Nghiên cứu đánh giá an toàn đê Hữu Hồng đoạn qua Hà Nội trong điều kiện biến đổi khí hậu

Hệ thống công trình phòng chống lũ có thể bao gồm các hồ chứa, hệ thống đê sông, kè bảo vệ bờ,… “Hệ thống nối tiếp serial system” là hệ thống được cấu thành từ các thành phần con và chú

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐÊ HỮU HỒNG ĐOẠN QUA HÀ NỘI TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

GS.TS Trịnh Minh Thụ

HÀ NỘI, NĂM 2017

i

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 dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định

Tác giả luận án

Đặng Quốc Tuấn

ii

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học là GS.TS Trịnh Minh Thụ và TS Phạm Quang Tú đã tận tình định hướng, chỉ bảo và theo sát tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Trường Đại học Thuỷ Lợi, phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ tác giả trong quá trình làm Luận án Tác giả xin cảm ơn các thầy cô trong Khoa Công trình, bộ môn Địa kỹ thuật, phòng Thí nghiệm Địa kỹ thuật của trường đại học Thủy Lợi đã dành nhiều thời gian công sức giúp đỡ tác giả hoàn thành Luận án Trong quá trình thực hiện Luận án, tác giả còn nhận được sự giúp đỡ về tin học của Thạc sĩ Nguyễn Văn Tuấn để giải quyết một số bài toán lý thuyết độ tin cậy Đồng thời tác giả cũng nhận được sự động viên và ủng hộ rất lớn về vật chất và tinh thần từ gia đình, bạn bè và đồng nghiệp Từ đáy lòng mình, tác giả xin gửi đến họ những lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VIII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU XII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ XIII DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG XVI

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Câu hỏi nghiên cứu 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5 Nội dung nghiên cứu 3

6 Phương pháp nghiên cứu 3

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

8 Cấu trúc luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU AN TOÀN ĐÊ TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 5

1.1 Hệ thống công trình phòng chống lũ bảo vệ vùng đồng bằng sông Hồng 5

1.1.1 Hệ thống hồ chứa thượng lưu 5

1.1.2 Hệ thống đê điều hạ lưu 7

1.2 Biến đổi khí hậu ở Việt Nam 15

1.2.1 Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng của IPCC 15

1.2.2 Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam 15

1.3 Tổng quan về nghiên cứu an toàn đê 17

1.3.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài 17

1.3.2 Các nghiên cứu về sự cố đê trong nước 22

1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án 26

1.4.1 Những vấn đề khoa học cần làm sáng tỏ 26

1.4.2 Định hướng nghiên cứu của luận án 28

1.5 Kết luận Chương 1 29

iv

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐÊ VÀ

GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH ĐÊ 30

2.1 Điều kiện biên thủy lực 30

2.1.1 Giới hạn lưu vực sông Hồng 30

2.1.2 Dòng chảy lũ 31

2.1.3 Sự thay đổi lòng dẫn và mực nước trên sông Hồng 31

2.1.4 Dòng chảy lũ sông Hồng khi xét đến ảnh hưởng của BĐKH 34

2.2 Điều kiện địa chất công trình và phân chia cấu trúc nền đê 37

2.2.1 Điều kiện địa chất công trình 37

2.2.2 Phân chia cấu trúc nền đê 39

2.2.3 Các kiểu cấu trúc nền đê đại diện 40

2.3 Điều kiện địa chất thủy văn 41

2.4 Đánh giá an toàn đê theo phương pháp truyền thống 42

2.4.1 Các tiêu chuẩn an toàn 42

2.4.2 Quy trình đánh giá an toàn 43

2.5 Đánh giá an toàn đê theo phương pháp lý thuyết độ tin cậy 44

2.5.1 Các khái niệm cơ bản 45

2.5.2 Hàm tin cậy và xác suất sự cố 46

2.5.3 Phân tích rủi ro và phân tích tối ưu 48

2.5.4 Các bất định trong địa kỹ thuật 48

2.5.5 Phân tích các số liệu đầu vào 49

2.5.6 Các cấp độ tính toán 50

2.5.7 Tính toán độ tin cậy theo cấp độ II 51

2.5.8 Tính toán độ tin cậy theo cấp độ III 52

2.5.9 Xác suất sự cố của hệ thống 53

2.5.10 Ảnh hưởng của hiệu ứng độ dài 55

2.5.11 Xác suất sự cố xảy ra ứng với một trận lũ cụ thể 57

v

2.5.12 Một số khác biệt khi đánh giá an toàn đê theo phương pháp truyền thống

và phương pháp lý thuyết độ tin cậy 57

2.6 Phương pháp thực nghiệm nghiên cứu xói ngầm dưới nền đê bằng mô hình vật lý trong phòng 58

2.6.1 Các khái niệm về xói ngầm 58

2.6.2 Ảnh hưởng của xói ngầm đến an toàn đê 59

2.6.3 Cơ sở xây dựng mô hình thí nghiệm thấm trong phòng 60

2.7 Các giải pháp nâng cao an toàn đê 62

2.7.1 Giải pháp tăng cường ổn định mái đê 62

2.7.2 Các giải pháp xử lý thấm 63

2.7.3 Các giải pháp xử lý lún 65

2.7.4 Các giải pháp phi công trình 66

2.7.5 Đề xuất giải pháp tăng cường ổn định đê 66

2.8 Nguyên lý rủi ro trong thiết kế công trình 66

2.9 Kết luận Chương 2 67

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XÓI NGẦM DƯỚI NỀN ĐÊ BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ TRONG PHÒNG 68

3.1 Đặt vấn đề 68

3.2 Thiết kế mô hình thí nghiệm 69

3.2.1 Tỷ lệ mô hình, ưu nhược điểm của mô hình thí nghiệm trong phòng 69

3.2.2 Kích thước mô hình 71

3.2.3 Vật liệu thí nghiệm 74

3.2.4 Mực nước thí nghiệm 74

3.3 Thí nghiệm thấm ngang 75

3.3.1 Mục đích thí nghiệm thấm ngang 75

3.3.2 Công tác chuẩn bị thí nghiệm thấm ngang 76

3.3.3 Trình tự tiến hành 76

3.3.4 Kết quả thí nghiệm thấm ngang 77

vi

3.3.5 Thảo luận về kết quả thí nghiệm thấm ngang 85

3.4 Thí nghiệm thấm đứng 86

3.4.1 Mục đích thí nghiệm thấm đứng 86

3.4.2 Công tác chuẩn bị thí nghiệm thấm đứng 86

3.4.3 Trình tự tiến hành thí nghiệm 87

3.4.4 Kết quả thí nghiệm thấm đứng 87

3.4.5 Thảo luận về kết quả thí nghiệm thấm đứng 89

3.5 Kết luận Chương 3 90

3.5.1 Thí nghiệm thấm ngang 90

3.5.2 Thí nghiệm thấm đứng 91

CHƯƠNG 4 ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐÊ SÔNG HỒNG TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 92

4.1 Đánh giá an toàn đê Hữu Hồng theo phương pháp truyền thống 92

4.1.1 Đánh giá an toàn của 17 đoạn đê 92

4.1.2 Đánh giá an toàn của 10 cống dưới đê 94

4.2 Phân tích độ tin cậy của hệ thống đê Hữu Hồng trong điều kiện BĐKH 95

4.2.1 Mô tả hệ thống 96

4.2.2 Xác suất sự cố của đoạn đê 97

4.2.3 Xác suất sự cố của hệ thống đê 115

4.3 Phân tích an toàn đê dưới trận lũ thiết kế trong bối cảnh BĐKH 119

4.3.1 Đặt vấn đề 119

4.3.2 Nghiên cứu trong phòng 119

4.3.3 Nghiên cứu hiện trường 120

4.3.4 Sự suy giảm và độ trễ thời gian của áp lực thấm 123

4.3.5 Thiết lập phương trình dự báo sự phát triển của chiều dài ống xói hiện trường 124

4.3.6 Phân tích ổn định cho đoạn đê điển hình 131

vii

4.4 Đề xuất giải pháp tăng cường ổn định đê Sen Chiểu theo nguyên lý rủi ro 132

4.4.1 Giới thiệu chung về vùng nghiên cứu 132

4.4.2 Rủi ro ngập lụt của vùng nghiên cứu 134

4.4.3 Lựa chọn giải pháp tối ưu tăng cường ổn định cho đoạn đê Sen Chiểu 139

4.5 Kết luận Chương 4 142

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 144

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 146

TÀI LIỆU THAM KHẢO 147

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 0.1 Sơ đồ trình bày cấu trúc của luận án 4

Hình 1.1 Sơ họa hệ thống hồ chứa thượng lưu và các nhánh sông chính của ĐBSH 5

Hình 1.2 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1915 đến 1945 8

Hình 1.3 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1945 đến 2000 10

Hình 1.4 Sơ họa hiện tượng đùn sủi ở hạ lưu đê 13

Hình 1.5 Gradient áp lực thấm thu được từ đùn sủi hiện trường nền đê Hữu Hồng 13

Hình 1.6 Đỉnh đê Hữu Hồng hiện trạng từ Km30+550 đến Km72+520 14

Hình 1.7 Đỉnh đê Hữu Hồng hiện trạng từ Km72+520 đến Km117+900 14

Hình 1.8 Biến đổi của bão và áp thấp nhiệt đới cuối thế kỷ so với thời kỳ cơ sở 16

