(Lược dịch từ HDS 5 của FHWA: Hydraulic Design Of Highway Culverts, Third Edition, April 2012)
HDS 5 (Hydraulic Design Series Number 5 – Loạt ấn phẩm thiết kế thủy lực số 5) ban đầu tổng hợp thông tin thiết kế cống được trình bày trong các HEC (Hydraulic Engineering Circulars – Tài liệu kỹ thuật thủy lực) số 5, 10 và 13, cùng với các thông tin liên quan về thủy văn, điều tiết dòng chảy và thiết kế cống đặc biệt. Phiên bản thứ ba này là lần cập nhật lớn đầu tiên của HDS 5 kể từ năm 1985, với việc cập nhật toàn bộ thông tin trước đây và bổ sung nội dung mới về các giải pháp phần mềm, khả năng di chuyển của sinh vật thủy sinh, đánh giá cống, cũng như sửa chữa và cải tạo cống. Kết quả là một tài liệu toàn diện về thiết kế cống.
Phụ lục của tài liệu này chứa các phương trình và phương pháp được sử dụng để phát triển các biểu đồ thiết kế (nomograph) và chương trình phần mềm, thông tin về sức cản thủy lực của cống, các biểu đồ thiết kế thường dùng, cùng với DG (Design Guidelines – Hướng dẫn thiết kế) minh họa các quy trình tính toán thiết kế cống khác nhau. Số lượng biểu đồ thiết kế được giảm bớt do sự gia tăng trong việc sử dụng các giải pháp phần mềm; tuy nhiên, toàn bộ tập hợp biểu đồ thiết kế cống vẫn sẽ được lưu trữ trong phiên bản thứ hai của HDS 5.
1.1 Tổng quan
Mục đích của tài liệu này là cung cấp thông tin phục vụ cho việc lập kế hoạch và thiết kế thủy lực cống (Hình 1.1 và 1.2).
- Chương 2 tóm tắt các yếu tố cần xem xét trong thiết kế, bao gồm thủy văn, dữ liệu hiện trường và đánh giá vị trí.
- Chương 3 cung cấp thông tin chi tiết về thiết kế thủy lực của thân cống (kích thước, hình dạng, vật liệu) và cấu hình cửa vào (đầu ống, tường chắn, tường cánh, vát mép và thu hẹp).
- Chương 4 trình bày tổng quan về các khái niệm thiết kế nhằm hỗ trợ sự di chuyển của sinh vật thủy sinh (AOP).
- Chương 5 tổng hợp nhiều chủ đề thiết kế khác nhau, bao gồm các đoạn cong, nút giao, xói lở, bồi lắng, điều chỉnh vị trí cống, yếu tố kết cấu, cống gãy khúc, điều tiết dòng chảy và các dạng hư hỏng.
- Chương 6 đề cập đến sửa chữa và cải tạo cống.
Phương pháp thiết kế trong tài liệu này cung cấp một cách tiếp cận đơn giản và nhất quán cho thiết kế cống. Tài liệu giả định rằng các nhà thiết kế có kinh nghiệm đã hiểu rõ các điều kiện dòng chảy khác nhau có thể xảy ra trong công trình thủy lực và có thể thực hiện các điều chỉnh phù hợp khi cần thiết. Những nhà thiết kế chưa có kinh nghiệm hoặc chưa quen thuộc với các hiện tượng thủy lực nên sử dụng tài liệu này một cách thận trọng. Tất cả độc giả sẽ được hưởng lợi nếu nắm vững các nguyên tắc thủy lực cơ bản được trình bày trong HDS 4 (Introduction to Highway Hydraulics – Nhập môn Thủy lực Đường Bộ, FHWA 2008a).
Danh sách kiểm tra, biểu đồ thiết kế, bảng số liệu và mẫu tính toán trong tài liệu này cung cấp cho nhà thiết kế các công cụ cần thiết để thực hiện nhiều phân tích và thiết kế thủy lực cống khác nhau. Tuy nhiên, cần nhận thức rằng thiết kế toàn diện của một vị trí cống không chỉ đơn thuần là thiết kế thủy lực. Các yếu tố khác cần xem xét bao gồm vị trí và hướng tuyến phù hợp, tải trọng, vật cản, ổn định lòng kênh và sự di chuyển của trầm tích, giảm thiểu yêu cầu bảo trì lâu dài, bảo vệ kênh thoát, an toàn, kết cấu, chi phí kinh tế và chi phí vòng đời. Bằng cách sử dụng thông tin thiết kế thủy lực trong tài liệu này kết hợp với các tài liệu khác của FHWA (Cục Quản lý Đường bộ Liên bang), có thể hoàn thiện một thiết kế cống toàn diện.
Các tài liệu liên quan bao gồm:
- HEC-9 – Đánh giá và Biện pháp kiểm soát rác thải (FHWA 2005a).
- HEC-14 – Thiết kế thủy lực của các thiết bị tiêu tán năng lượng cho cống và kênh (FHWA 2006a).
- HEC-20 – Ổn định dòng chảy tại các công trình đường bộ (FHWA 2012a).
- HEC-26 – Thiết kế cống hỗ trợ sự di chuyển của sinh vật thủy sinh (FHWA 2010a).
Hình 1.3 là sơ đồ tổng quan thể hiện các lựa chọn thiết kế chính thường được xem xét trong thiết kế cống. Các yếu tố khác bao gồm điều tiết dòng chảy, cống gãy khúc, thiết bị tiêu tán năng lượng, v.v.
1.2 So sánh giữa CULVERT, BRIDGE VÀ STORM DRAIN
Culvert (cống ngang), Bridge (cầu) và Storm Drain (cống thoát nước mưa) đều đóng vai trò trong việc quản lý và dẫn nước mưa chảy tràn trong hệ thống đường bộ. Nhà thiết kế phải quyết định phương pháp phân tích phù hợp tại một điểm giao cắt với dòng chảy hoặc lựa chọn các phương án thay thế. Đối với hầu hết các điểm giao cắt với dòng chảy trên đường bộ, lựa chọn thường là giữa Culvert và Bridge. Phân tích Storm Drain đôi khi cũng cần thiết và sẽ được thảo luận ở cuối phần này.
Khi so sánh Culvert và Bridge, nhà thiết kế cần xác định loại công trình nào phù hợp nhất cho một vị trí cụ thể, sau đó quyết định phương pháp phân tích phù hợp. Ví dụ, trong nhiều trường hợp, một Culvert hộp lớn có thể bắt đầu giống với một Bridge nhỏ có một nhịp đơn với tường mố thẳng đứng, do đó:
- Công trình nào được ưu tiên hơn về mặt thủy lực, thẩm mỹ và kinh tế?
- Công trình nên được phân tích theo cách nào? (Như một Bridge với dòng chảy mặt tự do, sử dụng các khái niệm dòng chảy hở thay đổi dần, hay như một Culvert với mực nước đầu vào dựa trên phương pháp phân tích cống truyền thống?)
Culvert được sử dụng khi:
- Về mặt thủy lực không bắt buộc phải là Bridge.
- Mức độ ảnh hưởng của rác và băng đá có thể chấp nhận được.
- Kinh tế hơn so với Bridge (bao gồm cả chi phí lan can và các yếu tố an toàn).
Bridge được sử dụng khi:
- Culvert không khả thi.
- Kinh tế hơn so với culvert.
- Đáp ứng yêu cầu về sử dụng đất và tiếp cận khu vực.
- Giải quyết các vấn đề môi trường mà culvert không thể đáp ứng.
- Tránh xâm phạm vùng lũ.
- Có khả năng chịu tải băng đá và rác lớn.
Trước đây, yếu tố kinh tế đóng vai trò quan trọng nhất trong việc quyết định sử dụng Bridge hay Culvert tại các điểm giao cắt với dòng chảy, miễn là cả hai phương án đều đáp ứng yêu cầu thủy lực và kết cấu. Chi phí ban đầu của Culvert thường thấp hơn so với Bridge, vì việc cho phép headwater (mực nước đầu vào) cao hơn giúp giảm kích thước khẩu độ cần thiết (Hình 1.4). Ngược lại, Bridge thường được thiết kế với freeboard (tĩnh không an toàn) tại lưu lượng thiết kế. Tuy nhiên, lợi thế này cần được cân nhắc với rủi ro lũ lụt tiềm ẩn do mực nước đầu vào cao hơn, đặc biệt trong trường hợp lưu lượng lớn. Ngoài ra, các yêu cầu về AOP (Aquatic Organism Passage – Lối đi thủy sinh) gần đây thường đòi hỏi khẩu độ lớn hơn với đáy tự nhiên, điều này có thể làm thay đổi lựa chọn thiết kế.
Chi phí bảo trì của Culvert có thể phát sinh do xói lở kênh tại cửa vào và cửa ra, hư hại đáy Culvert, bồi lắng trầm tích, tích tụ băng và rác, cũng như sửa chữa mái taluy khi bị tràn. Trong khi đó, bảo trì Bridge thường tốn kém hơn, bao gồm các công việc như duy trì mặt cầu và kết cấu thượng tầng, xử lý xói lở quanh trụ cầu và mố cầu, cũng như tích tụ trầm tích và rác tại các cấu kiện.
