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:


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.

ii


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

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

iv


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

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

vi


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

vii


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
viii


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 trình phát triển của ống xói ......................................................................77
Hình 3.9 Sơ đồ ống xói hình thành do biến dạng thấm từ thí nghiệm thấm ngang.......78
Hình 3.10 Biểu đồ (ΔH-T) cát Sen Chiểu ......................................................................79
Hình 3.11 Biểu đồ ΔH  T cát Hoàng Mai ....................................................................79
Hình 3.12 Biểu đồ (Lx-T) cát xốp Sen Chiểu .................................................................80
Hình 3.13 Biểu đồ (Lx-T) cát xốp Hoàng Mai............................................................... 80

Hình 4.17 Nội suy giữa chỉ số độ tin cậy β và mực nước H, theo GeoDelft ...............110
Hình 4.18 Ảnh hưởng của các BNN đến sự cố đẩy bục lớp gia cố hạ lưu cống .........113
Hình 4.19 Ảnh hưởng của các BNN đến xác suất sự cố xói ngầm dưới nền cống .....114
Hình 4.20 Ảnh hưởng của các BNN đến sự cố nền cống mất khả năng chịu tải ........115
Hình 4.21 Sơ đồ đường xói phát triển theo thời gian...................................................119
Hình 4.22 Sự suy giảm của chiều dài đường thấm và phát triển của chiều dài ống xói
theo thời gian ứng với một trận lũ ................................................................................120
Hình 4.23 Dòng chảy trong tầng cát dưới nền đê trong mùa lũ và mùa khô ...............121
Hình 4.24 Sơ đồ tuyến khảo sát địa vật lý đoạn đê Sen Chiểu (Km32+322÷Km32+512)
.......................................................................................................................................121
Hình 4.25 Vị trí các tuyến khảo sát ..............................................................................122
Hình 4.26 Kết quả khảo sát tại tuyến đo T1 .................................................................122
x


Hình 4.27 Kết quả khảo sát tại tuyến đo T2 .................................................................122
Hình 4.28 Kết quả khảo sát tại tuyến đo T3 .................................................................122
Hình 4.29 Hình ảnh 3D mô phỏng các vùng xốp cục bộ dưới nền đê .........................123
Hình 4.30 Sự suy giảm và độ trễ thời gian của áp lực nước ........................................124
Hình 4.31 Tương quan giữa chiều dài ống xói và chênh cao áp lực ...........................125
Hình 4.32 Đùn sủi dẫn đến vỡ đê Vân Cốc ..................................................................127
Hình 4.33 Phân bố xác sất của hệ số  dự báo chiều dài ống xói dưới nền đê Vân Cốc
.......................................................................................................................................129
Hình 4.34 Sơ họa mặt cắt ngang đê Sen Chiểu ............................................................129
Hình 4.35 Đường quá trình mực nước lũ tần suất 1/500 năm điển hình tại Sơn Tây có
xét đến ảnh hưởng của BĐKH......................................................................................130
Hình 4.36 Phân bố xác suất của hệ số nền tại khu vực Sen Chiểu, Phương Độ .........130
Hình 4.37 Sự biến đổi của các tham số dưới một trận lũ .............................................131
Hình 4.38 Chiều dài đường thấm suy giảm theo thời gian và xác suất sự cố xói ngầm
.......................................................................................................................................131

Bảng 4.11 Tổng xác suất sự cố của các đoạn đê và của cả hệ thống...........................116
Bảng 4.12 Tổng hợp kết quả tính xác suất sự cố của đê khi xét đến hiệu ứng chiều dài
.......................................................................................................................................118
Bảng 4.13 Tổng hợp các tham số tương quan giữa Lxt và H .....................................126
Bảng 4.14 Các tham số đầu vào hiệu chỉnh mô hình dự báo xói ngầm qua trận vỡ đê
Vân Cốc năm 1986 ......................................................................................................128
Bảng 4.15 Hiện trạng sử dụng đất năm 2016 huyện Phúc Thọ ...................................134
Bảng 4.16 Thiệt hại lớn nhất cho một đơn vị sử dụng đất ...........................................137
Bảng 4.17 Tổng hợp chi phí đầu tư xây dựng hào thu nước........................................140
Bảng 4.18 Tổng hợp kết quả tính xác suất sự cố đoạn đê 2 (Sen Chiểu) ....................140
Bảng 4.19 Kết quả xác định đường cong tổng thiệt hại của vùng nghiên cứu ............141

xii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
1. Các từ viết tắt
ATĐ:

An Toàn Đê

BDT:

Biến Dạng Thấm

BĐKH:

Biến Đổi Khí Hậu

BNN:

Nước Biển Dâng

QT1622:

Quy Trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng, ban
hành theo Quyết định số 1622/QĐ-TTg ngày 17/9/2015 của Thủ tướng
Chính Phủ

QTVH:

Quy Trình Vận Hành

RCP:

Representative Concentration Pathways (đường phân bố nồng độ khí
nhà kính đại diện)

