Luận án Nghiên 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐÊ HỮU HỒNG ĐOẠN QUA HÀ NỘI TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Nghiên cứu sinh: Đặng Quốc Tuấn Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 62-58-02-11 Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Quang Tú GS.TS Trịnh Minh Thụ HÀ NỘI, NĂM 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tác giả luận án Đặng Quốc Tuấn ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học là GS.TS Trịnh Minh Thụ và TS Phạm Quang Tú đã tận tình định hướng, chỉ bảo và theo sát tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Trường Đại học Thuỷ Lợi, phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ tác giả trong quá trình làm Luận án. Tác giả xin cảm ơn các thầy cô trong Khoa Công trình, bộ môn Địa kỹ thuật, phòng Thí nghiệm Địa kỹ thuật của trường đại học Thủy Lợi đã dành nhiều thời gian công sức giúp đỡ tác giả hoàn thành Luận án. Trong quá trình thực hiện Luận án, tác giả còn nhận được sự giúp đỡ về tin học của Thạc sĩ Nguyễn Văn Tuấn để giải quyết một số bài toán lý thuyết độ tin cậy. Đồng thời tác giả cũng nhận được sự động viên và ủng hộ rất lớn về vật chất và tinh thần từ gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Từ đáy lòng mình, tác giả xin gửi đến họ những lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất. iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .................................................................................. VIII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................. XII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ...................... XIII DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG ............................................................ XVI MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................. 2 3. Câu hỏi nghiên cứu ................................................................................................... 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 3 5. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................ 3 6. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 3 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................. 4 8. Cấu trúc luận án ........................................................................................................ 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU AN TOÀN ĐÊ TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ....................................................................................................... 5 1.1 Hệ thống công trình phòng chống lũ bảo vệ vùng đồng bằng sông Hồng ............ 5 1.1.1 Hệ thống hồ chứa thượng lưu .......................................................................... 5 1.1.2 Hệ thống đê điều hạ lưu................................................................................... 7 1.2 Biến đổi khí hậu ở Việt Nam ................................................................................ 15 1.2.1 Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng của IPCC .................................. 15 1.2.2 Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam ........................... 15 1.3 Tổng quan về nghiên cứu an toàn đê .................................................................... 17 1.3.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài ........................................................................ 17 1.3.2 Các nghiên cứu về sự cố đê trong nước ........................................................ 22 1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án..................................................................... 26 1.4.1 Những vấn đề khoa học cần làm sáng tỏ ...................................................... 26 1.4.2 Định hướng nghiên cứu của luận án ............................................................. 28 1.5 Kết luận Chương 1 ................................................................................................ 29 iv CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ AN TOÀN ĐÊ VÀ GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH ĐÊ................................................................. 30 2.1 Điều kiện biên thủy lực......................................................................................... 30 2.1.1 Giới hạn lưu vực sông Hồng ......................................................................... 30 2.1.2 Dòng chảy lũ .................................................................................................. 31 2.1.3 Sự thay đổi lòng dẫn và mực nước trên sông Hồng...................................... 31 2.1.4 Dòng chảy lũ sông Hồng khi xét đến ảnh hưởng của BĐKH ...................... 34 2.2 Điều kiện địa chất công trình và phân chia cấu trúc nền đê ................................ 37 2.2.1 Điều kiện địa chất công trình ........................................................................ 37 2.2.2 Phân chia cấu trúc nền đê .............................................................................. 39 2.2.3 Các kiểu cấu trúc nền đê đại diện .................................................................. 40 2.3 Điều kiện địa chất thủy văn .................................................................................. 41 2.4 Đánh giá an toàn đê theo phương pháp truyền thống .......................................... 42 2.4.1 Các tiêu chuẩn an toàn ................................................................................... 42 2.4.2 Quy trình đánh giá an toàn ............................................................................ 43 2.5 Đánh giá an toàn đê theo phương pháp lý thuyết độ tin cậy................................ 44 2.5.1 Các khái niệm cơ bản .................................................................................... 45 2.5.2 Hàm tin cậy và xác suất sự cố ....................................................................... 46 2.5.3 Phân tích rủi ro và phân tích tối ưu ............................................................... 48 2.5.4 Các bất định trong địa kỹ thuật ..................................................................... 