Yếu tố an toàn và thẩm mỹ cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn giữa Bridge và Culvert. Các biện pháp an toàn đối với Culvert có thể bao gồm lắp đặt guardrails (lan can bảo vệ) hoặc safety grates (lưới an toàn). Một lưu ý quan trọng là theo NBIS (National Bridge Inspection Standards – Tiêu chuẩn Kiểm định Cầu Quốc gia), các Culvert có khẩu độ vượt quá 20 ft (6.1 m) (bao gồm cả culvert đơn hoặc tổng khẩu độ của culvert nhiều khoang) được phân loại như Bridge và phải tuân theo quy trình kiểm định định kỳ của NBIS. Ngoài ra, mặt cầu có thể làm giảm chiều rộng lề đường và dải phân cách, đồng thời dễ bị đóng băng vào mùa lạnh, gây nguy hiểm cho phương tiện giao thông. Về mặt thẩm mỹ, Bridge thường được xem là lựa chọn tối ưu hơn khi băng qua thung lũng hoặc hẻm núi có cảnh quan đẹp.
Sự khác biệt trong giả định thủy lực và phương pháp phân tích giữa Culvert và Bridge
Có sự khác biệt trong các giả định thủy lực và phương pháp phân tích được sử dụng cho Culvert và Bridge. Phân tích dòng chảy trong kênh hở tại bất kỳ cấu trúc nào có thể dựa trên các giả định đơn giản về độ sâu normal hoặc các tính toán phức tạp hơn về gradually varied flow (dòng chảy biến đổi dần).
Đối với Culver, điều kiện tailwater (nước đuôi) ở hạ lưu cống thường được tính toán dựa trên độ sâu normal. Điều này có nghĩa là dòng chảy ở phía hạ lưu của cống được giả định là đạt trạng thái cân bằng mà không có sự thay đổi đột ngột trong độ sâu dòng chảy. Ngoài ra, phương pháp phân tích Culvert thường giả định không có vận tốc dòng chảy tiếp cận Culvert hoặc ở đoạn kênh ngay sau Culvert, điều này có thể dẫn đến việc đánh giá quá cao tổn thất tại cửa vào và cửa ra.
Ngược lại, phân tích thủy lực Bridge thường dựa trên tính toán dòng chảy thay đổi dần, giúp xác định bề mặt dòng chảy chính xác hơn trên toàn bộ khu vực tuyến đường giao cắt dòng chảy, đồng thời tính đến vận tốc dòng chảy tiếp cận và rời khỏi công trình.
Phân tích thủy lực cho Culvert có dòng chảy mặt tự do
Về cơ bản, các Culvert lớn có dòng chảy mặt tự do (không có mực nước đầu vào – headwater) thường được phân tích tốt hơn dựa trên khái niệm dòng chảy hở thay đổi dần, tương tự như trong phân tích thủy lực Bridge, thay vì sử dụng các phương pháp tính toán Culvert chi tiết trong tài liệu này.
Các công trình nhỏ hơn thường dễ dàng thiết kế bằng phương pháp phân tích Culvert truyền thống.
Dựa trên quy định của NBIS và các vấn đề thủy lực, một hướng dẫn hợp lý là sử dụng mô hình thủy lực theo Bridge cho Culvert đơn có khẩu độ từ 20 ft (6.1 m) trở lên, vì những công trình này thường vận hành với dòng chảy mặt tự do.
Đối với các điểm giao cắt với dòng chảy nhỏ sử dụng Culvert kích thước lớn, chẳng hạn như AOP Culvert, phương pháp phân tích thủy lực theo Bridge có thể phù hợp hơn, do điều kiện dòng chảy mặt tự do dự kiến trong công trình.
Khi nào một Culvert dài có thể được xem là Storm Drain?
Ở một thái cực khác, khi nào một Culvert dài bắt đầu giống với hệ thống Storm Drain ngắn? Nếu trong Culvert có nhiều điểm thu nước (chẳng hạn như trên đường hoặc các cửa thu nước trung tâm), nhiều thay đổi hình học (đoạn cong, thay đổi kích thước ống, thay đổi độ dốc, v.v.), hoặc biến đổi chế độ dòng chảy bên trong công trình, thì các phương pháp phân tích Storm Drain thường chính xác hơn. Trong những trường hợp này, việc sử dụng các mô phỏng thủy lực nâng cao bằng phần mềm có thể được ưu tiên hơn so với phương pháp phân tích Culvert thông thường được mô tả trong tài liệu này.
Thông tin được trình bày trong phần còn lại của tài liệu này giả định rằng quyết định đã được đưa ra để thiết kế Culvert, thay vì Bridge, và rằng Culvert cần được thiết kế hoặc phân tích không quá lớn đến mức được xem là Bridge, cũng không quá dài hoặc phức tạp đến mức được xem là Storm Drain.
Để biết thêm thông tin chi tiết về thủy lực và phân tích Bridge, tham khảo HDS 7, “Hydraulic Design of Safe Bridges” (FHWA 2012b). Để biết thêm thông tin chi tiết về thiết kế Storm Drain, tham khảo HEC-22, Urban Drainage Design (FHWA 2009a).
1.3 Tổng quan về Culvert
Culvert là một cống dẫn nước, cho phép dòng chảy đi qua nền đường hoặc vượt qua một dạng vật cản dòng chảy khác. Culvert được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau và có nhiều hình dạng cũng như cấu hình đa dạng. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn Culvert bao gồm mặt cắt đường, đặc điểm kênh, đánh giá thiệt hại do lũ lụt, chi phí xây dựng và bảo trì, cũng như tuổi thọ ước tính của công trình.
1.3.1 Hình dạng
Có nhiều hình dạng mặt cắt khác nhau dành cho cả cống kín và cống đáy hở. Các hình dạng phổ biến nhất của cống kín bao gồm tròn, hộp (chữ nhật), elip, và vòm ống (pipe-arch) (Hình 1.5a). Các loại Culvert sản xuất theo tiêu chuẩn này có cùng một loại vật liệu trên toàn bộ chu vi.
Việc lựa chọn hình dạng Culvert dựa trên chi phí xây dựng, giới hạn mực nước phía thượng lưu, chiều cao nền đường và hiệu suất thủy lực. Những hình dạng này có thể được thiết kế với lớp lót đáy (embedment), là một vùng trũng bên dưới lòng kênh tại cả cửa vào và cửa ra của Culvert.
Các công cụ hỗ trợ thiết kế chỉ được cung cấp trong phần phụ lục đối với Culvert tròn và hộp. Các hình dạng điển hình của Culvert đáy hở bao gồm các cấu hình hộp và vòm, được thể hiện trong Hình 1.5b. Các mặt cắt hình học trong Hình 1.5a và 1.5b, cùng với các hình dạng do người dùng tùy chỉnh, tạo thành tập hợp hình dạng tiêu chuẩn có sẵn trong phần mềm thiết kế Culvert HY-8 của FHWA.
1.3.2 Vật liệu
Việc lựa chọn vật liệu cho Culvert có thể phụ thuộc vào độ bền kết cấu, độ nhám thủy lực, độ bền (khả năng chống ăn mòn và mài mòn), và tính khả thi trong thi công.
Các vật liệu Culvert được sử dụng phổ biến nhất bao gồm:
- Bê tông (cốt thép và không cốt thép)
- Kim loại lượn sóng (nhôm hoặc thép)
- Nhựa (high-density polyethylene – HDPE hoặc polyvinyl chloride – PVC)
Culvert hộp bê tông và ống kim loại lượn sóng lần lượt được minh họa trong Hình 1.6 và Hình 1.7.
Các vật liệu ít phổ biến hơn bao gồm: đất sét, đá và gỗ, thường được tìm thấy trong các công trình Culvert lịch sử.
Vật liệu sử dụng cho Culvert vẫn tiếp tục được phát triển và trong tương lai có thể bao gồm các loại nhựa khác, sợi thủy tinh và vật liệu composite.
Ngoài ra, Culvert cũng có thể được lót bằng các vật liệu khác để chống ăn mòn, mài mòn, hoặc giảm sức cản thủy lực. Ví dụ, Culvert kim loại lượn sóng có thể được lót bằng bê tông nhựa hoặc vật liệu polymer.
1.3.3 Cửa vào (Inlets)
Có nhiều cấu hình cửa vào khác nhau được sử dụng cho Culvert. Các cấu hình này có thể bao gồm cả loại đúc sẵn và loại thi công tại chỗ.
Các cấu hình cửa vào thường được sử dụng bao gồm:
- Ống Culvert nhô ra
- Tường đầu bê tông đổ tại chỗ (cast-in-place concrete headwalls)
- Phần đầu vào đúc sẵn hoặc lắp ghép (precast or prefabricated end sections)
- Cửa vào Culvert được cắt vát để phù hợp với độ dốc lớp đắp (Hình 1.8)
Việc lựa chọn cấu hình cửa vào phù hợp cần xem xét đến hiệu suất thủy lực, độ ổn định kết cấu, tính thẩm mỹ, kiểm soát xói lở, và khả năng giữ vật liệu đắp.
