1 Giới thiệu

Lời người dịch

Các nội dung ở đây được lược dịch từ HDS 5 của FHWA (ấn phẩm Hydraulic Design Of Highway Culverts, Third Edition, April 2012) nhằm mục đích học tập. Để tránh dài dòng, một số thuật ngữ quan trọng sẽ được dùng trực tiếp (không chuyển ngữ thành tiếng Việt). Để sử dụng các phần mềm như HY 8, Hydraulic ToolBox, HEC-RAS..vv, một số thuật ngữ được lặp lại nhiều lần trong bản dịch. Mặc dù rất cố gắng, nhưng chắc rằng bản dịch còn xa mới hoàn hảo. Chỉ mong ít nhất nó có ý nghĩa trong việc mở ra cánh cửa, cầu nối vào kho tàng kiến thức cho những người đi sau

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 ấn phẩm này là cung cấp thông tin phục vụ cho việc quy hoạch và thiết kế thủy lực của các cống (Hình 1.1 và 1.2). Chương 2 tóm tắt các yếu tố thiết kế bao gồm thủy văn, dữ liệu hiện trường và đánh giá hiện trường. 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 đầu, tường cánh, vát cạnh và thuôn dần). Chương 4 trình bày tổng quan về các khái niệm thiết kế cho sinh vật thủy sinh đi qua cống (AOP). Một loạt các chủ đề thiết kế đa dạng bao gồm chỗ ngoặt, điểm nối, xói lở, lắng đọng, cải tạo hiện trường, các yếu tố kết cấu, cống gãy lưng, điều tiết do tích nước và các dạng hư hỏng được tóm tắt trong Chương 5. Cuối cùng, Chương 6 thảo luận về việc sửa chữa và phục hồi cống.

Phương pháp thiết kế trong ấn phẩm này cung cấp một cách tiếp cận đơn giản và nhất quán đối với thiết kế cống. Người thiết kế có kinh nghiệm được giả định là đã hiểu các điều kiện dòng chảy đa dạng có thể xảy ra trong các công trình thủy lực và có thể điều chỉnh phù hợp khi cần thiết. Người thiết kế thiếu kinh nghiệm và những ai chưa quen với các hiện tượng thủy lực nên sử dụng ấn phẩm này một cách thận trọng. Tất cả người đọc sẽ được lợi nếu nắm vững các kiến thức cơ bản về thủy lực được trình bày trong Tài liệu Thiết kế Thủy lực Số 4 (HDS 4), Giới thiệu về Thủy lực Đường bộ (FHWA 2008a).

Các danh sách kiểm tra, biểu đồ thiết kế và bảng biểu, cùng với các biểu mẫu tính toán trong ấn phẩm này sẽ cung cấp cho người thiết kế các công cụ cần thiết để thực hiện nhiều loại phân tích và thiết kế thủy lực cho cống. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải nhận thức rằng việc thiết kế toàn diện một điểm giao cắt bằng cống bao gồm nhiều yếu tố đa dạng ngoài thiết kế thủy lực. Các yếu tố khác bao gồm: vị trí và hướng tuyến phù hợp, tải mảnh vụn, độ ổn định kênh và chuyển động bùn cát, giảm thiểu yêu cầu bảo trì dài hạn, bảo vệ kênh thoát, an toàn, kết cấu, chi phí kinh tế và vòng đời. Bằng cách sử dụng thông tin thiết kế thủy lực được cung cấp trong tài liệu này, kết hợp với thông tin từ các tài liệu khác của Cục Quản lý Đường cao tốc Liên bang (FHWA), có thể hoàn thiện thiết kế cống một cách toàn diện. Các tài liệu khác này bao gồm: Thông tư Kỹ thuật Thủy lực số 9 (HEC-9), Đánh giá và Biện pháp đối phó với các công trình kiểm soát mảnh vỡ (FHWA 2005a); HEC-14, Thiết kế cấu trúc tiêu năng cho cống và kênh (FHWA 2006a); HEC-20, Ổn định dòng chảy tại các công trình đường bộ (FHWA 2012a); và HEC-26, Thiết kế cống cho sinh vật thủy sinh đi qua (FHWA 2010a). Hình 1.3 là một sơ đồ tổng quát xác định các lựa chọn thiết kế chính thường được xem xét trong thiết kế cống. Các yếu tố khác cần xem xét bao gồm điều tiết, cống gãy lưng, thiết bị tiêu năng, v.v.

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, Bridge và Storm Drain đều được sử dụng để quản lý và dẫn dòng nước mưa chảy tràn trong toàn bộ hệ thống đường bộ. Người thiết kế phải quyết định phương pháp phân tích nào sẽ sử dụng tại điểm giao cắt dòng chảy hoặc thiết kế các phương án thay thế. Đối với hầu hết các điểm giao cắt dòng chảy trên đường, lựa chọn thường là giữa culvert (cống) và birdge (cầu). Phân tích storm drain (hệ thoát nước mưa) đôi khi cũng cần thiết và sẽ được thảo luận ở cuối phần này.

(nd)

“Culvert, Bridge và Storm Drain” dịch sang tiếng Việt có thể là “Cống, Cầu và Cống thoát nước mưa”. Tuy nhiên cách dịch này có thể gây nhiễu trong quá trình đọc các phần tiếp theo! Cần thấy rằng HDS 5 đã phân biệt thành 03 loại dựa trên các đặc điểm tính toán thủy lực khác nhau của từng loại. Storm Drain trong tiếng Việt có thể hiểu là những công trình như “hệ cống dọc đặt dưới vỉa hè để thu thoát nước mặt đường do mưa” được tính toán thủy lực khác với Culvert và Bridge. Culvert trong tiếng Việt có thể dịch là “cống ngang”, tính toán thủy lực khác với Bridge. Xem tiếp các phần sau sẽ rõ

Khi so sánh cống với cầu, người thiết kế phải xác định loại kết cấu nào là phù hợp nhất với vị trí cụ thể, sau đó quyết định cách phân tích điểm giao cắt. Ví dụ, ở nhiều khía cạnh, một cống hộp lớn bắt đầu giống với một cây cầu một nhịp nhỏ với tường đứng, do đó cần cân nhắc:

• Loại nào ưu việt hơn về mặt thủy lực, thẩm mỹ và kinh tế?
• Kết cấu nên được phân tích như thế nào (như một cây cầu với dòng chảy mặt thoáng tự do sử dụng các khái niệm dòng chảy kênh hở, hay như một cống với mực nước đầu vào theo phân tích truyền thống)?

Culvert được sử dụng khi:

• Bridge không thực sự cần thiết về mặt thủy lực
• Có thể chấp nhận được các nguy cơ về mảnh vụn và băng
• Kinh tế hơn so với Bridge (kể cả xét đến lan can và các vấn đề 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
• Giảm thiểu các vấn đề môi trường mà Culvert không giải quyết được
• Tránh xâm lấn vùng lũ
• Đối phó với băng và mảnh vỡ lớn

Truyền thống, yếu tố kinh tế thường là quan trọng hàng đầu khi lựa chọn giữa cống và cầu tại các vị trí giao cắt với suối, nơi cả hai đều đáp ứng được yêu cầu thủy lực và kết cấu. Chi phí ban đầu của cống thường thấp hơn cầu vì việc sử dụng mực nước đầu vào cao hơn cho phép giảm kích thước mở cống. Trong khi đó, cầu thường được thiết kế với đáy cao hơn để tạo khoảng không thoát lũ. Tuy nhiên, lợi thế này cần cân nhắc với những rủi ro thiệt hại do mực nước cao, đặc biệt khi lưu lượng lớn, và các vấn đề AOP thường yêu cầu mở rộng khẩu độ và đáy cống tự nhiên.

