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

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐẶNG QUỐC TUẤN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐÊ HỮU HỒNG ĐOẠN QUA HÀ NỘI TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng Mã số : 62580211 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: TS Phạm Quang Tú Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Trịnh Minh Thụ Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp , Trường Đại học Thủy lợi vào lúc giờ, ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Đồng sông Hồng (ĐBSH) vùng đất rộng lớn nằm quanh khu vực hạ lưu sông Hồng Đây vùng kinh tế, trị quan trọng đất nước có thủ Hà Nội Hệ thống cơng trình phòng chống lũ bảo vệ cho ĐBSH gồm hồ chứa thượng lưu hệ thống đê điều hạ lưu với tổng chiều dài khoảng 3.000 km Các hồ chứa thượng lưu đầu tư xây dựng tương đối hoàn chỉnh, hệ thống đề điều hạ lưu nhận quan tâm Nhà nước nên bố trí nhiều nguồn vốn khác để củng cố, nâng cấp nhằm bảo đảm an toàn chống lũ thiết kế phấn đầu chống lũ cao Tuy nhiên, hệ thống đê ĐBSH có lịch sử hình thành lâu đời, thân đê đắp tôn cao mở rộng qua nhiều thời kỳ khác để trống lũ tràn, đê thường không xử lý trước đắp nên có lũ lớn, đoạn đê có xấu thường xuất cố, nhiều nơi lặp lặp lại Mặt khác, biến đổi khí hậu (BĐKH) tạo nhiều hình thái thời tiết cực đoan với bão, lũ cường độ lớn, trái mùa liên tiếp xảy gây nên tác động bất lợi cho hệ thống cơng trình phòng lũ Sự phát triển kinh tế, xã hội tầm quan trọng vùng bảo vệ ngày tăng đòi hỏi phải nâng cao mức đảm bảo an tồn hệ thống cơng trình phòng chống lũ Trước thực trạng trên, việc nghiên cứu sở khoa học làm đề xuất giải pháp tăng cường ổn định đê sông Hồng bối cảnh BĐKH cần thiết cấp bách Mục tiêu nghiên cứu Luận án cần đánh giá mức độ an tồn hệ thống đê Hữu sơng đoạn từ Sơn Tây Phú Xuyên (Hà Nội) điều kiện BĐKH trọng tâm vào xác định điều kiện biên thủy lực, nghiên cứu q trình xói ngầm đê số giải pháp giảm thiểu ngập lụt theo lý thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: đối tượng nghiên cứu chủ yếu luận án hệ thống đê hữu sông Hồng địa bàn thành phố Hà Nội với điều kiện địa chất điều kiện biên thủy lực có xét đến tác động BĐKH Phạm vi nghiên cứu: đề tài tập trung đánh giá an toàn hệ thống cơng trình phòng lũ qua chế ổn định theo kịch BĐKH NBD cập nhật đến năm 2016 Nội dung nghiên cứu Dựa mục tiêu nêu, câu hỏi nghiên cứu sau đặt ra: (i) Ảnh hưởng BĐKH theo kịch khí hậu tác động đến chế độ thủy văn sông Hồng phạm vi nghiên cứu?; (ii) Cơ chế cố có nguy gây ổn định hệ thống đê sơng Hồng?; (iii) Đánh giá ảnh hưởng q trình xói ngầm đê sơng Hồng thơng qua mơ hình vật lý phòng phân tích thống kê trường?; (iv) Đánh giá an toàn hệ thống đê sông Hồng điều kiện BĐKH NBD lý thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro? Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp (i) Phương pháp kế thừa; (ii) Phương pháp chuyên gia; (iii) Phương pháp phân tích tổng hợp; (iv) Phương pháp sử dụng mơ hình số để tính tốn; (v) Phương pháp thực nghiệm phòng Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: nghiên cứu phân tích hệ thống nghiên cứu thực nghiệm nguyên nhân quan trọng dẫn đến cố đê sông Hồng Ý nghĩa thực tiễn: xác định xác suất cố hệ thống đê Hữu Hồng làm sở lựa chọn giải pháp phòng cố Cấu trúc luận án Ngồi phần mở đầu kết luận, luận án gồm có chương: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu an toàn đê điều kiện BĐKH Chương 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu, đánh giá an toàn đê giải pháp tăng cường ổn định đê Chương 3: Nghiên cứu tượng xói ngầm đê mơ hình vật lý phòng Chương 4: Đánh giá an tồn đê sông Hồng điều kiện BĐKH CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU AN TOÀN ĐÊ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 1.1 Hệ thống cơng trình phòng chống lũ bảo vệ vùng ĐBSH 1.1.1 Hệ thống hồ chứa thượng lưu Do có vị trí địa hình thuận lợi nên lãnh thổ Việt Nam có nhiều hồ chứa xây dựng Theo thống kê, lưu vực có khoảng 53 hồ lớn nhỏ trạng thái vận hành, xây dựng quy hoạch Đặc biệt, dòng có hồ chứa lớn đa