3 Thiết kế Thủy lực CULVERT

3.1 Dòng chảy trong Culvert

3.1.1 Tổng quan

Phân tích lý thuyết chính xác về dòng chảy trong Culvert là một vấn đề cực kỳ phức tạp do dòng chảy thường không đồng nhất, bao gồm các vùng có dòng chảy thay đổi chậm và dòng chảy thay đổi nhanh. Phân tích chính xác đòi hỏi phải tính toán ảnh hưởng nước ngược và nước rút (backwater và drawdown), cân bằng năng lượng và động lượng, cũng như áp dụng các kết quả từ các mô hình thủy lực. Thông thường, hiện tượng nhảy thủy lực (hydraulic jump) có thể hình thành bên trong hoặc phía hạ lưu Culvert. Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (U.S. Geological Survey – USGS) đã xác định 18 loại dòng chảy khác nhau trong Culvert, dựa trên: Mức độ ngập của cửa vào và cửa ra (inlet và outlet submergence); chế độ dòng chảy bên trong thân Culvert; độ sâu brink hạ lưu (downstream brink depth) (USGS 1968). Loại dòng chảy có thể thay đổi theo thời gian trong cùng một Culvert khi lưu lượng và mực nước hạ lưu (tailwater elevation) thay đổi.

Cục Quản lý Đường cao tốc Liên bang (FHWA) đã phát triển một phương pháp hệ thống để phân tích Culvert dựa trên các loại dòng chảy và vị trí tiết diện kiểm soát dòng chảy.

• Tiết diện kiểm soát là vị trí mà tại đó có mối quan hệ duy nhất giữa lưu lượng dòng chảy và mực nước thượng lưu.
• Dòng chảy trong Culvert có thể được kiểm soát bởi:
  • Hình dạng cửa vào
  • Tổ hợp giữa hình dạng cửa vào, đặc tính của barrel culvert và mực nước hạ lưu

Sự kiểm soát dòng chảy có thể dao động từ cửa vào đến cửa ra. Tuy nhiên, trong tài liệu này, áp dụng khái niệm “hiệu suất tối thiểu” (minimum performance), nghĩa là:

• Culvert có thể vận hành hiệu quả hơn vào một số thời điểm (cho lưu lượng cao hơn ở cùng một mức nước đầu vào – headwater level).
• Nhưng nó sẽ không bao giờ hoạt động kém hơn mức hiệu suất đã tính toán.

Phương pháp thiết kế Culvert trong tài liệu này dựa trên việc sử dụng các biểu đồ thiết kế.

• Các biểu đồ này được xây dựng từ các dữ liệu thực nghiệm từ nhiều thử nghiệm thủy lực và các tính toán lý thuyết.
• Trong mỗi bước của quá trình tính toán, có một số sai số được đưa vào. Ví dụ:
  • Dữ liệu thử nghiệm có sự phân tán (scatter).
  • Việc chọn phương trình thiết kế phù hợp nhất có thể liên quan đến một số giả định.
  • Mối quan hệ giữa phương trình thiết kế và biểu đồ không hoàn toàn chính xác.
  • Quá trình sao chép lại biểu đồ thiết kế có thể làm phát sinh sai số bổ sung.

Do đó, kết quả thu được từ các phương pháp tính toán nên được giả định có sai số khoảng ±10% về mực nước đầu vào (headwater elevation). Các thông tin bổ sung về độ chính xác của phương pháp thiết kế được trình bày trong Phụ lục A.

(nd: độ sâu brink)

Downstream brink depth (theo USGS, 1968) là một khái niệm trong thủy lực kênh hở, được dùng để mô tả độ sâu dòng chảy ngay tại mép cuối của một bậc nước, đập tràn, hoặc mỏm kênh nơi nước bị xả tự do. Đây là một thông số quan trọng khi thiết kế các kết cấu xả tràn, kênh dốc đứng, hoặc kết thúc kênh có dòng chảy tự do.

“Downstream brink depth” là độ sâu nước đo được ngay trước khi dòng chảy bắt đầu rơi — tức là ở vị trí ngay trước mép rơi (trước khi dòng chảy tách rời khỏi bề mặt kênh).

3.1.2. Các loại kiểm soát dòng chảy qua cống

Mô tả tổng quát về dòng chảy có đặc điểm kiểm soát tại cửa vào (inlet control) và kiểm soát tại cửa ra (outlet control) được trình bày dưới đây. Một cống hoạt động với kiểm soát tại cửa vào có dòng chảy nông và vận tốc cao, được phân loại là “siêu tới hạn” (supercritical) trong thân cống. Đối với dòng chảy siêu tới hạn, tiết diện kiểm soát nằm ở đầu thượng lưu của thân cống (cửa vào). Ngược lại, một cống hoạt động với kiểm soát tại cửa ra sẽ có dòng chảy tương đối sâu hơn, vận tốc thấp hơn, được gọi là dòng chảy “dưới tới hạn” (subcritical) hoặc có thể chảy đầy. Đối với dòng chảy dưới tới hạn, tiết diện kiểm soát nằm ở đầu hạ lưu của cống (cửa ra). Độ sâu của nước tại cửa ra của cống có thể là độ sâu tới hạn hoặc độ sâu của dòng chảy hạ lưu, tùy theo giá trị nào lớn hơn.

Bảng 1.1 trong Chương 1 cung cấp các yếu tố cần xem xét trong thiết kế cống liên quan đến từng trường hợp kiểm soát tại cửa vào và kiểm soát tại cửa ra. Trong kiểm soát tại cửa vào, chỉ có diện tích cửa vào, cấu hình cửa vào và hình dạng của nó ảnh hưởng đến hiệu suất của cống với một mức nước đầu (headwater) cho trước; độ cao mực nước đầu được tính dựa trên cao độ đáy cống tại cửa vào (inlet invert), độ cao mực nước tại cửa ra (tailwater elevation) không ảnh hưởng đến hiệu suất cống. Trong trường hợp kiểm soát tại cửa ra, tất cả các yếu tố được liệt kê trong Bảng 1.1 đều ảnh hưởng đến hiệu suất của cống; độ cao mực nước đầu trong kiểm soát tại cửa ra được tính dựa trên cao độ đáy cống tại cửa ra (outlet invert) và sự chênh lệch giữa mực nước đầu với mực nước đuôi tại cửa ra thể hiện bằng năng lượng truyền dòng chảy xuyên qua cống.

3.1.3 Trường hợp Kiểm soát tại cửa vào – Inlet control

Hình 3.1 minh họa các loại dòng chảy kiểm soát tại cửa vào. Loại dòng chảy theo phân loại của USGS phụ thuộc vào mức độ ngập của cửa vào và cửa ra của cống. Trong tất cả các hình này, mặt cắt kiểm soát nằm tại cửa vào của cống. Tùy thuộc vào mực nước tại cửa ra, có thể xảy ra hiện tượng nhảy thủy lực (hydraulic jump) ở sau cửa vào.

Hình 3.1A và 3.1C minh họa Loại dòng chảy 1 theo USGS, trong đó cửa vào không bị ngập. Dòng chảy đi qua độ sâu tới hạn ngay sau cửa vào của cống, và dòng chảy trong thân cống là siêu tới hạn. Trong Hình 3.1A, thân cống chảy không đầy trên toàn bộ chiều dài, và dòng chảy tiến gần đến độ sâu normal tại cửa ra. Trong Hình 3.1C, mặc dù cửa ra của cống bị ngập, điều này không đảm bảo đưa đến hiện tượng kiểm soát tại cửa ra. Trong trường hợp này, dòng chảy ngay sau cửa vào là siêu tới hạn, và hiện tượng nhảy thủy lực (hydraulic jump) hình thành bên trong thân cống.

Hình 3.1B và 3.1D minh họa Loại dòng chảy 5 theo USGS, trong đó cửa vào bị ngập. Trong Hình 3.1B, đầu vào của cống bị ngập trong khi đầu ra chảy tự do. Dòng chảy là siêu tới hạn và thân cống chảy không đầy trên toàn bộ chiều dài. Độ sâu tới hạn nằm ngay sau cửa vào của cống, và dòng chảy tiến gần đến độ sâu normal tại đầu ra của cống. Hình 3.1D mô tả một điều kiện bất thường, trong đó cả cửa vào và cửa ra của cống đều bị ngập nhưng vẫn không đảm bảo dòng chảy đầy. Trong trường hợp này, hiện tượng nhảy thủy lực sẽ hình thành bên trong thân cống. Áp suất dưới khí quyển có thể xuất hiện, tạo ra một điều kiện không ổn định, khiến dòng chảy trong thân cống luân phiên giữa trạng thái đầy hoàn toàn và không đầy.

Các yếu tố ảnh hưởng trong trường hợp kiểm soát tại cửa vào

Vì tiết diện kiểm soát nằm ở đầu thượng lưu, nên chỉ có headwater và các yếu tố liên quan đến cửa vào là có ảnh hưởng đến hiệu suất của cống (Bảng 1.1):

• Mực nước đầu vào (Headwater depth) được đo từ cao độ đáy cống tại mặt cắt kiểm soát cửa vào đến bề mặt nước thượng lưu cống tại khu vực tiếp cận cửa vào.
• Diện tích cửa vào (Inlet area) là diện tích mặt cắt ngang tại mặt trước của cống. Thông thường, diện tích mặt cắt cửa vào bằng với diện tích thân cống, nhưng đối với cửa vào có dạng thuôn (tapered inlets) (Mục 3.4), diện tích mặt trước được mở rộng, khi đó vị trí mặt cắt kiểm soát nằm tại phần hẹp nhất.
• Cấu hình cửa vào (Inlet configuration) mô tả loại hình dạng cửa vào. Một số cấu hình phổ biến của cửa vào bao gồm: Mép mỏng nhô ra, vát dốc (mitered), Mép vuông trong tường đầu (headwall), và mép vát tròn như minh họa trong Hình 3.2 và 3.3. Một dạng khác của cửa vào là cửa vào thuôn (tapered inlet), trong đó mặt trước được mở rộng, như được mô tả trong Mục 3.4.
• Hình dạng cửa vào (Inlet shape) thường giống với hình dạng của thân cống; tuy nhiên, nó có thể được mở rộng như trong trường hợp cửa vào dạng thuôn (tapered inlet). Các hình dạng phổ biến bao gồm hình chữ nhật, hình tròn và hình elip. Khi mặt trước của cửa vào có kích thước hoặc hình dạng khác với thân cống, có khả năng xuất hiện một mặt cắt kiểm soát bổ sung bên trong thân cống.
• Độ dốc thân cống (Barrel slope) ảnh hưởng đến hiệu suất kiểm soát tại cửa vào, nhưng tác động này là nhỏ. Các biểu đồ tra cứu cho kiểm soát tại cửa vào giả định độ dốc 2% cho hệ số hiệu chỉnh độ dốc (0.5S đối với hầu hết các loại cửa vào). Điều này dẫn đến việc giảm mực nước đầu xuống 0.01D. Trong phần mềm HY-8, độ dốc thực tế được sử dụng làm một biến số trong tính toán.

Cấu hình cửa vào là một yếu tố quan trọng trong hiệu suất của trường hợp kiểm soát tại cửa vào. Các cấu hình cửa vào điển hình được minh họa trong Hình 3.2:

• Hình 3.2A: Cửa vào nhô ra mép mỏng – Thin edge projecting, điển hình của ống kim loại.
• Hình 3.2B: Cửa vào vát theo mái – Mitered
• Hình 3.2C: Cửa vào tường đầu mép vuông – Square edge
• Hình 3.2D: Cửa vào nhô ra mép gờ – Groove edge orojecting, điển hình của khớp nối ống bê tông (còn gọi là socket end).

Một phương pháp để cải thiện hiệu suất trong trường hợp kiểm soát tại cửa vào là sử dụng các mép vát tại cửa vào của cống. Mép vát giúp giảm sự co hẹp của dòng chảy bằng cách làm tăng hiệu quả diện tích mặt trước của cống. Mặc dù bất kỳ loại mép vát nào cũng có thể cải thiện thủy lực, nhưng các bảng thiết kế có sẵn cho hai góc vát phổ biến là 45 độ và 33,7 độ, như được minh họa trong Hình 3.3.

Mép vát lớn hơn, với góc 33,7 độ (0.083 ft/ft (m/m) hoặc 1.0 in/ft so với chiều cao thân cống), yêu cầu một số điều chỉnh kết cấu nhưng cung cấp hiệu suất cửa vào tốt hơn một chút so với mép vát 45 độ. Mép vát nhỏ hơn, với góc 45 độ (0.042 ft/ft (m/m) hoặc 0.5 in/ft so với chiều cao thân cống), chỉ yêu cầu điều chỉnh kết cấu rất nhỏ đối với tường đầu của cống và giúp cải thiện hiệu suất của cả hai trường hợp kiểm soát tại cả cửa vào và cửa ra. Vì vậy, mép vát 45 độ được khuyến nghị sử dụng cho tất cả các cống có tường đầu, bất kể là trường hợp kiểm soát tại cửa vào hay kiểm soát tại cửa ra.

Vì đầu loe (bell end) hoặc đầu có gờ khớp (groove end) của ống bê tông mang lại hiệu suất tương đương với mép vát, nên không cần vát mép nếu vẫn giữ nguyên gờ khớp tại cửa vào. Các loại cửa vào khác, chẳng hạn như tường đầu được ốp đá hoặc cửa vào có độ cong bán kính nhất định, cũng có thể mang lại hiệu suất tương tự như mép vát.

Thủy lực của trường hợp kiểm soát tại cửa vào

Hiệu suất trong trường hợp kiểm soát tại cửa vào được xác định bởi ba vùng dòng chảy được thể hiện trong Hình 3.4: không ngập (unsubmerged), chuyển tiếp (transition) và ngập (submerged). Trong điều kiện mực nước đầu thấp, như thể hiện ở Hình 3.1A và Hình 3.1C, cửa vào của cống hoạt động như một đập tràn. Tiết diện đập tràn sẽ kiểm soát dòng chảy không ngập, nơi mà cao độ mặt nước thượng lưu có thể được dự đoán dựa trên lưu lượng dòng chảy. Mối quan hệ giữa lưu lượng và cao độ mặt nước cần được xác định thông qua các thử nghiệm mô hình về hình dạng đập tràn hoặc bằng cách đo đạc lưu lượng thực tế từ các mô hình mẫu. Những thử nghiệm hoặc phép đo này sau đó được sử dụng để xây dựng các phương trình cho dòng chảy không ngập trong trường hợp kiểm soát tại cửa vào. Phụ lục A chứa các phương trình được phát triển từ dữ liệu của Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (NBS) và các dữ liệu thử nghiệm mô hình khác.

Khi mực nước đầu vào (headwater) làm ngập cửa vào của cống, như minh họa trong Hình 3.1B và Hình 3.1D, cửa vào của cống hoạt động như một lỗ thoát (orifice). Lỗ thoát là một lỗ bị ngập ở phía thượng lưu và dòng chảy tự do ở phía hạ lưu của lỗ, đóng vai trò như một tiết diện kiểm soát. Mối quan hệ giữa lưu lượng và mực nước đầu vào có thể được xác định dựa trên kết quả từ các thử nghiệm mô hình. Phụ lục A chứa các phương trình mô tả dòng chảy bị ngập, được phát triển từ dữ liệu thử nghiệm của Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (NBS) và các mô hình thử nghiệm khác.

Vùng chuyển tiếp dòng chảy giữa mực nước đầu vào thấp (hoạt động dạng đập tràn – weir control) và mực nước đầu vào cao (hoạt động dạng lỗ thoát – orifice control) không được xác định rõ ràng. Vùng này được ước tính bằng cách vẽ đồ thị các phương trình dòng chảy không ngập và dòng chảy bị ngập, sau đó nối chúng bằng một đường tiếp tuyến với cả hai đường cong, như minh họa trong Hình 3.4.

Các đường cong quan hệ giữa dòng chảy kiểm soát tại cửa vào và mực nước đầu vào, được thiết lập theo quy trình trên, là cơ sở để xây dựng các biểu đồ thiết kế (nomograph) kiểm soát tại cửa vào và phát triển các phương trình sử dụng trong phần mềm. Các phương trình gốc trong phần mềm máy tính thường là phương trình đa thức bậc 5 (5th-order polynomial curve fitting), được phát triển để đạt độ chính xác tương đương với biểu đồ tra cứu (sai số ±10%) trong phạm vi mực nước đầu vào từ 0.5D đến 3.0D.