Khả năng thoát nước của Culvert có thể được cải thiện bằng cách lựa chọn cửa vào phù hợp. Kênh dẫn thường rộng hơn so với ống Culvert, dẫn đến sự thu hẹp dòng chảy tại cửa vào, điều này có thể trở thành yếu tố kiểm soát dòng chảy chính. Việc thiết kế một quá trình chuyển đổi dòng chảy dần dần hơn sẽ giúp giảm tổn thất năng lượng, từ đó tạo ra điều kiện cửa vào hiệu quả hơn về mặt thủy lực (Hình 1.9). Do đó, cạnh vát (beveled edges) hiệu quả hơn so với cạnh vuông (square edges).
Cửa vào vát bên (side-tapered) và cửa vào vát theo độ dốc (slope-tapered), thường được gọi chung là cửa vào vát (tapered inlets), giúp giảm bớt sự thu hẹp dòng chảy. Hình 1.10 minh họa cả hai loại cửa vào vát bên và cửa vào vát theo độ dốc. Sự hạ thấp (depression) có thể làm tăng cột nước hiệu dụng tại vùng kiểm soát dòng chảy, từ đó cải thiện hiệu suất của Culvert. Phần hạ thấp này có thể là hạ thấp tại cửa vào (inlet depression) hoặc hạ thấp tại họng (throat depression).
Khi xem xét việc sử dụng cửa vào vát (tapered inlet), người thiết kế cần đánh giá chi phí xây dựng tăng thêm của phần vát so với khoản tiết kiệm chi phí từ việc giảm kích thước ống Culvert.
Ngoài ra, nếu AOP (Aquatic Organism Passage – Lối đi cho sinh vật thủy sinh) là một yếu tố quan trọng, thì việc giảm kích thước ống Culvert khi sử dụng cửa vào vát thường không phải là một giải pháp thiết kế phù hợp. Tuy nhiên, khi cửa vào vát khả thi, hiệu suất thủy lực có thể được cải thiện đáng kể trong một số trường hợp.
Ví dụ điển hình là một Culvert dài trên địa hình dốc lớn, nhưng không có vấn đề liên quan đến AOP, thường xuất hiện trong khu vực đô thị. Một ứng dụng khác là trong dự án mở rộng đường, khi ống Culvert hiện có vẫn còn tốt, nhưng bị thiếu kích thước do quá trình đô thị hóa làm tăng lưu lượng thiết kế.
Thay vì thay thế Culvert hiện có (gây tốn kém và làm gián đoạn giao thông), có thể thiết kế cửa vào vát như một phần mở rộng của Culvert để cải thiện hiệu suất thủy lực.
Một ví dụ khác là cải tạo Culvert dưới lớp đắp cao, trong đó cửa vào vát tại lối vào có thể giúp bù đắp cho lớp lót bên trong làm giảm diện tích cửa vào và kích thước ống Culvert.
1.3.4 Culvert đặt chìm (Embedded Culvert) và Culvert đáy hở (Open-Bottom Culvert)
Culvert đặt chìm (Embedded Culvert) và Culvert đáy hở (Open-Bottom Culvert) tạo ra một đáy tự nhiên (natural invert), điều này có thể mang lại lợi ích trong nhiều trường hợp.
Ví dụ, Culvert đặt chìm và Culvert đáy hở thường được sử dụng tại các điểm giao cắt với dòng chảy (crossing) nhằm giải quyết vấn đề AOP (Aquatic Organism Passage – Lối đi cho sinh vật thủy sinh). Ngoài ra, đáy tự nhiên cũng có thể phù hợp với các kênh có vận chuyển trầm tích cao (high sediment transport channels), đặc biệt khi vật liệu dòng chảy bao gồm sỏi hoặc đá lớn (gravels, cobbles), nơi mà hiện tượng mài mòn (abrasion) do trầm tích di chuyển có thể nhanh chóng phá hủy đáy Culvert.
Các lý do khác để sử dụng đáy tự nhiên có thể bao gồm yếu tố thẩm mỹ (aesthetic considerations).
Culvert đáy hở (Open-Bottom Culvert) thường có dạng hộp (box) hoặc vòm (arch), được xây dựng trên một nền móng tường đứng (vertical wall foundation) (Hình 1.11). Thiết kế nền móng cần xem xét nguy cơ xói lở lòng kênh (scour potential of the streambed), có thể làm mất ổn định kết cấu – đây là một trong những nguyên nhân hư hỏng phổ biến (common failure mode) của loại Culvert này. Thông tin về xói lở do dòng chảy song song với tường Culvert (scour from flow parallel to a wall) còn hạn chế, nhưng điều này có thể xảy ra dọc theo nền móng của Culvert đáy hở. Hướng dẫn thiết kế bảo vệ nền bằng đá riprap (riprap protection design guideline) cho Culvert đáy hở có thể tham khảo trong HEC-23 (FHWA 2009b). Tuy nhiên, nếu nguy cơ xói lở cao (if the scour potential is great), một phương án ít rủi ro hơn (less risky alternative) so với Culvert đáy hở có thể là Culvert đặt chìm.
Culvert đặt chìm (Embedded Culvert) có thể có nhiều hình dạng khác nhau (various shapes), nhưng phổ biến nhất vẫn là dạng tròn (circular), hộp (box) hoặc vòm ống (pipe arch), được chôn xuống đất (buried into the ground) khoảng 20-40% chiều cao của nó (Hình 1.12). Một lợi ích của Culvert đặt chìm là đáy Culvert giúp kiểm soát độ dốc dòng chảy (grade control), đồng thời bảo vệ khỏi xói lở nghiêm trọng (protection against extreme scour) so với Culvert đáy hở.
Mối quan tâm ngày càng tăng đối với Culvert đáy hở (Open-Bottom Culvert) và Culvert đặt chìm (Embedded Culvert), đặc biệt trong các ứng dụng liên quan đến AOP (Aquatic Organism Passage – Lối đi cho sinh vật thủy sinh), đã thúc đẩy nhiều nghiên cứu bổ sung về đặc tính thủy lực của chúng.
Một trong những nghiên cứu này là dự án do Chương trình Nghiên cứu Đường cao tốc Hợp tác Quốc gia (NCHRP Project 15-24) thực hiện, nhằm cải tiến hệ số tổn thất thủy lực hiện có và phát triển các hệ số tổn thất thủy lực mới cho cả các công trình Culvert truyền thống và phi truyền thống, đặc biệt là các công trình nhạy cảm với môi trường (NCHRP 2011).
Nghiên cứu bao gồm việc đánh giá tổn thất thủy lực tại cửa vào và cửa ra của Culvert đặt chìm và Culvert đã được lót lại (re-lined) (Phụ lục A).
Ngoài ra, nghiên cứu còn đánh giá các phương pháp tính toán tổn thất thủy lực tổng hợp (composite hydraulic loss) đối với Culvert đáy hở và Culvert đặt chìm, trong trường hợp độ nhám của đáy và vật liệu Culvert khác nhau.
Chương 3 trình bày phương pháp truyền thống để xác định độ nhám tổng hợp (composite roughness), phương pháp này đã được nghiên cứu NCHRP xác nhận.
1.3.5 Điểm giao cắt nước nông (Low Water Crossings)
Điểm giao cắt nước nông được thiết kế để cho phép phương tiện đi qua an toàn khi dòng chảy thấp, nhưng sẽ bị tràn nước khi lưu lượng cao, do đó không thể sử dụng trong điều kiện lũ. Điểm giao cắt với dòng chảy nước nông là một giải pháp thay thế an toàn, tiết kiệm chi phí so với Bridge và Culvert trong một số tuyến đường có lưu lượng thấp, miễn là điều kiện dòng chảy và đường sá phù hợp.
Các tiêu chuẩn và tiêu chí thiết kế cho loại công trình này được quy định trong Sổ tay Phát triển và Thiết kế Dự án (Project Development and Design Manual – FHWA 2008b) và trong tài liệu của Cơ quan Lâm nghiệp Hoa Kỳ (USFS) mang tên “Low-water Crossings: Geomorphic, Biological, and Engineering Design Considerations” (USFS 2006).
Các tiêu chuẩn này phân loại điểm giao cắt nước nông thành hai loại chính:
- Loại có lỗ thoát nước (vented crossing)
- Loại không có lỗ thoát nước (unvented crossing)
🔹 Điểm giao cắt có lỗ thoát nước bao gồm một khoang thủy lực dưới mặt đường, cho phép dòng chảy nhỏ đi qua.
🔹 Điểm giao cắt không có lỗ thoát nước không có khoang thoát nước nào mà chỉ đơn giản là một đoạn đường võng xuống để phù hợp với cao độ dòng chảy, hoặc có thể hơi cao hơn lòng kênh.
