Phân tích thủy văn bao gồm việc ước tính lưu lượng thiết kế dựa trên các đặc điểm khí hậu và lưu vực. Đây là bước đầu tiên trong thiết kế Culvert. Chương này cung cấp tổng quan ngắn gọn về phân tích thủy văn. Để có thông tin chi tiết hơn, xem HDS 2 (FHWA 2002).

Một khái niệm thống kê thường liên quan đến phân tích thủy văn là chu kỳ lặp lại của lưu lượng. Về mặt thống kê, chu kỳ lặp lại là nghịch đảo của tần suất xuất hiện. Ví dụ, trận lũ có 2% khả năng xảy ra hoặc vượt quá (tần suất) trong bất kỳ năm nào có chu kỳ lặp lại là 50 năm, tức là: 1/0.02=501 / 0.02 = 50 năm. Lưu ý rằng điều này không có nghĩa là trận lũ này sẽ xảy ra theo chu kỳ đều đặn mỗi 50 năm. Hai trận lũ có chu kỳ lặp lại 50 năm có thể xảy ra liên tiếp trong hai năm hoặc cách nhau 500 năm. Chu kỳ lặp lại chỉ là giá trị trung bình trong dài hạn giữa các lần xảy ra.

Các công trình Culvert lớn và có chi phí cao có thể cần đến phân tích thủy văn chi tiết hơn. Việc nâng cao mức độ phân tích này có thể cần thiết để thực hiện đánh giá rủi ro (xem Mục 1.6.4), trong đó kích thước công trình và/hoặc yêu cầu về độ chính xác cao hơn của phân tích thủy văn có thể được chứng minh là cần thiết. Các phương pháp thủy văn phức tạp hơn cũng được yêu cầu để mô phỏng toàn bộ quá trình lũ khi thực hiện tính toán điều tiết dòng chảy (xem Mục 5.8). Tuy nhiên, các tình huống này không xảy ra thường xuyên, và hầu hết Culvert trên đường bộ được thiết kế bằng các phương pháp thủy văn đơn giản chỉ nhằm dự báo lưu lượng đỉnh.

Mặc dù các Culvert từ trước đến nay chủ yếu được thiết kế để đảm bảo khả năng thoát nước trong các trận lũ lớn, nhưng việc hiểu rõ thủy văn dòng chảy nhỏ cũng rất quan trọng khi cần xem xét khả năng thông thủy cho sinh vật (AOP). Ví dụ, mực nước tối thiểu trong Culvert vào mùa hè có thể ảnh hưởng đến sự di chuyển và sinh sản của cá. Việc hiểu rõ thủy văn dòng chảy nhỏ cũng quan trọng đối với các điểm giao cắt với dòng chảy ở mực nước thấp, nơi thiết kế có thể đảm bảo khả năng thoát nước cho lưu lượng trung bình hằng năm, nhưng vẫn có thể bị tràn trong các trận lũ lớn. HDS 2 mô tả các đường cong thời gian dòng chảy và các công cụ khác để hiểu và mô tả điều kiện thủy văn dòng chảy nhỏ.

2.1.2 Lưu Lượng Thiết Kế Đỉnh

Khi một sóng lũ di chuyển qua một điểm trên dòng chảy, lưu lượng tăng lên đến giá trị cực đại và sau đó giảm dần. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của lưu lượng theo thời gian được gọi là hydrograph, và lưu lượng cực đại được gọi là lưu lượng đỉnh. Lưu lượng đỉnh đã và vẫn là một yếu tố quan trọng trong thiết kế Culvert.

Trong thiết kế Culvert truyền thống, công trình được thiết kế với kích thước đủ để truyền lưu lượng đỉnh từ một bên của nền đường sang bên kia với mực headwater chấp nhận được. Độ lớn của lưu lượng đỉnh phụ thuộc vào chu kỳ lặp lại được chọn. Việc xác định chu kỳ lặp lại thường dựa trên mức độ quan trọng của tuyến đường và nguy cơ thiệt hại do lũ lụt.

Đối với các vị trí có số liệu đo đạc (gaged sites), có thể thực hiện phân tích thống kê trên lưu lượng dòng chảy được ghi nhận để ước tính lưu lượng thiết kế đỉnh cho một chu kỳ lặp lại nhất định. Độ chính xác của ước tính này sẽ cải thiện khi thời gian ghi nhận dữ liệu kéo dài. HDS 2 cung cấp hướng dẫn chi tiết cho loại phân tích này. Tuy nhiên, do dữ liệu đo thực tế về dòng chảy thường chỉ có sẵn cho các sông và kênh lớn, nên phương pháp này hiếm khi được sử dụng trong thiết kế Culvert.

Các vị trí không có số liệu đo đạc (ungaged sites) thường gặp hơn trong thiết kế Culvert. Việc xác định lưu lượng tại một vị trí không có số liệu đo lường dựa trên các phương trình hồi quy hiện có hoặc một trong số các phương pháp thủy văn thực nghiệm. Các phương trình hồi quy khu vực để dự đoán lưu lượng đỉnh đã được phát triển trên toàn quốc dựa trên dữ liệu dòng chảy sẵn có. Những phương trình này thường yêu cầu các thông số cơ bản của lưu vực như diện tích lưu vực và độ dốc trung bình. Vì các dữ liệu cần thiết để phát triển phương trình hồi quy thường áp dụng cho lưu vực lớn, nên phương pháp này thích hợp nhất cho các khu vực thoát nước rộng và các dự án thiết kế Culvert quy mô lớn.

Ngoài ra, các deterministic method cũng có thể được sử dụng để mô hình hóa quá trình mưa – dòng chảy dựa trên các phương trình và hệ số thực nghiệm khác nhau. Yếu tố đầu vào quan trọng nhất trong các phương pháp này là lượng mưa, và nó phải liên quan đến chu kỳ lặp lại mong muốn. Lượng dữ liệu lưu vực cần thiết sẽ phụ thuộc vào mức độ phức tạp của mô hình. Một trong những phương pháp đơn giản được sử dụng cho nhiều thiết kế Culvert nhỏ là Phương pháp Rational (Rational Method). Theo các giả định của phương pháp này, nó được áp dụng tốt nhất cho các lưu vực có diện tích nhỏ hơn 200 mẫu Anh (80 ha = 0.8km²). Bảng 2.1 liệt kê một số phương pháp phổ biến được sử dụng để tính toán lưu lượng đỉnh cho các vị trí có và không có số liệu đo đạc.

Bảng 2.1. Các phương pháp xác định lưu lượng đỉnh

Vị trí có số liệu đo đạc (Gaged Sites)	Vị trí không có số liệu đo đạc (Ungaged Sites)
Phân phối Log-Pearson loại III	Phương trình hồi quy của Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) Phương pháp tính lưu lượng đỉnh của Cơ quan Bảo tồn Tài nguyên Thiên nhiên (NRCS) Phương pháp Rational

(nd: deterministic methods)

Deterministic methods là các phương pháp thiết kế thủy lực mà trong đó các thông số đầu vào được xem là giá trị cố định (không thay đổi theo xác suất). Điều này có nghĩa là người thiết kế sẽ chọn một tập hợp các điều kiện thiết kế “điển hình” hoặc “thiên về an toàn” như:

Lưu lượng thiết kế (design discharge) – ví dụ chọn Q thiết kế tương ứng với một trận mưa 25 năm hoặc 50 năm.
Độ nhám Manning – chọn giá trị đại diện cho điều kiện trung bình hoặc tệ nhất.
Mực nước cửa ra (tailwater elevation) – giả định một giá trị cụ thể, thường là mực nước cao.
Điều kiện cửa vào (inlet condition) và hình dạng cụ thể của cống.

Đặc điểm cơ bản:

Không sử dụng xác suất hay phân tích rủi ro.
Đơn giản, dễ hiểu, dễ áp dụng.
Phù hợp với các công trình nhỏ, ngân sách thấp hoặc khu vực ít rủi ro.
Thường được dùng trong thiết kế sơ bộ, thiết kế tiêu chuẩn hoặc khi thiếu dữ liệu.

Deterministic method thường được so sánh với risk-based hoặc probabilistic methods, trong đó các đầu vào như lưu lượng dòng chảy được xem như biến ngẫu nhiên với phân bố xác suất — từ đó giúp lượng hóa rủi ro và ra quyết định đầu tư hợp lý hơn (ví dụ thiết kế cho trận mưa 50 năm nhưng đánh giá luôn thiệt hại nếu mưa 100 năm xảy ra).

(nd: Pearson type III)

Phân phối Pearson loại III (Pearson Type III distribution) là một trong tám loại phân phối xác suất liên tục trong họ phân phối Pearson, do Karl Pearson phát triển để mô tả nhiều dạng phân phối dữ liệu khác nhau. Đây là một biến thể tổng quát của phân phối gamma và thường được sử dụng trong thủy văn, thủy lực và khí tượng để mô hình hóa các biến như lưu lượng đỉnh lũ, lượng mưa cực trị, thời gian khô hạn, v.v.