mục tiêu đưa vào vận hành khai thác, hồ: Lai Châu (sông Đà); Thác Bà (sông Chảy); Sơn La (sông Đà); Tun Quang (sơng Gâm); Hòa Bình (sơng Đà) Trong nhiệm vụ hồ điều tiết, cắt lũ để mực nước hệ thống sông hạ lưu không vượt ngưỡng cho phép nhằm bảo đảm an toàn cho hệ thống đê 1.1.2 Hệ thống đê điều hạ lưu Vùng ĐBSH có cao độ tự nhiên đa phần thấp mực nước hệ thống sông vào mùa lũ nên từ xa xưa cư dân người Việt cổ phải đắp tuyến đê bao để bảo vệ nơi sinh sống cach tác Sau có lũ lớn đê tơn cao mở rộng dần, q trình tiếp diễn cách bền bỉ qua triều đại phong kiến quyền thực dân hộ Từ hòa bình lập lại, hệ thống đê sơng nhận quan tâm đầu tư nhiều nguồn vốn khoa học kỹ thuật nên xây dựng phòng tuyến vững với tuyến đê quy mô bảo vệ cho vùng đất rộng lớn ngày phát triển mạnh mẽ mặt Hình 1.2 1.3 minh họa cho trình phát triển đê Hữu Hồng qua số giai đoạn khác Có thể thấy hệ thống đê sơng Hồng nói chung đê Hữu Hồng nói riêng đắp qua nhiều thời kỳ khác nên thân đê có tính đồng khơng cao; đê thường không xử lý trước đắp, vấn đề chọn tuyến khơng xem trọng Do hệ thống đê ln tiềm ẩn nhiều cố có nguy dẫn đến an toàn mùa bão lũ Hình 1.2 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1915 đến 1945 Hình 1.3 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1945 đến 2000 Theo tài liệu thống kê đơn vị quản lý đê điều phòng chống lụt bão, cố thường gặp: thân đê tượng thẩm lậu, lún, nứt, trượt, rò rỉ, tổ mối; đê phổ biến mạch đùn sủi bãi đùn sủi nhiều vị trí nước mang theo cát 1.2 Biến đổi khí hậu Việt Nam BĐKH hữu ảnh hưởng không nhỏ đến tất lĩnh vực có cơng trình hạ tầng kỹ thuật theo xu bất lợi Hệ thống công trình phòng chống lũ vùng ĐBSH khơng nằm ngồi ảnh hưởng Trước thực trạng BĐKH, Tài nguyên Môi trường vào kịch phát thải khí nhà kính Ủy ban Liên phủ BĐKH (IPCC) để dự báo thay đổi yếu tố khí tượng, thời tiết, nước biển dâng (NBD) toàn lãnh thổ VN giai đoạn khác tương lai, làm sở cho Bộ, Ban, Nghành địa phương kịp thời có giải pháp ứng phó Trong nghiên cứu sử dụng kết dự báo NBD ứng với kịch phát thải khí nhà kính trung bình (RCP4.5) để tiến hành tính tốn xác định điều kiện biên thủy lực, thông số đầu vào tốn đánh giá an tồn đê (ATĐ) 1.3 Tổng quan nghiên cứu an toàn đê 1.3.1 Các nghiên cứu nước Trước thực trạng BĐKH toàn cầu, quốc gia phát triển tập trung nghiên cứu để đối phó với biến đổi, thách thức bối cảnh - Ở Hà Lan năm 2008, Ủy ban Nghiên cứu đồng đề xuất với phủ nâng mức an tồn hệ thống phòng lũ lên 10 lần, chống NBD lên đến 1,3 m để ứng phó với BĐKH đến năm 2100; - Các nước Châu Âu có hợp tác xuyên quốc gia nghiên cứu liên quan đến an toàn hệ thống cơng trình phòng lũ tác động BĐKH, NBD; tạo sản phẩm có hàm lượng khoa học có tính ứng dụng cao Mỹ quốc gia khác Nhật Bản, Nga, Úc,… tiến hành nghiên cứu liên quan vấn đề này; - Lý thuyết độ tin cậy (LTĐTC) phân tích rủi ro áp dụng toán đánh giá ngập lụt, từ việc xem xét đến bất định biến đầu vào, bất định mô hình tính tốn lỗi người gây Một số tác giả nước sâu vào nghiên cứu xói ngầm, đó: - Tsugaev vào số liệu thống kê cố cơng trình thủy lợi đất để chỉnh lý mơ hình lý thuyết, xác định Gradient áp lực thấm cho phép Theo Tsugaev dòng thấm nguy hiểm (không cho phép) đập đất dòng thấm xuất hang thấm tập trung nhiệm vụ xây dựng cơng trình đất cần phải làm để không cho phép xuất hang (độ bền thấm đặc biệt); - Các mơ hình kiểm tốn xói ngầm Bligh Lane thiết lập thông qua hàng loại số liệu cố đập giới: dự báo chiều cao cột nước chênh giới hạn với loại đất khác nhau, chứa nhiều hệ số kinh nghiệm đơn giản nên dùng rộng rãi; - Một số tác Sellmeijer, Vera van;… sử dụng mơ hình thí nghiệm phòng trường để nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng tham số đất đến xói ngầm gồm: hệ số thấm; đường kính hạt; khối lượng thể tích; hs không hạt,… 1.3.2 Các nghiên cứu nước Các nghiên cứu nước sử dụng mơ hình lý thuyết với mơ hình thực nghiệm phòng trường nghiên cứu an tồn đê Điển hình nghiên cứu nhà khoa học thuộc viện Địa chất, viện Khoa học Thủy Lợi, trường đại học Mỏ địa chất, trường đại học Thủy Lợi, tiêu biểu như: Nguyễn Trấn; Nghiêm Hữu Hạnh; Phạm Văn Quốc; Tô