Tiểu luận nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi đông bắc việt nam

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Giao thông đƣợc coi là huyết mạch của mỗi quốc gia, muốn phát triển đất nƣớc cần
phải hoàn thiện và hiện đại hệ thống giao thông. Hàng năm nhà nƣớc đã đầu tƣ rất
nhiều kinh phí cho phát triển giao thông trên toàn quốc. Các tuyến đƣờng đƣợc đầu tƣ
xây mới, nâng cấp và mở rộng để đảm bảo giao thƣơng kinh tế văn hóa các vùng trên
cả nƣớc và quốc tế.
Với trên 2/3 diện tích của đất nƣớc là địa hình đồi núi, theo thống kê của Bộ GTVT
đƣờng miền núi chiếm hơn 70% km trong tổng km chiều dài đƣờng bộ cả nƣớc.
Đƣờng miền núi chủ yếu cấp V, chỉ một số km là cấp III và IV cho nên các công trình
thoát nƣớc nhƣ cầu, cống và rãnh thoát nƣớc chƣa đƣợc chú trọng trong thiết kế và xây
dựng, việc tính toán thủy văn thủy lực còn hạn chế.
Trong những năm gần đây, việc thiết kế đƣờng ô tô đã chuyển từ tiêu chuẩn 22 - TCN
- 4054 - 85 sang 22 - TCN - 4054 - 98, 22TCN - 4054 - 2005 và các tiêu chuẩn tính
toán lũ thoát nƣớc cũng chuyển từ 22TCN - 1995, 22TCN 273 - 01; 22TCN 273 - 05
sang TCVN 9845:2013 với các yêu cầu kỹ thuật cao hơn, các tuyến đƣờng cần cải tạo
theo tiêu chuẩn mới để tăng mức độ an toàn chạy xe nhằm đáp ứng chiến lƣợc an toàn
giao thông quốc gia và nâng cao hiệu quả vận tải.
Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa với chế độ mƣa lũ
rất khắc nghiệt và dƣờng nhƣ mức độ đó ngày càng tăng lên do biến đổi khí hậu toàn
cầu làm cho các công trình giao thông thƣờng bị hƣ hỏng nặng nề. Các hƣ hỏng của hệ
thống đƣờng bộ có nhiều nguyên nhân nhƣ: chế độ khí hậu có sự thay đổi đáng kể và
xu thế ngày càng ác liệt; do các nguyên nhân địa chất, nền móng và có thể do công tác
xây dựng, vận hành và bảo dƣỡng. Tuy nhiên trong các nhóm nguyên nhân kể trên thì
vấn đề ảnh hƣởng của mƣa, lũ là nguyên nhân chính gây tác động đáng kể tới các hƣ
hỏng của công trình. Các hƣ hỏng thƣờng kể đến nhƣ hiện tƣợng sạt lở ta luy dƣơng,
âm, trôi cầu cống, hỏng mố trụ đều do nguyên nhân tính lũ thiết kế chƣa đúng hoặc
chƣa phù hợp.

1

Trong TCVN 9845:2013,''Tiêu chuẩn tính toán đặc trƣng dòng chảy lũ'' (đƣợc biên
soạn dựa theo QP.TL C - 6 - 77) đã giới thiệu một số phƣơng pháp tính lũ thiết kế từ
mƣa rào nhƣ Cƣờng độ giới hạn, Xokolopsky, phƣơng pháp của trƣờng Đại học Xây
dựng. Các phƣơng pháp trên do các tác giả Liên Xô (cũ) xây dựng và đã đƣợc đƣa vào
sử dụng ở nƣớc ta. Tuy nhiên, các công thức này có nhiều thông số đƣợc xác định
trong điều kiện của nƣớc Nga, khi đƣa vào quy phạm tính toán của Việt Nam dù đã
đƣợc hiệu chỉnh nhƣng trong điều kiện rất thiếu số liệu nên chƣa đƣợc chuẩn hóa; có
những thông số rất khó xác định, với phạm vi thay đổi quá lớn, dẫn tới kết quả tính
toán có độ chính xác không cao, tùy thuộc vào quan điểm lựa chọn thông số của mỗi
ngƣời sử dụng và hậu quả là rủi ro hƣ hỏng công trình cũng tăng lên.
Khó khăn chính trong tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Việt Nam là
thiếu các tài liệu từ các đặc trƣng lƣu vực, đất đai, lớp phủ, đặc biệt là mƣa và dòng
chảy thực đo thời đoạn ngắn thƣờng chỉ có tài liệu mƣa ngày, tuy nhiên khối lƣợng
cũng rất hạn chế. Vì vậy, luận án“Nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất cơ
sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc - Việt Nam” mà
NCS lựa chọn là rất cấp thiết và có ý nghĩa khoa học.
Kết quả của luận án là cơ sở khoa học đề xuất các phƣơng pháp tính lũ thiết kế đơn
giản với độ tin cậy và mức độ ổn định cao hơn, phục vụ xây dựng các công trình thoát
nƣớc trên đƣờng, góp phần cập nhật và xây dựng qui trình tính hợp lý cho công tác
duy tu, bảo dƣỡng và nâng cấp các công trình hiện có, cũng nhƣ xây dựng các công
trình mới an toàn, giảm thiểu các thiệt hại cho các công trình giao thông.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu những biến động của mƣa lũ, chi tiết hóa mƣa và mặt đệm, xác lập cơ sở
khoa học tính lũ thiết kế cho công trình giao thông.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi nghiên cứu của luận án gồm hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn nằm trong vùng
núi Đông Bắc - Việt Nam;
- Đối tƣợng nghiên cứu là mƣa và lũ thiết kế phục vụ xây dựng các công trình thoát
nƣớc nằm trên các quốc lộ QL3, 3B, 279, 3, 4A, 4B, 1A thuộc khu vực nghiên cứu.

2


4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu đề ra, tác giả đã thu thập các số liệu, tài liệu cần thiết, tiến hành
nghiên cứu tổng quan những biến động về mƣa lũ (mƣa sinh lũ), các phƣơng pháp tính
lũ thiết kế cho công trình giao thông ở trong nƣớc và trên thế giới từ đó lựa chọn
hƣớng tiếp cận phù hợp, vừa mang tính kế thừa vừa đảm bảo tính sáng tạo trong
nghiên cứu.
Các phƣơng pháp đƣợc sử dụng trong luận án bao gồm: i) phƣơng pháp phân tích,
thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu đã có nhằm tập hợp, đánh giá những biến
động về mƣa lũ trong khu vực nghiên cứu; ii) phƣơng pháp phân tích ảnh viễn thám,
GIS phục vụ mô phỏng lƣu vực trong các mô hình toán và xây dựng các bản đồ chyên
đề làm cơ sở khoa học cho các phƣơng pháp tính lũ kiến nghị; iii) phƣơng pháp mô
hình toán, tính toán thử nghiệm làm cơ sở cho việc kiến nghị các phƣơng pháp tính lũ
thiết kế phù hợp cho các công trình giao thông khu vực Đông Bắc - Việt Nam.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Quá trình phát triển dân sinh kinh tế ở Việt Nam hiện nay đòi hỏi phải nâng cấp và xây
mới hàng loạt các tuyến đƣờng giao thông huyết mạch, đặc biệt là các tuyến đƣờng
giao thông miền núi vì vậy kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn cao vì
đã giải quyết những khó khăn hiện nay trong tính toán thủy văn, thủy lực hiện nay.
Việc nghiên cứu biến động của mƣa lũ cho khu vực Đông Bắc và xác lập cơ sở khoa
học tính lũ thiết kế cho các công trình giao thông ở khu vực này có ý nghĩa khoa học
trong việc tiếp cận với những phƣơng pháp tính toán hiện đại và tiện lợi làm tiền đề
cho việc xây dựng một quy trình tính toán phù hợp với điều kiện của Việt Nam trong
tƣơng lai gần.
6. Những đóng góp mới của luận án
- Luận án đã hoàn thiện phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông có xét
đến biến động của mƣa lũ và chi tiết hóa đặc điểm tự nhiên của khu vực Đông Bắc,
trên cơ sở ứng dụng thành tựu công nghệ hiện đại là hệ thống thông tin địa lý (GIS);

- Đã bƣớc đầu xây dựng đƣợc phần mềm hỗ trợ tính lũ cho công trình thoát nƣớc trên
đƣờng giao thông.
3


7. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, luận án đƣợc trình bày trong 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về nghiên cứu tính lũ thiết kế cho công trình giao thông.
Chƣơng 2: Xây dựng cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông
Bắc - Việt Nam.
Chƣơng 3: Tính thử nghiệm và đề xuất phƣơng pháp tính lũ cho công trình giao thông
vùng núi Đông Bắc - Việt Nam.