Phân phối Pearson loại III là phân phối gamma có thêm hệ số dịch (shift parameter), và có hàm mật độ xác suất (PDF) như sau:

$$f(x) = \frac{\beta^\alpha (x – x_0)^{\alpha – 1} e^{-\beta(x – x_0)}}{\Gamma(\alpha)}, \quad \text{với } x > x_0$$

trong đó:

α là hệ số hình dạng (shape parameter),
β là hệ số tỷ lệ (scale parameter),
x0 là hệ số dịch (location parameter) – có thể bằng 0,
Γ(α là hàm gamma.

Đặc điểm:

Phân phối không đối xứng (skewed), thường lệch phải, rất phù hợp với các dữ liệu lũ cực trị hoặc mưa lớn.
Có thể mô tả nhiều dạng phân phối từ lệch trái, lệch phải đến gần chuẩn.
Khi α lớn, nó tiến gần về phân phối chuẩn.
Là cơ sở cho phân tích tần suất lũ (flood frequency analysis) trong nhiều tiêu chuẩn Mỹ (ví dụ như Bulletin 17B của USGS).

Trong thủy văn ứng dụng, người ta sử dụng phân phối Pearson loại III để xây dựng đường tần suất (frequency curve) cho các đại lượng như:

Lưu lượng đỉnh lũ (peak discharge),
Tổng lượng mưa trong thời gian ngắn,
Thời gian tái xuất hiện (return period).

Biểu đồ trên thể hiện phân phối Pearson loại III, trong đó:

Đường cong lệch phải (skewed right),
Tham số α=4 điều khiển độ nhọn và lệch của phân phối,
β=0.5 là hệ số giãn ra theo trục x (scale),
xx0=2 là điểm bắt đầu của phân phối, cho thấy đây là một biến gamma có dịch chuyển.

Phân phối như vậy rất phù hợp để mô tả các hiện tượng thiên tai cực trị như đỉnh lũ, vì nó cho phép có xác suất thấp cho các giá trị cực lớn, nhưng vẫn không loại trừ chúng hoàn toàn.

(nd: Pearson type III online)

Website online về Log-Pearon III tại đây

2.1.3 Kiểm Tra Lưu Lượng

Hoạt động của Culvert cần được đánh giá với các lưu lượng khác ngoài lưu lượng thiết kế đỉnh vì:

Việc kiểm tra hiệu suất của Culvert ở nhiều mức lưu lượng khác nhau là một thực hành thiết kế tốt để xác định điều kiện vận hành chấp nhận được.
Các quy định có thể yêu cầu phân tích lưu lượng lớn hơn lưu lượng được sử dụng để thiết kế Culvert, chẳng hạn như lưu lượng 100 năm thường được sử dụng để xác định vùng lũ quy chuẩn.
Khi thực hiện phân tích rủi ro lũ lụt, cần ước tính thiệt hại do mực nước dâng cao do lũ có các tần suất khác nhau.

Lưu lượng kiểm tra được xác định theo cách tương tự như lưu lượng thiết kế đỉnh. Quy trình thủy văn được sử dụng phải nhất quán trừ khi có những hoàn cảnh đặc biệt yêu cầu khác. Ví dụ, dữ liệu lưu lượng từ trạm đo có thể đủ dài để ước tính lưu lượng đỉnh 10 năm nhưng không đủ chính xác để tạo ra lưu lượng kiểm tra 100 năm. Trong những trường hợp này, cần sử dụng phương pháp khác để đánh giá lưu lượng kiểm tra.

2.1.4 Hydrograph – Đường quá trình lũ

Hydrograph lũ là biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian. Hình 2.1 mô tả một hydrograph lũ điển hình, trong đó cho thấy sự gia tăng và giảm lưu lượng dòng chảy theo thời gian khi một trận lũ đi qua.

Một lý do cần sử dụng hydrograph là khi có xem xét đến khả năng chứa nước phía thượng lưu trong thiết kế Culvert. Hydrograph lũ thực tế có thể thu được từ dữ liệu đo dòng chảy tại các trạm quan trắc. Các sự kiện mưa bão đã đo được có thể được sử dụng để phát triển hydrograph thiết kế.

Trong trường hợp không có dữ liệu từ trạm đo dòng chảy, có thể sử dụng các phương pháp thực nghiệm hoặc toán học, chẳng hạn như phương pháp hydrograph tổng hợp Snyder và NRCS, để tạo hydrograph thiết kế.

Phương pháp Hydrograph đơn vị là một quy trình phổ biến để xác định phản ứng của một lưu vực đối với một trận mưa thiết kế cụ thể. Hydrograph đơn vị biểu thị phản ứng dòng chảy của lưu vực đối với một lượng mưa đều 1 inch (1 mm) trong một khoảng thời gian xác định. Hydrograph đơn vị có thể được tạo từ dữ liệu của một lưu vực có số liệu đo đạc hoặc được tổng hợp từ các thông số mưa và lưu vực cho một lưu vực không có số liệu đo đạc. Hai phương pháp này được mô tả ngắn gọn dưới đây.

a. Xây dựng Hydrograph Đơn vị – Lưu vực có số liệu đo đạc

Để phát triển hydrograph đơn vị cho một lưu vực có số liệu đo đạc, người thiết kế cần có dữ liệu lưu lượng dòng chảy và lượng mưa trong một số sự kiện mưa. Dữ liệu mưa phải mang tính đại diện cho lượng mưa trên toàn lưu vực trong mỗi trận mưa. Ngoài ra, các trận mưa này nên có cường độ tương đối ổn định trong suốt thời gian mưa. Quy trình phát triển hydrograph đơn vị có thể tìm thấy trong HDS 2.

b. Hydrograph Đơn vị Tổng hợp

Hydrograph đơn vị tổng hợp có thể được phát triển trong trường hợp không có dữ liệu đo lưu lượng tại trạm quan trắc. Các phương pháp xây dựng hydrograph tổng hợp thường mang tính thực nghiệm và phụ thuộc vào nhiều tham số của lưu vực, chẳng hạn như diện tích lưu vực, độ dốc, mục đích sử dụng đất và loại đất. Hai phương pháp tổng hợp được sử dụng rộng rãi là phương pháp Snyder và phương pháp NRCS.

Phương pháp Snyder sử dụng các thuật ngữ thực nghiệm và đặc điểm địa hình của lưu vực làm đầu vào cho các phương trình thực nghiệm đặc trưng cho thời gian và hình dạng của hydrograph đơn vị.
Phương pháp NRCS sử dụng các thông số hydrograph không thứ nguyên dựa trên phân tích một số lượng lớn lưu vực để xây dựng hydrograph đơn vị. Các thông số đầu vào duy nhất của phương pháp này là lưu lượng đỉnh và thời gian đến đỉnh. Một biến thể của hydrograph tổng hợp NRCS là hydrograph tam giác tổng hợp NRCS.

Các quy trình phát triển hydrograph đơn vị tổng hợp có thể tìm thấy trong HDS 2.

2.1.5 Cơ bản về Storage Routing – Điều tiết do tích nước

Việc đo hydrograph lũ tại một vị trí trên dòng suối có thể được ví như việc ghi lại sự lan truyền của một sóng có biên độ lớn và tần suất thấp. Khi sóng này di chuyển về phía hạ lưu, hình dạng của nó trở nên rộng và dẹt hơn, miễn là không có dòng chảy bổ sung nào dọc theo đoạn suối đó. Sự thay đổi hình dạng này là do sự trữ nước của kênh giữa vị trí thượng lưu và hạ lưu. Nếu dòng lũ gặp phải một lượng trữ đáng kể tại một vị trí trên dòng suối, chẳng hạn như hồ chứa, thì độ suy giảm của sóng lũ sẽ tăng lên. Hình 2.2 minh họa ảnh hưởng này bằng đồ thị.

Storage routing – Điều tiết do tích nước là quá trình tính toán số học để mô phỏng sự lan truyền của một sóng lũ. Quá trình này áp dụng cho hồ chứa, kênh dẫn, và lưu vực. Các tác động của routing bao gồm ba yếu tố chính: bảo toàn thể tích, giảm đỉnh lũ, và độ trễ thời gian.

Routing qua hồ chứa phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng trữ nước trong việc điều chỉnh sóng lũ. Routing qua kênh phụ thuộc vào cả dòng vào và dòng ra, cũng như lượng nước được trữ trong đoạn kênh. Routing qua lưu vực bao gồm cả tác động làm suy giảm dòng chảy do đặc điểm của lưu vực và có ý nghĩa quan trọng trong một số phương pháp xây dựng hydrograph.

Hình 2.2. Sự thay đổi hình dạng của hydrograph lũ.

Một culvert có khả năng tích nước lớn ở thượng lưu sẽ hoạt động tương tự như một hồ chứa nhỏ và làm suy giảm hydrograph khi dòng chảy đi qua công trình. Tuy nhiên, trong quá trình storage routing, thể tích lưu trữ cần thiết để làm giảm đáng kể lưu lượng đỉnh thường rất lớn. Do đó, trong thực tế, hiệu ứng này hiếm khi được xem xét khi thiết kế culvert. Ngoài ra, việc bỏ qua hiệu ứng này sẽ dẫn đến kích thước đường kính culvert lớn hơn một chút, giúp gia tăng hệ số an toàn trong thiết kế.