Hình 1.9 Kịch bản nước biển dâng khu vực Biển Đông 16

Hình 1.10 NBD do BĐKH theo Ủy ban nghiên cứu về đồng bằng (2008) của Hà Lan 18

Hình 1.11 Thí nghiệm xói ngầm tại Đại học Florida, Mỹ năm 2000 20

Hình 1.12 Thí nghiệm xói ngầm tại đại học Okayama, Nhật Bản, năm 1987 21

Hình 2.1 Sơ họa vùng hạ du sông Hồng và sông Thái Bình 30

Hình 2.2 Đường quan hệ Q = f(H) thực đo tại trạm thủy văn Sơn Tây qua các năm 32

Hình 2.3 Đường quan hệ Q = f(H) thực đo tại trạm thủy văn Hà Nội qua các năm 32

Hình 2.4 Đường đáy sông thực đo tại trạm thủy văn Sơn Tây qua các năm 33

Hình 2.5 Đường đáy sông thực đo tại trạm thủy văn Hà Nội qua các năm 33

Hình 2.6 Sơ đồ tính toán dòng chảy lũ hệ thống sông Hồng 34

Hình 2.7 Quá trình mực nước lũ tại Sơn Tây 35

Hình 2.8 Quá trình mực nước lũ tại Hà Nội 35

Hình 2.9 Mực nước lớn nhất sông Hồng từ Km31 đến Km73 36

Hình 2.10 Mực nước lớn nhất sông Hồng từ Km73 đến Km128 36

Hình 2.11 Phân đoạn đê Hữu Hồng với mức độ nguy hiểm về thấm khác nhau 40

Hình 2.12 Cắt dọc địa tầng nền đê Hữu Hồng từ Sơn Tây đến Phú Xuyên 41

Hình 2.13 Các kiểu mô hình nền đê Hữu Hồng từ Sơn Tây đến Phú Xuyên 41

Hình 2.14 Sơ đồ các bước đánh giá ATĐ theo phương pháp truyền thống 44

Hình 2.15 Sơ đồ các bước đánh giá ATĐ theo phương pháp LTĐTC 45

Hình 2.16 Hàm tin cậy biểu diễn trong mặt phẳng (RL) 47

ix

Hình 2.17 Các loại bất định trong địa kỹ thuật 48

Hình 2.18 Xác suất phá hỏng của một hệ thống nối tiếp với các cận khác nhau, theo Vrijling và Van Gelder 54

Hình 2.19 Quan hệ giữa β yêu cầu và chiều dài của hệ thống, theo Lopez De La Cruz 56

Hình 2.20 Các giai đoạn phá hủy do BDT dưới nền đê 59

Hình 2.21 Phản áp tăng cường ổn định mái đê 63

Hình 2.22 Giải pháp sân phủ chống thấm 63

Hình 2.23 Giải pháp lăng trụ thoát nước hạ lưu 64

Hình 2.24 Sơ đồ giếng giảm áp 64

Hình 2.25 Sơ đồ tường chống thấm 65

Hình 2.26 Xử lý lún bằng cọc xi măng đất 65

Hình 2.27 Các bước phân tích rủi ro 67

Hình 3.1 Thống kê một số sự cố vỡ đê sông điển hình 69

Hình 3.2 Mặt cắt ngang đê Sen Chiểu (Km32+395) 70

Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo mô hình thí nghiệm 71

Hình 3.4 Mô hình thí nghiệm thấm ngang 72

Hình 3.5 Mô hình thí nghiệm thấm đứng 72

Hình 3.6 Đường lũ lên chu kỳ 500 năm (kịch bản RCP4.5_2030_500_BL) 75

Hình 3.7 Đường dâng nước thí nghiệm thấm trong phòng 75

Hình 3.8 Quá trình phát triển của ống xói 77

Hình 3.9 Sơ đồ ống xói hình thành do biến dạng thấm từ thí nghiệm thấm ngang 78

Hình 3.10 Biểu đồ (ΔH-T) cát Sen Chiểu 79

Hình 3.11 Biểu đồ ΔH  T cát Hoàng Mai 79

Hình 3.12 Biểu đồ (Lx-T) cát xốp Sen Chiểu 80

Hình 3.13 Biểu đồ (Lx-T) cát xốp Hoàng Mai 80

Hình 3.14 Biểu đồ (Lx-T) cát chặt vừa Sen Chiểu 80

Hình 3.15 Biểu đồ Lx-T cát chặt vừa Hoàng Mai 81

Hình 3.16 Biểu đồ Lx-T cát chặt Sen Chiểu 81

Hình 3.17 Biểu đồ Lx-T cát chặt Hoàng Mai 81

Hình 3.18 Biểu đồ (Lx  T) cát Sen Chiểu 82

Hình 3.19 Biểu đồ (Lx  T) cát Hoàng Mai 82

Hình 3.20 Sơ họa các giai đoạn phát triển của BDT 84

x

Hình 3.21 Diễn biến của quá trình thấm đứng 87

Hình 3.22 Tương quan (ΔH  T) và (J  T) của cát xốp Sen Chiểu 88

Hình 3.23 Tương quan (ΔH  T) và (J  T) của cát chặt vừa Sen Chiểu 89

Hình 3.24 Tương quan (ΔH  T) và (J  T) của cát chặt Sen Chiểu 89

Hình 4.1 Gradient áp lực thấm J và [J] của 17 đoạn đê Hữu Hồng 93

Hình 4.2 Hệ số ổn định mái Kmin min và [K] tương ứng của 17 đoạn đê Hữu Hồng 93

Hình 4.3 Mực nước lớn nhất sông Hồng từ Km31 đến Km73 94

Hình 4.4 Mực nước lớn nhất sông Hồng từ Km73 đến Km128 94

Hình 4.5 Sơ họa tuyến đê Hữu Hồng địa phận Hà Nội 96

Hình 4.6 Cây sự cố của hệ thống phòng chống lũ đồng bằng sông Hồng 97

Hình 4.7 Cây sự cố tuyến đê Hữu Hồng, Hà Nội 97

Hình 4.8 Cây sự cố của một đoạn đê 98

Hình 4.9 Cây sự cố của đê 98

Hình 4.10 Cây sự cố của cống 99

Hình 4.11 Sơ họa sự cố nước lũ tràn đỉnh đê 100

Hình 4.12 Minh họa hiện tượng đẩy bục và xói ngầm ở nền đê 101

Hình 4.13 Minh họa hiện tượng trượt mái đê 103

Hình 4.14 Tỷ lệ ảnh hưởng của các BNN đến sự cố lũ tràn đỉnh đê (đoạn 1) 107

Hình 4.15 Ảnh hưởng của các BNN đến sự cố bục tầng phủ hạ lưu đê (đoạn 1) 108

Hình 4.16 Ảnh hưởng của các BNN đến sự cố xói ngầm dưới nền đê (đoạn 1) 109

Hình 4.17 Nội suy giữa chỉ số độ tin cậy β và mực nước H, theo GeoDelft 110

Hình 4.18 Ảnh hưởng của các BNN đến sự cố đẩy bục lớp gia cố hạ lưu cống 113

Hình 4.19 Ảnh hưởng của các BNN đến xác suất sự cố xói ngầm dưới nền cống 114

Hình 4.20 Ảnh hưởng của các BNN đến sự cố nền cống mất khả năng chịu tải 115

Hình 4.21 Sơ đồ đường xói phát triển theo thời gian 119

Hình 4.22 Sự suy giảm của chiều dài đường thấm và phát triển của chiều dài ống xói theo thời gian ứng với một trận lũ 120

Hình 4.23 Dòng chảy trong tầng cát dưới nền đê trong mùa lũ và mùa khô 121

Hình 4.24 Sơ đồ tuyến khảo sát địa vật lý đoạn đê Sen Chiểu (Km32+322÷Km32+512) 121

Hình 4.25 Vị trí các tuyến khảo sát 122

Hình 4.26 Kết quả khảo sát tại tuyến đo T1 122

xi

Hình 4.27 Kết quả khảo sát tại tuyến đo T2 122

Hình 4.28 Kết quả khảo sát tại tuyến đo T3 122

Hình 4.29 Hình ảnh 3D mô phỏng các vùng xốp cục bộ dưới nền đê 123

Hình 4.30 Sự suy giảm và độ trễ thời gian của áp lực nước 124

Hình 4.31 Tương quan giữa chiều dài ống xói và chênh cao áp lực 125

Hình 4.32 Đùn sủi dẫn đến vỡ đê Vân Cốc 127

Hình 4.33 Phân bố xác sất của hệ số  dự báo chiều dài ống xói dưới nền đê Vân Cốc 129

Hình 4.34 Sơ họa mặt cắt ngang đê Sen Chiểu 129

Hình 4.35 Đường quá trình mực nước lũ tần suất 1/500 năm điển hình tại Sơn Tây có xét đến ảnh hưởng của BĐKH 130