4


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TÍNH LŨ THIẾT KẾ
CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG
1.1 Tổng quan về tính lũ thiết kế
1.1.1 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế trên thế giới
Dòng chảy lũ là đặc trƣng quan trọng trong tính toán thiết kế các công trình, bởi vậy
tính toán lũ là một vấn đề đặc biệt đƣợc quan tâm nghiên cứu. Lũ thiết kế là trận lũ
đƣợc sử dụng trong thiết kế công trình có trạng thái bất lợi, độ lớn phụ thuộc vào cấp
công trình và đƣợc quy định bởi từng quốc gia. Lũ thiết kế bao gồm đỉnh lũ, tổng
lƣợng và quá trình lũ. Hiện nay, tính lũ thiết kế phân thành hai nhóm: phƣơng pháp
trực tiếp (phân tích thống kê xác suất) và phƣơng pháp gián tiếp (phân tích mƣa và mặt
đệm). Việc tính lũ thiết kế trải qua một quá trình dài nghiên cứu mang tính kế thừa và
phát triển nhằm chính xác và hiện đại hóa phục vụ xây dựng các công trình an toàn
trong mùa mƣa lũ đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện tại. Một số nghiên cứu

về lũ thiết kế điển hình có thể kể đến nhƣ:
Chow (1964), Shaw [1] là cuốn sổ tay tính toán thủy văn có đề cập đến phƣơng pháp
tính toán lũ thiết kế phụ thuộc vào diện tích lƣu vực và tình trạng số liệu: đối với lƣu
vực lớn, đủ số liệu thì dùng phƣơng pháp ngẫu nhiên (thống kê xác suất), đối với lƣu
vực nhỏ dùng phƣơng pháp mô hình quan hệ, đường lũ đơn vị và quan hệ lưu lượng
với diện tích và thời gian.
Chow, Maidment (1988) [2] là tài liệu cơ bản nhất có đề cập đến tính toán thủy văn
và các đặc trƣng thủy văn thiết kế nhƣ quá trình thu phóng, lựa chọn mƣa thiết kế và
xây dựng đƣờng cong IDF, biểu đồ mƣa thiết kế dạng đƣờng cong tích lũy 24h, ƣớc
tính thời gian mƣa giới hạn, tính toán lƣợng mƣa lớn nhất khả năng (PMF), các bản đồ
đẳng trị mƣa với các thời gian mƣa, D = 5 - 60 phút hay 30 phút - 24h cho các thời kỳ
lặp lại T = 1 - 100 năm. Các phƣơng pháp chuyển đổi mƣa hiệu quả và xác định dòng
chảy thiết kế gồm đỉnh lũ, tổng lƣợng và quá trình lũ thiết kế dùng để thiết kế công
trình thoát nƣớc, mô phỏng vùng ngập lụt, thiết kế hồ chứa, sử dụng và quản lý tài
nguyên nƣớc. Đối với thoát nƣớc, Chow cũng giới thiệu phương pháp tính lũ cho lưu
vực vừa và nhỏ theo mô hình quan hệ với A là diện tích lưu vực, I là cường độ mưa, C

5


là hệ số dòng chảy. Ngoài ra, các đường lũ đơn vị cũng được đề cập sử dụng cho các
lưu vực vừa và nhỏ.
Vijay (2002) [3] trình bày các mô hình toán ứng dụng để tính lũ cho lƣu vực lớn và
các lƣu vực nhỏ. Đối với các lƣu vực nhỏ các mô hình ứng dụng trình bày 15 mô hình
đại diện trên toàn thế giới. Về lý thuyết cơ bản để xây dựng các mô hình đều là những
kiến thức ứng dụng từ các tài liệu của Chow hay Maidment.
Raghunath (2006) [4] là tài liệu về nguyên lý thủy văn, trình bày các vấn đề về tính
thủy văn vùng Tapti, Ấn độ (miền trung Ấn độ). Phần tính lũ thiết kế gồm tổng lƣợng
lũ, đỉnh lũ, tần suất lũ, xác suất rủi ro với các phƣơng pháp đề xuất nhƣ: Đƣờng lũ đơn
vị tức thời, mô hình Nash, mô hình Clark, đƣờng lũ đơn vị SCS, hồi quy tuyến tính,

phân tích thống kê xác suất, mô hình toán, tính lũ tại vị trí không có số liệu quan trắc
theo phƣơng pháp hồi quy đa biến.
Ngoài các tài liệu cơ bản đã nêu, còn có rất nhiều các tài liệu nghiên cứu liên quan đề
cập đến các phƣơng pháp tính lũ thiết kế trên thế giới. Về cơ bản, lý thuyết tập trung
dòng chảy hay phƣơng thức chuyển đổi mƣa hiệu quả vẫn nhƣ những tài liệu trên, tuy
nhiên từ hai thập kỷ trở lại đây với sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ máy tính, kỹ
thuật viễn thám và GIS cho phép các nhà khoa học phân tích và thử nghiệm, cập nhật
những công nghệ hiện đại nhằm chính xác hóa các tham số mà các phƣơng pháp trƣớc
đây chƣa xây dựng đƣợc.
1.1.2 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế ở Việt Nam
Một số các tài liệu điển hình đề cập đến tính lũ thiết kế ở Việt Nam nhƣ:
Quy phạm QP.TL C-6-77 (1977) [5] trình bày phƣơng pháp tính toán các đặc trƣng
thủy văn cần thiết cho việc thiết kế các công trình thủy lợi trên các sông không bị ảnh
hƣởng của thủy triều ở Việt Nam. Các đặc trƣng thủy văn đƣợc hƣớng dẫn tính trong
quy phạm này bao gồm: lƣu lƣợng bình quân năm, lƣu lƣợng lớn nhất, lƣu lƣợng nhỏ
nhất, sự phân phối dòng chảy năm, các loại mực nƣớc thiết kế và các thông số khác.
Khi tính lũ phục vụ thiết kế các công trình trên sông trong trƣờng hợp đủ số liệu thì
tiến hành phân tích tần suất, trong trƣờng hợp không có số liệu thì sử dụng các công
thức kinh nghiệm nhƣ: công thức cƣờng độ giới hạn cho lƣu vực có diện tích nhỏ hơn
6


100 km2, công thức Triết giảm và Xokolopxky cho lƣu vực có diện tích trên 100 km2.
Cho đến nay quy định về phƣơng pháp tính lũ thiết kế vẫn chủ yếu dựa trên quy phạm
này nên có một số bất cập nhƣ các bảng tra không đƣợc cập nhập; việc xác định một
số thông số vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm và chủ quan của ngƣời tính toán.
Đỗ Cao Đàm và nnk (1990) [6] đã xuất bản cuốn Thủy văn công trình, trong tài liệu
có trình bày cách tính lũ thiết kế, các phƣơng pháp này chủ yếu cũng là các phƣơng
pháp đã đƣợc đề cập trong QP.TL C - 6 - 77.
Lê Đình Thành (1997) [7] đã nghiên cứu tìm ra khả năng và điều kiện ứng dụng