Một trường hợp trong đó phân tích storage routing có thể đặc biệt hữu ích là đánh giá cách điều kiện hạ lưu có thể thay đổi nếu một culvert được thay thế bằng một cây cầu. Một quan niệm sai lầm phổ biến là việc loại bỏ culvert, cùng với khả năng tích nước và suy giảm lưu lượng đi kèm, sẽ gây ra tình trạng lũ lụt gia tăng ở hạ lưu. Việc phân tích storage routing với có và không có culvert sẽ giúp định lượng mức độ ảnh hưởng này. Như đã đề cập, trừ khi có một thể tích lưu trữ đáng kể ở thượng lưu của culvert, sự tác động lên lưu lượng xả thường sẽ nhỏ hơn so với dự đoán.

Chương 5 cung cấp tổng quan về các phương pháp storage routing – điều tiết do tích nước.

2.1.6 Mô hình máy tính

Có nhiều mô hình máy tính khác nhau được sử dụng trong phân tích thủy văn. Một số mô hình chỉ đơn giản là giúp thực hiện nhanh hơn các phương pháp tính toán thực nghiệm bằng tay. Các mô hình khác có tính lý thuyết hơn, mô phỏng toàn bộ chu trình dòng chảy bằng cách sử dụng phương pháp mô phỏng liên tục theo các khoảng thời gian ngắn. Kết quả được tính toán bằng các phương trình toán học để mô tả từng giai đoạn trong chu trình dòng chảy, bao gồm chặn dòng (interception), giữ nước bề mặt (surface retention), thấm nước (infiltration), và dòng chảy tràn mặt (overland flow).

Trong hầu hết các mô hình mô phỏng, lưu vực được chia thành các tiểu lưu vực có đặc điểm thủy văn tương tự nhau. Lượng mưa thiết kế được tổng hợp cho từng tiểu lưu vực, và các quá trình tiêu hao như chặn dòng và thấm nước được loại bỏ. Một quy trình mô phỏng dòng chảy tràn mặt được sử dụng để biểu diễn chuyển động của lượng nước mặt còn lại. Các kênh liên kết giữa các tiểu lưu vực sẽ tiếp nhận dòng chảy tràn mặt này. Các kênh của lưu vực được kết nối với nhau, và dòng chảy trong kênh sẽ di chuyển qua đó để tạo thành phản ứng của lưu vực đối với trận mưa thiết kế.

Tất cả các mô hình mô phỏng đều yêu cầu hiệu chỉnh (calibration) các thông số mô phỏng bằng cách sử dụng dữ liệu đo thực tế để cải thiện độ chính xác. Hầu hết các mô hình mô phỏng đòi hỏi một lượng lớn dữ liệu đầu vào cũng như kinh nghiệm của người sử dụng để đảm bảo kết quả đáng tin cậy.

Việc sử dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) đã giúp đơn giản hóa đáng kể quá trình phát triển dữ liệu đầu vào cần thiết cho hầu hết các mô hình thủy văn trên máy tính. Ví dụ, StreamStats là một công cụ GIS trực tuyến được phát triển bởi Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), giúp người dùng dễ dàng thu thập các thông số thống kê về lưu lượng dòng chảy, đặc điểm lưu vực, và các thông tin khác cho các vị trí sông được chọn. Công cụ này cũng cung cấp nhiều công cụ phân tích khác nhau để hỗ trợ quy hoạch và quản lý tài nguyên nước.

Ngoài ra, các phần mềm thương mại cũng có sẵn, hỗ trợ sử dụng dữ liệu GIS để nhập dữ liệu đầu vào hiệu quả cho nhiều mô hình thủy văn phổ biến như HEC-1, HEC-HMS, TR-20.

2.2 Dữ liệu hiện trường

2.2.1 Tổng quan

Thiết kế thủy lực của một công trình culvert đòi hỏi phải đánh giá một lượng lớn dữ liệu, bao gồm vị trí culvert, dữ liệu dòng chảy, dữ liệu tuyến đường, và mực nước thượng lưu cho phép. Thiết kế AOP cũng yêu cầu dữ liệu về trầm tích và phân loại vật liệu đáy, cũng như thông tin lưu lượng xả bên cạnh lưu lượng đỉnh thiết kế thông thường cho thiết kế culvert. Dữ liệu và thông tin bổ sung cũng có thể cần thiết cho các culvert được thiết kế phục vụ mục đích sử dụng đa năng.

Ví dụ, nếu một culvert cũng sẽ được sử dụng cho làn xe đạp hoặc lối đi bộ, các dữ liệu hình học bổ sung và thông tin vượt ngoài phạm vi phân tích thủy lực có thể cần thiết để thiết kế culvert. Mỗi yếu tố nói trên và tầm quan trọng của chúng sẽ được trình bày trong các đoạn sau.

2.2.2 Vị trí Culvert

Một culvert lý tưởng nên được đặt tại lòng kênh hiện có để giảm thiểu chi phí liên quan đến công tác đào đắp kết cấu và xử lý lòng kênh. Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng khả thi. Một số lòng suối có hình uốn khúc và không thể lắp đặt culvert thẳng. Trong một số trường hợp khác, có thể phải di dời lòng suối để tránh việc phải lắp đặt một culvert quá dài.

Khi cần di dời lòng suối, tốt nhất nên tránh các chỗ chuyển tiếp dòng chảy đột ngột ở hai đầu culvert. Hình 2.3 minh họa hai ví dụ về quy trình xác định vị trí culvert (Durow 1982). Trong một ví dụ, culvert đi theo hướng tự nhiên của dòng chảy. Trong ví dụ còn lại, lòng suối đã được di dời để rút ngắn chiều dài culvert.

Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) kết luận rằng việc di dời lòng suối nhẹ nhàng để phục vụ cho việc xác lập hướng tuyến culvert thường thành công, miễn là kênh tự nhiên không bị mất ổn định từ trước (USGS 1981). Khi xem xét các phương án di dời dòng chảy, cần tính đến các tác động môi trường và yêu cầu cấp phép, vì đây có thể là yếu tố quan trọng trong quá trình ra quyết định.

Hình 2.3. Các phương pháp xác định vị trí Culvert.

2.2.3 Dữ Liệu Dòng Chảy

Việc lắp đặt culvert để dẫn nước mặt qua nền đường thường làm thay đổi điều kiện dòng chảy và kênh dẫn cả ở thượng lưu và hạ lưu của culvert. Để dự đoán hậu quả của sự thay đổi này, cần thu thập chính xác dữ liệu thủy văn trước xây dựng. Những dữ liệu này bao gồm thông tin mặt cắt ngang, độ dốc dòng chảy, sức cản thủy lực của lòng suối và vùng ngập, tính ổn định của dòng chảy và vận chuyển bùn cát, bất kỳ điều kiện nào ảnh hưởng đến cao độ mặt nước hạ lưu, và dung tích tích trữ thượng lưu của culvert. Ảnh chụp thực địa thường rất hữu ích.

a. Mặt cắt ngang – Cross Sections.
Dữ liệu mặt cắt ngang dòng chảy thu thập từ khảo sát hiện trường tại vị trí lắp đặt rất được khuyến khích để bổ sung cho bản đồ địa hình có sẵn. Lý tưởng là nên đo ít nhất hai mặt cắt ngang: một ở thượng lưu và một ở hạ lưu. Các mặt cắt này cần đại diện cho đoạn suối. Nếu khả năng ứ đọng nước cao và cần thực hiện phân tích điều tiết dòng chảy, có thể cần thêm các mặt cắt phụ ở thượng lưu của culvert. Tương tự, có thể cần thêm các mặt cắt hạ lưu để xác định điều kiện mực nước hạ lưu (tailwater), đặc biệt khi có các công trình hoặc điều kiện dòng chảy khác ở hạ lưu làm giới hạn việc phân tích thủy lực theo độ sâu bình thường, và khi đó cần thực hiện phân tích mặt nước chi tiết hơn (xem phần thảo luận về Tailwater bên dưới).