Các phương trình này vẫn đang được sử dụng trong phần mềm HY-8, nhưng đã được bổ sung thêm:

• Phương trình đập tràn (weir equation) cho khoảng 0.0D đến 0.5D
• Phương trình lỗ thoát (orifice equation) cho khoảng trên 3.0D.

Hạ thấp cửa vào

Hạ thấp cửa vào được thực hiện bằng cách xây dựng cửa vào của cống dưới đáy suối tự nhiên. Độ hạ thấp của cửa vào được xác định là khoảng cách từ đáy suối tự nhiên tại mặt cống đến cao độ đáy cống tại cửa vào (inlet invert).

Các phương trình inlet control hoặc biểu đồ tra cứu (nomograph) cung cấp độ sâu mực nước đầu vào (headwater-HW) phía trên cao độ đáy cống tại cửa vào cần thiết để truyền tải một lưu lượng xác định qua cửa vào cống. Mối quan hệ này luôn không đổi, bất kể cao độ của đáy cống tại cửa vào. Nếu cửa vào của cống được xây dựng thấp hơn đáy suối, có thể tạo ra áp lực cao hơn tại cửa vào với cùng một giá trị mực nước đầu vào.

Có hai phương pháp để xây dựng cửa hạ thấp ở đầu vào của cống, được minh họa trong Hình 3.5 và Hình 3.6:

• Hình 3.5: Mô tả việc sử dụng bệ tiếp cận (approach apron) với đất đắp được giữ lại bởi tường cánh (wingwalls). Việc lát bệ tiếp cận được khuyến nghị để tăng độ bền.
• Hình 3.6: Minh họa một hố lắng (sump) được xây dựng ở thượng lưu mặt cống. Thông thường, hố lắng được lát đá, nhưng đối với các hố nhỏ, một vùng đào không lát đá nhưng có lớp đá bảo vệ (riprap) để ngăn chặn xói hàm ếch (headcutting) cũng có thể đủ hiệu quả.

(nd: headcuting)

headcutting – xói hàm ếch hoặc headward erosion là quá trình xói mòn đất, đá ngược dòng, bắt đầu từ một điểm trũng thấp (thường là đáy mương, lòng suối hoặc cửa vào của công trình thủy) và lan dần về phía thượng lưu.

• Nó xảy ra khi nước chảy có năng lượng lớn, làm xói đáy tại một điểm yếu (ví dụ như miệng cống, máng tràn, hoặc chỗ thay đổi vật liệu).
• Dòng nước “ăn hàm ếch” vào đất đá ở phía thượng lưu, tạo thành bậc thang hoặc vách dốc, và tiếp tục mở rộng về phía nguồn.
• Nếu không được kiểm soát, xói ngược có thể gây hư hỏng công trình, làm sâu đáy dòng chảy, gãy sập nền móng, hoặc mất ổn định mái dốc.

Ở cửa vào một cống thoát nước, nếu không có gia cố đáy bằng vật liệu bền (như đá hộc/riprap), dòng nước có thể xói lõm nền đất và mở rộng dần ngược về phía thượng lưu → gây sụt lún, sập mái cống.

(nd: giá trị “T”)

Theo hướng dẫn số 3, bước 2, giá trị T_min= D/4

3.1.4 Trường hợp Kiểm soát tại cửa ra – Outlet control

Hình 3.7 minh họa các loại dòng chảy trong trường hợp kiểm soát tại cửa ra. Loại dòng chảy theo phân loại của USGS phụ thuộc vào mức độ ngập nước của cả cửa vào và cửa ra của cống. Trong mọi trường hợp, vị trí mặt cắt kiểm soát nằm ở cửa ra của cống hoặc xa hơn về phía hạ lưu. Đối với các trường hợp dòng chảy chưa đầy ống, dòng chảy trong thân cống là dòng dưới tới hạn (subcritical).

Hình 3.7A và 3.7C minh họa các loại dòng chảy 2 và 3 theo phân loại của USGS, trong đó cả cửa vào và cửa ra đều không bị ngập. Mực nước đầu thấp khiến đỉnh của cửa vào lộ ra khi dòng chảy thu hẹp vào trong cống. Phần thân cống chảy chưa đầy theo toàn bộ chiều dài và là dòng chảy dưới tới hạn. Đối với dòng chảy loại 2 (Hình 3.7A), dòng chảy đi qua độ sâu tới hạn tại cửa ra. Đối với dòng chảy loại 3 (Hình 3.7C), mực nước hạ lưu cao hơn độ sâu tới hạn, và nếu cao hơn đỉnh cống thì có thể gây ra dòng chảy đầy tại cửa ra.

Hình 3.7B minh họa các loại dòng chảy 6 và 7 theo phân loại của USGS. Cửa vào của cống bị ngập do mực nước đầu, trong khi cửa ra không bị ngập. Đối với dòng chảy loại 6, phần thân cống được giả định là chảy đầy trong phần lớn chiều dài (dòng chảy đầy). Đối với dòng chảy loại 7, phần thân cống chảy chưa đầy trên ít nhất một phần chiều dài (dòng chảy dưới tới hạn). Đối với cả hai loại dòng chảy 6 và 7, dòng chảy đều đi qua độ sâu tới hạn (critical depth) ngay trước cửa ra hoặc mực nước tại cửa ra (tailwater depth), nếu giá trị này cao hơn.

Hình 3.7D minh họa dòng chảy loại 4 theo phân loại của USGS, là dạng dòng chảy điển hình trong cống đầy hoàn toàn, trong đó cả cửa vào và cửa ra đều bị ngập. Thân cống chảy hoàn toàn dưới áp lực trên toàn bộ chiều dài. Trạng thái này thường được giả định trong các phép tính và được dùng để xây dựng các biểu đồ tra cứu. Dòng chảy loại 4 cũng có thể xảy ra khi cửa ra không bị ngập bởi nước hạ lưu. Đây là một trường hợp hiếm gặp. Nó đòi hỏi mực nước đầu cực kỳ cao để duy trì dòng chảy đầy hoàn toàn trong cống mà không có nước hạ lưu hoặc độ sâu tới hạn phải cao hơn chiều cao của cống.

Các yếu tố ảnh hưởng đến trường hợp kiểm soát tại cửa ra:

Vì dòng chảy được kiểm soát ở phía hạ lưu, nên mực nước đầu bị ảnh hưởng bởi tất cả các yếu tố trong Bảng 1.1. Các yếu tố tại cửa vào ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của cống trong trường hợp kiểm soát tại cửa vào cũng ảnh hưởng đến cống trong trường hợp kiểm soát tại cửa ra (xem Mục 3.1.3). Ngoài ra, các đặc điểm của thân cống (độ nhám, diện tích, hình dạng, chiều dài và độ dốc) cùng với cao độ nước hạ lưu cũng ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của cống trong trường hợp kiểm soát tại cửa ra:

• Độ nhám của thân cống (Barrel roughness) phụ thuộc vào vật liệu chế tạo thân cống. Các vật liệu điển hình bao gồm bê tông, kim loại dạng gân (corrugated) và nhựa. Độ nhám được biểu thị thông qua hệ số sức cản thủy lực, chẳng hạn như hệ số Manning’s n. Phần phụ lục B có trình bày thêm về nguồn gốc và cách xác định các giá trị n. Các giá trị Manning n điển hình dùng trong thiết kế cống là n = 0.012 cho cống thành nhẵn và n = 0.024 cho cống dạng gân (corrugated).
• Diện tích thân cống (Barrel area) phụ thuộc vào kích thước của cống. Diện tích thân cống lớn hơn sẽ cho phép lưu lượng nước lớn hơn đi qua.
• Hình dạng thân cống (Barrel shape) phụ thuộc vào loại và vật liệu của cống. Dựa trên vị trí của trọng tâm đối với một diện tích nhất định, dạng hộp là hình dạng hiệu quả nhất, tiếp theo là hình vòm, và sau cùng là hình tròn.
• Chiều dài thân cống (Barrel length) là tổng chiều dài cống tính từ cửa vào đến cửa ra. Do chiều cao thiết kế và độ dốc của cống ảnh hưởng đến chiều dài thực tế, việc ước tính chiều dài thân cống thường cần thiết để bắt đầu quá trình thiết kế.
• Độ dốc thân cống (Barrel slope) là độ dốc thực tế của thân cống. Độ dốc thân cống thường trùng với độ dốc tự nhiên của dòng chảy. Tuy nhiên, khi cửa vào của cống được nâng cao hoặc hạ thấp, độ dốc thân cống sẽ khác với độ dốc dòng chảy. Độ dốc không phải là yếu tố trong việc tính tổn thất dòng chảy cho các loại dòng USGS 4, 6 và 7; nhưng là yếu tố quan trọng khi tính toán cho các loại dòng USGS 2 và 3 khi cần xác định mặt cắt mực nước.
• Cao độ hạ lưu (Tailwater elevation) được xác định dựa trên cao độ mặt nước phía hạ lưu. Việc tính toán có thể dựa trên dòng chảy ngược từ điều kiện khống chế hạ lưu, ước lượng theo độ sâu normal, hoặc bằng quan trắc thực địa để xác định cao độ hạ lưu.

Thủy lực của kiểm soát tại cửa ra khi dòng chảy đầy trong thân cống

Dòng chảy đầy trong thân cống, như được mô tả trong Hình 3.7D, là loại dòng chảy tốt nhất để mô tả việc tính toán thủy lực kiểm soát đầu ra bằng tay. Điều kiện dòng chảy bị kiểm soát tại cửa ra có thể được tính toán dựa trên cân bằng năng lượng. Tổng năng lượng HLH_L cần thiết để dòng nước đi qua thân cống bao gồm tổn thất tại cửa vào H_e, tổn thất ma sát trong thân cống H_f, và tổn thất tại cửa ra H_o. Các tổn thất khác, bao gồm tổn thất tại đoạn cong H_b, tổn thất tại các chỗ giao nối H_j, và tổn thất tại các song chắn H_g, cũng nên được tính đến nếu thích hợp. Các tổn thất bổ sung này được trình bày trong Chương 5.

$$H_L = H_e + H_f + H_o + H_b + H_j + H_g \tag{3.1}$$

Vận tốc trong thân cống được tính như sau:

$$V = \frac{Q}{A} \tag{3.2}$$

Trong đó:
V = Vận tốc trung bình trong thân cống, ft/s (m/s)
Q = Lưu lượng dòng chảy, ft³/s (m³/s)
A = Diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy, ft² (m²)

Cột áp vận tốc (velocity head) được tính như sau:

$$H_V = \frac{V^2}{2g} \tag{3.3}$$

g là gia tốc trọng trường, 32.2 ft/s² (9.8 m/s²)

Tổn thất tại cửa vào là một hàm của velocity head trong thân cống, và có thể được biểu diễn dưới dạng một hệ số nhân với velocity head:

$$H_e = k_e \left( \frac{V^2}{2g} \right) \tag{3.4a}$$

Giá trị của k_e tùy theo các cấu hình cửa vào khác nhau được trình bày trong Bảng C.2, Phụ lục C.

Tổn thất ma sát trong thân cống cũng là một hàm của cột áp vận tốc (velocity head). Dựa trên phương trình Manning, tổn thất ma sát được tính như sau:

$$H_f = \left[ \frac{K_U \, n^2 \, L}{R^{1.33}} \right] \frac{V^2}{2g} \tag{3.4b}$$

trong đó:
K_U = 29 trong đơn vị Anh (19.63 trong đơn vị SI)
n = Hệ số nhám Manning cho cống có vật liệu đồng nhất trên toàn chu vi (với nhám tổng hợp n_c, xem phương trình 3.8)
L = Chiều dài thân cống, ft (m)
R = Bán kính thuỷ lực của thân cống đầy = A/p, ft (m)
A = Diện tích mặt cắt ngang thân cống, ft² (m²)
p = Chu vi mặt cắt của thân cống, ft (m)
V = Vận tốc trong thân cống, ft/s (m/s)

Tổn thất tại cửa ra là một hàm của sự thay đổi vận tốc tại đầu ra của thân cống. Với sự mở rộng đột ngột như ở tường chắn , tổn thất tại cửa ra được tính như sau:

$$H_o = 1.0 \left[ \frac{V^2}{2g} – \frac{V_d^2}{2g} \right] \tag{3.4c}$$

V_d là vận tốc trong kênh sau cống, ft/s (m/s)

Phương trình (3.4c) có thể ước tính quá mức tổn thất tại cửa ra, vì vậy có thể dùng hệ số nhỏ hơn 1.0 (theo FHWA 2006a) cho tổn thất chuyển tiếp (transition loss). Thông thường vận tốc sau cống được bỏ qua, trong trường hợp đó tổn thất tại cửa ra bằng với cột áp vận tốc (velocity head) trong thân cống, như phương trình (3.4d):

$$H_o = H_v = \frac{V^2}{2g} \tag{3.4d}$$

Phương trình 3.4d là tùy chọn mặc định trong phần mềm HY-8. Nếu người thiết kế chọn phương pháp của Đại học Bang Utah (Utah State University – USU, là tùy chọn thay thế trong HY-8), phương trình sau sẽ được sử dụng:

$$H_o = \frac{(V – V_d)^2}{2g} \tag{3.4e}$$

Phương trình này được xây dựng cho các ứng dụng như kênh tưới tiêu, nơi một lượng nhỏ năng lượng bị mất trong quá trình chuyển tiếp trở lại dòng kênh.

Tổn thất tại đoạn cong, chỗi giao nối, song chắn và các tổn thất khác được thảo luận trong Chương 5. Các tổn thất này được cộng vào tổng tổn thất bằng phương trình (3.1).

Khi đưa các biểu thức tổn thất tại cửa vào, tổn thất ma sát và tổn thất tại cửa ra (theo phương trình 3.4d) vào phương trình (3.1), ta có biểu thức tổng quát cho tổn thất trong thân cống (H):

$$H = \left[ 1 + k_e + \frac{K_U \, n^2 \, L}{R^{1.33}} \right] \frac{V^2}{2g} \tag{3.5}$$

Hình 3.8 mô tả đường năng lượng (energy grade line) và đường mực nước thủy lực (hydraulic grade line) cho dòng chảy đầy trong thân cống. Đường năng lượng biểu thị tổng năng lượng tại bất kỳ điểm nào dọc theo thân cống. HW₀ là chiều sâu từ đáy cửa vào đến đường năng lượng. Đường mực nước thủy lực là chiều sâu mà nước sẽ dâng lên trong các ống đứng được nối vào hai bên thân cống. Trong điều kiện dòng chảy đầy, đường năng lượng và đường mực nước thủy lực là hai đường thẳng song song, cách nhau bởi cột áp vận tốc (velocity head), ngoại trừ gần cửa vào nơi dòng chảy đi qua một đoạn thu hẹp.

Điều kiện mực nước đầu cống (headwater) và mực nước đuôi cống (tailwater) cũng như các tổn thất tại cửa vào, ma sát và cửa ra cũng được thể hiện trong Hình 3.8. Cân bằng tổng năng lượng tại mặt cắt 1 và 2, tức là phía thượng lưu và hạ lưu của thân cống trong Hình 3.8, ta thu được mối quan hệ sau:

$$HW_o + LS + \frac{V_u^2}{2g} = TW + \frac{V_d^2}{2g} + H_L \tag{3.6a}$$

Trong đó:
HW_o = Chiều sâu mực nước đầu cống so với đáy cửa vào (entrance invert) trong điều kiện kiểm soát đầu ra, ft (m)
V_u = Vận tốc tiếp cận (approach velocity), ft/s (m/s)
T_W = Chiều sâu mực nước đuôi cống so với đáy cửa ra, ft (m)
V_d = Vận tốc phía hạ lưu (downstream velocity), ft/s (m/s)
H_L = Tổng tổn thất bao gồm tổn thất tại cửa vào (H_e), tổn thất ma sát (H_f), tổn thất tại cửa ra (H_o) và các tổn thất khác (H_b,H_j), ft (m)
LS = Mức độ sụt do dốc qua cống (drop through the culvert), ft (m)

Trong hầu hết các trường hợp, vận tốc tiếp cận là nhỏ và cột áp vận tốc tiếp cận có thể được bỏ qua. Tuy nhiên, nó cũng có thể được xem là một phần của mực nước đầu cống sẵn có và được dùng để vận chuyển dòng chảy qua cống.