phƣơng pháp tính mƣa lớn nhất khả năng (PMP) và lũ lớn nhất khả năng (PMF), từ đó
kiến nghị một tiêu chuẩn tính lũ thiết kế hợp lý hơn cho điều kiện Việt Nam. Kết quả
nghiên cứu đã đề cập một cách chi tiết đến các phƣơng pháp cũng nhƣ tính lũ liên
quan đến lũ lớn nhất khả năng, tuy nhiên đối với công trình giao thông mức độ và tiêu
chuẩn cũng nhƣ tính chất của công trình nếu xét theo bài toán này cần phải có những
nghiên cứu cụ thể hơn nữa trong tƣơng lai.
Lê Văn Nghinh (2000) [8] đã biên soạn cuốn Nguyên lý Thủy văn, đây cũng là một
tài liệu quan trọng đề cập đến tính toán các đặc trƣng thiết kế nhƣ dòng chảy năm,
tháng, lũ, kiệt và mực nƣớc thiết kế. Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cũng bao gồm
các phƣơng pháp nằm trong QP.TL C - 6 - 77. Tuy nhiên, tài liệu chủ yếu đề cập đến
dòng chảy tháng và năm thiết kế phục vụ cho xây dựng và vận hành hồ chứa.
Bộ môn TV&TNN (2003) [9] đã biên soạn cuốn Thủy văn thiết kế, đây cũng là tài
liệu quan trọng dùng để tính toán các đặc trƣng thiết kế công trình. Tuy nhiên các
phƣơng pháp và cách tiếp cận cũng dựa trên nền của QP.TL C - 6 - 77.
Phạm Ngọc Quý và nnk (2005) [10], đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Nghiên
cứu cảnh báo dự báo lũ vƣợt thiết kế - Giải pháp tràn sự cố” đã tiến hành xây dựng
phần mềm tính lũ thiết kế. Phần mềm này cho phép tính lũ theo tần suất thiết kế dựa
vào các công thức kinh nghiệm trong QP.TL C - 6 - 77 nêu trên, phƣơng pháp tính lũ
đơn vị SCS, tính lũ lớn nhất khả năng PMF theo phƣơng pháp thống kê của Hasfield.
Tuy nhiên phần mềm này cũng chƣa có sự cập nhập mới nào về bảng tra.

7


Hà Văn Khối và nnk (2012) [11] đã cập nhật và cho tái bản cuốn giáo trình Thủy văn
công trình (ấn phẩm đầu tiên đƣợc xuất bản năm 1993) gồm 2 tập trong đó Tập 1 trình
bày các phƣơng pháp tính toán lũ thiết kế. Về cơ bản các phƣơng pháp tính toán đều
theo QP.TL C - 6 - 77, tuy nhiên cuốn giáo trình có cập nhập và giới thiệu thêm các kỹ
thuật mới sử dụng trong tính toán lũ thiết kế nhƣ mô hình toán thủy văn bao gồm các
mô hình thủy văn tất định tính toán dòng chảy từ mƣa, các mô hình lũ đơn vị.

Ngô Lê Long và nnk (2015) [12] trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nƣớc
“Nghiên cứu cơ sở khoa học đề xuất các tiêu chuẩn thiết kế lũ, đê biển trong điều kiện
biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng ở Việt Nam và giải pháp phòng tránh, giảm nhẹ thiệt
hại” đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho các công
trình hồ chứa có xét tới tác động của biến đổi khí hậu. Nghiên cứu cũng đã xác lập
đƣợc cơ sở khoa học và thực tiễn của các tiêu chuẩn thiết kế lũ đƣợc đề xuất trong điều
kiện biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng ở nƣớc ta đảm bảo an toàn, an sinh xã hội.
1.2 Tổng quan tính lũ thiết kế cho công trình giao thông
Việc tính lũ phục vụ thiết kế các công trình giao thông trên thế giới đƣợc nhiều nhà
khoa học quan tâm nghiên cứu. Qua tìm hiểu và phân tích các tài liệu liên quan, có thể
phân các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho các công trình thoát nƣớc trong giao thông
nói chung thành hai nhóm chính: i) nhóm các phương pháp sử dụng ở các nước Nhật,
phương Tây và Mỹ và ii) nhóm các phương pháp sử dụng ở các nước Đông Âu, Nga
và Việt Nam (hình 1.1).

Hình 1.1 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thông trên thế giới

8


1.2.1 Tính lũ thiết kế ở các nước Nhật, phương Tây và Mỹ
+) Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Nhật bản
Tính lũ thiết kế ở Nhật đƣợc đề cập trong nhiều tài liệu tính toán thủy văn ở các hƣớng
dẫn, quy phạm, quy chuẩn thiết kế công trình; một trong những tài liệu cơ bản mang
tính pháp lý đƣợc sử dụng nhiều cho ngành giao thông là: Hƣớng dẫn tính thủy văn
thủy lực - Hƣớng dẫn và tiêu chuẩn kỹ thuật cho các dự án thiết kế (phần kiểm soát lũ)
[13], [14]. Nội dung của tài liệu đề cập đến việc sử dụng phƣơng pháp mô hình quan
hệ cho những lƣu vực có diện tích A < 20km2 (dùng đƣờng cong IDF cho các vùng có
số liệu mƣa, trƣờng hợp không có số liệu mƣa thì có thể sử dụng từ vùng có diện tích
A > 100km2). Đối với các lƣu vực A > 20km2 ngoài phƣơng pháp mô hình quan hệ còn

sử dụng đƣờng lũ đơn vị và phƣơng trình lƣợng trữ. Tại các công trình có số liệu lũ
thực đo sử dụng phƣơng pháp thống kê xác suất theo lý thuyết của Bulletin (1982) với
yêu cầu tối thiểu n ≥ 10 năm đo đạc.
+) Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Anh
Tính lũ thiết kế đƣợc trình bày trong Hƣớng dẫn thiết kế cầu đƣờng Tiêu chuẩn kỹ
thuật của Cơ quan đƣờng bộ quốc gia [15], [16] hoặc nhiều tài liệu khác, ở đây các
phƣơng pháp cũng phân theo diện tích: đối với diện tích lƣu vực nhỏ (A < 20km2) và
không đủ số liệu đo đạc lũ thì sử dụng các công thức đơn giản từ mƣa (mƣa năm), diện
tích lƣu vực và các chỉ số về đất; còn đối với trƣờng hợp nhiều số liệu lũ thực đo thì
tính theo phƣơng pháp thống kê xác suất.
+) Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Mỹ
Các phƣơng pháp dùng tính lũ thiết kế trong giao thông ở Mỹ thƣờng đƣợc đề cập
trong các tài liệu nhƣ: [17] Hƣớng dẫn tính thoát nƣớc trên đƣờng (AASHTO) [18];
Tài liệu giới thiệu mô hình toán thủy văn HEC; Thủy văn đƣờng bộ (FHWA) [19],
[20]; Hƣớng dẫn kỹ thuật (TR55) hay các tiêu chuẩn thiết kế [21], [22], [23], [24];
Nhìn chung, các phƣơng pháp này đƣợc chia thành hai nhóm: i) Đối vùng rộng lớn, có
số liệu thực đo sử dụng phƣơng pháp thống kê xác suất với các phân bố nhƣ Log
Normal, PIII, Gumbell; ii) Đối với vùng không có số liệu thì dựa vào đặc tính của
vùng để tính theo các phƣơng pháp nhƣ: mô hình quan hệ; đƣờng lũ đơn vị tổng hợp
9


SCS; các phƣơng trình hồi quy vùng và hồi quy theo USGS (dùng trong quy hoạch).
Ngoài ra, phƣơng pháp TR55 (mô hình WinTR55) thƣờng dùng để tính lũ cho lƣu vực
nhỏ A(F) < 65km2 cho kết quả khá tốt. Do điều kiện số liệu đầy đủ chi tiết về mƣa và
mặt đệm nên ở Mỹ xây dựng rất nhiều bảng tra, bản đồ cƣờng độ mƣa thiết kế trên
toàn quốc, lƣợng mƣa thời đoạn dài (d > 1h) đƣợc chuyển đổi thành lƣợng mƣa thời
đoạn ngắn hơn (d < 1h). Các phƣơng pháp đƣợc tóm tắt trong bảng sau:

Bảng 1.1 Tóm tắt các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho giao thông ở Mỹ

Phƣơng pháp
1)Mô hình quan hệ

Tóm tắt yêu cầu của phƣơng pháp
* Lƣu vực nhỏ (A < 1,3 km2)
* Thời gian tập trung dòng chảy Tc < 1h

Số liệu yêu cầu
* Tc thời gian tập trung dòng
chảy (h);

* A Diện tích lƣu vực (km2)
* Mƣa phân bố đều theo không gian và
thời gian
* C hệ số dòng chảy
* Dòng chảy tràn trên bề mặt là chủ yếu

* I cƣờng độ mƣa (mm/h)

* Lƣợng trữ trong kênh không đáng kể
2) Phƣơng trình hồi * Diện tích lƣu vực giới hạn từng vùng
* Diện tích lƣu vực A (km2)
quy vùng USGS
* Giá trị đỉnh lũ do điều kiện tự nhiên * Mƣa trung bình năm P(mm)
chứ không chịu tác động của các yếu tố
* Độ cao (độ dốc lƣu vực)
khác. Thƣờng dùng trong quy hoạch.
3) NRCS