Nếu chỉ có một mặt cắt ngang của kênh tự nhiên, nó sẽ được dùng làm mặt cắt điển hình. Giả định này nên được kiểm tra lại bằng bản đồ địa hình và ảnh chụp trên không. Thông tin bổ sung về độ dốc dòng chảy và thể tích tích nước thượng lưu cũng nên được lấy từ bản đồ địa hình.

b. Độ dốc dòng chảy – Stream Slope.
Độ dốc dọc của dòng chảy hiện hữu tại khu vực lắp culvert cần được xác định để định vị chính xác culvert trên mặt cắt dọc và xác định đặc điểm dòng chảy trong kênh tự nhiên. Culvert được đề xuất thường sẽ đặt tại cùng độ dốc dọc với lòng suối. Các mặt cắt khảo sát và bản đồ địa hình có thể được dùng để xác định độ dốc dòng chảy. Nếu mặt cắt hoặc bản đồ địa hình hạn chế, có thể cần khảo sát thêm theo trục kênh để xác định chính xác độ dốc qua vị trí vượt suối.

c. Hệ số sức cản – Resistance.
Hệ số sức cản thủy lực của kênh tự nhiên cần được đánh giá để tính toán điều kiện dòng chảy trong kênh. Hệ số sức cản này thường được xác định bằng hệ số Manning. Có nhiều phương pháp để đánh giá hệ số Manning cho dòng chảy tự nhiên, bao gồm so sánh với ảnh chụp các dòng suối có hệ số đã biết hoặc sử dụng bảng tra dựa trên các đặc điểm của dòng chảy (USGS 1967, 1984). Bảng C.1 trong Phụ lục C cung cấp các giá trị Manning n cho các loại dòng chảy tự nhiên đã chọn.

d. Độ ổn định của kênh và vận chuyển trầm tích – Channel Stability and Sediment Transport.
Các bằng chứng về sự mất ổn định của dòng chảy hiện tại, cả theo phương ngang và phương thẳng đứng, cần được ghi nhận và xem xét trong thiết kế culvert. Điều này có thể bao gồm quan sát bờ suối bị xói lở, sự thay đổi lòng suối, các hố xói và vùng lắng đọng bùn cát. Đối với các công trình culvert lớn, việc thu thập và phân tích ảnh hàng không lịch sử có thể cung cấp dữ liệu và hiểu biết về vấn đề ổn định dòng chảy trong dài hạn. Thông tin về vật liệu đáy và hai bên bờ kênh có thể rất hữu ích trong phân tích ổn định kênh, cũng như trong các đánh giá liên quan đến AOP. Thông thường quá trình này bao gồm khảo sát hiện trường, đo đạc tại chỗ và/hoặc lấy mẫu bùn cát gửi về phòng thí nghiệm để phân tích kích thước hạt. Tài liệu HEC-20, Stream Stability at Highway Structures (FHWA 2012a) cung cấp thông tin chi tiết về cách đánh giá độ ổn định dòng chảy và loại dữ liệu cần thiết để hoàn thành phân tích này.

e. Mực nước hạ lưu – Tailwater.
Hiệu suất của culvert có khả năng bị ảnh hưởng bởi cao độ mặt nước hạ lưu, hay còn gọi là tailwater. Xác định điều kiện tailwater là một bước tính toán dòng hở quan trọng và là bước đầu quan trọng trong việc thiết kế culvert. HDS 4 (FHWA 2008a) cung cấp tổng quan về dòng chảy hở và phương pháp sử dụng độ sâu bình thường để xác định tailwater trong thiết kế culvert. Giả định về độ sâu bình thường bắt đầu không còn đúng khi có các điều kiện có thể làm tăng cao độ tailwater trong các sự kiện lũ. Cần điều tra các công trình chắn dòng ở hạ lưu, vật cản, chỗ thu hẹp dòng chảy, thủy triều, và giao cắt với các dòng khác để đánh giá tác động đến mực nước tailwater. Trong những điều kiện này, cao độ tailwater có thể được xác định từ mực nước trong kênh tự nhiên theo độ sâu bình thường. Nếu không thể, cần thực hiện các phân tích mặt nước chi tiết hơn, thường sử dụng phương pháp step tiêu chuẩn kết hợp với phần mềm chuyên dụng.

f. Khả năng lưu trữ/tích nước thượng lưu – Upstream Storage.
Dung tích tích trữ thượng lưu của một culvert có thể ảnh hưởng đến thiết kế. Dung tích tích trữ thượng lưu có thể được lấy từ các bản đồ đường đồng mức khu vực thượng lưu với khoảng cách đường đồng mức lý tưởng là 2 ft (0,5 m). Nếu không có bản đồ như vậy, nên khảo sát một số mặt cắt ngang thượng lưu tại vị trí đề xuất lắp culvert. Các mặt cắt này cần được tham chiếu theo cả phương ngang và phương đứng. Chiều dài của đoạn kênh cần khảo sát sẽ phụ thuộc vào mực nước thượng lưu mong đợi và độ dốc dòng chảy. Các mặt cắt này có thể được dùng để xây dựng bản đồ đồng mức hoặc tính diện tích mặt cắt nhằm xác định dung tích tích nước. Thông tin địa hình nên mở rộng từ đáy kênh đến cao độ cho phép tại mực nước headwater của culvert.

2.2.4 Dữ liệu đường bộ (Roadway Data)

Tuyến đường dự kiến hoặc hiện hữu ảnh hưởng đến chi phí, khả năng dẫn nước, và hướng tuyến của culvert. Thông tin về mặt cắt dọc và mặt cắt ngang của tuyến đường có thể được lấy từ các bản vẽ sơ bộ hoặc từ các chi tiết tiêu chuẩn của mặt cắt đường bộ.

Khi cần xác định kích thước culvert trước khi có kế hoạch sơ bộ, có thể sử dụng ước lượng tốt nhất của mặt cắt đường để thiết kế. Tuy nhiên, thiết kế culvert cần được kiểm tra lại sau khi hoàn thiện bản vẽ đường.

a. Mặt căt ngang – Cross Section.
Mặt cắt ngang tuyến đường vuông góc với tim đường thường có sẵn trong các bản vẽ đường bộ. Tuy nhiên, mặt cắt mà người thiết kế culvert cần là mặt cắt tại vị trí vượt suối. Mặt cắt này có thể bị lệch so với tim đường. Đối với một culvert đề xuất, bản vẽ tuyến đường, mặt cắt dọc và mặt cắt ngang nên được kết hợp khi cần thiết để xác định mặt cắt mong muốn này. Hình 2.4 minh họa một sơ đồ tuyến đường và mặt cắt có các cao độ quan trọng.

b. Chiều dài Culvert
Các kích thước và đặc điểm quan trọng của culvert sẽ được xác định rõ khi mặt cắt ngang tuyến đường tại vị trí thiết kế được đo hoặc xác lập. Kích thước được xác định bằng cách chồng khung ống culvert ước lượng lên mặt cắt ngang tuyến đường và đường dốc đáy suối (Hình 2.4). Việc chồng này giúp xác định cao độ đáy tại cửa vào và cửa ra của culvert. Các cao độ này và chiều dài culvert thu được chỉ mang tính chất ước lượng, vì kích thước chính thức của lòng culvert vẫn cần được xác định sau cùng.

Hình 2.4. Mặt cắt ngang đường và chiều dài Culvert.

c. Trắc dọc đường – Longitudinal Roadway Profile.
Đối với culvert thoát nước ngang, mặt cắt dọc tuyến đường đại diện cho một chướng ngại vật mà dòng nước gặp phải. Đoạn đắp đường bao quanh culvert hoạt động tương tự như một con đập. Culvert đóng vai trò giống như một cấu trúc xả thông thường, và phần đỉnh mặt đường đóng vai trò như một tràn khẩn cấp khi mực nước ở phía thượng lưu (headwater) đạt đến cao độ đủ lớn. Vị trí tràn đầu tiên phụ thuộc vào hình học tuyến đường (Hình 2.5).

Mặt cắt dọc trong các bản vẽ đường thường thể hiện theo tim tuyến. Do ảnh hưởng của độ nghiêng đường (superelevation), các cao độ này có thể không đại diện cho điểm cao nhất trong mặt cắt ngang tuyến đường. Người thiết kế culvert cần trích xuất mặt cắt xác định các cao độ ngập đường và cao độ tràn đường từ bản vẽ đường có sẵn. Điểm thấp nhất của mặt cắt dọc là yếu tố cực kỳ quan trọng, vì đây là điểm mà hiện tượng tràn đường sẽ xảy ra đầu tiên. Lưu ý rằng điểm thấp này có thể cách xa đáng kể vị trí đặt culvert.

Hình 2.5. Road profile – mặt cắt thung lũng.

Các loại culvert khác, bên cạnh culvert thoát nước ngang, cũng được sử dụng trong hệ thống thoát nước đường và có thể có các điều kiện và mối quan tâm về tràn khác nhau. Ví dụ, ditch relief culverts là các công trình được sử dụng để chuyển hướng một phần dòng chảy từ rãnh chân dốc trên đoạn đường dốc dài nhằm ngăn ngừa rãnh bị tràn và/hoặc kiểm soát vận tốc dòng chảy và hiện tượng xói lở trong rãnh.

Đối với loại culvert này, không tồn tại điểm thấp hoặc tình huống tràn như trong culvert thoát nước ngang. Nước không được chuyển hướng đơn giản sẽ tiếp tục chảy theo rãnh đến culvert giảm tải cho rãnh (ditch relief culvert).