Tương tự, vận tốc phía hạ lưu của cống (V_d) thường cũng được bỏ qua. Khi cả vận tốc tiếp cận và vận tốc hạ lưu đều được bỏ qua, phương trình (3.6a) trở thành:

$$HW_o = TW + H_L – LS \tag{3.6b}$$

Trong trường hợp này, H_L là sự chênh lệch cao độ giữa mực nước tại cửa ra (cao độ mực nước đuôi cống) và mực nước tại cửa vào (cao độ mực nước đầu cống). Nếu muốn tính toán có xét đến vận tốc tiếp cận và/hoặc vận tốc phía hạ lưu, hãy sử dụng Phương trình 3.4c để tính tổn thất tại cửa ra và Phương trình 3.6a thay vì Phương trình 3.6b để tính mực nước đầu cống.

Thủy lực của kiểm soát tại cửa ra khi cửa ra không ngập

Các phương trình từ 3.1 đến 3.6 được xây dựng cho dòng chảy đầy trong thân cống (USGS loại dòng chảy số 4), như minh họa trong Hình 3.7D. Các phương trình này cũng áp dụng cho các loại dòng chảy USGS số 6 và 7 được minh họa trong Hình 3.7B, cũng là điều kiện dòng chảy đầy. Tuy nhiên, với điều kiện dòng chảy không đầy, như trong Hình 3.7A và 3.7C, có thể cần tính toán đường mực nước dâng ngược (backwater profile). Các phép tính này bắt đầu từ mặt nước ở cuối hạ lưu của cống và được tiến hành ngược dòng về đến cửa vào của cống (xem Mục 3.5). Mực nước hạ lưu được xác định dựa trên độ sâu tới hạn (critical depth) tại cửa ra của cống hoặc độ sâu mực nước hạ lưu, tùy theo giá trị nào cao hơn. Nếu đường mực nước dâng ngược cắt qua đỉnh thân cống (như trong Hình 3.7B), thì một đường thủy lực thẳng ứng với dòng chảy đầy sẽ kéo dài từ điểm đó về phía thượng lưu đến cửa vào của cống.

Từ Phương trình 3.4b, độ dốc ma sát tương ứng với dòng chảy đầy được tính như sau:

$$S_f = \frac{H_f}{L} = \frac{K_U \, n^2}{R^{1.33}} \cdot \frac{V^2}{2g} \tag{3.7}$$

(nd: backwater và backwater calculations)

1. Backwater là hiện tượng mực nước bị dâng lên ở thượng lưu so với mức bình thường do có tác động cản trở dòng chảy ở hạ lưu. Nói cách khác là nước thoát không kịp và bị dồn lại. Ví dụ, bạn đổ nước vào một cái ống nhưng đầu ra của ống bị chặn hay nước bên ngoài cao dẫn đến nước trong ống sẽ dâng lên và chảy chậm lại.

2. Nguyên nhân gây ra backwater
Đập, cống, van điều tiết làm chậm dòng chảy.
Mực nước ở sông lớn/hồ ở hạ lưu cao (ví dụ mùa lũ).
Địa hình bằng phẳng → dòng chảy yếu, dễ bị dồn nước.
Lũ dâng từ biển hoặc từ sông chính chảy vào nhánh.

3. Backwater calculations – Tính toán backwater
Là phương pháp tính mặt nước hoặc cao độ mặt nước khi biết điều kiện ở cuối dòng và các đặc điểm của lòng dẫn (kênh, cống, suối…).
Các bước cơ bản:Xác định điều kiện hạ lưu: cao độ mực nước, độ sâu normal hoặc điều kiện kiểm soát.
Chia đoạn dòng chảy bằng nhiều mặt cắt ngang. Áp dụng phương trình năng lượng Bernoulli hoặc Gradeline:
– So sánh năng lượng giữa các mặt cắt (bao gồm thế năng, động năng và tổn thất năng lượng).
– Dùng các công thức Manning hoặc Darcy-Weisbach để tính tổn thất ma sát.
Thường dùng phần mềm như:
HEC-RAS (miễn phí, rất mạnh), MIKE11, SWMM, FlowMaster, hoặc Excel với sơ đồ từng đoạn nếu đơn giản.

4. Tại sao phải tính backwater?
Nếu không tính, có thể đặt cống quá thấp hoặc quá nhỏ, gây ngập lụt phía thượng lưu.
Cần để xác định chính xác cao độ nước hạ lưu (tailwater elevation) → phục vụ thiết kế cống, đập, cầu, máng…
Tránh hiện tượng xói hàm ếch (headcutting) ở cửa ra nếu không biết mực nước phía sau thấp hay cao.
Phân tích lũ và tác động lan truyền ngược dòng.

5. Ví dụ thực tế đơn giản:
Bạn thiết kế một cống ngang đường có chiều dài 20 m. Hạ lưu của cống đổ ra một con mương. Mùa mưa, nước mương dâng cao → dòng trong cống bị dồn lại → cống bị “ngập đầu”, thoát nước không kịp → gây ngập mặt đường.
Nếu bạn dùng backwater calculations, bạn sẽ thấy rõ:
– Với cao độ tailwater đó, nước trong cống dâng cao bao nhiêu?
– Có cần nâng cao cốt đường hoặc tăng kích thước cống không?
– Cần có biện pháp chống xói hàm ếch ở cửa ra?Phần mềm chuyên dụng như HEC-RAS, FlowMaster, hoặc mô hình số thủy lực khác, có thể tích hợp giải tích hoặc phép tính số (numerical methods) để mô phỏng.
Tóm lại, backwater calculations là công cụ không thể thiếu trong thiết kế cống, cầu và các công trình thủy khác khi cần xét đến tác động ngược dòng từ hạ lưu, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả thủy lực.

Để tránh phải tính toán backwater, các phương pháp xấp xỉ đã được phát triển để phân tích điều kiện dòng chảy không đầy. Dựa trên nhiều phép tính backwater do nhóm nghiên cứu của FHWA thực hiện, người ta nhận thấy rằng phần kéo dài hạ lưu của đường thủy lực ứng với dòng chảy đầy, trong điều kiện như minh họa ở Hình 3.9B, sẽ cắt mặt phẳng của cửa ra cống tại một điểm nằm giữa độ sâu tới hạn (critical depth) và đỉnh thân cống. Do đó, có thể bắt đầu đường mực nước thủy lực tại cao độ bằng \((d_c + D)/2\) so với đáy cửa ra và kéo dài một đường thẳng biểu diễn đường thủy lực dòng chảy đầy từ đó ngược về đến cửa vào của cống với độ dốc S_f (Hình 3.9D). Nếu mực nước đuôi cống vượt quá \((d_c + D)/2\), thì mực nước đuôi sẽ được sử dụng để xác định điểm cuối của đường mực nước thủy lực dòng chảy đầy kéo dài. Các tổn thất tại cửa vào và cột áp vận tốc được cộng thêm vào cao độ của đường thủy lực tại cửa vào để tính ra mực nước đầu cống (headwater).

Phương pháp xấp xỉ này hoạt động tốt nhất khi dòng chảy đầy xảy ra ít nhất trên một phần chiều dài của thân cống (Hình 3.9B). Khi dòng chảy không đầy (Hình 3.9C), phương pháp này trở nên kém chính xác hơn vì mực nước đầu cống thấp hơn đỉnh thân cống tại cửa vào. Kết quả hợp lý vẫn có thể đạt được nếu mực nước đầu cống không nhỏ hơn 0.75D. Với các mực nước đầu thấp hơn, cần thực hiện tính toán backwater để có được cao độ mực nước đầu chính xác.

Các biểu đồ outlet control trong Phụ lục C cung cấp nghiệm cho Phương trình 3.5 để tính tổn thất tại cửa vào, tổn thất ma sát và tổn thất tại cửa ra trong điều kiện dòng chảy đầy. Khi sử dụng phương pháp xấp xỉ backwater, các tổn thất H lấy từ các biểu đồ có thể được áp dụng cho điều kiện dòng chảy đầy một phần như trong Hình 3.7 và 3.9. Các tổn thất này được cộng vào cao độ của đường thủy lực dòng chảy đầy kéo dài tại cửa ra cống để tính cao độ mực nước đầu. Cao độ đường thủy lực kéo dài được lấy là giá trị cao hơn giữa \((d_c + D)/2\) và cao độ mực nước đuôi cống tại cửa ra. Một lần nữa, phương pháp xấp xỉ này hoạt động tốt nhất khi dòng chảy đầy xảy ra ít nhất trên một phần chiều dài thân cống.

Độ nhám tổng hợp (Composite Roughness)

Cống thường được chế tạo từ các vật liệu khác nhau cho từng phần của chu vi ướt. Ví dụ bao gồm cống AOP với đáy không lót hoặc cống kim loại có gân với lớp lót ở đáy. Để xác định hệ số nhám Manning tổng hợp n_c trong các trường hợp này, thông lệ phổ biến là tính giá trị trung bình có trọng số của hệ số Manning n dựa trên hệ số nhám ước tính cho từng vật liệu và chiều dài chu vi ướt tương ứng với từng loại vật liệu.

Phương pháp này giả định hệ số Manning không đổi cho từng vật liệu (không thay đổi theo kích thước hoặc vận tốc dòng chảy). Phần dẫn nước được chia thành G phần, mỗi phần tương ứng với một đoạn chu vi ướt và một giá trị n. Mỗi phần này được giả định có vận tốc trung bình bằng vận tốc trung bình của toàn bộ dòng chảy.

Các giả định này dẫn đến Phương trình 3.8, đã được kiểm chứng bằng các mô hình vật lý để cho kết quả tương đối chính xác với nhiều trường hợp nhám khác nhau (NCHRP 2011):

$$n_c = \frac{\left[ \sum_{i=1}^{G} (p_i n_i^{1.5}) \right]^{0.67}}{p} \tag{3.8}$$

trong đó:
n_c = hệ số Manning tổng hợp hoặc có trọng số
G = số loại vật liệu nhám khác nhau trong chu vi
p₁ = chu vi ướt bị ảnh hưởng bởi vật liệu 1 (ft)
p₂ = chu vi bị ảnh hưởng bởi vật liệu 2, v.v.
n₁ = hệ số Manning của vật liệu 1, n2n_2 là của vật liệu 2, v.v.
p = tổng chu vi ướt, ft

Ví dụ tính độ nhám tổng hợp

Tính hệ số Manning’s n cho một ống kim loại gợn sóng có đường kính 6 ft, với gợn sóng vòng có kích thước 5 x 1 inch và lớp lót nhẵn chiếm 40% chu vi.

1. Xác định hệ số Manning’s n cho ống kim loại gợn sóng (corrugated metal pipe) có gợn sóng 5 x 1 inch.

n = 0.026 (Phụ lục B).

2. Xác định hệ số Manning’s n cho lớp lót nhẵn.

n = 0.013 (giả định là lớp lót bê tông).

3. Xác định các phần chu vi tương ứng với từng loại vật liệu.

Tổng chu vi phần ướt: p=πD=(3.14)(6)=18.84 ft

Chu vi phần ướt bị ảnh hưởng bởi vật liệu gợn sóng: p₁=(0.60)(18.84)=11.30 ft

Chu vi phần ướt bị ảnh hưởng bởi vật liệu nhẵn: p₂=(0.40)(18.84)=7.54 ft

Sử dụng Phương trình 3.8 để tính hệ số Manning’s n tổng hợp:

$$n_c\;=\;\left|\frac{(11.30)\;\left(0.026\right)^{1.5}\;+(7.54)\;{(0.013)}^{1.5}}{18.84}\right|^{0.67}=0.021$$

3.1.5 Nước tràn qua đường

Hiện tượng nước tràn qua mặt đường xảy ra khi mực nước đầu (headwater) dâng lên đến cao độ của mặt đường (Hình 3.10).

• Hiện tượng tràn thường xảy ra tại điểm thấp nhất của đường cong đứng lõm (sag vertical curve) trên mặt đường.
• Dòng chảy sẽ có đặc điểm tương tự như dòng chảy qua đập tràn đỉnh rộng (broad crested weir).

Hệ số dòng chảy đối với dòng tràn qua mặt đường đắp được nêu trong HDS 1, Hydraulics of Bridge Waterways (FHWA 1978), cũng như trong tài liệu mô tả các đường cong từ HY-7, Bridge Waterways Analysis Model (FHWA 1986a) và được thể hiện trong Hình 3.11:

• Hình 3.11A áp dụng cho dòng tràn sâu (deep overtopping)
• Hình 3.11B áp dụng cho dòng tràn nông (shallow overtopping)
• Hình 3.11C là hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng ngập hạ lưu. Hiện tượng ngập xảy ra khi mực nước đuôi bắt đầu lấn vào dòng tràn tự do từ đập tràn.

Phương trình 3.9 xác định lưu lượng dòng tràn qua mặt đường:

$$Q_o = C_d \, L \, HW_r^{1.5} \tag{3.9}$$

trong đó:
Q_o = Lưu lượng dòng tràn, ft³/s (m³/s)
C_d = Hệ số xả dòng tràn =k_tC_r, tra từ Hình 3.11
     [C_d(SI)=0.552 (C_d từ Hình 3.11)]
L = Chiều dài mép mặt đường, ft (m)
HW_r = Độ sâu thượng lưu, đo từ mép mặt đường đến mực nước phía thượng lưu tại vị trí bị hút xuống do dòng tràn qua đập (weir drawdown), ft (m)

Chiều dài và cao độ của mép mặt đường thường khó xác định khi đỉnh đường được tạo bởi đường cong lõm (sag vertical curve). Đường cong này có thể được chia nhỏ thành một chuỗi các đoạn ngang như minh họa trong Hình 3.12A. Sử dụng Phương trình 3.9, lưu lượng qua mỗi đoạn sẽ được tính cho một mực nước đầu cống đã cho. Sau đó, các lưu lượng gia tăng cho từng đoạn sẽ được cộng lại để xác định tổng lưu lượng tràn qua mặt đường.

Việc biểu diễn đường cong đứng lõm (sag vertical curve) bằng một đường ngang duy nhất (một đoạn thẳng) thường đủ chính xác cho thiết kế cống (Hình 3.12B). Với cách tiếp cận này:

• Chiều dài của đập tràn (L) có thể được biểu diễn bằng bề rộng phía trên của vùng tràn trong đường cong lõm.
• Độ sâu mực nước đầu (HWᵣ) được tính bằng độ sâu thủy lực (diện tích dòng chảy tràn trong vùng lõm chia cho bề rộng dòng chảy).
• Cao độ đỉnh đập tràn (weir crest elevation) được xác định từ điểm thấp nhất trong vùng lõm.

Việc tính lưu lượng tràn qua mặt đường cho một cao độ mặt nước thượng lưu cụ thể có thể được thực hiện đơn giản bằng Phương trình 3.9.

Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là:

• Tổng lưu lượng thiết kế phải bằng tổng lưu lượng qua cống cộng với lưu lượng tràn qua mặt đường.
• Cần phải thực hiện quá trình thử và sai (trial and error process) để xác định:
  • Lưu lượng tổng cộng chảy qua cống.
  • Lưu lượng chảy tràn qua mặt đường.
• Các đường cong hiệu suất (performance curves) có thể được chồng lên nhau giữa lưu lượng qua cống và lưu lượng tràn qua mặt đường để đưa ra giải pháp tổng thể, như sẽ được thảo luận sau trong chương này.

3.1.6 Vận tốc tại cửa ra (Outlet Velocity)

Vận tốc dòng chảy tại cửa ra của cống cần được tính toán để xác định sự cần thiết của biện pháp bảo vệ xói lở hoặc thiết bị tiêu năng tại cửa ra.

• Cống thường tạo ra vận tốc dòng chảy tại cửa ra cao hơn vận tốc dòng chảy tự nhiên của suối.
• Các vận tốc này có thể yêu cầu điều chỉnh dòng chảy hoặc tiêu hao năng lượng để ngăn chặn xói lở hạ lưu.