Hình 4.36 Phân bố xác suất của hệ số nền tại khu vực Sen Chiểu, Phương Độ 130

Hình 4.37 Sự biến đổi của các tham số dưới một trận lũ 131

Hình 4.38 Chiều dài đường thấm suy giảm theo thời gian và xác suất sự cố xói ngầm 131

Hình 4.39 Phạm vi vùng nghiên cứu rủi ro 133

Hình 4.40 Bản đồ mô hình số độ cao vùng nghiên cứu 136

Hình 4.41 Bản đồ vùng nghiên cứu, một số diện tích bị ngập sâu 1m 136

Hình 4.42 Bản đồ vùng nghiên cứu, một số diện tích bị ngập sâu 3m 136

Hình 4.43 Bản đồ vùng nghiên cứu, một số diện tích bị ngập sâu 5m 137

Hình 4.44 Đường cong tỷ lệ thiệt hại theo độ ngập sâu của từng loại đất 138

Hình 4.45 Đường cong mức độ thiệt hại theo độ ngập sâu của từng loại đất 138

Hình 4.46 Giá trị tổng thiệt hại ứng với các độ ngập sâu 139

Hình 4.47 Sơ họa bố trí hào thu nước ở hạ lưu đê 139

Hình 4.48 Đường cong tổng chi phí vùng nghiên cứu 141

xii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Dung tích phòng lũ và mực nước khống chế ở Hà Nội của các hồ 7

Bảng 2.1 Kết quả phân chia CTN đê theo khả năng phát sinh BDT 40

Bảng 3.1 Đặc trưng cơ lý của mẫu cát sử dụng trong mô hình thí nghiệm 74

Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả mô hình thấm ngang 85

Bảng 4.1 Một số thông số chính của các cống dưới đê Hữu Hồng 95

Bảng 4.2 Gradient thấm (J) và gradient thấm cho phép [J] của các cống dưới đê 95

Bảng 4.3 Tổng hợp kết quả tính toán xác suất lũ tràn đỉnh đê 106

Bảng 4.4 Kết quả tính toán đẩy bục tầng phủ hạ lưu 107

Bảng 4.5 Kết quả tính toán xác suất xói ngầm dưới nền đê 108

Bảng 4.6 Kết quả tính toán xác suất trượt mái đê với phân bố ngẫu nhiên của mực nước lũ 110

Bảng 4.7 Xác suất tràn đỉnh cống 111

Bảng 4.8 Xác suất xảy ra sự cố đẩy bục ở hạ lưu cống 112

Bảng 4.9 Xác suất xảy ra xói ngầm dưới nền cống 113

Bảng 4.10 Xác suất xảy ra sự cố nền cống không đủ khả năng chịu tải 114

Bảng 4.11 Tổng xác suất sự cố của các đoạn đê và của cả hệ thống 116

Bảng 4.12 Tổng hợp kết quả tính xác suất sự cố của đê khi xét đến hiệu ứng chiều dài 118

Bảng 4.13 Tổng hợp các tham số tương quan giữa Lxt và H 126

Bảng 4.14 Các tham số đầu vào hiệu chỉnh mô hình dự báo xói ngầm qua trận vỡ đê Vân Cốc năm 1986 128

Bảng 4.15 Hiện trạng sử dụng đất năm 2016 huyện Phúc Thọ 134

Bảng 4.16 Thiệt hại lớn nhất cho một đơn vị sử dụng đất 137

Bảng 4.17 Tổng hợp chi phí đầu tư xây dựng hào thu nước 140

Bảng 4.18 Tổng hợp kết quả tính xác suất sự cố đoạn đê 2 (Sen Chiểu) 140

Bảng 4.19 Kết quả xác định đường cong tổng thiệt hại của vùng nghiên cứu 141

BĐKH: Biến Đổi Khí Hậu

BNN: Biến Ngẫu Nhiên

CTN: Cấu Trúc Nền

ĐBSH: Đồng Bằng Sông Hồng

IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change (Ủy ban Liên chính phủ về

Biến đổi khí hậu)

LTĐTC: Lý Thuyết Độ Tin Cậy

MNDBT: Mực nước dâng bình thường

MNDGC: Mực Nước Dâng Gia Cường

NBD: Nước Biển Dâng

QT1622: Quy Trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng, ban

hành theo Quyết định số 1622/QĐ-TTg ngày 17/9/2015 của Thủ tướng Chính Phủ

QTVH: Quy Trình Vận Hành

RCP: Representative Concentration Pathways (đường phân bố nồng độ khí

nhà kính đại diện)

2 Các thuật ngữ

“Đoạn đê (dike stretch)” là thành phần được coi như tương đối độc lập trong hệ

thống đê (ở đây là đê Hữu Hồng), được phân chia theo địa tầng và các sự cố đã xảy ra trong quá khứ Các đoạn đê này kết nối với nhau tạo thành hệ thống công trình phòng chống lũ

“Hệ thống (system)” là tập hợp nhiều phần tử (thành phần) có chung mục đích và

chức năng Hệ thống thường có một chức năng nhất định

xiv

“Hệ thống công trình phòng chống lũ (flood defence system)” là các công trình

cùng phối hợp làm nhiệm vụ điều tiết, ngăn lũ chống ngập lụt cho vùng được bảo vệ

Hệ thống công trình phòng chống lũ có thể bao gồm các hồ chứa, hệ thống đê sông, kè bảo vệ bờ,…

“Hệ thống nối tiếp (serial system)” là hệ thống được cấu thành từ các thành phần con

và chúng được liên kết với nhau, trong đó có ít nhất một thành phần con thuộc hệ thống gặp sự cố sẽ dẫn đến sự cố toàn bộ hệ thống

“Hệ thống song song (parallel system)” là hệ thống có các thành phần con được liên

kết với nhau, bổ trợ cho nhau, chỉ khi tất cả các thành phần con gặp sự cố mới dẫn đến

sự cố của cả hệ thống

“Sự cố (failure)” là khái niệm diễn tả các đối tượng không hoạt động theo đúng các

chức năng ban đầu, có thể dẫn tới hư hỏng và phá hủy

“Cơ chế sự cố (failure mechanism)” là quá trình dẫn đến sự cố của một hạng mục

công trình, cơ chế sự cố được biểu diễn thông qua hàm trạng thái giới hạn

“Trạng thái giới hạn (limit state)” là trạng thái ngay trước khi xảy ra sự cố, chỉ vượt

qua một tác động rất nhỏ của ngoại lực hoặc sự suy giảm rất nhỏ của sức kháng, sự cố

sẽ diễn ra

“Hàm tin cậy (limit state function)” là phương trình toán học mô phỏng một cơ chế

sự cố bất kỳ và được thiết lập dựa trên trạng thái giới hạn của chính cơ chế đó

“Xác suất sự cố (probability of failure - P f )” là khả năng xảy ra sự cố của một cơ chế

sự cố, một thành phần con hay toàn bộ hệ thống (thành phần chính) được tính theo nguyên lý xác suất

“Chỉ số độ tin cậy β (reliability index)” là chỉ số phản ánh mức độ an toàn của một

thành phần công trình hay một hệ thống Quan hệ giữa Pf và β được thể hiện bằng phương trình: Pf = (-β)

“Xác suất an toàn ” chính là phần bù của xác suất sự cố: Ps = 1 - Pf (về mặt toán học)

“Tần suất thiết kế (design frequency)” là tần suất xảy ra lưu lượng và mực nước

thiết kế (tải trọng thiết kế) được quy định trong các Tiêu chuẩn an toàn hiện hành hoặc được đề xuất trong quá trình nghiên cứu

xv

“Tiêu chuẩn an toàn (safety standard)” là giá trị tần suất thiết kế hoặc độ tin cậy

mục tiêu được xác định bằng phương pháp phân tích rủi ro và LTĐTC của một hệ thống công trình phòng chống lũ Tiêu chuẩn an toàn được đề xuất hoặc do cơ quan quản lý có thẩm quyền ban hành

“Rủi ro (risk)” là sự cố không mong muốn xảy ra trong không gian và thời gian nhất

định và được xác định bằng hàm số của xác suất sự cố và hậu quả do sự cố đó gây ra

“Rủi ro chấp nhận (acceptable risk)” là giá trị rủi ro tương ứng độ tin cậy yêu cầu

được xác định bằng phương pháp phân tích rủi ro của hệ thống công trình phòng chống lũ Độ tin cậy yêu cầu tương ứng với giá trị rủi ro được chấp nhận chính là Độ tin cậy hợp lý của hệ thống phòng chống lũ đang xem xét;

“Hàm thiệt hại (damage function)” là hàm số thể hiện quan hệ giữa mức độ thiệt hại

của từng loại diện tích sử dụng đất của vùng được bảo vệ theo chiều sâu ngập lụt Hàm thiệt hại cũng có thể biểu diễn dưới dạng đồ thị, khi đó còn được gọi là đường cong thiệt hại

