Nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông_unprotected

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Để đạt được mục tiêu đề ra, tác giả đã thu thập các số liệu, tài liệu cần thiết, tiến hành nghiên cứu tổng quan những biến động về mưa lũ mưa sin

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

DOÃN THỊ NỘI

NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA MƯA LŨ VÀ ĐỀ XUẤT

CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG VÙNG NÚI ĐÔNG BẮC–VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

DOÃN THỊ NỘI

NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA MƯA LŨ VÀ ĐỀ XUẤT

CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ CHO CÔNG TRÌNH

GIAO THÔNG VÙNG NÚI ĐÔNG BẮC–VIỆT NAM

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 PGS.TS Ngô Lê Long

2 PGS.TS Hoàng Thanh Tùng

HÀ NỘI, NĂM 2016

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 (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Doãn Thị Nội

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Ngô Lê Long, PGS.TS Hoàng Thanh Tùng đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo ĐH&SĐH, Tập thể các Thầy cô giáo khoa Thủy văn và Tài nguyên nước, Phòng Khoa học Công nghệ, Trường Đại Học Thủy Lợi - Hà Nội, đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải, Khoa Công Trình, Bộ môn Thủy Lực - Thủy Văn, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện về thời gian và công việc giúp tác giả hoàn thành luận án

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè luôn sát cánh động viên tác giả vượt qua mọi khó khăn để thực hiện luận án của mình

Tác giả luận án

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

6 Những đóng góp mới của luận án 4

7 Cấu trúc của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 5

1.1 Tổng quan về tính lũ thiết kế 5

Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế trên thế giới 5

1.1.1 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế ở Việt Nam 6

1.1.2 1.2 Tổng quan tính lũ thiết kế cho công trình giao thông 8

Tính lũ thiết kế ở các nước Nhật, phương Tây và Mỹ 9

1.2.1 Tính lũ thiết kế ở các nước Đông Âu và Nga 14

1.2.2 Tính lũ thiết kế ở Việt Nam 15

1.2.3 1.3 Những hạn chế trong tính lũ thiết kế cho giao thông ở Việt Nam 20

1.4 Đề xuất hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 22

1.5 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 24

Đặc điểm tự nhiên 24

1.5.1 Đặc điểm khí tượng thủy văn 26

1.5.2 Tình trạng giao thông và các sự cố công trình trong mùa mưa lũ 30

1.5.3 Tình hình tài liệu nghiên cứu 36 1.5.4

iv

1.6 Kết luận chương I 39

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU 41

2.1 Cơ sở lý thuyết của các phương pháp tính lũ thiết kế 41

Phương pháp của Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (SCS - CN) 41

2.1.1 Phương pháp mô hình quan hệ 47

2.1.2 Phương trình hồi quy 51

2.1.3 2.2 Cơ sở dữ liệu của các phương pháp tính lũ thiết kế 53

Xây dựng cơ sở dữ liệu mưa 53

2.2.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu mặt đệm 84

2.2.2 2.3 Kết luận chương II 99

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THỬ NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 101

3.1 Cơ sở phân nhóm công trình thoát nước trong tính lũ thiết kế 101

3.2 Tính thử nghiệm theo các phương pháp khác nhau 103

Thông số tính toán của các lưu vực cầu tính thử nghiệm 103

3.2.1 Tính lũ thiết kế theo phương pháp SCS - CN 111

3.2.2 Tính lũ thiết kế theo mô hình quan hệ 114

3.2.3 Tính lũ thiết kế theo phương trình hồi quy tương quan 115

3.2.4 Tính lũ theo pp Xokolopsky và CĐGH (TCVN 9845:2013) 118

3.2.5 Đánh giá kết quả tính theo các phương pháp 120

3.2.6 3.3 Đề xuất phương pháp tính phù hợp 122

3.4 Xây dựng chương trình tính lũ thiết kế cho các công trình giao thông 123

Giới thiệu chung về chương trình tính 123

3.4.1 Cấu trúc của chương trình tính 124

3.4.2 Hướng dẫn sử dụng chương trình tính 126

3.4.3 3.5 Kêt luận chương III 128

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 133

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

PHỤ LỤC 139

v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các phương pháp tính lũ cho giao thông trên thế giới 8

Hình 1.2 Các phương pháp tính lũ cho giao thông ở Việt Nam 17

Hình 1.3 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu 23

Hình 1.4 Bản đồ khu vực nghiên cứu (vùng Đông Bắc) 24

Hình 1.5 Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn) 25

Hình 1.6 Bản đồ các tuyến đường chính khu vực nghiên cứu 31

Hình 1.7 Bản đồ bố trí các công trình thoát nước khu vực nghiên cứu 32

Hình 1.8 Nước chảy gây xói mái ta luy dương vì không có rãnh dọc tuyến [39] 34

Hình 1.9 Tuyến đường nội tỉnh ở Lạng Sơn bị ngập năm 2013 và xói ta luy âm 34

Hình 1.10 Nước lũ tràn qua mặt đường 34

Hình 1.11 Cầu Sam Lang lúc khánh thành và bị lũ cuốn trôi (sau hai tháng sử dụng) 35 Hình 1.12 Bản đồ các trạm khí tượng khu vực nc (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn) 36

Hình 2.1 Đường quá trình lũ đơn vị theo phương pháp SCS 44

Hình 2.2 Sơ đồ tính lũ thiết kế theo phương pháp SCS-CN 46

Hình 2.3 Sơ đồ tính lưu lượng thiết kế theo phương pháp mô hình quan hệ 51

Hình 2.4 Đường đi của các trận bão năm 2012 và năm 2013 57

Hình 2.5 Đường đi của trận bão Utor năm 2013 57

Hình 2.6 Thành phố Lạng Sơn ngập trong nước lũ năm 2014 59

Hình 2.7 Đường đi của các trận bão năm 2014 và 2015 59

Hình 2.8 Biến đổi lượng mưa ngày lớn nhất trạm Bắc Kạn và Bắc Sơn 63

Hình 2.9 Biến đổi lượng mưa ngày lớn nhất trạm Hữu Lũng và Lạng Sơn 63

Hình 2.10 Biến đổi lượng mưa ngày lớn nhất trạm Ngân Sơn và Thất Khê 63

Hình 2.11 Bản đồ hệ số biến thiên lượng mưa ngày max (CV) vùng Đông Bắc 65

Hình 2.12 Sơ đồ xây dựng IDF theo hàm mũ 68

Hình 2.13 Tương quan X1ng max-X1h max; X1ng max-X3hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=100) 69 Hình 2.14 Tương quan X1ng max-X6h max; X1ng max-X12h max Bắc Kạn-Lạng Sơn(T=100) 69 Hình 2.15 Tương quan X1ng max- X24 h max tỉnh Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=100) 70

Hình 2.16 Tương quan X1ng max-X1h max; X1ngay max-X3hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) 70 Hình 2.17 Tương quan X1ng max-X6h max; X1ng max-X12hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) 70

Hình 2.18 Tương quan X1ng max-X24h max Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) 71

Hình 2.19 Sơ đồ các bước xây dựng đường cong IDF (khu vực nghiên cứu) 76

Hình 2.20 Bộ đường cong IDF (Lạng Sơn, T = 5 năm và T = 10 năm phút) 76

Hình 2.21 Bộ đường cong IDF (Lạng Sơn, T = 25 năm và T = 50 năm, phút) 77

Hình 2.22 Bộ đường cong IDF (Lạng Sơn, T = 100 và T = 200 năm, phút) 77

Hình 2.23 Bộ đường cong IDF trạm Lạng Sơn và Đình Lập 78

Hình 2.24 Bản đồ đẳng trị cường độ mưa (I-1-100) (Bắc Kạn và Lạng Sơn) 80

Hình 2.25 Đường cong IDF trạm Hữu Lũng thực đo và tương quan hàm mũ 81

Hình 2.26 Phân bố lũy tích mưa 24h trạm Bắc Kạn và Bắc Sơn 82

vi

Hình 2.27 Phân bố lũy tích mưa 24h trạm Chợ Rã và Đình Lập 82

Hình 2.28 Phân bố lũy tích mưa 24h trạm Lạng Sơn và Ngân Sơn 83

Hình 2.29 Phân bố lũy tích mưa 24h trạm Thất Khê 83

Hình 2.30 Sơ đồ các bước xây dựng bản đồ chỉ số CN 86

Hình 2.31 Bản đồ loại đất tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn 88

Hình 2.32 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn 90

Hình 2.33 Bản đồ chỉ số CN tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn 93

Hình 2.34 Sơ đồ các bước xây dựng bản đồ hệ số dòng chảy C 94

Hình 2.35 Bản đồ hệ số dòng chảy tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn (S > 6%) 95

Hình 2.36 Sơ đồ các bước xây dựng bản đồ hệ số nhám Manning n 96

Hình 2.37 Bản đồ hệ số nhám Manning tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn 97

Hình 2.38 Bản đồ lưu vực cầu Bắc Khương 98

Hình 3.1 Bản đồ lưu vực cầu Can 103

Hình 3.2 Bản đồ lưu vực cầu Bản Chắt 104

Hình 3.3 Bản đồ lưu vực cầu Pắc Vằng 105

Hình 3.4 Bản đồ lưu vực cầu Kỳ Lừa 106

Hình 3.5 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất và hệ số nhám lưu vực cầu Can 107

Hình 3.6 Bản đồ hệ số dòng chảy và chỉ số CN lưu vực cầu Can 107

Hình 3.7 Bản đồ hiện trạng và chỉ số CN lưu vực cầu Bản Chắt 108

Hình 3.8 Bản đồ hệ số dòng chảy và hệ số nhám lưu vực cầu Bản Chắt 108

Hình 3.9 Bản đồ hiện trạng và chỉ số CN lưu vực cầu Pắc Vằng 109

Hình 3.10 Bản đồ hệ số nhám và hệ số dòng chảy C lưu vực cầu Pắc Vằng 109

Hình 3.11 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất và chỉ số CN lưu vực cầu Kỳ Lừa 110

