Reliabilty analysis of the red river dike system in vietnam

OF THE R ELIABILITY ANALYSIS R ED R IVER D IKE SYSTEM IN V IET N AM OF THE R ELIABILITY ANALYSIS R ED R IVER D IKE SYSTEM IN V IET N AM Proefschrift ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universiteit Delft, op gezag van de Rector Magnificus prof ir K C A M Luyben, voorzitter van het College voor Promoties, in het openbaar te verdedigen op woensdag oktober 2014 om 12:30 uur door Pham Q UANG TU civiel ingenieur geboren te Ha Nam, Viet Nam Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotoren: Prof drs ir J.K Vrijling Prof dr ir P H A J M van Gelder Samenstelling promotiecommissie: Rector Magnificus, Prof drs ir J.K Vrijling, Prof dr ir P H A J M van Gelder, Prof dr T M Thu, Prof dr ir M Kok, Dr ir K J Bakker, Ir M R Tonneijck, Dr ir W Kanning Prof dr C Jommi, voorzitter Technische Universiteit Delft, promotor Technische Universiteit Delft, promotor Water Resources University of Viet Nam Technische Universiteit Delft Technische Universiteit Delft Royal HaskoningDHV Colorado School of Mines/Deltares Technische Universiteit Delft, reservelid Keywords: Geotechnical reliability, flood defence, Red River dike, piping, uplift geotechnical engineering, hydraulic engineering Printed by: Ridderprint B.V., Ridderkerk, the Netherlands Front & Back: Red River Dike on the right bank in Ha Noi, by Pham Anh Tuan (2010) Cover layout by: Pham Anh Tuan Copyright © 2014 by Pham Quang Tu ISBN 978-90-5335-887-0 An electronic version of this dissertation is available at http://repository.tudelft.nl/ Propositions pertaining to the dissertation R ELIABILITY ANALYSIS OF THE R ED R IVER D IKE SYSTEM IN V IET N AM by Pham Quang T U Red River Dike safety is lower than expected, even in some so far undoubted locations (in this thesis) Ground conditions contribute greatly to uncertainty in the assessment of dikes A long duration flood might threaten the Red River dikes in the future when reservoirs are completed (in this thesis) The highest failure probability of a dike occurs in the next few hours after the flood peak (in this thesis) The reduction of seepage length can be used to predict the piping process during repeated and long duration floods (in this thesis) Integration of Hydraulic Engineering and Geotechnical Engineering is an extremely important and fertile research area Reliability-based analysis in Geotechnical Engineering is applicable in developing countries The particular climatological conditions and the geography of lakes and estuaries contribute to the success of the flood risk management in the Netherlands Flooding has been the issue of most concern since antiquity in the society of Viet Nam, as shown by the classical warning “thủy, hỏa, đạo, tặc” (the Vietnamese proverb):“flooding, firing, robbing, and invading” 10 The challenge of a PhD’s life is the same as that of learning a new sport but more interesting and beneficial These propositions are regarded as opposable and defendable, and have been approved as such by the supervisors prof drs ir J.K Vrijling and prof dr ir P H A J M van Gelder Stellingen behorende bij het proefschrift R ELIABILITY ANALYSIS OF THE R ED R IVER D IKE SYSTEM IN V IET N AM door Pham Quang T U De veiligheid van de Rode Rivier Dijk is lager dan verwacht, zelfs in sommige tot nu toe onbetwijfelde locaties (dit proefschrift) De grondgesteldheid draagt in grote mate bij tot onzekerheid bij de beoordeling van dijken Een langdurige hoogwatergolf zal in de toekomst, wanneer reservoirs zijn voltooid, een bedreiging vormen voor de Rode Rivier Dijk (dit proefschrift) De hoogste kans op het falen van een dijk treedt op na de piek van de hoogwatergolf (dit proefschrift) De verkorting van de kwellengte kan worden gebruikt om het pipings-proces tijdens herhaalde en langdurige overstromingen te voorspellen (dit proefschrift) Integratie van Waterbouwkunde en Geotechniek kan tot een uiterst belangrijk en vruchtbaar onderzoeksterrein leiden De op betrouwbaarheid gebaseerde analyse in de Geotechniek is toepasbaar in ontwikkelingslanden De bijzondere klimatologische omstandigheden en de geografie van meren en riviermondingen dragen bij aan het succes van het beheer van overstromingsrisico’s in Nederland Sinds de oudheid zijn overstromingen het grootste probleem geweest in de Vietnamese samenleving, hetgeen blijkt uit de klassieke waarschuwing “thủy, hỏa, đạo, tặc” (Vietnamees spreekwoord): " overstroming, brand, beroving en invasie " 10 De uitdaging van het leven van een PhD is dezelfde als die van het leren van een nieuwe sport, maar interessanter en heilzamer Deze stellingen worden opponeerbaar en verdedigbaar geacht en zijn als zodanig goedgekeurd door de promotoren prof drs ir J.K Vrijling en prof dr ir P H A J M van Gelder S UMMARY This dissertation synthesises the application of a probabilistic-based framework in geotechnical and hydraulic engineering, for the assessment of the Red River dikes in Viet Nam The study area promotes