nghiên cứu sự biến động của mƣa lũ và đề xuất cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi đông bắc–việt nam

B GIÁO D C VÀ ÀO T O TR NG B NÔNG NGHI P VÀ PTNT I H C TH Y L I DOÃN TH N I NGHIÊN C U S C S BI N NG C A M A L VÀ XU T KHOA H C TệNH L CHO CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG VỐNG NÚI ƠNG B CậVI T NAM LU N ÁN TI N S K THU T HÀ N I, N M 2016 B GIÁO D C VÀ ÀO T O TR NG B NÔNG NGHI P VÀ PTNT I H C TH Y L I DOÃN TH N I NGHIÊN C U S C S BI N NG C A M A L VÀ XU T KHOA H C TệNH L CHO CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG VÙNG NÚI ÔNG B CậVI T NAM NG IH Chuyên ngành: Th y v n h c Mã s : 62-44-02-24 NG D N KHOA H C PGS.TS Ngô Lê Long PGS.TS Hoàng Thanh Tùng HÀ N I, N M 2016 L I CAM OAN Tác gi xin cam đoan cơng trình nghiên c u c a b n thân tác gi Các k t qu nghiên c u k t lu n lu n án trung th c, không chép t b t k m t ngu n d đ i b t k hình th c nào.Vi c tham kh o ngu n tài li u (n u có) c th c hi n trích d n ghi ngu n tài li u tham kh o quy đ nh Tác gi lu n án Doưn Th N i i L IC M L i đ u tiên tác gi xin đ N c bày t lòng c m n sâu s c đ n PGS.TS Ngơ Lê Long, PGS.TS Hồng Thanh Tùng t n tình h ng d n tác gi su t th i gian nghiên c u th c hi n lu n án Tác gi xin bày t lòng bi t n đ n Ban Giám Hi u, Phịng th Th y giáo khoa Th y v n Tài nguyên n Tr ng t o H&S H, T p c, Phòng Khoa h c Công ngh , i H c Th y L i - Hà N i, giúp đ t o m i u ki n đ tác gi hoàn thành lu n án Tác gi xin chân thành c m n Tr ng i H c Giao Thơng V n T i, Khoa Cơng Trình, B mơn Th y L c - Th y V n, n i tác gi công tác, t o u ki n v th i gian công vi c giúp tác gi hoàn thành lu n án Tác gi xin bày t lòng bi t n đ n gia đình, b n bè ln sát cánh đ ng viên tác gi v t qua m i khó kh n đ th c hi n lu n án c a Tác gi lu n án ii M CL C L I CAM OAN .i L I C M N ii M C L C iii DANH M C CÁC HÌNH NH v DANH M C B NG BI U viii DANH M C CÁC T M VI T T T x U 1 Tính c p thi t c a đ tài .1 M c tiêu nghiên c u .2 it ng ph m vi nghiên c u Cách ti p c n ph ng pháp nghiên c u ụ ngh a khoa h c th c ti n Nh ng đóng góp m i c a lu n án C u trúc c a lu n án .4 CH NG T NG QUAN V NGHIÊN C U TÍNH L THI T K CHO CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG 1.1 T ng quan v tính l thi t k 1.1.1 Các nghiên c u v tính l thi t k th gi i 1.1.2 Các nghiên c u v tính l thi t k 1.2 Vi t Nam T ng quan tính l thi t k cho cơng trình giao thơng .8 1.2.1 Tính l thi t k n c Nh t, ph 1.2.2 Tính l thi t k n c ông Âu Nga 14 1.2.3 Tính l thi t k Vi t Nam 15 1.3 Nh ng h n ch tính l thi t k cho giao thơng xu t h 1.4 1.5 ng Tây M ng ti p c n ph Vi t Nam 20 ng pháp nghiên c u .22 T ng quan v khu v c nghiên c u 24 1.5.1 c m t nhiên 24 1.5.2 c m khí t ng th y v n 26 1.5.3 Tình tr ng giao thơng s c cơng trình mùa m a l 30 1.5.4 Tình hình tài li u nghiên c u 36 iii 1.6 K t lu n ch ng I 39 CH NG XÂY D NG C S KHOA H C TệNH L THI T K CHO CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG KHU V C NGHIÊN C U 41 2.1 C s lý thuy t c a ph ng pháp tính l thi t k 41 2.1.1 Ph ng pháp c a C quan b o v th nh 2.1.2 Ph ng pháp mơ hình quan h 47 2.1.3 Ph ng trình h i quy .51 2.2 C s d li u c a ph ng Hoa K (SCS - CN) 41 ng pháp tính l thi t k .53 2.2.1 Xây d ng c s d li u m a 53 2.2.2 Xây d ng c s d li u m t đ m 84 2.3 