Hình 3.12 Bản đồ hệ số nhám và hệ số dòng chảy lưu vực cầu Kỳ Lừa 110

Hình 3.13 Quá trình lũ thực đo và tính toán tại Trạm Lạng Sơn (2008 và 2013) 112

Hình 3.14 Quá trình mưa và lũ thiết kế lưu vực cầu Kỳ Lừa và cầu Pắc Vằng 113

Hình 3.15 Quá trình mưa và lũ thiết kế lưu vực cầu Bản Chắt và cầu Can 114

Hình 3.16 Các bước tính theo phương pháp CIA 115

Hình 3.17 Tương quan giữa Q100 ~A và Q50~A tại Bắc Kạn - Lạng Sơn 117

Hình 3.18 Tương quan giữa Q25~A và Q10 ~A tại Bắc Kạn - Lạng Sơn 117

Hình 3.19 Giao diện ban đầu trên nền ảnh vệ tinh của Google map 124

Hình 3.20 Sơ đồ khối xây dựng chương trình tính 125

Hình 3.21 Giao diện ban đầu của chương trình tính trên nền bản đồ 126

Hình 3.22 Kết quả tính lũ cầu Can theo pp CIA (Trên nền ảnh vệ tinh) 127

Hình 1 Bộ đường cong IDF các trạm khi T = 5 năm và T = 10 năm 139

Hình 2 Bộ đường cong IDF các trạm khi T = 25 năm và T = 50 năm 139

Hình 3 Bộ đường cong IDF các trạm khi T = 100 năm và T = 200 năm 139

Hình 4 Bộ đường cong IDF trạm Thác Giềng và Chợ Mới 140

Hình 5 Bộ đường cong IDF trạm Chợ Đồn và An Tịnh 140

Hình 6 Bộ đường cong IDF trạm Bằng Khẩu và Bằng Lũng 140

vii

Hình 7 Bộ đường cong IDF trạm Bằng Phúc và Cốc Đán 140

Hình 8 Bộ đường cong IDF trạm Côn Minh và Đông Lạc 140

Hình 9 Bộ đường cong IDF trạm Dương Phong và Hảo Nghĩa 140

Hình 10 Bộ đường cong IDF trạm Liên Thụy và Nà Pạc 140

Hình 11 Bộ đường cong IDF trạm Thuận Mang và Xuân Dương 140

Hình 12 Bộ đường cong IDF trạm Xuân Lạc và Yên Hán 140

Hình 14 Bộ đường cong IDF trạm Yên Nhuận 140

Hình 14 Bộ đường cong IDF trạm Yên Tịnh 140

Hình 14 Bộ đường cong IDF trạm Vu Loan 140

Hình 15 Bản đồ lưu vực cầu Khuổi Lu 140

Hình 16 Bản đồ phân vùng mưa theo Đa giác Theissen cầu Can và Bản Chắt 140

Hình 17 Bản đồ phân vùng mưa theo Đa giác Theissen cầu Pắc Vằng và Kỳ Lừa 140

Hình 18 Biến đổi lượng mưa 1h và 3h lớn nhất trạm Thất Khê 140

Hình 19 Biến đổi lượng mưa 6h và 12h lớn nhất trạm Thất Khê 140

Hình 20 Biến đổi lượng mưa 1h và 3h lớn nhất trạm Ngân Sơn 140

Hình 21 Biến đổi lượng mưa 6h và 12h lớn nhất trạm Ngân Sơn 140

Hình 22 Biến đổi lượng mưa 1h và 3h lớn nhất trạm Lạng Sơn 140

Hình 23 Biến đổi lượng mưa 6h và 12h lớn nhất trạm Lạng Sơn 140

Hình 24 Biến đổi lượng mưa 1h và 3h lớn nhất trạm Hữu Lũng 140

Hình 25 Biến đổi lượng mưa 6h và 12h lớn nhất trạm Hữu Lũng 140

Hình 26 Biến đổi lượng mưa 1h và 3h lớn nhất trạm Đình Lập 140

Hình 27 Biến đổi lượng mưa 6h và 12h lớn nhất trạm Đình Lập 140

Hình 28 Biến đổi lượng mưa 1h và 3h lớn nhất trạm Chợ Rã 140

Hình 29 Biến đổi lượng mưa 6h và 12h lớn nhất trạm Chợ Rã 140

Hình 30 Biến đổi lượng mưa 1h và 3h lớn nhất trạm Bắc Sơn 140

Hình 31 Biến đổi lượng mưa 6h và 12h lớn nhất trạm Bắc Sơn 140

Hình 32 Biến đổi lượng mưa 1h và 3h lớn nhất trạm Bắc Kạn 140

Hình 33 Biến đổi lượng mưa 6h và 12h lớn nhất trạm Bắc Kạn 140

Hình 34 Kết quả tính lũ cầu Pắc Vằng theo pp SCS (Trên nền ảnh vệ tinh) 140

Hình 35 Kết quả tính lũ cầu Pắc Vằng theo pp SCS (Trên nền ảnh vệ tinh) 140

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tóm tắt các phương pháp tính lũ thiết kế cho giao thông ở Mỹ 10

Bảng 1.2 Bảng thống kê các phương pháp tính lũ thiết kế ở Đông Âu và Nga 15

Bảng 1.3 Quy định về tần suất lũ 16

Bảng 1.4 Các đặc trưng khí tượng trung bình nhiều năm 27

Bảng 1.5 Dòng chảy trung bình nhiều năm khu vực nghiên cứu 29

Bảng 1.6 Bảng phân loại cầu theo chiều dài khu vực nghiên cứu 33

Bảng 1.7 Các sự cố công trình giao thông khu vực nghiên cứu 35

Bảng 1.8 Các trạm đo mưa thuộc tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn 37

Bảng 1.9 Các trạm quan trắc thủy văn thuộc tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn 38

Bảng 2.1 Xác suất bão, ATNĐ có lượng mưa 24 giờ cực đại các cấp (%) 54

Bảng 2.2 Xác suất bão, ATNĐ có tổng lượng mưa theo các cấp (%) 54

Bảng 2.3 Kết quả kiểm định xu thế lượng mưa ngày lớn nhất 64

Bảng 2.4 Bảng hệ số CV lượng mưa ngày lớn nhất vùng Đông Bắc 65

Bảng 2.5 Bảng thông số ở các trạm, tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn (T=100 năm) 68

Bảng 2.6 Bảng hệ số của phương trình đường cong IDF, I = a.Dn 78

Bảng 2.7 Bảng hệ số của phương trình đường cong IDF, I = a.Dn 78

Bảng 2.8 Kết quả tính cường độ mưa theo hàm mũ cho khu vực nghiên cứu 79

Bảng 2.9 Chênh lệch kết quả giữa hai đường cong IDF(%) 81

Bảng 2.10 Bảng so sánh kết quả tính theo luận án và TCVN 9845:2013 83

Bảng 2.11 Bảng phần trăm sai số giữa kết quả tính theo luận án và TCVN 84

Bảng 2.12 Bảng phân loại các nhóm đất khu vực nghiên cứu 88

Bảng 2.13 Bảng thống kê hiện trạng sử dụng đất trên khu vực nghiên cứu 89

Bảng 2.14 Bảng giá trị CN ứng với sử dụng đất và các nhóm đất (tham chiếu) 91

Bảng 2.15 Bảng giá trị CN đối với tình hình sử dụng đất và các nhóm đất 92

Bảng 2.16 Bảng tra hệ số dòng chảy C (nhóm A và B) 94

Bảng 2.17 Bảng tra hệ số dòng chảy C (nhóm C và D) 95

Bảng 2.18 Bảng tra hệ số nhám Manning 97

Bảng 2.19 Kết quả tính các đặc trưng (lưu vực cầu Bắc Khương) 98

Bảng 3.1 Các đặc trưng lưu vực (tính toán từ GIS) tại cầu Can 103

Bảng 3.2 Các đặc trưng trưng lưu vực (tính toán từ GIS) tại cầu Bản Chắt 104

Bảng 3.3 Các đặc trưng trưng lưu vực (tính toán từ GIS) tại Cầu Pắc Vằng 105

Bảng 3.4 Các đặc trưng trưng lưu vực (tính toán từ GIS) tại Kỳ Lừa 106

Bảng 3.5 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Can 107

Bảng 3.6 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Bản Chắt 108

Bảng 3.7 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Pắc Vằng 109

Bảng 3.8 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Kỳ Lừa 111

Bảng 3.9 Kết quả tính lưu lượng thiết kế theo phương pháp SCS-CN 113

Bảng 3.10 Kết quả tính lưu lượng thiết kế theo mô hình quan hệ 115

ix

Bảng 3.11 Kết quả tính lưu lượng thiết kế theo phương trình hồi quy 118

Bảng 3.12 Kết quả tính lưu lượng thiết kế Xokolopsky 119

Bảng 3.13 Kết quả tính lưu lượng thiết kế theo phương pháp cường độ giới hạn 120

Bảng 3.14 Kết quả tính lưu lượng thiết kế theo 5 phương pháp khác nhau 120

Bảng 3.15 Kiến nghị phương pháp tính lũ cho công trình giao thông 123

Bảng 1 Bảng hệ số của phương trình đường cong IDF, I = a.Dn 140

Bảng 2 Bảng hệ số của phương trình đường cong IDF, I = a.Dn 140

Bảng 3 Các công trình cầu được tính thử nghiệm trong luận án 140

Bảng 4 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 trạmLạng Sơn ( Gumbel) 140

Bảng 5 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Thất Khê) 140

Bảng 6 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Bắc Kạn) 140

Bảng 7 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Bắc Sơn) 140

Bảng 8 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Chợ Rã) 140

Bảng 9 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Ngân Sơn) 140

x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp

hội đường cao tốc liên bang và quốc lộ Hoa Kỳ)

AASHTO - LRFD American Association of State Highway and Transportation

Officials - Load & Resistance Factor Design (Tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải

trọng và hệ số sức kháng - Hiệp hội đường cao tốc liên bang và quốc lộ Hoa Kỳ)

C 50 hệ số dòng chảy ứng với thời kỳ lặp lại T = 50 năm

AR&R Australian Rainfall & Runoff

CTBD Cao Áp Thái Bình Dương

CN Curve Number

EVT 1 Extreme Value Type - I distribution

FHWA Federal Highway Administration (Cục liên bang đường bộ Mỹ)