the probabilistic-based approach because of its typical natural conditions Lack of understanding of soil and water behaviours may lead to failures of engineering design, as is proven from practice This study is intended to fill part of these gaps Dikes along rivers often spread over the deltaic environment and its earthen structures are parts of a long civilian history, from hundreds to thousands of years Uncertainties of soil properties of the dike embankment and its foundation, and contribute to the probability of failure under a given water level To carry out an assessment of the safety of the flood defences, both a conventional approach and a reliability analysis may be applied The former relies on the factors of safety while the latter takes uncertainties of both water level (load) and soil properties (resistance) more explicitly into account The reliability-based framework proved its benefits in important projects and in dealing with large uncertainties in design This is demonstrated through the chapters in this thesis Firstly, the background information of the natural conditions, the socio-economic issues and the flood defences in the Red River Delta are presented in Chapter The topographic conditions and meteorological characteristics play an important role in the flood defence management of the Red River Delta Around 50% of the delta area is lower than m (above mean sea level) and the delta is partly surrounded by high mountains Consequently, under extreme weather conditions such as typhoons, fronts, and tropical depressions, flooding will affect the lowlands area On the other hand, the socio-economic issues indicate a fast growing economy of Viet Nam Hence, new requirements of higher safety standards for the flood defences seem advisable In fact, the flood defences in the Red River Delta have been established for hundreds of years and the safety standard has increased from a design water level of 1/5 years (in the Imperial period ∼ the 1890s) to 1/500 years (at the present) The current design water level is 13.4 m (above mean sea level) at the gauging station of Ha Noi, which will be routed to the dike stretches in the whole delta area Secondly, the analyses of the hydraulic boundary conditions are performed in Chapter with a detailed description of the Red River system and an evaluation of the hydraulic parameters for the reliability analysis The Red River is formed by three tributaries (the Da, Thao, and Lo River), and the maximum observed discharge was 37,800 m /s in August 1971 at Son Tay in the area of Ha Noi The reservoirs systems in the Da and Lo River significantly reduce the peak flood discharge in the delta area by a storage capacity of 8.5 billion cubic metres; as for instance in the flood with frequency of 1/500 years, the peak discharge will decrease approximately 40%, from 48, 500 m /s to 30, 000 m /s By doing so, the dike system may be severely loaded during a long duration flood of around 120 hours but the water level is lower than the original Another issue is the increasing trend of the water level at the same river discharge, which is due to the over expansion of residents in the flood plain, therefore the resulting probability of overflow will become higher in future if there are no measures to control such developments Thirdly, the probabilistic-based analysis framework and its application are treated in v vi S UMMARY Chapter and 5, including classification of ground conditions, model uncertainties, and spatial variability of soil parameters Currently, the calculation level (semi-probabilistic) has been embedded in the design codes while the calculation level (e.g FORM) and (e.g Monte Carlo simulation) are used for important projects or the calibration of the level design codes Soils properties and ground conditions are analysed by different approaches, either by classical statistics or by a probabilistic-based framework It is hoped to increase the engineer’s understanding about the use of probabilistic-based methods in practice To take examples, uplift and ground coefficient are analysed by using the model factor The former presents a physical-based model of uplift which was calibrated for the study area by field tests The latter discusses a new model of ground uncertainties (the ground coefficient - α) that represents the cumulative effects of the internal erosion process in both flood and dry season Moreover, an illustration of spatial estimation was performed on two data series of the top-layer thickness (with the distance of sampling of around 30 m and 200 m) The calculation results indicate a correlation between the scales of fluctuation and the distance of sampling It is expected that the mentioned theories and applications will be incorporated in Geotechnical Engineering and Flood Defences assessment, especially in Viet Nam Fourthly, the theory of reliability analysis of a river dike and its application in the Red River Dikes are discussed in Chapters and 7, where