Chi phí bảo trì cống có thể phát sinh do xói lở lòng dẫn tại cửa vào và ra, sự xuống cấp của đáy cống, lắng đọng, tích tụ băng và mảnh vụn, và cần sửa chữa nền đường khi bị nước tràn qua. Bảo trì cầu thường tốn kém hơn, bao gồm cả việc bảo trì mặt cầu và kết cấu phần trên, xử lý xói mòn tại móng và mố cầu, cùng với khả năng tích tụ bùn và mảnh vụn.

Các yếu tố an toàn và thẩm mỹ cũng liên quan đến việc lựa chọn giữa cầu hoặc cống. Các yêu cầu an toàn đối với cống bao gồm việc sử dụng lan can hoặc song chắn. Điều quan trọng là nhận thức rằng các cống có chiều rộng vượt quá 20 ft (6,1 m) (dù là cống đơn hay nhiều ống cộng lại) được coi là cầu theo các Tiêu chuẩn Kiểm tra Cầu Quốc gia (NBIS) và do đó phải được kiểm tra định kỳ theo yêu cầu NBIS. Mặt cầu thường hẹp và không có làn dừng khẩn cấp, gây ra các vấn đề về an toàn giao thông. Tuy nhiên, cầu có thể có giá trị thẩm mỹ cao hơn khi đi qua thung lũng hoặc hẻm núi đẹp.

Có sự khác biệt trong các giả định và phân tích thủy lực được sử dụng cho Culvert và Bridge. Phân tích dòng chảy kênh hở trong bất kỳ cấu trúc nào có thể dựa trên các giả định tương đối đơn giản về normal depth hoặc trên các phép tính phức tạp hơn về dòng chảy biến đổi dần. Điều kiện mực nước đuôi (tailwater) trong kênh phía hạ lưu của Culvert thường được xác định dựa trên phân tích normal depth. Ngoài ra, phân tích Culvert thường giả định không có vận tốc dòng chảy tiếp cận cấu trúc hoặc trong kênh ngay phía sau cấu trúc, điều này làm đánh giá cao hơn thực tế các tổn thất năng lượng khi vào và ra. Ngược lại, phân tích thủy lực Bridge thường dựa trên các phép tính dòng chảy biến đổi dần, cung cấp đường mặt nước chính xác hơn cho toàn bộ điểm giao cắt dòng chảy, và xét đến vận tốc dòng chảy khi vào và ra khỏi cấu trúc.

Cuối cùng, các Culvert lớn có dòng chảy mặt thoáng xuyên qua cấu trúc thường được phân tích tốt hơn dựa trên các khái niệm dòng chảy kênh hở biến đổi dần giống như trong phân tích Bridge, thay vì các quy trình tính toán chi tiết trong ấn phẩm này. Các cấu trúc nhỏ hơn thì dễ dàng thiết kế hơn nếu sử dụng phân tích và quy trình thủy lực dựa trên Culvert. Theo các quy định NBIS cũng như các vấn đề thủy lực, một hướng dẫn hợp lý là sử dụng mô hình thủy lực theo kiểu Bridge cho một Culvert có nhịp 20 ft (6,1 m) trở lên, vì các cấu trúc như vậy thường hoạt động với dòng chảy có mặt thoáng. Đối với các điểm giao cắt dòng nhỏ sử dụng barrel-thùng cống lớn, chẳng hạn như cống AOP, mô hình thủy lực kiểu Bridge có thể lại phù hợp hơn, xét theo điều kiện dòng mặt thoáng dự kiến.

Ở thái cực ngược lại, khi nào thì một Culvert dài bắt đầu giống như một Storm Drain – hệ thống cống thoát nước mưa “ngắn”? Nếu có nhiều điểm nước vào dọc theo Culvert (chẳng hạn như từ đường hoặc dải phân cách), nhiều thay đổi hình học (chỗ ngoặt, thay đổi kích thước ống, thay đổi độ dốc, v.v.), hoặc các thay đổi tiềm tàng trong chế độ dòng chảy bên trong thân Culvert, thì các phương pháp phân tích truyền thống cho Culvert có thể không còn phù hợp. Trong những trường hợp đó, các chương trình mô phỏng và phân tích nâng cao thường được sử dụng cho Storm Drain – hệ thống thoát nước mưa sẽ phù hợp hơn so với phân tích Culvert thông thường như được mô tả trong ấn phẩm này.

Thông tin được trình bày trong phần còn lại của tài liệu này giả định rằng quyết định đã được đưa ra là thiết kế Culvert thay vì Bridge, và rằng Culvert được thiết kế hoặc phân tích không quá lớn để bị coi là Bridge, cũng không quá dài hoặc phức tạp để bị coi là Storm Drain. Để biết thông tin chi tiết về thủy lực và phân tích Bridge, tham khảo HDS 7, Hydraulic Design of Safe Bridges (FHWA 2012b). Để biết thông tin chi tiết về Storm Drain, xem 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 ngang được sử dụng cho cả culvert kín (closed conduit) và culvert đáy hở (open-bottom). Các hình dạng culvert kín phổ biến nhất là tròn, hộp (chữ nhật), elip và dạng cung ống (pipe-arch) (Hình 1.5a). Các culvert sản xuất sẵn này thường có vật liệu giống nhau bao quanh toàn bộ chu vi. Việc lựa chọn hình dạng phụ thuộc vào chi phí xây dựng, giới hạn mực nước phía thượng lưu, chiều cao nền đắp đường, và hiệu suất thủy lực. Các hình dạng này có thể được xây dựng kèm theo phần đáy chìm (embedment), tức là phần lõm phía dưới đáy dòng chảy tại cả cửa vào và cửa ra. Tài liệu hỗ trợ thiết kế chỉ được cung cấp trong phụ lục đối với culvert hình tròn và hộp. Các hình dạng culvert đáy hở phổ biến là các cấu hình dạng hộp và dạng vòm như thể hiện trong Hình 1.5b. Các hình dạng mặt cắt được minh họa trong Hình 1.5a và b cùng với hình dạng người dùng tự xác định tạo nên các hình dạng tiêu chuẩn có sẵn trong phần mềm thiết kế culvert của FHWA – chương trình HY-8.

