J (= H/L) rất nhỏ.
Hình 4.3.1 Kết quả khảo sát tại tuyến đo T1
4.4 Đề xuất giải pháp tăng cường ổn định đê Sen Chiểu theo nguyên lý rủi ro
Đoạn đê Sen Chiểu có xác suất sự cố xói ngầm lớn nhất do đó cần có giải pháp công trình để xử lý nâng cao ổn định đê. Để xác định được quy mô của giải pháp công trình cần căn cứ vào nguyên lý rủi ro. Thông qua phân tích rủi ro cho vùng được đê Sen Chiểu bảo vệ (Hình 4.39) có thể xây dựng được đường cong tổng chi phí thiệt hại và từ đó xác định được phương án (quy mô) tối ưu. Trong phần này, giải pháp hào thu nước ở hạ lưu đê được chọn với các phương án độ sâu khác nhau để đưa vào phân tích (Hình 4.47). Bằng các bản đồ mô hình số độ cao và sử dụng đất, xác định được diện tích bị ngập ứng với các độ sâu (Hình 4.42).
Hình 4.39 Phạm vi vùng nghiên cứu rủi ro Hình 4.42 Bản đồ vùng nghiên cứu, một số diện tích bị ngập sâu 3m
22
(Hào thu nước bằng đá hộc, đáy rộng 1m, xung quanh là vải lọc, phía trên là vải lọc và đất màu)
Kế thừa đường cong tỷ lệ thiệt hại từ các nghiên cứu trước, xác định được chi phí tổng thiệt hại. Với các phương án chiều sâu hào thu nước khác nhau, tính được chi phí đầu tư và xác suất sự cố khi có giải pháp công trình. Cuối cùng thiết lập được đường cong chi phí tổng thiệt hại (Hình 4.48), chọn chiều sâu hào z = 4,8 m.
Hình 4.47 Sơ họa bố trí hào thu nước hạ lưu
Hình 4.48 Đường cong tổng CP
4.5 Kết luận chương 4
(i) Kết quả đánh giá theo phương pháp truyền thống khẳng định đê an toàn. Tuy nhiên, kết quả phân tích theo LTĐTC đã chỉ ra rằng, xác suất sự cố của đê là hiện hữu và cao tại một số đoạn. Khi xét đến sự biến thiên theo không gian của các tham số sức kháng thông qua hiệu ứng chiều dài thì sự cố của mỗi cơ chế có thể tăng (1,03÷10,10) lần tùy thuộc vào độ dài của từng đoạn đê. Đánh giá ATĐ theo phương pháp LTĐTC giúp người đọc có góc nhìn khác về nguy cơ xảy ra sự cố đối với đê điều; (ii) Mô hình dự báo sự phát triển chiều dài ống xói đã được xác lập và áp dụng để tính xác suất xói ngầm ở đoạn đê Sen Chiểu với trận lũ thiết kế; (iii) Phương pháp luận về phân tích rủi ro phần nào được làm sáng tỏ để lựa chọn giải pháp tăng cường ổn định đê tối ưu.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết quả đạt được của Luận án
Luận án đã trình bày chi tiết phương pháp đánh giá an toàn hệ thống công trình phòng lũ trên đê Hữu Hồng (Hà Nội) trong điều kiện BĐKH với các kết quả chủ yếu: (1) Phân tích và đánh giá được ảnh hưởng của BĐKH đến hệ thống công trình phòng lũ trên ĐBSH; (2) Đánh giá các sự cố thường gặp trên hệ thống công trình phòng lũ trong phạm vi nghiên cứu là sự cố BDT (xói ngầm, cát chảy, bục tầng phủ), trượt và tràn đỉnh đê; (3) Nghiên cứu chi tiết cơ
23
chế xói ngầm dưới nền đê, từ đó đề xuất phương pháp dự báo ATĐ dưới trận lũ thiết kế theo mô hình đã hiệu chỉnh (dựa trên thí nghiệm trong phòng và số liệu thống kê sự cố vỡ đê trong quá khứ); (4) Đánh giá an toàn của hệ thống đê Hữu Hồng đoạn từ Sơn Tây về Phú Xuyên theo lý thuyết độ tin cậy và nguyên lý rủi ro. Đây là hướng mở để áp dụng trong thiết kế địa kỹ thuật công trình.