2.2.5 Mực nước thượng lưu cho phép (Allowable Headwater)

Mực nước thượng lưu cho phép (allowable headwater) là mực nước thượng lưu tối đa, hay độ sâu dâng nước, tại phía thượng lưu của culvert. Lưu ý rằng điều này khác với mực nước thượng lưu thiết kế (design headwater). Mực nước thượng lưu thiết kế là mực nước sẽ xảy ra đối với culvert đã chọn khi hoạt động đúng theo thiết kế. Mực nước thượng lưu thiết kế không được vượt quá mực nước thượng lưu cho phép. Nếu vượt quá, cần lựa chọn và đánh giá các cấu hình culvert bổ sung cho đến khi tìm được cấu hình cho ra mực nước thượng lưu thiết kế bằng hoặc nhỏ hơn mực nước cho phép.

Khi chi phí thân culvert là yếu tố duy nhất được cân nhắc, thì culvert kinh tế nhất là loại có thể sử dụng toàn bộ mực nước thượng lưu cho phép để dẫn lưu lượng thiết kế, vì khả năng dẫn nước tăng theo chiều cao mực nước. Tuy nhiên, còn nhiều yếu tố khác liên quan đến việc xác định mực nước thượng lưu cho phép. Việc xác định cao độ cho phép này thường phụ thuộc vào một trong bốn yếu tố: yếu tố kinh tế, quy định pháp lý, yêu cầu AOP, hoặc các ràng buộc của đơn vị chủ quản.

Lưu ý rằng có thể tăng mực nước thượng lưu cho phép ở một số vị trí bằng cách hạ thấp cửa vào culvert. Phương pháp này đặc biệt có lợi đối với các culvert dốc hoạt động trong chế độ kiểm soát tại cửa vào. Thông tin bổ sung về phương pháp này được trình bày trong Chương 3.

a. Cân nhắc kinh tế – Economic Considerations.
Mặc dù việc tích nước (ponding) có thể giúp giảm kích thước thân culvert cần thiết, song các hậu quả kinh tế tiêu cực có thể xảy ra khi mực nước thượng lưu tăng quá cao. Ví dụ, mực nước cao có thể gây hiện tượng piping quanh thân culvert, gây hư hỏng và thậm chí dẫn đến hỏng hóc toàn bộ công trình. Mực nước thượng lưu cao cũng có thể gây ra vận tốc dòng chảy tại cửa ra lớn, dẫn đến xói lở nghiêm trọng, đòi hỏi phải lắp đặt thiết bị tiêu năng.

Tại các khu vực có nguy cơ bùn rác cao, có thể cần áp dụng mực nước thượng lưu cho phép thấp hơn để giảm thiểu khả năng culvert bị nghẹt do tràn. Các ràng buộc tại hiện trường thường xác định một cao độ giới hạn không được vượt quá trong một tần suất thiết kế nhất định để giảm thiểu rủi ro và thiệt hại kinh tế. Cao độ này có thể trùng với điểm quan trọng nào đó trên tuyến đường, chẳng hạn như mép đường hoặc cao độ tràn mặt đường. Một tiêu chí khác có thể là mực nước lũ thiết kế của một công trình thượng lưu hoặc vị trí vượt sông ở thượng lưu.

(nd: Piping)

Piping là một hiện tượng xói ngầm (internal erosion) xảy ra trong đất dưới tác động của dòng thấm. Khi nước chảy qua nền đất có độ thấm cao hoặc qua các khe hở nhỏ trong nền đường hay đê điều, nó có thể cuốn theo các hạt đất, tạo thành các đường rỗng bên trong. Khi quá trình này tiếp diễn, các rãnh rỗng lớn dần, hình thành một đường dẫn nước ngầm gọi là piping channel. Nguyên nhân gây ra piping

Chênh lệch áp lực nước giữa thượng lưu và hạ lưu khiến dòng nước thấm mạnh qua nền đất.
Đất có độ kết dính thấp (như cát hoặc đất bùn cát), dễ bị cuốn trôi theo dòng chảy.
Thiết kế và thi công không đảm bảo như việc không có lớp lọc bảo vệ hoặc hệ thống tiêu nước không hiệu quả.
Nước thấm qua các khe nứt hoặc vùng tiếp giáp giữa công trình và nền đất.

Hậu quả của piping

Gây mất ổn định nền móng công trình (Culvert, đập, đê điều, nền đường).
Dẫn đến sụp lún hoặc phá hủy công trình khi đường rỗng phát triển đủ lớn.
Gia tăng nguy cơ xói lở ở khu vực hạ lưu.

Cách kiểm soát và ngăn chặn piping

Bố trí lớp lọc ngược (filter layer): Lớp vật liệu hạt có kích thước thích hợp giúp giữ lại đất nhưng vẫn cho nước thấm qua.
Lắp đặt hệ thống tiêu thoát nước (drainage system) để giảm áp lực nước trong đất.
Gia cố nền móng bằng vật liệu chống thấm như màng địa kỹ thuật hoặc bê tông.
Giảm chênh lệch áp lực nước bằng cách thiết kế công trình sao cho dòng thấm được phân bố đồng đều.

Ứng dụng trong thiết kế Culvert

Vì vậy, thiết kế Culvert cần xem xét lớp lọc bảo vệ, vật liệu nền thích hợp và các biện pháp tiêu thoát nước để giảm nguy cơ này.

Khi mực nước thượng lưu (headwater) cao, có nguy cơ nước thấm qua nền đường quanh Culvert, gây piping.

b. Những quy định – Regulatory Constraints.
Các yêu cầu của Chương trình Bảo hiểm Lũ Quốc gia (National Flood Insurance Program) là một yếu tố quan trọng trong thiết kế culvert. Hầu hết các địa phương hiện nay đều tham gia chương trình này. Hạn chế trong xây dựng vùng ngập lũ, do ảnh hưởng đến cao độ lũ cơ sở (lũ 100 năm), là vấn đề được quan tâm hàng đầu trong chương trình này do Cơ quan Quản lý Khẩn cấp Liên bang (FEMA) điều hành. Tùy thuộc vào vị trí culvert, tình trạng xâm lấn vùng ngập, và việc có hành lang thoát lũ theo quy định hay không, mức tăng cao độ mặt nước cho phép dao động từ 0 đến 1 ft (0,3 m). Bất kể khoảng thời gian lặp lại được sử dụng trong thiết kế culvert cho tuyến đường cụ thể là bao nhiêu, thì trận lũ với chu kỳ lặp lại 100 năm vẫn phải được kiểm tra để đánh giá ảnh hưởng của culvert đến cao độ lũ cơ sở (23 CFR 650 Subpart A).

c. Cân nhắc thủy sinh – AOP Considerations.
Điều kiện tích nước (ponding) tạo ra các trạng thái dòng chảy thay đổi nhanh, thường gây nhiễu động với vận tốc cao khi nước chuyển đổi vào và ra khỏi culvert. Các điều kiện dòng chảy này nhìn chung không phù hợp cho cá và các loài thủy sinh di chuyển. Ngược lại, thiết kế AOP chấp nhận được nhất thường là những điểm vượt có đặc điểm dòng chảy (vận tốc, độ sâu và chiều rộng) gần giống với dòng suối tự nhiên ở thượng và hạ lưu. Điều này thường yêu cầu các culvert có kích thước lớn hơn để tạo ra mực nước thượng lưu nhỏ nhất, trừ trường hợp xảy ra các trận lũ lớn (ví dụ: lũ 50 năm hoặc 100 năm).

d. Quy định của cơ quan quản lý – Agency Constraints.
Một số cơ quan giao thông cấp bang hoặc địa phương có giới hạn về mực nước thượng lưu do culvert tạo ra. Ví dụ, mực nước thượng lưu có thể không được vượt quá đường kính thân culvert hoặc một bội số nào đó của chiều cao thân culvert, được biểu diễn dưới dạng tỉ lệ HW/D. Tỷ lệ HW/D cho phép thay đổi tùy theo từng khu vực, nhưng phổ biến từ 1,0 đến 1,5. Dù tỷ lệ HW/D rất thấp có thể làm hạn chế nghiêm trọng tính linh hoạt trong thiết kế, nhưng vẫn phải tuân theo trừ khi có chấp thuận đặc biệt.

(nd: HW/D)

tỉ số HW/D là tỉ số giữa mực nước thượng lưu – mực nước đầu vào (headwater) chia cho chiều cao của lòng cống; đối với cống tròn D là đường kính, đối với cống hộp D là tĩnh cao của lòng cống

2.2.6 Dữ liệu AOP (AOP Data)

Việc đánh giá hoặc thiết kế một culvert AOP có thể cần thêm dữ liệu hiện trường. Các vấn đề chính liên quan đến việc loại bỏ rào cản đối với AOP và duy trì tính kết nối sinh thái giữa các đoạn thượng lưu và hạ lưu.

Thông tin về vận tốc dòng chảy trong kênh, độ sâu, các vùng hồ và ghềnh, khu vực cá có thể nghỉ ngơi, các bậc nước hiện có và thành phần đáy kênh sẽ rất hữu ích trong việc hiểu rõ điều kiện vượt suối hiện hữu và thiết kế culvert đáp ứng tiêu chí AOP.

Để biết thông tin về dữ liệu cần thiết nhằm hoàn thành phân tích AOP, xem Chương 4.