“Bản đồ ngập lụt (flood map)” là bản đồ thể hiện phân bố sâu ngập lụt của vùng

được hệ thống công trình phòng chống lũ bảo vệ

“Bản đồ thiệt hại (damage map)” là bản đồ thể hiện mức độ thiệt hại của vùng được

bảo vệ

“Vùng được bảo vệ (protected region)” là vùng được bao bọc bởi hệ thống công

trình phòng chống lũ Trong trường hợp hệ thống công trình phòng chống lũ gặp sự cố, vùng được bảo vệ sẽ bị ngập lụt

xvi

DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG

H: Chênh cao cột nước thượng lưu và hạ lưu đê

Φ(): Giá trị hàm xác suất tích lũy theo phân phối chuẩn tại giá trị 

αi: Hệ số ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên Xi tới hàm tin cậy Z

fRL: Hàm mật độ xác suất của Z

FR(hw): Hàm phân phối tích lũy của sức kháng

fL(hw): Hàm mật độ xác suất của tải trọng

PfLi: Xác suất sự cố của đoạn đê có chiều dài Li

Pfsec_i: Xác suất sự cố của đoạn đê thứ i

xvii

li: Chiều dài dự kiến bị phá hoại

Pfsys: Xác suất sự cố của toàn bộ hệ thống

Pfsec_i: Xác suất sự cố của mặt cắt ngang i

: Hệ số mô hình trong bài toán xói ngầm theo thời gian

Lcđ: chiều rộng chân đê

s: Khối lượng riêng hạt

emax: Hệ số rỗng lớn nhất

emin: Hệ số rỗng nhỏ nhất

Jcực hạn: Gradient tại thời điểm ống xói hình thành hoàn chỉnh, thông suốt từ hạ

lưu đến thượng lưu miền thấm

ts: Thời điểm quan sát thấy ống xói bắt đầu hình thành ở hạ lưu của miền

thấm

L0: Chiều dài ban đầu của miền thấm

Lx,t: Chiều dài ống xói phát triển theo thời gian

Lt: Chiều dài còn lại của miền thấm

t1: Thời điểm quan sát thấy cát bắt đầu dịch chuyển

t2: Thời điểm quan sát thấy ống xói đạt chiều dài Lx-gh

tf: Thời điểm quan sát ống xói hoàn chỉnh nối thông từ hạ lưu đến thượng

lưu

ZTL: Cao trình mực nước thượng lưu

HTL: Cột nước thượng lưu

ZTL: Cao trình mực nước thượng lưu

Zcd: Cao trình chân đê thượng lưu

xviii

Lg: Đà gió được lấy theo phương vuông góc với đê

Kw: Hệ số phụ thuộc vào vận tốc gió

ρbh: Khối lượng đơn vị bão hòa của lớp đất nền

ρw: Khối lượng đơn vị của nước

Erfc: Hàm bù của erf (error function)

mp: Hệ số mô hình (các bài toán thông thường)

Hc: Cột nước tới hạn gây ra hiện tượng xói ngầm

D70: Đường kính hạt mà tỷ lệ lọt sàng chiếm tỉ lệ 70%

D: Chiều dày tầng chứa nước (tầng cát dưới nền đê)

FS: Hệ số an toàn của mái đê

Zđđ: Cao trình đỉnh cống

ρbt: Khối lượng riêng của vật liệu gia cố hạ lưu cống

ρdn: Khối lượng riêng đẩy nổi của cát

tss: Bề dày lớp gia cố sân sau

Sd: Chiều cao cột đất từ chân khay tới lớp gia cố

Ttrễ: Là độ trễ thời gian tính từ thời điểm lũ đạt đỉnh đến thời điểm đê vỡ

Lx_ht: Chiều dài ống xói ngoài hiện trường

Lx_tn: Chiều dài ống xói trong phòng thí nghiệm

1

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 thuộc miền Bắc Việt Nam, bao gồm 10 tỉnh và thành phố: Hà Nội, Bắc Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Hải Phòng, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình và Vĩnh Phúc Đây là vùng kinh tế, chính trị quan trọng của đất nước, trong đó có thủ đô Hà Nội

Lũ lụt là một trong những thiên tai lớn ở Việt Nam, nhất là ở miền Bắc vì tổn thất do ngập lụt gây ra rất lớn Trận lũ lịch sử năm 1971 do vỡ đê sông Hồng (được liệt kê trong danh sách các trận lụt lớn nhất thế kỷ 20 của Cơ quan Quản trị Hải dương và Khí tượngHoa Kỳ) đã gây ra thiệt hại và để lại hậu quả rất lớn, phải khắc phục trong nhiều năm sau đó

Biến đổi khí hậu (BĐKH) là nguy cơ hiện hữu, ngày càng có biểu hiện rõ nét và tác động trực tiếp đến các công trình hạ tầng kỹ thuật đặc biệt là các công trình phòng chống lũ Hệ thống công trình phòng chống lũ trên ĐBSH cũng nằm chung trong bối cảnh đó: mưa lũ bất thường trên thượng nguồn gây bất lợi cho các hồ chứa trong công tác vận hành cắt lũ cho hạ du; bão dị thường và sự ấm lên toàn cầu khiến mực nước biển dâng cao, ảnh hưởng đến việc thoát lũ trên hệ thống sông Tổ hợp những bất lợi trên theo thời gian càng làm tăng áp lực cho hệ thống đê sông, đe dọa đến an toàn đê

và các công trình trên đê trong mùa mưa lũ

Hệ thống công trình phòng chống lũ, bảo vệ cho vùng châu thổ sông Hồng ngoài các

hồ chứa ở thượng nguồn và các công trình chống lũ khác còn có hệ thống đê sông Hồng, sông Thái Bình với tổng chiều dài khoảng 3.000km, được xây dựng qua nhiều thời kỳ khác nhau Theo đó, các tuyến đê ngày càng được tôn cao, mở rộng và nối dài tạo thành hệ thống công trình phòng lũ có thể chống được những trận lũ lớn hơn, bảo

vệ cho cả vùng rộng lớn của đồng bằng châu thổ Do thân đê được tôn cao, áp trúc nhiều lần để chống lũ tràn nhưng riêng nền đê từ khi hình thành cho đến ngày nay hầu như chưa được xử lý Mỗi khi có lũ lớn, những đoạn đê có nền xấu thường xuất hiện các sự cố, nhiều nơi lặp đi lặp lại với quy mô và mức độ khác nhau Sau hòa bình lập

2

lại, hệ thống công trình phòng chống lũ trên lưu vực sông Hồng luôn được Nhà nước quan tâm, đầu tư cải tạo, nâng cấp, đến nay đã tạo ra được một hạ tầng công trình phòng chống lũ vững chắc, bảo vệ an toàn cho ĐBSH trong các trận lũ lớn đã xảy ra với mức bảo đảm an toàn ngày càng được nâng cao Giai đoạn trước 1954, mức đảm bảo chống lũ của hệ thống đê lưu vực sông Hồng tương ứng trận lũ có chu kỳ lặp lại 25÷50 năm, sau đó nâng cao đến lũ chu kỳ 125 năm giai đoạn 1990; lũ chu kỳ 500 năm cho khu vực nội thành Hà Nội và 300 năm cho các khu vực khác hiện nay Hiện tại, công tác phòng chống lũ lụt và hệ thống đê điều trên lưu vực đang đứng trước những thuận lợi và khó khăn, thách thức cần được xem xét, nghiên cứu, cụ thể:

Về mặt thuận lợi: hệ thống hồ chứa lớn (Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên

Quang) trên thượng nguồn, được xây dựng gần như hoàn chỉnh, hệ thống đê điều ở hạ lưu đã và đang được củng cố, nâng cấp nhằm nâng cao mức đảm bảo phòng chống lũ cho vùng được bảo vệ Khả năng dự báo lũ trong ngắn hạn và dài hạn ngày càng được cải thiện về độ chính xác nhờ sự hỗ trợ của khoa học công nghệ [1] Bên cạnh đó, nhận thức của xã hội về tầm quan trọng của hệ thống công trình phòng lũ ngày càng nâng cao, từ lĩnh vực nghiên cứu, quản lý nhà nước cũng như trong thực tế vận hành và khai thác các công trình phòng lũ

Các thách thức: BĐKH đang tạo ra nhiều hình thái thời tiết cực đoan, lũ lớn trái mùa

có thể xảy ra 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 cho hệ thống công trình phòng chống lũ Ngoài ra, hệ thống đê cũng luôn tiềm ẩn nhiều nguy cơ mất an toàn trong mùa mưa lũ, nhất là khi lũ lớn xảy ra và duy trì dài ngày, kinh phí nâng cấp, cải tạo còn chưa đáp ứng đầy đủ

Trước thực trạng trên, việc nghiên cứu cơ sở khoa học 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

3 Câu hỏi nghiên cứu

Dựa trên mục tiêu nghiên cứu 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?

4 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 (từ Sơn Tây đến Phú Xuyên) với điều kiện địa chất và điều kiện biên thủy lực có xét đến tác động của BĐKH

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 (không xét sự cố do kết cấu phía trên) theo các kịch bản BĐKH và NBD cập nhật đến năm 2016

5 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?