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 lâu (khả năng chống ăn mòn và mài mòn), và khả năng thi công. Các vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho culvert bao gồm bê tông (cả có cốt thép và không cốt thép), kim loại dạng sóng (nhôm hoặc thép) và nhựa (polyetylen mật độ cao – HDPE hoặc polyvinyl clorua – PVC). Một culvert hộp bê tông và một ống kim loại dạng sóng được minh họa trong Hình 1.6 và 1.7 tương ứng. Các vật liệu ít phổ biến hơn bao gồm đất sét, đá và gỗ, như có thể thấy trong các culvert cổ. Các vật liệu dùng cho culvert vẫn đang tiếp tục được phát triển và trong tương lai có thể bao gồm nhiều loại nhựa khác nhau, sợi thủy tinh và vật liệu composite. Culvert cũng có thể được lót bằng các vật liệu khác để chống ăn mòn và mài mòn hoặc để giảm sức cản thủy lực. Ví dụ, culvert kim loại dạng 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 thân culvert. Các cấu hình này bao gồm cả loại lắp sẵn và loại thi công trực tiếp tại hiện trường. Các cấu hình cửa vào phổ biến bao gồm: thân culvert nhô ra, tường đầu bê tông đổ tại chỗ, các đoạn đầu đúc sẵn hoặc lắp sẵn, và các đầu culvert được vát góc để phù hợp với mái dốc đắp (Hình 1.8). Các yếu tố cần cân nhắc khi lựa chọn cấu hình cửa vào bao gồm: hiệu suất thủy lực, độ ổn định kết cấu, yếu tố thẩm mỹ, kiểm soát xói mòn và khả năng giữ đất.

Khả năng dẫn nước của culvert có thể được cải thiện nhờ lựa chọn cấu hình cửa vào phù hợp. Kênh dẫn thường rộng hơn thân culvert, gây ra hiện tượng co hẹp tại cửa vào culvert, và đây có thể là điểm kiểm soát chính của dòng chảy qua culvert. Việc tạo ra một quá trình chuyển đổi dòng chảy dần dần hơn sẽ giúp giảm tổn thất năng lượng và do đó tạo điều kiện cửa vào thủy lực hiệu quả hơn (Hình 1.9). Vì vậy, các mép vát (beveled edges) hiệu quả hơn so với các mép vuông (square edges).

Các cửa vào thuôn bên (side-tapered) và thuôn dốc (slope-tapered), thường được gọi chung là cửa vào thuôn (tapered inlets), giúp giảm hiện tượng co hẹp dòng chảy. Hình 1.10 minh họa cả hai loại: thuôn bên và thuôn dốc. Phần hạ thấp (depression) có thể làm tăng cột áp hiệu dụng tại tiết diện kiểm soát dòng chảy, từ đó nâng cao hiệu suất của culvert. Phần depression này có thể tại cửa vào (inlet depression) hoặc tại cổ họng (throat depression).

Khi xem xét việc sử dụng cửa vào thuôn, người thiết kế cần đánh giá chi phí xây dựng tăng thêm của phần thuôn so với phần tiết kiệm được từ việc giảm kích thước thân cống. Ngoài ra, nếu AOP (Aquatic Organism Passage – lối đi cho sinh vật thủy sinh) là yếu tố quan trọng, thì việc giảm kích thước thân cống nhờ cửa vào thuôn thường không phải là một phương án thiết kế chấp nhận được. Tuy nhiên, khi có thể áp dụng cửa vào thuôn, hiệu quả cải thiện thủy lực có thể rất đáng kể trong một số trường hợp. Ví dụ điển hình là một culvert dài đặt trên dốc lớn và không gặp vấn đề AOP, như thường thấy ở khu vực đô thị.

Một ứng dụng khác có thể là dự án mở rộng đường, nơi mà thân cống hiện tại vẫn còn tốt nhưng bị thiếu kích thước do quá trình đô thị hóa làm tăng lưu lượng thiết kế. Thay vì thay thế toàn bộ culvert hiện có với chi phí và sự gián đoạn giao thông đi kèm, một cửa vào thuôn có thể được thiết kế như một phần mở rộng để cải thiện hiệu suất thủy lực. Việc cải tạo một culvert nằm dưới nền đắp cao là một ví dụ khác, trong đó cửa vào thuôn tại đầu cống có thể giúp bù đắp cho việc lót culvert bằng vật liệu làm giảm diện tích cửa vào và kích thước thân cống.

1.3.4 Culvert đặt chìm (Embedded Culvert) và Culvert đáy hở (Open-Bottom Culvert)

Các loại culvert đặt chìm (embedded) và đáy hở (open-bottom) cung cấp một đáy tự nhiên (natural invert), điều này có thể được ưa chuộng vì nhiều lý do. Ví dụ, culvert đặt chìm và đáy hở thường được sử dụng tại các điểm giao cắt dòng chảy được thiết kế để giải quyết các vấn đề AOP (lối đi cho sinh vật thủy sinh). Một đáy tự nhiên cũng có thể phù hợp hơn trong các kênh có lượng vận chuyển bùn cát lớn, đặc biệt là với vật liệu thô (sỏi và đá cuội), nơi mà hiện tượng mài mòn do bùn cát di chuyển có thể nhanh chóng phá hủy đáy culvert. Các lý do khác cho việc sử dụng đáy tự nhiên còn bao gồm yếu tố thẩm mỹ.

Culvert đáy hở thường có hình dạng hộp hoặc vòm, được xây dựng trên móng có tường đứng (Hình 1.11). Móng cần được thiết kế có tính đến khả năng bị xói tại đáy dòng chảy, điều này có thể làm suy yếu kết cấu – một dạng hư hỏng phổ biến đối với loại culvert này. Hiện có ít thông tin về hiện tượng xói do dòng chảy song song với tường, như có thể xảy ra dọc theo móng của culvert đáy hở. Hướng dẫn thiết kế bảo vệ bằng đá hộc (riprap) cho culvert đáy hở được trình bày trong HEC-23 (FHWA 2009b). Tuy nhiên, nếu nguy cơ xói lớn, một giải pháp thay thế ít rủi ro hơn cho culvert đáy hở là culvert đặt chìm.

Culvert đặt chìm có thể có bất kỳ hình dạng nào, nhưng thường là dạng tròn, hộp hoặc vòm ống, được chôn xuống đất khoảng 20–40% chiều cao của nó (Hình 1.12). Một ưu điểm của culvert đặt chìm là đáy culvert có thể kiểm soát cao độ dòng chảy và bảo vệ chống lại xói lở nghiêm trọng, so với culvert đáy hở.

Sự quan tâm ngày càng tăng đối với culvert đáy hở và culvert đặt chìm, đặc biệt là trong các ứng dụng AOP, đã dẫn đến các nghiên cứu bổ sung về đặc tính thủy lực của chúng. Một trong những nghiên cứu đó là dự án được thực hiện bởi Chương trình Nghiên cứu Đường cao tốc Hợp tác Quốc gia (National Cooperative Highway Research Program – NCHRP), Dự án 15-24, nhằm điều chỉnh các hệ số tổn thất thủy lực hiện có và phát triển các hệ số tổn thất thủy lực mới cho các hệ thống culvert truyền thống và phi truyền thống, có tính đến các yếu tố môi trường nhạy cảm (NCHRP 2011).

Nghiên cứu bao gồm việc đánh giá hệ số tổn thất tại cửa vào và cửa ra cho culvert đặt chìm và các culvert đã được lót lại (xem Phụ lục A). Nghiên cứu cũng đánh giá các phương pháp tính tổn thất thủy lực tổng hợp cho culvert đáy hở và đặt chìm, trong đó có sự khác biệt về độ nhám giữa đáy (invert) và vật liệu thân culvert. Chương 3 trình bày phương pháp truyền thống để xác định độ nhám tổng hợp, và phương pháp này đã được nghiên cứu NCHRP xác nhận.