2.2.7 Dữ liệu hoặc hạn chế về văn hóa (Cultural Data or Restrictions)

Tại một số vị trí, các khu vực văn hóa hoặc di tích lịch sử có thể ảnh hưởng đến thiết kế culvert. Điều này có thể do sự hiện diện của một địa điểm văn hóa hoặc lịch sử gần culvert, hoặc do các cấu kiện của culvert, thường là tường đầu (headwalls) và tường cánh (wingwalls), được xếp loại là di tích.

Nếu một địa điểm văn hóa hoặc lịch sử nằm ở thượng lưu của culvert, có thể cần giới hạn mực nước thượng lưu để tránh làm ngập khu vực đó. Các khu vực hạ lưu có thể cần thêm các biện pháp kiểm soát xói lở để bảo vệ khỏi vận tốc dòng chảy cao và sự thay đổi lòng suối có thể xảy ra sau culvert.

Nhân viên bảo tồn lịch sử cấp bang (SHPO) và các hội lịch sử địa phương có thể cung cấp dữ liệu về các địa điểm và hiện vật có liên quan trong khu vực. Trong một số trường hợp, có thể cần tiến hành khảo cổ học. Các thủ tục cấp phép đặc biệt có thể được yêu cầu và đòi hỏi lượng dữ liệu đáng kể.

2.2.8 Tổng hợp nhu cầu dữ liệu (Summary of Data Needs)

Bảng 2.2. Tổng hợp các loại dữ liệu cần thiết cho thiết kế Culvert

DỮ LIỆU (DATA)	NGUỒN (SOURCE)
THỦY VĂN (HYDROLOGY)	THỦY VĂN (HYDROLOGY)
Lưu lượng đỉnh (Peak Flow)	Phân tích số liệu đo đạc từ trạm quan trắc hoặc tính toán bằng công thức Rational, phương pháp SCS, phương trình hồi quy, v.v.
Lưu lượng kiểm tra (Check Flows)	Giống như lưu lượng đỉnh
Hydrograph (nếu sử dụng điều tiết dòng chảy)	Dữ liệu từ trạm đo lưu lượng hoặc phương pháp tổng hợp như phương pháp SCS, phương pháp Snyder hoặc mô hình máy tính
DỮ LIỆU HIỆN TRƯỜNG (SITE DATA)	DỮ LIỆU HIỆN TRƯỜNG (SITE DATA)
Vị trí Culvert (Culvert Location)	Dựa trên đặc điểm hiện trường, bao gồm mặt cắt tự nhiên của dòng chảy, độ dốc và hướng tuyến
Dữ liệu dòng chảy (Waterway Data)	Dữ liệu dòng chảy (Waterway Data)
Mặt cắt ngang (Cross Sections)	Khảo sát thực địa hoặc bản đồ địa hình
Độ dốc dọc (Longitudinal Slope)	Khảo sát thực địa hoặc bản đồ địa hình
Hệ số cản thủy lực (Resistance)	Quan sát, ảnh chụp hoặc phương pháp tính toán
Độ ổnn định kênh (Channel Stability)	Quan sát, khảo sát, bản đồ
Mực nước đuôi (Tailwater) trong khảo sát thực địa	Khảo sát thực địa, bản đồ
Khả năng lưu trữ thượng lưu (Upstream storage)	Khảo sát thực địa, bản đồ
Dữ liệu đường (Roadway Data)	Dữ liệu đường (Roadway Data)
Mặt cắt ngang (Cross Section)	Bản vẽ thiết kế đường
Profile	Bản vẽ thiết kế đường
Chiều dài Culvert (Culvert Length)	Bản vẽ thiết kế đường
Dữ liệu AOP (AOP Data)	Dữ liệu AOP (AOP Data)
Vận tốc và độ sâu dòng chảy (Channel velocities and depths)	Đo đạc hoặc tính toán
Các đoạn nước sâu và ghềnh (Pools and riffles)	Quan sát, khảo sát, ảnh chụp
Khu vực cá có thể nghỉ ngơi (Potential fish resting areas)	Quan sát
Các bậc nước hiện có (Existing channel drops)	Quan sát, khảo sát, ảnh chụp
Cấu tạo nền đáy kênh (Channel substrate)	Lấy mẫu, quan sát
Dữ liệu văn hóa (Cultural Data)	Dữ liệu văn hóa (Cultural Data)
Di tích lịch sử (Historic sites)	Cơ quan Quản lý Bảo tồn Di sản Lịch sử Bang (SHPO) hoặc tổ chức lịch sử tiểu bang
Hiện vật khảo cổ (Artifacts)	Cơ quan Quản lý Bảo tồn Di sản Lịch sử Bang (SHPO) hoặc tổ chức lịch sử tiểu bang
Mực nước đầu cho phép (Allowable Headwater)	Dữ liệu từ bản vẽ thiết kế đường (Roadway Plans)
Điểm quan trọng trên đường, công trình xung quanh (Critical points on roadway, surrounding buildings or structures)	Ảnh chụp từ trên cao, khảo sát hoặc bản đồ địa hình
Ràng buộc theo quy định (Regulatory Constraints)	Quy định về vùng lũ cho phạm vi sông có liên quan
AOP	Cơ quan quản lý cá và động vật hoang dã cấp tiểu bang hoặc địa phương
Ràng buộc từ cơ quan quản lý (Agency Constraints)	Quy định tiểu bang hoặc địa phương về lắp đặt Culvert

2.3 Đánh giá hiện trường (Site assessments)

Bước đầu tiên quan trọng trong thiết kế culvert là phải hiểu một cách toàn diện về địa điểm và điều kiện nơi culvert sẽ được lắp đặt. Tính chất động của lưu vực và hệ thống sông ngòi cần được ghi nhận và tính đến khi thiết kế một kết cấu cứng như culvert.

Điều này bao gồm các vấn đề liên quan đến lưu vực như: lượng và loại rác, mảnh vỡ có thể xuất hiện (Mục 2.3.1); những thay đổi trong điều kiện dòng chảy (kích thước, hình dạng và vị trí) do quá trình xói mòn và bồi tích tự nhiên gây ra (Mục 2.3.2); và ảnh hưởng của địa chất và đất đến chất lượng nước, cũng như các yếu tố như ăn mòn và mài mòn đối với vật liệu culvert được chọn (Mục 2.3.4).

Những mối quan tâm khác bao gồm việc culvert có thể ảnh hưởng đến an toàn giao thông ven đường ra sao khi xe rời khỏi mặt đường, hoặc gây nguy hiểm cho trẻ em ở khu vực đô thị (Mục 2.3.3).

2.3.1 Đánh giá vật cản (Debris Assessment)

Tích tụ vật cản là một vấn đề lớn tại nhiều vị trí lắp đặt culvert. Dòng lũ thường mang theo cả vật cản nổi và chìm, có thể gây tắc nghẽn cửa vào culvert và/hoặc tích tụ bên trong thân culvert. Ở mức tối thiểu, sự tích tụ vật cản sẽ làm tăng chi phí bảo trì và trong trường hợp nghiêm trọng có thể dẫn đến ngập lụt thượng lưu, tràn nước và phá hoại nền đường. Việc xem xét đến hiện tượng tích tụ vật cản và nhu cầu bố trí các cấu kiện kiểm soát vật cản nên là một phần không thể thiếu trong mọi thiết kế culvert.

Cả biện pháp phi kết cấu và kết cấu đều đã được sử dụng để ngăn ngừa hoặc giảm sự tích tụ vật cản tại culvert. Biện pháp phi kết cấu chủ yếu liên quan đến công tác bảo trì, thực hiện định kỳ hàng năm hoặc khi có tình huống khẩn cấp, nhằm loại bỏ vật cản tích tụ tại cửa vào hoặc bên trong thân culvert. Các biện pháp kết cấu bao gồm các cấu kiện chắn vật cản ở thượng lưu culvert, chuyển hướng vật cản tại cửa vào, hoặc điều hướng vật cản để chúng có thể đi qua culvert dễ dàng hơn. Dù sử dụng phương án nào, cũng có thể cần bố trí một cửa thoát phụ — dưới dạng một ống xả đứng hoặc một cửa xả phụ nằm cao trên thân đắp.

Các cấu kiện culvert kiểm soát vật cản điển hình được trình bày trong Hình 2.6 đến 2.8. Việc lựa chọn biện pháp phù hợp phụ thuộc vào kích thước, số lượng và loại vật cản, cùng với chi phí và mức độ nguy hiểm tiềm ẩn đối với con người và tài sản. Tài liệu HEC-9 (FHWA 2005a) cung cấp thông tin chi tiết hơn.

2.3.2 Đánh giá ổn định dòng chảy (Stream Stability Assessment)

Đánh giá sự ổn định của dòng chảy là yếu tố then chốt đối với hiệu suất lâu dài của một culvert. Các hệ thống kênh tự nhiên rất năng động và luôn thay đổi. Tùy thuộc vào mức độ và bản chất của sự thay đổi đó, các culvert có thể gặp phải những vấn đề bất ngờ trong tương lai. Việc đánh giá ổn định dòng chảy có thể cung cấp hiểu biết và nhận diện sớm về các vấn đề tiềm ẩn.