6 Phương pháp nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, các phương pháp sau được sử dụng, vận dụng: (i) Phương pháp

kế thừa (các kết quả nghiên cứu, giải pháp công nghệ đã có trước đây); (ii) Phương pháp chuyên gia thông qua các hội thảo khoa học, thảo luận; (iii) Phương pháp tổng hợp, thống kê, phân tích, xử lý các số liệu cơ bản đã có, các số liệu thực đo cho nghiên

4

cứu và đặc điểm điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu; (iv) Phương pháp sử dụng các

mô hình số để tính toán, mô phỏng an toàn hệ thống đê theo các mô hình địa kỹ thuật như: Geo-Studio 2016; (v) Phương pháp thí nghiệm trong phòng bằng mô hình vật lý

nghiên cứu hiện tượng xói ngầm dưới nền đê

7 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

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU AN TOÀN ĐÊ TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

1.1 Hệ thống công trình phòng chống lũ bảo vệ vùng đồng bằng sông Hồng

Hệ thống công trình phòng chống lũ bảo vệ cho vùng đồng bằng sông Hồng ngoài các

hồ chứa ở thượng nguồn và các công trình chống lũ khác còn có hệ thống đê sông và các cống dưới đê với tổng chiều dài các tuyến đê khoảng 3.000 km Hiện nay, hệ thống

hồ chứa thượng lưu đã được xây dựng tương đối hoàn chỉnh, hệ thống đê hạ lưu cũng được đầu tư cải tạo, nâng cấp bằng nhiều nguồn vốn khác nhau nhằm nâng cao an toàn chống lũ, vững vàng bảo vệ cho vùng kinh tế chính trị quan trọng của đất nước trước những trận lũ lớn có thể xảy ra Hình 1.1 sơ họa hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình cùng một số hồ chứa lớn trên thượng lưu

Hình 1.1 Sơ họa hệ thống hồ chứa thượng lưu và các nhánh sông chính của ĐBSH

1.1.1 Hệ thống hồ chứa thượng lưu

1.1.1.1 Các hồ chứa trên các sông chính của hệ thống sông Hồng

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 chưa đầy đủ, trên lưu vực hiện nay có khoảng 53 hồ lớn nhỏ trong trạng thái đã vận hành, đang xây dựng và quy hoạch [2] Đặc biệt, trên các dòng sông chính có 05 hồ chứa lớn đa mục tiêu đã được xây dựng và vận hành, đó là:

6

- Hồ chứa Thác Bà (trên sông Chảy): cao trình mực nước dâng bình thường (MNDBT) +58 m; cao trình mực nước dâng gia cường (MNDGC) +61,0 m; dung tích phòng lũ cho hạ du 0,45 tỷ m3

- Hồ chứa Hòa Bình (trên sông Đà): cao trình MNDBT +117 m; cao trình MNDGC +122,0 m; dung tích phòng lũ cho hạ du 2,9 tỷ m3

- Hồ chứa Tuyên Quang (trên sông Gâm): cao trình MNDBT +120,0 m; cao trình MNDGC +122,55 m; dung tích phòng lũ cho hạ du 1,0 tỷ m3

- Hồ chứa Sơn La (trên sông Đà): cao trình MNDBT +215,0 m; cao trình MNDGC +217,83 m; dung tích phòng lũ cho hạ du (kết hợp với hồ Hòa Bình) 7,0 tỷ m3

- Hồ chứa Lai Châu (trên sông Đà): cao trình MNDBT +295,0m; mực nước lớn nhất

thiết kế 297,0 m;

Các hồ lớn trên dòng chính sông Hồng đều là các hồ chứa đa mục tiêu (chống lũ cho

hạ du, phát điện, cấp nước,…) Tổng dung tích chống lũ cho hạ du của bậc thang sông

Đà là 7,0 tỷ m3 và hệ thống sông Lô, Gâm là 1,45 tỷ m3

1.1.1.2 Nhiệm vụ chống lũ của hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hồng

Việc đảm bảo chống lũ cho hạ du phụ thuộc vào vận hành của các hồ chứa thượng nguồn và năng lực của hệ thống đê hạ lưu Đã có nhiều quy định liên quan của Nhà nước về quy trình vận hành (QTVH) của các hồ chứa cũng như mức đảm bảo an toàn cho hệ thống đê sông Hồng được ban hành ở các giai đoạn khác nhau như ở [3, 4] Gần đây nhất, ngày 18/02/2016, Chính phủ đã có Quyết định số 257/2016/QĐ-TTg, Phê duyệt quy hoạch phòng chống lũ và quy hoạch đê điều hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình [5], trong đó quy định về mức đảm bảo an toàn của hệ thống đê sông Hồng

và giải pháp điều tiết lũ của các hồ chứa lớn trên lưu vực

Để đảm bảo an toàn cho hệ thống đê hạ lưu, đặc biệt là hệ thống đê sông Hồng bảo vệ thủ đô Hà Nội, Thủ tướng chính phủ đã có Quyết định số 1622/QĐ-TTg ngày 17/9/2015 về việc ban hành QTVH liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng [6] (sau đây gọi tắt là QT1622) Theo đó, hệ thống hồ chứa thượng lưu phải phân chia các thành phần dung tích và mực nước tương ứng (xem Bảng 1.1) để vận hành tích nước, điều

kỳ lặp lại 300 năm và +13,40 m tương ứng với lũ chu kỳ 500 năm tại Sơn Tây

Bảng 1.1 Dung tích phòng lũ và mực nước khống chế ở Hà Nội của các hồ [6]

(1) Thời kỳ phong kiến

Các triều đại phong kiến Việt Nam ở các giai đoạn và thời kỳ khác nhau luôn phải đối phó đồng thời với giặc ngoại xâm và lũ lụt Vấn đề trị thủy luôn được chính quyền phong kiến quan tâm1, hàng năm thường huy động sức dân, ngân khố và cử ra các quan lại phụ trách công tác đắp và tu bổ đê Những con đê có quy mô lớn bắt đầu được hình thành dưới triều nhà Lý (năm 1077), trong đó có đê sông Như Nguyệt (sông Cầu) dài khoảng 30 km Năm Mậu Tý (1108), con đê đầu tiên của sông Hồng được đắp ở phường Cơ Xá (từ Nghi Tàm đến Thanh Trì) để bảo vệ kinh thành Thăng Long Đến triều nhà Trần, năm 1248 mực nước sông Hồng lên cao gây vỡ đê, vua Trần Thái Tông

đã ra lệnh cho các tỉnh ở hai bên sông Hồng từ thượng nguồn ra tới biển phải đắp đê chống lũ Từ đó, việc đắp đê càng được chú trọng Ngoài các tuyến đê sông lớn như sông Hồng, các tuyến đê sông khác như sông Đuống, sông Đà, vẫn tiếp tục được xây dựng và nâng cấp để chống các trận lũ lớn hàng năm Các triều đại sau này mặc dù có

1 Thủy - Hỏa - Đạo - Tặc luôn là bốn nguy cơ thường trực trong xã hội phong kiến và lũ lụt được xếp hàng đầu

tế việc đầu tư của người Pháp cho lĩnh vực đê điều ít có hiệu quả Ở Hà Nội, từ năm

1905 đến 1945 đã xảy ra vỡ đê trong 10 năm và có 25 đoạn đê bị vỡ Hình 1.2 minh họa cho các giai đoạn đắp nâng cao và mở rộng mặt cắt ngang đê Hà Nội từ năm 1915 đến năm 1945

Hình 1.2 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1915 đến 1945

Từ Hình 1.2 có thể thấy: trước năm 1915, đê còn thấp nên chỉ chống được những trận

lũ nhỏ Sau trận lũ gây vỡ đê năm 1915, đê được đắp tôn cao và mở rộng dần, đến năm

1945 đê Hà Nội có thể chống được lũ với cao trình mực nước lớn nhất là +12,00 m

(3) Sau cách mạng tháng 8 năm 1945 đến nay

 Giai đoạn 1945 đến 1954:

Trong 09 năm kháng chiến chống Pháp, Nhà nước ta luôn chú trọng công tác phòng chống lũ lụt Trước tiên là phải khắc phục hậu quả của các trận vỡ đê năm 1945, tiếp tục củng cố dần các tuyến đê xung yếu [7] Giai đoạn này, ghi nhận việc củng cố mở rộng các tuyến đê thuộc địa bàn các huyện: Thanh Trì; Từ Liêm; Gia Lâm Tuy nhiên

hệ thống đê sông Hồng thời điểm này được đánh giá chỉ chống được lũ với mực nước tại Hà Nội là +12,00 m

9

 Giai đoạn 1954 đến 1965:

Sau khi tiếp quản thủ đô tháng 10/1954, Nhà nước xã hội chủ nghĩa tiếp tục công cuộc cải tạo, nâng cấp hệ thống đê điều vùng đồng bằng Bắc Bộ Ngoài các tuyến đê chính thì nhiều tuyến đê bối, đê bao được xây dựng Sau năm 1961, hệ thống đê điều thành phố Hà Nội tăng lên khoảng 110 km, trong đó có 16 đoạn kè quan trọng và 16 cống các loại trên