Tính toán vận tốc tại cửa ra trong điều kiện kiểm soát tại cửa vào (Inlet Control)

• Trong kiểm soát tại cửa vào (inlet control), có thể cần tính toán dòng chảy thay đổi dần (gradually varied flow) để xác định vận tốc tại cửa ra.
• Các tính toán này bắt đầu từ cửa vào cống, sau đó tiến dần về phía cửa ra.
• Vận tốc dòng chảy được xác định dựa trên lưu lượng dòng chảy và diện tích mặt cắt ngang tại cửa ra (Phương trình 3.2).

Phương pháp xấp xỉ để tránh tính toán backwater

• Có thể sử dụng phương pháp xấp xỉ để tránh việc phải tính toán dòng ngược khi xác định vận tốc tại cửa ra trong trường hợp kiểm soát tại cửa vào.
• Biên dạng mặt nước (water surface profile) sẽ dần hội tụ về độ sâu normal (normal depth) khi dòng chảy tiến dọc theo thân cống.
• Do đó, nếu cống có chiều dài đủ lớn, thì độ sâu normal sẽ xuất hiện tại cửa ra.
• Ngay cả khi cống ngắn, có thể giả định độ sâu normal để xác định diện tích mặt cắt dòng chảy tại cửa ra, từ đó tính vận tốc tại cửa ra (Hình 3.13).
• Vận tốc tính theo cách này có thể cao hơn một chút so với vận tốc thực tế tại cửa ra.

Tính toán độ sâu normal trong cống

• Độ sâu normal trong các mặt cắt cống thông dụng có thể được tính bằng phương pháp thử – sai (trial and error) sử dụng phương trình Manning.
• Các đầu vào cần thiết để tính toán độ sâu normal bao gồm:
  • Lưu lượng dòng chảy (flow rate).
  • Độ nhám của thân cống (barrel resistance).
  • Độ dốc (slope).
  • Hình học mặt cắt ngang (geometry).
• Có thể tính toán độ sâu normal bằng phần mềm như FHWA Hydraulic Toolbox.

(hd: normal depth online)

tính normal depth online tại đây

Tính toán vận tốc trong kiểm soát tại cửa ra (outlet control), diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy được xác định bởi hình dạng của cửa ra và một trong các yếu tố sau:

• Độ sâu tới hạn (critical depth).
• Độ sâu mực nước tại cửa ra (tailwater depth).
• Tĩnh cao của cống (height of the conduit) (Hình 3.14).

Xác định độ sâu cần sử dụng dựa trên độ sâu mực nước tại cửa ra

• Dùng độ sâu tới hạn khi mực nước tại cửa ra nhỏ hơn độ sâu tới hạn.
• Dùng độ sâu mực nước tại cửa ra khi mực nước tại cửa ra lớn hơn độ sâu tới hạn nhưng chưa vượt qua đỉnh thân cống.
• Dùng toàn bộ diện tích mặt cắt của thân cống khi mực nước tại cửa ra vượt quá đỉnh thân cống.

(nd: độ sâu để tính vận tốc tại cửa ra)

Tính vận tốc tại cửa ra bằng công thức V=Q/A, trong đó A là diện tích dòng chảy tại cửa ra phụ thuộc vào giá trị độ sâu dòng chảy. Độ sâu dòng chảy phân biệt theo 02 trạng thái:

– Trạng thái Inlet control: có thể tính gần đúng bằng normal depth tại cửa ra (vận tốc này có thể lớn hơn vận tốc thực tế nên an toàn hơn)

– Trạng thái Oulet control: độ sâu tính toán tùy thuộc vào 03 trường hợp như hình 3.14

3.2 Đường cong hiệu suất (Performance Curves)

Đường cong hiệu suất là biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng dòng chảy và độ sâu hoặc cao trình mực nước đầu vào (headwater) đối với một cấu trúc dẫn dòng nhất định, chẳng hạn như đập tràn (weir), lỗ thoát (orifice), hoặc cống (culvert). Đập tràn làm hẹp dòng chảy kênh hở để dòng nước đi qua tại độ sâu tới hạn. Lỗ thoát là một cấu trúc dẫn dòng, được ngập hoàn toàn ở phía thượng lưu và nước chảy qua cấu trúc này. Các đường cong hiệu suất và phương trình của hai loại cấu trúc dẫn dòng cơ bản này được trình bày trong Hình 3.15.

Đường cong hiệu suất và phương trình của hai loại cấu trúc cơ bản này được trình bày trong Hình 3.15.

Khi nước hạ lưu (tailwater) tồn tại, cấu trúc dẫn dòng có thể bị ngập, dẫn đến khả năng tồn tại nhiều hơn một mối quan hệ giữa lưu lượng và headwater. Khi đó, đường cong hiệu suất sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cả mực nước hạ lưu và thượng lưu. Trong trường hợp đập tràn hoặc lỗ thoát, cấu trúc được gọi lần lượt là đập tràn ngập nước hoặc lỗ thoát ngập nước. Đối với một số trường hợp, ảnh hưởng của việc ngập nước đã được phân tích và các hệ số hiệu chỉnh đã được xây dựng (FHWA 1978, FHWA 1986a, King và Brater 1976).

Đường cong hiệu suất của cống bao gồm một số tiết diện kiểm soát có thể có: cửa vào, cửa ra hoặc thân cống, và mặt đường. Một hệ thống cống cụ thể sẽ có một đường cong hiệu suất cho từng tiết diện kiểm soát và một đường cong cho trường hợp tràn mặt đường. Đường cong hiệu suất tổng thể của cống được tạo thành từ phần kiểm soát của các đường cong hiệu suất riêng lẻ tương ứng với từng tiết diện kiểm soát.

3.2.1 Kiểm soát tại cửa vào (Inlet Control)

Các đường cong hiệu suất kiểm soát tại cửa vào được xây dựng bằng cách sử dụng các phương trình kiểm soát tại cửa vào trong Phụ lục A hoặc các biểu đồ nomograph kiểm soát tại cửa vào trong Phụ lục C. Nếu sử dụng các phương trình trong Phụ lục A, mực nước đầu vào (headwater) tương ứng với cả hai trường hợp chưa ngập nước (đập tràn) và đã ngập nước (lỗ thoát) phải được tính toán cho một dải lưu lượng nằm xung quanh lưu lượng thiết kế. Các đường cong kết quả sẽ được nối bằng một đường tiếp tuyến với cả hai đường cong (gọi là vùng chuyển tiếp). Nếu sử dụng nomograph, mực nước đầu vào tương ứng với chuỗi lưu lượng sẽ được xác định và vẽ ra. Vùng chuyển tiếp đã được tích hợp sẵn trong các nomograph.

3.2.2 Kiểm soát tại cửa ra (Outlet Control)

Các đường cong hiệu suất kiểm soát tại cửa ra được xây dựng bằng cách sử dụng các phương trình từ 3.1 đến 3.6 trong chương này, các nomograph kiểm soát tại cửa ra trong Phụ lục C, hoặc bằng các phép tính dòng ngược (backwater calculations). Các lưu lượng nằm quanh lưu lượng thiết kế sẽ được chọn. Với các lưu lượng này, tổng tổn thất qua thân ống được tính toán hoặc tra từ các nomograph kiểm soát tại cửa ra. Các tổn thất này sau đó được cộng vào cao trình của đường thủy lực tại cửa ra của cống để xác định mực nước đầu vào (headwater).

Nếu phép tính dòng ngược được thực hiện bắt đầu từ đầu hạ lưu của cống, tổn thất ma sát sẽ được tính vào trong quá trình tính toán. Mực nước đầu vào tương ứng với mỗi lưu lượng được xác định bằng cách cộng tổn thất tại cửa vào vào đường năng lượng trong thân ống tại cửa vào.

3.2.3 Nước tràn qua mặt đường (Roadway Overtopping)

Một đường cong hiệu suất thể hiện cả dòng chảy qua cống và dòng chảy tràn qua mặt đường là một công cụ phân tích hữu ích. Thay vì sử dụng phương pháp thử và sai để xác định sự phân chia dòng chảy giữa phần nước tràn và phần nước chảy qua cống, có thể xây dựng một đường cong hiệu suất tổng thể. Đường cong hiệu suất này mô tả tổng lưu lượng nước chảy qua cống và lưu lượng tràn qua mặt đường.

Đường cong hiệu suất tổng thể có thể được xác định bằng cách thực hiện các bước sau:

1. Chọn một dải lưu lượng và xác định các cao trình mực nước đầu vào tương ứng chỉ đối với dòng chảy qua cống. Các lưu lượng này nên nằm trên và dưới lưu lượng thiết kế, và bao phủ toàn bộ phạm vi lưu lượng cần quan tâm. Cần tính toán cả mực nước đầu vào cho kiểm soát tại cửa vào và kiểm soát tại cửa ra.
2. Kết hợp các đường cong hiệu suất kiểm soát tại cửa vào và tại cửa ra để xác định một đường cong hiệu suất duy nhất cho cống.
3. Khi cao trình mực nước đầu vào của cống vượt quá cao trình đỉnh mặt đường, hiện tượng tràn mặt đường sẽ bắt đầu. Tính toán độ sâu tương đương của mực nước phía thượng lưu so với mặt đường (tức đỉnh của đập tràn) cho mỗi lưu lượng đã chọn. Sử dụng các độ sâu mực nước này và Phương trình 3.9 để tính lưu lượng tràn qua mặt đường.
4. Cộng lưu lượng qua cống và lưu lượng tràn mặt đường tại các cao trình mực nước đầu vào tương ứng để thu được đường cong hiệu suất tổng thể của cống.

Hình 3.16 minh họa một đường cong hiệu suất tổng thể của cống có xét đến lưu lượng tràn mặt đường. Đường cong hiệu suất này được sử dụng để dễ dàng xác định cao trình mực nước đầu vào tương ứng với bất kỳ lưu lượng nào, đồng thời giúp hình dung hiệu suất hoạt động của hệ thống cống trong phạm vi nhiều mức lưu lượng khác nhau. Khi hiện tượng tràn mặt đường bắt đầu, tốc độ tăng của mực nước đầu vào sẽ chững lại rõ rệt. Mực nước đầu vào sẽ chỉ tăng rất chậm sau điểm này. Các Hướng dẫn thiết kế trong Phụ lục D minh họa quá trình xây dựng đường cong hiệu suất tổng thể của cống.

3.3 Thiết kế cống sử dụng nomograph

Phương pháp thiết kế cống thủ công sử dụng nomograph mang lại một quy trình tiện lợi và có tổ chức để thiết kế cống cũng như để kiểm tra lại các kết quả từ phần mềm (Mục 3.5). Mặc dù có thể áp dụng phương pháp thiết kế thủ công mà không cần hiểu rõ về thủy lực cống, điều này không được khuyến khích. Kết quả có thể là một kết cấu không đầy đủ hoặc thậm chí không an toàn. Phần này cung cấp cái nhìn tổng quan về thiết kế cống bằng nomograph. Quy trình thiết kế từng bước được trình bày trong Hướng dẫn Thiết kế số 1 ở phần Phụ lục.

3.3.1 Biểu mẫu thiết kế cống (Culvert Design Form)

Mẫu thiết kế cống, được trình bày trong Hình 3.17, được xây dựng nhằm hướng dẫn người dùng trong suốt quá trình thiết kế. Các ô tóm tắt được bố trí ở phần trên của mẫu để ghi mô tả dự án và thông tin của người thiết kế. Tóm tắt dữ liệu thủy văn cũng được bao gồm trong mẫu. Ở góc trên bên phải là một bản vẽ nhỏ về cống với các khoảng trống để điền các kích thước và cao trình quan trọng.

Phần trung tâm của mẫu thiết kế chứa các dòng để điền mô tả thử nghiệm về cống và để tính toán cao trình mực nước đầu vào theo kiểm soát tại cửa vào và cửa ra. Phần dưới trung tâm có chỗ để ghi chú, còn góc dưới bên phải dùng để mô tả chi tiết phần thân cống được chọn. Mẫu này cung cấp tài liệu đầy đủ cho các thiết kế cống đường giao thông trong trường hợp đánh giá hiện trường (Mục 2.3) không phát hiện điều kiện bất thường nào.

Bước đầu tiên trong quá trình thiết kế là tóm tắt dữ liệu thủy văn (Mục 2.1) và dữ liệu hiện trường (Mục 2.2) cho cống vào phần đầu của Biểu mẫu thiết kế cống. Thông tin này cần được thu thập hoặc tính toán trước khi bắt đầu thiết kế cống thực tế. Bước tiếp theo là chọn sơ bộ vật liệu, hình dạng, kích thước và loại miệng vào của cống. Sau đó, người dùng nhập lưu lượng thiết kế và tiến hành tính toán theo kiểm soát tại cửa vào.

3.3.2 Kiểm soát tại cửa vào (Inlet Control)

Các phép tính kiểm soát tại cửa vào được sử dụng để xác định cao trình mực nước đầu vào cần thiết nhằm truyền được lưu lượng thiết kế qua cấu hình cống đã chọn trong điều kiện kiểm soát tại cửa vào. Đối với phương pháp thủ công, năng lượng do vận tốc dòng chảy đầu vào tạo ra (velocity head) được giả định bằng không. Nếu cần tính đến vận tốc đầu vào (chẳng hạn như trong thiết kế công trình tưới tiêu hoặc thiết kế AOP), nên sử dụng phần mềm (xem Mục 3.5).

Các nomograph kiểm soát tại cửa vào trong Phụ lục C được sử dụng để xác định độ sâu mực nước đầu vào thiết kế dưới điều kiện kiểm soát tại cửa vào (HWi). Nếu HWi lớn hơn mực nước đầu vào cho phép (HWa), thì cần đánh giá các cấu hình cống khác hoặc xem xét việc hạ thấp cửa vào (inlet depression).

Hạ thấp cửa vào nghĩa là hạ thấp cao trình đáy cống tại cửa vào xuống dưới đáy suối, trong khi vẫn giữ nguyên cao trình đáy cống tại cửa ra. Về bản chất, điều này tương đương với việc xoay nghiêng cống quanh điểm cửa ra. Mặc dù cách làm này có thể giúp một cấu hình cống nhất định đáp ứng được mực nước đầu vào cho phép, việc xoay nghiêng như vậy có thể làm tăng khả năng lắng đọng bùn cát bên trong cống và tại vùng trũng ở cửa vào. Quan trọng hơn, nếu xoay quá nhiều, cấu trúc cống có thể chuyển từ kiểm soát tại cửa vào sang kiểm soát tại cửa ra.

Để tính độ hạ thấp yêu cầu tại cửa vào hoặc mặt cửa (F_D) của đoạn kiểm soát tại cửa vào so với đáy suối, có thể sử dụng quy trình sau:

$$HW_a = EL_a – EL_{sf} \tag{3.10}$$

$$F_D = HW_i – HW_a \tag{3.11}$$

trong đó:
HW_a = Độ sâu mực nước đầu cống cho phép, ft (m)
EL_a = Cao độ mực nước đầu cống cho phép, ft (m)
EL_sf = Cao độ đáy suối tại mặt cắt, ft (m)
HW_i = Độ sâu mực nước đầu cống yêu cầu, ft (m)

Các kết quả và hậu quả có thể xảy ra từ phép tính này gồm:

1. Nếu F_D là số âm hoặc bằng 0, đặt F_D=0.
2. Nếu F_D dương, thì đáy cửa vào nên được đặt thấp hơn đáy suối tại mặt cắt một đoạn bằng đúng F_D, giả sử rằng điều kiện kiểm soát tại cửa vào (inlet control) được duy trì. Nếu F_D không chấp nhận được (ví dụ: hố thu quá sâu), hãy chọn cấu hình cống khác và thực hiện lại quá trình tính toán.

Nếu mực nước đầu cống được kiểm soát bởi inlet control, hãy xác định độ sâu và vận tốc dòng chảy normal trong thân cống. Vận tốc tại độ sâu normal được giả định là vận tốc tại cửa ra.