* Lƣu vực vừa và nhỏ A < 65 km2

* Mƣa 24h

4) TR55

* Tc = 0,1–10h

* Phân bố mƣa dạng I, II, IA, III

* Dòng chảy gồm chảy tràn và chảy * Chỉ số CN
trong kênh
* Tc (h)
* Diễn toán trong kênh đơn giản
* A (km2)
5) Đƣờng lũ đơn vị * A = 0,4–2500 km2
SCS
* Thời gian mƣa và cƣờng độ mƣa đều

* Bản đồ đẳng trị, phân bố mƣa
* Diện tích A (km2)

* Quan hệ mƣa và dòng chảy là tuyến * Chiều dài lƣu vực L (km; m)
tính
* Chiều dài lƣu vực Lc (km; m)
* Biểu đồ lũ đơn vị tổng hợp
6) Phƣơng pháp
thống kê: Log PIII;
Bullentin 17B

* Lƣu vực vừa và lớn có trạm đo đạc, số *n > 10 năm

liệu đầy đủ
* Số liệu H, Q

7) Chuyển đổi

* Lƣu vực tƣơng tự

* Q, A1 (km2) và A2 (km2)

+) Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Úc. Phƣơng pháp tính lũ thiết kế đƣợc đề cập

10


trong các tài liệu nhƣ các văn bản hƣớng dẫn tính toán thoát nƣớc các tiêu chuẩn, các
nghiên cứu, kiến nghị. Các phƣơng pháp tính lũ bao gồm: phƣơng pháp mô hình quan
hệ cho lƣu vực nhỏ với hệ số dòng chảy cho vùng nông thôn và đô thị với mức độ lặp
lại khác nhau (C50 cho nông thôn, C10 cho đô thị). Trong đó, điều kiện ứng dụng mô
hình quan hệ là diện tích A < 25 km2 (nông thôn) và A < 1km2 (đô thị). Cƣờng độ mƣa
thiết kế (IDF) đƣợc đề cập trong hệ thống dữ liệu cƣờng độ mƣa lớn nhất của Viện khí
tƣợng và thủy văn quốc gia của NewZealand và của Cục khí tƣợng Úc (Bureau of
Meteorology).
+) Ở Columbia, theo tài liệu đại biểu nhƣ ''Hƣớng dẫn và tiêu chuẩn thiết kế cầu'',
(2007) đã trình bày tính lũ theo cỡ lƣu vực, đối với lƣu vực có diện tích thoát nƣớc A >
20 km2 dùng các phƣơng pháp: phân tích tần suất trạm - thống kê xác suất (Các phân
phối xác suất đƣợc sử dụng gồm EVT1, Log Normal, Log Pearson III); phân tích tần
suất vùng (hồi quy vùng); mô hình quan hệ. Đối với diện tích lƣu vực nhỏ và đô thị (A
< 10 km2) dùng mô hình quan hệ.
Một số nghiên cứu tiêu biểu về các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao
thông ở Mỹ, Anh, Úc, Nhật nhƣ sau:

Richard H.Mc Cuen (2002) [25] biên soạn tài liệu hƣớng dẫn tính lũ thiết kế cho
công trình giao thông ở Mỹ. Tài liệu đề cập đến cách tiếp cận, phƣơng pháp và điều
kiện áp dụng trong thiết kế các công trình thoát nƣớc qua đƣờng bộ. Trong đó đề cập
đến phƣơng pháp tính mƣa thiết kế tính riêng cho vùng có và không có trạm; Các
phƣơng pháp xác định đỉnh lũ thiết kế bao gồm thống kê xác suất theo Gumbel và log
Pearson III, phương trình hồi quy, phương pháp SCS - CN, mô hình quan hệ. Các
công thức kinh nghiệm để xác định lƣu lƣợng đỉnh lũ và các đƣờng lũ đơn vị dạng
phân tích và tổng hợp để xác định quá trình lũ thiết kế; các công thức xác định thời
gian tập trung dòng chảy Tc.
DPWH(2002) [26] đã biên soạn ''Hƣớng dẫn và tiêu chuẩn kỹ thuật ở Nhật bản, 2002,
phần phân tích thủy văn thiết kế. Nội dung tính toán thủy văn gồm: quá trình khảo sát,
điều tra, phân tích mƣa và dòng chảy (trạm đại biểu). Số liệu yêu cầu để tính lũ bao
gồm mƣa ngày, mƣa giờ, biểu đồ mƣa thiết kế theo hình hình thế thời tiết, mực nƣớc

11


lớn nhất ngày, lƣu lƣợng lũ tự ghi, quan hệ H~Q. Trong đó, phƣơng pháp tất định dùng
để xác định lũ thiết kế trong trƣờng hợp không có số liệu đo đạc. Phần tính mƣa thiết
kế, tài liệu đã trình bày cách xây dựng và ứng dụng đƣờng cong IDF dùng tính lũ theo
công thức mô hình quan hệ trong trƣờng hợp A < 20km2, trong trƣờng hợp không đủ
số liệu mƣa có thể lấy đƣờng cong IDF của lƣu vực tƣơng tự có số liệu. Đối với diện
tích lƣu vực A > 20km2 thì tính theo các bƣớc: Ứng dụng GIS xây dựng lƣu vực với
bản đồ địa hình 1:50.000; tính mƣa thiết kế trung bình bao gồm lƣợng mƣa trung bình
năm lớn nhất, lƣợng mƣa trung bình theo thời kỳ lặp lại theo phƣơng pháp số học, đa
giác Thessien; lựa chọn phân bố mƣa điển hình và thiết lập đƣờng cong lũy tích điển
hình cho mỗi thời khoảng; Tính lũ thiết kế theo các phƣơng pháp mô hình quan hệ,
đường lũ đơn vị và phương trình lượng trữ.
USACE - AED [27] có trình bày hai phƣơng pháp tính lũ thiết kế gồm đường lũ đơn
vị (SCS) và mô hình quan hệ, trong đó đề cập đến các yếu tố chính cần xác định gồm:

bộ đƣờng cong IDF của mƣa 24h (thời kỳ lặp lại T = 10, 20 và 50 năm), hệ số dòng
chảy C, thời gian tập trung dòng chảy Tc và các đặc trƣng lƣu vực (diện tích, chiều
dài, độ dốc).
Engineers Australia (2006), (2013) [28], [29] trong tài liệu Hƣớng dẫn tính mƣa dòng chảy phần tổn thất ở Úc, đề cập chi tiết trong AR&R các phƣơng pháp tính lũ
thiết kế: mô hình quan hệ với hệ số dòng chảy đƣợc thiết lập theo thời kỳ lặp lại. C2,
C5, C20, C50 các giá trị này đều tính theo C10; Phương pháp mô hình quan hệ, mô hình
toán (RORB). Trong đó phƣơng pháp mô hình quan hệ và chỉ số lũ dùng cho lƣu vực
nhỏ (A < 50 km2), còn phƣơng pháp RORB thì ứng dụng cho A ≥ 50 km2. Đƣờng quá
trình lũ thiết kế đƣợc xây dựng bằng phƣơng pháp RORB cho lƣu vực lớn, còn đối với
lƣu vực nhỏ phải sử dụng đƣờng quá trình lũ điển hình.
Bruce (2007) [30] đã tổng quan các phƣơng pháp tính lũ thiết kế và xác định khẩu độ
thoát nƣớc qua công trình cống và cầu nhỏ trên đƣờng ô tô ở Mỹ, từ năm 1911 các
nhân viên bảo trì và kỹ sƣ đƣờng sắt của Mỹ - Hiệp hội đƣờng (AREMWA) dùng 6
công thức tính diện tích thoát nƣớc và 21 công thức cho lƣu lƣợng đỉnh lũ thiết kế.
Đến năm 1962, Chow đã xây dựng 12 công thức tính diện tích thoát nƣớc và 62 công
thức tính lƣu lƣợng lũ thiết kế. Tuy nhiên chỉ một vài công thức đƣợc ứng dụng rộng
12


rãi dành cho ngành cầu đƣờng Mỹ nhƣ: Bảng Dun (Dun’s table), công thức Myers và
Talbot để tính diện tích cần thiết thoát nƣớc và công thức của Burkli - Ziegler để tính
lƣu lƣợng đỉnh lũ. Bảng Dun đƣợc phát triển bởi James Dun, một kỹ sƣ trƣởng của
đƣờng sắt Atchison, Topeka và Santa Fe, phiên bản đầu tiên năm 1890 và bản cuối
cùng năm 1906. Công thức Myers đƣợc kỹ sƣ đƣờng sắt, E.T.C Myers phát triển đầu
tiên vào năm 1879 có dạng