Các điểm giao cắt không có lỗ thoát nước thường xuất hiện tại vùng khí hậu khô hạn, nơi các kênh dòng chảy khô cạn trong phần lớn thời gian trong năm (Hình 1.13).
Ngược lại, điểm giao cắt có lỗ thoát nước về cơ bản là một Culvert có kích thước đủ để cho dòng chảy nhỏ đi qua, nhưng vẫn sẽ tràn nước qua mặt đường khi lưu lượng lớn (Hình 1.14).
Theo thiết kế, điểm giao cắt này hoạt động như Culvert khi dòng chảy nhỏ, nhưng sẽ hoạt động như một đập tràn mặt rộng kết hợp với dòng chảy Culvert khi lưu lượng tăng cao.
Trong các sự kiện mưa lớn, dòng chảy tại điểm giao cắt nước nông có hoặc không có lỗ thoát nước có thể đủ mạnh để cuốn trôi phương tiện xuống hạ lưu. Do đó, biển cảnh báo trước điểm giao cắt là rất quan trọng và cần giới hạn phương tiện đi qua khi mực nước vượt quá độ sâu cho phép, có thể được đánh dấu bằng cột cảnh báo ngay tại điểm giao cắt hoặc khu vực lân cận.
Bảo vệ mặt đường và mái taluy khỏi xói lở trong điều kiện tràn nước là một yếu tố thiết kế quan trọng đối với điểm giao cắt nước nông.
Sự sụt giảm cao độ mặt nước và gia tăng vận tốc dòng chảy khi nước tràn qua mặt đường có thể gây ra xói lở và sạt lở ở phía hạ lưu, điều này đòi hỏi biện pháp bảo vệ, thường là xếp đá riprap dọc theo mái taluy hoặc gia cố mái taluy bằng bê tông.
Một yếu tố khác cần cân nhắc là tác động tiềm tàng của công trình đối với AOP (Aquatic Organism Passage – Lối đi cho sinh vật thủy sinh).
1.3.6 Lối đi cho sinh vật thủy sinh (Aquatic Organism Passage – AOP)
Trước đây, Culvert được thiết kế chủ yếu dựa trên khả năng thoát nước và kiểm soát lũ.
Mục tiêu chính là xác định kích thước Culvert phù hợp để duy trì mực nước dâng (ponding) chấp nhận được ở phía thượng lưu của đường, được xác định bởi cao độ mực nước đầu vào (allowable headwater elevation).
Cách tiếp cận này thường dẫn đến việc thiết kế công trình có kích thước nhỏ hơn và hẹp hơn đáng kể so với lòng kênh, làm thu hẹp dòng chảy, tăng vận tốc và nguy cơ xói lở (scour potential).
Sự thu hẹp dòng chảy làm thay đổi chế độ dòng chảy tự nhiên, tạo ra rào cản đối với sự di chuyển của cá bên trong hoặc gần Culvert. Những lo ngại về tác động của các rào cản này, đặc biệt đối với cá di cư (migrating fish), đã dẫn đến sự phát triển của các khái niệm thiết kế Culvert mới dựa trên khả năng di chuyển và hành vi của cá trong các giai đoạn sống khác nhau. Mặc dù trọng tâm ban đầu của nghiên cứu là việc di chuyển của cá, nhưng sau đó người ta nhận ra rằng nhiều loài sinh vật thủy sinh khác (ví dụ: ếch, kỳ giông, rùa) cũng bị ảnh hưởng, và vấn đề này dần được hiểu rõ hơn với tên gọi lối đi cho sinh vật thủy sinh (Aquatic Organism Passage – AOP).
Ban đầu, các tiêu chí thiết kế của Culvert đáp ứng AOP tập trung vào:
- Giảm thiểu sự thu hẹp dòng chảy tại cửa vào
- Duy trì vận tốc hợp lý và mực nước dòng chảy bên trong Culvert
- Tránh thay đổi đột ngột về cao độ hoặc độ dốc
- Duy trì đáy kênh tự nhiên (natural channel bottom)
Khi kiến thức về AOP phát triển, trọng tâm dần chuyển sang mô phỏng lại kênh tự nhiên bên trong Culvert ở mức tốt nhất có thể. Quy trình thiết kế AOP của FHWA để tạo điều kiện tốt hơn cho dòng chảy tự nhiên trong Culvert được trình bày chi tiết trong HEC-26 (FHWA 2010a). Tóm tắt của nội dung này được đề cập trong Chương 4.
Khi AOP là một mối quan tâm, Culvert thường được thiết kế lớn hơn mức cần thiết để đáp ứng tiêu chuẩn thoát nước và kiểm soát lũ.
📌 Ưu điểm và nhược điểm của Culvert lớn hơn tiêu chuẩn:
✔ Chi phí ban đầu cao hơn do kích thước lớn hơn.
✔ Giảm chi phí bảo trì trong suốt vòng đời của công trình.
✔ Culvert đặt chìm (Embedded Culvert) được ưu tiên, vì nó không chỉ cung cấp đáy tự nhiên, mà còn giúp kiểm soát độ dốc dòng chảy (grade control).
Ngoài ra, có nhiều loại công trình và cấu hình khác nhau cũng có thể được sử dụng để cải thiện điều kiện AOP.
1.3.7 Culvert nhịp dài (Long Span Culverts)
Culvert nhịp dài được xác định chủ yếu dựa trên khía cạnh thiết kế kết cấu hơn là các yếu tố thủy lực.
Theo Tiêu chuẩn Cầu Đường cao tốc (Specifications for Highway Bridges – AASHTO 2002), các Culvert nhịp dài bằng tấm kết cấu (long span structural plate structures) bao gồm:
- Vượt quá kích thước tối đa được quy định đối với ống tròn (pipes), ống vòm (pipe-arches) và vòm (arches), hoặc
- Có hình dạng đặc biệt (special shapes) với bán kính cong lớn ở vòm trên hoặc tấm thành bên.
Các hình dạng đặc biệt (special shapes) bao gồm:
- Hình elip đứng và ngang (vertical and horizontal ellipses)
- Đường hầm chui (underpasses)
- Vòm có mặt cắt thấp và cao (low and high profile arches)
Thông thường, nhịp của Culvert nhịp dài dao động từ 20 đến 40 ft (7m đến 14m).
Một số hình dạng điển hình của Culvert nhịp dài đã được minh họa trong Hình 1.5b.
Một ví dụ về Culvert nhịp dài điển hình được trình bày trong Hình 1.15.
Culvert nhịp dài (Long span culverts) phụ thuộc vào tương tác với nền đất đắp (earth embankment) để đảm bảo độ ổn định kết cấu (structural stability).
Do đó, việc chuẩn bị nền móng (bedding), lựa chọn và đầm nén vật liệu lấp (backfill compaction) là yếu tố quan trọng hàng đầu.
Đối với Culvert nhiều khoang (multiple barrel structures), cần đặc biệt chú ý tránh tải trọng không cân bằng (unbalanced loads) trong quá trình lấp đất sau khi lắp đặt (backfilling).
Một số nhà sản xuất Culvert nhịp dài quy định rằng sản phẩm của họ chỉ được bán khi thiết kế và lắp đặt được giám sát bởi kỹ sư của họ. Nếu yêu cầu này không bắt buộc, cần có sự phối hợp với đội ngũ kỹ thuật của nhà sản xuất để đảm bảo chất lượng công trình.
Các nhà sản xuất khác nhau sử dụng các kỹ thuật khác nhau để đạt được cấu hình Culvert nhịp dài mong muốn. Một số phương pháp phổ biến bao gồm:
- Gia cố bằng gân tăng cứng (reinforcing ribs) để tăng độ bền kết cấu.
- Lắp đặt các thanh giằng kết cấu dọc (longitudinal structural stiffeners) trên vòm phía trên (top arch) để gia cố Culvert.
Tuy nhiên, gân tăng cứng và thanh giằng nhô ra vào trong Culvert có thể làm tăng sức cản thủy lực (hydraulic resistance), đặc biệt nếu các phần tử này vuông góc với hướng dòng chảy.
Việc cố định hai đầu Culvert nhịp dài (anchorage of the ends) là cần thiết để ngăn chặn hiện tượng nổi (flotation) hoặc hư hỏng do vận tốc cao tại cửa vào (high velocities at the inlet). Điều này đặc biệt quan trọng đối với các cửa vào vát (mitered inlets). Do đó, góc vát quá lớn (severe miters) hoặc cửa vào nghiêng (skews) không được khuyến nghị.
Các nguyên tắc thủy lực đối với Culvert nhịp dài cũng tương tự như các loại Culvert khác. Tuy nhiên, do kích thước lớn, loại Culvert này hiếm khi có dòng chảy vượt quá đỉnh ống (top of the barrel) và thường chỉ đầy một phần ở lưu lượng thiết kế (partly full at the design discharge). Do đó, phương pháp tính toán dòng chảy hở với mực nước dâng ngược (normal open channel flow backwater calculations) thường là cách tiếp cận phân tích tối ưu để đánh giá hiệu suất thủy lực. Đối với các loại Culvert đáy hở (open-bottom shapes), cần phải xem xét thiết kế và biện pháp bảo vệ chống xói lở (scour protection) dọc theo nền móng.