Xuân Vu; Bùi Văn Trường,… Trong nhiều tác giả sâu vào nghiên cứu xói ngầm đê xói ngầm nguy tiềm ẩn gây an toàn đê Các nghiên cứu nước đề xuất số giải pháp tăng cường ổn định đê, số giải pháp đó, giải pháp giếng giảm áp cừ chống thấm nhiều nhà khoa học kiến nghị áp dụng để nâng cao an tồn đê sơng Hồng, sơng Thái Bình 1.4 Định hướng nghiên cứu luận án Từ tổng quan nghiên cứu trên, tồn liên quan đến an toàn đê cần tập trung giải đề tài gồm: (i) BĐKH có ảnh hưởng đến hệ thống cơng trình phòng lũ ĐBSH, đê Hữu Hồng; (ii) Các chế cố xảy với hệ thống cơng trình phòng lũ tuyến đê Hữu Hồng thuộc địa bàn thành phố Hà Nội; (iii) Diễn biến cố BDT đê sông Hồng thể nào; (iv) Mức độ an tồn hệ thống cơng trình phòng lũ tuyến đê Hữu Hồng thuộc địa bàn thành phố Hà Nội; (v) Cơ sở đề xuất giải pháp cơng trình nâng cao mức an tồn hệ thống cơng trình phòng lũ 1.5 Kết luận chương Đê sơng Hồng hình thành từ lâu đời, đắp tôn cao mở rộng dần qua nhiều thời kỳ khác nhau, việc chọn tuyến xử lý đê trước đắp thường chưa xem trọng Do thân đê tiềm ẩn nhiều nguy dẫn tới an tồn mùa mưa lũ BĐKH hữu, với mưa bão cường độ lớn, nhiệt độ tăng, NBD gây bất lợi cho hệ thống cơng trình phòng chống lũ Mơ hình thí nghiệm vật lý phòng trường sử dụng phổ biến nghiên cứu xói ngầm Các nghiên cứu nước xói ngầm nguy gây an tồn cơng trình chắn nước Các nghiên cứu nước xói ngầm cát chảy biến hình thấm phổ biến gây an tồn đê nói chung đê sơng Hồng nói riêng Nghiên cứu phần làm sáng tỏ an toàn đê sơng Hồng bối cảnh BĐKH có xem xét chi tiết đến chế biến dạng thấm (BDT) xói ngầm, đẩy trồi, tràn đỉnh đê CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐÊ VÀ GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH ĐÊ 2.1 Điều kiện biên thủy lực Trong bối cảnh BĐKH, cần tiến hành tính tốn xác định mực nước lũ trình lũ hệ thống sơng Hồng để làm sở cho tốn phân tích, đánh giá ATĐ Sử dụng mực NBD ứng với kịch phát thải khí nhà kính trung bình (RCP4.5); lũ thiết kế chu kỳ lặp lại 300 năm 500 năm; hồ chứa thượng lưu vận hành theo Quyết định số 1622/QĐ-TTg ngày 17/09/2015 thủ tướng Chính phủ việc ban hành Quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Hồng (QT1622) Theo QT1622, liên hồ chứa thượng lưu vận hành theo hai trạng thái bình thường bất lợi: bình thường hồ chứa thượng lưu vào thời kỳ lũ vụ trì mức thấp; bất lợi hồ tích sớm sau 10/8 với mực nước cao hơn, trường hợp sai sót cơng tác dự báo có trận lũ lớn xảy bất lợi cho cơng trình đầu mối hồ chứa đồng thời bất lợi cho hệ thống đê hạ lưu Q trình tính tốn diễn tốn lũ thể sơ đồ Hình 2.1 Trong kế thừa tồn mạng lưới sơng, mặt cắt thơng số mơ hình MIKE 11 viện Quy hoạch Thủy lợi thiết lập cho lưu vực sơng Hồng Hình 2.1 Sơ đồ tính tốn dòng chảy lũ hệ thống sơng Hồng Diễn tốn lũ hệ thống sông Hồng cho kết đoạn sông (Km28+500 ÷ Km117+900) sau: với lũ có chu kỳ 500 năm, mực nước lớn Sơn Tây (Km31+600) đạt +16,0 m, Hà Nội (Km65+210) +13,4 m; với lũ chu kỳ 300 năm, mực nước tương ứng Sơn Tây Hà Nội +15,5 m +12,9 m Như vậy, trường hợp bất lợi đảm bảo mực nước lớn sông Hồng không vượt ngưỡng quy định (tại Sơn Tây +16,0 m; Hà Nội +13,4 m) nhiên thời gian trì lũ báo động II kéo dài đến 180 2.2 Điều kiện địa chất cơng trình phân chia cấu trúc đê Nền đê sông Hồng nói chung, đê Hữu Hồng nói riêng có đặc điểm địa chất cơng trình biến đổi phức tạp Để đơn giản việc đánh giá khả phát sinh BDT nhằm tìm giải pháp xử lý, cần điển hình hóa cấu trúc địa chất đê tồn tuyến (phân đoạn đê), hay nói cách khác phải tiến hành phân chia tuyến đê thành đoạn có cấu trúc (CTN) mơ hình đại diện Phạm Quang Tú vào địa tầng đê cố xảy khứ để phân đê Hữu Hồng đoạn qua Hà Nội với chiều dài khoảng 100 km thành 17 đoạn (Hình 2.11) với ba CTN điển hình (Hình 2.13) Hình 2.11 Phân đoạn đê Hữu Hồng với mức độ nguy hiểm thấm khác Hình 2.13 Các kiểu mơ hình đê Hữu Hồng từ Sơn Tây đến Phú Xuyên Trong nghiên cứu này, kế thừa cách phân đoạn đê để sử dụng đánh giá an toàn đê thực Chương Các số liệu thống kê cố xảy ngồi trường đê sơng Hồng cho thấy phổ biến tượng xói ngầm Thực tế, xói ngầm gây số trận vỡ đê để lại hậu nghiêm trọng (vỡ đê Cống Thôn