√ với A diện tích thoát nƣớc và D là diện tích lƣu

vực, C là hệ số phụ thuộc vào điều kiện mặt đệm. Công thức Talbot đƣợc xây dựng
năm 1887 do giáo sƣ A.N.Talbot của đại học Illinois với diện tích thoát nƣớc cần thiết

bao gồm:

. Công thức tính lƣu lƣợng lũ do Burkli - Ziegler, một kỹ sƣ

ngƣời Thụy Sĩ xây dựng năm 1880; Công thức dạng

√ với q lƣu lƣợng lũ

đơn vị (cfs/arce); C là hệ số dòng chảy có giá trị từ 0,31 đến 0,75; I là cƣờng độ mƣa
(in/h); S là độ dốc lƣu vực; A là diện tích lƣu vực(arcres). Phƣơng pháp mô hình quan
hệ theo Dooge (1957) (thực tế đƣợc xây dựng bởi Thomas Mulvany, 1851) để tính
toán lũ thiết kế với công thức Q = C.I.A. Đến nay phƣơng pháp đã cải tiến vì thêm thời
khoảng lặp lại và tần suất mƣa (TR40). Ngoài ra, Các phƣơng pháp nhƣ phân tích tần
suất lũ theo Bullentin 17, phƣơng pháp mô hình quan hệ và SCS theo TR55 cũng đƣợc
giới thiệu và ứng dụng trong các thời đoạn tiếp theo. Phƣơng pháp BPR của Cục giao
thông công chính năm 1950 xác định lũ thiết kế theo thời khoảng 5, 10, 25 và 50 cho
lƣu vực nông thôn và nhỏ hơn 1000 arces ở Đông và trung Mỹ. Phƣơng trình hồi quy
vùng ứng với tần suất lũ, xây dựng năm 1960 do USGS thay vì sử dụng đồ thị để tra
nhƣ trƣớc đây. Những phƣơng trình hồi quy này đƣợc ứng dụng rộng rãi tính lũ cho
vùng nông thôn ở Mỹ.
Và còn rất nhiều các nghiên cứu khác nữa cũng đề cập đến các vấn đề này, tuy nhiên
nội dung cũng tƣơng tự nhƣ các phƣơng pháp đã nêu ở phần trên.
Kết luận, từ tổng quan các phƣơng pháp nghiên cứu cho thấy, phương pháp mô hình
quan hệ và đường lũ đơn vị SCS đƣợc sử dụng hầu hết ở các nƣớc Nhật, phƣơng Tây
và Mỹ dùng để thiết kế công trình giao thông. Điều này chứng tỏ, mức độ tin cậy và
tính hiệu quả của các phƣơng pháp.

13

1.2.2 Tính lũ thiết kế ở các nước Đông Âu và Nga
Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế đƣợc đề cập chủ yếu trong các tài liệu và quy trình,
tiêu chuẩn ở Nga bao gồm:
Quy trình BCH 63-67,''Quy trình khảo sát và thiết kế công trình vƣợt sông trên đƣờng
sắt và đƣờng ô tô'' (quy trình BCH 63-67) trình bày các phƣơng pháp tính đặc trƣng lũ
thiết kế trong điều kiện thiếu số liệu thực đo là các phƣơng pháp Cƣờng độ giới hạn,
Xokolopsky. Phƣơng pháp cƣờng độ giới hạn đƣợc xây dựng dựa theo lý thuyết tập
trung dòng chảy dạng tổng quát là: Qp = K.aτ.ατ.F với K là hệ số chuyển đổi đơn vị; aτ
là cƣờng độ mƣa ứng với thời đoạn lớn nhất; ατ là hệ số dòng chảy; F là diện tích lƣu
vực. Còn phƣơng pháp Xokolopsky là dạng công thức thể tích.
Tiêu chuẩn thiết kế CH 435-72 (1972) ''Những chỉ dẫn về xác định các đặc trƣng
thủy văn tính toán'' đã trình bày một số phƣơng pháp tính toán lƣu lƣợng thiết kế từ
mƣa và mặt đệm trong trƣờng hợp thiếu số liệu thực đo lũ, các phƣơng pháp tính toán
dòng chảy lũ đề cập đến nhƣ: phƣơng pháp Cƣờng độ giới hạn, phƣơng pháp
Xokolopsky cho trƣờng hợp thiếu số liệu thực đo. Các phƣơng pháp này chính là các
phƣơng pháp giới thiệu trong QP.TL C - 6 - 77 và TCVN 9845:2013 ở Việt Nam.
Bapkov V.F., Andreev O.V (1972) xuất bản cuốn Thiết kế đƣờng ô tô, nội dung của
cuốn sách phần tính toán thủy văn thiết kế trình bày các phƣơng pháp tính lũ thiết kế
đối với trƣờng hợp không có số liệu thực đo bao gồm các phƣơng pháp Cƣờng độ giới
hạn, Xokolopsky tƣơng tự nhƣ trong TC CH 435-72.
Pêrêvôđonhekov B.F (1975) ''Tính toán dòng chảy cực đại trong thiết kế các công
trình đƣờng ô tô''. Trình bày phƣơng pháp tính lũ thiết kế cũng bằng phƣơng pháp
Cƣờng độ giới hạn, Xokolopsky trong trƣờng hợp thiếu số liệu. Ngoài ra, còn rất nhiều
nhà khoa học uy tín của Nga nghiên cứu xây dựng theo các dạng khác nhau, điển hình
nhƣ Kocherin; Protodiakonov; Bephan; Alekceev. Có thể tóm tắt các phƣơng pháp sử
dụng ở các nƣớc này nhƣ bảng sau:

14

Bảng 1.2 Bảng thống kê các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Đông Âu và Nga
Phƣơng pháp

Tóm tắt yêu cầu của phƣơng pháp

Số liệu yêu cầu

1) Thống kê xác * Có trạm đo đạc mực nƣớc và lƣu * Số liệu lũ thực đo (Q) (giờ), (m3/s)
suất
lƣợng lũ
* Dòng chảy do mƣa rào
* Lƣu vực lớn
* Số liệu dài, tin cậy, đồng nhất,
ngẫu nhiên; n > 30 năm
2) Lƣu vực tƣơng * Đồng nhất về địa hình và khí hậu
tự
* Trạm tƣơng tự

* Diện tích lƣu vực A (km2)

3) Cƣờng độ giới * Diện tích A < 100 km2
hạn
* Mƣa đồng đều trên lƣu vực

* Diện tích lƣu vực A (km2)

* Cƣờng độ mƣa không đổi

* Q, A1, A2

* Hệ số dòng chảy, α, υ
* Mô đun đỉnh lũ lớn nhất, Ap%

* Dòng chảy đƣợc sinh hoàn toàn từ * Lƣợng mƣa ngày thiết kế, Hnp%
các diện tích cấp nƣớc
* Hệ số ao hồ đầm lầy, δ
* Tần suất mƣa bằng tần suất dòng
chảy.
4) Xokolopsky

* Diện tích lƣu vực A > 100 km2

* Hệ số dòng chảy, α

* Đƣờng cong triết giảm mƣa

* Hệ số hình dạng lũ, f

* Lƣu lƣợng sông trƣớc lũ

* Diện tích lƣu vực, A (km2)

* Lƣợng mƣa thiết kế Hτ tính từ Ψτ

* Lớp tổn thất ban đầu, Ho (mm)

* Thời gian lũ lên bằng thời gian tập * Hệ số ao hồ đầm lầy δ
trung dòng chảy
* Thời gian lũ lên Tl (h)
* Tần suất mƣa bằng tần suất lũ

* Lƣợng mƣa ngày , Hnp%

1.2.3 Tính lũ thiết kế ở Việt Nam
1.2.3.1 Quy định về cấp đường và tần suất lũ thiết kế
Công trình giao thông ở Việt Nam đƣợc quy hoạch và xây dựng theo các tuyến phục
vụ giao thƣơng giữa các tỉnh thành và các nƣớc trong khu vực. Quy định cấp đƣờng