3.3.3 Kiểm soát tại cửa ra (Outlet Control)

Các phép tính kiểm soát tại cửa ra sẽ cho ra cao trình mực nước đầu vào cần thiết để truyền được lưu lượng thiết kế qua cấu hình cống đã chọn trong điều kiện kiểm soát tại cửa ra, giả định rằng thân cống chảy đầy (USGS loại dòng chảy số 4). Vận tốc dòng chảy tại đầu vào và hạ lưu được giả định bằng 0 đối với phương pháp thủ công. Nếu cần tính đến các vận tốc này (như trong thiết kế công trình tưới tiêu hoặc thiết kế AOP), thì nên sử dụng phần mềm (xem Mục 3.5). Các biểu đồ độ sâu tới hạn và nomograph oultet control trong Phụ lục C được sử dụng trong quá trình thiết kế. Phương pháp thủ công đưa ra các giả định sau:

• Mực nước hạ lưu – Độ sâu mực nước hạ lưu tính từ đáy cống tại cửa ra (TW) tại lưu lượng thiết kế được xác định từ phép tính độ sâu normal hoặc từ quan sát thực địa.
• Độ sâu tới hạn – Các biểu đồ trong Phụ lục C được dùng để tra độ sâu tới hạn (d_c). Độ sâu tới hạn không được vượt quá đường kính cống (D).
• Đường thủy lực xấp xỉ – h_o = (d_c + D)/2 chỉ được sử dụng khi thân cống chảy đầy trong phần lớn chiều dài của nó. Không được sử dụng nếu cửa vào chưa ngập.
• Hệ số tổn thất tại cửa vào (k_e) – Bảng C.2, Phụ lục C cung cấp các giá trị được sử dụng trong các nomograph. Nếu cần giá trị khác, sử dụng Phương trình 3.5.
• Tổn thất qua thân cống (H) – Sử dụng Phương trình 3.5 nếu nằm ngoài phạm vi của biểu đồ nomograph.

Nếu kiểm soát tại cửa ra là yếu tố chi phối và độ sâu mực nước đầu vào (tham chiếu tại đáy cửa vào) nhỏ hơn 1.2D, có thể thân cống sẽ không chảy đầy trong toàn bộ chiều dài. Trong trường hợp này, nên sử dụng phương pháp xấp xỉ để xác định cao trình dòng chảy hạ lưu dựa trên mực nước hạ lưu hoặc (d_c + D)/2. Nếu cần cao trình chính xác hơn, cần thực hiện phép tính backwater (Mục 3.5) để kiểm tra kết quả từ phương pháp xấp xỉ. Nếu mực nước đầu vào nhỏ hơn 0.75D, thì phương pháp xấp xỉ không nên được sử dụng.

Nếu mực nước đầu vào bị chi phối bởi kiểm soát tại cửa ra, hãy xác định diện tích dòng chảy tại cửa ra dựa trên hình dạng tiết diện thân cống và các điều kiện sau:

• Độ sâu tới hạn nếu mực nước hạ lưu thấp hơn độ sâu tới hạn
• Độ sâu mực nước hạ lưu nếu mực nước hạ lưu nằm giữa độ sâu tới hạn và đỉnh của thân cống
• Chiều cao của thân cống nếu mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh của thân cống

3.3.4 Cống không dốc hoặc dốc nghịch (Culverts with Horizontal or Adverse Slopes)

Các quy trình inlet control và outlet control đã trình bày trước đó được xây dựng với giả định rằng cống có một độ dốc dương nhất định. Tuy nhiên, chúng vẫn có thể được áp dụng hợp lý cho các cống không có độ dốc hoặc có độ dốc nghịch. Cống không dốc được sử dụng khi dòng chảy có thể diễn ra theo cả hai chiều. Cống dốc nghịch có thể xảy ra khi đáy cửa vào thấp hơn cửa ra. Theo nguyên tắc kinh nghiệm, không nên áp dụng các điều chỉnh này nếu cao trình cửa ra cao hơn cao trình cửa vào quá D/2.

Lời giải nomograph inlet control HW/D bao gồm một hệ số hiệu chỉnh độ dốc nhỏ là -0.5S, được trừ đi để tính đến trường hợp tiết diện kiểm soát nằm bên trong thân cống và thấp nhẹ so với đáy cửa vào. Đối với cống có cửa vào kiểu mitered (mái nghiêng), một hệ số hiệu chỉnh là +0.7S được sử dụng để tính đến trường hợp tiết diện kiểm soát nằm ngoài thân cống và cao hơn nhẹ. Với các nomograph, giả định độ dốc 2% được sử dụng cho các hiệu chỉnh này. Kết quả HW/D từ nomograph có thể được điều chỉnh như sau:

• Cửa vào không phải loại mitered – Với cống không dốc, cộng thêm 0.01 vào giá trị HW/D lấy từ nomograph. Với cống dốc nghịch, cộng thêm 0.01 vào HW/D và cộng thêm (0.5*S), trong đó S là độ dốc nghịch theo đơn vị ft/ft (ví dụ, độ dốc 3% là 0.03 ft/ft và 0.5*S là 0.5*0.03=0.015).
• Cửa vào kiểu mitered – Với cống không dốc, trừ đi 0.014 khỏi giá trị HW/D lấy từ nomograph. Với cống có độ dốc nghịch, trừ đi 0.014 khỏi HW/D và trừ thêm (0.7*S), trong đó S là độ dốc nghịch theo đơn vị ft/ft (ví dụ, độ dốc 3% là 0.03 ft/ft và 0.7S là 0.7*0.03=0.021).

Nomograph outlet control cho tổn thất qua thân cống (H) đối với loại dòng chảy USGS 4 và 6 có thể được sử dụng mà không cần hiệu chỉnh đối với cả độ dốc nghịch và không dốc. Mực nước đầu vào theo kiểm soát tại cửa ra (HW_o) – tức là độ sâu phía trên đáy cống tại cửa ra – vẫn được tính bằng TW + H_L.

3.3.5 Đánh giá kết quả (Evaluation of Results)

Với phương án đầu tiên được chọn, so sánh mực nước đầu vào (HW) được tính theo inlet control và outlet control. Giá trị nào lớn hơn sẽ được xem là mực HW chi phối. Cống có thể được kỳ vọng sẽ vận hành ở mức mực nước đầu vào cao hơn này trong ít nhất một phần thời gian.

Lặp lại quy trình thiết kế cho đến khi xác định được một cấu hình cống chấp nhận được. Một cấu hình cống được coi là chấp nhận được về mặt thủy lực là khi HW thiết kế nhỏ hơn HW cho phép, và vận tốc tại cửa ra không quá lớn. Khi đã chọn được thân cống, nó cần được bố trí phù hợp với mặt cắt ngang của đường. Thân cống phải có lớp đắp phủ đầy đủ, chiều dài cần gần với chiều dài xấp xỉ, và tường đầu (headwalls) cũng như tường cánh (wingwalls) phải được bố trí kích thước hợp lý.

Nếu cống được chọn không phù hợp với thực địa, hãy quay lại quy trình thiết kế cống và chọn một phương án khác. Nếu xem xét cấu hình cống nhiều khoang (multiple barrel), trong tính toán thủ công, lưu lượng thiết kế thường được chia đều giữa các ống. Tuy nhiên, nếu các ống khác nhau về kích thước, kiểu dáng, hoặc đặt tại các cao trình khác nhau, thì cần sử dụng phần mềm (xem Mục 3.5), bởi vì giả định phân bố đều lưu lượng giữa các ống sẽ không còn đúng. Khi đã xác định được một cấu hình cống phù hợp, thiết kế được chọn cần được ghi chép lại và kèm theo một đường cong hiệu suất thể hiện hành vi hoạt động của cống theo dải lưu lượng khác nhau.

Một sơ đồ khối minh họa các bước chính để xác định một phương án cống chấp nhận được dựa trên các yếu tố thủy lực được trình bày trong Hình 3.18. Các biến thiết kế khác như AOP cũng có thể liên quan. Nếu cần nghiên cứu các phương án thiết kế thay thế sau đây, hãy tham khảo các hướng dẫn được trích dẫn:

• Cửa vào thuôn (Tapered inlets) – Mục 3.4
• AOP ( đường thủy sinh)– Chương 4
• Cống có cột nước đầu thấp (Low Head Installations) – Mục 5.2.2
• Ống siphon – Mục 5.2.5
• Cống gãy lưng (Broken-Back Culverts) – Mục 5.6
• Điều tiết do tích nước (Storage routing) – Mục 5.7

Nên tham khảo phần Ứng dụng đặc biệt (Mục 5.2) để xem xét ảnh hưởng đến thủy lực cống của các yếu tố như điều tiết và đo lưu lượng, chỗ nối, đoạn cong, vách ngăn, thoát nước dải phân cách và hố ga thu nước.

3.3.6 Các bài toán ví dụ (Example Problems)

Hướng dẫn thiết kế cho các bài toán ví dụ sau được trình bày trong phần Phụ lục. Các hướng dẫn này minh họa cách sử dụng các phương pháp thiết kế và biểu đồ đối với các cấu hình cống và điều kiện thủy lực sau:

• Hướng dẫn thiết kế số 1a: Ống kim loại gợn sóng (CMP) với gân tiêu chuẩn 2-2/3 x 1/2 in (68 x 13 cm), có mép vát, và ống bê tông cốt thép với đầu rãnh (không có hạ thấp cửa vào).
• Hướng dẫn thiết kế số 1b: Cống hộp bê tông cốt thép đúc tại chỗ với mép cửa vuông, và phương án thay thế với mép cửa vát, cả hai đều không có hạ thấp cửa vào.
• Hướng dẫn thiết kế số 1c: Cống dạng ống elip với đầu loe và có hạ thấp cửa vào.
• Hướng dẫn thiết kế số 1d: Phân tích một cống hộp bê tông cốt thép hiện hữu có mép cửa vuông.

3.4 Thiết kế cửa vào dạng thuôn sử dụng nomograph

3.4.1 Giới thiệu

Cửa vào thuôn (tapered inlet) là kiểu miệng cống loe ra, gồm phần vào rộng và phần họng hẹp tạo nên điều kiện thủy lực hiệu quả (xem Mục 1.3.3). Cửa vào cống thuôn có thể cải thiện đáng kể hiệu suất thủy lực của cống trong trạng thái inlet control. Như đã đề cập ở Mục 1.3.3, chi phí bổ sung cho việc sử dụng cửa vào cống dạng thuôn cần được cân nhắc so với phần chi phí tiết kiệm ở thân cống, và có thể không phù hợp trong một số trường hợp như thiết kế AOP. Tuy nhiên, khi có thể áp dụng, cửa vào dạng thuôn có thể mang lại cải thiện đáng kể về hiệu suất thủy lực.

Cửa vào dạng thuôn cải thiện hiệu suất cống chủ yếu bằng cách giảm hiện tượng co dòng tại vị trí tiết diện điều tiết nằm ở họng của nó. Ngoài ra, một số cấu hình cửa vào thuôn còn làm hạ thấp vị trí điều tiết so với đáy suối. Việc hạ thấp này có thể ở mặt ngoài hoặc ngay tại họng, nhằm tạo thêm cột nước tại họng ứng với một cao trình mực nước đầu vào (HW) nhất định. Miệng vào của bất kỳ cống nào hoạt động ở trạng thái inlet control đều có thể được hạ thấp để đạt hiệu suất cao hơn, bất kể cấu hình ban đầu ra sao. Tuy nhiên, thường người ta sẽ cải thiện bằng vát mép cửa trước, sau đó mới áp dụng hạ thấp miệng. Nếu chọn sử dụng cửa vào dạng thuôn, hiệu suất thủy lực sẽ cao hơn so với cửa có mép vát trong trạng thái inlet control.

Trong trạng thái outlet control, hiệu suất của cửa vào cống dạng thuôn về cơ bản tương đương với cửa vào cống có mép cửa vát. Hệ số tổn thất tại cửa vào (k_e) là 0.2 được sử dụng cho cả hai loại. Cửa vào dạng thuôn không được khuyến nghị sử dụng cho các cống hoạt động trong trạng thái outlet control vì mép cửa vát đơn giản đã mang lại hiệu quả tương đương.

Tiêu chí và phương pháp thiết kế đã được phát triển cho hai kiểu cửa vào dạng thuôn cơ bản: kiểu thuôn bên (side-tapered) và kiểu thuôn dốc (slope-tapered). Các monograph thiết kế cho hai kiểu này hiện có cho cống hộp chữ nhật và cống ống tròn. Nguyên lý thiết kế cũng có thể áp dụng cho các dạng hình học thân cống khác, tuy nhiên hiện tại chưa có biểu đồ thiết kế cho các hình dạng khác. Kiểu thuôn bên có thể lắp đặt có hoặc không có phần hạ thấp trước face section. Kiểu thuôn dốc có thể được thiết kế với mặt thẳng đứng (minh họa trong chương này) hoặc với mặt nghiêng theo mái đắp (trình bày trong HEC-13).

Các cấu hình cửa vào được trình bày trong tài liệu này dựa trên các nghiên cứu được thực hiện bởi Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (NBS) dưới sự tài trợ của Cục Đường bộ Công cộng (NBS 1961, 1966b, 1967). Nhiều cấu hình cải tiến đã được thử nghiệm; tuy nhiên chỉ có các cấu hình đáp ứng tốt nhất tiêu chí hiệu quả thủy lực, tiết kiệm vật liệu, dễ thi công và ít phải bảo trì được lựa chọn. Ví dụ, trong khi sử dụng các bề mặt cong có thể giúp nâng cao hiệu suất thủy lực, nhưng lợi ích này thường không đáng kể so với chi phí xây dựng tăng thêm. Vì vậy, chỉ có một số ít cấu hình được chọn để trình bày trong tài liệu này.

3.4.2 Cửa vào thuôn bên (Side-Tapered Inlet)

Cửa vào thuôn bên có face section rộng và chuyển tiếp vào thân cống bằng cách thu dần hai vách bên (xem Hình 3.19). Face section này có chiều cao xấp xỉ bằng chiều cao thân cống và đáy là phần kéo dài của đáy thân cống. Mái của cửa vào có thể hơi dốc lên phía trên, miễn là chiều cao (E) không vượt quá chiều cao thân cống quá 10% (1.1D) đối với cống tròn. Đối với cống hộp, E nên bằng D. Tiết diện họng là vị trí nơi các vách bên thu hẹp gặp thân cống.

Có hai vị trí tiết diện điều tiết dòng chảy có thể xảy ra: tại face section và tại họng-thoart section. HW_f (minh họa trong Hình 3.19) là độ sâu mực nước đầu vào được đo từ đáy mặt trước, còn HW_t là độ sâu mực nước đầu vào được đo từ đáy họng.

Họng của cửa vào thuôn bên là vị trí điều tiết rất hiệu quả. Hiện tượng co hẹp dòng chảy gần như bị loại bỏ tại họng. Ngoài ra, thoart section luôn thấp hơn một chút so với face section, điều này giúp tạo thêm cột nước tại họng ứng với một cao trình mực nước đầu vào nhất định (xem hình 3.19, HW_thoart>HW_face).

Hiệu quả tích cực của việc hạ thấp họng xuống dưới đáy suối có thể được tăng cường bằng cách tạo thêm vùng trũng phía thượng lưu của cửa vào. Hình 3.20 minh họa một cửa vào thuôn bên với phần trũng cửa vào nằm giữa hai vách chắn bên. Với kiểu hạ thấp này, đáy thân cống nên kéo dài về phía thượng lưu từ mặt cắt một khoảng tối thiểu là D/2 trước khi dốc lên trở lại.

Các giới hạn kích thước cho thiết kế được trình bày trong tài liệu này. Chiều dài của phần đỉnh dòng thượng lưu — nơi mái dốc của vùng trũng gặp đáy suối — cần được kiểm tra để đảm bảo rằng phần đỉnh này không điều tiết dòng chảy ở lưu lượng và mực nước đầu vào thiết kế. Nếu chiều dài này quá ngắn, đỉnh có thể hoạt động như một tiết diện điều tiết kiểu đập tràn.

Đối với cửa vào thuôn bên có phần trũng, cả face section và thoart section đều chịu tác động của cột nước lớn hơn tương ứng với cùng một mực nước đầu vào. Cột nước tăng lên này cho phép sử dụng face section và thoart section có kích thước nhỏ hơn. Các mép vát hoặc điều kiện mép cắt thuận lợi khác cũng giúp giảm kích thước yêu cầu của face section.