đê được đầu tư Tuy nhiên, sau nhiều năm lũ nhỏ thì đến năm 1964 có lũ lớn (+11,70m) vượt báo động III, đê Hà Nội bộc lộ nhiều khuyết tật, nhiều đoạn bị đùn sủi đe dọa đến an toàn đê, điển hình là các đoạn thuộc Đổng Viên (Gia Lâm), Nhật Tân, Phú Thượng, Nghi Tàm (Từ Liêm), đê Bùng (Thanh Trì),… Công tác ứng cứu, xử lý được thực hiện ngay trong mùa lũ, khi lũ rút các đoạn đê này tiếp tục được quan tâm củng cố [7]

 Giai đoạn 1965 đến 1974:

Mặc dù trong điều kiện khó khăn của chiến tranh nhưng giai đoạn này, đã có nhiều tuyến đê được củng cố, nâng cấp, mở rộng Tuy nhiên, đã xảy ra các trận lũ lớn ở các năm 1968; 1969 (+13,20 m); 1970 (+12,05 m) và lũ lịch sử năm 1971 (hoàn nguyên: +14,13 m) [7, 8] Tháng 7/1971, mưa thượng nguồn diễn ra liên tục khoảng một tháng,

lũ trên báo động III trở lên kéo dài 13 ngày đêm Nhiều đoạn đê bị ngâm nước lâu ngày đã có hiện tượng bùng nhùng, đùn sủi diễn ra ở nhiều nơi, nhiều đoạn có nguy cơ

bị nước lũ tràn đỉnh, hiện tượng trượt mái hạ lưu đã diễn ra ở nhiều vị trí và đã phải cấp tốc vá đê Khi lũ bắt đầu rút xuống được khoảng 40 cm thì đoạn đê Cống Thôn (Gia Lâm) bị vỡ, sau vài ngày đoạn vỡ mở rộng tới 800 m đã gây ra hậu quả rất nghiêm trọng [8] Việc khắc phục hậu quả của trận lũ lịch sử năm 1971 là vô cùng gian nan và tốn kém Thành phố Hà Nội cho tôn cao đắp rộng biến những đoạn trước đây có con trạch thành đê rộng 6 m như đoạn đê Từ Liêm; đoạn Thanh Trì, Đông Anh, Gia Lâm cũng được tích cực tu bổ, củng cố, mở rộng

 Giai đoạn từ 1975 đến 2000:

Sau trận lũ lịch sử năm 1971 gây tổn thất lớn cho miền Bắc, quy hoạch phòng chống lũ vùng ĐBSH được điều chỉnh, theo đó hệ thống đê sông Hồng phải chống được lũ tháng 8/1971 ứng với lưu lượng tại Sơn Tây là 37.800 m3/s (chu kỳ lặp lại 125 năm)

Do vậy, nhiều đoạn đê được tu bổ, nâng cấp, mở rộng mặt cắt ngang, nâng cao trình đỉnh để đảm bảo chống lũ thiết kế Đê Hà Nội cũng được kéo dài trên 365 km đê các loại trong đó trên 200 km đê sông Hồng, sông Đuống, 40 kè và trên 300 cống dưới đê

10

Năm 1996, Nhà nước đã thực hiện chương trình củng cố đê điều tuyến đê Hữu Hồng đoạn trực tiếp bảo vệ Hà Nội từ Tiên Tân (Đan Phượng) đến Vạn Phúc (Thanh Trì) bằng nguồn vốn vay của ngân hàng Phát triển Châu Á Mục tiêu của chương trình là: nâng cao trình đỉnh đê để chống lũ thiết kế tại Hà Nội (+13,40 m); mở rộng đỉnh đê; khoan phụt vữa chống thấm cho thân đê; lấp ao hồ sát chân đê; xây dựng một số giếng giảm áp;… Song song với công tác tu sửa, củng cố đê điều, khoa học công nghệ cũng được đầu tư và áp dụng trong công tác xây dựng và quản lý

Hình 1.3 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1945 đến 2000 Hình 1.3 cho thấy từ năm 1945 đến năm 2000 đê sông Hồng ngày càng được tôn cao

và mở rộng hơn, ngoài mục tiêu chống lũ cao hơn còn giải quyết nhu cầu giao thông trên đỉnh và cơ đê Tuyến đê Hữu Hồng thuộc nội thành Hà Nội có thể chống được lũ thiết kế với tần suất P = 0,2% (chu kỳ lặp lại 500 năm) tương ứng với mực nước tại Hà Nội ở cao trình +13,40 m

 Giai đoạn từ 2000 đến nay:

Trong những năm qua, hệ thống đê sông Hồng và sông Thái Bình luôn nhận được sự quan tâm của các cấp chính quyền từ Trung ương đến địa phương nên đã được bố trí nhiều nguồn vốn khác nhau để đầu tư củng cố, nâng cấp Cho đến nay, mặt cắt ngang

đê được đánh giá là tương đối hoàn chỉnh [1] [9] [10] [11], bảo đảm chống lũ thiết kế với tiêu chuẩn an toàn hiện hành quy định ở [5] [12]

1.1.2.2 Hiện trạng hệ thống đê sông Hồng địa phận Hà Nội

Thành phố Hà Nội hiện có 20 tuyến đê chính với tổng chiều dài 469,9 km, trong đó:

37,7 km đê Hữu Hồng là đê cấp đặc biệt; 211,6 km đê cấp I (Hữu Hồng, Tả Hồng, Hữu Đuống, Tả Đáy), còn lại là các tuyến đê cấp II và cấp III Hầu hết các tuyến đê trên địa bàn Hà Nội được đánh giá là đã đảm bảo mặt cắt ngang và cao trình đỉnh chống được lũ thiết kế theo tiêu chuẩn phòng chống lũ hiện hành [10]

Để có số liệu về các cống dưới đê Hữu Hồng, trong đề tài này tác giả đã tiến hành khảo sát hiện trạng mười cống dưới đê tiêu biểu, trong đó có hai cống lộ thiên và tám cống ngầm Sơ bộ đánh giá các cống vẫn đảm bảo nhiệm vụ tưới/tiêu, tuy nhiên do nhiều cống được xây dựng đã lâu nên có sự suy thoái về vật liệu, thiết bị đóng mở ở một số cống có biểu hiện xuống cấp, Theo Chi cục Đê điều và Phòng chống lụt bão thành phố Hà Nội [10] thì các cống dưới đê thường được xem là các trọng điểm trong mùa mưa lũ (chi tiết hơn về các cống, xem Phụ lục A)

(1) Những sự cố thường gặp

 Các sự cố về thân đê

Đối với thân đê thường xảy ra các hiện tượng: thẩm lậu, lún, nứt, trượt, rò rỉ, và tổ mối [8] [10] [11] [14] Đây là những hiện tượng có nguy cơ gây mất an toàn cho đê, đặc biệt là trong mùa mưa lũ nếu như không có các biện pháp khống chế

Hiện tượng thẩm lậu đối với đê sông Hồng thường xuất hiện ở mái đê và chân đê hạ lưu khi mực nước lũ từ báo động II trở lên Đê Hữu Hồng, thẩm lậu được ghi nhận ở một số đoạn đê trên địa bàn huyện Ba Vì, huyện Từ Liêm và Phú Xuyên Ở tuyến đê

Tả Hồng hiện tượng thẩm lậu diễn ra thường xuyên khi mực nước sông lên cao

Hiện tượng lún, nứt đê chủ yếu là xuất hiện các vết nứt dọc và nứt ngang mặt đê, đa số các đoạn đê bị nứt đã được xử lý bằng nhiều biện pháp khác nhau như đào và nêm lại vết nứt hoặc khoan phụt vữa vào thân đê [10]

Hiện tượng trượt mái: khi lũ cao, một số đoạn thuộc tuyến đê tả Hồng có thể xảy ra sạt, trượt mái, đó là các đoạn tuyến thuộc địa bàn xã Hải Bối, huyện Đông Anh; khu vực quận Long Biên và huyện Gia Lâm [11, 14]

Tổ mối là một trong những ẩn họa khôn lường nếu như không kịp thời phát hiện và xử

lý Theo kết quả khảo sát của viện Sinh thái và Bảo vệ công trình thuộc viện Khoa học

12

thuỷ lợi thì trên tuyến đê Hữu Hồng nhiều đoạn phát hiện thấy tổ mối, trong đó xuất hiện nhiều nhất ở các đoạn đê thuộc địa phận huyện Thường Tín Tương tự, đối với tuyến đê tả Hồng tổ mối nhiều nhất được tìm thấy ở các đoạn đê chạy qua địa bàn các huyện: Mê Linh; Đông Anh; Long Biên và Gia Lâm