piping, overflow, and instability are considered under a long duration flood Probabilities of overflow are predicted to be high in the dike stretches of the Ha Tay area due to a lower design water level in the past Therefore, dike crests should be heightened to meet the same safety standards as that in the Ha Noi area To evaluate piping during a long duration flood, a model of seepage length reduction of piping with respect to time is developed from a basic principle: the internal erosion process depending on seepage gradient and ground conditions The proposed model, after calibrating by a historical dike failure in the study area, predicts an increase of the erosion length from 3% to 20% (the seepage length shortening from 100% to 97% or 80% respectively) in one typical flood wave, which leads to the cumulative effects of piping and internal erosion under the dike embankment On the other hand, the geotechnical instability is proven to be less affected during a long flood wave However, only homogeneous models of embankments are mentioned in this study It is suggested that in future research more attention should be given to the heterogeneity of dike embankments with regard to permeability Finally, by taking the length-effect into account, the probability of failure of dike stretches in the study area may significantly increase depending on its stretch length and the spatial variation of soil parameters, as for instance the total probability of failure of the dike system will jump from 21%-25% to 38%-47% (by without or/and with taking lengtheffect into account respectively) The findings of this research hope to contribute to a new understanding of Red River Dike safety in Viet Nam They also open up several research directions in the combined field of hydraulic engineering and geotechnical engineering, and widen the applications of probabilistic-based approaches in Viet Nam and developing countries S AMENVATTING In deze dissertatie wordt een synthese uitgevoerd van de toepassing van een op probabilistische methoden gebaseerd kader in de geotechniek en de waterbouwkunde, ten behoeve van de beoordeling van de betrouwbaarheid van dijken langs de Rode Rivier (in Vietnamees: Song Hong) in Viet Nam De toepassing van een probabilistische benadering is hier met name opportuun vanwege de typisch natuurlijke omstandigheden in dit onderzoeksgebied Een gebrekkig begrip van grond- en watercondities zou namelijk, zoals uit de praktijk gebleken is, tot mislukkingen in technische ontwerpen kunnen leiden Deze studie is bedoeld om een deel van deze lacunes te vullen Dijken langs rivieren strekken zich uit over de delta en dergelijke grondconstructies zijn deel van een lange civiele geschiedenis, van honderden tot duizenden jaren De onzekerheden in de grondeigenschappen van dijklichaam en fundering dragen bij aan de faalkans bij een bepaalde waterstand Om een inschatting te kunnen maken van de veiligheid van waterkeringen, worden vaak zowel een conventionele analyse als een betrouwbaarheidsanalyse toegepast De eerste, conventionele benadering verlaat zich op veiligheidsfactoren, terwijl de tweede methode onzekerheden in waterstanden (belasting) en grondeigenschappen (sterkte) in acht neemt Het op betrouwbaarheid gebaseerde toetsingskader heeft zijn nut al bewezen in belangrijke projecten en bij grote ontwerponzekerheden Deze benadering wordt in de hoofdstukken van deze dissertatie gedemonstreerd De achtergrondinformatie over de natuurlijke omstandigheden, de sociaaleconomische situatie en de waterkeringen in de regio wordt in hoofdstuk gepresenteerd De topografische condities en de meteorologische omstandigheden spelen een belangrijke rol in de hoogwaterbescherming van de Rode Rivier Delta Ongeveer 50% van de delta ligt lager dan meter (boven gemiddeld zeeniveau) en is gedeeltelijk omringd door hoge bergen Derhalve, onder extreme weersomstandigheden, zoals tyfoons, fronten en tropische depressies, zal het laaggelegen land door overstromingen getroffen worden Omdat de huidige sociaaleconomische situatie van Viet Nam echter op een snel groeiende economie duidt, lijken nieuwe eisen voor hogere veiligheidsnormen voor de hoofwaterbescherming daarom raadzaam In feite, in de honderden jaren van het bestaan van waterkeringen in de Rode Rivier Delta zijn de veiligheidsnormen al toegenomen van een ontwerpwaterhoogte van 1/5 jaar (in de imperiale periode ∼1890s) tot 1/500 jaar (2014) De huidige ontwerpwaterhoogte is 13.4 m (boven gemiddeld zeeniveau) bij het meetstation van Ha Noi, en wordt vervolgens naar alle dijken in de gehele delta doorberekend In hoofdstuk worden de hydraulische randvoorwaarden bepaald door een gedetailleerde beschrijving van het Rode Rivier systeem en een evaluatie van de hydraulische parameters voor de betrouwbaarheidsanalyse De Rode Rivier wordt gevormd door drie zijrivieren, de Da, de Thao en de Lo rivier, die samenkomen bij Son Tay in de omgeving van Ha Noi, waar in augustus 1971 een maximum debiet van 37,800 