48 2.5.5 Phân tích các số liệu đầu vào ........................................................................ 49 2.5.6 Các cấp độ tính toán ...................................................................................... 50 2.5.7 Tính toán độ tin cậy theo cấp độ II ............................................................... 51 2.5.8 Tính toán độ tin cậy theo cấp độ III .............................................................. 52 2.5.9 Xác suất sự cố của hệ thống .......................................................................... 53 2.5.10 Ảnh hưởng của hiệu ứng độ dài .................................................................. 55 2.5.11 Xác suất sự cố xảy ra ứng với một trận lũ cụ thể........................................ 57 v 2.5.12 Một số khác biệt khi đánh giá an toàn đê theo phương pháp truyền thống và phương pháp lý thuyết độ tin cậy ...................................................................... 57 2.6 Phương pháp thực nghiệm nghiên cứu xói ngầm dưới nền đê bằng mô hình vật lý trong phòng ............................................................................................................. 58 2.6.1 Các khái niệm về xói ngầm ........................................................................... 58 2.6.2 Ảnh hưởng của xói ngầm đến an toàn đê ...................................................... 59 2.6.3 Cơ sở xây dựng mô hình thí nghiệm thấm trong phòng ............................... 60 2.7 Các giải pháp nâng cao an toàn đê ....................................................................... 62 2.7.1 Giải pháp tăng cường ổn định mái đê ........................................................... 62 2.7.2 Các giải pháp xử lý thấm ............................................................................... 63 2.7.3 Các giải pháp xử lý lún .................................................................................. 65 2.7.4 Các giải pháp phi công trình ......................................................................... 66 2.7.5 Đề xuất giải pháp tăng cường ổn định đê ..................................................... 66 2.8 Nguyên lý rủi ro trong thiết kế công trình............................................................ 66 2.9 Kết luận Chương 2 ................................................................................................ 67 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XÓI NGẦM DƯỚI NỀN ĐÊ BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ TRONG PHÒNG...................................................................................................... 68 3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................. 68 3.2 Thiết kế mô hình thí nghiệm ................................................................................ 69 3.2.1 Tỷ lệ mô hình, ưu nhược điểm của mô hình thí nghiệm trong phòng .......... 69 3.2.2 Kích thước mô hình ....................................................................................... 71 3.2.3 Vật liệu thí nghiệm ........................................................................................ 74 3.2.4 Mực nước thí nghiệm .................................................................................... 74 3.3 Thí nghiệm thấm ngang ........................................................................................ 75 3.3.1 Mục đích thí nghiệm thấm ngang .................................................................. 75 3.3.2 Công tác chuẩn bị thí nghiệm thấm ngang .................................................... 76 3.3.3 Trình tự tiến hành .......................................................................................... 76 3.3.4 Kết quả thí nghiệm thấm ngang .................................................................... 77 vi 3.3.5 Thảo luận về kết quả thí nghiệm thấm ngang ............................................... 85 3.4 Thí nghiệm thấm đứng.......................................................................................... 86 3.4.1 Mục đích thí nghiệm thấm đứng ................................................................... 86 3.4.2 Công tác chuẩn bị thí nghiệm thấm đứng ..................................................... 86 3.4.3 Trình tự tiến hành thí nghiệm ........................................................................ 87 3.4.4 Kết quả thí nghiệm thấm đứng ...................................................................... 87 3.4.5 Thảo luận về kết quả thí nghiệm thấm đứng ................................................. 89 3.5 Kết luận Chương 3 ................................................................................................ 90 3.5.1 Thí nghiệm thấm ngang ................................................................................. 90 3.5.2 Thí nghiệm thấm đứng .................................................................................. 91 CHƯƠNG 4 ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐÊ SÔNG HỒNG TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ......................................................................................... 92 4.1 Đánh giá an toàn đê Hữu Hồng theo phương pháp truyền thống ........................ 92 4.1.1 Đánh giá an toàn của 17 đoạn đê................................................................... 92 4.1.2 Đánh giá an toàn của 10 cống dưới đê .......................................................... 94 4.2 Phân tích độ tin cậy của hệ thống đê Hữu Hồng trong điều kiện BĐKH............ 95 4.2.1 Mô tả hệ thống ............................................................................................... 96 4.2.2 Xác suất sự cố của đoạn đê ........................................................................... 97 4.2.3 Xác suất sự cố của hệ thống đê ................................................................... 115 4.3 Phân tích an toàn đê dưới trận lũ thiết kế trong bối cảnh BĐKH ...................... 119 4.3.1 Đặt vấn đề .................................................................................................... 119 4.3.2 Nghiên cứu trong phòng .............................................................................. 119 4.3.3 Nghiên cứu hiện trường ............................................................................... 