15


dựa vào mật độ phƣơng tiện giao thông (lƣu lƣợng phƣơng tiện đi lại trên đƣờng),
những nơi tuyến đƣờng đi qua nhƣ đô thị hoặc vùng trọng yếu xây dựng theo cấp cao
(I, II, III) còn nhƣ vùng nông thôn, vùng đồi núi hay trung du là đƣờng cấp thấp (IV,
V, VI). Các tuyến đƣờng đều có yêu cầu tính lũ thiết kế và có báo cáo thủy văn, thủy
lực (sau năm 1995), đặc trƣng thủy văn thiết kế quan trọng là mực nƣớc đỉnh lũ và lƣu
lƣợng đỉnh lũ, giá trị này dùng để xây dựng cầu, cống, rãnh thoát nƣớc. Những nơi
không có đủ số liệu thì tính lũ thiết kế từ lƣợng mƣa 1ngày max và đặc trƣng mặt đệm.
Đƣờng miền núi chiếm 70% tổng số km đƣờng trên toàn quốc đƣợc thiết kế với cấp
IV, V và VI với tần suất lũ 2 - 4% các hạng mục thoát nƣớc không đầy đủ hoặc không
đủ năng lực thoát nƣớc. Các phƣơng pháp tính phụ thuộc vào diện tích, tình trạng số
liệu thủy văn và mức độ quan trọng của công trình. Đối với cầu lớn và cầu trung
(chiều dài cầu L > 25m) và có nhiều số liệu thủy văn thì tính lƣu lƣợng thiết kế theo
phƣơng pháp thống kê xác suất; ngƣợc lại nếu không có số liệu thủy văn thì tính theo
phƣơng pháp Xokolopsky. Đối với lƣu vực nhỏ, các công trình thoát nƣớc trên đƣờng
nhƣ cầu nhỏ, cống và đƣờng tràn thƣờng dùng các công thức kinh nghiệm hoặc bán
kinh nghiệm nhƣ: công thức Cƣờng độ giới hạn, Triết giảm. Tần suất thiết kế công
trình thoát nƣớc trên đƣờng giao thông theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 - 01
và tiêu chuẩn thiết kế đƣờng ôtô 22 TCN 273 - 01 [21] [31].
Bảng 1.3 Quy định về tần suất lũ
Cấp đƣờng

Loại công trình
Đƣờng cao tốc, đƣờng cấp I

II và III

IV

Nhƣ đối với cầu nhỏ và cống

Nền đƣờng
Cầu lớn và cầu trung

1: 100

1: 100

1: 50

Cầu nhỏ và cống

1: 100

1: 50

1: 25

Rãnh

1: 25

1: 25

1: 25

Ghi chú:1. Đối với các cầu có khẩu độ Lc ≥10m và các kết cấu vĩnh cửu thì tần suất lũ

16


tính toán lấy bằng 1:100 và không phụ thuộc vào cấp đƣờng II. Đối với đƣờng nâng
cấp cải tạo nếu có khó khăn lớn về kỹ thuật hoặc phát sinh khối lƣợng lớn thì cho phép
hạ tiêu chuẩn về tần suất lũ tính toán nếu đƣợc sự đồng ý của cơ quan có thẩm quyền.
1.2.3.2 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế
Tính lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Việt Nam phụ thuộc vào diện tích lƣu vực,
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 phƣơng pháp phân tích thống kê và ii) nhóm phân
tích nguyên nhân hình thành (hình 1.2):

Hình 1.2 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thông ở Việt Nam
i) Nhóm phƣơng pháp thống kê xác suất khi có nhiều số liệu đo đạc lũ (các phân phối
gồm Log Pearson III, Pearson III, Kritsky - Mennkel). Hiện nay, có nhiều phần mềm
vẽ đƣờng tần suất đƣợc xây dựng để tính các tham số thống kê nhằm tăng độ chính xác
và tiện dụng. Tuy vậy, các công trình giao thông phần lớn đều có vị trí tại các sông,
suối không có số liệu lũ thực đo để ứng dụng phƣơng pháp thống kê xác suất.
ii) Nhóm phƣơng pháp phân tích nguyên nhân hình thành, gồm các công thức kinh
nghiệm theo Liên xô cũ (1-1); (1-2); (1-4) và các công thức kinh nghiệm xây dựng cho
từng vùng:
+ Công thức Cƣờng độ giới hạn cho lƣu vực F  100 km2
(1-1)

17


+ Công thức Cƣờng độ giới hạn cho lƣu vực nhỏ F  30 km2
(1-2)
Trong đó a ,p tính từ Hn,p và T:



(1-3)

+ Công thức Xokolopsky cho lƣu vực F > 100 km2
(

)

(1-4)

Thực tế, công thức Cƣờng độ giới hạn (A < 100 km2) là công thức tính đỉnh lũ theo
cƣờng độ mƣa lớn nhất giới hạn trong khoảng thời gian tập trung dòng chảy. Các công
thức đều cần các bảng tra nhƣ: Bảng tra hệ số dòng chảy; bảng tra thời gian tập trung
dòng chảy; bảng tra mô đun đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế, bảng tra hệ số triết giảm
ao hồ, đầm lầy, bảng tra hệ số nhám sƣờn dốc và lòng sông. Công thức Xokolopsky
thuộc nhóm công thức thể tích phụ thuộc vào lƣợng mƣa thời đoạn, lớp nƣớc tổn thất
ban đầu (H0), hệ số hình dạng biểu đồ lũ và các thông số mặt đệm khác. Các phƣơng
pháp khi áp dụng ở Việt Nam cho đến nay bộc lộ rất nhiều hạn chế.
Một số nghiên cứu điển hình có đề cập đến tính lũ thiết kế cho công trình giao thông ở
Việt Nam bao gồm:
Mai Anh Tuấn (2003) [32] là luận án tiến sỹ nghiên cứu về các hạn chế trong tính
thủy lực thủy văn, lũ thiết kế trong ngành giao thông, tác giả đã thống kê các hƣ hỏng

trên đƣờng giao thông và đánh giá nguyên nhân xảy ra sự cố. Có nhiều nhóm nguyên
nhân đƣợc đề cập nhƣ: do địa chất, kết cấu và thi công và do thủy lực thủy văn. Với
những nguyên nhân này, tác giả đã kết luận một số vấn đề còn hạn chế trong tính thủy
lực thủy văn nhƣ: việc quy định tần suất lũ, các hệ số, các bảng tra và các vấn đề liên
quan đến tích nƣớc trƣớc cống và khẩu độ. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu mới dừng ở
việc tổng kết những nhƣợc điểm của phƣơng pháp tính toán thủy văn, thủy lực chƣa
đƣa ra lời giải thích hay cách khắc phục một cách triệt để.
Trần Đình Nghiên (2003) [33] trình bày những thông tin cơ bản và cập nhật nhằm
đáp ứng nhu cầu của sinh viên, các kỹ sƣ, học viên cao học trong lĩnh vực xây dựng
công trình cầu, đƣờng nói riêng và cơ sở hạ tầng nói chung khi giải quyết vấn đề tác
động tƣơng hỗ giữa công trình và dòng sông, đây một tài liệu cập nhật các kiến thức
18


thuỷ lực, động lực học dòng sông và thuỷ lực công trình cầu cống. Tác giả đã đƣa ra
một số công thức mới của các nƣớc. Các phƣơng pháp mới dừng ở việc giới thiệu các
phƣơng pháp cho ngƣời đọc.
Nguyễn Quang Chiêu & Trần Tuấn Hiệp (2004) [34] đề cập đến việc điều tra khảo
sát thủy văn, tính toán lƣu lƣợng nƣớc, chọn loại cống, cầu nhỏ, xác định khẩu độ cầu
nhỏ, cống đƣờng tràn, tính toán các thiết bị tiêu năng, tính xói hạ lƣu các cầu cống.
Trong tài liệu này có trình bày đến phƣơng pháp tính lũ theo công thức đơn giản của
Bônđakôp (Nga), phƣơng pháp đƣợc cho là tiện dụng đối với công trình thoát nƣớc
nhỏ. Tuy nhiên, trong điều kiện hiện nay cũng còn nhiều vấn đề chƣa đƣợc cập nhật.
Bộ GTVT, Sổ tay tính toán thủy văn - thủy lực cầu đƣờng (2006) [35], [36], [31]
Do nhóm kỹ sƣ thuộc Vụ khoa học công nghệ, Bộ Giao thông Vận tải viết về cách tính
thủy văn, thủy lực cho các công trình giao thông trong các điều kiện về địa hình và tài
liệu khác nhau. Các công thức vẫn chủ yếu dựa theo QP.TL C - 6 - 77 với các bảng tra
đã đƣợc xây dựng từ những năm 80 trở về trƣớc, đƣợc áp dụng theo QP của Nga hoặc
xây dựng trong điều kiện chuỗi số liệu còn ngắn, đến nay vẫn chƣa đƣợc cập nhập.
Các phƣơng pháp mới chỉ mang tính giới thiệu chứ chƣa có quy trình tính và cập nhật