3.4.3 Cửa vào dạng thuôn dốc (Slope-Tapered Inlet)

Cửa vào thuôn dốc, giống như dạng thuôn bên, có face section mở rộng với các vách bên thu hẹp dần nối với thân cống tại tiết diện họng (xem Hình 3.21). Ngoài ra, một vùng trũng tại họng được tích hợp vào cửa vào giữa face section và họng-thoart section. Phần trũng này giúp tăng cột nước tác động lên tiết diện họng. Tại vị trí mà mái dốc vào (phần dốc hơn) giao với mái dốc nhẹ hơn của thân cống, sẽ hình thành một tiết diện điều tiết thứ ba, gọi là tiết diện gãy-bend section.

Cửa vào thuôn dốc có thể có ba vị trí điều tiết dòng chảy: face section (tiết diện mặt trước), bend section (tiết diện gãy) và thoart section (tiết diện họng). Trong số đó, chỉ có kích thước của face section và thoart section là được xác định theo các quy trình thiết kế trong tài liệu này. Kích thước bend section được xác định sao cho nó sẽ không đóng vai trò chủ đạo, bằng cách bố trí nó ở khoảng cách tối thiểu phía thượng lưu của họng.

Cửa vào thuôn dốc kết hợp một tiết diện họng hiệu quả với cột nước bổ sung tại họng. Do face section không bị hạ thấp, kích thước face section của kiểu cửa vào này thường lớn hơn so với cửa vào thuôn bên có trũng tương đương. Kích thước face section yêu cầu có thể giảm nhờ sử dụng mép cửa vát hoặc các cấu hình mép vát thuận lợi khác. Thiết kế cửa vào thuôn dốc có face section thẳng đứng được minh họa trong Hình 3.21.

Cửa vào thuôn dốc có thể gây khó khăn trong thi công, làm tăng chi phí xây dựng. Nếu chi phí tăng thêm này không được bù đắp bằng lợi ích về hiệu suất thủy lực cải thiện và/hoặc giảm kích thước thân cống, thì không nên sử dụng kiểu cửa vào này.

Cửa vào thuôn dốc có thể được áp dụng cho cả cống hộp và cống tròn. Đối với cống tròn, người ta thường sử dụng đoạn chuyển tiếp từ hình vuông sang hình tròn để nối phần cửa vào thuôn hình chữ nhật với ống tròn.

3.4.4 Cửa vào thuôn khi cống ở trạng thái Inlet Control

Cửa vào dạng thuôn có thể có nhiều vị trí điều tiết dòng chảy khác nhau: face section, bend section (đối với cửa vào thuôn dốc) và thoart section. Ngoài ra, cửa vào thuôn bên có phần trũng cũng có thể có vị trí điều tiết tại đỉnh mái dốc vào phần trũng trước face section. Mỗi vị trí điều tiết này đều có một đường cong hiệu suất riêng. Độ sâu mực nước đầu vào đối với mỗi tiết diện điều tiết được tính từ đáy của tiết diện đó.

Một phương pháp để xác định đường cong hiệu suất tổng thể cho cống ở trạng thái inlet control là tính các đường cong hiệu suất cho từng tiết diện điều tiết tiềm năng, sau đó chọn đoạn của mỗi đường cong tương ứng với hiệu suất tổng thể tối ưu (nhỏ nhất) của cống (xem Hình 3.22).

Nếu các tiêu chí về kích thước trong tài liệu này được tuân thủ, thì phần crest và phần bend sẽ không đóng vai trò như những tiết diện khống chế trong phạm vi thông thường của headwater và lưu lượng dòng chảy. Crest của phần hạ thấp tại cửa vào (inlet depression) có thể đóng vai trò tiết diện khống chế đối với các dòng chảy và headwater rất nhỏ, nhưng điều này nhìn chung không quá quan trọng trong thiết kế. Hình 3.22 thể hiện các đường cong hiệu suất cho mỗi tiết diện có khả năng khống chế dòng chảy ở cửa vào và đường cong hiệu suất tổng thể của cửa vào.

Quy trình thiết kế đối với các tapered inlet bao gồm kiểm tra chiều dài crest cho cả các dạng cửa thuôn bên, cửa thuôn dốc, cửa vào thuôn dốc có phần hạ thấp hạ thấp (slope-tapered inlet) với mặt vát (mitered faces). Miễn là chiều dài thực tế của crest vượt quá một giá trị tối thiểu nhất định, sẽ không cần phải xây dựng đường cong hiệu suất của crest. Ngoài ra, nếu phần bend nằm ở một khoảng cách tối thiểu là D/2 ở phía thượng lưu của tiết diện họng (tiết diện thu hẹp nhất), thì phần bend sẽ không đóng vai trò khống chế, và do đó đường cong hiệu suất cho phần bend cũng không cần tính toán.

Các phương trình inlet control vào cho các cửa vào thuôn được trình bày trong Phụ lục A. Các hệ số và số mũ cho tiết diện khống chế mặt (face) và tiết diện họng (thoart) được xây dựng dựa trên các thử nghiệm thủy lực của NBS. Tất cả các tiết diện khống chế được mô tả trước đây hoạt động tương tự như đập tràn (weir) đối với dòng chảy không ngập, và tương tự như các lỗ thoát (orifice) đối với dòng chảy ngập nước. Đối với mỗi tiết diện, sẽ có một vùng chuyển tiếp được xác định bởi một đường cong thực nghiệm, nối liền giữa các đường cong của trạng thái không ngập và ngập. Họng của cửa vào thuôn nên được thiết kế làm tiết diện khống chế chính cho khoảng lưu lượng và heawater thiết kế. Bend section sẽ không đóng vai trò tiết diện khống chế nếu các tiêu chí về kích thước trong tài liệu này được tuân thủ. Tuy nhiên, bend section vẫn đóng góp vào tổn thất cửa vào thông qua hệ số tổn thất cửa vào k_e.

3.4.5 Cửa vào thuôn khi cống ở trạng thái Outlet Control

Khi một culvert có tapered inlet hoạt động trong trạng thái outlet control, các phép tính được thực hiện giống như mô tả tại Mục 3.1.4 cho tất cả các culvert. Các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy trong trạng thái outlet control được trình bày trong Bảng 1.1. Diện tích cửa vào là diện tích của mặt cửa vào (face section). Cấu hình cửa vào mô tả loại cửa vào thuôn cũng như các điều kiện cạnh của mặt cửa vào, tiết diện cửa vào có thể là hình tròn hoặc hình chữ nhật. Đặc tính barrel (lòng cống) liên quan đến phần barrel của culvert ở phía hạ lưu tiết diện họng, ngoại trừ việc chiều dài barrel sẽ bao gồm cả chiều dài của phần cửa vào thuôn, và độ dốc barrel có thể bằng phẳng hơn so với độ dốc tự nhiên của dòng chảy.

Phương trình 3.5 trong Mục 3.1.4 mô tả các tổn thất trong trạng thái outlet control. Hệ số tổn thất cửa vào thu hẹp k_e là 0,2 cho cả cửa vào thuôn bên có hạ thấp và cửa vào thuôn dốc. Hệ số tổn thất này bao gồm tổn thất co hẹp và mở rộng tại face section cửa vào, tổn thất ma sát gia tăng giữa face cửa vào và thoart section (tiết diện họng), cùng với các tổn thất nhỏ do co hẹp và mở rộng tại họng.

Độ sâu mực nước đầu vào trong trạng thái outlet control (HW_o) được đo từ đáy cửa vào của culvert và tính theo phương trình 3.6b (HW_o=TW+H_L−SL). Phương trình 3.5 hoặc outlet control nomograph tương ứng với kích thước barrel phù hợp được sử dụng để xác định tổng tổn thất qua culvert (H_L). Đường dốc thủy lực tại cửa ra là mực nước hạ lưu (TW) như thể hiện trong phương trình 3.6b hoặc là (d_c+D)/2 nếu giá trị này lớn hơn.

3.4.6 Vận tốc tại cửa ra (Outlet Velocity)

Vận tốc dòng chảy tại cửa ra của culvert có tapered inlet được xác định tương tự như phương pháp đã mô tả ở mục 3.1.6. Lưu ý rằng khi cửa vào hoặc họng được hạ thấp (depression), độ dốc barrel sẽ phẳng hơn độ dốc tự nhiên của dòng chảy và được tính như sau:

$$S = \frac{EL_t – EL_o}{L_a – L_1} \tag{3.12}$$

trong đó:

• S = Độ dốc barrel gần đúng, ft/ft (m/m)
• EL_t = Cao độ đáy tại tiết diện họng, ft (m)
• EL_o = Cao độ đáy tại cửa ra, ft (m)
• L_a = Chiều dài gần đúng của culvert, ft (m)
• L₁ = Tổng chiều dài phần cửa vào thuôn, ft (m)

3.4.7 Đường cong hiệu suất (Performance Curves)

Các đường cong hiệu suất đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ hoạt động của một culvert có tapered inlet. Mỗi tiết diện có khả năng kiểm soát dòng chảy (mặt cửa vào – face, họng, và cửa ra – outlet) đều có đường cong hiệu suất riêng, dựa trên giả định rằng tiết diện cụ thể đó sẽ là tiết diện khống chế dòng chảy. Việc tính toán và vẽ các đường cong hiệu suất khác nhau sẽ tạo ra một đồ thị tương tự như Hình 3.23, gồm các đường cong khống chế tại mặt cửa vào (face control), khống chế tại họng (throat control), và kiểm soát tại cửa ra (outlet control). Đường cong hiệu suất tổng thể của culvert được biểu thị bằng đường gạch chéo. Trong phạm vi lưu lượng nhỏ, sự khống chế diễn ra ở tiết diện mặt (face control); trong phạm vi lưu lượng trung bình, tiết diện họng (thoart section) là tiết diện khống chế; còn trong phạm vi lưu lượng lớn hơn, outlet control sẽ chi phối. Các đường cong hiệu suất cho crest và bend không cần tính toán, bởi chúng không phải là các yếu tố chi phối trong phạm vi thiết kế.

Việc xây dựng các đường cong hiệu suất cho các culvert có tapered inlet giúp nhà thiết kế hiểu rõ culvert sẽ hoạt động như thế nào trong một dải lưu lượngkhác nhau. Đối với lưu lượng lớn, đường cong khi cống ở trạng thái outlet control có thể có độ dốc rất lớn, điều này có nghĩa là mực nước đầu (HW) sẽ tăng nhanh khi lưu lượng tăng. Vì có khả năng lưu lượng thiết kế sẽ bị vượt quá trong suốt tuổi thọ của culvert, cần xem xét các hậu quả của tình huống đó. Điều này sẽ giúp đánh giá khả năng gây thiệt hại cho tuyến đường và các công trình liền kề.

Các đường cong hiệu suất hữu ích trong việc tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của culvert. Bằng cách điều chỉnh mức hạ thấp tại các face setion và thoart section, thông thường có thể đạt được lưu lượng dòng chảy lớn hơn tại một HW nhất định, hoặc đạt cùng lưu lượng nhưng với HW thấp hơn.

3.4.8 Phương pháp thiết kế (Design Methods)

Thiết kế tapered inlet bắt đầu bằng việc lựa chọn kích thước, hình dạng và vật liệu cho barrel của culvert. Các tính toán này được thực hiện bằng cách sử dụng Biểu mẫu Thiết kế Culvert (Culvert Design Form) thể hiện trong Hình 3.17. Biểu mẫu tính toán thiết kế tapered inlet (Hình 3.24) và các nomograph thiết kế có trong Phụ lục C cũng được dùng để thiết kế tapered inlet. Kết quả thu được có thể là một hoặc nhiều phương án thiết kế culvert, bao gồm cả các phương án sử dụng tapered inlet và không sử dụng tapered inlet, tất cả các phương án này đều đáp ứng các tiêu chí thiết kế tại vị trí công trình. Nhà thiết kế cần chọn ra phương án thiết kế tốt nhất cho vị trí đang xem xét.

Trong thiết kế tapered inlet, mục tiêu là duy trì khả năng kiểm soát dòng chảy tại tiết diện họng hiệu quả trong phạm vi thiết kế của HW và lưu lượng. Điều này là do tiết diện họng có cùng dạng hình học với barrel, và barrel chính là phần tốn kém nhất trong culvert. Tiết diện mặt cửa vào (face) sau đó được xác định với kích thước đủ lớn để cho phép dòng chảy thiết kế đi qua mà không trở thành tiết diện khống chế trong phạm vi lưu lượng thiết kế. Một chút tăng kích thước tiết diện mặt cửa vào thường có lợi, vì chi phí xây dựng phần tapered inlet thường nhỏ hơn rất nhiều so với chi phí xây dựng phần barrel (thân cống).

Kích thước yêu cầu của face section có thể được giảm xuống bằng cách sử dụng các cấu hình mà cạnh của nó có lợi về mặt thủy lực, chẳng hạn như cạnh vát (beveled edges) trên tiết diện mặt cửa vào. Các nomograph thiết kế được cung cấp cho cả các điều kiện cạnh có lợi và ít có lợi hơn.

3.5 Thiết kế culvert sử dụng phần mềm (đường mặt nước)

(nd)

Phần này trình bày cách HY-8 thực hiện việc tính toán độ sâu tại cửa ra cống.

Đại khái là HY-8 dùng “đường mặt nước” để tính độ sâu tại cửa ra. Nội dung “đường mặt nước” được trình bày tại HDS 4 Chương 4 mục 4.7

Các quy trình thủ công được trình bày ở Chương 3 lần đầu tiên được tự động hóa bởi FHWA trong một loạt chương trình viết bằng ngôn ngữ FORTRAN dành cho các máy tính lớn (mainframe computers) (HY-1 đến HY-3) vào những năm 1960. Khi các máy tính cầm tay có thể lập trình được đưa vào sử dụng, các quy trình này đã được lập trình lại để hoạt động với các thiết bị này vào đầu những năm 1980 (CDS từ 1 đến 4). Trong thập niên 1980, khi máy tính cá nhân xuất hiện, các quy trình thiết kế culvert được phát triển cho chương trình máy tính HY và các chương trình tính toán CDS đã được chuyển đổi sang ngôn ngữ Apple Basic cho phiên bản đầu tiên của HY-8, sau đó chuyển sang Microsoft Basic cho các phiên bản HY-8 từ phiên bản 1 (1986) đến phiên bản 6 (1997) và cuối cùng là Microsoft C++ cho phiên bản 7 (2005).

Bắt đầu từ phiên bản HY-8, việc tính toán đường mặt nước trong barrel của culvert đã được áp dụng để cải tiến tính toán độ sâu dòng chảy, vận tốc dòng chảy và chiều dài đoạn barrel có dòng chảy đầy. Đường mặt nước được xác định đầu tiên bằng cách xác định xem độ dốc của culvert là siêu tới hạn (supercritical – kiểm soát tại cửa vào) hay là dưới tới hạn (subcritical – kiểm soát tại cửa ra). Tiếp theo, mực nước hạ lưu (tailwater) được sử dụng để xác định đường mặt nước nào sẽ được sử dụng và tại độ sâu nào thì bắt đầu đường mặt nước đó. Các thông số và loại dòng chảy theo phân loại của USGS ứng với từng loại đường mặt nước được trình bày trong Mục 3.5.1. Quy trình inlet control bằng HY-8 được trình bày trong Mục 3.5.2. Quy trình oultet control bằng HY-8 được trình bày trong Mục 3.5.3. Việc áp dụng HY-8, HEC-RAS và các phần mềm thiết kế culvert phổ biến khác được trình bày trong Mục 3.5.4.

3.5.1 Các loại dòng chảy theo USGS và đường mặt nước

Phần mềm HY-8 sử dụng các số hiệu loại dòng chảy (xem Bảng 3.1) để xác định cách thức tính toán dòng chảy trong culvert. Các số hiệu loại dòng chảy này dựa trên các loại dòng chảy số 1 đến 6 của USGS (1968), bổ sung thêm các thông tin sau đây:

• Đơn giản hóa HW = D để biểu thị trạng thái ngập tại cửa vào.
• Loại dòng chảy số 7 dành cho kiểm soát tại cửa ra (outlet control), với đường mặt nước M1 hoặc M2 trong phần lớn barrel khi HW > D.
• Các ký hiệu tiêu chuẩn của đường mặt nước (S1, S2, M1, M2, H2 và H3).
• Các ký hiệu chỉ báo mực nước hạ lưu (tailwater indicator: n, c, t, và f) tương ứng với trạng thái normal, critical, tailwater và full.