 Các sự cố về nền đê

Cũng như các tuyến đê sông của đồng bằng Bắc Bộ, nền đê sông Hồng ẩn chứa nhiều nguy hiểm, vào mùa lũ thường xảy ra các mạch đùn sủi hoặc bãi đùn sủi với nước trong hoặc nước đục Từ đặc điểm hình thành, đê được đắp tôn cao áp trúc qua nhiều thời kỳ khác nhau, tuyến đi qua nhiều vùng mà nền bên dưới có địa chất phức tạp và thường không được xử lý trước khi đắp Các số liệu ghi chép của các hạt quản lý đê qua theo dõi hàng năm cho thấy mạch đùn, mạch sủi thường xuất hiện khi mực nước

lũ từ báo động II trở lên ở nhiều vị trí, nhạy cảm nhất là những đoạn đê đã từng bị vỡ trước đây Đặc biệt khu vực Sen Chiểu - Phúc Thọ (Km31+500  Km33+500) nền đê

có lớp cát pha, cát bụi cùng với lớp cát mịn đến cuội sỏi gây thấm mạnh và biến dạng thấm Khi mực nước lũ ngoài sông từ báo động I (+12,40 m) trở lên, nhiều giếng nước

ăn của nhân dân phía trong đê xuất hiện sủi, có nhiều giếng sủi đục phải xử lý bằng tầng lọc ngược Mùa lũ năm 1999, khi mực nước lũ ngoài sông trên báo động III đã có

120 giếng nước ăn của dân cách chân đê (30  400)m xuất hiện sủi đục trong lòng giếng, trong đó có 36 giếng sủi đục mang theo bùn cát phải xử lý lọc ngược

Theo các tài liệu [8, 10, 15], từ năm 1978 đến năm 2010 hiện tượng đùn sủi phía chân

đê hạ lưu diễn ra phổ biến Mặc dù số liệu thống kê chưa được đầy đủ trên toàn tuyến

đê Hữu Hồng nhưng với 65 trường hợp đùn sủi đã xảy ra cho thấy: ở một số đoạn, vị trí đùn sủi ngay sát chân đê; một số đoạn khác, vị trí đùn sủi cách xa chân đê hàng trăm mét Xét gradient áp lực thấm trung bình theo công thức (1.1):

Trong đó: J là gradient áp lực thấm tại vị trí đùn sủi; H là chênh cao cột nước; L là khoảng cách từ chân đê thượng lưu đến vị trí đùn sủi, L = Lcd + Ls (Lcd là chiều rộng chân đê, Ls là khoảng cách từ mép chân đê hạ lưu đến vị trí đùn sủi, xem Hình 1.4)

13

Hình 1.4 Sơ họa hiện tượng đùn sủi ở hạ lưu đê

Áp dụng biểu thức (1.1), tính được J ở 65 vị trí đùn sủi hiện trường, kết quả được tổng hợp trong Hình 1.5 dưới đây, chi tiết hơn về sự cố đùn sủi xem Phụ lục B

Hình 1.5 Gradient áp lực thấm thu được từ đùn sủi hiện trường nền đê Hữu Hồng Hình 1.5 cho thấy gradient áp lực thấm khi xảy ra đùn sủi là khá nhỏ J = 0,006 ÷ 0,124, trong đó: không đùn cát J = 0,015 ÷ 0,073; đùn cát J = 0,006 ÷ 0,124 Tại sao khi J nhỏ mà hiện tượng đùn sủi vẫn xảy ra, phải chăng đã có sự suy giảm về chiều dài đường thấm (L) dưới nền đê, vấn đề này sẽ được làm rõ ở Chương 3 và 4

Như vậy, sự cố có thể xảy ra ở thân và nền đê sông Hồng rất đa dạng Trong đó, nền

đê có nguy cơ xảy ra sự cố do BDT cao trước những diễn biến bất lợi khi biên độ giao động mực nước và thời gian duy trì lũ trên sông Hồng có xu thế tăng so với thời kỳ trước đây do những thay đổi cực đoan của các yếu tố thời tiết, khí hậu

14

(2) Mức đảm bảo chống lũ

Tuyến đê Hữu Hồng thuộc địa bàn Hà Nội ngày nay được tính từ Sơn Tây đến Phú Xuyên với chiều dài khoảng 100km Theo phân cấp ở [5]: đoạn đê bảo vệ khu vực trung tâm thành phố được giới hạn trong phạm vi đường vành đai IV (Km44÷Km86)

là đê cấp đặc biệt; các đoạn còn lại là đê cấp I Cao trình đỉnh đê và mực nước thiết kế hiện trạng được thể hiện ở Hình 1.6 và Hình 1.7

Hình 1.6 Đỉnh đê Hữu Hồng hiện trạng từ Km30+550 đến Km72+520

Hình 1.7 Đỉnh đê Hữu Hồng hiện trạng từ Km72+520 đến Km117+900

Từ Hình 1.4 và Hình 1.5 có thể thấy, nếu không kể đoạn đê Vân Cốc (Km36+730 ÷ Km40+290) thì đường đỉnh đê hiện trạng luôn cao hơn đường mực nước thiết kế với chu kỳ lặp lại 500 (tần suất 0,2%) từ 0,95 m đến 2,40 m

15

1.2 Biến đổi khí hậu ở Việt Nam

Trong nhiều năm qua, con người đã phải đối mặt với hàng loạt các vấn đề môi trường bức xúc trên phạm vi toàn cầu trong đó có BĐKH Nhận thức về BĐKH là một quá trình dài, phải mất hơn 30 năm với nhiều cuộc tranh luận, cho đến nay các nhà khoa học đã có sự nhất trí cao và cho rằng trong những thập kỷ gần đây, những hoạt động phát triển kinh tế - xã hội với cường độ ngày một cao trong nhiều lĩnh vực như năng lượng, công nghiệp, giao thông, nông - lâm nghiệp và sinh hoạt đã làm tăng nồng độ các khí (N2O, CH4, H2S và nhất là CO2) gây hiệu ứng nhà kính trong khí quyển, làm trái đất nóng lên, làm biến đổi hệ thống khí hậu [16]

1.2.1 Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng của IPCC

1.2.1.1 Kịch bản nồng độ khí nhà kính

Theo bộ Tài nguyên và Môi trường [17], kịch bản BĐKH được xây dựng từ các giả định về sự thay đổi trong tương lai và quan hệ giữa phát thải khí nhà kính và các hoạt động kinh tế - xã hội, tổng thu nhập quốc dân, sử dụng đất,… Năm 2013, Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC) đã công bố kịch bản cập nhật đường phân bố nồng độ khí nhà kính đại diện (RCP) Các RCP được lựa chọn sao cho đại diện được các nhóm kịch bản phát thải và đảm bảo bao gồm được khoảng biến đổi của nồng độ các khí nhà kính trong tương lai một cách hợp lý [17]

Có bốn kịch bản RCP (từ phát thải khí nhà kính cao đến phát thải thấp) được thiết lập

đó là: phát thải cao (RCP8.5); phát thải trung bình cao (RCP6.0); phát thải trung bình thấp (RCP4.5) và phát thải thấp (RCP2.6) Chi tiết hơn có thể xem ở [17]

1.2.1.2 Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng

Căn cứ vào các kịch bản nồng độ khí nhà kính, IPCC đã đưa ra kết quả dự tính BĐKH

và NBD toàn cầu trong thế kỷ 21, chi tiết có thể xem ở [17]

1.2.2 Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam

Kịch bản BĐKH và NBD cho Việt Nam được Bộ Tài nguyên và Môi trường công

bố lần đầu vào năm 2009 trên cơ sở tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước Mức độ chi tiết của các kịch bản mới chỉ giới hạn cho bảy vùng khí hậu và dải ven biển Việt Nam

16

Kịch bản BĐKH và NBD năm 2016 được xây dựng dựa trên cơ sở: báo cáo đánh giá lần thứ 5 (AR5) của IPCC; số liệu quan trắc khí tượng thủy văn và mực nước biển cập nhật đến năm 2014; số liệu địa hình của bản đồ cập nhật đến tháng 3 năm 2016; xu thế biến đổi gần đây của khí hậu và NBD ở Việt Nam; các mô hình khí hậu toàn cầu, mô hình khí hậu khu vực độ phân giải cao cho khu vực Việt Nam và các mô hình khí quyển - đại dương; các nghiên cứu của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Hội đồng tư vấn của Ủy ban Quốc gia về Biến đổi khí hậu, các Viện nghiên cứu và trường đại học của Việt Nam; các dự án mô hình hóa khí hậu do Chính phủ Na Uy, Chính phủ Úc tài trợ; các hợp tác với Cơ quan Khí tượng Vương quốc Anh và viện nghiên cứu Khí tượng Nhật Bản, Một số kết quả chính của kịch bản BĐKH và NBD năm 2016 được trích ra dưới đây, chi tiết xem ở phụ lục A của [17]:

Hình 1.8 Biến đổi của bão và áp thấp nhiệt đới cuối thế kỷ so với thời kỳ cơ sở [17] Hoạt động của bão và áp thấp nhiệt đới có xu thế dịch chuyển về cuối mùa bão, thời kỳ

mà bão hoạt động chủ yếu ở phía Nam

Hình 1.9 Kịch bản nước biển dâng khu vực Biển Đông [17]

17

Trong những thập kỷ đầu thế kỷ 21, xu thế tăng của mực nước biển theo cả 04 kịch bản RCB là khá tương đồng, tuy nhiên có sự khác biệt đáng kể từ khoảng năm 2040 Mực nước biển có mức tăng thấp nhất ở kịch bản RCP2.6 và cao nhất ở kịch bản RCP8.5 [17]