GIS Geographical Information Systems (Hệ thống thông tin địa lý)

GTVT Giao Thông Vận Tải

GEV Gumbel's Extreme Value distribution

HTNĐ Hội tụ nhiệt đới

HEC-HMS Hydrologic Engineering Center- Hydrologic Modeling System

IDF Intensity - Duration - Frequency (Cường độ mưa - Thời gian - Tần suất)

ID Identification (Mã kí hiệu)

MIKE Viện nghiên cứu tài nguyên nước Đan Mạch

DHI Danish Hydraulic Institute (Viện Thủy lực Đan Mạch)

NHI National Highway Institute (Viện nghiên cứu đường bộ Mỹ)

NRCS Natural Resources Conservation Service (Cơ quan bảo vệ tài nguyên thiên

nhiên - Mỹ)

PMP Probable Maximum Precipitation (Mưa lớn nhất khả năng)

PMF Probable Maximum Flood (Lũ lớn nhất khả năng)

QP Quy phạm

QP.TL C - 6 - 77 Quy phạm tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế

SCS - CN Soil Conversation service - Curve Number (Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng -

chỉ số đường cong)

xi

TCN Tiêu chuẩn ngành

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TR55 Technical Release 55 (Tiêu chuẩn kỹ thuật 55)

TxDOT Texas Department of Transportation (Sở giao thông Bang Texas) USGS United state Geological Survey (Cơ quan khảo sát địa chất Mỹ)

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Giao thông được coi là huyết mạch của mỗi quốc gia, muốn phát triển đất nước cần phải hoàn thiện và hiện đại hệ thống giao thông Hàng năm nhà nước đã đầu tư rất nhiều kinh phí cho phát triển giao thông trên toàn quốc Các tuyến đường được đầu tư xây mới, nâng cấp và mở rộng để đảm bảo giao thương kinh tế văn hóa các vùng trên

cả nước và quốc tế

Với trên 2/3 diện tích của đất nước là địa hình đồi núi, theo thống kê của Bộ GTVT đường miền núi chiếm hơn 70% km trong tổng km chiều dài đường bộ cả nước Đường miền núi chủ yếu cấp V, chỉ một số km là cấp III và IV cho nên các công trình thoát nước như cầu, cống và rãnh thoát nước chưa được chú trọng trong thiết kế và xây dựng, việc tính toán thủy văn thủy lực còn hạn chế

Trong những năm gần đây, việc thiết kế đường ô tô đã chuyển từ tiêu chuẩn 22 - TCN

- 4054 - 85 sang 22 - TCN - 4054 - 98, 22TCN - 4054 - 2005 và các tiêu chuẩn tính toán lũ thoát nước cũng chuyển từ 22TCN - 1995, 22TCN 273 - 01; 22TCN 273 - 05 sang TCVN 9845:2013 với các yêu cầu kỹ thuật cao hơn, các tuyến đường cần cải tạo theo tiêu chuẩn mới để tăng mức độ an toàn chạy xe nhằm đáp ứng chiến lược an toàn giao thông quốc gia và nâng cao hiệu quả vận tải

Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa với chế độ mưa lũ rất khắc nghiệt và dường như mức độ đó ngày càng tăng lên do biến đổi khí hậu toàn cầu làm cho các công trình giao thông thường bị hư hỏng nặng nề Các hư hỏng của hệ thống đường bộ có nhiều nguyên nhân như: chế độ khí hậu có sự thay đổi đáng kể và

xu thế ngày càng ác liệt; do các nguyên nhân địa chất, nền móng và có thể do công tác xây dựng, vận hành và bảo dưỡng Tuy nhiên trong các nhóm nguyên nhân kể trên thì vấn đề ảnh hưởng của mưa, lũ là nguyên nhân chính gây tác động đáng kể tới các hư hỏng của công trình Các hư hỏng thường kể đến như hiện tượng sạt lở ta luy dương,

âm, trôi cầu cống, hỏng mố trụ đều do nguyên nhân tính lũ thiết kế chưa đúng hoặc chưa phù hợp

2

Trong TCVN 9845:2013,''Tiêu chuẩn tính toán đặc trưng dòng chảy lũ'' (được biên soạn dựa theo QP.TL C - 6 - 77) đã giới thiệu một số phương pháp tính lũ thiết kế từ mưa rào như Cường độ giới hạn, Xokolopsky, phương pháp của trường Đại học Xây dựng Các phương pháp trên do các tác giả Liên Xô (cũ) xây dựng và đã được đưa vào

sử dụng ở nước ta Tuy nhiên, các công thức này có nhiều thông số được xác định trong điều kiện của nước Nga, khi đưa vào quy phạm tính toán của Việt Nam dù đã được hiệu chỉnh nhưng trong điều kiện rất thiếu số liệu nên chưa được chuẩn hóa; có những thông số rất khó xác định, với phạm vi thay đổi quá lớn, dẫn tới kết quả tính toán có độ chính xác không cao, tùy thuộc vào quan điểm lựa chọn thông số của mỗi người sử dụng và hậu quả là rủi ro hư hỏng công trình cũng tăng lên

Khó khăn chính trong tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Việt Nam là thiếu các tài liệu từ các đặc trưng lưu vực, đất đai, lớp phủ, đặc biệt là mưa và dòng chảy thực đo thời đoạn ngắn thường chỉ có tài liệu mưa ngày, tuy nhiên khối lượng

cũng rất hạn chế Vì vậy, luận án“Nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất cơ

sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc - Việt Nam” mà

nghiên cứu sinh (NCS) lựa chọn là rất cấp thiết và có ý nghĩa khoa học

Kết quả của luận án là cơ sở khoa học đề xuất các phương pháp tính lũ thiết kế đơn giản với độ tin cậy và mức độ ổn định cao hơn, phục vụ xây dựng các công trình thoát nước trên đường, góp phần cập nhật và xây dựng qui trình tính hợp lý cho công tác duy tu, bảo dưỡng và nâng cấp các công trình hiện có, cũng như xây dựng các công trình mới an toàn, giảm thiểu các thiệt hại cho các công trình giao thông

2 Mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu những biến động của mưa lũ, chi tiết hóa mưa và mặt đệm, xác lập cơ sở khoa học tính lũ thiết kế cho công trình giao thông

2.2 Câu hỏi nghiên cứu

- Dựa trên tiêu chí nào để lựa chọn phương pháp tính lũ thiết kế đang được sử dụng ở các nước tiên tiến trong trường hợp không có tài liệu thực đo? (trả lời câu hỏi tính cấp

3

thiết, những hạn chế của cách tính hiện nay)

- Cơ sở khoa học nào dùng tính đặc trưng mưa và mặt đệm trong điều kiện thiếu tài liệu mưa thời đoạn ngắn, chi tiết hóa mặt đệm để ứng dụng các phương pháp tính lũ đã lựa chọn? (trả lời câu hỏi bằng việc đánh giá biến động mưa theo không gian và thời gian, xây dựng phương trình chuyển đổi mưa thời đoạn dài thành thời đoạn ngắn)

- Các phương pháp nào có thể được ứng dụng để tính thử nghiệm cho các công trình thực tế?

- Những tồn tại và hướng giải quyết trong công tác thiết kế các công trình thoát nước cho công trình giao thông? (Trả lời câu hỏi bằng việc xây dựng các bản đồ chuyên dùng, quy trình cập nhật các thông số mặt đệm)

- Bằng cách nào có thể tích hợp được cơ sở dữ liệu trong chương trình tính lũ nhằm thuận tiện trong tính lũ thiết kế?

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu của luận án gồm hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn nằm trong vùng núi Đông Bắc - Việt Nam;

- Đối tượng nghiên cứu là mưa và lũ thiết kế phục vụ xây dựng các công trình thoát nước nằm trên các quốc lộ QL3, 3B, 279, 3, 4A, 4B, 1A thuộc khu vực nghiên cứu

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu đề ra, tác giả đã thu thập các số liệu, tài liệu cần thiết, tiến hành nghiên cứu tổng quan những biến động về mưa lũ (mưa sinh lũ), các phương pháp tính

lũ thiết kế cho công trình giao thông ở trong nước và trên thế giới từ đó lựa chọn hướng tiếp cận phù hợp, vừa mang tính kế thừa vừa đảm bảo tính sáng tạo trong nghiên cứu

Các phương pháp được sử dụng trong luận án bao gồm: i) phương pháp phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu đã có nhằm tập hợp, đánh giá những biến động về mưa lũ trong khu vực nghiên cứu; ii) phương pháp phân tích ảnh viễn thám, GIS phục vụ mô phỏng lưu vực trong các mô hình toán và xây dựng các bản đồ chyên

4

đề làm cơ sở khoa học cho các phương pháp tính lũ kiến nghị; iii) phương pháp mô hình toán, tính toán thử nghiệm làm cơ sở cho việc kiến nghị các phương pháp tính lũ thiết kế phù hợp cho các công trình giao thông khu vực Đông Bắc - Việt Nam

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Quá trình phát triển dân sinh kinh tế ở Việt Nam hiện nay đòi hỏi phải nâng cấp và xây mới hàng loạt các tuyến đường giao thông huyết mạch, đặc biệt là các tuyến đường giao thông miền núi vì vậy kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn cao vì

đã giải quyết những khó khăn hiện nay trong tính toán thủy văn, thủy lực hiện nay Việc nghiên cứu biến động của mưa lũ cho khu vực Đông Bắc và xác lập cơ sở khoa học tính lũ thiết kế cho các công trình giao thông ở khu vực này có ý nghĩa khoa học trong việc tiếp cận với những phương pháp tính toán hiện đại và tiện lợi làm tiền đề cho việc xây dựng một quy trình tính toán phù hợp với điều kiện của Việt Nam trong tương lai gần

6 Những đóng góp mới của luận án

- Luận án đã có đóng góp mới về phương pháp luận và cách tính mưa lũ thiết kế cho công trình giao thông miền núi, nơi có rất ít số liệu mưa thời đoạn ngắn