1.3.8 Chức năng của Culvert (Culvert Function)
Culvert có nhiều chức năng khác nhau, bao gồm các chức năng thủy lực và phi thủy lực.
Chức năng thủy lực (Hydraulic Functions)
Chức năng thủy lực phổ biến nhất của Culvert là thoát nước ngang (cross drainage) cho dòng chảy qua điểm giao cắt với dòng chảy, như đã đề cập trước đó trong chương này.
Ngoài ra, Culvert còn có chức năng thoát lũ cho vùng ngập (floodplain relief), trong đó Culvert có thể được đặt ở vùng bãi bồi (overbank) của một vùng ngập rộng để thoát nước cho khu vực này trong các trận lũ lớn.
Những Culvert thoát lũ này thường không có kênh xác định ở phía thượng lưu hoặc hạ lưu và có thể khô hạn trong nhiều năm trước khi có dòng chảy.
Các Culvert nhỏ hơn thường được sử dụng để thoát nước rãnh dọc đường (ditch relief), giúp chuyển hướng một phần dòng chảy từ rãnh thoát nước dọc theo đường.
Ngoài ra, Culvert cũng thường được tích hợp vào các công trình điều tiết dòng chảy (outlet control structures) của hồ điều hòa (detention ponds) và các hệ thống quản lý nước khác.
Chức năng phi thủy lực (Non-Hydraulic Functions)
Ngoài chức năng thủy lực, Culvert còn được sử dụng như công trình vượt qua chướng ngại vật cho con người hoặc động vật. Các ứng dụng phi thủy lực phổ biến bao gồm:
✔ Lối đi cho người đi bộ hoặc đường mòn (pedestrian or trail crossing)
✔ Lối đi cho gia súc (cattle crossings)
✔ Đường đi cho máy móc nông nghiệp (farm equipment access)
✔ Công trình hỗ trợ di chuyển động vật hoang dã (wildlife movement crossings)
1.4 Thủy lực của Culvert (Culvert Hydraulics)
Phân tích lý thuyết toàn diện về thủy lực của Culvert dựa trên các phương trình cơ bản có thể khó thực hiện.
Điều kiện dòng chảy trong Culvert có thể thay đổi theo thời gian.
📌 Các yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái dòng chảy trong Culvert:
✔ Culvert có thể đầy hoàn toàn (full flow) hoặc chỉ đầy một phần (partly full flow), tùy thuộc vào:
- Điều kiện thượng lưu và hạ lưu (upstream and downstream conditions)
- Đặc điểm của ống Culvert (barrel characteristics)
- Hình dạng cửa vào (inlet geometry)
Do sự thay đổi này và sự thiếu nhất quán trong phương pháp thiết kế Culvert, Cơ quan Quản lý Đường cao tốc Liên bang Mỹ (FHWA – Federal Highway Administration), trước đây là Cục Đường bộ Công cộng (BPR – Bureau of Public Roads), đã tiến hành nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Tiêu chuẩn Quốc gia (NBS – National Bureau of Standards) từ những năm 1950.
Nghiên cứu này đã dẫn đến chuỗi 7 báo cáo nghiên cứu và các phương trình thủy lực được trình bày trong Phụ lục A.
📌 Ứng dụng của nghiên cứu này:
- Các phương trình đã được sử dụng để phát triển biểu đồ nomograph giúp đánh giá thủy lực Culvert (Phụ lục C).
- Các biểu đồ nomograph này là cơ sở của quy trình thiết kế Culvert của FHWA, lần đầu tiên được công bố trong:
- HEC-5 (FHWA 1965)
- HEC-13 (FHWA 1972a)
- Và hiện tại được trình bày trong tài liệu này.
Cách tiếp cận cơ bản trong HEC-5 là phân tích Culvert theo nhiều dạng kiểm soát dòng chảy khác nhau và sau đó thiết kế theo trường hợp kiểm soát có hiệu suất thấp nhất.
📌 Lý do thiết kế theo hiệu suất thấp nhất:
✔ Bỏ qua điều kiện dòng chảy thoáng qua (transient conditions) có thể tạo ra hiệu suất tốt hơn trong một số giai đoạn.
✔ Thiết kế đơn giản hơn, dễ thực hiện.
✔ Đảm bảo Culvert vẫn hoạt động tốt trong điều kiện thủy lực bất lợi nhất.
1.4.1 Điều kiện dòng chảy (Flow Conditions)
Một thân ống Culvert (culvert barrel) có thể chảy đầy toàn bộ chiều dài (full flow) hoặc chỉ đầy một phần (partly full flow). Dòng chảy đầy hoàn toàn trong Culvert là rất hiếm.
Thông thường, ít nhất một phần của Culvert sẽ chảy đầy một phần.
Việc tính toán mặt cắt dòng chảy (water surface profile calculation) là cách duy nhất để xác định chính xác mức độ Culvert chảy đầy.
a. Dòng chảy đầy (Full Flow)
Điều kiện thủy lực trong một Culvert chảy đầy được gọi là dòng chảy áp lực (pressure flow).
Nếu diện tích mặt cắt ngang của Culvert trong chế độ dòng chảy áp lực được tăng lên, thì diện tích dòng chảy cũng sẽ mở rộng.
📌 Một số điều kiện có thể tạo ra dòng chảy áp lực trong Culvert:
- Áp suất ngược (back pressure) do mực nước cao ở hạ lưu (high downstream water surface elevation).
- Mực nước cao ở thượng lưu (high upstream water surface elevation) cũng có thể dẫn đến dòng chảy đầy.
Dù nguyên nhân là gì, khả năng vận hành của một Culvert dưới dòng chảy áp lực bị ảnh hưởng bởi:
- Điều kiện thượng lưu và hạ lưu (upstream and downstream conditions).
- Đặc điểm thủy lực của Culvert (hydraulic characteristics of the culvert).
b. Dòng chảy đầy một phần (Partly Full – Free Surface Flow)
Dòng chảy mặt thoáng (free surface flow) hay dòng chảy kênh hở (open channel flow) có thể được phân loại thành:
- Dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow).
- Dòng chảy tới hạn (critical flow).
- Dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow).
Việc xác định chế độ dòng chảy thích hợp được thực hiện bằng cách đánh giá số không thứ nguyên (dimensionless number) Fr, được gọi là số Froude (Froude number).
Trong phương trình này:
- V là vận tốc trung bình của dòng chảy (average velocity of flow).
- g là gia tốc trọng trường (gravitational acceleration).
- y là độ sâu đại diện (representative depth), thường được xác định bằng độ sâu tương đương (equivalent depth) hoặc độ sâu thủy lực (hydraulic depth).
📌 Xác định độ sâu đại diện (y):
- Độ sâu tương đương (equivalent depth) thường được sử dụng cho mặt cắt tròn và được xác định bằng: y=A2y = \sqrt{\frac{A}{2}} Trong đó A là diện tích mặt cắt dòng chảy.
- Độ sâu thủy lực (hydraulic depth) được sử dụng cho các mặt cắt khác và được tính bằng công thức: y=ATy = \frac{A}{T} Trong đó:
- A là diện tích mặt cắt dòng chảy.
- T là chiều rộng mặt nước tự do (free water surface width).
📌 Phân loại dòng chảy theo số Froude (Fr):
- Nếu Fr > 1.0, dòng chảy là siêu tới hạn (supercritical flow) và được đặc trưng bởi tốc độ nhanh (rapid flow).
- Nếu Fr < 1.0, dòng chảy là dưới tới hạn (subcritical flow) và được đặc trưng bởi dòng chảy êm (tranquil flow).
- Nếu Fr = 1.0, dòng chảy được xác định là tới hạn (critical flow).
Ba chế độ dòng chảy được minh họa trong Hình 1.16, mô tả một đập nhỏ (small dam).
- Dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow) xảy ra ở phía thượng lưu của đỉnh đập (upstream of the dam crest), nơi mực nước sâu và vận tốc thấp.
- Dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow) xảy ra ở phía hạ lưu của đỉnh đập (downstream of the dam crest), nơi mực nước nông và vận tốc cao.
- Dòng chảy tới hạn (critical flow) xảy ra tại đỉnh đập (dam crest) và được xem như điểm phân chia giữa dòng chảy dưới tới hạn và siêu tới hạn.
Để phân tích điều kiện dòng chảy mặt thoáng (free surface flow conditions), cần xác định trước một điểm có độ sâu và lưu lượng đã biết (control section – mặt cắt kiểm soát).
Giữa độ sâu tới hạn (critical depth) và dòng chảy tới hạn (critical flow) tại đỉnh đập tồn tại một mối quan hệ xác định, giúp nó trở thành một mặt cắt kiểm soát thuận tiện (convenient control section) để phân tích dòng chảy.