1.3.5 Điểm vượt nước nông (Low Water Crossings)

Một điểm vượt nước nông (low-water crossing) được thiết kế để đảm bảo phương tiện có thể đi qua an toàn khi mực nước thấp, nhưng sẽ bị tràn khi mực nước cao và do đó sẽ phải đóng giao thông. Các điểm vượt suối có mực nước thấp có thể là phương án thay thế hiệu quả về chi phí so với cầu hoặc culvert đối với các tuyến đường có lưu lượng giao thông thấp, với điều kiện dòng chảy và điều kiện sử dụng đường phù hợp. Các tiêu chuẩn và tiêu chí được nêu trong tài liệu Project Development and Design Manual (FHWA 2008b) và trong ấn phẩm của Cục Lâm nghiệp Hoa Kỳ Low-water Crossings: Geomorphic, Biological, and Engineering Design Considerations (USFS 2006).

Các tiêu chuẩn này phân loại điểm vượt nước nông thành hai loại: có lỗ thông (vented crossing) và không có lỗ thông (unvented crossing). Vented crossing có một khe mở thủy lực nằm dưới mặt đường để cho dòng chảy thấp đi qua, trong khi unvented crossing thì không có khe mở nào. Một điểm vượt không có lỗ thông về cơ bản là một đoạn ngầm, có thể đơn giản chỉ là chỗ trũng xuống trên mặt đường cho khớp với cao độ đáy suối, hoặc được nâng nhẹ lên so với đáy. Loại này thường được sử dụng ở các vùng khí hậu khô, nơi kênh suối hầu như khô quanh năm (Hình 1.13). Một điểm vượt có lỗ thông về cơ bản là một culvert được thiết kế để cho dòng chảy thấp đi qua nhưng sẽ bị tràn qua mặt đường khi dòng chảy cao (Hình 1.14). Theo thiết kế, điểm vượt hoạt động như một culvert đối với dòng chảy thấp theo thiết kế, và giống như một đập tràn đỉnh rộng kết hợp với culvert đối với lưu lượng lớn hơn. Trong các sự kiện dòng chảy lớn, dòng chảy tại cả điểm vượt có lỗ và không có lỗ thông có thể đủ mạnh để cuốn trôi phương tiện đi xuống hạ lưu. Do đó, biển cảnh báo trước khi vào điểm vượt rất quan trọng và lý tưởng là nên giới hạn phương tiện đi qua khi mực nước vượt quá một độ sâu nhất định, có thể được xác định bằng cột mốc hoặc biển báo tại hoặc gần điểm vượt.

Việc bảo vệ mặt đường và phần đắp khỏi xói lở và tràn nước là yếu tố thiết kế quan trọng đối với điểm vượt nước nông. Sự thay đổi cao độ mặt nước và gia tốc dòng chảy khi nước tràn qua mặt đường có thể gây xói lở tại hạ lưu của đường, đòi hỏi cần có giải pháp bảo vệ, điển hình là lát đá hộc (riprap) hoặc gia cố phần đắp bằng bê tông. Một vấn đề khác cũng cần được cân nhắc là tác động tiềm năng đến AOP.

1.3.6 Lối đi cho sinh vật thủy sinh (Aquatic Organism Passage – AOP)

Truyền thống, culvert được thiết kế dựa trên khả năng dẫn dòng và dung tích thoát lũ. Mục tiêu chính là xác định kích thước culvert sao cho duy trì được mức độ ứ đọng nước chấp nhận được ở phía thượng lưu đường, như được xác định bởi cao độ mực nước đầu vào cho phép (allowable headwater elevation). Cách tiếp cận này thường dẫn đến kết cấu vượt dòng có kích thước nhỏ hơn và hẹp hơn đáng kể so với lòng kênh, làm co hẹp dòng chảy và tăng vận tốc cũng như nguy cơ xói lở.

Sự co hẹp dòng chảy đã làm thay đổi chế độ dòng chảy tự nhiên, tạo ra rào cản đối với sự di chuyển của cá ở trong hoặc gần culvert. Những lo ngại về tác động của các rào cản này, đặc biệt là đối với cá di cư, đã thúc đẩy sự phát triển của các khái niệm thiết kế culvert mới dựa trên khả năng và hành vi của cá ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau. Mặc dù ban đầu trọng tâm chính là tạo điều kiện cho cá di chuyển, nhưng sau đó người ta nhận ra rằng nhiều sinh vật khác trong môi trường thủy sinh (ví dụ: ếch, kỳ giông, rùa) cũng bị ảnh hưởng, và vấn đề này được biết đến rộng rãi hơn với tên gọi “aquatic organism passage” (AOP) – hành lang di chuyển cho sinh vật thủy sinh.

Các tiêu chí mong muốn đối với một culvert phục vụ AOP ban đầu tập trung vào việc giảm thiểu mức độ co hẹp dòng chảy tại cửa vào, duy trì vận tốc và độ sâu dòng chảy hợp lý bên trong culvert, tránh các thay đổi đột ngột về cao độ hoặc độ dốc, và duy trì đáy kênh tự nhiên. Khi kiến thức tăng lên, trọng tâm thiết kế chuyển sang việc mô phỏng lòng kênh tự nhiên bên trong culvert trong phạm vi khả thi. Quy trình thiết kế AOP của FHWA nhằm tạo ra các điều kiện như vậy được trình bày chi tiết trong HEC-26 (FHWA 2010a). Bản tóm tắt thông tin này được trình bày ở Chương 4.

Khi các vấn đề AOP cần được xem xét, culvert thường có kích thước lớn hơn mức cần thiết để đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế về dẫn dòng và dung tích lũ. Mặc dù culvert lớn sẽ có chi phí cao hơn ban đầu, nhưng lại có tiềm năng giảm chi phí bảo trì trong suốt vòng đời sử dụng. Quy trình của FHWA nhấn mạnh việc sử dụng các culvert đặt chìm, quá cỡ, nhằm tạo đáy tự nhiên (natural invert), đồng thời cung cấp một mức độ kiểm soát độ dốc nhất định thông qua đáy culvert. Nhiều loại kết cấu và cấu hình khác cũng có thể được sử dụng.

1.3.7 Culvert nhịp dài (Long Span Culverts)

Các cống nhịp dài (long span culverts) được xác định tốt hơn dựa trên các khía cạnh thiết kế kết cấu hơn là trên cơ sở các yếu tố thủy lực. Theo Specifications for Highway Bridges của AASHTO năm 2002, các kết cấu tấm kết cấu nhịp lớn được định nghĩa như sau:

1. Vượt quá các kích thước tối đa đã được xác định đối với ống, ống hình vòm (pipe-arches), và các kết cấu hình vòm, hoặc
2. Có thể là các hình dạng đặc biệt với bất kỳ kích thước nào, có bán kính cong lớn ở phần đỉnh (crown) hoặc tấm bên (side plates).

Các hình dạng đặc biệt bao gồm hình elip đứng và ngang, đường hầm, cũng như các vòm có cao độ thấp và cao. Nhìn chung, khẩu độ của các cống nhịp dài dao động từ 20 đến 40 ft (7m đến 14m). Một số hình dạng điển hình của cống nhịp dài được minh họa trong Hình 1.5b. Một ví dụ về lắp đặt cống nhịp dài được thể hiện trong Hình 1.15.