năm 1971, vỡ đê Vân Cốc năm 1986) Do xói ngầm tượng địa chất cơng trình nguy hiểm đe dọa đến an tồn đê cơng trình phòng lũ nên đề tài tác giả kế thừa nghiên cứu trước tiếp tục sâu nghiên cứu xói ngầm thơng qua hai mơ hình vật lý thí nghiệm phòng (thấm ngang thấm đứng) 2.6.3 Cơ sở xây dựng mơ hình thí nghiệm thấm phòng Sử dụng mơ hình thực nghiệm tương tự vật lý để nghiên cứu xói ngầm Sự tương tự vật lý hai q trình vật lý mơ hình thực tế phải có chế tương đồng, với đặc trưng hình học khác theo tỷ lệ định Điều có nghĩa tương tự vật lý dựa tương tự hình học hai trình vật lý cần xem xét Khi có tương tự hình học, để biết tất kích thước hình thể tương tự, ta nhân với tỷ lệ tuyến tính (l) Đây tỷ số kích thước thiên nhiên kích thước mơ hình 2.7 Các giải pháp nâng cao an tồn đê Đê cơng trình chống lũ đất, có vai trò quan trọng nằm thiên nhiên nên chịu tác động tổng hợp nhiều yếu tố: tự nhiên mưa bão, dòng chảy; động vật, trùng chuột, cầy, mối,…; người gồm hoạt động khoan, đào, chất tải,… Các tác động thường gây hư hại bên nên khó phát kiểm sốt, có lũ lớn xuất bộc lộ ngồi Chúng ta ln phải đối phó với nguy tiềm ẩn tình trạng bị động thực tế xảy trận vỡ đê lớn để lại hậu nghiêm trọng Đối với cơng trình chắn nước đất, thường gặp phải cố như: ổn định mái dốc; thấm vượt giới hạn cho phép; lún lớn; hình thành hang hốc thân cơng trình Nếu khơng có giải pháp xử lý, ngăn chặn kịp thời dẫn tới nguy đổ vỡ mùa mưa lũ Để đảm bảo ổn định cho đê, giải pháp cơng trình phi cơng trình đưa cần tập trung vào việc tăng cường ổn định mái đê, giảm áp lực thấm đê, hạn chế lún chênh lệch lún, xử lý chống mối,… 11 2.8 Nguyên lý rủi ro thiết kế cơng trình Các cố sạt trượt mái đê, đùn sủi BDT đê có nguy dẫn đến vỡ đê diễn mùa mưa lũ Cần phân tích kiểm sốt rủi ro để đưa giải pháp giảm thiểu tối đa rủi ro cho vùng đê bảo vệ Phân tích rủi ro giúp đưa định lựa chọn giải pháp cơng trình thích hợp để có đầu tư hiệu Kết tốn phân tích rủi ro thiết lập đường cong chi phí tổng thiệt hại từ xác định phương án tối ưu tăng cường ổn định đê 2.9 Kết luận chương Nền đê sơng Hồng có địa chất phức tạp, nhạy cảm với BDT, mực nước lũ cao kéo dài ngày phát sinh nhiều nguy gây an toàn đê Việc phân chia CTN đê giúp đánh giá ATĐ có tính hệ thống khoa học trọng tâm vào đoạn có nguy ổn định BDT Mơ hình vật lý nghiên cứu xói ngầm mơ lại điều kiện biên thủy lực điều kiện BĐKH mơ hình vị trí nhạy cảm BDT, nội dung chi tiết trình bày Chương CHƯƠNG NGHIÊN CỨU XÓI NGẦM DƯỚI NỀN ĐÊ BẰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ TRONG PHỊNG 3.1 Giới thiệu chung Bằng mơ hình thí nghiệm phòng, tiến hành nghiên cứu tượng xói ngầm nhằm hiểu rõ chất vật lý BDT diễn đê: quan sát chi tiết diễn biến trình thấm đê quan sát trình đùn sủi dẫn tới phá hủy hạ lưu đê; thơng qua mơ hình thấm ngang, tìm quan hệ (Lx  T, Lx  H) với độ chặt khác cát thí nghiệm Các tương quan hệ có ý nghĩa quan trọng dự báo trình phát triển ống xói trận lũ sơng Hồng Mặt khác, từ số liệu thống kê đùn sủi xảy khứ thiết lập quan hệ cố trường với mực nước sông Để đánh giá ATĐ phải dựa vào kết quan sát, thống kê thực tế Tuy nhiên, toàn tuyến cơng trình khơng phải vị trí có đầy đủ số liệu thống kê 12 trường Đây lý cần tiến hành mơ hình phòng với số liệu trường có để đánh giá ATĐ Sự khác biệt hai chuỗi số liệu tác giả đề xuất hệ số, hệ số tương quan hai mơ hình phòng thực tế trường [hệ số alpha (αn) hệ số mơ hình ()] 3.2 Thiết kế mơ hình thí nghiệm Có nhiều phương pháp nghiên cứu BDT khác nhau, nghiên cứu mơ hình vật lý phương pháp có nhiều ưu điểm cho phép xét đến đầy đủ tính phức tạp điều kiện tự nhiên 3.2.1 Tỷ lệ mơ hình, ưu nhược điểm mơ hình thí nghiệm phòng Với mơ hình thấm ngang chiều dài đường thấm, với mơ hình thấm đứng chiều dày tầng chứa nước yếu tố trực tiếp định đến việc lựa chọn tỷ lệ mô hình Tuy nhiên, điều kiện vận chuyển lắp đặt, thao tác vận hành mơ hình yếu tố ảnh hưởng đến kích thước thiết bị Từ đó, chọn tỷ lệ mơ hình thấm ngang 1/100 thấm đứng 1/50, tỷ lệ sở để thiết kế, chế tạo thi công lắp đặt mơ hình Mặc dù mơ hình thí nghiệm vật lý phòng đóng vai trò lớn nghiên cứu thủy địa