Nghiên cứu đề xuất phương pháp tính lũ thiết kế công trình giao thông vùng Đông Bắc Việt Nam

- NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP TÍNH LŨ THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG VÙNG ĐÔNG BẮC VIỆT NAM.
- Tóm tắt: Các phương pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Việt Nam chủ yếu dựa trên các tiêu chuẩn, quy chuẩn ứng dụng các nghiên cứu của Liên Xô cũ và và được xây dựng từ số liệu rất hạn chế ở Việt Nam nên kết quả không tránh khỏi những sai số không mong muốn và phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người tính.
- Bài báo sẽ phân tích một số bất cập trong tính lũ thiết kế hiện nay làm cơ sở cho việc đề xuất phương pháp tính toán lũ thiết kế cho các công trình giao thông ở vùng núi Đông Bắc Việt Nam..
- Các từ khóa: Đông Bắc, Giao thông, Lũ thiết kế, Phương pháp..
- Hàng năm, Nhà nước đã phải đầu tư rất nhiều kinh phí cho việc sửa chữa, nâng cấp các công trình giao thông trong khu vực.
- Tuy nhiên, theo TCVN hầu hết các tuyến đường ở đây là cấp V, chỉ một số km là cấp III và IV nên các công trình thoát nước như cầu, cống chưa được chú trọng trong thiết kế và xây dựng..
- Tính toán lũ thiết kế là một nội dung quan trọng trong thiết kế và thi công các công trình giao thông.
- Kết quả tính toán lũ thiết kế sẽ quyết định quy mô công trình.
- Hiện nay việc tính toán lũ thiết kế cho các công trình giao thông ở Việt Nam chủ yếu dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn, quy.
- chuẩn cũ (Bộ Thủy lợi, 1977), (Bộ GTVT, TCVN ứng dụng các nghiên cứu của Liên Xô và được xây dựng từ số liệu rất hạn chế ở Việt Nam nên kết quả có những sai số không mong muốn và phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người tính.
- Bài báo sẽ đi sâu phân tích một số bất cập trong tính lũ thiết kế hiện nay làm cơ sở cho việc đề xuất phương pháp tính toán lũ thiết kế cho các công trình giao thông ở vùng núi Đông Bắc Việt Nam..
- NHỮNG HẠN CHẾ TRONG TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Ở VIỆT NAM.
- Tính lũ thiết kế ở Việt Nam phụ thuộc vào diện tích, tình trạng số liệu thủy văn và mức độ quan trọng của công trình (cấp công trình), có thể phân thành hai nhóm: i) nhóm phương pháp phân tích thống kê và ii) nhóm phân tích nguyên nhân hình thành (hình 1).
- Các phương pháp tính lũ thiết cho giao thông ở Việt Nam.
- Qua nghiên cứu, phân tích và đánh giá cho thấy tính toán lũ thiết kế cho công trình giao.
- 1) Việc chọn tần suất lũ mới chỉ dựa vào cấp đường mà chưa xét đến các điều kiện bất lợi khác như điều kiện tự nhiên và khí tượng thủy văn của vùng xây dựng công trình dẫn đến tình trạng công trình không đủ năng lực và gặp nhiều sự cố..
- 2) Việc tính lũ thiết kế mới chú trọng xác định đỉnh lũ mà chưa xét đến tổng lượng lũ (W) dẫn đến tổng lượng nước đổ dồn vào công trình, không thoát kịp (khẩu độ nhỏ), tạo hiện tượng tích nước ở thượng lưu, phá hủy mặt đường và các công trình tiêu thoát nước..
- 3) Tiêu chuẩn 22TCN-220-95 được xây dựng chủ yếu dựa trên cơ sở các công thức từ Liên Xô cũ với phương pháp và các bảng tra chưa được cập nhật dẫn đến sai số trong tính toán:.
- Việc tra hệ số dòng chảy phụ thuộc vào cấp đất, diện tích lưu vực và lượng mưa.
- Các bản đồ loại đất và thảm phủ thực vật đã được xây dựng từ lâu, nhiều loại đất và thảm phủ rất khó xác định hệ số dòng chảy..
- Hệ số địa mạo sườn dốc phụ thuộc vào cấp đất, vùng mưa và các đặc trưng lưu vực.