2. Các thuật ngữ
“Đoạn đê (dike stretch)” là thành phần được coi như tương đối độc lập trong hệ
thống đê (ở đây là đê Hữu Hồng), được phân chia theo địa tầng và các sự cố đã xảy ra
trong quá khứ. Các đoạn đê này kết nối với nhau tạo thành hệ thống công trình phòng
chống lũ.
“Hệ thống (system)” là tập hợp nhiều phần tử (thành phần) có chung mục đích và
chức năng. Hệ thống thường có một chức năng nhất định.
xiii


“Hệ thống công trình phòng chống lũ (flood defence system)” là các công trình
cùng phối hợp làm nhiệm vụ điều tiết, ngăn lũ chống ngập lụt cho vùng được bảo vệ.
Hệ thống công trình phòng chống lũ có thể bao gồm các hồ chứa, hệ thống đê sông, kè

mục tiêu được xác định bằng phương pháp phân tích rủi ro và LTĐTC của một hệ
thống công trình phòng chống lũ. Tiêu chuẩn an toàn được đề xuất hoặc do cơ quan
quản lý có thẩm quyền ban hành.
“Rủi ro (risk)” là sự cố không mong muốn xảy ra trong không gian và thời gian nhất
định và được xác định bằng hàm số của xác suất sự cố và hậu quả do sự cố đó gây ra.
“Rủi ro chấp nhận (acceptable risk)” là giá trị rủi ro tương ứng độ tin cậy yêu cầu
được xác định bằng phương pháp phân tích rủi ro của hệ thống công trình phòng
chống lũ. Độ tin cậy yêu cầu tương ứng với giá trị rủi ro được chấp nhận chính là Độ
tin cậy hợp lý của hệ thống phòng chống lũ đang xem xét;
“Hàm thiệt hại (damage function)” là hàm số thể hiện quan hệ giữa mức độ thiệt hại
của từng loại diện tích sử dụng đất của vùng được bảo vệ theo chiều sâu ngập lụt. Hàm
thiệt hại cũng có thể biểu diễn dưới dạng đồ thị, khi đó còn được gọi là đường cong
thiệt hại.
“Bản đồ ngập lụt (flood map)” là bản đồ thể hiện phân bố sâu ngập lụt của vùng
được hệ thống công trình phòng chống lũ bảo vệ.
“Bản đồ thiệt hại (damage map)” là bản đồ thể hiện mức độ thiệt hại của vùng được
bảo vệ.
“Vùng được bảo vệ (protected region)” là vùng được bao bọc bởi hệ thống công
trình phòng chống lũ. Trong trường hợp hệ thống công trình phòng chống lũ gặp sự cố,
vùng được bảo vệ sẽ bị ngập lụt.

xv


DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG
J:

Gradient áp lực thấm

H:


[K]:

Hệ số ổn định mái cho phép

Z:

Hàm tin cậy

R(xi):

Hàm sức kháng (Resistance)

L(yi):

Hàm tải trọng (Load)

Pf:

Xác suất sự cố

β:

Chỉ số tin cậy

µz:

Giá trị trung bình của hàm Z

σz:


Pfsec_i:

Xác suất sự cố của đoạn đê thứ i

Li:

Chiều dài của đoạn đê
xvi


li:

Chiều dài dự kiến bị phá hoại

Pfsys:

Xác suất sự cố của toàn bộ hệ thống

Pfsec_i:

Xác suất sự cố của mặt cắt ngang i

dh:

Đường kính hạt

K:

Hệ số thấm


Gradient tại thời điểm ống xói hình thành hoàn chỉnh, thông suốt từ hạ
lưu đến thượng lưu miền thấm

ts:

Thời điểm quan sát thấy ống xói bắt đầu hình thành ở hạ lưu của miền
thấm

L0:

Chiều dài ban đầu của miền thấm

Lx,t:

Chiều dài ống xói phát triển theo thời gian

Lt:

Chiều dài còn lại của miền thấm

t1:

Thời điểm quan sát thấy cát bắt đầu dịch chuyển

t2:

Thời điểm quan sát thấy ống xói đạt chiều dài Lx-gh

tf:

Lg:

Đà gió được lấy theo phương vuông góc với đê

g:

Gia tốc trọng trường

Kw:

Hệ số phụ thuộc vào vận tốc gió

ρbh:

Khối lượng đơn vị bão hòa của lớp đất nền

ρw:

Khối lượng đơn vị của nước

d:

Chiều dày tầng phủ

Tn:

Hệ số truyền dẫn nước

S:


Zđđ:

Cao trình đỉnh cống

ρbt:

Khối lượng riêng của vật liệu gia cố hạ lưu cống

ρw:

Khối lượng riêng của nước

ρdn:

Khối lượng riêng đẩy nổi của cát

tss:

Bề dày lớp gia cố sân sau

Sd:

Chiều cao cột đất từ chân khay tới lớp gia cố

Ttrễ:

Là độ trễ thời gian tính từ thời điểm lũ đạt đỉnh đến thời điểm đê vỡ

Lx_ht:


hồ chứa ở thượng nguồn và các công trình chống lũ khác còn có hệ thống đê sông
Hồng, sông Thái Bình với tổng chiều dài khoảng 3.000km, được xây dựng qua nhiều
thời kỳ khác nhau. Theo đó, các tuyến đê ngày càng được tôn cao, mở rộng và nối dài
tạo thành hệ thống công trình phòng lũ có thể chống được những trận lũ lớn hơn, bảo
vệ cho cả vùng rộng lớn của đồng bằng châu thổ. Do thân đê được tôn cao, áp trúc
nhiều lần để chống lũ tràn nhưng riêng nền đê từ khi hình thành cho đến ngày nay hầu
như chưa được xử lý. Mỗi khi có lũ lớn, những đoạn đê có nền xấu thường xuất hiện
các sự cố, nhiều nơi lặp đi lặp lại với quy mô và mức độ khác nhau. Sau hòa bình lập
1


lại, hệ thống công trình phòng chống lũ trên lưu vực sông Hồng luôn được Nhà nước
quan tâm, đầu tư cải tạo, nâng cấp, đến nay đã tạo ra được một hạ tầng công trình
phòng chống lũ vững chắc, bảo vệ an toàn cho ĐBSH trong các trận lũ lớn đã xảy ra
với mức bảo đảm an toàn ngày càng được nâng cao. Giai đoạn trước 1954, mức đảm
bảo chống lũ của hệ thống đê lưu vực sông Hồng tương ứng trận lũ có chu kỳ lặp lại
25÷50 năm, sau đó nâng cao đến lũ chu kỳ 125 năm giai đoạn 1990; lũ chu kỳ 500
năm cho khu vực nội thành Hà Nội và 300 năm cho các khu vực khác hiện nay. Hiện
tại, công tác phòng chống lũ lụt và hệ thống đê điều trên lưu vực đang đứng trước
những thuận lợi và khó khăn, thách thức cần được xem xét, nghiên cứu, cụ thể:
Về mặt thuận lợi: hệ thống hồ chứa lớn (Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên
Quang) trên thượng nguồn, được xây dựng gần như hoàn chỉnh, hệ thống đê điều ở hạ
lưu đã và đang được củng cố, nâng cấp nhằm nâng cao mức đảm bảo phòng chống lũ
cho vùng được bảo vệ. Khả năng dự báo lũ trong ngắn hạn và dài hạn ngày càng được
cải thiện về độ chính xác nhờ sự hỗ trợ của khoa học công nghệ [1]. Bên cạnh đó, nhận
thức của xã hội về tầm quan trọng của hệ thống công trình phòng lũ ngày càng nâng
cao, từ lĩnh vực nghiên cứu, quản lý nhà nước cũng như trong thực tế vận hành và khai
thác các công trình phòng lũ.
Các thách thức: BĐKH đang tạo ra nhiều hình thái thời tiết cực đoan, lũ lớn trái mùa
có thể xảy ra. Sự phát triển về kinh tế, xã hội và tầm quan trọng của vùng được bảo vệ

5. Nội dung nghiên cứu
Dựa trên mục tiêu đã nêu, các câu hỏi nghiên cứu sau được đặt ra: (i) Ảnh hưởng của
BĐKH theo các kịch bản khí hậu tác động như thế nào đến chế độ thủy văn trên sông
Hồng trong phạm vi nghiên cứu?; (ii) Cơ chế sự cố nào có nguy cơ gây mất ổn định hệ
thống đê sông Hồng?; (iii) Đánh giá ảnh hưởng của quá trình xói ngầm dưới nền đê
sông Hồng thông qua mô hình vật lý trong phòng và phân tích thống kê hiện trường?;
(iv) Đánh giá an toàn hệ thống đê sông Hồng hiện tại trong điều kiện BĐKH và NBD
bằng lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro?.
6. Phương pháp nghiên cứu
Trong nghiên cứu này, các phương pháp sau được sử dụng, vận dụng: (i) Phương pháp
kế thừa (các kết quả nghiên cứu, giải pháp công nghệ đã có trước đây); (ii) Phương
pháp chuyên gia thông qua các hội thảo khoa học, thảo luận; (iii) Phương pháp tổng
hợp, thống kê, phân tích, xử lý các số liệu cơ bản đã có, các số liệu thực đo cho nghiên
3


cứu và đặc điểm điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu; (iv) Phương pháp sử dụng các
mô hình số để tính toán, mô phỏng an toàn hệ thống đê theo các mô hình địa kỹ thuật
như: Geo-Studio 2016; (v) Phương pháp thí nghiệm trong phòng bằng mô hình vật lý
nghiên cứu hiện tượng xói ngầm dưới nền đê.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: bằng nghiên cứu phân tích hệ thống và nghiên cứu thực nghiệm chỉ
ra nguyên nhân quan trọng dẫn đến sự cố đê sông Hồng.
Ý nghĩa thực tiễn: xác định được xác suất sự cố của hệ thống đê Hữu Hồng làm cơ sở
lựa chọn giải pháp phòng sự cố.
8. Cấu trúc luận án
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, kiến nghị, luận án được trình bày trong bốn
chương, theo sơ đồ Hình 0.1 như sau:

Hình 0.1 Sơ đồ trình bày cấu trúc của luận án