cơ, mô gần tượng với điều kiện tương đồng với thực tế làm việc cơng trình Hạn chế ảnh hưởng kích thước thiết bị tính nguyên trạng vật liệu thí nghiệm Tuy nhiên, phương pháp có ưu điểm tiến hành đơn giản, lặp lặp lại nhiều lần với nhiều trường hợp kịch khác nhau, chi phí tốn điều quan trọng nghiên cứu quan sát trực tiếp chất, diễn biến q trình thấm 3.2.2 Kích thước mơ hình Thí nghiệm tiến hành phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật trường đại học Thủy Lợi Mô hình thí nghiệm gồm ba phận chính: hệ thống cung cấp trì cột áp thấm; hộp thí nghiệm; hệ thống thu nước thấm; ngồi có hệ thống camera quan sát diễn biến trình thấm ngăn (2) Mơ hình thí nghiệm thấm ngang (Hình 3.3a): hộp thí nghiệm hình chữ nhật làm thép, kích thước (rộng x dài x cao) = (53x113x42)cm; mơ hình thí nghiệm thấm đứng: đường kính hộp 30 cm, chiều cao 40 cm (Hình 3.3b) 13 (b) Thiết bị thí nghiệm thấm đứng (a) Thiết bị thí nghiệm thấm ngang Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo mơ hình thí nghiệm I: Hộp thí nghiệm (chứa mẫu cát), II: Bình tạo áp thượng lưu, III: Bình chứa nước hạ lưu, IV: Máy bơm, (1): Miền cấp nước (thượng lưu), (2) mẫu cát, (3) miền thoát nước (hạ lưu) 3.2.3 Vật liệu thí nghiệm Vật liệu thí nghiệm ngăn (2) cát đê Hữu Hồng, lấy vị trí xảy cố đùn sủi nguy hiểm khu vực đê Sen Chiểu (Km31÷Km33) khu vực đê Lĩnh Nam (đê Bùng) (Km73+500 ÷ Km74+100) 3.3 Thí nghiệm thấm ngang Mơ hình thí nghiệm thấm ngang sử dụng để nghiên cứu vận động dòng thấm theo phương nằm ngang, dòng thấm gây BDT trầm tích chứa nước đê Hình 3.8 trình phát triển ống xói từ hình thành hạ lưu hồn chỉnh nối thơng đến thượng lưu miền thấm: chênh cao cột nước đủ lớn, quan sát thấy dịch chuyển cát, nước thấm thoát đục dần; cột áp thấm tăng lên tiếp tục trì, quan sát thấy cát bị đẩy hạ lưu qua cửa thoát ống xói hình thành (Hình 3.8a); cột áp thấm trì tăng thêm, quan sát thấy cát hạ lưu nhiều hơn, ống xói phát triển nhanh (Hình 3.8b); chênh cao cột áp tiếp tục tăng lên đạt đến giá trị định, quan sát thấy ống xói phát triển mạnh hơn, hình thành nhiều nhánh với quỹ đạo bất định, cát thoát hạ lưu lớn (Hình 3.8c); tiếp tục tăng cột áp thượng lưu, ống xói phát triển nối thơng từ hạ lưu đến thượng lưu miền thấm, sau quan sát thấy mơi trường thấm sập xuống bị phá hủy (Hình 3.8d) 14 (a) (b) (c) (d) Hình 3.8 Q trình phát triển ống xói Hình 3.9 thể ống xói hình thành liên tục miền thấm sau gây phá hủy mơi trường thấm (Hình 3.9a ảnh chụp thực tế; Hình 3.9b quỹ đạo bất định ống xói biểu diễn giấy bóng kính có lưới vng) (a) (b) Hình 3.9 Sơ đồ ống xói hình thành BDT từ thí nghiệm thấm ngang Thí nghiệm thấm ngang thiết lập tương quan chênh cao cột nước H chiều dài ống xói Lx theo thời gian Hình 3.10 3.18 Kết quan trọng sử dụng để thiết lập mơ hình dự báo phát triển chiều dài ống xói ngồi trường (ở Chương 4) 15 Hình 3.18 Lx T cát Sen Chiểu Hình 3.10 ΔH~T cát Sen Chiểu Có thể chia q trình thấm ngang thành ba giai đoạn (Hình 3.20): giai đoạn (GĐ1) từ dâng nước thí nghiệm đến bắt đầu có dịch chuyển cát; giai đoạn (GĐ2) từ thời điểm cát bắt đầu dịch chuyển đến ống xói phát triển đến độ dài Lx-gh; giai đoạn (GĐ3) từ ống xói vượt qua Lx-gh đến hình thành liên tục thơng suốt từ hạ lưu đến thượng lưu phá hủy môi trường thấm Ở cuối giai đoạn xác định gradient áp lực thấm tương ứng (J1; J2 J3) Cụ thể: cát xốp (J1 = 0,119 ÷ 0,369; J2 = 0,300 ÷ 0,402; J3 = 0,452 ÷ 0,598); cát chặt vừa (J1 = 0,238 ÷ 0,452; J2 = 0,392 ÷ 0,600; J3 = 0,452 ÷ 0,892); cát chặt (J1 = 0,402 ÷ 0,598; J2 = 0,598 ÷ 0,696; J3 = 0,700 ÷ 0,990) Hình 3.20 Sơ họa giai đoạn phát triển BDT Trên Hình 3.20: L0 chiều dài ban đầu miền thấm; Lx,t chiều dài ống xói; Lt chiều dài lại miền thấm (Lt = L0 - Lx,t); Lx-gh chiều dài ống xói giới hạn (trước chiều ống xói đạt đến giá trị miền thấm an tồn); t1, ts, t2, tf thời điểm quan sát thấy cát bắt đầu dịch chuyển, ống xói bắt đầu hình thành hạ lưu, ống xói đạt chiều dài Lx-gh ống xói 16 hồn chỉnh nối thơng từ hạ lưu đến thượng lưu miền thấm gây phá hủy mơi trường thấm 3.4 Thí nghiệm thấm đứng Hình 3.21 trích từ camera theo dõi thí nghiệm, giai đoạn