Việc xác định dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow) hoặc dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow) là cần thiết để tiếp tục phân tích điều kiện dòng chảy mặt thoáng (free surface flow conditions). Ví dụ về đập nhỏ trong Hình 1.16 minh họa cả hai chế độ dòng chảy.
- Đặc điểm của dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow characteristics), chẳng hạn như độ sâu và vận tốc, có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu động hoặc vật cản ở hạ lưu.
📌 Ví dụ: Nếu một vật cản được đặt trên đỉnh đập (control section), mực nước ở thượng lưu sẽ dâng cao. - Trong chế độ dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow regime), các đặc điểm dòng chảy không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu động ở hạ lưu.
📌 Ví dụ: Nếu một vật cản được đặt ở chân đập (toe of the dam), mực nước thượng lưu không bị ảnh hưởng.
Loại dòng chảy tương tự như dòng chảy qua đập nhỏ cũng có thể xảy ra trong một Culvert dốc với dòng chảy đầy một phần (partly full flow in a steep culvert) (Hình 1.17). Trong trường hợp này:
- Độ sâu tới hạn (critical depth) xảy ra tại cửa vào Culvert (culvert inlet).
- Dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow) tồn tại trong kênh thượng lưu (upstream channel).
- Dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow) tồn tại trong thân Culvert (culvert barrel).
Một dạng đặc biệt của dòng chảy mặt thoáng (free surface flow) được gọi là “dòng chảy vừa đầy (just-full flow)”. Đây là một điều kiện đặc biệt trong đó ống Culvert chảy đầy nhưng không có áp lực (full without pressure), nghĩa là mực nước vừa chạm vào đỉnh ống (crown of the pipe). Việc phân tích dạng dòng chảy này giống như phân tích dòng chảy mặt thoáng.
1.4.2 Các loại kiểm soát dòng chảy (Types of Flow Control)
Kiểm soát tại cửa vào (Inlet Control) và kiểm soát tại cửa ra (Outlet Control) là hai loại kiểm soát dòng chảy cơ bản, được xác định trong nghiên cứu của NBS (National Bureau of Standards) và FHWA (Federal Highway Administration) (trước đây là BPR – Bureau of Public Roads).
📌 Hệ thống phân loại kiểm soát dòng chảy dựa trên:
✔ Vị trí của mặt cắt kiểm soát (control section location).
✔ Đặc điểm của dòng chảy áp lực (pressure flow), dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow), và dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow), đóng vai trò quan trọng trong việc xác định loại kiểm soát dòng chảy.
📌 Khả năng thoát nước của Culvert (hydraulic capacity) phụ thuộc vào sự kết hợp khác nhau của các yếu tố thủy lực, tùy thuộc vào loại kiểm soát dòng chảy.
a. Kiểm soát tại cửa vào (Inlet Control)
Kiểm soát tại cửa vào xảy ra khi thân Culvert có khả năng thoát nhiều nước hơn lượng nước mà cửa vào có thể tiếp nhận.
📌 Đặc điểm của kiểm soát tại cửa vào:
✔ Mặt cắt kiểm soát nằm ngay bên trong cửa vào Culvert.
✔ Độ sâu tới hạn (critical depth) xảy ra tại hoặc gần vị trí này.
✔ Dòng chảy ngay sau mặt cắt kiểm soát là dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow).
📌 Lưu ý:
- Hình 1.17 minh họa một điều kiện dòng chảy kiểm soát tại cửa vào điển hình.
- Đặc điểm thủy lực ở hạ lưu của mặt cắt kiểm soát không ảnh hưởng đến khả năng thoát nước của Culvert.
- Hai yếu tố chính kiểm soát dòng chảy:
- Mực nước thượng lưu (upstream water surface elevation).
- Hình dạng cửa vào (inlet geometry), bao gồm:
- Hình dạng cửa vào.
- Diện tích mặt cắt ngang tại cửa vào.
- Cấu hình cửa vào (Bảng 1.1).
b. Kiểm soát tại cửa ra (Outlet Control)
Kiểm soát tại cửa ra xảy ra khi thân Culvert không thể thoát nước nhanh bằng lượng nước mà cửa vào có thể tiếp nhận.
📌 Đặc điểm của kiểm soát tại cửa ra:
✔ Mặt cắt kiểm soát nằm ở cửa ra của Culvert hoặc xa hơn về phía hạ lưu.
✔ Dòng chảy bên trong Culvert có thể là dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow) hoặc dòng chảy áp lực (pressure flow).
📌 Lưu ý:
- Hình 1.18 minh họa hai điều kiện dòng chảy kiểm soát tại cửa ra điển hình.
- Tất cả các yếu tố hình học và thủy lực của Culvert đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng thoát nước, bao gồm:
- Các yếu tố kiểm soát tại cửa vào.
- Mực nước tại cửa ra (water surface elevation at the outlet).
- Đặc điểm của thân Culvert (barrel characteristics) (Bảng 1.1).
Sự khác biệt giữa kiểm soát tại cửa vào và cửa ra (theo Bảng 1.1):
- Các thông số hình học của cửa vào và thân Culvert có thể khác nhau, đặc biệt khi sử dụng cửa vào vát (tapered inlets).
- Nếu Culvert không có cửa vào vát, diện tích và hình dạng cửa vào sẽ bằng diện tích và hình dạng của thân Culvert.
- Độ dốc của Culvert (barrel slope) là yếu tố quan trọng nhất quyết định Culvert sẽ hoạt động dưới kiểm soát tại cửa vào hay cửa ra.
- Với Culvert có cửa vào vát (mitered culvert), chiều dài của thân Culvert được tính từ điểm mà đỉnh ống (crown) giao với mái dốc nền đắp (fill slope).
| Yếu tố (Factor) | Kiểm soát tại cửa vào (Inlet Control) | Kiểm soát tại cửa ra (Outlet Control) |
|---|---|---|
| Mực nước đầu vào (Headwater) | X | X |
| Diện tích mặt cắt ngang (Area) | X | X |
| Hình dạng (Shape) | X | X |
| Cấu hình cửa vào (Inlet Configuration) | X | – |
| Độ nhám thân ống (Barrel Roughness) | – | X |
| Chiều dài thân ống (Barrel Length) | – | X |
| Độ dốc thân ống (Barrel Slope) | X | X |
| Mực nước hạ lưu (Tailwater) | – | X |
Ghi chú:
- Đối với kiểm soát tại cửa vào, các yếu tố diện tích và hình dạng liên quan đến diện tích và hình dạng cửa vào.
- Đối với kiểm soát tại cửa ra, các yếu tố này liên quan đến diện tích và hình dạng của thân Culvert.
1.4.4 Mực nước hạ lưu (Tailwater)
Mực nước hạ lưu (Tailwater) được định nghĩa là độ sâu của nước tại hạ lưu Culvert, được đo từ đáy cửa ra (outlet invert).
Đây là một yếu tố quan trọng trong việc xác định khả năng thoát nước của Culvert khi hoạt động dưới điều kiện kiểm soát tại cửa ra (outlet control).
📌 Mực nước hạ lưu phụ thuộc vào:
- Đặc điểm của kênh hạ lưu (downstream channel characteristics) tại lưu lượng thiết kế (design discharge).
- Tính toán dòng chảy mặt thoáng truyền thống (traditional open channel flow calculations), thường sử dụng xấp xỉ độ sâu normal (normal depth approximations).
📌 Một số yếu tố có thể làm tăng mực nước hạ lưu:
✔ Vật cản trong kênh hạ lưu, chẳng hạn như:
- Một điểm giao cắt đường bộ khác (another highway crossing) với Bridge hoặc Culvert.
- Sự hợp lưu với một kênh khác (confluence with another channel).
- Sự tồn tại của hồ chứa (reservoir) hoặc đập hải ly (beaver dam).
📌 Lưu ý quan trọng:
- Trong các trường hợp trên, cần thực hiện tính toán dòng chảy dâng ngược (backwater calculations) từ điểm kiểm soát hạ lưu (downstream control point) để xác định mực nước hạ lưu chính xác.
- Mực nước hạ lưu cao (high tailwater) có thể khiến Culvert hoạt động dưới kiểm soát tại cửa ra, ngay cả khi nó vốn dĩ thuộc kiểm soát tại cửa vào.
1.4.5 Vận tốc tại cửa ra (Outlet Velocity)
Do Culvert thường làm thu hẹp diện tích kênh thoát nước, vận tốc dòng chảy bên trong Culvert có thể cao hơn so với kênh tự nhiên.
📌 Ảnh hưởng của vận tốc cao tại cửa ra:
✔ Xói mòn lòng kênh (streambed scour).
✔ Xói lở bờ kênh gần cửa ra (bank erosion near the culvert outlet).
📌 Biện pháp kiểm soát xói lở:
- Tăng độ nhám thân ống (increase barrel roughness) có thể giúp giảm nhẹ vấn đề xói mòn.