Các cống nhịp dài phụ thuộc vào sự tương tác với nền đất đắp để đảm bảo ổn định kết cấu. Do đó, việc chuẩn bị lớp đáy phù hợp, lựa chọn và đầm nén lớp đất đắp là vô cùng quan trọng. Đối với các kết cấu cống nhiều ống, cần đặc biệt chú ý để tránh tải trọng không cân bằng trong quá trình lấp đất. Một số nhà sản xuất cống nhịp lớn sẽ không bán sản phẩm cho khách hàng nếu việc thiết kế và lắp đặt không được giám sát bởi kỹ sư của họ. Nếu không có yêu cầu này, dự án cần được phối hợp với đội ngũ kỹ sư của nhà sản xuất.

Các nhà sản xuất khác nhau áp dụng các kỹ thuật khác nhau để đạt được cấu hình nhịp lớn như mong muốn. Trong một số trường hợp, các gân gia cường được sử dụng để tăng cường kết cấu. Trong những trường hợp khác, các gân cứng dọc được thiết kế đặc biệt sẽ được lắp ở phần đỉnh của vòm. Các gân và tấm cứng nhô vào bên trong lòng cống có thể làm tăng sức cản thủy lực, đặc biệt nếu các chi tiết này vuông góc với dòng chảy.

Việc neo giữ hai đầu của cống nhịp dài là cần thiết để ngăn hiện tượng nổi lên hoặc hư hại do vận tốc dòng chảy cao tại cửa vào. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các cửa vào vát chéo. Không khuyến khích sử dụng các cửa vát hoặc lệch góc quá mức.

Các nguyên lý thủy lực tương tự cũng được áp dụng trong thiết kế cống nhịp lớn như đối với các loại cống khác. Tuy nhiên, do kích thước lớn, chúng hiếm khi có mực nước vượt quá đỉnh ống và thường chỉ đầy một phần tại lưu lượng thiết kế. Do đó, tính toán backwater thường là phương pháp phân tích tốt nhất để đánh giá hiệu suất thủy lực. Đối với bất kỳ hình dạng đáy hở nào, việc thiết kế và bảo vệ chống xói lở tại nền móng cần được tính đến.

1.3.8 Chức năng của Culvert (Culvert Function)

Culvert đảm nhận nhiều chức năng liên quan đến thủy lực và phi thủy lực. Chức năng thủy lực phổ biến nhất là thoát nước ngang qua kênh suối, như đã trình bày ở phần trước của chương này. Các chức năng thủy lực khác bao gồm thoát nước cho vùng ngập lũ, trong đó culvert có thể được đặt ở vùng ngập rộng để dẫn nước trong các sự kiện lũ lớn. Những culvert này thường không có kênh rõ ràng ở thượng lưu hoặc hạ lưu và có thể khô cạn trong nhiều năm.

Các culvert nhỏ hơn thường được sử dụng để hỗ trợ thoát nước cho rãnh dọc theo đường, giúp chuyển hướng một phần lưu lượng từ rãnh. Culvert cũng thường được tích hợp vào các công trình kiểm soát cửa ra cho hồ điều hòa và các hệ thống quản lý nước khác.

Về chức năng phi thủy lực, culvert có thể được sử dụng làm lối đi cho người hoặc động vật, như lối đi bộ, lối mòn, đường cho gia súc, phương tiện nông trại, hoặc các điểm vượt để tạo điều kiện cho động vật hoang dã di chuyển.

1.4 Thủy lực của Culvert (Culvert Hydraulics)

Việc phân tích lý thuyết hoàn chỉnh về thủy lực culvert dựa trên các phương trình cơ bản có thể rất phức tạp. Điều kiện dòng chảy thay đổi theo thời gian đối với mỗi culvert. Lòng culvert có thể chảy đầy hoặc chảy một phần, tùy thuộc vào điều kiện thượng lưu và hạ lưu, đặc điểm của thân culvert và hình dạng cửa vào.

Sự nhận thức này, cùng với việc thiếu một phương pháp thiết kế culvert nhất quán, đã dẫn đến các nghiên cứu của Cục Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ (FHWA), trước đây là Cục Đường bộ Công cộng (BPR), tại Phòng thí nghiệm Tiêu chuẩn Quốc gia (NBS) bắt đầu từ những năm 1950. Các nghiên cứu này đã cho ra đời một chuỗi gồm bảy báo cáo nghiên cứu và các phương trình được trình bày trong Phụ lục A. Các phương trình này được sử dụng để xây dựng các biểu đồ tính toán (nomograph) phục vụ đánh giá thủy lực culvert (Phụ lục C). Những biểu đồ này là cơ sở cho các quy trình thiết kế culvert của FHWA, lần đầu được công bố trong HEC-5 (FHWA 1965), HEC-13 (FHWA 1972a), và hiện tại là trong ấn phẩm này.

Cách tiếp cận cơ bản được trình bày trong HEC-5 là phân tích culvert cho các dạng kiểm soát dòng chảy khác nhau, sau đó thiết kế theo dạng kiểm soát cho ra hiệu suất thủy lực thấp nhất. Thiết kế dựa trên hiệu suất tối thiểu bỏ qua các điều kiện chuyển tiếp có thể mang lại hiệu suất tốt hơn trong một số thời điểm. Lợi ích của việc thiết kế theo hiệu suất tối thiểu là đơn giản hóa việc thiết kế và đảm bảo culvert hoạt động tốt ngay cả trong điều kiện thủy lực bất lợi nhất.

1.4.1 Điều kiện dòng chảy (Flow Conditions)

Lòng culvert có thể chảy đầy toàn bộ chiều dài hoặc chỉ đầy một phần. Dòng chảy đầy trong lòng culvert là hiếm. Thông thường, ít nhất một phần của lòng culvert chỉ chảy đầy một phần. Tính toán đường mặt nước là cách duy nhất để xác định chính xác mức độ đầy của lòng culvert.

a. Dòng chảy đầy (Full Flow):
Trạng thái thủy lực khi culvert chảy đầy được gọi là dòng chảy áp lực (pressure flow). Nếu diện tích tiết diện ngang của culvert trong điều kiện dòng chảy áp lực được tăng lên, vùng dòng chảy sẽ mở rộng. Một tình huống có thể tạo ra dòng chảy áp lực trong culvert là áp lực ngược do mực nước ở hạ lưu cao. Mực nước cao ở thượng lưu cũng có thể tạo ra dòng chảy đầy. Bất kể nguyên nhân là gì, khả năng dẫn nước của culvert trong điều kiện dòng chảy áp lực đều bị ảnh hưởng bởi điều kiện thượng lưu và hạ lưu cũng như đặc tính thủy lực của bản thân culvert.

b. Dòng chảy mặt thoáng (Partly Full – Free Surface Flow):
Dòng chảy mặt thoáng (free surface flow) hoặc dòng hở có thể được phân loại là dưới tới hạn (subcritical), tới hạn (critical), hoặc siêu tới hạn (supercritical). Việc xác định chế độ dòng chảy phù hợp được thực hiện thông qua việc tính chỉ số không thứ nguyên F_r, gọi là số Froude, theo công thức:

$$Fr = \frac{V}{\sqrt{gy}} \tag{1.1}$$

Trong đó:

• V là vận tốc trung bình của dòng chảy,
• g là gia tốc trọng trường,
• y là độ sâu đại diện, thường là độ sâu tương đương hoặc độ sâu thủy lực.