phát triển trình thấm theo phương đứng từ nước thấm không mang theo cát đến cát bị đùn đẩy lên tăng cực hạn dẫn tới phá hủy mơi trường thấm (a): Các bãi sủi hình thành (b): Phễu xói phát triển (c): Miền thấm bị phá hủy (d): Phễu xói sau rút nước Hình 3.21 Diễn biến trình thấm đứng Từ kết q trình quan sát, theo dõi thí nghiệm, phân chia trình đứng thành ba giai đoạn: (i) Giai đoạn (từ có chênh lệch cột nước thấm đến quan sát thấy nước thấm thoát đục) Gradient áp lực thấm cuối giai đoạn 1: cát xốp Jđ1 = 0,323 ÷ 0,387, cát chặt vừa Jđ1 = 0,355 ÷ 0,484, cát chặt, Jđ1 = 0,387 ÷ 0,581; (ii) Giai đoạn [từ cát bị đùn đến bề mặt cát có tượng bị đẩy vồng lên, bùng nhùng, cát thoát tăng mạnh (Hình 3.21b)] Gradient thấm cuối giai đoạn 2: cát xốp Jđ2 = 0,452 ÷ 0,516, cát chặt vừa Jđ1 = 0,452 ÷ 0,581, cát chặt, Jđ1 = 0,483 ÷ 0,677; (iii) Giai đoạn [từ cuối giai đoạn đến mơi trường thí nghiệm bị phá hủy, (Hình 3.21c 3.21d)] Gradient thời điểm phá hủy sau: cát xốp, Jđ3 = 0,516 ÷ 0,613; cát chặt vừa, Jđ3 = 0,516 ÷ 0,774; cát chặt, Jđ3 = 0,581÷0,839 17 3.5 Kết luận chương 3.5.1 Thí nghiệm thấm ngang (i) Quan sát chi tiết trình thấm ngăn (2) Mỗi giai đoạn BDT xác định giá trị J tương ứng, kết phù hợp với nghiên cứu ngồi nước; (ii) Từ mơ hình thí nghiệm, ngồi việc xác định J giới hạn đề xuất J an tồn, J cực hạn q trình phát triển ống xói dự báo thơng qua phương trình thiết lập từ kết thực nghiệm; (iii) Các kết đạt từ thí nghiệm thấm ngang sử dụng để nghiên cứu nội dung luận án 3.5.2 Thí nghiệm thấm đứng (i) Quan sát tượng đùn cát trình hình thành phễu cát từ nước đục thoát đến lượng cát bị đẩy lên cực hạn gây phá hủy môi trường thấm Hiện tượng diễn phổ biến đoạn đê có CTN đê khu vực Sen Chiểu; (ii) Xác định J tương ứng với ba giai đoạn khác trình thấm Kết kỳ vọng tài liệu tham khảo cho đơn vị quản lý đê điều công tác bảo vệ đê phòng chống lụt bão CHƯƠNG ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐÊ SÔNG HỒNG TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chương giới thiệu tổng quan phương pháp đánh giá an toàn đê theo LTĐTC, ví dụ áp dụng cho tuyến đê Hữu Hồng đoạn qua Hà Nội trọng tâm nghiên cứu chế xói ngầm đê (Chương 3) điều kiện biên BĐKH nghiên cứu Chương 4.1 Đánh giá an toàn đê Hữu Hồng theo phương pháp truyền thống Quy trình đánh giá ATĐ theo phương pháp truyền thống trình bày Chương Kết kiểm tra lũ tràn đỉnh: đoạn đê Vân Cốc, đỉnh đê khơng đủ độ cao an tồn; đoạn lại có cao trình đỉnh lớn mực nước thiết kế (0,97 ÷ 2,50)m, đảm bảo độ cao an toàn chống lũ tràn Kết kiểm tra thấm ổn định mái cho thấy tuyến đê Hữu Hồng đảm bảo ổn định theo tiêu chuẩn an tồn hành (Hình 4.1 4.2) 18 Hình 4.1 Gradient áp lực thấm thân 17 đoạn đê Hữu Hồng Hình 4.2 Hệ số ổn định mái tương ứng 17 đoạn đê Hữu Hồng 4.2 Phân tích độ tin cậy hệ thống đê Hữu Hồng bối cảnh BĐKH Trong phần này, sử dụng LTĐTC để đánh giá an toàn hệ thống đê Hữu Hồng địa phận Hà Nội (Hình 4.5a) với đoạn đê có chiều dài khác phân đoạn theo CTN tổng chiều dài đoạn đê chiều dài hệ thống Hình 4.5a Tuyến đê Hữu Hồng (phạm vi nghiên cứu) Hệ thống phòng chống lũ đê Hữu Hồng (hệ thống chính) làm việc theo sơ đồ nối tiếp, hệ thống xảy cố đoạn đê (trong 17 đoạn) gặp cố Một đoạn đê (hệ thống con) lại cấu thành đê cống đê (phần tử), hệ thống gặp cố phần tử cống đê bị cố Đối với cố phần tử, nghiên cứu tập trung đánh giá chế: lũ tràn đỉnh; xói ngầm bục tầng phủ hạ lưu; trượt mái (đê); khả chịu lực (cống) Để xác định xác suất cố cần thiết lập hàm tin cậy (Z) chế phá hỏng Hàm tin cậy thiết lập vào trạng thái giới hạn tương ứng với chế phá hỏng xem xét hàm nhiều biến ngẫu 19 nhiên: Z = R(xi) – L(yi); R(xi) hàm sức kháng; L(yi) hàm tải trọng Sau tìm xác suất chế cố tìm xác suất phần tử, hệ thống hệ thống Ngồi ảnh hưởng hiệu ứng độ dài đoạn đê xem xét làm tăng xác suất cố hệ thống lên 1,58 lần Cụ thể: xác suất cố hệ thống đê Hữu Hồng chưa xét đến hiệu ứng độ dài, Pfht = 39,89%; xét đến hiệu ứng độ dài, Pfht = 62,98% Hiệu ứng độ dài tiến phương pháp LTĐTC, số nhà nghiên cứu tuyến phòng lũ dài khả an tồn cao 4.3 Phân tích an tồn đê trận lũ thiết kế bối cảnh BĐKH Nền