K t lu n ch ng II 99 CH NG TÍNH TỐN TH NGHI M VÀ XU T PH NG PHÁP TệNH L THI T K CHO CÁC CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG .101 3.1 C s phân nhóm cơng trình n 3.2 Tính th nghi m theo ph c tính l thi t k .101 ng pháp khác 103 3.2.1 Thông s tính tốn c a l u v c c u tính th nghi m .103 3.2.2 Tính l thi t k theo ph 3.2.3 Tính l thi t k theo mơ hình quan h 114 3.2.4 Tính l thi t k theo ph 3.2.5 Tính l theo pp Xokolopsky C GH (TCVN 9845:2013) 118 3.4 xu t ph Xây d ng ch ng pháp 120 ng trình tính l thi t k cho cơng trình giao thơng 123 Gi i thi u chung v ch 3.4.2 C u trúc c a ch 3.4.3 H ng trình tính 123 ng trình tính 124 ng d n s d ng ch Kêt lu n ch ng quan 115 ng pháp tính phù h p 122 3.4.1 3.5 ng trình h i quy t ánh giá k t qu tính theo ph 3.2.6 3.3 ng pháp SCS - CN .111 ng trình tính 126 ng III .128 K T LU N VÀ KI N NGH .129 DANH M C CỌNG TRỊNH ẩ CỌNG B 133 TÀI LI U THAM KH O 134 PH L C 139 iv DANH M C CÁC HÌNH NH Hình 1.1 Các ph ng pháp tính l cho giao thơng th gi i .8 Hình 1.2 Các ph ng pháp tính l cho giao thơng Vi t Nam 17 Hình 1.3 S đ ti p c n nghiên c u 23 Hình 1.4 B n đ khu v c nghiên c u (vùng ông B c) .24 Hình 1.5 B n đ đ a hình khu v c nghiên c u (T nh B c K n L ng S n) 25 Hình 1.6 B n đ n đ ng khu v c nghiên c u 31 Hình 1.7 B n đ b trí cơng trình n c khu v c nghiên c u 32 Hình 1.8 N c ch y gây xói mái ta luy d ng khơng có rãnh d c n [39] 34 Hình 1.9 Tuy n đ ng n i t nh L ng S n b ng p n m 2013 xói ta luy âm 34 Hình 1.10 N c l tràn qua m t đ ng 34 Hình 1.11 C u Sam Lang lúc khánh thành b l cu n trôi (sau hai tháng s d ng) 35 Hình 1.12 B n đ tr m khí t ng khu v c nc (T nh B c K n L ng S n) 36 Hình 2.1 ng trình l đ n v theo ph ng pháp SCS 44 Hình 2.2 S đ tính l thi t k theo ph ng pháp SCS-CN 46 Hình 2.3 S đ tính l u l ng thi t k theo ph ng pháp mơ hình quan h 51 Hình 2.4 ng c a tr n bão n m 2012 n m 2013 .57 Hình 2.5 ng c a tr n bão Utor n m 2013 57 Hình 2.6 Thành ph L ng S n ng p n c l n m 2014 59 Hình 2.7 ng c a tr n bão n m 2014 2015 .59 Hình 2.8 Bi n đ i l ng m a ngày l n nh t tr m B c K n B c S n 63 Hình 2.9 Bi n đ i l ng m a ngày l n nh t tr m H u L ng L ng S n 63 Hình 2.10 Bi n đ i l ng m a ngày l n nh t tr m Ngân S n Th t Khê 63 Hình 2.11 B n đ h s bi n thiên l ng m a ngày max (CV) vùng ơng B c 65 Hình 2.12 S đ xây d ng IDF theo hàm m .68 Hình 2.13 T ng quan X1ng max-X1h max; X1ng max-X3hmax B c K n-L ng S n (T=100) 69 Hình 2.14 T ng quan X1ng max-X6h max; X1ng max-X12h max B c K n-L ng S n(T=100) 69 Hình 2.15 T ng quan X1ng max- X24 h max t nh B c K n-L ng S n (T=100) 70 Hình 2.16 T ng quan X1ng max-X1h max; X1ngay max-X3hmax B c K n-L ng S n (T=50) 70 Hình 2.17 T ng quan X1ng max-X6h max; X1ng max-X12hmax B c K n-L ng S n (T=50) 70 Hình 2.18 T ng quan X1ng max-X24h max B c K n-L ng S n (T=50) 71 Hình 2.19 S đ b c xây d ng đ ng cong IDF (khu v c nghiên c u) 76 Hình 2.20 B đ ng cong IDF (L ng S n, T = n m T = 10 n m phút) .76 Hình 2.21 B đ ng cong IDF (L ng S n, T = 25 n m T = 50 n m, phút) 77 Hình 2.22 B đ ng cong IDF (L ng S n, T = 100 T = 200 n m, phút) 77 Hình 2.23 B đ ng cong IDF tr m L ng S n ình L p 78 Hình 2.24 B n đ đ ng tr c ng đ m a (I-1-100) (B c K n L ng S n) 80 Hình 2.25 ng cong IDF tr m H u L ng th c đo t ng quan hàm m 81 Hình 