- Luận án đã khái quát hóa những kết quả tính toán cho toàn khu vực miền núi Đông Bắc Việt Nam, giúp cho các kỹ sư thiết kế có thể tra cứu dễ dàng

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu tính lũ thiết kế cho công trình giao thông

Chương 2: Xây dựng cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông

Bắc - Việt Nam

Chương 3: Tính thử nghiệm và đề xuất phương pháp tính lũ cho công trình giao thông

vùng núi Đông Bắc - Việt Nam

5

CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

về lũ thiết kế điển hình có thể kể đến như:

Chow (1964), Shaw [1] là cuốn sổ tay tính toán thủy văn có đề cập đến phương pháp

tính toán lũ thiết kế phụ thuộc vào diện tích lưu vực và tình trạng số liệu: đối với lưu vực lớn, đủ số liệu thì dùng phương pháp ngẫu nhiên (thống kê xác suất), đối với lưu

vực nhỏ dùng phương pháp mô hình quan hệ, đường lũ đơn vị và quan hệ lưu lượng

với diện tích và thời gian

Chow, Maidment (1988) [2] là tài liệu cơ bản nhất có đề cập đến tính toán thủy văn

và các đặc trưng thủy văn thiết kế như quá trình thu phóng, lựa chọn mưa thiết kế và xây dựng đường cong IDF, biểu đồ mưa thiết kế dạng đường cong tích lũy 24h, ước tính thời gian mưa giới hạn, tính toán lượng mưa lớn nhất khả năng (PMF), các bản đồ đẳng trị mưa với các thời gian mưa, D = 5 - 60 phút hay 30 phút - 24h cho các thời kỳ lặp lại T = 1 - 100 năm Các phương pháp chuyển đổi mưa hiệu quả và xác định dòng chảy thiết kế gồm đỉnh lũ, tổng lượng và quá trình lũ thiết kế dùng để thiết kế công trình thoát nước, mô phỏng vùng ngập lụt, thiết kế hồ chứa, sử dụng và quản lý tài

nguyên nước Đối với thoát nước, Chow cũng giới thiệu phương pháp tính lũ cho lưu

vực vừa và nhỏ theo mô hình quan hệ với A là diện tích lưu vực, I là cường độ mưa, C

6

là hệ số dòng chảy Ngoài ra, các đường lũ đơn vị cũng được đề cập sử dụng cho các lưu vực vừa và nhỏ

Vijay (2002) [3] trình bày các mô hình toán ứng dụng để tính lũ cho lưu vực lớn và

các lưu vực nhỏ Đối với các lưu vực nhỏ các mô hình ứng dụng trình bày 15 mô hình đại diện trên toàn thế giới Về lý thuyết cơ bản để xây dựng các mô hình đều là những kiến thức ứng dụng từ các tài liệu của Chow hay Maidment

Raghunath (2006) [4] là tài liệu về nguyên lý thủy văn, trình bày các vấn đề về tính

thủy văn vùng Tapti, Ấn độ (miền trung Ấn độ) Phần tính lũ thiết kế gồm tổng lượng

lũ, đỉnh lũ, tần suất lũ, xác suất rủi ro với các phương pháp đề xuất như: Đường lũ đơn

vị tức thời, mô hình Nash, mô hình Clark, đường lũ đơn vị SCS, hồi quy tuyến tính, phân tích thống kê xác suất, mô hình toán, tính lũ tại vị trí không có số liệu quan trắc

theo phương pháp hồi quy đa biến

Ngoài các tài liệu cơ bản đã nêu, còn có rất nhiều các tài liệu nghiên cứu liên quan đề cập đến các phương pháp tính lũ thiết kế trên thế giới Về cơ bản, lý thuyết tập trung dòng chảy hay phương thức chuyển đổi mưa hiệu quả vẫn như những tài liệu trên, tuy nhiên từ hai thập kỷ trở lại đây với sự phát triển vượt bậc của công nghệ máy tính, kỹ thuật viễn thám và GIS cho phép các nhà khoa học phân tích và thử nghiệm, cập nhật những công nghệ hiện đại nhằm chính xác hóa các tham số mà các phương pháp trước đây chưa xây dựng được

Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế ở Việt Nam

1.1.2

Một số các tài liệu điển hình đề cập đến tính lũ thiết kế ở Việt Nam như:

Quy phạm QP.TL C-6-77 (1977) [5] trình bày phương pháp tính toán các đặc trưng

thủy văn cần thiết cho việc thiết kế các công trình thủy lợi trên các sông không bị ảnh hưởng của thủy triều ở Việt Nam Các đặc trưng thủy văn được hướng dẫn tính trong quy phạm này bao gồm: lưu lượng bình quân năm, lưu lượng lớn nhất, lưu lượng nhỏ nhất, sự phân phối dòng chảy năm, các loại mực nước thiết kế và các thông số khác Khi tính lũ phục vụ thiết kế các công trình trên sông trong trường hợp đủ số liệu thì tiến hành phân tích tần suất, trong trường hợp không có số liệu thì sử dụng các công thức kinh nghiệm như: công thức Cường độ giới hạn cho lưu vực có diện tích nhỏ hơn

7

100 km2, công thức Triết giảm và Xokolopxky cho lưu vực có diện tích trên 100 km2

Cho đến nay quy định về phương pháp tính lũ thiết kế vẫn chủ yếu dựa trên quy phạm này nên có một số bất cập như các bảng tra không được cập nhập; việc xác định một

số thông số vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm và chủ quan của người tính toán

Đỗ Cao Đàm và nnk (1990) [6] đã xuất bản cuốn Thủy văn công trình, trong tài liệu

có trình bày cách tính lũ thiết kế, các phương pháp này chủ yếu cũng là các phương pháp đã được đề cập trong QP.TL C - 6 - 77

Lê Đình Thành (1997) [7] đã nghiên cứu tìm ra khả năng và điều kiện ứng dụng

phương pháp tính mưa lớn nhất khả năng (PMP) và lũ lớn nhất khả năng (PMF), từ đó kiến nghị một tiêu chuẩn tính lũ thiết kế hợp lý hơn cho điều kiện Việt Nam Kết quả nghiên cứu đã đề cập một cách chi tiết đến các phương pháp cũng như tính lũ liên quan đến lũ lớn nhất khả năng, tuy nhiên đối với công trình giao thông mức độ và tiêu chuẩn cũng như tính chất của công trình nếu xét theo bài toán này cần phải có những nghiên cứu cụ thể hơn nữa trong tương lai

Lê Văn Nghinh (2000) [8] đã biên soạn cuốn Nguyên lý Thủy văn, đây cũng là một

tài liệu quan trọng đề cập đến tính toán các đặc trưng thiết kế như dòng chảy năm, tháng, lũ, kiệt và mực nước thiết kế Các phương pháp tính lũ thiết kế cũng bao gồm các phương pháp nằm trong QP.TL C - 6 - 77 Tuy nhiên, tài liệu chủ yếu đề cập đến dòng chảy tháng và năm thiết kế phục vụ cho xây dựng và vận hành hồ chứa

Bộ môn TV&TNN (2003) [9] đã biên soạn cuốn Thủy văn thiết kế, đây cũng là tài

liệu quan trọng dùng để tính toán các đặc trưng thiết kế công trình Tuy nhiên các phương pháp và cách tiếp cận cũng dựa trên nền của QP.TL C - 6 - 77

Phạm Ngọc Quý và nnk (2005) [10] đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Nghiên cứu

cảnh báo dự báo lũ vượt thiết kế - Giải pháp tràn sự cố” đã tiến hành xây dựng phần mềm tính lũ thiết kế Phần mềm này cho phép tính lũ theo tần suất thiết kế dựa vào các công thức kinh nghiệm trong QP.TL C - 6 - 77 nêu trên, phương pháp tính lũ đơn vị SCS, tính lũ lớn nhất khả năng PMF theo phương pháp thống kê của Hasfield Tuy nhiên phần mềm này cũng chưa có sự cập nhập mới nào về bảng tra

8

Hà Văn Khối và nnk (2012) [11] đã cập nhật và cho tái bản cuốn giáo trình Thủy văn

công trình (ấn phẩm đầu tiên được xuất bản năm 1993) gồm 2 tập trong đó Tập 1 trình bày các phương pháp tính toán lũ thiết kế Về cơ bản các phương pháp tính toán đều theo QP.TL C - 6 - 77, tuy nhiên cuốn giáo trình có cập nhập và giới thiệu thêm các kỹ thuật mới sử dụng trong tính toán lũ thiết kế như mô hình toán thủy văn bao gồm các

mô hình thủy văn tất định tính toán dòng chảy từ mưa, các mô hình lũ đơn vị

Ngô Lê Long và nnk (2015) [12] trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước

“Nghiên cứu cơ sở khoa học đề xuất các tiêu chuẩn thiết kế lũ, đê biển trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng ở Việt Nam và giải pháp phòng tránh, giảm nhẹ thiệt hại” đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất phương pháp tính lũ thiết kế cho các công trình hồ chứa có xét tới tác động của biến đổi khí hậu Nghiên cứu cũng đã xác lập được cơ sở khoa học và thực tiễn của các tiêu chuẩn thiết kế lũ được đề xuất trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng ở nước ta đảm bảo an toàn, an sinh xã hội

1.2 Tổng quan tính lũ thiết kế cho công trình giao thông

Việc tính lũ phục vụ thiết kế các công trình giao thông trên thế giới được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Qua tìm hiểu và phân tích các tài liệu liên quan, có thể phân các phương pháp tính lũ thiết kế cho các công trình thoát nước trong giao thông

nói chung thành hai nhóm chính: i) nhóm các phương pháp sử dụng ở các nước Nhật,

phương Tây và Mỹ và ii) nhóm các phương pháp sử dụng ở các nước Đông Âu, Nga

và Việt Nam (hình 1.1)

Hình 1.1 Các phương pháp tính lũ cho giao thông trên thế giới

hệ cho những lưu vực có diện tích A < 20km2 (dùng đường cong IDF cho các vùng có

số liệu mưa, trường hợp không có số liệu mưa thì có thể sử dụng từ vùng có diện tích