2. Những điểm mới của Luận án
(1) Thông qua thí nghiệm mô hình xói ngầm do thấm kết hợp với số liệu thống kê sự cố đùn sủi và vỡ đê hiện trường xây dựng được mô hình dự báo diễn biến của hiện tượng xói ngầm dưới nền đê theo thời gian trong trận lũ điển hình; (2) Ứng dụng LTĐTC đánh giá được mức độ an toàn của một đoạn đê điển hình trong phạm vi nghiên cứu.
3. Những tồn tại và kiến nghị hướng phát triển của Luận án
3.1. Những tồn tại của Luận án
(1) Nghiên cứu mới chỉ xét được ảnh hưởng của NBD đến quá trình dòng chảy hạ lưu sông Hồng; (2) Độ tin cậy của hệ thống đê Hữu Hồng chưa đánh giá được các sự cố do con người hoặc sinh vật gây ra riêng đối với các cống dưới đê do không có đủ tài liệu nên chưa xét được sự suy thoái về vật liệu đến xác suất sự cố; (3) Mô hình vật lý trong phòng bị hạn chế bởi kích thước của thiết bị cũng như tính nguyên trạng của vật liệu thí nghiệm có thể dẫn đến những sai số nhất định; (4) Sự cố tiềm ẩn trong thân đê do đặc tính không đồng nhất cũng như sự biến đổi các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp cần được nghiên cứu chi tiết hơn.
3.2. Kiến nghị hướng phát triển của Luận án
(1) Ảnh hưởng của BĐKH cần được xem xét bổ sung với các kịch bản mưa trên lưu vực đồng bằng cũng như hệ thống hồ chứa bên lãnh thổ Trung Quốc; (2) Mô hình dự báo diễn biến xói ngầm dưới nền đê cần được hiệu chỉnh dưới các thí nghiệm hiện trường; (3) Đánh giá an toàn đê cần được xem xét thêm các cơ chế mất ổn định do thân đê cũng như tính bất đồng nhất của vật liệu đắp đê; (4) Tiêu chuẩn an toàn cho phép trên cơ sở nghiên cứu rủi ro cần được xây dựng để xác định chỉ số độ tin cậy cho phép cho từng khu vực cũng như từng cơ chế sự cố.
24
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
1. Đặng Quốc Tuấn, Phạm Quang Tú, Đỗ Anh Chung, Trịnh Minh Thụ.
“Nghiên cứu xói ngầm dưới nền đê bằng phương pháp đo sâu điện đa cực”.
Tạp chí Địa kỹ thuật, Số 3, trang 22-30, 2017.
2. Đặng Quốc Tuấn, Phạm Quang Tú. “Nguy cơ tràn đê sông Hồng trong bối
cảnh biến đổi khí hậu”. Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường. Số
58, trang 111-117, tháng 9/2017.
3. Tu, P. Q, Tuan D. Q, Ha N. V and Huong D. C (2016). Reliability - based
Assessment of the Red River dike of Hanoi, Vietnam. International Conference
on Geology and Geo-resources (GAG) (P222-226), Hanoi, ESASGD 2016.
4. Đặng Quốc Tuấn, Phạm Quang Tú, Đặng Công Hưởng, Trịnh Minh Thụ
“Nghiên cứu hiện tượng xói ngầm dưới nền đê bằng thí nghiệm mô hình vật lý
trong phòng”. Trường đại học Thủy lợi - Tuyển tập hội nghị Khoa học thường
niên năm 2016. Nhà xuất bản Xây dựng, trang 150-152, tháng 11/2016.
5. Tu P.Q, Tuan D.Q (2015). Reliability analysis of the Red River Levee of
Ha Noi, Viet Nam. Proceeding of annual conference on water resources year
2015 (P335-337), Thuy Loi University.