2.26 Phân b l y tích m a 24h tr m B c K n B c S n 82 v Hình 2.27 Phân b l y tích m a 24h tr m Ch Rã ình L p 82 Hình 2.28 Phân b l y tích m a 24h tr m L ng S n Ngân S n 83 Hình 2.29 Phân b l y tích m a 24h tr m Th t Khê 83 Hình 2.30 S đ b c xây d ng b n đ ch s CN .86 Hình 2.31 B n đ lo i đ t t nh B c K n L ng S n 88 Hình 2.32 B n đ hi n tr ng s d ng đ t t nh B c K n L ng S n 90 Hình 2.33 B n đ ch s CN t nh B c K n L ng S n 93 Hình 2.34 S đ b c xây d ng b n đ h s dòng ch y C 94 Hình 2.35 B n đ h s dòng ch y t nh B c K n L ng S n (S > 6%) .95 Hình 2.36 S đ b c xây d ng b n đ h s nhám Manning n 96 Hình 2.37 B n đ h s nhám Manning t nh B c K n L ng S n 97 Hình 2.38 B n đ l u v c c u B c Kh ng 98 Hình 3.1 B n đ l u v c c u Can .103 Hình 3.2 B n đ l u v c c u B n Ch t .104 Hình 3.3 B n đ l u v c c u P c V ng 105 Hình 3.4 B n đ l u v c c u K L a 106 Hình 3.5 B n đ hi n tr ng s d ng đ t h s nhám l u v c c u Can 107 Hình 3.6 B n đ h s dòng ch y ch s CN l u v c c u Can .107 Hình 3.7 B n đ hi n tr ng ch s CN l u v c c u B n Ch t 108 Hình 3.8 B n đ h s dòng ch y h s nhám l u v c c u B n Ch t 108 Hình 3.9 B n đ hi n tr ng ch s CN l u v c c u P c V ng .109 Hình 3.10 B n đ h s nhám h s dòng ch y C l u v c c u P c V ng 109 Hình 3.11 B n đ hi n tr ng s d ng đ t ch s CN l u v c c u K L a .110 Hình 3.12 B n đ h s nhám h s dòng ch y l u v c c u K L a 110 Hình 3.13 Quá trình l th c đo tính tốn t i Tr m L ng S n (2008 2013) .112 Hình 3.14 Quá trình m a l thi t k l u v c c u K L a c u P c V ng 113 Hình 3.15 Quá trình m a l thi t k l u v c c u B n Ch t c u Can 114 Hình 3.16 Các b c tính theo ph ng pháp CIA 115 Hình 3.17 T ng quan gi a Q100 ~A Q50~A t i B c K n - L ng S n 117 Hình 3.18 T ng quan gi a Q25~A Q10 ~A t i B c K n - L ng S n 117 Hình 3.19 Giao di n ban đ u n n nh v tinh c a Google map 124 Hình 3.20 S đ kh i xây d ng ch ng trình tính 125 Hình 3.21 Giao di n ban đ u c a ch ng trình tính n n b n đ 126 Hình 3.22 K t qu tính l c u Can theo pp CIA (Trên n n nh v tinh) 127 Hình B đ ng cong IDF tr m T = n m T = 10 n m 139 Hình B đ ng cong IDF tr m T = 25 n m T = 50 n m 139 Hình B đ ng cong IDF tr m T = 100 n m T = 200 n m 139 Hình B đ ng cong IDF tr m Thác Gi ng Ch M i 140 Hình B đ ng cong IDF tr m Ch n An T nh 140 Hình B đ ng cong IDF tr m B ng Kh u B ng L ng 140 vi Hình B đ ng cong IDF tr m B ng Phúc C c án 140 Hình B đ ng cong IDF tr m Côn Minh ông L c 140 Hình B đ ng cong IDF tr m D ng Phong H o Ngh a 140 Hình 10 B đ ng cong IDF tr m Liên Th y Nà P c 140 Hình 11 B đ ng cong IDF tr m Thu n Mang Xuân D ng 140 Hình 12 B đ ng cong IDF tr m Xuân L c Yên Hán 140 Hình 14 B đ ng cong IDF tr m Yên Nhu n 140 Hình 14 B đ ng cong IDF tr m Yên T nh 140 Hình 14 B đ ng cong IDF tr m Vu Loan .140 Hình 15 B n đ l u v c c u Khu i Lu .140 Hình 16 B n đ phân vùng m a theo a giác Theissen c u Can B n Ch t 140 Hình 17 B n đ phân vùng m a theo a giác Theissen c u P c V ng K L a 140 Hình 18 Bi n đ i l ng m a 1h 3h l n nh t tr m Th t Khê 140 Hình 19 Bi n đ i l ng m a 6h 12h l n nh t tr m Th t Khê 140 Hình 20 Bi n đ i l ng m a 1h 3h l n nh t tr m Ngân S n 140 Hình 21 Bi n đ i l ng m a 6h 12h l n nh t tr m Ngân S n .140 Hình 22 Bi n đ i l ng m a 1h 3h l n nh t tr m L ng S n 140 Hình 23 Bi n đ i l ng m a 6h 12h l n nh t