A > 100km2) Đối với các lưu vực A > 20km2 ngoài phương pháp mô hình quan hệ còn

sử dụng đường lũ đơn vị và phương trình lượng trữ Tại các công trình có số liệu lũ thực đo sử dụng phương pháp thống kê xác suất theo lý thuyết của Bulletin (1982) với yêu cầu tối thiểu n ≥ 10 năm đo đạc

+) Các phương pháp tính lũ thiết kế ở Anh

Tính lũ thiết kế được trình bày trong Hướng dẫn thiết kế cầu đường Tiêu chuẩn kỹ thuật của Cơ quan đường bộ quốc gia [15], [16] hoặc nhiều tài liệu khác, ở đây các phương pháp cũng phân theo diện tích: đối với diện tích lưu vực nhỏ (A < 20km2) và không đủ số liệu đo đạc lũ thì sử dụng các công thức đơn giản từ mưa (mưa năm), diện tích lưu vực và các chỉ số về đất; còn đối với trường hợp nhiều số liệu lũ thực đo thì tính theo phương pháp thống kê xác suất

+) Các phương pháp tính lũ thiết kế ở Mỹ

Các phương pháp dùng tính lũ thiết kế trong giao thông ở Mỹ thường được đề cập trong các tài liệu như: [17] Hướng dẫn tính thoát nước trên đường (AASHTO) [18]; Tài liệu giới thiệu mô hình toán thủy văn HEC; Thủy văn đường bộ (FHWA) [19], [20]; Hướng dẫn kỹ thuật (TR55) hay các tiêu chuẩn thiết kế [21], [22], [23], [24]; Nhìn chung, các phương pháp này được chia thành hai nhóm: i) Đối vùng rộng lớn, có

số liệu thực đo sử dụng phương pháp thống kê xác suất với các phân bố như Log Normal, PIII, Gumbell; ii) Đối với vùng không có số liệu thì dựa vào đặc tính của vùng để tính theo các phương pháp như: mô hình quan hệ; đường lũ đơn vị tổng hợp

10

SCS; các phương trình hồi quy vùng và hồi quy theo USGS (dùng trong quy hoạch) Ngoài ra, phương pháp TR55 (mô hình WinTR55) thường dùng để tính lũ cho lưu vực nhỏ A(F) < 65km2 cho kết quả khá tốt Do điều kiện số liệu đầy đủ chi tiết về mưa và mặt đệm nên ở Mỹ xây dựng rất nhiều bảng tra, bản đồ cường độ mưa thiết kế trên toàn quốc, lượng mưa thời đoạn dài (d > 1h) được chuyển đổi thành lượng mưa thời đoạn ngắn hơn (d < 1h) Các phương pháp được tóm tắt trong bảng sau:

+) Các phương pháp tính lũ thiết kế ở Úc Phương pháp tính lũ thiết kế được đề cập

Bảng 1.1 Tóm tắt các phương pháp tính lũ thiết kế cho giao thông ở Mỹ

Phương pháp Tóm tắt yêu cầu của phương pháp Số liệu yêu cầu

1)Mô hình quan hệ * Lưu vực nhỏ (A < 1,3 km 2

)

* Thời gian tập trung dòng chảy Tc < 1h

* Mưa phân bố đều theo không gian và thời gian

* Dòng chảy tràn trên bề mặt là chủ yếu

* Lượng trữ trong kênh không đáng kể

* Tc thời gian tập trung dòng chảy (h);

* Diện tích lưu vực giới hạn từng vùng

* Giá trị đỉnh lũ do điều kiện tự nhiên chứ không chịu tác động của các yếu tố khác Thường dùng trong quy hoạch

* Diện tích lưu vực A (km 2

)

* Mưa trung bình năm P(mm)

* Độ cao (độ dốc lưu vực) 3) NRCS

SCS

* A = 0,4–2500 km2

* Thời gian mưa và cường độ mưa đều

* Quan hệ mưa và dòng chảy là tuyến tính

* Bản đồ đẳng trị, phân bố mưa

* Diện tích A (km 2

)

* Chiều dài lưu vực L (km; m)

* Chiều dài lưu vực Lc (km; m)

* Biểu đồ lũ đơn vị tổng hợp 6) Phương pháp

thống kê: Log PIII;

+) Ở Columbia, theo tài liệu đại biểu như ''Hướng dẫn và tiêu chuẩn thiết kế cầu'', (2007) đã trình bày tính lũ theo cỡ lưu vực, đối với lưu vực có diện tích thoát nước A >

20 km2 dùng các phương pháp: phân tích tần suất trạm - thống kê xác suất (Các phân phối xác suất được sử dụng gồm EVT1, Log Normal, Log Pearson III); phân tích tần suất vùng (hồi quy vùng); mô hình quan hệ Đối với diện tích lưu vực nhỏ và đô thị (A

< 10 km2) dùng mô hình quan hệ

Một số nghiên cứu tiêu biểu về các phương pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Mỹ, Anh, Úc, Nhật như sau:

Richard H.Mc Cuen (2002) [25] biên soạn tài liệu hướng dẫn tính lũ thiết kế cho

công trình giao thông ở Mỹ Tài liệu đề cập đến cách tiếp cận, phương pháp và điều kiện áp dụng trong thiết kế các công trình thoát nước qua đường bộ Trong đó đề cập đến phương pháp tính mưa thiết kế tính riêng cho vùng có và không có trạm; Các

phương pháp xác định đỉnh lũ thiết kế bao gồm thống kê xác suất theo Gumbel và log

Pearson III, phương trình hồi quy, phương pháp SCS - CN, mô hình quan hệ Các

công thức kinh nghiệm để xác định lưu lượng đỉnh lũ và các đường lũ đơn vị dạng phân tích và tổng hợp để xác định quá trình lũ thiết kế; các công thức xác định thời

gian tập trung dòng chảy Tc

DPWH(2002) [26] đã biên soạn ''Hướng dẫn và tiêu chuẩn kỹ thuật ở Nhật bản,

2002'', phần phân tích thủy văn thiết kế Nội dung tính toán thủy văn gồm: quá trình khảo sát, điều tra, phân tích mưa và dòng chảy (trạm đại biểu) Số liệu yêu cầu để tính

lũ bao gồm mưa ngày, mưa giờ, biểu đồ mưa thiết kế theo hình hình thế thời tiết, mực

12

nước lớn nhất ngày, lưu lượng lũ tự ghi, quan hệ H~Q Trong đó, phương pháp tất định dùng để xác định lũ thiết kế trong trường hợp không có số liệu đo đạc Phần tính mưa thiết kế, tài liệu đã trình bày cách xây dựng và ứng dụng đường cong IDF dùng tính lũ theo công thức mô hình quan hệ trong trường hợp A < 20km2, trong trường hợp không

đủ số liệu mưa có thể lấy đường cong IDF của lưu vực tương tự có số liệu Đối với diện tích lưu vực A > 20km2

thì tính theo các bước: Ứng dụng GIS xây dựng lưu vực với bản đồ địa hình 1:50.000; tính mưa thiết kế trung bình bao gồm lượng mưa trung bình năm lớn nhất, lượng mưa trung bình theo thời kỳ lặp lại theo phương pháp số học,

đa giác Thessien; lựa chọn phân bố mưa điển hình và thiết lập đường cong lũy tích

điển hình cho mỗi thời khoảng; Tính lũ thiết kế theo các phương pháp mô hình quan

hệ, đường lũ đơn vị và phương trình lượng trữ

USACE - AED [27] có trình bày hai phương pháp tính lũ thiết kế gồm đường lũ đơn

vị (SCS) và mô hình quan hệ, trong đó đề cập đến các yếu tố chính cần xác định gồm:

bộ đường cong IDF của mưa 24h (thời kỳ lặp lại T = 10, 20 và 50 năm), hệ số dòng chảy C, thời gian tập trung dòng chảy Tc và các đặc trưng lưu vực (diện tích, chiều

dài, độ dốc)

Engineers Australia (2006), (2013) [28], [29] tài liệu Hướng dẫn tính mưa - dòng

chảy phần tổn thất ở Úc, đề cập chi tiết trong AR&R, các phương pháp tính lũ thiết kế:

mô hình quan hệ với hệ số dòng chảy được thiết lập theo thời kỳ lặp lại C2, C5, C20,

C50 các giá trị này đều tính theo C10; Phương pháp mô hình quan hệ, mô hình toán

(RORB) Trong đó phương pháp mô hình quan hệ và chỉ số lũ dùng cho lưu vực nhỏ

(A < 50 km2), còn phương pháp RORB thì ứng dụng cho A ≥ 50 km2 Đường quá trình

lũ thiết kế được xây dựng bằng phương pháp RORB cho lưu vực lớn, còn đối với lưu vực nhỏ phải sử dụng đường quá trình lũ điển hình

Bruce (2007) [30] đã tổng quan các phương pháp tính lũ thiết kế và xác định khẩu độ

thoát nước qua công trình cống và cầu nhỏ trên đường ô tô ở Mỹ, từ năm 1911 các nhân viên bảo trì và kỹ sư đường sắt của Mỹ - Hiệp hội đường (AREMWA) dùng 6 công thức tính diện tích thoát nước và 21 công thức cho lưu lượng đỉnh lũ thiết kế Đến năm 1962, Chow đã xây dựng 12 công thức tính diện tích thoát nước và 62 công thức tính lưu lượng lũ thiết kế Tuy nhiên chỉ một vài công thức được ứng dụng rộng