Theo Bộ Tài nguyên và Môi trường [17, 18], do tính phức tạp và những hiểu biết chưa thật đầy đủ về BĐKH của Việt Nam cũng như trên thế giới cùng với yếu tố tâm lý, kinh tế, xã hội, tính chưa chắc chắn về kịch bản phát thải khí nhà kính, tính chưa chắc chắn của kết quả mô hình tính toán xây dựng kịch bản,… nên kịch bản hài hòa nhất là kịch bản trung bình (RCP4.5) được khuyến nghị cho các bộ, nghành và địa phương làm định hướng ban đầu để đánh giá tác động của BĐKH, NBD và xây dựng kế hoạch hành động ứng phó với BĐKH

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 Hà Lan là quốc gia có trình độ phát triển cao về xây dựng các công trình phòng lũ khi phần lớn diện tích đất nước nằm dưới mực nước biển Chương trình phát triển đê và các công trình phòng lũ được đẩy mạnh sau trận lũ lịch sử năm 1953 (Delta program), trong đó việc nâng cấp

đê, xây dựng hệ thống phòng chắn nước lũ từ biển Bắc, cống ngăn triều, được đề cập rất cụ thể Những thành quả có được ngày nay ở Hà Lan là nhờ vào quyết tâm và sự kiên định thực hiện mục tiêu chương trình của chính phủ

Năm 2005, với chương trình VNK05, Hà Lan đã tiến hành đánh giá lại một cách nghiêm túc an toàn của hệ thống công trình phòng lũ trong điều kiện BĐKH Hàng loạt dự án được đầu tư trong đó tập trung vào gia cường hệ thống đê, cải tạo các công trình phòng lũ, nâng cao năng lực ứng phó của người dân và xã hội, Tiêu chuẩn an toàn của các hệ thống đê được nâng cao hơn theo nguyên lý giảm thiểu rủi ro ngập lụt Trong báo cáo này, thời gian đánh giá lại tính an toàn của hệ thống phòng lũ được đề xuất là 5 năm Năm 2008, Ủy ban nghiên cứu về đồng bằng của Hà Lan đã đưa ra 12 kiến nghị đảm bảo an toàn chống lũ cho tương lai, với kế hoạch tổng hợp được xây dựng cho tới năm 2100 Chính phủ Hà Lan căn cứ vào các kiến nghị này đã ban hành

18

chính sách của thế kỷ 21 để ứng phó với BĐKH bằng việc tăng tiêu chí trong xây dựng

hệ thống đê điều gấp mười lần so với trước đây, trong đó mực NBD tại bờ biển Hà Lan lên tới 1,3 m vào năm 2100 (0,55÷1,30)m, xem Hình 1.10 [19-21]

Tại Mỹ, các chương trình nghiên cứu thường được gắn với các lưu vực sông như Mississipi, Arizona, Secamento, (Master plan) để nghiên cứu khai thác chung cho cả lưu vực Hiệp hội kỹ sư quân đội Mỹ (USACE) là đầu mối nghiên cứu chuyên sâu và thực dụng các vấn đề về an toàn đê, đập với tính ứng dụng cao Sản phẩm thường gắn với các tiêu chuẩn kỹ thuật, kiến nghị thiết kế Nhìn chung, tiêu chuẩn an toàn cho các công trình phòng lũ tại Mỹ thấp hơn nhiều so với các tiêu chuẩn thiết kế đê ở Hà Lan do đặc thù địa hình, sự ảnh hưởng của mực NBD, [22-24]

Hình 1.10 NBD do BĐKH theo Ủy ban nghiên cứu về đồng bằng (2008) của Hà Lan Hàng loạt các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng được thực hiện ở Hà Lan cũng như các nước khác trong cộng đồng chung Châu Âu như Đức, Anh, Bỉ, Ý, để giải quyết các bài toán cụ thể khác nhau liên quan đến an toàn hệ thống công trình phòng lũ trước bối cảnh BĐKH Chính sự hợp tác xuyên quốc gia này đã huy động được sức mạnh của cộng đồng các nhà nghiên cứu tại các viện và các trường đại học trong toàn khối, tạo

ra các sản phẩm có hàm lượng khoa học và tính ứng dụng cao nhất Nhìn chung, các nghiên cứu tập trung vào hai nhóm vấn đề chủ yếu: nhóm các vấn đề về phương pháp luận và nhóm các vấn đề về cơ chế phá hoại hệ thống công trình phòng lũ [25]

Nhóm các nghiên cứu tập trung về phương pháp luận đánh giá an toàn công trình phòng lũ đã phát triển nở rộ ở Hà Lan từ những năm 1960 rồi đến các nước Tây Bắc

Âu và Nam Âu Cơ sở chung của các phương pháp này là phát triển lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro trong bài toán ngập lụt, từ việc xem xét sự bất định của các biến

Nhóm các nghiên cứu về cơ chế phá hoại công trình phòng lũ tập trung vào các sự cố thường gặp với rủi ro và bất định cao nhất Xói ngầm dưới nền đê sông và sự ổn định của hệ thống đê biển là những vấn đề dành được sự quan tâm nhiều hơn cả của các nhà khoa học Các nghiên cứu về xói ngầm dưới nền đê được tiến hành ở nhiều nước như

Mỹ và các nước Tây Âu (Hà Lan, Đức) cũng như Nhật Bản vào những thập niên đầu tiên của thế kỷ 20 Bligh [32] đã đề xuất mô hình kiểm toán xói ngầm dưới nền đập thông qua hàng loạt số liệu thực tế xảy ra vỡ đập tại nhiều nước trên thế giới Lane [33] cải tiến mô hình của Bligh có xét đến ảnh hưởng của dòng thấm theo phương đứng trong mô hình xói ngầm Cả hai mô hình kinh nghiệm này đều đi vào dự báo chiều cao cột nước chênh giới hạn ứng với từng loại đất nền khác nhau; mặc dù chứa đựng nhiều hệ số kinh nghiệm nhưng hai mô hình này được dùng phổ biến ở các nước phương Tây cho đến khi ra đời một số mô hình dự báo khác ưu việt hơn

Tsugaev (1998) [34] 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 (vùng khuyết tật trong thân hoặc nền công trình, được hình thành bởi nguyên nhân đặc biệt nào đó) 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 thấm tập trung này (độ bền thấm đặc biệt)

Sellmeijer (1988) [35] đã phát triển mô hình xói ngầm dựa trên phân tích điều kiện cân bằng giới hạn trong ống xói dưới nền đê ở Hà Lan Ngoài ảnh hưởng của đường kính hạt, mô hình này còn xét đến các tham số khác của đất nền như bề dày tầng thấm nước, khối lượng thể tích, hệ số thấm, Dựa vào kết quả quan trắc thực tế, sự khác biệt giữa mô hình dự báo tại một số trường hợp đã được giải quyết thông qua hệ số mô hình - phương pháp chuyển đổi sự khác biệt giữa hai chuỗi kết quả (theo quan trắc và theo dự báo lý thuyết) để tìm ra hệ số hiệu chỉnh, như được trình bày trong [36] [37]

20

Vera van (2011) [38] tiếp tục cải tiến mô hình của Sellmeijer thông qua hàng loạt thí nghiệm mô hình vật lý trong phòng và ngoài trời Kết quả nghiên cứu chưa kết thúc nhưng đánh giá sơ bộ cho thấy mô hình Sellmeijer có xu hướng dự báo thiên về an toàn

và điều này gây lãng phí cho các giải pháp xử lý gia cố nền đê đang được tiến hành tại

Hà Lan Trước đó, một số nghiên cứu về xói ngầm cũng được tiến hành tại Mỹ, Đức và Nhật Bản như nội dung đã được đề cập trong các công bố của [39-42] Nhìn chung, các kết quả nghiên cứu đều xác nhận vai trò quan trọng của xói ngầm trong đánh giá an toàn

đê Hiện tại, mô hình của Sellmeijer vẫn được dùng rộng rãi, các mô hình khác như Bligh hoặc Lane cần được hiệu chỉnh tùy thuộc điều kiện thực tế áp dụng

Tại Mỹ, Schmertmann (2000) [40] đã tiến hành thí nghiệm tương tự như tại Hà Lan và tìm ra quan hệ ảnh hưởng của của hàng loạt các nhân tố như hệ số không đều hạt Cu,

hệ số hình dạng, bề dày lớp đất, hệ số thành phần hạt, độ chặt, hệ số gradient thủy lực, Tác giả đã đưa ra những đề xuất mang tính thực dụng để kỹ sư có thể sử dụng các hệ số này trong tính toán thiết kế

Hình 1.11 Thí nghiệm xói ngầm tại Đại học Florida, Mỹ năm 2000

Trước đó tại Nhật Bản và Đức, hai nhóm tác giả độc lập cũng đã đưa ra những kết quả nghiên cứu trong phòng liên quan đến mô hình thấm và xói ngầm Các quan hệ giữa thành phần hạt, độ chặt, hệ số không đều hạt, với gradient tới hạn đều được khảo sát

để đưa ra các kiến nghị cho công tác thiết kế và đánh giá an toàn đê, đập [41, 43]