- Lắp đặt thiết bị tiêu tán năng lượng (energy dissipaters) và biện pháp bảo vệ cửa ra (outlet protection devices) nếu cần thiết để ngăn chặn xói lở quá mức.
📌 Cách điều chỉnh vận tốc tại cửa ra:
✔ Khi Culvert hoạt động dưới kiểm soát tại cửa vào (inlet control) và thân Culvert không vận hành hết công suất (not operating at capacity), có thể:
- Giảm độ dốc thân Culvert (flatten the barrel slope).
- Thêm đoạn nhám tại thân Culvert (add a roughened section) để giảm vận tốc tại cửa ra.
- (Xem thêm Culvert gãy khúc (broken-back culvert) trong Mục 5.7).
📌 Phương pháp tính toán vận tốc tại cửa ra (outlet velocity calculation):
- Đối với cả kiểm soát tại cửa vào và cửa ra, phương pháp tính toán được mô tả trong Mục 3.1.6.
1.4.6 Đường cong hiệu suất (Performance Curves)
Đường cong hiệu suất (performance curve) là một đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa độ sâu hoặc cao độ mực nước đầu vào (headwater depth or elevation) và lưu lượng dòng chảy (flow rate).
📌 Ứng dụng của đường cong hiệu suất:
✔ Minh họa cách Culvert hoạt động dưới các điều kiện mực nước đầu vào khác nhau.
✔ Hữu ích trong việc đánh giá khả năng thủy lực của Culvert (hydraulic capacity).
✔ Cho thấy tác động của lưu lượng lớn hơn tại vị trí lắp đặt Culvert.
Phát triển đường cong hiệu suất
Khi xây dựng đường cong hiệu suất của Culvert, cần vẽ cả đường cong kiểm soát tại cửa vào (inlet control curve) và đường cong kiểm soát tại cửa ra (outlet control curve).
📌 Lý do:
✔ Khó dự đoán loại kiểm soát chiếm ưu thế tại một mực nước đầu vào nhất định.
✔ Kiểm soát có thể thay đổi giữa cửa vào và cửa ra (control shift) tùy theo lưu lượng dòng chảy.
📌 Ví dụ minh họa:
- Hình 1.19 thể hiện một đường cong hiệu suất điển hình của Culvert.
- Dựa trên nguyên tắc hiệu suất tối thiểu (minimum performance – xem Mục 3.1.1), tại mực nước đầu vào cho phép (allowable headwater – xem Mục 2.2.5), Culvert hoạt động dưới kiểm soát tại cửa vào.
- Nếu sử dụng cấu hình cửa vào tốt hơn (better inlet configuration), hiệu suất của Culvert có thể được cải thiện, giúp tận dụng tốt hơn khả năng thoát nước của thân Culvert (culvert barrel capacity).
1.5 Sửa chữa và phục hồi Culvert (Culvert Repair and Rehabilitation)
Sửa chữa và phục hồi Culvert đang trở thành một vấn đề quan trọng do nhiều công trình trên toàn quốc đã đạt hoặc vượt quá tuổi thọ thiết kế ban đầu.
📌 Bước đầu tiên trong quá trình thiết kế sửa chữa và phục hồi:
✔ Đánh giá tình trạng hiện tại của Culvert (assessment of existing culvert conditions).
📌 Các yếu tố cần xem xét:
✔ Nhiều chỉ số và yếu tố đánh giá tình trạng Culvert cần được phân tích để lựa chọn phương pháp và công nghệ sửa chữa/phục hồi phù hợp.
✔ Các kỹ thuật phục hồi (rehabilitative techniques) không chỉ giải quyết tình trạng xuống cấp của Culvert, mà còn ảnh hưởng đến hiệu suất thủy lực của Culvert (hydraulic performance).
Sau khi đánh giá chính xác tình trạng Culvert (accurate assessment of culvert condition), có thể đưa ra quyết định sửa chữa (repair) hoặc thay thế (replacement).
📌 Các phương án phổ biến trong quá trình ra quyết định:
✔ Sửa chữa bằng phương pháp lót ống (repair with a lining).
✔ Sửa chữa có sự tham gia của nhân công vào bên trong (repair based on man-entry).
✔ Thay thế hoàn toàn Culvert (full replacement).
📌 Tài liệu tham khảo:
- Hướng dẫn và tiêu chuẩn ống lót Culvert (Culvert Pipe Liner Guide and Specifications – FHWA 2005b) cung cấp thông tin về các phương pháp lót ống phổ biến.
- Sổ tay đánh giá và quy trình ra quyết định Culvert (Culvert Assessment and Decision-making Procedures Manual – FHWA 2010b) hướng dẫn về các quy trình đánh giá và phương án sửa chữa.
📌 Tổng quan về nội dung này:
- Chương 6 trình bày tổng quan về các phương pháp sửa chữa và thay thế, tập trung vào tác động tiềm tàng của các phương án này đối với hiệu suất thủy lực của Culvert (hydraulic performance).
1.6 Kinh tế (Economics)
Thiết kế lắp đặt Culvert (culvert installation design) luôn cần đánh giá về mặt kinh tế (economic evaluation). Trong suốt vòng đời hoạt động của Culvert (service life), một loạt các dòng chảy lũ (flood flows) với xác suất xảy ra khác nhau sẽ tác động đến vị trí Culvert.
📌 Xây dựng một Culvert có công suất lớn để xử lý mọi sự kiện lũ mà không gây ngập lụt có lợi không?
✔ Thông thường, lợi ích từ việc xây dựng một Culvert có công suất lớn không thể bù đắp được chi phí xây dựng ban đầu cao (initial construction costs).
✔ Do đó, phân tích kinh tế về các đánh đổi (economic analysis of trade-offs) là cần thiết, với mức độ đánh giá có thể khác nhau tùy vào từng trường hợp.
Quy trình lựa chọn Culvert lý tưởng là tối thiểu hóa tổng chi phí hàng năm (total annual cost) của hệ thống trong suốt vòng đời của tuyến đường.
📌 Các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí hàng năm:
✔ Chi phí đầu tư ban đầu (capital expenditures).
✔ Chi phí bảo trì (maintenance costs).
✔ Rủi ro liên quan đến lũ lụt (risks associated with flooding).
📌 Các yếu tố cần so sánh khi thiết kế Culvert:
✔ Hình dạng (shapes) và kích thước (sizes) phù hợp để tối ưu chi phí.
✔ Tuổi thọ và chi phí bảo trì (durability, maintenance, and replacement costs) bên cạnh chi phí lắp đặt ban đầu (initial in-place construction cost).
Chiến lược lựa chọn vật liệu Culvert hợp lý:
✔ Vật liệu chống ăn mòn hoặc mài mòn tốt hơn có thể tốn kém hơn ban đầu, nhưng sẽ giúp kéo dài tuổi thọ của Culvert và giảm tổng chi phí hàng năm.
✔ Dự báo trước nhu cầu bảo trì trong tương lai có thể giúp tiết kiệm chi phí dài hạn.
Ví dụ thực tế:
✔ Với mái dốc đắp cao (high fill), có thể lựa chọn Culvert có kích thước lớn hơn ngay từ đầu (oversized barrel) để dễ dàng lót lại bên trong (relining) trong tương lai.
✔ Điều này có thể giúp tránh chi phí thay thế toàn bộ Culvert sau này.
1.6.1 Lợi ích và Chi phí (Benefits and Costs)
Mục đích của một Culvert trong hệ thống đường bộ (highway culvert) là dẫn nước qua nền đắp của tuyến đường (convey water through a roadway embankment).
📌 Lợi ích chính của Culvert:
✔ Giảm thời gian gián đoạn giao thông (decreased traffic interruption time) do ngập lụt trên đường.
✔ Tăng cường an toàn giao thông (increased driving safety) bằng cách kiểm soát dòng chảy và giảm nguy cơ lũ lụt ảnh hưởng đến phương tiện.
📌 Các chi phí liên quan:
✔ Chi phí xây dựng nền đắp đường (construction of the roadway embankment).
✔ Chi phí xây dựng Culvert (construction of the culvert itself).
✔ Chi phí bảo trì công trình (maintenance of the facility).
✔ Rủi ro và chi phí thiệt hại do lũ lụt (flood damage potential) cũng cần được đưa vào phân tích chi phí.
1.6.2 So sánh giữa vật liệu và hình dạng (Comparisons Between Materials and Shapes)
📌 So sánh chi phí giữa các loại vật liệu và hình dạng Culvert có thể thay đổi theo từng khu vực và thời gian.
✔ Nên thực hiện so sánh chi phí giữa các Culvert có cùng khả năng thoát nước (equal hydraulic capacity) theo định kỳ để hỗ trợ quyết định lựa chọn vật liệu.
✔ Yêu cầu báo giá thay thế cho nhiều loại vật liệu chấp nhận được thường có lợi về mặt kinh tế cho hầu hết các dự án.