đê sơng Hồng có địa chất phức tạp nhạy cảm với BDT nên tiềm ẩn nhiều nguy an toàn đê lũ cao kéo dài Trong phần này, tác giả sâu phân tích ATĐ trận lũ điển hình thơng qua việc đánh giá xói ngầm (trong phòng trường) sở kết tính tốn lũ có xét đến BĐKH Khi ống xói phát triển chiều dài đường thấm lại Lt giảm (Lt = L0 Lx,t) Xét hàm tin cậy chế cố xói ngầm: Z = mp.Lt.FR.FS.FG.C - H = Hc - H (4.29) Khi Lt giảm xác suất để Z < tăng (xem Hình 4.21 4.22) (L0 chiều dài đường thấm ban đầu; Lx,t chiều dài ống xói) Hình 4.21 Sơ đồ ống xói phát triển theo thời gian Hình 4.22 Sự suy giảm chiều dài đường thấm phát triển chiều dài ống xói theo thời gian Để tìm xác suất xói ngầm trường hợp cần thiết lập mơ hình dự báo xói ngầm theo thời gian Nghiên cứu thực nghiệm phòng xây dựng tương quan chiều dài ống xói với chênh cao cột nước thấm (Lx,t  H) Tuy nhiên chưa thể sử dụng tương quan để dự báo phát triển ống xói ngồi trường Do cần vào cố xói 20 ngầm xảy khứ để hiệu chỉnh mơ hình (các cố đùn sủi vỡ đê Vân Cốc năm1986) Một số tác Stive, Sellmeijer, Phạm Quang Tú,… khái quát hóa phát triển ống xói phụ thuộc vào hai nhân tố chính, đặc tính mơi trường đất xảy xói ngầm chênh cao cột nước tác dụng Tổng qt hóa phương trình tương quan dự báo chiều dài ống xói ngồi trường trình bày dạng sau: Lx_ht = .n.Lx_tn (4.35) Trong đó: Lx_ht chiều dài ống xói trường (m); αn hệ số (m.giờ-0,5)  hệ số mơ hình; Lx_tn chiều dài ống xói thí nghiệm phòng Từ cố đùn sủi khu vực đê Vân Cốc, tiến hành phân tích ngược xác định αn [phân bố GEV (General Extreme Values, với k = 0,249; σ = 5,799; µ = 13,10) Sự cố vỡ đê Vân Cốc xác định Lx_ht Các thông số (Lx_tn; n; Lx_ht) biết, thay vào phương trình (4.35) xác định  Hệ số  n có phân phối GEV (Hình 4.33) Hình 4.33 Phân bố xác hệ số  dự báo chiều dài ống xói đê Vân Cốc Như vậy, mơ hình dự báo phát triển chiều dài ống xói trường (4.35) thiết lập Sử dụng mơ hình (4.35) để xác định xác suất xói ngầm cho đoạn đê Sen Chiểu (với hệ số n cập nhật lại cho đê khu vực này), kết trình bày Hình 4.36 4.38a Hình 4.38a Chiều dài đường thấm suy giảm xác suất cố xói ngầm Hình 4.36 Phân bố xác suất hệ số khu vực Sen Chiểu 21 Trên Hình 4.38a, ống xói phát triển, chiều dài đường thấm Lt giảm dần, xác suất cố xói ngầm tăng lên đạt giá trị lớn Pf = 0,395% Để làm sáng tỏ tồn ống xói đê, tháng 12/2016 cơng tác khảo sát trường phương pháp đo sâu điện đa cực (địa vật lý) hạ lưu đê Sen Chiểu (Km32+400) tiến hành với ba tuyến đo (T1, T2, T3) Kết cho thấy đê bên tầng phủ có vùng dị thường với điện trở suất lớn Đây vùng cát xốp, phù hợp với nhận định thực tế có tồn ống xói ngồi trường (Hình 4.26) Sự tồn ống xói lý giải cố đùn sủi xảy J (= H/L) nhỏ Hình 4.3.1 Kết khảo sát tuyến đo T1 4.4 Đề xuất giải pháp tăng cường ổn định đê Sen Chiểu theo nguyên lý rủi ro Đoạn đê Sen Chiểu có xác suất cố xói ngầm lớn cần có giải pháp cơng trình để xử lý nâng cao ổn định đê Để xác định quy mô giải pháp cơng trình cần vào ngun lý rủi ro Thơng qua phân tích rủi ro cho vùng đê Sen Chiểu bảo vệ (Hình 4.39) xây dựng đường cong tổng chi phí thiệt hại từ xác định phương án (quy mơ) tối ưu Trong phần này, giải pháp hào thu nước hạ lưu đê chọn với phương án độ sâu khác để đưa vào phân tích (Hình 4.47) Bằng đồ mơ hình số độ cao sử dụng đất, xác định diện tích bị ngập ứng với độ sâu (Hình 4.42) Hình 4.42 Bản đồ vùng nghiên cứu, số diện tích bị ngập sâu 3m Hình 4.39 Phạm vi vùng nghiên cứu rủi ro 22 Kế thừa đường cong tỷ lệ thiệt hại từ nghiên cứu trước, xác định chi phí tổng thiệt hại Với phương án chiều sâu hào thu nước khác nhau, tính chi phí đầu tư xác suất cố có giải pháp cơng trình Cuối thiết lập đường cong chi phí tổng thiệt hại (Hình 4.48), chọn chiều sâu hào z = 4,8 m (Hào thu nước đá hộc, đáy rộng 1m, xung quanh vải lọc, phía vải lọc đất màu) Hình 4.47 Sơ họa bố trí hào thu nước hạ lưu Hình 4.48 Đường cong tổng CP 4.5 Kết luận chương (i) Kết đánh giá theo phương pháp truyền thống khẳng định đê an tồn Tuy nhiên, kết phân tích theo LTĐTC rằng, xác suất cố đê hữu cao số đoạn Khi xét đến biến thiên theo không gian tham số sức kháng thông qua hiệu ứng chiều