Bảng 3.1. Các số hiệu loại dòng chảy trong HY-8

Loại dòng chảy (Flow Type)	Kiểm soát dòng chảy (Flow Control)	Ngập cửa vào HW > D (Submerged Inlet)	Ngập cửa ra TW > D (Submerged Outlet)	Chiều dài barrel đầy (Length Full)
1	Inlet Control	Không	Không	Không
5	Inlet Control	Có	Không	Không
2	Outlet Control	Không	Không	Không
3	Outlet Control	Không	Không	Không
4	Outlet Control	Có	Có	Toàn bộ
6	Outlet Control	Có	Không	Phần lớn
7	Outlet Control	Có	Không	Một phần

Phần mềm HY-8 cung cấp mã số loại dòng chảy, dạng đường mặt nước và ký hiệu mực nước hạ lưu cho mỗi giá trị lưu lượng nhằm giúp nhận biết nhanh cách tính toán headwater và vận tốc cửa ra của culvert. Ví dụ, một mã 1-S2n có nghĩa là culvert đang ở trạng thái kiểm soát tại cửa vào (inlet control), với headwater (HW) nhỏ hơn D, đường mặt nước thuộc loại S2, và độ sâu tại cửa ra được tính toán theo đường mặt nước S2 vì mực nước hạ lưu nhỏ hơn độ sâu normal. Phần mềm HY-8 cung cấp đầy đủ các mã nhận diện cho trạng thái dòng chảy qua culvert.

Các chương trình HY và CDS đã mô phỏng lại các phương pháp thủ công và đưa ra giải pháp tương tự như các phương pháp đã trình bày ở Mục 3.3 – Thiết kế culvert sử dụng nomograph. Phần mềm HY-8 cung cấp lựa chọn để mô phỏng lại các kết quả trong Mục 3.3 (loại dòng chảy số 4 của USGS), nhưng cũng có thêm lựa chọn tính toán các đường mặt nước để mô tả chính xác hơn đặc tính thủy lực của culvert trong cả hai trạng thái kiểm soát tại cửa vào và cửa ra. Lựa chọn này rất hữu ích để đánh giá vị trí ứng suất cắt lớn nhất bên trong culvert, là yêu cầu cần thiết trong quy trình thiết kế AOP (Aquatic Organism Passage) trong HEC-26.

Trong trạng thái kiểm soát tại cửa vào, các đường mặt nước S1 và S2 được sử dụng để tính chính xác hơn vận tốc và độ sâu dòng chảy tại cửa ra cho các loại dòng chảy số 1 và số 5 của USGS.

Trong trạng thái kiểm soát tại cửa ra, các đường mặt nước M1 và M2 được sử dụng để tính toán các loại dòng chảy số 2, 3, 6 và 7 của USGS.

Trong tất cả các phiên bản HY-8 từ trước tới phiên bản 7.2, hiện tượng nhảy thủy lực chỉ được giả định xảy ra nếu đường cong S1 được tính toán hoặc độ sâu mực nước hạ lưu lớn hơn D. Đối với các trường hợp khác, nhảy thủy lực được giả định là bị đẩy ra khỏi culvert với đường mặt nước S2.

Trong phiên bản 7.3, các phép tính động lượng được sử dụng để xác định chính xác hơn vị trí nhảy thủy lực. Một mã hiệu đường mặt nước JS1 được thêm vào để chỉ ra rằng hiện tượng nhảy thủy lực chuyển sang dạng đường cong S1 xảy ra trong barrel. Thêm vào đó, các đường cong nằm ngang H2 và H3 cũng được bổ sung. Các loại dòng chảy tổng quát mô tả trong Bảng 3.1 sẽ được thảo luận kỹ hơn trong các mục tiếp theo.

Loại dòng chảy số 1 theo USGS (Inlet Control). Hình 3.25 minh họa loại dòng chảy số 1 với mực nước hạ lưu (TW) cao hơn độ sâu tới hạn (ký hiệu S1t). Trong trường hợp này, đường cong S1 được tính toán và sử dụng nếu đường cong S1 kéo dài đến tận mặt cửa vào của culvert. Nếu đường cong S1 đạt đến độ sâu tới hạn, một đường cong S2 sẽ được tính toán và so sánh với đường cong S1. Nếu độ sâu kết tiếp – sequent depth của đường cong S2 trùng với S1 bên trong culvert, một mã hiệu JFt sẽ được hiển thị và vận tốc tại cửa ra sẽ được xác định dựa trên mực nước hạ lưu (TW). Nếu squent depth không đạt được trong culvert, hiện tượng nhảy thủy lực được giả định là bị đẩy ra ngoài, khi đó đường cong S2 được sử dụng để tính toán vận tốc cửa ra (ký hiệu S2n). Nếu mực nước hạ lưu cao hơn D, barrel sẽ chảy đầy ở cuối culvert, khi đó mã hiệu S1f được hiển thị nếu đường cong S1 kéo dài tới cửa vào. Nếu đường cong S1 đạt độ sâu tới hạn, mã hiệu JFf sẽ được hiển thị để cho biết đường cong S2 chuyển sang trạng thái chảy đầy trong barrel.

(nd: đường mặt nước S1 và S2)

+ Từ HDS 4 Chương 4 Bảng 4.1 ta có:

– S1 khi y > y_c > y_o nghĩa là độ sâu thực tế > độ sâu tới hạn > độ sâu normal, vì y > y_c nên S1 là đường mặt nước dưới tới hạn (chảy êm)

– S2 khi y_c > y > y_o nghĩa là độ sâu tới hạn > độ sâu thực tế > độ sâu normal, vì y_c > y nên S2 là đường mặt nước siêu tới hạn (chảy nhanh)

(vì lý do nhất quán với đường kính cống/tĩnh cao cống nên HDS 5 đã chuyển ký hiệu độ sâu từ “y” thành “d”, nghĩa là trong HDS 4 độ sâu ký hiệu là “y” còn trong HDS 5 ký hiệu là “d”)

+ Trên lý thuyết, đường cong S1 sẽ dần hội tụ về mực nước tới hạn khi đi ngược về phía thượng lưu. Trong thực tế, nếu đầu vào không có gì cản trở (ví dụ: cống không ngập đầu vào), thì S1 có thể:

– Tiến sát tới hoặc chạm tới d_c​ tại cửa vào.

– Lúc đó, S1 sẽ bị “cắt cụt” vì không thể tiếp tục giảm nữa — dòng chảy không thể dưới tới hạn với độ sâu < d_c​.

Như vậy các bước tính của HY8 theo hình 3.25 là:

+ Tính độ sâu tới hạn trong lòng cống

+ Tính S1:

– Nếu S1 tại cửa vào mà chưa đạt độ sâu tới hạn:

• nếu TW <D thì mã là S1t -> vận tốc cửa ra tính theo TW
• nếu TW >D thì mã là S1f -> vận tốc cửa ra tính theo D

– Nếu S1 tại cửa vào mà đã đạt tới hạn thì hệ thống sẽ tính thêm đường S2:

+ Tính S2:

– Nếu độ sâu kế tiếp của S2 cắt với S1 trong lòng cống thì có nhảy trong lòng cống và mã là JFt -> vận tốc cửa ra tính theo TW

– Nếu độ sâu kế tiếp của S2 không cắt với S1 thì nhảy thủy lực ở bên ngoài cống và mã là S2n -> vận tốc cửa ra tính theo normal depth

– Nếu S2 đạt độ sâu tới hạn ngay cửa vào và TW > D thì dòng chảy bị ép sang chảy đầy và mã là JFf -> vận tốc cửa ra tính theo D

Trong bản gốc tiếng anh, câu cuối “…If the S1 reaches critical, JFf code will be shown to indicate that S2 curve jumps to full flow in the barrel.” chữ S1 có lẽ không đúng logic!

Loại dòng chảy số 5 theo USGS (Inlet Control). Hình 3.26 minh họa loại dòng chảy số 5 với mực nước hạ lưu (tailwater) thấp hơn độ sâu tới hạn (ký hiệu S2n). Nếu mực nước hạ lưu cao hơn độ sâu tới hạn, đường cong S1 được tính toán và sử dụng khi đường cong S1 kéo dài đến tận mặt cửa vào của culvert. Nếu đường cong S1 đạt đến độ sâu tới hạn, đường cong S2 sẽ được tính toán và so sánh với đường cong S1. Nếu độ sâu kế tiếp-sequent depth của đường cong S2 trùng với S1 trong culvert, mã hiệu JFt sẽ được hiển thị và vận tốc tại cửa ra được xác định dựa trên mực nước hạ lưu. Nếu sequent depth không đạt được trong culvert, hiện tượng nhảy thủy lực được giả định là bị đẩy ra ngoài, khi đó đường cong S2 được sử dụng để tính toán vận tốc cửa ra. Nếu mực nước hạ lưu cao hơn D, barrel sẽ chảy đầy tại cuối culvert và mã hiệu S1f sẽ hiển thị khi đường cong S1 kéo dài đến cửa vào. Nếu đường cong S1 đạt độ sâu tới hạn, mã hiệu JFf sẽ được hiển thị để chỉ ra rằng đường cong S2 chuyển sang trạng thái chảy đầy trong barrel.

Loại dòng chảy số 2 theo USGS (Outlet Control). Hình 3.27 minh họa loại dòng chảy số 2 với mực nước hạ lưu thấp hơn độ sâu tới hạn. Trong trường hợp này (ký hiệu M2c), đường cong M2 được tính toán bắt đầu từ độ sâu tới hạn tại cửa ra.

Loại dòng chảy số 3 theo USGS (Outlet Control) Hình 3.28 thể hiện dạng dòng chảy loại 3 với mực nước hạ lưu cao hơn mực nước tới hạn. Trong trường hợp này (M1t), một đường cong M1 sẽ được tính bắt đầu từ độ sâu của mực nước hạ lưu tại cửa ra.

Loại dòng chảy số 4 và số 6 theo USGS (Outlet Control). Hình 3.29 minh họa loại dòng chảy số 6 với mực nước hạ lưu cao hơn độ sâu tới hạn. Trong trường hợp này (ký hiệu FFt), barrel của culvert chảy đầy trong phần lớn chiều dài. Đường cong M2 được tính bắt đầu từ cửa ra để xác định chiều dài barrel có dòng chảy đầy. Độ sâu tại cửa ra là độ sâu mực nước hạ lưu trong trường hợp FFt và là độ sâu tới hạn trong trường hợp FFc. Đối với loại dòng chảy số 4, mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh culvert tại cửa ra và barrel chảy đầy toàn bộ (ký hiệu FFf).

Loại dòng chảy số 7 theo USGS (Outlet Control). Hình 3.30 minh họa loại dòng chảy số 7 với mực nước hạ lưu thấp hơn độ sâu tới hạn. Trong trường hợp này (ký hiệu M2c), barrel của culvert chảy đầy một phần chiều dài của nó. Một đường cong M2 sẽ được tính toán bắt đầu từ cửa ra để xác định chiều dài đoạn barrel có dòng chảy đầy. Độ sâu tại cửa ra chính là độ sâu mực nước hạ lưu đối với trường hợp M2t và là độ sâu tới hạn đối với trường hợp M2c. Nếu mực nước hạ lưu cao hơn độ sâu dòng chảy thông thường (ký hiệu M1t), đường cong M1 sẽ được tính toán.

3.5.2 Trạng thái Inlet Control

HY-8 sử dụng các phương trình đa thức được phát triển từ các phần mềm đời đầu để thể hiện các đường cong kiểm soát cửa vào đã được xác định trong phòng thí nghiệm (Phụ lục A). Đối với các hình dạng khác, bảng giá trị đại diện cho Biểu đồ 52 được sử dụng (Mục 3.6). Các đường cong này áp dụng cho các giá trị HW/D từ 0,5 đến 3,0. Với HW/D từ 0 đến 0,5, một phương trình dòng chảy qua đập tràn tổng quát (Hình 3.15) được hiệu chỉnh dựa trên số liệu cống tại HW/D = 0,5. Với HW/D lớn hơn 3,0, một phương trình dòng chảy qua lỗ thoát tổng quát (Hình 3.15) được hiệu chỉnh dựa trên số liệu cống tại HW/D = 3,0.

Phiên bản HY-8 đến 7.1 sử dụng bảng các giá trị đặc tính tiết diện (lưu lượng, diện tích, chu vi ướt, chiều rộng bề mặt, normal depth và critical depth) để nội suy các giá trị thiết kế giữa các giá trị đã xác định cho các bước tăng D/10 trong chiều sâu culvert. Với các tiết diện không đều, điều này giảm đáng kể thời gian cần thiết cho việc thử nghiệm và tìm kiếm giới hạn để cân bằng mực nước đầu vào khi sử dụng nhiều culvert hoặc khi tràn nước. Từ phiên bản 7.2, các đặc tính tiết diện được tính trực tiếp cho từng giá trị lưu lượng riêng biệt. Cải tiến này cho phép tính toán chính xác hơn độ sâu khi áp dụng cho lưu lượng nhỏ trong thiết kế AOP (Aquatic Organism Passage – Đường dẫn sinh vật thủy sinh).

Các phương trình đa thức và biểu đồ tính toán được phát triển cho độ dốc 2%. Như trình bày ở Phụ lục A, độ dốc 2% có nghĩa là một hệ số hiệu chỉnh độ dốc -0,5S hoặc -0,01 đã được bao gồm trong HW/D cho tất cả các cửa vào ngoại trừ cửa vào vát (mitered inlet). Đối với các cửa vào vát, một hệ số hiệu chỉnh độ dốc +0,7S được sử dụng để hiệu chỉnh phương trình. HY-8 còn áp dụng thêm một hiệu chỉnh độ dốc bằng cách sử dụng độ dốc thực tế.

Chiều dài culvert được hiệu chỉnh thông qua các phương trình trình bày ở Phụ lục F của FHWA-IP-83-6, Sổ tay thiết kế kết cấu dành cho cửa vào và culvert cải tiến (FHWA 1983).

3.5.3 Trạng thái Outlet Control

HY-8 có thể mô phỏng lại lời giải bằng biểu đồ nomograph kiểm soát cửa ra (loại dòng chảy USGS 4 và 6) bằng cách giả định rằng dòng chảy đầy trong ống cống. Biểu đồ nomograph hoặc lời giải dòng chảy đầy cũng sẽ áp dụng đường thủy lực xấp xỉ nếu mực nước hạ lưu (tailwater) thấp hơn độ sâu tới hạn (USGS loại dòng 7).

Nếu tùy chọn mặt cắt mực nước được sử dụng, độ sâu normal sẽ được so sánh với độ sâu tới hạn (critical depth) để xác định liệu mặt cắt mực nước là siêu tới hạn (kiểm soát tại cửa vào) hay dưới tới hạn (kiểm soát tại cửa ra). Tiếp theo, mực nước hạ lưu được so sánh với chiều cao của cống để xác định xem nước có chảy đầy ở cửa ra hay không, và so sánh với độ sâu tới hạn để xác định liệu sự kiểm soát dòng chảy nằm ở phía hạ lưu hay nằm tại cửa ra. Dựa vào các so sánh này, loại dòng chảy USGS thích hợp và mặt cắt mực nước sẽ được giả định. Mục 3.5.1 trình bày tất cả các tổ hợp có thể của loại dòng chảy và mặt cắt mực nước.

HY-8 sử dụng Phương trình 3.4d để tính tổn thất tại cửa ra. Phương trình này mang tính thận trọng vì giả định rằng toàn bộ cột áp vận tốc bị mất trong vùng hạ lưu sau cống. Phiên bản 7 cung cấp thêm tùy chọn bảo toàn vận tốc dòng chảy tại cửa ra bằng cách lựa chọn phương pháp tổn thất chuyển tiếp của Đại học Bang Utah (USU) (Phương trình 3.4e). Tùy chọn này chỉ nên được sử dụng nếu có một kênh xác định ở phía hạ lưu của cống.