Phân tích kinh tế chi tiết về lựa chọn vật liệu Culvert
📌 Việc lựa chọn vật liệu Culvert cần xem xét các yếu tố cụ thể tại công trình (site-specific considerations), bao gồm:
✔ Cường độ kết cấu (structural strength) quan trọng đối với Culvert đặt dưới mái dốc đắp cao (high fills).
✔ Độ dốc kênh lớn (steep channel slopes) có thể làm tăng vận tốc dòng chảy tại cửa ra (high exit velocities), đặc biệt khi sử dụng ống có bề mặt nhẵn (smooth pipes).
✔ Nước có tính axit (acidic drainage) có thể gây ăn mòn (corrosion) đối với một số vật liệu.
✔ Một số vật liệu không thể chịu được tác động của trầm tích mài mòn (abrasive bed loads).
✔ Tính kín nước tại các mối nối (water tightness at joints) cũng có thể là một yếu tố quan trọng.
📌 Tất cả các yếu tố này đều ảnh hưởng đến tổng chi phí hàng năm của Culvert dựa trên vật liệu được chọn.
Tầm quan trọng của hình dạng Culvert trong đánh giá chi phí
✔ Hình dạng Culvert (Culvert shapes) quan trọng không kém so với vật liệu trong việc đánh giá chi phí (cost evaluations) (Hình 1.5).
✔ Nhiều hình dạng có thể được sản xuất từ nhiều loại vật liệu khác nhau, trong khi một số hình dạng nhất định yêu cầu sử dụng vật liệu cụ thể.
📌 Đặc điểm của một số loại hình dạng Culvert:
✔ Culvert tròn (Circular culverts):
- Hình dạng phổ biến nhất.
- Giá cả hợp lý, chịu được tải trọng cao, và có hiệu suất thủy lực tốt.
- Tuy nhiên, nếu chiều cao lấp đất bị hạn chế, có thể cần sử dụng Culvert hình ống vòm dẹt (pipe-arch) hoặc hình elip (ellipse).
✔ Culvert hình ống vòm dẹt (Pipe-arches) và hình elip (Ellipses):
- Đắt hơn so với ống tròn.
- Yêu cầu nền móng đặc biệt, dễ bị ảnh hưởng bởi xói lở nền móng (scour failure).
- Tuy nhiên, chúng cung cấp lòng suối tự nhiên, có lợi cho AOP (Aquatic Organism Passage – Hệ thống hỗ trợ di chuyển sinh vật thủy sinh).
✔ Culvert dạng tấm kết cấu (Structural plate conduits):
- Có thể được chế tạo nhanh chóng với nhiều hình dạng khác nhau.
- Chi phí vận chuyển và lắp đặt thấp (low transport and handling costs) (Hình 1.20).
✔ Culvert hộp (Box culverts):
- Linh hoạt trong tỷ lệ chiều cao và chiều rộng (flexibility in rise-to-span ratios) bằng cách sử dụng cấu trúc nhiều khoang (multiple cells) (Hình 1.21).
- Các đốt hộp đúc sẵn (Precast box sections) giúp khắc phục nhược điểm về thời gian thi công lâu của phương pháp đúc tại chỗ (cast-in-place installations).
- Tuy nhiên, chi phí vận chuyển và xử lý (handling costs) của đốt hộp đúc sẵn cao hơn.
1.6.3 Tuổi thọ công trình (Service Life)
Tuổi thọ mong muốn của Culvert (desired service life) cần được cân nhắc trong quá trình lựa chọn thiết kế.
📌 Các trường hợp cần Culvert có tuổi thọ cao:
✔ Nếu Culvert nằm ở vị trí mà việc thay thế hoặc lót lại bên trong (relining) là không khả thi, thì tuổi thọ của Culvert nên tương đương với tuổi thọ của tuyến đường.
📌 Các trường hợp có thể chọn Culvert có tuổi thọ ngắn hơn:
✔ Nếu công trình có thể được phục hồi (rehabilitation is feasible) hoặc nếu tuyến đường sẽ được xây dựng lại trong thời gian tương đối ngắn, có thể chọn Culvert có tuổi thọ ngắn hơn.
📌 Nguyên tắc lựa chọn tuổi thọ Culvert:
✔ Tuổi thọ của Culvert nên tương ứng với tuổi thọ của hệ thống lắp đặt.
✔ Không cần thiết phải đầu tư vào một Culvert có tuổi thọ quá dài (eternal culvert) khi một Culvert có tuổi thọ ngắn hơn cũng đáp ứng được yêu cầu, và ngược lại.
1.6.4 Phân tích rủi ro (Risk Analysis)
Các đánh giá kinh tế truyền thống đối với các điểm giao cắt với dòng chảy nhỏ (minor stream crossings) thường khá đơn giản (simplistic).
📌 Cách tiếp cận truyền thống trong thiết kế Culvert:
✔ Lưu lượng thiết kế của Culvert (culvert design flows) thường dựa trên mức độ quan trọng của tuyến đường, nhưng ít xem xét đến các yếu tố kinh tế và điều kiện công trình khác.
📌 Khi nào cần phân tích rủi ro?
✔ Phân tích rủi ro (risk analysis) thường được thực hiện đối với:
- Culvert có quy mô lớn (large culvert installations).
- Vị trí có nguy cơ thiệt hại do lũ cao (locations with high potential flood damages).
📌 Mục tiêu của phân tích rủi ro:
✔ Tìm ra công suất Culvert tối ưu (optimum culvert capacity) thông qua so sánh giữa lợi ích và chi phí (benefits and costs) (Hình 1.22).
📌 Vai trò của người thiết kế:
✔ Nắm vững quy trình phân tích rủi ro (risk analysis process).
✔ Xem xét sử dụng phân tích rủi ro trong các trường hợp:
- Nguy cơ thiệt hại do lũ lớn.
- Chi phí lắp đặt Culvert đáng kể.
Việc xây dựng Culvert đồng nghĩa với xâm lấn vùng ngập lũ (floodplain encroachment), kèm theo rủi ro lũ lụt và chi phí xây dựng ban đầu.
📌 Mỗi phương án thiết kế Culvert có thể được đánh giá dựa trên:
✔ Chi phí vốn hàng năm (annual capital cost).
✔ Rủi ro kinh tế hàng năm (annual economic risk cost).
✔ Tổng chi phí kỳ vọng (Total Expected Cost – TEC) = Chi phí vốn hàng năm + Rủi ro kinh tế hàng năm.
📌 Mục tiêu tối ưu hóa:
✔ Kết hợp phân tích kinh tế và kỹ thuật để tìm ra phương án thiết kế có tổng chi phí kỳ vọng thấp nhất (Least Total Expected Cost – LTEC).
✔ Phương pháp LTEC được trình bày trong HEC-17, FHWA 1981.
📌 Sự khác biệt giữa thiết kế truyền thống và thiết kế LTEC:
✔ Thiết kế truyền thống (Traditional Design):
- Rủi ro (Risk Cost) là một phần cố định trong việc xác định tiêu chuẩn thiết kế, chẳng hạn như:
- Tần suất lũ thiết kế (design frequency flood).
- Giới hạn về mực nước dâng ngược (backwater limitations).
- Ảnh hưởng của rủi ro đến thiết kế Culvert thay đổi theo điều kiện công trình (site conditions).
✔ Thiết kế LTEC (Least Total Expected Cost Design):
- Không có tần suất lũ thiết kế cố định (no arbitrary design frequency).
- Phương án thiết kế được đánh giá dựa trên cách mỗi thiết kế phản ứng với các điểm cụ thể trên đường cong tần suất lũ (flood frequency curve).
- Tần suất lũ tại thời điểm nước tràn qua mặt đường (road overtopping frequency) có ý nghĩa hơn so với tần suất lũ thiết kế truyền thống (design flood frequency).
Một phần quan trọng trong quy trình phân tích rủi ro (risk analysis process) là xác định các phương án thiết kế chấp nhận được (acceptable design alternatives).
📌 Các ràng buộc về kỹ thuật, luật pháp và chính sách có thể giới hạn phạm vi lựa chọn thiết kế, bao gồm:
✔ Tiêu chí lũ thiết kế tối thiểu được quy định (prescribed minimum design flood criteria), ví dụ như đối với đường cao tốc liên bang (interstate highways).
✔ Hạn chế do hình học đường bộ (roadway geometrics limitations), bao gồm:
- Độ dốc tối đa hoặc tối thiểu (maximum or minimum grade lines).
- Khoảng cách quan sát (sight distance).
- Độ cong đứng của tuyến đường (vertical curvature).
✔ Quy định về vùng ngập lũ (floodplain ordinances) hoặc các quy định pháp lý khác giới hạn:
- Mực nước dâng ngược (backwater limitations).
- Mức độ xâm lấn vùng ngập lũ (floodplain encroachment limitations).
✔ Các yếu tố liên quan đến ổn định kênh (channel stability considerations), có thể hạn chế:
- Vận tốc dòng chảy trong Culvert (culvert velocity limits).
- Mức độ thu hẹp dòng chảy do Culvert (amount of flow constriction).