13

rãi dành cho ngành cầu đường Mỹ như: Bảng Dun (Dun’s table), công thức Myers và Talbot để tính diện tích cần thiết thoát nước và công thức của Burkli - Ziegler để tính lưu lượng đỉnh lũ Bảng Dun được phát triển bởi James Dun, một kỹ sư trưởng của đường sắt Atchison, Topeka và Santa Fe, phiên bản đầu tiên năm 1890 và bản cuối cùng năm 1906 Công thức Myers được kỹ sư đường sắt, E.T.C Myers phát triển đầu tiên vào năm 1879 có dạng √ với A diện tích thoát nước và D là diện tích lưu vực, C là hệ số phụ thuộc vào điều kiện mặt đệm Công thức Talbot được xây dựng năm 1887 do giáo sư A.N.Talbot của đại học Illinois với diện tích thoát nước cần thiết bao gồm: Công thức tính lưu lượng lũ do Burkli - Ziegler, một kỹ sư người Thụy Sĩ xây dựng năm 1880; Công thức dạng √ với q lưu lượng lũ đơn vị (cfs/arce); C là hệ số dòng chảy có giá trị từ 0,31 đến 0,75; I là cường độ mưa (in/h); S là độ dốc lưu vực; A là diện tích lưu vực(arcres) Phương pháp mô hình quan

hệ theo Dooge (1957) (thực tế được xây dựng bởi Thomas Mulvany, 1851) để tính toán lũ thiết kế với công thức Q = C.I.A Đến nay phương pháp đã cải tiến vì thêm thời khoảng lặp lại và tần suất mưa (TR40) Ngoài ra, Các phương pháp như phân tích tần suất lũ theo Bullentin 17, phương pháp mô hình quan hệ và SCS theo TR55 cũng được giới thiệu và ứng dụng trong các thời đoạn tiếp theo Phương pháp BPR của Cục giao thông công chính năm 1950 xác định lũ thiết kế theo thời khoảng 5, 10, 25 và 50 cho lưu vực nông thôn và nhỏ hơn 1000 arces ở Đông và trung Mỹ Phương trình hồi quy vùng ứng với tần suất lũ, xây dựng năm 1960 do USGS thay vì sử dụng đồ thị để tra như trước đây Những phương trình hồi quy này được ứng dụng rộng rãi tính lũ cho vùng nông thôn ở Mỹ

Và còn rất nhiều các nghiên cứu khác nữa cũng đề cập đến các vấn đề này, tuy nhiên nội dung cũng tương tự như các phương pháp đã nêu ở phần trên

Kết luận, từ tổng quan các phương pháp nghiên cứu cho thấy, phương pháp mô hình

quan hệ và đường lũ đơn vị SCS được sử dụng hầu hết ở các nước Nhật, phương Tây

và Mỹ dùng để thiết kế công trình giao thông Điều này chứng tỏ, mức độ tin cậy và tính hiệu quả của các phương pháp

Quy trình BCH 63-67,''Quy trình khảo sát và thiết kế công trình vượt sông trên đường

sắt và đường ô tô'' (quy trình BCH 63-67) trình bày các phương pháp tính đặc trưng lũ thiết kế trong điều kiện thiếu số liệu thực đo là các phương pháp Cường độ giới hạn, Xokolopsky Phương pháp cường độ giới hạn được xây dựng dựa theo lý thuyết tập trung dòng chảy dạng tổng quát là: Qp = K.aτ.ατ.F với K là hệ số chuyển đổi đơn vị; aτ

là cường độ mưa ứng với thời đoạn lớn nhất; ατ là hệ số dòng chảy; F là diện tích lưu vực Còn phương pháp Xokolopsky là dạng công thức thể tích

Tiêu chuẩn thiết kế CH 435-72 (1972) ''Những chỉ dẫn về xác định các đặc trưng

thủy văn tính toán'' đã trình bày một số phương pháp tính toán lưu lượng thiết kế từ mưa và mặt đệm trong trường hợp thiếu số liệu thực đo lũ, các phương pháp tính toán dòng chảy lũ đề cập đến như: phương pháp Cường độ giới hạn, phương pháp Xokolopsky cho trường hợp thiếu số liệu thực đo Các phương pháp này chính là các phương pháp giới thiệu trong QP.TL C - 6 - 77 và TCVN 9845:2013 ở Việt Nam

Bapkov V.F., Andreev O.V (1972) xuất bản cuốn Thiết kế đường ô tô, nội dung của

cuốn sách phần tính toán thủy văn thiết kế trình bày các phương pháp tính lũ thiết kế đối với trường hợp không có số liệu thực đo bao gồm các phương pháp Cường độ giới hạn, Xokolopsky tương tự như trong TC CH 435-72

Pêrêvôđonhekov B.F (1975) ''Tính toán dòng chảy cực đại trong thiết kế các công

trình đường ô tô'' Trình bày phương pháp tính lũ thiết kế cũng bằng phương pháp Cường độ giới hạn, Xokolopsky trong trường hợp thiếu số liệu Ngoài ra, còn rất nhiều nhà khoa học uy tín của Nga nghiên cứu xây dựng theo các dạng khác nhau, điển hình như Kocherin; Protodiakonov; Bephan; Alekceev Có thể tóm tắt các phương pháp sử dụng ở các nước này như bảng sau:

15

Tính lũ thiết kế ở Việt Nam

1.2.3

1.2.3.1 Quy định về cấp đường và tần suất lũ thiết kế

Công trình giao thông ở Việt Nam được quy hoạch và xây dựng theo các tuyến phục

vụ giao thương giữa các tỉnh thành và các nước trong khu vực Quy định cấp đường

Bảng 1.2 Bảng thống kê các phương pháp tính lũ thiết kế ở Đông Âu và Nga

Phương pháp Tóm tắt yêu cầu của phương pháp Số liệu yêu cầu

1) Thống kê xác

suất

* Có trạm đo đạc mực nước và lưu lượng lũ

* Dòng chảy do mưa rào

* Mưa đồng đều trên lưu vực

* Cường độ mưa không đổi

* Dòng chảy được sinh hoàn toàn từ các diện tích cấp nước

* Tần suất mưa bằng tần suất dòng chảy

* Diện tích lưu vực A (km 2

)

* Hệ số dòng chảy, α, υ

* Mô đun đỉnh lũ lớn nhất, Ap%

* Lượng mưa ngày thiết kế, Hnp%

* Hệ số ao hồ đầm lầy, δ

4) Xokolopsky * Diện tích lưu vực A > 100 km 2

* Đường cong triết giảm mưa

16

dựa vào mật độ phương tiện giao thông (lưu lượng phương tiện đi lại trên đường), những nơi tuyến đường đi qua như đô thị hoặc vùng trọng yếu xây dựng theo cấp cao (I, II, III) còn như vùng nông thôn, vùng đồi núi hay trung du là đường cấp thấp (IV,

V, VI) Các tuyến đường đều có yêu cầu tính lũ thiết kế và có báo cáo thủy văn, thủy lực (sau năm 1995), đặc trưng thủy văn thiết kế quan trọng là mực nước đỉnh lũ và lưu lượng đỉnh lũ, giá trị này dùng để xây dựng cầu, cống, rãnh thoát nước Những nơi không có đủ số liệu thì tính lũ thiết kế từ lượng mưa 1ngày max và đặc trưng mặt đệm Đường miền núi chiếm 70% tổng số km đường trên toàn quốc được thiết kế với cấp

IV, V và VI với tần suất lũ 2 - 4% các hạng mục thoát nước không đầy đủ hoặc không

đủ năng lực thoát nước Các phương pháp tính phụ thuộc vào diện tích, tình trạng số liệu thủy văn và mức độ quan trọng của công trình Đối với cầu lớn và cầu trung (chiều dài cầu L > 25m) và có nhiều số liệu thủy văn thì tính lưu lượng thiết kế theo phương pháp thống kê xác suất; ngược lại nếu không có số liệu thủy văn thì tính theo phương pháp Xokolopsky Đối với lưu vực nhỏ, các công trình thoát nước trên đường như cầu nhỏ, cống và đường tràn thường dùng các công thức kinh nghiệm hoặc bán kinh nghiệm như: công thức Cường độ giới hạn, Triết giảm Tần suất thiết kế công trình thoát nước trên đường giao thông theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 - 01

và tiêu chuẩn thiết kế đường ôtô 22 TCN 273 - 01 [21] [31]

Ghi chú:1 Đối với các cầu có khẩu độ Lc ≥10m và các kết cấu vĩnh cửu thì tần suất lũ

Bảng 1.3 Quy định về tần suất lũ

Loại công trình

Cấp đường

Đường cao tốc, cấp I II và III IV

Nền đường Như đối với cầu nhỏ và cống

Cầu lớn và cầu trung 1: 100 1: 100 1: 50

Cầu nhỏ và cống 1: 100 1: 50 1: 25

17

tính toán lấy bằng 1:100 và không phụ thuộc vào cấp đường II Đối với đường nâng cấp cải tạo nếu có khó khăn lớn về kỹ thuật hoặc phát sinh khối lượng lớn thì cho phép

hạ tiêu chuẩn về tần suất lũ tính toán nếu được sự đồng ý của cơ quan có thẩm quyền

1.2.3.2 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế

Tính lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Việt Nam phụ thuộc vào diện tích lưu vực, tình trạng số liệu thủy văn và mức độ quan trọng của công trình (cấp công trình) Có thể phân thành hai nhóm: i) nhóm phương pháp phân tích thống kê và ii) nhóm phân tích nguyên nhân hình thành (hình 1.2):

i) Nhóm phương pháp thống kê xác suất khi có nhiều số liệu đo đạc lũ (các phân phối gồm Log Pearson III, Pearson III, Kritsky - Mennkel) Hiện nay, có nhiều phần mềm

vẽ đường tần suất được xây dựng để tính các tham số thống kê nhằm tăng độ chính xác

và tiện dụng Tuy vậy, các công trình giao thông phần lớn đều có vị trí tại các sông, suối không có số liệu lũ thực đo để ứng dụng phương pháp thống kê xác suất

ii) Nhóm phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành, gồm các công thức kinh nghiệm theo Liên xô cũ (1-1); (1-2); (1-4) và các công thức kinh nghiệm xây dựng cho

từng vùng:

(1-1) Hình 1.2 Các phương pháp tính lũ cho giao thông ở Việt Nam

18

+ Công thức Cường độ giới hạn cho lưu vực nhỏ F  30 km2

(1-2) Trong đó a ,p tính từ Hn,p và T:  (1-3) + Công thức Xokolopsky cho lưu vực F > 100 km2

( )