120 4.3.4 Sự suy giảm và độ trễ thời gian của áp lực thấm ........................................ 123 4.3.5 Thiết lập phương trình dự báo sự phát triển của chiều dài ống xói hiện trường .................................................................................................................... 124 4.3.6 Phân tích ổn định cho đoạn đê điển hình .................................................... 131 vii 4.4 Đề xuất giải pháp tăng cường ổn định đê Sen Chiểu theo nguyên lý rủi ro ...... 132 4.4.1 Giới thiệu chung về vùng nghiên cứu ......................................................... 132 4.4.2 Rủi ro ngập lụt của vùng nghiên cứu .......................................................... 134 4.4.3 Lựa chọn giải pháp tối ưu tăng cường ổn định cho đoạn đê Sen Chiểu ..... 139 4.5 Kết luận Chương 4 .............................................................................................. 142 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 144 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................. 146 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 147 viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 0.1 Sơ đồ trình bày cấu trúc của luận án................................................................4 Hình 1.1 Sơ họa hệ thống hồ chứa thượng lưu và các nhánh sông chính của ĐBSH ..... 5 Hình 1.2 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1915 đến 1945 ............................................................. 8 Hình 1.3 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1945 đến 2000 ........................................................... 10 Hình 1.4 Sơ họa hiện tượng đùn sủi ở hạ lưu đê ............................................................ 13 Hình 1.5 Gradient áp lực thấm thu được từ đùn sủi hiện trường nền đê Hữu Hồng ..... 13 Hình 1.6 Đỉnh đê Hữu Hồng hiện trạng từ Km30+550 đến Km72+520 ....................... 14 Hình 1.7 Đỉnh đê Hữu Hồng hiện trạng từ Km72+520 đến Km117+900 ..................... 14 Hình 1.8 Biến đổi của bão và áp thấp nhiệt đới cuối thế kỷ so với thời kỳ cơ sở ......... 16 Hình 1.9 Kịch bản nước biển dâng khu vực Biển Đông ................................................ 16 Hình 1.10 NBD do BĐKH theo Ủy ban nghiên cứu về đồng bằng (2008) của Hà Lan ......................................................................................................................................... 18 Hình 1.11 Thí nghiệm xói ngầm tại Đại học Florida, Mỹ năm 2000 ............................ 20 Hình 1.12 Thí nghiệm xói ngầm tại đại học Okayama, Nhật Bản, năm 1987 .............. 21 Hình 2.1 Sơ họa vùng hạ du sông Hồng và sông Thái Bình .......................................... 30 Hình 2.2 Đường quan hệ Q = f(H) thực đo tại trạm thủy văn Sơn Tây qua các năm ... 32 Hình 2.3 Đường quan hệ Q = f(H) thực đo tại trạm thủy văn Hà Nội qua các năm ..... 32 Hình 2.4 Đường đáy sông thực đo tại trạm thủy văn Sơn Tây qua các năm ................. 33 Hình 2.5 Đường đáy sông thực đo tại trạm thủy văn Hà Nội qua các năm ................... 33 Hình 2.6 Sơ đồ tính toán dòng chảy lũ hệ thống sông Hồng ......................................... 34 Hình 2.7 Quá trình mực nước lũ tại Sơn Tây ................................................................. 35 Hình 2.8 Quá trình mực nước lũ tại Hà Nội ................................................................... 35 Hình 2.9 Mực nước lớn nhất sông Hồng từ Km31 đến Km73 ...................................... 36 Hình 2.10 Mực nước lớn nhất sông Hồng từ Km73 đến Km128 .................................. 36 Hình 2.11 Phân đoạn đê Hữu Hồng với mức độ nguy hiểm về thấm khác nhau .......... 40 Hình 2.12 Cắt dọc địa tầng nền đê Hữu Hồng từ Sơn Tây đến Phú Xuyên .................. 41 Hình 2.13 Các kiểu mô hình nền đê Hữu Hồng từ Sơn Tây đến Phú Xuyên ................ 41 Hình 2.14 Sơ đồ các bước đánh giá ATĐ theo phương pháp truyền thống .................. 44 Hình 2.15 Sơ đồ các bước đánh giá ATĐ theo phương pháp LTĐTC .......................... 45 Hình 2.16 Hàm tin cậy biểu diễn trong mặt phẳng (RL) ............................................... 47 ix Hình 2.17 Các loại bất định trong địa kỹ thuật .............................................................. 48 Hình 2.18 Xác suất phá hỏng của một hệ thống nối tiếp với các cận khác nhau, theo Vrijling và Van Gelder ................................................................................................... 54 Hình 2.19 Quan hệ giữa β yêu cầu và chiều dài của hệ thống, theo Lopez De La Cruz ... 56 Hình 2.20 Các giai đoạn phá hủy do BDT dưới nền đê ................................................. 59 Hình 2.21 Phản áp tăng cường ổn định mái đê .............................................................. 63 Hình 2.22 Giải pháp sân phủ chống thấm ...................................................................... 63 Hình 2.23 Giải pháp lăng trụ thoát nước hạ lưu ............................................................. 64 Hình 2.24 Sơ đồ giếng giảm áp ...................................................................................... 64 Hình 2.25 Sơ đồ tường chống thấm ................................................................................ 65 Hình 2.26 Xử lý lún bằng cọc xi măng đất .................................................................... 65 Hình 2.27 Các bước phân tích rủi ro .............................................................................. 67 Hình 3.1 Thống kê một số sự cố vỡ đê sông điển hình .................................................. 69 Hình 3.2 Mặt cắt ngang đê Sen Chiểu (Km32+395) ...................................................... 70 Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo mô hình thí nghiệm ................................................................... 71 Hình 3.4 Mô hình thí nghiệm thấm ngang ..................................................................... 72 Hình 3.5 Mô hình thí nghiệm thấm đứng ....................................................................... 72 Hình 3.6 Đường lũ lên chu kỳ 500 năm (kịch bản RCP4.5_2030_500_BL) ................ 75 Hình 3.7 Đường dâng nước thí nghiệm thấm trong phòng ............................................ 75 Hình 3.8 Quá