m /s werd geobserveerd De reservoirs in de Da en de Lo rivier hebben door een opslagcapaciteit van 8.5 miljard kubieke meter een reductie van de piekwaterafvoer in de delta tot gevolg, zoals bijvoorbeeld met betrekking tot de overstromingsfrequentie van 1/500 jaar, zal de piekafvoer verminderen met 40%, van 48,500 m /s tot 30,000 m /s Het gevolg hiervan kan zijn, dat het dijksysteem ernvii viii S AMENVATTING stig belast kan worden gedurende een langdurige hoogwaterstand van ongeveer 120 uur Een ander aspect is een toenemend waterniveau bij gelijkblijvende afvoer, als gevolg van bewoning in de hoogwaterbedding, welke, indien geen maatregelen worden getroffen, kan resulteren in een hogere waarschijnlijkheid van overstromen in de toekomst De beschrijving en toepassing van het op probabilistiek gebaseerde kader van analyse, inclusief de classificatie van grondcondities, modelonzekerheden en ruimtelijke variatie van grondparameters, wordt in hoofdstuk en behandeld Momenteel is het niveau berekeningsmodel ingebed in de ontwerpnormen, terwijl berekeningsniveau en gebruikt worden voor grote projecten of voor de kalibratie van de niveau ontwerpnormen Grondeigenschappen en bodemcondities worden op verschillende manieren geanalyseerd, namelijk met de klassieke statistische benadering, of met een probabilistisch gebaseerd kader Het is de hoopvolle verwachting dat er meer kennis zal ontstaan onder ingenieurs voor de toepassing van een probabilistische methode in het veld Als voorbeeld worden het opdrijven van de afdekkende laag aan de binnenzijde van de dijk en de grondcoëfficiënt geanalyseerd met gebruikmaking van een modelfactor Het eerste voorbeeld behelst een fysisch gebaseerd model van opwaartse druk welke in het studiegebied werd gekalibreerd door veldonderzoek Laatstgenoemd voorbeeld beschrijft een nieuw model van grondonzekerheid (grondcoëfficiënt - α), dat de cumulatieve effecten van het interne erosieproces in zowel het regen- als het droge seizoen vertegenwoordigt Bovendien werd een illustratie van ruimtelijke inschatting gemaakt voor twee dataseries van de bovenlaagdikte (met een steekproefafstand van ca 30m en 200m) De berekeningen geven een correlatie aan tussen de schaal van fluctuatie en de afstand tussen de metingen Het wordt verwacht dat de theorieën en hun toepassingen in de geotechniek en toetsing van waterkeringen, in met name Vietnam, geïncorporeerd zullen worden In hoofdstuk en wordt de theorie van de betrouwbaarheidsanalyse van een rivierdijk en de toepassing daarvan op de dijken van de Rode Rivier besproken; overstromen, instabiliteit en “piping” worden bekeken onder een langdurige hoogwaterstand De kans op overstromen wordt naar verwachting hoog in de dijkvakken in de omgeving van Ha Tay ten gevolge van een lagere ontwerpwaterstand in het verleden De kruinhoogte zou daarom verhoogd moeten worden om dezelfde veiligheidsstandaard als in het gebied rond Ha Noi te realiseren Om “piping” (zandvoerende wel) gedurende een langdurige hoogwaterstand te evalueren, wordt een model van kwellengtereductie als functie van de tijd ontwikkeld vanuit een basisprincipe: namelijk het interne erosieproces dat afhangt van de kwelgradiënt en grondeigenschappen Na de kalibratie van het falen van een dijk in het onderzoeksgebied voorspelt het voorgestelde model een toename in de lengte van erosie van 3% tot 20% (de lengte van de kwel respectievelijk verminder van 100% tot 97% of 80%) gedurende een typische vloedgolf Dit leidt tot een opeenstapeling van de effecten van “piping” en interne erosie onder de dijk Anderzijds wordt bewezen dat de geotechnische instabiliteit minder wordt bedreigd tijdens een langdurige afvoergolf In dit onderzoek zijn echter slechts homogene modellen van dijken bestudeerd De suggestie is dan ook dat in toekomstig onderzoek meer aandacht wordt geschonken aan de heterogeniteit van dijken met betrekking tot hun waterdoorlatendheid Tot slot, door het lengte-effect in acht te nemen, kan de waarschijnlijkheid van een dijkbreuk in het studiegebied aanzienlijk hoger blijken te zijn dan was aangenomen, afhankelijk van de lengte en de ruimtelijke variatie in grondparameters, zodat bijvoorbeeld de totale faalkans van het dijksysteem zal toenemen van 21%-25% (zonder lengte-effect) tot 38%-47% (met lengte-effect) De resultaten van dit onderzoek zullen hopelijk bijdragen tot een nieuw begrip van vei- ... risk in the RRD, includes the reforesting in the upper basins, the constructing dams and reservoirs to store flood water, the strengthening of dikes, and the raising of public awareness of flood... socio-economical conditions these influence the assessment of the Red River dike in the Ha Noi area? What are the hydraulic boundary conditions of the Red River in the area of Ha Noi? How does the probabilistic-based... framework of the Red River dikes during a long duration flood wave and to evaluate the safety margin of the Red River dikes in the area of Ha Noi 1.3 R ESEARCH QUESTIONS ONCLUDING from the above