- bảng tra này cũng được xây dựng từ lâu trong điều kiện hạn chế về số liệu, chuỗi số liệu để xây dựng ngắn dẫn tính chính xác không đảm bảo..
- PHƯƠNG PHÁP TÍNH LŨ THIẾT KẾ KHU VỰC NGHIÊN CỨU.
- 3.1 Đề xuất hướng tiếp cận tính lũ thiết kế Từ những hạn chế trong các phương pháp tính lũ cho ngành giao thông ở Việt Nam, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ tính toán, kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS), nghiên cứu lựa chọn hướng tiếp cận tính toán lũ thiết kế khu vực nghiên cứu theo các phương pháp đang được sử dụng rộng rãi ở các nước phương Tây và Mỹ (V.T.
- McCuen, 2002) đó là: i) Phương pháp SCS-CN;.
- ii) Phương pháp mô hình quan hệ.
- iii) Phương pháp phương trình hồi quy dạng Q=f(A) (Các phương pháp này đều đòi hỏi tính toán lượng mưa hiệu quả từ đó tính chuyển ra dòng chảy trên lưu vực).
- Để thuận tiện cho việc tính toán, nghiên cứu tiến hành xây dựng các cơ sở dữ liệu phục vụ cho việc tính toán lũ thiết kế như sau:.
- o Nghiên cứu đặc trưng mưa: gồm biến động của mưa lũ thông qua thống kê và đánh giá các hình thế thời tiết gây mưa lũ trong khu vực;.
- Để đánh giá sự biến động của mưa theo thời gian, nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích tần suất, xây dựng các bộ đường cong IDF (Cường độ mưa-Thời gian mưa-Tần suất) cho các tiểu vùng khác nhau trong khu vực.
- Kỹ thuật Viễn thám và GIS được sử dụng để đánh giá sự biến động của mưa theo không gian và xây dựng các bản đồ đẳng trị về biến đổi lượng mưa, hệ số biến đổi lượng mưa Cv theo không gian trong khu vực nghiên cứu..
- o Nghiên cứu phân tích điều kiện mặt đệm của khu vực Đông Bắc bao gồm nghiên cứu phân tích các đặc trưng hình thái của tiểu lưu vực thoát nước qua cầu, nghiên cứu xây dựng bản đồ chỉ số CN, bản đồ hệ số dòng chảy C, bản đồ hệ số nhám Manning và các bảng tra phụ trợ, kỹ thuật Viễn thám và mô hình phân tích không gian trong GIS được sử dụng để tận dụng ưu điểm của dữ liệu không gian và khả năng cập nhật nhanh những dữ liệu này khi áp dụng thực tế.
- Sơ đồ tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3.1.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu mưa.
- Vùng núi phía Bắc và Đông Bắc có các công trình thoát nước nằm trên địa hình có độ dốc lớn, lượng mưa lớn, thời gian tập trung dòng chảy ngắn, kết hợp với các yếu tố dễ hình thành lũ quét dẫn đến chỉ vài giờ mưa cũng đủ ngập và phá hủy rất nhiều công trình giao thông..
- 1) Xây dựng đường cong IDF:.
- Việc chuyển đổi mưa ngày thành thời đoạn ngắn là rất cần thiết trong tính lũ thiết kế cho công trình cầu đường (Gupta, V.K.
- and Waymire, E, 1990) và xây dựng đường cong IDF theo phương pháp thống kê xác suất.
- Do hàm phân phối Gumbel được ứng dụng trên toàn thế giới để tính cho giá trị cực hạn (lũ, kiệt) nên nghiên cứu lựa chọn phân phối Gumbel (GEV) để xây dựng bộ đường cong IDF cho vùng nghiên cứu.
- Kết quả xây dựng bộ đường cong IDF cho hai trạm Lạng Sơn và Đình Lập được thể hiện như hình 3..
- Bộ đường cong IDF và đường cong lũy tích trạm Đình Lập Lựa chọn phương pháp.
- Xây dựng và phân tích lưu vực và đặc trưng lưu vực.
- Xây dựng bản đồ chỉ số CN.
- Xây dựng bản đồ hệ số dòng.
- Xây dựng bản đồ hệ số nhám Manning n - Biến động theo.
- Tính mưa thiết kế:.
- Nghiên cứu đặc trưng mưa Nghiên cứu điều kiện mặt đệm.