Độ sâu tương đương thường được sử dụng để xác định độ sâu đại diện trong tiết diện tròn và được định nghĩa là căn bậc hai của một nửa diện tích tiết diện ngang (A/2)^0.5. Độ sâu thủy lực được dùng cho các hình dạng khác và được tính bằng cách chia diện tích tiết diện ngang cho chiều rộng mặt thoáng (A/T).

• Khi Fr > 1.0, dòng chảy là siêu tới hạn và có đặc tính nhanh.
• Khi Fr < 1.0, dòng chảy là dưới tới hạn và có đặc tính êm dịu.
• Khi Fr = 1.0, dòng chảy được gọi là tới hạn.

Ba chế độ dòng chảy được minh họa trong hình mô tả một con đập nhỏ ở Hình 1.16.
– Dòng chảy dưới tới hạn xảy ra ở phía thượng lưu của đỉnh đập, nơi nước sâu và vận tốc thấp.
– Dòng chảy siêu tới hạn xảy ra ở phía hạ lưu của đỉnh đập, nơi nước nông và vận tốc cao.
– Dòng chảy tới hạn xảy ra ngay tại đỉnh đập và là điểm phân chia giữa hai chế độ dòng chảy trên.

Để phân tích điều kiện dòng chảy mặt thoáng, cần xác định một điểm có độ sâu và lưu lượng đã biết (gọi là tiết diện kiểm soát). Tại đỉnh đập, tồn tại mối quan hệ xác định giữa độ sâu tới hạn và lưu lượng tới hạn, khiến điểm này trở thành một tiết diện kiểm soát thuận tiện.

Việc xác định dòng chảy là dưới tới hạn hay siêu tới hạn là cần thiết để tiếp tục phân tích điều kiện dòng chảy mặt thoáng. Ví dụ trong Hình 1.16 thể hiện cả hai chế độ dòng chảy. Đặc điểm dòng chảy dưới tới hạn, như độ sâu và vận tốc, có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố cản trở hoặc nhiễu loạn ở hạ lưu. Ví dụ, nếu có một vật cản được đặt ngay tại đỉnh đập (tiết diện kiểm soát), mực nước ở thượng lưu sẽ dâng lên. Ngược lại, trong chế độ dòng chảy siêu tới hạn, đặc tính dòng không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố ở hạ lưu. Ví dụ, một vật cản đặt ở chân đập sẽ không ảnh hưởng đến mực nước ở thượng lưu.

Loại dòng chảy giống như đã minh họa ở con đập nhỏ cũng có thể xảy ra trong một culvert (Hình 1.17). Trong tình huống này, độ sâu tới hạn xảy ra tại cửa vào của culvert, dòng chảy dưới tới hạn tồn tại trong kênh ở thượng lưu, và dòng chảy siêu tới hạn tồn tại trong lòng culvert.

Một dạng đặc biệt của dòng chảy mặt thoáng được gọi là “just-full flow” (chảy vừa đầy). Đây là một điều kiện đặc biệt khi một ống chảy đầy nhưng không có áp suất. Mặt nước chỉ vừa chạm đến đỉnh của ống. Việc phân tích loại dòng chảy này giống như với 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 dạng cơ bản của kiểm soát dòng chảy được định nghĩa trong các nghiên cứu do NBS (trước đây là BPR) và FHWA thực hiện. Cơ sở để phân loại hệ thống là vị trí của tiết diện kiểm soát. Việc xác định các chế độ dòng chảy áp lực, dưới tới hạn và siêu tới hạn đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí của tiết diện kiểm soát và do đó xác định loại kiểm soát. Khả năng dẫn nước của một culvert phụ thuộc vào sự kết hợp khác nhau của các yếu tố đối với mỗi loại kiểm soát.

a. Inlet Control (Kiểm soát tại cửa vào):
Kiểm soát tại cửa vào xảy ra khi lòng culvert có khả năng dẫn lưu lượng lớn hơn lượng mà cửa vào có thể tiếp nhận. Tiết diện kiểm soát của một culvert hoạt động theo chế độ kiểm soát tại cửa vào được đặt ngay bên trong lối vào. Độ sâu tới hạn xảy ra tại hoặc gần vị trí này, và dòng chảy ngay phía sau vị trí này là siêu tới hạn. Hình 1.17 minh họa một ví dụ điển hình về điều kiện dòng chảy kiểm soát tại cửa vào. Các đặc tính thủy lực ở phía hạ lưu của vị trí kiểm soát tại cửa vào không ảnh hưởng đến khả năng dẫn nước của culvert. Mực nước thượng lưu và hình dạng cửa vào là các yếu tố kiểm soát chính. Hình học của cửa vào bao gồm hình dạng cửa, diện tích tiết diện và cấu hình cửa vào (Bảng 1.1).

b. Outlet Control (Kiểm soát tại cửa ra):
Kiểm soát tại cửa ra xảy ra khi lòng culvert không có khả năng dẫn lưu lượng bằng lượng mà cửa vào cho phép. Tiết diện kiểm soát trong điều kiện này nằm ở cuối culvert hoặc xa hơn về phía hạ lưu. Dưới các điều kiện này, dòng chảy có thể là dưới tới hạn hoặc dòng áp lực trong lòng culvert. Hình 1.18 minh họa hai ví dụ điển hình về điều kiện dòng chảy kiểm soát tại cửa ra. Tất cả các đặc điểm hình học và thủy lực của culvert đều đóng vai trò trong việc xác định khả năng dẫn nước. Những đặc điểm này bao gồm tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến kiểm soát tại cửa vào, mực nước tại cửa ra và các đặc điểm của lòng culvert (Bảng 1.1).

Các yếu tố trong Bảng 1.1 phân biệt giữa đặc điểm hình học của cửa vào và của lòng culvert để tính đến hiệu ứng của các cửa vào có hình thuôn được dùng cho một số culvert. Đối với culvert không có phần thuôn, diện tích và hình dạng tiết diện cửa vào được xem là bằng với của lòng culvert. Độ dốc của culvert được gọi là độ dốc cơ bản để phân biệt với các yếu tố hình học khác có thể xuất hiện ở cửa vào, như khi đáy cửa vào bị hạ thấp. Độ dốc đáy là yếu tố chính xác định xem culvert hoạt động theo chế độ kiểm soát tại cửa vào hay cửa ra. Trong trường hợp kiểm soát tại cửa vào, chiều dài của lòng culvert được xác định dựa trên nơi mà đáy cắt ngang với độ dốc đã cho.

Bảng 1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế Culvert (Factors Influencing Culvert Design

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 của cửa vào.
• Đối với kiểm soát tại cửa ra, các yếu tố này liên quan đến diện tích và hình dạng của lòng Culvert (barrel culevert).

1.4.4 Mực nước hạ lưu (Tailwater)

Mực nước hạ lưu (tailwater) được định nghĩa là độ sâu của nước ở phía hạ lưu của culvert, được đo từ đáy cửa ra. Đây là một yếu tố quan trọng trong việc xác định khả năng dẫn nước của culvert trong điều kiện kiểm soát tại cửa ra.