(1-4) Thực tế, công thức Cường độ giới hạn (A < 100 km2

) là công thức tính đỉnh lũ theo cường độ mưa lớn nhất giới hạn trong khoảng thời gian tập trung dòng chảy Các công thức đều cần các bảng tra như: Bảng tra hệ số dòng chảy; bảng tra thời gian tập trung dòng chảy; bảng tra mô đun đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế, bảng tra hệ số triết giảm

ao hồ, đầm lầy, bảng tra hệ số nhám sườn dốc và lòng sông Công thức Xokolopsky thuộc nhóm công thức thể tích phụ thuộc vào lượng mưa thời đoạn, lớp nước tổn thất ban đầu (H0), hệ số hình dạng biểu đồ lũ và các thông số mặt đệm khác Các phương pháp khi áp dụng ở Việt Nam cho đến nay bộc lộ rất nhiều hạn chế

Một số nghiên cứu điển hình có đề cập đến tính lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Việt Nam bao gồm:

Mai Anh Tuấn (2003) [32] là luận án tiến sỹ nghiên cứu về các hạn chế trong tính

thủy lực thủy văn, lũ thiết kế trong ngành giao thông, tác giả đã thống kê các hư hỏng trên đường giao thông và đánh giá nguyên nhân xảy ra sự cố Có nhiều nhóm nguyên nhân được đề cập như: do địa chất, kết cấu và thi công và do thủy lực thủy văn Với những nguyên nhân này, tác giả đã kết luận một số vấn đề còn hạn chế trong tính thủy lực thủy văn như: việc quy định tần suất lũ, các hệ số, các bảng tra và các vấn đề liên quan đến tích nước trước cống và khẩu độ Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu mới dừng ở việc tổng kết những nhược điểm của phương pháp tính toán thủy văn, thủy lực chưa đưa ra lời giải thích hay cách khắc phục một cách triệt để

Trần Đình Nghiên (2003) [33] trình bày những thông tin cơ bản và cập nhật nhằm

đáp ứng nhu cầu của sinh viên, các kỹ sư, học viên cao học trong lĩnh vực xây dựng công trình cầu, đường nói riêng và cơ sở hạ tầng nói chung khi giải quyết vấn đề tác động tương hỗ giữa công trình và dòng sông, đây một tài liệu cập nhật các kiến thức

19

thuỷ lực, động lực học dòng sông và thuỷ lực công trình cầu cống Tác giả đã đưa ra một số công thức mới của các nước Các phương pháp mới dừng ở việc giới thiệu các phương pháp cho người đọc

Nguyễn Quang Chiêu & Trần Tuấn Hiệp (2004) [34] đề cập đến việc điều tra khảo

sát thủy văn, tính toán lưu lượng nước, chọn loại cống, cầu nhỏ, xác định khẩu độ cầu nhỏ, cống đường tràn, tính toán các thiết bị tiêu năng, tính xói hạ lưu các cầu cống Trong tài liệu này có trình bày đến phương pháp tính lũ theo công thức đơn giản của Bônđakôp (Nga), phương pháp được cho là tiện dụng đối với công trình thoát nước nhỏ Tuy nhiên, trong điều kiện hiện nay cũng còn nhiều vấn đề chưa được cập nhật

Bộ GTVT, Sổ tay tính toán thủy văn - thủy lực cầu đường (2006) [35], [36], [31]

Do nhóm kỹ sư thuộc Vụ khoa học công nghệ, Bộ Giao thông Vận tải viết về cách tính thủy văn, thủy lực cho các công trình giao thông trong các điều kiện về địa hình và tài liệu khác nhau Các công thức vẫn chủ yếu dựa theo QP.TL C - 6 - 77 với các bảng tra

đã được xây dựng từ những năm 80 trở về trước, được áp dụng theo quy phạm của Nga hoặc xây dựng trong điều kiện chuỗi số liệu còn ngắn, đến nay vẫn chưa được cập nhập Các phương pháp mới chỉ mang tính giới thiệu chứ chưa có quy trình tính và cập nhật theo các kỹ thuật hiện đại

Nguyễn Xuân Trục (2009 [37] đề cập theo hai vấn đề lớn: Đối với công trình vượt

qua sông suối lớn (cầu lớn và cống), đề xuất công thức tính toán lưu lượng và mực nước thiết kế, xói lở lòng cầu và thượng hạ lưu cầu, ảnh hưởng nước dâng khu vực cầu, đề xuất cao trình cầu, đường dẫn theo các công thức của Liên xô và công thức thực nghiệm Đối với công trình vượt qua sông suối nhỏ (cầu nhỏ và cống) tác giả đề xuất công thức tính lưu lượng từ lượng mưa thiết kế Các công thức chính là các công thức thực nghiệm của Liên xô cũ có điều chỉnh các tham số Thực tế, cho đến nay các công trình đều tính theo các phương pháp nêu trong tài liệu này

Đoàn Như Thái Dương (2012) [38] (Luận văn thạc sỹ), cũng chỉ ra các sự cố trên

đường miền núi sau mưa lũ và đưa ra các giải pháp thiết kế thiết kế nhằm giảm thiểu những ảnh hưởng của mưa lũ đến công trình giao thông Giải pháp chỉ mang tính cải tiến về mặt xây dựng

Nguyễn Tiến Cương (2012) [39] (Luận văn thạc sỹ), đã đề cập về thực trạng công

trình giao thông thuộc tỉnh Hòa bình về những sự cố sau mưa lũ: sụt trượt, xói lở công

20

trình cầu cống, công trình thoát nước và xác định nguyên nhân tác động là do nước mưa, nước ngầm, từ đó đề xuất các biện pháp công trình nâng cao hiệu quả khai thác Trong tính thử nghiệm, vẫn sử dụng các phương pháp tính lũ thiết kế theo TCVN 9845:2013 Đề tài mới chỉ là đưa ra giải pháp nhằm nâng cao năng lực của công trình chứ chưa nghiên cứu chi tiết về phần tính lũ và đề xuất phương pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông

Nguyễn Anh Tuấn (2014) [40] (Luận án tiến sỹ kỹ thuật), đã tính lại Hn,p (lượng

mưa ngày lớn nhất ứng với tần suất) tại 14 trạm khí tượng điển hình trên toàn quốc và tọa độ đường cong mưa cho 1 - 1440 phút tại một số trạm trên phục vụ cho công tác tính lưu lượng bằng công thức cường độ giới hạn Trong luận án có nghiên cứu cụ thể việc tính đặc trưng mưa ngày cho các trạm điển hình, tuy nhiên mới dừng lại ở phần tính toán đặc trưng mưa mà chưa cụ thể được phương pháp tính lũ cho công trình giao thông cho vùng nghiên cứu

1.3 Những hạn chế trong tính lũ thiết kế cho giao thông ở Việt Nam

Qua nghiên cứu, phân tích và đánh giá tổng quan cho thấy tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Việt Nam có một số hạn chế như:

i) Hiện nay, việc chọn tần suất mới dựa vào cấp đường mà chưa xét đến các điều kiện bất lợi khác như điều kiện tự nhiên và khí tượng thủy văn của vùng xây dựng công trình dẫn đến tình trạng công trình không đủ năng lực và gặp nhiều sự cố Điển hình như lũ 2014 trên toàn tỉnh Lạng Sơn (lũ lịch sử năm 1986, 2008, 2014) rất nhiều tuyến đường bị hư hỏng phải sửa, các taluy bị sạt lở, đường bị ngập nhiều giờ gây ách tắc giao thông, công trình cầu cống bị hư hỏng nặng nề

ii) Việc tính lũ thiết kế mới chú trọng xác định đỉnh lũ mà chưa xét đến tổng lượng lũ (W) dẫn đến tổng lượng nước đổ dồn vào công trình, không kịp thoát (khẩu độ nhỏ), tạo hiện tượng tích nước ở thượng lưu đối với các công trình, tạo áp lực khí gây hỏng

mố cầu cống hay đuôi cống, mặt đường bị phá hai bên thân cống [32]

iii) Tiêu chuẩn 22TCN-220-95 [31] được xây dựng trong điều kiện tài liệu quan trắc lúc bấy giờ còn ít, không có điều kiện kiểm nghiệm, nên hướng tiếp cận là sử dụng các

- Việc tra thời gian chảy truyền trên sườn dốc (phụ thuộc vào hệ số địa mạo sườn dốc và vùng mưa) với hệ số địa mạo sườn dốc phụ thuộc vào cấp đất, vùng mưa

và các đặc trưng lưu vực; Các thông số này đều khó xác định chi tiết với cách tính truyền thống

- Việc tra mô đun dòng chảy theo tần suất (mô đun dòng chảy lớn nhất) phụ thuộc vào (thời gian chảy trên sườn dốc; hệ số địa mạo lòng sông; vùng mưa); bảng tra

đã được xây dựng từ lâu với điều kiện số liệu rất hạn chế, chuỗi số ngắn Vùng mưa rộng lớn quy định không rõ, rất khó xác định chính xác vùng mưa của lưu vực thoát nước

- Việc tra tọa độ đường cong triết giảm mưa phụ thuộc vào vùng mưa, thời đoạn mưa, thời gian tập trung dòng chảy, trong đó thời tập trung dòng chảy phụ thuộc vào điều kiện của lưu vực; bảng tra này cũng được xây dựng từ lâu trong điều kiện hạn chế

về số liệu, chuỗi số liệu để xây dựng ngắn dẫn tính chính xác không đảm bảo Vùng mưa quá lớn, các kết quả tính mưa thiết kế sẽ bị thiên lớn hoặc thiên nhỏ

- Việc tra hệ số nhám sườn dốc (n) (phụ thuộc vào hiện trạng sử dụng đất, tỷ lệ cây cỏ); Tra hệ số nhám lòng sông (phụ thuộc vào đặc điểm của lòng sông); Tra hệ số triết giảm do ảnh hưởng của ao hồ (diện tích ao hồ đầm lầy) Các hệ số này cũng rất khó xác định

Kết luận, các bảng tra là cơ sở khoa học của các phương pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông hiện tại đã cũ, chủ yếu sử dụng từ các nghiên cứu ở Liên Xô cũ và được xây dựng từ số liệu rất hạn chế ở Việt Nam (bản đồ tỉ lệ nhỏ, chuỗi số liệu quan trắc ngắn), khả năng hỗ trợ trong tính toán còn theo cách truyền thống, chưa cập nhập