tr m L ng S n .140 Hình 24 Bi n đ i l ng m a 1h 3h l n nh t tr m H u L ng 140 Hình 25 Bi n đ i l ng m a 6h 12h l n nh t tr m H u L ng 140 Hình 26 Bi n đ i l ng m a 1h 3h l n nh t tr m ình L p 140 Hình 27 Bi n đ i l ng m a 6h 12h l n nh t tr m ình L p .140 Hình 28 Bi n đ i l ng m a 1h 3h l n nh t tr m Ch Rã 140 Hình 29 Bi n đ i l ng m a 6h 12h l n nh t tr m Ch Rã 140 Hình 30 Bi n đ i l ng m a 1h 3h l n nh t tr m B c S n 140 Hình 31 Bi n đ i l ng m a 6h 12h l n nh t tr m B c S n 140 Hình 32 Bi n đ i l ng m a 1h 3h l n nh t tr m B c K n 140 Hình 33 Bi n đ i l ng m a 6h 12h l n nh t tr m B c K n 140 Hình 34 K t qu tính l c u P c V ng theo pp SCS (Trên n n nh v tinh) 140 Hình 35 K t qu tính l c u P c V ng theo pp SCS (Trên n n nh v tinh) 140 vii DANH M C B NG BI U B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B ng 1.1 Tóm t t ph ng pháp tính l thi t k cho giao thông M 10 ng 1.2 B ng th ng kê ph ng pháp tính l thi t k ơng Âu Nga 15 ng 1.3 Quy đ nh v t n su t l 16 ng 1.4 Các đ c tr ng khí t ng trung bình nhi u n m .27 ng 1.5 Dòng ch y trung bình nhi u n m khu v c nghiên c u 29 ng 1.6 B ng phân lo i c u theo chi u dài khu v c nghiên c u .33 ng 1.7 Các s c cơng trình giao thơng khu v c nghiên c u 35 ng 1.8 Các tr m đo m a thu c t nh B c K n L ng S n .37 ng 1.9 Các tr m quan tr c th y v n thu c t nh B c K n L ng S n .38 ng 2.1 Xác su t bão, ATN có l ng m a 24 gi c c đ i c p (%) 54 ng 2.2 Xác su t bão, ATN có t ng l ng m a theo c p (%) 54 ng 2.3 K t qu ki m đ nh xu th l ng m a ngày l n nh t 64 ng 2.4 B ng h s CV l ng m a ngày l n nh t vùng ông B c 65 ng 2.5 B ng thông s tr m, t nh B c K n L ng S n (T=100 n m) 68 ng 2.6 B ng h s c a ph ng trình đ ng cong IDF, I = a.Dn .78 ng 2.7 B ng h s c a ph ng trình đ ng cong IDF, I = a.Dn .78 ng 2.8 K t qu tính c ng đ m a theo hàm m cho khu v c nghiên c u 79 ng 2.9 Chênh l ch k t qu gi a hai đ ng cong IDF(%) 81 ng 2.10 B ng so sánh k t qu tính theo lu n án TCVN 9845:2013 .83 ng 2.11 B ng ph n tr m sai s gi a k t qu tính theo lu n án TCVN 84 ng 2.12 B ng phân lo i nhóm đ t khu v c nghiên c u 88 ng 2.13 B ng th ng kê hi n tr ng s d ng đ t khu v c nghiên c u 89 ng 2.14 B ng giá tr CN ng v i s d ng đ t nhóm đ t (tham chi u) 91 ng 2.15 B ng giá tr CN đ i v i tình hình s d ng đ t nhóm đ t 92 ng 2.16 B ng tra h s dịng ch y C (nhóm A B) 94 ng 2.17 B ng tra h s dòng ch y C (nhóm C D) 95 ng 2.18 B ng tra h s nhám Manning .97 ng 2.19 K t qu tính đ c tr ng (l u v c c u B c Kh ng) .98 ng 3.1 Các đ c tr ng l u v c (tính tốn t GIS) t i c u Can 103 ng 3.2 Các đ c tr ng tr ng l u v c (tính tốn t GIS) t i c u B n Ch t .104 ng 3.3 Các đ c tr ng tr ng l u v c (tính tốn t GIS) t i C u P c V ng 105 ng 3.4 Các đ c tr ng tr ng l u v c (tính tốn t GIS) t i K L a 106 ng 3.5 Các thông s CN, h s nhám h s dòng ch y c a c u Can 107 ng 3.6 Các thông s CN, h s nhám h s dòng ch y c a c u B n Ch t 108 ng 3.7 Các thông s CN, h s nhám h s dòng ch y c a c u P c V ng .109 ng 3.8 Các thông s CN, h s nhám h s dòng ch y c a c u K L a 111 ng 3.9 K t qu tính l u l ng thi t k theo ph ng pháp SCS-CN .113 ng 3.10 K t qu tính l u l ng thi t k theo mơ hình quan h .115 viii Figure 2.32 Curve Number map of the Bac Kan - Lang Song region 2.2.2.2 Development of runoff coefficient map Development