Ví dụ, một dòng chảy đang bị xói lở mạnh có thể khiến culvert bị “treo” với các vấn đề xói lở nghiêm trọng tại cửa ra hoặc làm mất ổn định nền móng của culvert đáy hở nếu móng không được đặt đủ sâu. Một đoạn kênh có xu hướng bồi lắng có thể nhanh chóng làm đầy thân culvert bằng vật liệu lắng, hạn chế khả năng dẫn nước và làm phát sinh chi phí bảo trì liên tục. Mất ổn định theo phương ngang có thể làm thay đổi hướng dòng chảy vào thân culvert theo thời gian và gây xói lở, mất ổn định thân đắp.

Các dòng chảy có vận chuyển bùn cát mạnh, đặc biệt là đá dăm và sỏi cuội, có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu chế tạo culvert nhằm giảm thiểu hư hỏng do mài mòn tại đáy culvert.

Hình 2.6. Bộ hướng vật cản bằng thanh ray thép (nhìn về hạ lưu).

Hình 2.7. Giá chắn vật cản bằng thép trong khu vực đô thị.

Hình 2.8. Thanh chắn vật cản bằng bê tông với mép dẫn hướng dốc, mở rộng từ tường Culvert.

HEC-20 (FHWA 2012a) cung cấp thông tin chi tiết về việc đánh giá độ ổn định của dòng chảy. Tài liệu này tóm tắt phân loại kênh dòng chảy, các kỹ thuật khảo sát dòng chảy, và các phương pháp đánh giá nhanh độ ổn định của kênh. Các kỹ thuật định lượng để phân tích độ ổn định dòng chảy, bao gồm cả phân tích xói lở, cũng được trình bày, đồng thời giới thiệu các khái niệm về phục hồi dòng chảy.

Nếu dòng chảy không được xác định là ổn định trong suốt vòng đời của culvert, có thể cần áp dụng các biện pháp nhằm cải thiện độ ổn định dòng chảy như mô tả trong HEC-23 (FHWA 2009b). Tối thiểu, trước khi thiết kế bất kỳ culvert nào, người thiết kế nên xác nhận bằng quan sát trực quan rằng đoạn dòng chảy là ổn định cả theo phương đứng và phương ngang.

2.3.3 Đánh giá an toàn (Safety Assessment)

Các yếu tố an toàn chính trong thiết kế và xây dựng culvert bao gồm độ bền kết cấu và khả năng dẫn nước. Giả sử rằng các yếu tố chính này đã được xử lý phù hợp, thì cần chú ý đến các yếu tố an toàn bổ sung. Những yếu tố này bao gồm an toàn giao thông và an toàn cho trẻ em.

Sự an toàn đối với các phương tiện mất lái cần được đảm bảo thông qua vị trí và thiết kế phù hợp của cửa vào và cửa ra culvert. Rào chắn an toàn và lưới chắn có thể thay thế hoặc bổ sung cho biện pháp này. Các lưới chắn cũng góp phần ngăn trẻ em tò mò tiếp cận culvert. Để biết thêm thông tin chi tiết về an toàn ven đường, tham khảo Roadside Design Guide (AASHTO 2011), trong đó quy định như sau:

Culvert nhỏ (đường kính 30 inch (750 mm) trở xuống) có thể sử dụng đầu culvert có cấu tạo hoàn thiện hoặc lát dốc.
Culvert lớn hơn 30 inch (750 mm) nên áp dụng một trong các biện pháp sau: – Kéo dài đến khoảng cách vùng an toàn (clear zone) phù hợp. – Xử lý an toàn bằng lưới chắn nếu hậu quả của việc tắc nghẽn và gây nguy cơ ngập lụt tiềm ẩn thấp hơn nguy cơ phương tiện va chạm với đầu culvert không được bảo vệ. Nếu sử dụng lưới chắn, diện tích thông thủy của lưới (không tính phần thanh chắn) phải lớn gấp 1.5 đến 3.0 lần diện tích cửa vào culvert. – Bảo vệ bằng rào chắn giao thông nếu culvert có kích thước rất lớn, không thể kéo dài, có lòng suối không thể cho phương tiện vượt qua một cách an toàn, hoặc có nguy cơ ngập lụt nghiêm trọng nếu sử dụng lưới chắn.

a. Vị trí và thiết kế cửa vào, cửa ra – Inlet and Outlet Location and Design.
Phần đầu hở của culvert hoặc tường đầu culvert là một chướng ngại vật cứng đối với các phương tiện rời khỏi mặt đường. Cần có các biện pháp an toàn để bảo vệ người trên xe khỏi chấn thương hoặc tử vong. Một kỹ thuật thường dùng là bố trí đầu culvert nằm ngoài vùng phục hồi an toàn. Các tiêu chuẩn an toàn giao thông quy định khoảng cách từ mép mặt đường dựa trên giới hạn tốc độ. Culvert cũng nên kéo dài qua dải phân cách trừ khi có thể đảm bảo khoảng cách an toàn.

Khi đầu culvert không thể bố trí ngoài vùng phục hồi an toàn, việc thiết kế đầu vào và đầu ra phù hợp có thể giảm bớt mức độ nguy hiểm mà chúng gây ra. Các cửa vào và cửa ra có thể được vát nghiêng để phù hợp với độ dốc nền đường, làm giảm nguy cơ va chạm với phương tiện. Đối với culvert có tường đầu, vật liệu đắp nên được thu vào phía sau để hạn chế tầm nhìn thấy của đầu culvert (nên gắn biển đánh dấu tại các culvert bị che khuất để bảo vệ nhân viên bảo trì ven đường).

b. Rào/Lưới chắn an toàn – Safety Barriers and Grates.
An toàn giao thông bổ sung có thể đạt được thông qua việc lắp đặt các rào chắn và lưới chắn. Rào chắn an toàn nên được xem xét dưới dạng lan can đường đặt dọc theo tuyến đường gần culvert khi không thể đảm bảo khoảng cách phục hồi, hoặc khi độ dốc thân đắp quá lớn (Hình 2.9). Lưới chắn có thể đi qua được được bố trí phía trên cửa culvert sẽ giúp giảm lực va chạm của phương tiện và giảm khả năng bị lật xe (Hình 2.10).

Lưới chắn an toàn có thể gây tích tụ vật cản và làm giảm hiệu suất thủy lực. Cần phân tích kỹ lưỡng khả năng này trước khi chọn giải pháp lưới chắn. Các lưới chắn dạng thanh đặt thẳng đứng ngay tại cửa vào culvert là không chấp nhận được. Thực hành thiết kế tốt là đảm bảo khoảng hở giữa các thanh từ 1.5 đến 3.0 lần diện tích cửa vào culvert, tùy thuộc vào lượng và loại vật cản dự kiến (Hình 2.11). Nghiên cứu về tổn thất cột nước do lưới chắn thanh đã dẫn đến công thức của Davis (1952):

Hình 2.9. Bảo vệ bằng lan can (Guardrail protection).

Hình 2.10. Tường đầu cho lưới chắn an toàn (Endwall for safety grate).

Hình 2.11. Lưới chắn an toàn có thể đi qua với khoảng trống hợp lý giữa các thanh chắn (Traversable safety grate with proper open area between bars).

$$H_g = 1.5 \left( \frac{V_g^2 – V_u^2}{2g} \right) \tag{2.1}$$

Trong đó:

H_g = tổn thất cột nước do lưới chắn gây ra, ft (m)
V_g = vận tốc giữa các thanh chắn, ft/s (m/s)
V_u = vận tốc dòng chảy tiếp cận, ft/s (m/s)
g = gia tốc trọng trường, 32.2 ft/s² (9.81 m/s²)

Một công thức khác để tính tổn thất cột nước đối với các giàn chắn thanh dọc là (Metcalf and Eddy 1972, Mays et al. 1983):

$$H_g = K_g \left( \frac{W}{X} \right) \left( \frac{V_u^2}{2g} \right) \sin{\theta_g} \tag{2.2}$$

Trong đó:

K_g: hệ số hình dạng thanh chắn (không thứ nguyên), bằng:
- 2.42 = thanh hình chữ nhật cạnh sắc
- 1.83 = thanh chữ nhật với mặt đầu vào hình bán nguyệt
- 1.79 = thanh tròn
- 1.67 = thanh chữ nhật với cả hai đầu hình bán nguyệt
W = chiều rộng tiết diện lớn nhất của thanh chắn đối diện dòng chảy, ft (m)
X = khoảng cách thông thủy tối thiểu giữa các thanh, ft (m)
θ_g = góc nghiêng của lưới chắn so với phương ngang, độ

Cả hai công thức trên đều là công thức thực nghiệm và nên được sử dụng một cách thận trọng. Trong mọi trường hợp, các tổn thất cột nước nêu trên được tính cho lưới sạch, và cần cộng thêm phần tổn thất do tích tụ vật cản.