(nd: Phương trình mang tính thận trọng)

đoạn văn tiếng Anh: “This equation is conservative and assumes that all the velocity head is lost in the downstream tailwater pool. Version 7 provides the option of conserving outlet velocity by selecting the Utah State University (USU) transition loss (Equation 3.4e). This option should only be used if a defined channel exists downstream of the culvert”

“This equations is conservative..” nghĩa là Phương trình này đưa ra giả định thận trọng (bảo thủ) để đảm bảo thiết kế an toàn hơn. Cụ thể ở đây:

• Phương trình 3.4d giả định rằng toàn bộ cột áp vận tốc (velocity head) bị mất hoàn toàn khi nước chảy vào vùng nước hạ lưu phía sau cống.
• Đây là một giả định “bảo thủ” vì trong thực tế, không phải lúc nào cũng mất hết cột áp vận tốc — nhưng giả định như vậy giúp đảm bảo thiết kế không đánh giá thấp tổn thất năng lượng, từ đó tránh thiết kế thiếu an toàn hoặc gây ngập úng.

Nói cách khác, nó cố tình “phóng đại” tổn thất năng lượng để thiết kế có độ an toàn cao hơn.

3.5.4 Ứng dụng phần mềm mã nguồn mở

Mục 3.5.1 đến 3.5.3 đã trình bày tổng quan về các quy trình thủy lực được sử dụng trong phần mềm thiết kế cống HY-8 của FHWA. Các quy trình này cũng được sử dụng đáng kể trong phần mềm HEC-RAS của USACE và Chương trình Phân tích Cống Gãy Lưng (Broken-Back Culvert Analysis Program – BCAP) của Sở Giao thông Nebraska, được trình bày trong Mục 5.7. Trong phần này, các khả năng của từng phần mềm sẽ được thảo luận.

3.5.5 Ứng dụng của HY-8

HY-8 được cấu trúc để trở thành một công cụ thiết kế cống. Dữ liệu đầu vào bao gồm dải lưu lượng thiết kế, hình học kênh hạ lưu, mặt cắt đường và mẫu đắp đường. Bất kỳ vật liệu và kích thước cống thương mại nào cũng có thể dễ dàng được lựa chọn và một đường cong hiệu suất sẽ được tạo ra để so sánh với mục tiêu thiết kế. HY-8 nên được sử dụng nếu bất kỳ trường hợp nào sau đây áp dụng:

• Vị trí vượt qua dòng nước (crossing) chỉ có cống và không có công trình thượng lưu hay hạ lưu gần đó
• Cần thiết kế mới vị trí vượt qua dòng nước
• Cần xem xét sử dụng cửa vào dạng thuôn (tapered inlet)
• Cần xem xét dùng cống có hình dạng bất thường cho mục đích kết hợp sử dụng
• Cống đặt chìm đang được xem xét cho thiết kế AOP (đường dẫn sinh vật thủy sinh)
• Cần xem xét cống gãy lưng (broken-back culvert)
• Có yêu cầu thiết kế công trình tiêu năng (energy dissipator)

3.5.6 Ứng dụng của HEC-RAS

HEC-RAS được cấu trúc như một công cụ phân tích một đoạn sông, sử dụng các mặt cắt mặt thoáng dòng chảy. Dữ liệu đầu vào bao gồm dải lưu lượng thiết kế, một loạt mặt cắt ngang kênh, hình học kênh, mô tả đường, cầu và/hoặc cống. HEC-RAS có cùng các vật liệu và kích thước cống thương mại như HY-8. HEC-RAS cũng sử dụng các phương trình trong Phụ lục A, tiêu chuẩn NBS để tính toán kiểm soát cửa vào. HEC-RAS và HY-8 cung cấp các lời giải tương tự cho cửa vào ngập nước và các loại dòng chảy USGS 4, 5, 6 và 7. Với cửa vào không ngập nước và các loại dòng chảy USGS 1, 2 và 3, HEC-RAS sẽ duy trì mặt cắt mặt nước xuyên qua công trình và bảo toàn vận tốc dòng chảy đến. HEC-RAS nên được sử dụng nếu bất kỳ điều nào sau đây đúng:

• Vị trí vượt qua có sự kết hợp giữa cầu và cống
• Có công trình thượng lưu hoặc hạ lưu (cầu hoặc cống) ảnh hưởng đến vị trí vượt qua dòng chảy
• Cần thiết lập biên dạng mặt thoáng dòng chảy cho đoạn sông
• Đoạn sông nằm trong vùng ngập lụt do NFIP xác định

(nd: Vùng ngập lụt do NFIP xác định)

NFIP: viết tắt của National Flood Insurance Program – Chương trình Bảo hiểm Lũ lụt Quốc gia của Hoa Kỳ, do FEMA quản lý

Khi một đoạn sông nằm trong vùng ngập lụt do NFIP xác định, việc thiết kế cống, cầu hoặc bất kỳ công trình nào liên quan đến dòng chảy đều cần tuân theo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt hơn để:

• Đảm bảo an toàn trong mùa lũ.
• Không làm tăng rủi ro ngập lụt cho khu vực xung quanh.
• Đáp ứng yêu cầu để người dân trong khu vực đó được mua bảo hiểm lũ lụt từ NFIP.

Vì vậy, trong trường hợp này, phần mềm HEC-RAS được ưu tiên sử dụng vì nó có thể mô phỏng chính xác mặt thoáng dòng chảy và ảnh hưởng của công trình đến khu vực ngập lụt

3.5.7 Ứng dụng của BCAP

BCAP được thiết kế như một công cụ dùng để thiết kế cống có sự kết hợp giữa đoạn dốc lớn và đoạn dốc nhỏ trong cùng một ống cống. Dữ liệu đầu vào tương tự như HY-8. BCAP bị giới hạn trong việc xử lý các cống có hình tròn hoặc hình chữ nhật. BCAP sử dụng các phương pháp tính kiểm soát cửa vào và cửa ra giống như HY-8, nhưng có khả năng đặc biệt là phân tích cú nhảy thủy lực (hydraulic jump).

Cả HY-8 hoặc BCAP đều có thể được sử dụng nếu bất kỳ điều nào sau đây đúng:

• Cống nằm trên đoạn dốc lớn
• Có nhu cầu tạo cú nhảy thủy lực để giảm vận tốc dòng chảy tại cửa ra

3.6 Phương pháp thiết kế cho dạng cống không có sẵn biểu đồ thiết kế

Phụ lục A liệt kê các hình dạng và vật liệu cống đã có hệ số đập tràn (weir) và lỗ thoát (orifice) được xác định thông qua thí nghiệm trong phòng. Một số hình dạng và vật liệu cống chưa có hệ số được xác định bằng thí nghiệm. Với các loại cống này, không thể xây dựng các biểu đồ thiết kế như biểu đồ nomograph hoặc biểu đồ độ sâu tới hạn. Ví dụ, các cống bản rộng, cống tấm kết cấu (structural plate), hoặc cống kim loại gợn sóng không có dữ liệu thử nghiệm và biểu đồ thiết kế.

Việc xây dựng biểu đồ thiết kế cho tất cả các hình dạng và kích thước cống là không thực tế vì có quá nhiều dạng và liên tục có các hình dạng mới được sản xuất. Ngoài ra, các cống có kích thước lớn thường nằm ngoài phạm vi áp dụng của biểu đồ nomograph tiêu chuẩn. Tuy nhiên, với một vài điều chỉnh, các phương pháp thủy lực thông thường vẫn có thể được sử dụng để phân tích các loại cống này.

3.6.1 Trường hợp Inlet Control

Vì cửa vào không được mô hình hóa chi tiết, các phương trình kiểm soát cửa vào bắt buộc phải dựa trên các kết quả thử nghiệm thủy lực từ các ống cống có hình dạng tương tự đã được kiểm tra. Phụ lục A cung cấp các phương trình kiểm soát cửa vào gần đúng cho các cống phi hình chữ nhật với nhiều điều kiện mép cạnh của miệng cống khác nhau.

Để hỗ trợ quá trình thiết kế, các phương trình này trong Phụ lục A được sử dụng để xây dựng các đường cong thiết kế của trạng thái kiểm soát tại cửa vào không thứ nguyên (dimensionless) cho các hình dạng cống và điều kiện mép cạnh cụ thể. Các đường cong trong Hình 3.31 và 3.32 áp dụng cho cống kim loại gợn sóng dạng tấm kết cấu phi hình chữ nhật với hai dạng hình học cơ bản và bốn điều kiện mép cạnh.

• Hình 3.31 dùng cho cống tròn hoặc elip có trục ngang dài nằm tại điểm giữa chiều dài ống.
• Hình 3.32 dùng cho cống hình vòm kết cấu cao và thấp.

Lưu ý rằng các hình này là bản sao của Biểu đồ 51b và 52b, dùng cho hệ đơn vị Anh (English Units). Đối với hệ đơn vị SI, sử dụng Biểu đồ 51a và 51b trong Phụ lục C.

Các đường cong trong các hình này áp dụng cho bốn điều kiện cạnh cửa vào khác nhau:

• Mép mỏng nhô ra (thin edge projecting)
• Cạnh vát (mitered)
• Mép vuông (square-edge)
• Mép vát 45 độ (45-degree bevels)

Trục hoành của biểu đồ là lưu lượng chia cho diện tích nhân với căn bậc hai của chiều cao cống (Q / AD^0.5), và trục tung là chiều sâu mực nước đầu chia cho chiều cao cống (HW/D).
Hình 3.31 (Biểu đồ 51b) sẽ cho kết quả phù hợp đối với bất kỳ loại cống nào có bề mặt cong, bao gồm cống vòm hình ống (pipe-arches) và cống ngầm dưới đường.
Hình 3.32 (Biểu đồ 52b) được sử dụng cho các loại cống hình vòm với đáy phẳng.

Bảng giá trị sau đây lấy từ Biểu đồ 52b và được phần mềm HY-8 sử dụng để nội suy giá trị HW/D cho tất cả các hình dạng không có hệ số đập tràn hoặc lỗ thoát được xác định từ thí nghiệm.

Ví dụ: với Q / (AD^0.5) bằng 0.5 cho cống có mép mỏng, giá trị HW/D được tra trong cột A(1) là 0.3.

3.6.2 Trường hợp Outlet Control

a. Dòng chảy đầy một phần thân cống (Partly Full Flow).
Các ống cống lớn, chẳng hạn như cống bản rộng, thường chỉ chảy một đầy trên một phần chiều dài. Ngoài ra, đáy cống thường là đáy tự nhiên. Trong các tình huống như vậy, nên thực hiện tính toán nước ngược (backwater) để xác định cao độ mực nước đầu.

Việc tính toán backwater bắt đầu từ mực nước hạ lưu (tailwater) hoặc tại độ sâu tới hạn ở cửa ra cống – chọn giá trị nào cao hơn. Các giá trị sức cản thủy lực dùng trong tính toán backwater được lấy từ tài liệu Hydraulic Flow Resistance Factors for Corrugated Metal Conduit (FHWA 1980). Dữ liệu từ tài liệu này được trình bày trong Phụ lục B. Các giá trị sức cản lựa chọn cho các kênh tự nhiên được trình bày trong Bảng C.1 của Phụ lục C.

Lưu ý rằng nếu chu vi của ống cống được cấu thành từ hai hoặc nhiều loại vật liệu, thì nên sử dụng giá trị độ nhám tổng hợp. Phương pháp tính giá trị độ nhám tổng hợp được trình bày trong Mục 3.1.4.

b. Dòng chảy đầy toàn bộ thân cống
Nếu dòng chảy trong ống cống đầy hoặc gần như đầy trên toàn chiều dài, Phương trình 3.6b (HWₒ = TW + H_L – SL) có thể được sử dụng để tính cao độ mực nước đầu khi dòng qua cống bị kiểm soát tại cửa ra.

• H_L là tổng tổn thất năng lượng qua thân cống, được tính bằng Phương trình 3.1 hoặc Phương trình 3.5.
• TW là mực nước hạ lưu, được lấy là giá trị lớn hơn giữa chiều sâu mực nước hạ lưu (tailwater depth) hoặc trung bình của độ sâu tới hạn và chiều cao cống: (d_c + D)/2.

Giá trị độ sâu tới hạn của hầu hết các cống được cung cấp bởi nhà sản xuất. Trong Phương trình 3.5, các hệ số thủy lực và vận tốc đều là giá trị khi cống chảy đầy.
Hệ số Manning n là giá trị độ nhám được sử dụng khi chu vi của cống được cấu tạo từ một vật liệu duy nhất. Nếu có nhiều vật liệu, cần sử dụng giá trị tổng hợp.

3.6.3 Thảo luận kết quả (Discussion of Results)

Mực nước đầu (headwater) khi kiểm soát tại cửa vào, thu được từ các Hình 3.31 hoặc 3.32, đã bao gồm cột áp vận tốc tiếp cận (approach velocity head).

Trong kiểm soát cửa ra, những giới hạn tương tự khi sử dụng phương pháp nước ngược xấp xỉ (approximate backwater method) cũng được áp dụng như đối với các cống có biểu đồ thiết kế. Cụ thể, nếu mực nước đầu (tính từ đáy cửa vào) nằm trong khoảng từ 1.2D đến 0.75D (với D là đường kính cống), thì cần thận trọng khi sử dụng kết quả. Đối với các công trình lớn và chi phí cao, nên kiểm tra lại kết quả bằng phương pháp tính toán nước ngược (trình bày tại Mục 3.5).

Nếu mực nước đầu nhỏ hơn 0.75D, không nên sử dụng phương pháp xấp xỉ. Khi đó, cần thực hiện tính toán nước ngược như minh họa trong ví dụ của Hướng dẫn thiết kế số 2 trong phần Phụ lục.

(nd: cột áp vận tốc tiếp cận – approach velocity head)

Khi nước chảy vào cống, nó đã có một vận tốc nhất định. Vận tốc này tạo ra một phần áp lực (cột áp) gọi là velocity head, thường tính bằng công thức:

Trong các biểu đồ Hình 3.31 và 3.32 (dùng để tra mực nước đầu), phần cột áp vận tốc tiếp cận này đã được bao gồm. Vì vậy, khi tính toán mực nước đầu cần thiết (headwater pool depth), bạn không cần cộng thêm phần velocity head nữa vì nó đã có trong kết quả khi tra biểu đồ. Điều này giúp đơn giản hóa tính toán và tránh việc cộng hai lần velocity head, dẫn đến kết quả sai lệch

(nd: “headwater depth” và “headwater poor depth”)

Headwater Depth là cách gọi phổ biến nhất – thể hiện chiều sâu mực nước thượng lưu so với đáy cống tại cửa vào.

• Được ký hiệu là HW
• Đơn vị: mét hoặc feet
• Thường được dùng trong các công thức tính toán thủy lực
• Dạng tỷ lệ thường thấy: HW/D

Đây là khái niệm chuẩn kỹ thuật trong HDS-5, biểu diễn chiều sâu nước cần thiết để đảm bảo lưu lượng chảy qua cống.

Headwater Poor Depth được dùng khi muốn nhấn mạnh yếu tố “hồ/ao/chổ trũng chứa nước phía thượng lưu”, đặc biệt là khi phía thượng lưu có hồ, vùng trũng, hoặc khi xét đến tác động của vận tốc dòng vào (approach velocity head).

• Là một cách mô tả khác của “headwater depth”, nhưng mang sắc thái thực địa hơn là toán học thuần túy.
• Trong HDS-5, cụm này thường được dùng trong các câu như: “…credit may be taken for the approach velocity head in determining the required headwater pool depth.”

→ tức là: chiều sâu nước đầu vào thực tế có thể thấp hơn nếu đã tính đến cột áp do vận tốc tiếp cận.

Headwater depth là thông số then chốt để:

1. Xác định liệu cống có bị ngập hay không.
2. Chọn kích thước và hình dạng cống phù hợp.
3. Tính toán kiểm soát dòng chảy tại cửa vào hay cửa ra (inlet vs outlet control).
4. Đánh giá nguy cơ xói lở hoặc ngập lụt ở phía thượng lưu.
5. Phù hợp với giới hạn thiết kế đường – ví dụ: không để mực nước ngập mặt đường hoặc vượt quá cao trình tối đa cho phép.