Lượng tailwater phụ thuộc vào đặc điểm của kênh hạ lưu tại lưu lượng thiết kế và được đánh giá dựa trên các phép tính dòng hở truyền thống, thường sử dụng phương pháp xấp xỉ normal depth.

Mực nước hạ lưu tăng có thể do các vật cản trong kênh hạ lưu, như cầu hoặc culvert khác, hợp lưu với kênh khác, hồ chứa hoặc đập hải ly, v.v. Trong các trường hợp này, cần tính toán dòng chảy ngược từ điểm kiểm soát ở hạ lưu để xác định chính xác tailwater.

Chỉ riêng mực nước hạ lưu cao cũng đủ khiến một culvert hoạt động theo chế độ kiểm soát tại cửa ra, ngay cả khi bình thường nó sẽ hoạt động theo chế độ kiểm soát tại cửa vào.

1.4.5 Vận tốc tại cửa ra (Outlet Velocity)

Vì culvert thường thu hẹp diện tích dòng chảy có sẵn trong kênh, nên vận tốc dòng chảy trong culvert có thể cao hơn so với trong kênh. Vận tốc tăng này có thể gây xói đáy và xói bờ tại khu vực xung quanh cửa ra của culvert. Những vấn đề nhỏ đôi khi có thể được khắc phục bằng cách tăng độ nhám của lòng culvert. Thiết bị tiêu năng và các biện pháp bảo vệ cửa ra đôi khi cần thiết để tránh xói quá mức tại cửa ra của culvert.

Khi một culvert hoạt động trong điều kiện kiểm soát tại cửa vào và lòng culvert chưa hoạt động hết công suất, thường có lợi nếu làm giảm độ dốc của culvert hoặc thêm một đoạn thô nhám để giảm vận tốc tại cửa ra (xem culvert gãy lưng – broken-back culvert, Mục 5.6).

Các phương pháp tính toán vận tốc tại cửa ra cho cả điều kiện kiểm soát tại cửa vào và cửa ra được trình bày trong Mục 3.1.6.

1.4.6 Đường cong hiệu suất (Performance Curves)

Đường cong hiệu suất (performance curve) là đồ thị biểu diễn độ sâu hoặc cao độ của mực nước đầu vào (headwater) theo lưu lượng dòng chảy. Biểu đồ này rất hữu ích trong việc đánh giá khả năng dẫn nước của culvert đối với các mực nước đầu vào khác nhau. Trong số các ứng dụng của nó, đường cong hiệu suất cho thấy hậu quả của các lưu lượng lớn hơn tại hiện trường.

Khi xây dựng đường cong hiệu suất của culvert, cả hai đường cong kiểm soát tại cửa vào và tại cửa ra đều phải được vẽ. Điều này là cần thiết vì tại một mực nước thượng lưu nhất định, rất khó để dự đoán loại kiểm soát nào sẽ chiếm ưu thế. Ngoài ra, chế độ kiểm soát có thể thay đổi từ cửa vào sang cửa ra (hoặc ngược lại) trong một khoảng lưu lượng nhất định. Hình 1.19 minh họa một đường cong hiệu suất culvert điển hình.

Dựa trên khái niệm hiệu suất tối thiểu (xem Mục 3.1.1), tại mực nước đầu vào cho phép (xem Mục 2.2.5), culvert hoạt động theo chế độ kiểm soát tại cửa vào. Với một cấu hình cửa vào tốt hơn, hiệu suất của culvert có thể được cải thiện để tận dụng tốt hơn khả năng của lòng culvert.

1.5 Sửa chữa và phục hồi Culvert (Culvert Repair and Rehabilitation)

Việc sửa chữa và phục hồi culvert đang nhận được nhiều sự quan tâm vì nhiều công trình trên toàn quốc đã hoặc sắp vượt quá tuổi thọ thiết kế ban đầu. Đánh giá tình trạng hiện tại của culvert là bước đầu tiên quan trọng trong quy trình thiết kế cho công tác sửa chữa và phục hồi. Nhiều yếu tố và chỉ số liên quan đến tình trạng của culvert hiện có cần được đánh giá và cân nhắc khi lựa chọn các phương pháp và công nghệ sửa chữa, phục hồi phù hợp. Nhiều kỹ thuật phục hồi nhằm giải quyết tình trạng xuống cấp của culvert cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất thủy lực của culvert.

Khi đã có đánh giá chính xác về tình trạng của culvert, có thể đưa ra quyết định giữa việc sửa chữa hay thay thế. Các lựa chọn phổ biến trong quá trình ra quyết định này bao gồm: sửa chữa bằng lớp lót, sửa chữa bằng cách cho người vào bên trong, hoặc thay thế hoàn toàn.

Tài liệu Culvert Pipe Liner Guide and Specifications (FHWA 2005b) cung cấp thông tin về các kỹ thuật và phương pháp lót culvert phổ biến. Tài liệu Culvert Assessment and Decision-making Procedures Manual (FHWA 2010b) cung cấp thông tin về quy trình đánh giá và các lựa chọn sửa chữa.

Tổng quan về các nội dung này được trình bày trong Chương 6, tập trung vào những thay đổi tiềm năng mà việc sửa chữa hoặc thay thế có thể gây ra đối với hiệu suất thủy lực của culvert.

1.6 Kinh tế (Economics)

Thiết kế lắp đặt culvert luôn nên bao gồm đánh giá kinh tế. Một loạt các lưu lượng lũ với các xác suất đi kèm sẽ xảy ra tại vị trí lắp culvert trong suốt vòng đời sử dụng. Lợi ích của việc xây dựng một culvert có kích thước lớn để xử lý tất cả các sự kiện lũ này mà không gây thiệt hại do ngập lụt thường vượt trội hơn chi phí xây dựng ban đầu. Do đó, một phân tích kinh tế về các đánh đổi sẽ được thực hiện với mức độ công phu và chi tiết khác nhau.

Quy trình lựa chọn culvert lý tưởng là quy trình tối thiểu hóa tổng chi phí hàng năm của công trình trong suốt vòng đời của tuyến đường. Chi phí hàng năm bao gồm chi phí đầu tư ban đầu, chi phí bảo trì và rủi ro liên quan đến lũ lụt. Việc so sánh chi phí của các hình dạng và kích thước culvert có sẵn là điều được hiểu rõ trong quá trình thiết kế. Tuy nhiên, điều thường ít được quan tâm hơn là cần phải xem xét cả độ bền, chi phí bảo trì và thay thế bên cạnh chi phí xây dựng ban đầu tại chỗ.

Việc chọn vật liệu culvert có khả năng chống ăn mòn hoặc mài mòn tốt hơn có thể tốn nhiều chi phí ban đầu hơn, nhưng tuổi thọ dài hơn sẽ giúp giảm chi phí hàng năm tổng thể. Dự đoán được các yêu cầu bảo trì trong tương lai cũng có thể giúp tiết kiệm chi phí về lâu dài. Ví dụ, trong trường hợp đắp đất cao, có thể hợp lý hơn khi thiết kế lòng culvert lớn hơn ngay từ đầu để thuận tiện cho việc lót lại trong tương lai, tránh chi phí thay thế vào thời điểm đó.

1.6.1 Lợi ích và chi phí

Mục đích của culvert trên đường cao tốc là để dẫn nước xuyên qua nền đường.