dài cố chế tăng (1,03÷10,10) lần tùy thuộc vào độ dài đoạn đê Đánh giá ATĐ theo phương pháp LTĐTC giúp người đọc có góc nhìn khác nguy xảy cố đê điều; (ii) Mơ hình dự báo phát triển chiều dài ống xói xác lập áp dụng để tính xác suất xói ngầm đoạn đê Sen Chiểu với trận lũ thiết kế; (iii) Phương pháp luận phân tích rủi ro phần làm sáng tỏ để lựa chọn giải pháp tăng cường ổn định đê tối ưu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết đạt Luận án Luận án trình bày chi tiết phương pháp đánh giá an tồn hệ thống cơng trình phòng lũ đê Hữu Hồng (Hà Nội) điều kiện BĐKH với kết chủ yếu: (1) Phân tích đánh giá ảnh hưởng BĐKH đến hệ thống cơng trình phòng lũ ĐBSH; (2) Đánh giá cố thường gặp hệ thống cơng trình phòng lũ phạm vi nghiên cứu cố BDT (xói ngầm, cát chảy, bục tầng phủ), trượt tràn đỉnh đê; (3) Nghiên cứu chi tiết 23 chế xói ngầm đê, từ đề xuất phương pháp dự báo ATĐ trận lũ thiết kế theo mơ hình hiệu chỉnh (dựa thí nghiệm phòng số liệu thống kê cố vỡ đê khứ); (4) Đánh giá an toàn hệ thống đê Hữu Hồng đoạn từ Sơn Tây Phú Xuyên theo lý thuyết độ tin cậy nguyên lý rủi ro Đây hướng mở để áp dụng thiết kế địa kỹ thuật cơng trình Những điểm Luận án (1) Thơng qua thí nghiệm mơ hình xói ngầm thấm kết hợp với số liệu thống kê cố đùn sủi vỡ đê trường xây dựng mơ hình dự báo diễn biến tượng xói ngầm đê theo thời gian trận lũ điển hình; (2) Ứng dụng LTĐTC đánh giá mức độ an toàn đoạn đê điển hình phạm vi nghiên cứu Những tồn kiến nghị hướng phát triển Luận án 3.1 Những tồn Luận án (1) Nghiên cứu xét ảnh hưởng NBD đến q trình dòng chảy hạ lưu sơng Hồng; (2) Độ tin cậy hệ thống đê Hữu Hồng chưa đánh giá cố người sinh vật gây riêng cống đê khơng có đủ tài liệu nên chưa xét suy thoái vật liệu đến xác suất cố; (3) Mơ hình vật lý phòng bị hạn chế kích thước thiết bị tính ngun trạng vật liệu thí nghiệm dẫn đến sai số định; (4) Sự cố tiềm ẩn thân đê đặc tính khơng đồng biến đổi tiêu lý đất đắp cần nghiên cứu chi tiết 3.2 Kiến nghị hướng phát triển Luận án (1) Ảnh hưởng BĐKH cần xem xét bổ sung với kịch mưa lưu vực đồng hệ thống hồ chứa bên lãnh thổ Trung Quốc; (2) Mơ hình dự báo diễn biến xói ngầm đê cần hiệu chỉnh thí nghiệm trường; (3) Đánh giá an tồn đê cần xem xét thêm chế ổn định thân đê tính bất đồng vật liệu đắp đê; (4) Tiêu chuẩn an toàn cho phép sở nghiên cứu rủi ro cần xây dựng để xác định số độ tin cậy cho phép cho khu vực chế cố 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Đặng Quốc Tuấn, Phạm Quang Tú, Đỗ Anh Chung, Trịnh Minh Thụ “Nghiên cứu xói ngầm đê phương pháp đo sâu điện đa cực” Tạp chí Địa kỹ thuật, Số 3, trang 22-30, 2017 Đặng Quốc Tuấn, Phạm Quang Tú “Nguy tràn đê sơng Hồng bối cảnh biến đổi khí hậu” Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Mơi trường Số 58, trang 111-117, tháng 9/2017 Tu, P Q, Tuan D Q, Ha N V and Huong D C (2016) Reliability - based Assessment of the Red River dike of Hanoi, Vietnam International Conference on Geology and Geo-resources (GAG) (P222-226), Hanoi, ESASGD 2016 Đặng Quốc Tuấn, Phạm Quang Tú, Đặng Công Hưởng, Trịnh Minh Thụ “Nghiên cứu tượng xói ngầm đê thí nghiệm mơ hình vật lý phòng” Trường đại học Thủy lợi - Tuyển tập hội nghị Khoa học thường niên năm 2016 Nhà xuất Xây dựng, trang 150-152, tháng 11/2016 Tu P.Q, Tuan D.Q (2015) Reliability analysis of the Red River Levee of Ha Noi, Viet Nam Proceeding of annual conference on water resources year 2015 (P335-337), Thuy Loi University 25 ... Chương 1: Tổng quan nghiên cứu an toàn đê điều kiện BĐKH Chương 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu, đánh giá an toàn đê giải pháp tăng cường ổn định đê Chương 3: Nghiên cứu tượng xói ngầm đê mơ hình vật... ngầm đê mơ hình vật lý phòng Chương 4: Đánh giá an tồn đê sơng Hồng điều kiện BĐKH CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU AN TỒN ĐÊ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 1.1 Hệ thống cơng trình phòng chống... ĐỔI KHÍ HẬU Chương giới thiệu tổng quan phương pháp đánh giá an toàn đê theo LTĐTC, ví dụ áp dụng cho tuyến đê Hữu Hồng đoạn qua Hà Nội trọng tâm nghiên cứu chế xói ngầm đê (Chương 3) điều kiện