theo các kỹ thuật hiện đại.
Nguyễn Xuân Trục (2009 [37] đề cập theo hai vấn đề lớn: Đối với công trình vƣợt
qua sông suối lớn (cầu lớn và cống), đề xuất công thức tính toán lƣu lƣợng và mực
nƣớc thiết kế, xói lở lòng cầu và thƣợng hạ lƣu cầu, ảnh hƣởng nƣớc dâng khu vực
cầu, đề xuất cao trình cầu, đƣờng dẫn theo các công thức của Liên xô và công thức
thực nghiệm. Đối với công trình vƣợt qua sông suối nhỏ (cầu nhỏ và cống) tác giả đề
xuất công thức tính lƣu lƣợng từ lƣợng mƣa thiết kế. Các công thức chính là các công
thức thực nghiệm của Liên xô cũ có điều chỉnh các tham số. Thực tế, cho đến nay các
công trình đều tính theo các phƣơng pháp nêu trong tài liệu này.
Đoàn Nhƣ Thái Dƣơng (2012) [38] (Luận văn thạc sỹ), cũng chỉ ra các sự cố trên
đƣờng miền núi sau mƣa lũ và đƣa ra các giải pháp thiết kế thiết kế nhằm giảm thiểu
những ảnh hƣởng của mƣa lũ đến công trình giao thông. Giải pháp chỉ mang tính cải
tiến về mặt xây dựng.
Nguyễn Tiến Cƣơng (2012) [39] (Luận văn thạc sỹ), đã đề cập về thực trạng công
trình giao thông thuộc tỉnh Hòa bình về những sự cố sau mƣa lũ: sụt trƣợt, xói lở công

19


trình cầu cống, công trình thoát nƣớc và xác định nguyên nhân tác động là do nƣớc
mƣa, nƣớc ngầm, từ đó đề xuất các biện pháp công trình nâng cao hiệu quả khai thác.
Trong tính thử nghiệm, vẫn sử dụng các phƣơng pháp tính lũ thiết kế theo TCVN
9845. Đề tài mới chỉ là đƣa ra giải pháp nhằm nâng cao năng lực của công trình chứ
chƣa nghiên cứu chi tiết về phần tính lũ và đề xuất phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho
công trình giao thông.
Nguyễn Anh Tuấn (2014) [40] (Luận án tiến sỹ kỹ thuật), đã tính lại Hn,p (lƣợng
mƣa ngày lớn nhất ứng với tần suất) tại 14 trạm khí tƣợng điển hình trên toàn quốc và
tọa độ đƣờng cong mƣa cho 1 - 1440 phút tại một số trạm trên phục vụ cho công tác
tính lƣu lƣợng bằng công thức cƣờng độ giới hạn. Trong luận án có nghiên cứu cụ thể
việc tính đặc trƣng mƣa ngày cho các trạm điển hình, tuy nhiên mới dừng lại ở phần

tính toán đặc trƣng mƣa mà chƣa cụ thể đƣợc phƣơng pháp tính lũ cho công trình giao
thông cho vùng nghiên cứu.
1.3 Những hạn chế trong tính lũ thiết kế cho giao thông ở Việt Nam
Qua nghiên cứu, phân tích và đánh giá tổng quan cho thấy tính toán lũ thiết kế cho
công trình giao thông ở Việt Nam có một số hạn chế nhƣ:
i) Hiện nay, việc chọn tần suất mới dựa vào cấp đƣờng mà chƣa xét đến các điều kiện
bất lợi khác nhƣ điều kiện tự nhiên và khí tƣợng thủy văn của vùng xây dựng công
trình dẫn đến tình trạng công trình không đủ năng lực và gặp nhiều sự cố. Điển hình
nhƣ lũ 2014 trên toàn tỉnh Lạng Sơn (lũ lịch sử năm 1986, 2008, 2014) rất nhiều tuyến
đƣờng bị hƣ hỏng phải sửa, các taluy bị sạt lở, đƣờng bị ngập nhiều giờ gây ách tắc
giao thông, công trình cầu cống bị hƣ hỏng nặng nề.
ii) Việc tính lũ thiết kế mới chú trọng xác định đỉnh lũ mà chƣa xét đến tổng lƣợng lũ
(W) dẫn đến tổng lƣợng nƣớc đổ dồn vào công trình, không kịp thoát (khẩu độ nhỏ),
tạo hiện tƣợng tích nƣớc ở thƣợng lƣu đối với các công trình, tạo áp lực khí gây hỏng
mố cầu cống hay đuôi cống, mặt đƣờng bị phá hai bên thân cống [32].
iii) Tiêu chuẩn 22TCN-220-95 [31] đƣợc xây dựng trong điều kiện tài liệu quan trắc
lúc bấy giờ còn ít, không có điều kiện kiểm nghiệm, nên hƣớng tiếp cận là sử dụng các

20


công thức chủ yếu từ Liên xô cũ với phƣơng pháp và các bảng tra chƣa đƣợc cập nhật
dẫn đến sai số trong tính toán:
- Việc tra hệ số dòng chảy (phụ thuộc vào cấp đất, diện tích lƣu vực và lƣợng
mƣa). Cơ sở khoa học của bảng tra này rất hạn chế vì bản đồ loại đất và thảm phủ thực
vật đều là các bản đồ giấy, đƣợc xây dựng từ lâu, nhất là cho khu vực Đông Bắc. Đặc
biệt trên lƣu vực có nhiều loại đất và thảm phủ sẽ rất khó xác định hệ số dòng chảy.
- Việc tra thời gian chảy truyền trên sƣờn dốc (phụ thuộc vào hệ số địa mạo
sƣờn dốc và vùng mƣa) với hệ số địa mạo sƣờn dốc phụ thuộc vào cấp đất, vùng mƣa
và các đặc trƣng lƣu vực; Các thông số này đều khó xác định chi tiết với cách tính

truyền thống.
- Việc tra mô đun dòng chảy theo tần suất (mô đun dòng chảy lớn nhất) phụ
thuộc vào (thời gian chảy trên sƣờn dốc; hệ số địa mạo lòng sông; vùng mƣa); bảng tra
đã đƣợc xây dựng từ lâu với điều kiện số liệu rất hạn chế, chuỗi số ngắn. Vùng mƣa
rộng lớn quy định không rõ, rất khó xác định chính xác vùng mƣa của lƣu vực thoát
nƣớc.
- Việc tra tọa độ đƣờng cong triết giảm mƣa phụ thuộc vào vùng mƣa, thời đoạn
mƣa, thời gian tập trung dòng chảy, trong đó thời tập trung dòng chảy phụ thuộc vào
điều kiện của lƣu vực; bảng tra này cũng đƣợc 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. Vùng
mƣa quá lớn, các kết quả tính mƣa thiết kế sẽ bị thiên lớn hoặc thiên nhỏ.
- Việc tra hệ số nhám sƣờn dốc (n) (phụ thuộc vào hiện trạng sử dụng đất, tỷ lệ
cây cỏ); Tra hệ số nhám lòng sông (phụ thuộc vào đặc điểm của lòng sông); Tra hệ số
triết giảm do ảnh hƣởng của ao hồ (diện tích ao hồ đầm lầy). Các hệ số này cũng rất
khó xác định.
Kết luận, các bảng tra là cơ sở khoa học của các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho công
trình giao thông hiện tại đã cũ, chủ yếu sử dụng từ các nghiên cứu ở Liên Xô cũ và
đƣợc xây dựng từ số liệu rất hạn chế ở Việt Nam (bản đồ tỉ lệ nhỏ, chuỗi số liệu quan
trắc ngắn), khả năng hỗ trợ trong tính toán còn theo cách truyền thống, chƣa cập nhập