of runoff coefficient map for the studied areas is performed according to diagram 2.33 The result is illustrated in figure 2.34 Figure 2.33 Diagram for development of roughness coefficient map 2.2.2.3 Figure 2.34 Runoff coefficient map of Bac Kan and Lang Son provinces Development of roughness factor coefficient (Manning n) map Development of n roughness factor map for the studied areas is performed according to diagram 2.35 The result is illustrated in figure 2.36 Figure 2.35 Diagram for development of roughness coefficient map Figure 2.36 Roughness coefficient map of B c K n L ng S n provinces 14 2.2.2.4 Delineation and determination of catchment features from DEM It is very necessary to calculate characteristics of catchment such as averaged elevation, runoff direction are used to estimate time of concentration, catchment area More than 40 drainage catchments of the Northeast Region of Vietnam have been delineated and its characteristics have been determined Sample results are briefly shown in Figure 2.37 and Table 2.17 Figure 2.37 Map of Bac Khuong bridge catchment B ng 2.17 Characteristics of c u B c Kh No 2.3 Characteristics of Bac Khuong Bridge ng bridge catchment Symbol Unit Design probability P % Value Catchment area F km2 506,5 Main flow length L km 27,3 Total flow length ∑Li km 40,1 Catchment length Llv km 56,2 Catchment averaged width B km2/km 9,0 Catchment roughness n 2,0 Catchment averaged slope J(Sb) % 23,6 River bed slope Js(Sr)% 0,4 Conclusion of chapter II It has been seen from the research results that if the North - East Region is assumed as one of 18 rainfall regions in Vietnam as specified in TCVN 9845:20013, is not suitable in calculation of design floods because of large changes of rainfall over space Thus, for calculation of design floods for small drainage catchments in transportation, it is suitable to downscale daily to 15 hourly rainfall, to develop IDF curves, to develop 24 hour accumulation rainfall distribution curves and to develop rainfall contour maps In addition, the downscaling and updating of catchment surface such as catchment delineation and characteristics determination, development of CN, runoff coefficient, roughness coefficient grid maps are also important in establishing scientific base (database) for application of selected flood design calculation method in this dissertation CHAPTER CASE STUDIES AND RECOMMENDATION OF DESIGN FLOOD METHODS FOR TRANSPORTATION 3.1 Classification of drainage structures in calculation of design floods Drainage structures are classified based on the followings: + Applied condition of calculation method: the rational method is applied for catchments with area less than 65 km2; SCS method is applied for catchments with area range from to 500 km2; while the regional recurrent method is applied based on the data details; + Data collection on drainage structures (location, route, quantity); + Calculation parameters (soil types, land cover, land used, CN, runoff coefficient, roughness coefficient, slope etc) This research has classified drainage catchments for calculation of design flood into groups: The first group: structures having small drainage catchment area (A 100 Design SCS-CN Catchment size (km2) A