- Tính toán thử nghiệm cho công trình cầu.
- Đề xuất áp dụng phương pháp phù hợp cho khu vực nghiên cứu.
- Kết quả xây dựng bộ đường cong IDF cho các tiểu vùng khác nhau trên khu vực nghiên cứu là cơ sở để phân vùng và đánh giá sự thay đổi của cường độ mưa theo thời gian.
- 2) Xây dựng đường cong tích lũy mưa 24h Đường cong lũy tích mưa 24h chính là biểu đồ mưa thiết kế được xây dựng cho các tiểu vùng khác nhau trong khu vực nghiên cứu dùng để thiết kế thoát nước đô thị hoặc các công trình thoát nước trên đường giao thông (V.T.
- Để tiến hành xây dựng đường cong tích lũy mưa 24h, nghiên cứu tiến hành chọn các trận mưa bất lợi, thuộc hai nhóm: nhóm có lượng mưa X>100mm và nhóm có lượng mưa X<100mm, xây dựng đường cong lũy tích mưa, lấy đường bao để xây dựng ra hai dạng đường của mỗi trạm đó là đường I và đường II.
- 3.1.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu mặt đệm 1) Xây dựng bản đồ chỉ số CN khu vực nghiên cứu.
- Để tính thấm nghiên cứu sử dụng phương pháp SCS-CN của Cục bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (SCS, 1972).
- Phương pháp này đòi hỏi phải xây dựng được bản đồ chỉ số CN (phụ thuộc vào loại đất, lượng mưa và độ ẩm của đất).
- Nghiên cứu đã tiến hành thu thập bản đồ đất và bản đồ hiện trạng sử dụng đất thuộc hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn, ứng dụng thuộc tính phân tích không gian của phần mềm ArcGIS xây dựng bản đồ chỉ số CN.
- cho khu vực nghiên cứu như hình 4..
- Kết quả xây dựng bản đồ chỉ số CN cho thấy ở khu vực nghiên cứu thuộc vùng đồi núi, tỷ lệ rừng chỉ chiếm hơn 50% diện tích của 2 tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn, chỉ số CN chiếm giá trị phần lớn từ 70-77.
- Từ đây có thể thấy vùng nghiên cứu là vùng có khả năng sinh dòng chảy lũ từ mưa ở mức trung bình cao..
- 2) Xây dựng bản đồ hệ số dòng chảy C khu vực nghiên cứu.
- Bản đồ số hệ số dòng chảy C xây dựng cho khu vực nghiên cứu dùng để tính lưu lượng thiết kế theo phương pháp mô hình quan hệ (Rational Method – Qmax = CIA/3,6).
- Kết quả xây dựng bản đồ hệ số dòng chảy C cho khu vực nghiên cứu được thể hiện ở hình 5..
- 3) Xây dựng bản đồ hệ số nhám cho khu vực nghiên cứu.
- Hệ số nhám (Manning) được dùng để tính thời gian tập trung dòng chảy trên lưu vực.
- Để có thể xác định được thời gian tập trung dòng chảy đoạn chảy tràn và chảy trên sườn dốc, nghiên cứu tiến hành xây dựng bản đồ hệ số nhám Manning dựa trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất của khu vực nghiên cứu và được cập nhật thêm từ dữ liệu viễn thám và số liệu điều tra thực địa.
- Kết quả xây dựng bản đồ hệ số n được trình bày trong hình 5..
- Các kết quả dữ liệu thu được từ mưa và mặt đệm sẽ được sử dụng cho việc tính toán lũ thiết kế cho các công trình giao thông khu vực nghiên cứu..
- 3.2 Kiến nghị phương pháp tính lũ thiết kế khu vực nghiên cứu.
- 3.2.1 Cơ sở phân nhóm công trình thoát nước trong tính lũ thiết kế.
- Để có thể phân chia các nhóm phương pháp tính nghiên cứu căn cứ vào một số nội dung sau:.
- Căn cứ vào điều kiện áp dụng: Phương pháp mô hình quan hệ được áp dụng khi diện tích lưu vực A<.
- Phương pháp SCS có giới hạn từ 2-500 km 2 .
- Phương pháp hồi quy vùng sẽ tùy vào mức độ chi tiết số liệu đầu vào để xây dựng phương trình.