21


các công cụ hiện đại nên kết quả không tránh khỏi những sai số không mong muốn và
phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm ngƣời tính.
1.4 Đề xuất hƣớng tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
Từ những hạn chế trong các phƣơng pháp tính lũ cho ngành giao thông ở Việt Nam, và
ƣu điểm trong một số phƣơng pháp tính lũ thiết kế đang đƣợc sử dụng ở các nƣớc
phƣơng Tây, Nhật và Mỹ (Tính ƣu việt bởi khả năng cập nhật thông tin liên tục về bề
mặt và việc sử dụng các mô hình toán, các kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin

địa lý (GIS) hỗ trợ tính toán), luận án đã lựa chọn hƣớng tiếp cận các phƣơng pháp
nghiên cứu tính lũ thiết kế (Mô hình quan hê, SCS-CN và hồi quy vùng) cho các công
trình thoát nƣớc cho khu vực vùng núi Đông Bắc nhƣ minh họa trong hình 1.3:
i) Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, điều kiện ứng dụng và yêu cầu số liệu (các thông số cần
xác định) của các phƣơng pháp lựa chọn (chi tiết ở mục 1.5);
ii) Nghiên cứu đặc trƣng mƣa (mục 2.2.1): gồm biến động của mƣa lũ thông qua thống
kê và đánh giá các hình thế thời tiết gây mƣa lũ trong khu vực; sự biến động của mƣa
lũ theo không gian và thời gian. Trong đó, phƣơng pháp Mann - Kendall và Sen đƣợc
sử dụng để đánh giá sự biến động của mƣa theo thời gian, phƣơng pháp phân tích tần
suất, xây dựng các bộ đƣờng cong IDF (Cƣờng độ mƣa - Thời gian mƣa - Tần suất)
cho các tiểu vùng khác nhau trong khu vực cũng nhƣ chuyển đổi (chi tiết hóa) mƣa
ngày thành mƣa thời đoạn ngắn. Kỹ thuật Viễn thám và GIS đƣợc sử dụng để cập nhập
các số liệu mới từ ảnh vệ tinh và phân tích không gian để đánh giá sự biến động của
mƣa theo không gian và xây dựng các bản đồ đẳng trị về biến đổi lƣợng mƣa, hệ số
biến đổi lƣợng mƣa Cv theo không gian trong khu vực nghiên cứu;
iii) Nghiên cứu phân tích điều kiện mặt đệm của khu vực Đông Bắc (mục 2.2.2) bao
gồm nghiên cứu phân tích các đặc trƣng hình thái của tiểu lƣu vực thoát nƣớc 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 đƣợc sử dụng để tận dụng ƣu điểm của dữ liệu không gian và khả năng cập
nhật nhanh những dữ liệu này khi áp dụng thực tế;

22


iv) Tính toán thử nghiệm, đánh giá kết quả: phân tích cơ sở và các điều kiện áp dụng
từng phƣơng pháp lựa chọn đề xuất các phƣơng pháp phù hợp cho từng loại công trình
và phù hợp với đặc điểm của vùng nghiên cứu (chƣơng III).
Tổng quan tài liệu, các bài
báo và các nghiên cứu.

Lựa chọn phƣơng pháp
Phƣơng pháp mô
hình quan hệ
- Hệ số dòng chảy C
- Cƣờng độ mƣa I
- Diện tích lƣu vực A

Phƣơng pháp SCS–CN
- Bản đồ chỉ số CN
- Đƣờng lũ đơn vị
- Diện tích lƣu vực A

Nghiên cứu điều kiện mặt đệm

Nghiên cứu đặc trƣng mƣa

- Biến động theo
không gian:
Biến động hệ số
CV;
- Biến động theo
thời gian: Tăng
giảmtheo xu thế
của Mann
Kendall và Sen

- Tính mƣa thiết kế:
+ Chi tiết hóa mƣa
ngày thành thời đoạn
ngắn

+ Cƣờng độ mƣa
(IDF)
+ Lƣợng mƣa thiết
kế
+ Đƣờng lũy tích
mƣa 24h.

Phƣơng trình hồi quy
vùng
- Diện tích lƣu vực A
- Độ dốc lƣu vực S
- Mƣa

Xây dựng
và phân
tích lƣu
vực và đặc
trƣng lƣu
vực

Xây
dựng bản
đồ chỉ số
CN

Xây
dựng bản
đồ hệ số
dòng
chảy C

Xây dựng cơ sở khoa học tính mƣa và mặt đệm

Tính toán thử nghiệm cho công trình cầu
- Nhóm cầu có A < 5 km2
- Nhóm cầu có A = 5-30 km2
- Nhóm cầu có A = 30-100 km2
- Nhóm cầu có A > 100 km2

Xây dựng phần mềm hỗ trợ và đề xuất áp dụng phƣơng pháp phù
hợp cho khu vực nghiên cứu

Hình 1.3 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu
23

Xây dựng
bản đồ hệ
số nhám
Manning n


v) Xây dựng chƣơng trình tính nhằm tích hợp tất cả các kết quả đạt đƣợc cùng với quy
trình hƣớng dẫn tính toán lũ thiết kế cho các công trình giao thông thuộc khu vực vùng
núi Đông Bắc với mong muốn chƣơng trình này giải quyết đƣợc một số hạn chế trong
tính toán hiện nay, đồng thời để mở cho phép ngƣời dùng tiếp tục cập nhật và hoàn
thiện các phƣơng pháp tính (mục 3.4).
1.5 Tổng quan về khu vực nghiên cứu
1.5.1 Đặc điểm tự nhiên
1.5.1.1 Vị trí địa lý
Theo phân chia trƣớc đây, vùng Đông Bắc nƣớc ta gồm các tỉnh nhƣ Cao Bằng, Lạng

Sơn, Bắc Giang, Bắc Ninh, Quảng Ninh, Hải Phòng.Trong nghiên cứu này, vùng Đông
Bắc đƣợc giới hạn bởi các tỉnh Hà Giang, Cao Bằng, Bắc Kạn, Lạng Sơn, Thái
Nguyên, Bắc Giang, Quảng Ninh. Lào Cai, Tuyên Quang, Yên Bái. Đông Bắc tiếp
giáp với Trung Quốc ở phía bắc và phía đông, phía Đông nam trông ra vịnh Bắc Bộ,
phía Nam giới hạn bởi dãy núi Tam Đảo và vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng.

Hình 1.4 Bản đồ khu vực nghiên cứu (vùng Đông Bắc)

24


1.5.1.2 Đặc điểm địa hình
Vùng Đông Bắc là khu vực có địa hình đồi núi dốc cao, vực thẳm, chia cắt mạnh, lại
nằm trong những tâm mƣa lớn, trong mùa mƣa lũ tình trạng sạt trƣợt núi, cắt đứt
đƣờng, làm trôi cầu giao thông xảy ra khá nghiêm trọng. Hai tỉnh Lạng Sơn và Bắc
Kạn thuộc vùng núi Đông Bắc với 80% diện tích đồi núi có địa hình thay đổi lớn nhƣ:
Địa hình vùng núi cao, địa hình vùng đồi núi thấp, địa hình núi đá vôi, địa hình thung
lũng kiến tạo - xâm thực. Ở đây là vùng đầu nguồn của các con sông lớn với độ dốc
phức tạp tạo điều kiện hình thành các trận lũ quét, lũ ống hay lũ cực hạn nếu diễn biến
về thảm phủ bị thay đổi theo chiều hƣớng xấu đi. Chiếm phần lớn là diện tích núi, đồi,
có nhiều dãy núi cao ở phía Tây, đặc biệt dãy Hoàng Liên Sơn, chạy dọc theo hƣớng
Đông Bắc - Tây Nam, ở phía Đông lại có những dãy núi cao chạy theo hình cánh
cung, đồng thời có nhiều con sông, suối bắt đầu nguồn từ núi cao đổ xuống phía đồng
bằng làm cho địa hình của Đông Bắc chia cắt phức tạp. Dƣới đây là bản đồ chi tiết về
địa hình thuộc hai tỉnh nằm trong phạm vi nghiên cứu của luận án (Hình 1.5).

Dãy núi Ngân Sơn

Dãy núi
Mẫu Sơn

Hình 1.5 Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn)

25