Lợi ích chính của culvert là giảm thời gian gián đoạn giao thông do ngập đường và tăng độ an toàn khi lái xe. Chi phí chính liên quan đến việc xây dựng nền đường và chính culvert đó.

Việc bảo trì công trình và thiệt hại tiềm ẩn do ngập lụt cũng phải được tính đến trong phân tích chi phí.

1.6.2 So sánh giữa vật liệu và hình dạng

Việc so sánh chi phí giữa các loại vật liệu và hình dạng culvert khác nhau thay đổi theo vùng và theo thời gian. Khuyến nghị rằng chi phí của các culvert có cùng khả năng thủy lực nên được so sánh định kỳ để hỗ trợ lựa chọn vật liệu. Yêu cầu báo giá từ nhiều loại vật liệu phù hợp có thể mang lại lợi ích kinh tế cho hầu hết các dự án.

Phân tích kinh tế chi tiết về lựa chọn vật liệu culvert yêu cầu xem xét các điều kiện cụ thể tại hiện trường. Độ bền kết cấu là một mối quan tâm dưới các lớp đắp cao. Độ dốc lớn của kênh sẽ tạo ra vận tốc cao, vốn sẽ càng được tăng cường nếu sử dụng bề mặt trơn. Dòng chảy có tính axit sẽ thúc đẩy ăn mòn vật liệu.

Một số vật liệu không chịu được tác động của tải trọng mài mòn. Tính kín nước tại các mối nối cũng có thể là một yếu tố quan trọng cần xem xét. Tất cả các yếu tố này ảnh hưởng đến chi phí hàng năm của culvert tùy theo loại vật liệu được chọn.

Hình dạng culvert cũng quan trọng như vật liệu trong đánh giá chi phí (Hình 1.5). Nhiều hình dạng có thể được sản xuất từ nhiều loại vật liệu; trong khi các hình dạng khác thì yêu cầu vật liệu nhất định. Culvert tròn là hình dạng phổ biến nhất. Chúng thường có giá hợp lý, có thể chịu được tải trọng kết cấu cao và hiệu quả thủy lực. Tuy nhiên, chiều cao lắp đặt hạn chế có thể đòi hỏi sử dụng dạng pipe-arch hoặc elip. Pipe-arch và elip đắt hơn ống tròn.

Dạng vòm cần được chú ý đặc biệt đến nền móng, và sự hư hại do xói lở là một yếu tố cần quan tâm. Tuy nhiên, vòm mang lại lớp đáy tự nhiên cho dòng chảy, đây là một lợi thế đối với AOP. Culvert tấm kết cấu có thể được chế tạo với nhiều hình dạng, thi công nhanh chóng, và chi phí vận chuyển, lắp đặt thấp (Hình 1.20). Culvert hộp cũng có tính linh hoạt về tỷ lệ chiều cao/khẩu độ thông qua việc sử dụng nhiều ô (Hình 1.21). Các đoạn hộp đúc sẵn khắc phục nhược điểm của thời gian thi công dài vốn có ở loại đúc tại chỗ; tuy nhiên chi phí vận chuyển sẽ cao hơn.

1.6.3 Tuổi thọ công trình (Service Life)

Tuổi thọ thiết kế mong muốn của culvert nên được xem xét trong quá trình lựa chọn. Nếu culvert nằm ở vị trí mà việc thay thế hoặc lót lại là không khả thi, thì tuổi thọ của culvert nên tương đương với tuổi thọ của tuyến đường. Nếu việc phục hồi là khả thi, hoặc nếu xác định rằng tuyến đường sẽ được xây dựng lại trong thời gian tương đối ngắn, thì nên chọn culvert có tuổi thọ ngắn hơn. Tuổi thọ của culvert nên phù hợp với công trình lắp đặt. Không cần thiết phải chi trả cho một culvert “vĩnh cửu” khi một culvert có tuổi thọ ngắn là đủ, và ngược lại.

1.6.4 Phân tích rủi ro (Risk Analysis)

Các đánh giá kinh tế truyền thống đối với các vị trí vượt qua suối nhỏ thường khá đơn giản. Lưu lượng thiết kế culvert thường được xác định dựa trên tầm quan trọng của tuyến đường phục vụ, mà ít chú ý đến các yếu tố kinh tế và điều kiện công trường khác. Một phương pháp đánh giá nghiêm ngặt hơn, gọi là phân tích rủi ro (risk analysis), đôi khi được thực hiện cho các culvert lớn hoặc tại các vị trí có nguy cơ thiệt hại do lũ cao.

Mục tiêu của phân tích rủi ro là tìm ra kích thước culvert tối ưu dựa trên việc so sánh giữa lợi ích và chi phí (Hình 1.22). Người thiết kế nên nhận thức về quy trình phân tích rủi ro và cân nhắc sử dụng nó để phân tích các phương án thay thế trong những trường hợp mà thiệt hại do lũ lớn hoặc chi phí culvert là đáng kể.

Việc xây dựng một culvert đồng nghĩa với sự xâm phạm vùng ngập lũ cùng với các rủi ro ngập và chi phí xây dựng ban đầu đi kèm. Mỗi chiến lược thiết kế có thể được đánh giá dựa trên chi phí vốn hàng năm và rủi ro kinh tế hàng năm (chi phí), tổng của hai yếu tố này được gọi là tổng chi phí kỳ vọng (TEC). Việc tối ưu hóa phân tích kinh tế và kỹ thuật sẽ tạo ra phương án thiết kế có tổng chi phí kỳ vọng thấp nhất (LTEC) (xem HEC-17, FHWA 1981).

Ảnh hưởng của rủi ro (chi phí) trong quá trình ra quyết định là điểm khác biệt chính giữa thiết kế truyền thống và thiết kế LTEC. Trong thiết kế truyền thống, mức độ rủi ro là một phần không thể thiếu trong việc xác lập các tiêu chuẩn thiết kế như tần suất lũ thiết kế cụ thể hoặc các giới hạn về dòng chảy ngược. Ảnh hưởng của rủi ro trong thiết kế một culvert cụ thể dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế này sẽ thay đổi tùy theo điều kiện công trường. Trong thiết kế LTEC, không có tần suất thiết kế cố định. Quá trình thiết kế xác định phản ứng của từng phương án thiết kế tại các điểm rời rạc trên toàn bộ đường cong tần suất lũ. Tần suất lũ tại thời điểm nước tràn qua đường là ý nghĩa hơn so với tần suất lũ thiết kế.

Một phần thiết yếu trong quá trình phân tích rủi ro là việc xác lập các phương án thiết kế có thể chấp nhận được. Các ràng buộc về kỹ thuật, luật pháp và chính sách có thể giới hạn phạm vi các phương án. Ví dụ về các ràng buộc như sau:

• Các tiêu chí tối thiểu về lũ thiết kế như trong trường hợp đường cao tốc liên bang
• Các giới hạn do hình học đường bộ như độ dốc tối đa hoặc tối thiểu, khoảng nhìn xa, và độ cong theo chiều đứng
• Quy định về vùng ngập lũ hoặc các quy định pháp lý hạn chế dòng chảy ngược hoặc xâm phạm vùng ngập lũ
• Các cân nhắc về sự ổn định dòng chảy giới hạn vận tốc culvert hoặc mức độ thu hẹp dòng chảy