Culvert luôn thu hút sự chú ý và tò mò của trẻ em. Ở những khu vực đông dân cư, nơi có nguy cơ cao, cần ngăn chặn khả năng tiếp cận culvert. Lưới chắn an toàn có thể đóng vai trò này. Nếu vật cản là một vấn đề lớn, thì rào chắn xung quanh đầu culvert là một giải pháp thay thế phù hợp cho lưới chắn.

2.3.4 Độ bền của Culvert (Culvert Durability)

Độ bền của vật liệu culvert cũng quan trọng không kém so với thiết kế thủy lực và kết cấu phù hợp để đảm bảo lắp đặt culvert thành công. Ở hầu hết các vị trí, các loại vật liệu culvert thông dụng đều có độ bền cao. Tuy nhiên, có những điều kiện môi trường khắc nghiệt có thể làm suy giảm tất cả các loại vật liệu.

Hai vấn đề ảnh hưởng đến tuổi thọ của culvert do điều kiện môi trường bất lợi là mài mòn và ăn mòn (Hình 2.12). Cần đặc biệt quan tâm đến những vấn đề này ngay trong giai đoạn thiết kế. Việc kiểm tra hiện trường các culvert hiện có tại cùng dòng chảy hoặc dòng chảy tương tự sẽ cực kỳ hữu ích trong việc đánh giá các vấn đề tiềm ẩn.

Hai nguồn tài liệu có giá trị về kiểm tra và đánh giá culvert nhằm giải quyết các vấn đề mài mòn và ăn mòn là:

Culvert Assessment and Decision-making Procedures Manual (FHWA 2010b)
Chương 14, Culvert Inspection and Rehabilitation, AASHTO Highway Drainage Guidelines (AASHTO 2007)

Hiện nay, các nghiên cứu vẫn đang được tiến hành ở cả cấp liên bang và tiểu bang nhằm hiểu rõ hơn các vấn đề về độ bền, đặc biệt là liên quan đến sự đa dạng ngày càng tăng của vật liệu culvert và vật liệu lót đang có trên thị trường (ví dụ, nghiên cứu của Caltrans được báo cáo bởi DeCou và Davies 2007).

Hình 2.12a. Vấn đề mài mòn trong Culvert

Figure 2.12b. Corrosion issues in a culvert

Chi phí hàng năm của việc lắp đặt Culvert phụ thuộc rất nhiều vào tuổi thọ của nó. Khi các điều kiện khác không thay đổi, nên chọn vật liệu Culvert có độ bền cao nhất để giảm thiểu chi phí bảo trì hàng năm. Có thể áp dụng các biện pháp để kéo dài tuổi thọ của Culvert, chẳng hạn như lót bên trong thân Culvert bằng vật liệu bền hơn. Khi xem xét các biện pháp này, cần đưa chúng vào phân tích kinh tế, so sánh với các vật liệu Culvert khác hoặc các giải pháp thay thế, bao gồm việc thay thế định kỳ. Đối với các tuyến đường cấp hai có lưu lượng giao thông thấp, việc thay thế Culvert định kỳ dưới lớp đất đắp thấp có thể là một lựa chọn kinh tế.

Chi phí hàng năm của việc lắp đặt culvert phụ thuộc rất nhiều vào tuổi thọ sử dụng của nó. Trong điều kiện các yếu tố khác không đổi, vật liệu culvert bền nhất nên được lựa chọn nhằm giảm thiểu chi phí hàng năm. Có thể áp dụng các biện pháp để tăng tuổi thọ của culvert, chẳng hạn như lót đáy culvert bằng vật liệu bền hơn. Khi được xem xét, các biện pháp này nên được đưa vào phân tích kinh tế so sánh với các vật liệu culvert khác hoặc các phương án thay thế khác, bao gồm cả phương án thay thế định kỳ. Việc thay thế định kỳ các culvert nằm trong nền đường thấp có lưu lượng giao thông nhẹ trên các tuyến đường phụ có thể mang lại hiệu quả kinh tế.

a. Mài mòn – Abrasion.
Mài mòn (abrasion) được định nghĩa là sự bào mòn vật liệu culvert chủ yếu do chuyển động tự nhiên của vật liệu đáy (bedload) trong dòng chảy. Đặc tính của vật liệu đáy như tần suất, vận tốc và khối lượng cần được xem xét trong giai đoạn thiết kế. Sau đó, đánh giá khả năng chống mài mòn của các loại vật liệu culvert khác nhau sẽ được thực hiện. Hầu hết vật liệu đều bị mài mòn khi tiếp xúc với dòng chảy có vận tốc cao, mang theo đá trong một thời gian dài. Dữ liệu vận hành của các công trình gần đó có thể là chỉ báo đáng tin cậy nhất về tiềm năng mài mòn và độ bền vật liệu của culvert.

Khi dự đoán có vấn đề mài mòn, người thiết kế có một số phương án để lựa chọn. Các cấu kiện kiểm soát vật cản thường có thể phát huy hiệu quả, mặc dù cần bảo trì định kỳ. Một phương án khác là sử dụng lớp lót hoặc gia cố đáy bằng vật liệu kết cấu dư thừa. Lót bê tông hoặc nhựa bitum ở đáy culvert kim loại dạng sóng là phương pháp thường được áp dụng để giảm mài mòn. Culvert bê tông có thể cần lớp phủ bổ sung trên các thanh cốt thép hoặc dùng hỗn hợp bê tông cường độ cao. Việc sử dụng các tấm kim loại hoặc gỗ gắn ở đáy culvert vuông góc với dòng chảy sẽ giữ lại vật liệu đáy, nhờ đó bảo vệ đáy khỏi mài mòn. Culvert có tiết diện lớn hơn và được chôn lấp một phần cũng có thể đạt được mục đích tương tự.

b. Ăn mòn – Corrosion.
Không có vật liệu culvert nào tồn tại mà không bị suy giảm khi đặt trong môi trường ăn mòn nhất định. Thép mạ kẽm thường bị ăn mòn khi đặt trong đất hoặc nước có pH nằm ngoài khoảng 6 đến 10; nhôm bị ăn mòn nếu pH nằm ngoài khoảng 4 đến 9 (NRC 1964). Bùn sét và đất hữu cơ có điện trở suất thấp cũng đã được chứng minh là gây ăn mòn cho culvert kim loại. Bê tông bị ảnh hưởng tiêu cực bởi chu kỳ thấm ướt và khô luân phiên với nước biển, cũng như khi tiếp xúc với sulfat và một số muối magiê, và nước có tính axit với pH nhỏ hơn 5. Thép bị ăn mòn trong môi trường nước mặn. Nhìn chung, culvert kim loại bị ảnh hưởng bởi môi trường đất và nước có tính axit hoặc kiềm, cũng như bởi độ dẫn điện cao của đất. Culvert bê tông nhạy cảm với môi trường nước mặn và đất chứa sulfat và cacbonat.

Có thể áp dụng nhiều biện pháp để ngăn chặn sự giảm tuổi thọ của culvert trong những môi trường khắc nghiệt này. Các biện pháp này thường được phân loại là chọn vật liệu phù hợp với môi trường hoặc áp dụng lớp phủ bảo vệ. Ví dụ, nhôm tỏ ra chống ăn mòn tốt trong môi trường nước mặn. Các culvert thép mạ kẽm có lớp phủ sợi đã chứng minh hiệu quả trong môi trường nước lợ (TRB 1980). Culvert và lớp lót làm bằng đất sét nung, thép không gỉ, hoặc bê tông sợi bitum hóa hoạt động tốt trong môi trường có tính axit cao. Sự thay đổi trong cấp phối bê tông, chẳng hạn như tăng hàm lượng xi măng, giúp giảm sự suy giảm của culvert bê tông trong đất và nước kiềm. Hàm lượng phụ gia cao hơn (ví dụ, silica fume) cũng giúp tăng độ bền, cũng như việc sử dụng các phụ gia hóa học giảm nước. Bê tông thường hoạt động tốt hơn so với kim loại trong đất sét hoặc bùn hữu cơ. Ở các khu vực có tính axit nghiêm trọng, như các mỏ axit, các culvert bê tông dạng hộp thường được bảo vệ bằng lớp lót sợi thủy tinh.

Các lớp phủ polymer, bitum, hoặc lớp phủ sợi liên kết với culvert kim loại có thể cần được cân nhắc đặc biệt. Người thiết kế nên chắc chắn rằng lớp phủ thực sự giúp tăng tuổi thọ. Bong tróc là nguyên nhân chính gây hư hỏng và có thể xảy ra do tiếp xúc với ánh sáng mặt trời và mài mòn. Tổn thất trong quá trình đúc và đặt cũng cần được cân nhắc. Lớp phủ polymer giúp khắc phục một số hạn chế này. Chúng có khả năng chống ăn mòn tốt và khả năng chống mài mòn cao hơn, ít bị hư hỏng trong quá trình vận chuyển và xử lý, đồng thời có thể được sản xuất hàng loạt.