22

các công cụ hiện đại nên kết quả không tránh khỏi những sai số không mong muốn và phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người tính

1.4 Đề xuất hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Từ những hạn chế trong các phương pháp tính lũ cho ngành giao thông ở Việt Nam, và

ưu điểm trong một số phương pháp tính lũ thiết kế đang được sử dụng ở các nước phương Tây, Nhật và Mỹ (Tính ưu việt bởi khả năng cập nhật thông tin liên tục về bề mặt và việc sử dụng các mô hình toán, các kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) hỗ trợ tính toán), luận án đã lựa chọn hướng tiếp cận các phương pháp nghiên cứu tính lũ thiết kế (Mô hình quan hệ, SCS-CN và hồi quy vùng) cho các công trình thoát nước cho khu vực vùng núi Đông Bắc như minh họa trong hình 1.3:

i) Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, điều kiện ứng dụng và yêu cầu số liệu (các thông số cần xác định) của các phương pháp lựa chọn (chi tiết ở mục 1.5);

ii) Nghiên cứu đặc trưng mưa (mục 2.2.1) gồm biến động của mưa lũ thông qua thống

kê và đánh giá các hình thế thời tiết gây mưa lũ trong khu vực; sự biến động của mưa

lũ theo không gian và thời gian Trong đó, phương pháp Mann - Kendall và Sen được

sử dụng để đánh giá sự biến động của mưa theo thời gian, phương pháp phân tích tần suất, xây dựng các bộ đường cong IDF (Cường độ mưa - Thời gian mưa - Tần suất) cho các tiểu vùng khác nhau trong khu vực cũng như chuyển đổi (chi tiết hóa) mưa ngày thành mưa thời đoạn ngắn Kỹ thuật Viễn thám và GIS được sử dụng để cập nhập các số liệu mới từ ảnh vệ tinh và phân tích không gian để đánh giá sự biến động của mưa theo không gian và xây dựng các bản đồ đẳng trị về biến đổi lượng mưa, hệ số biến đổi lượng mưa CV theo không gian trong khu vực nghiên cứu;

iii) Nghiên cứu phân tích điều kiện mặt đệm của khu vực Đông Bắc (mục 2.2.2) bao gồm nghiên cứu phân tích các đặc trưng hình thái của tiểu lưu vực thoát nước qua cầu, nghiên cứu xây dựng bản đồ chỉ số CN, bản đồ hệ số dòng chảy C, bản đồ hệ số nhám Manning và các bảng tra phụ trợ, kỹ thuật Viễn thám và mô hình phân tích không gian trong GIS được sử dụng để tận dụng ưu điểm của dữ liệu không gian và khả năng cập nhật nhanh những dữ liệu này khi áp dụng thực tế;

23

iv) Tính toán thử nghiệm, đánh giá kết quả: phân tích cơ sở và các điều kiện áp dụng từng phương pháp lựa chọn đề xuất các phương pháp phù hợp cho từng loại công trình

và phù hợp với đặc điểm của vùng nghiên cứu (chương III)

Hình 1.3 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu

Tổng quan tài liệu, các bài báo và các nghiên cứu

Xây dựng bản

đồ chỉ số

CN

Xây dựng bản

đồ hệ số dòng chảy C

Xây dựng bản đồ hệ

số nhám Manning n

+ Cường độ mưa (IDF)

+ Lượng mưa thiết

kế + Đường lũy tích mưa 24h

Nghiên cứu đặc trưng mưa Nghiên cứu điều kiện mặt đệm

Tính toán thử nghiệm cho công trình cầu

- Nhóm cầu có A < 5 km2

- Nhóm cầu có A = 5-30 km2

- Nhóm cầu có A = 30-100 km2

- Nhóm cầu có A > 100 km2

Xây dựng phần mềm hỗ trợ và đề xuất áp dụng phương pháp phù

hợp cho khu vực nghiên cứu Lựa chọn phương pháp

Xây dựng cơ sở khoa học tính mưa và mặt đệm

24

v) Xây dựng chương trình tính nhằm tích hợp tất cả các kết quả đạt được cùng với quy trình hướng dẫn tính toán lũ thiết kế cho các công trình giao thông thuộc khu vực vùng núi Đông Bắc với mong muốn chương trình này giải quyết được một số hạn chế trong tính toán hiện nay, đồng thời để mở cho phép người dùng tiếp tục cập nhật và hoàn thiện các phương pháp tính (mục 3.4)

1.5 Tổng quan về khu vực nghiên cứu

Hình 1.4 Bản đồ khu vực nghiên cứu (vùng Đông Bắc)

25

1.5.1.2 Đặc điểm địa hình

Vùng Đông Bắc là khu vực có địa hình đồi núi dốc cao, vực thẳm, chia cắt mạnh, lại nằm trong những tâm mưa lớn, trong mùa mưa lũ tình trạng sạt trượt núi, cắt đứt đường, làm trôi cầu giao thông xảy ra khá nghiêm trọng Hai tỉnh Lạng Sơn và Bắc Kạn thuộc vùng núi Đông Bắc với 80% diện tích đồi núi có địa hình thay đổi lớn như: Địa hình vùng núi cao, địa hình vùng đồi núi thấp, địa hình núi đá vôi, địa hình thung lũng kiến tạo - xâm thực Ở đây là vùng đầu nguồn của các con sông lớn với độ dốc phức tạp tạo điều kiện hình thành các trận lũ quét, lũ ống hay lũ cực hạn nếu diễn biến

về thảm phủ bị thay đổi theo chiều hướng xấu đi Chiếm phần lớn là diện tích núi, đồi,

có nhiều dãy núi cao ở phía Tây, đặc biệt dãy Hoàng Liên Sơn, chạy dọc theo hướng Đông Bắc - Tây Nam, ở phía Đông lại có những dãy núi cao chạy theo hình cánh cung, đồng thời có nhiều con sông, suối bắt đầu nguồn từ núi cao đổ xuống phía đồng bằng làm cho địa hình của Đông Bắc chia cắt phức tạp Dưới đây là bản đồ chi tiết về địa hình thuộc hai tỉnh nằm trong phạm vi nghiên cứu của luận án (Hình 1.5)

Hình 1.5 Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn)

Dãy núi Mẫu Sơn Dãy núi Ngân Sơn

26

1.5.1.3 Đặc điểm địa chất thổ nhưỡng

Sự hình thành cũng như quá trình phát sinh của lớp vỏ thổ nhưỡng có mối liên quan chặt chẽ với đá và khoáng chất hình thành thổ nhưỡng Có khoảng 20 phân vị địa tầng,

có tuổi từ Cambri đến Đệ Tứ Đất đá chủ yếu trong các phân vị này như sau: Đá granit (thuộc nhóm đất macma a xít có hàm lượng SiO2 rất cao), đất được hình thành từ loại

đá này thường có thành phần cơ giới nhẹ, tầng mỏng, độ phì nhiêu thấp:

o Đá Anđêzit (là loại đá thuộc nhóm macma trung tính chưa nhiều loại khoáng chất, đây là loại đá dễ bị phong hóa cho lớp phủ thổ nhưỡng dày, thành phần cơ giới nặng, cấu trúc tơi xốp

hạ lưu sông, đất có tầng sâu dày, nhưng bạc màu

Đặc điểm khí tượng thủy văn

1.5.2

a) Đặc điểm khí tượng

Vùng Đông Bắc là nơi tập trung tâm mưa lớn của cả nước như tâm mưa Bắc Quang, Móng Cái, Đình Lập Mùa mưa ở khu vực Đông Bắc từ tháng V đến tháng IX, lượng mưa chiếm từ 75 - 80% tổng lượng mưa năm, tháng có lượng mưa lớn nhất là tháng

27

VII và tháng VIII với lượng mưa phân bố trên 300mm/ tháng Các tâm mưa lớn xuất hiện ở những vùng núi cao đón gió mùa ẩm, như ở dãy núi Tam Đảo ở hữu ngạn sông Công (trên 2600mm), dãy núi Yên Tử (trên 2000mm), vùng Bắc Quang, Đình Lập, Móng Cái Mùa mưa vào các tháng V - IX, có năm sớm hơn từ tháng IV Lượng mưa ngày lớn nhất đã quan trắc được ở một số trạm như sau: Tại Đình Lập: 306,4mm ngày 14/7/1971 Tại Bắc Kạn: 456,1mm ngày 17/10/1984

Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với đặc trưng khí hậu miền Bắc có mùa đông lạnh, mưa ít; mùa hè nóng ẩm, mưa nhiều Nhiệt độ trung bình năm là 20-220C, cao nhất là 32,50C, thấp nhất là 1,60

C [41] Gió mùa đã gây ra hiện tượng mưa mùa và phân hoá theo không gian Lượng mưa trung bình năm bình quân khoảng 1.084 mm, phân bố không đều theo vùng và theo mùa Mùa mưa từ tháng IV đến tháng IX có mưa nhiều, lượng mưa chiếm khoảng 80 - 85% lượng mưa

cả năm Độ ẩm không khí trung bình hàng năm vào khoảng 82,0% Có 2 hướng gió chính là gió Đông Bắc thổi từ tháng XII đến tháng IV năm sau và gió Đông Nam thổi

từ tháng V đến tháng XI Nơi đây cũng có các tháng mùa hạ mưa lớn, mưa tập trung

dễ gây ra lũ ống, lũ quét, xói mòn đất đai [41] Các đặc trưng trung bình nhiều năm có thể nêu tóm tắt trong bảng sau:

b) Đặc điểm thuỷ văn

Kết quả của các nghiên cứu [7], [9], [11] cho thấy: nguyên nhân gây lũ lớn ở các sông khu vực miền Bắc rất phức tạp do tổ hợp của nhiều loại hình thời tiết Mùa lũ thường

Bảng 1.4 Các đặc trưng khí tượng trung bình nhiều năm

TT Các đặc trưng Trung bình năm Cao nhất Thấp nhất

5 Hướng gió thịnh hành Đông Bắc, Đông Nam

Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng thuỷ văn, Bộ TN&MT( 2015) và [55]