- Căn cứ vào kết quả thu thập dữ liệu công trình (vị trí, tuyến, số lượng.
- Từ các căn cứ trên nghiên cứu tiến hành phân chia nhóm công trình tính lũ thiết kế như sau:.
- Nhóm thứ nhất: các công trình có diện tích lưu vực khống chế bé (A<5km 2 ) bao gồm các cống, cầu nhỏ chiếm khoảng 50% số lượng công trình thoát nước trên đường.
- điểm là loại đất, thảm phủ và lưu vực đơn giản (thường là một loại đất và một vài loại thảm phủ) có thể tính toán nhanh được lưu lượng lũ thiết kế;.
- Nhóm thứ hai: các công trình có diện tích lưu vực khống chế khoảng 5-30 km 2 , chiếm đến 40% số lượng công trình thoát nước trên đường..
- Nhóm thứ ba: Các công trình còn lại với diện tích lớn hơn 30 km 2 chiếm số lượng ít.
- 3.2.2 Kiến nghị phương pháp tính lũ thiết kế Nghiên cứu đã tiến hành tính toán thử nghiệm cho trên 40 công trình cầu thuộc khu vực nghiên cứu theo 3 phương pháp đề xuất trên.
- Các công trình loại này có số lượng lớn nên cần tính nhanh và đơn giản.
- Đối với nhóm có diện tích khống chế trung bình (A=5-30 km 2 ) tính theo Mô hình Quan hệ cũng cho kết quả tốt và các bước rất tiện dụng, tuy nhiên có thể dùng thêm phương pháp SCS để xây dựng quá trình lũ trên lưu vực;.
- Đối với nhóm công trình có diện tích khống chế từ 30-100 km 2 , tính lũ bằng phương pháp SCS-CN cho kết quả tốt, có thể sử dụng thêm phương pháp hồi quy vùng trong trường hợp cần tính nhanh lưu lượng thiết kế (các.
- phương trình hồi quy vùng cũng đã được nghiên cứu xây dựng cho các khu vực khác nhau thuộc vùng nghiên cứu)..
- Đối với nhóm công trình có diện tích lớn (A>100 km 2 ) cần tính bằng SCS và phương trình hồi quy vùng.
- Phương pháp tính toán lũ thiết kế cho các công trình giao thông khu vực nghiên cứu có thể được tóm tắt và tổng kết như trong bảng 1..
- Kiến nghị phương pháp tính lũ cho công trình giao thông TT Công trình Diện tích lưu vực.
- Tra bản đồ C.
- Tra diện tích A từ bản đồ lưu vực;.
- Tính Tc từ đặc trưng lưu vực - Tra I từ bộ đường cong IDF.
- SCS - Tra CN từ bản đồ CN đã xây dựng;.
- Tra diện tích A từ bản đồ lưu vực - Tính Tc từ các đặc trưng lưu vực CIA.
- Tra CN từ bản đồ CN đã xây dựng;.
- Tra diện tích A từ bản đồ lưu vực - Tính Tc từ các đặc trưng lưu vực.
- Tra A từ bản đồ lưu vực (chỉ áp dụng cho A.
- Thông qua thử nghiệm tính toán cho nhiều công trình cầu và cống trong khu vực Đông Bắc, bài báo đã đề xuất được phương pháp tính lũ thiết kế phụ hợp cho các đối tượng công trình khác nhau.
- Bên cạnh đó nghiên cứu đã xây dựng được bộ cơ sở dữ liệu bao gồm: các bản đồ (chỉ số CN, hệ số dòng chảy, hệ số Cv, cường độ mưa, đặc trưng hình thái), biểu đồ (các họ đường cong IDF), các bảng tra, các phương.
- trình hồi quy cho các khu vực khác nhau trong vùng nghiên cứu.
- Bộ dữ liệu này sẽ giúp cho việc tính toán lũ thiết kế được nhanh chóng, thuận tiện..
- Để tiếp tục nâng cao độ chính xác của việc tính toán, nghiên cứu cần tiếp tục cập nhập dữ liệu, xây dựng phần mềm tính tính toán lũ thiết kế, cho phép áp dụng các kỹ thuật và công nghệ tiên tiến, đặc biệt khi tính toán chi tiết cho công trình lớn..
- Bộ Thủy Lợi, (1977), Quy phạm tính toán các đặc trưng thiết kế

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt