Thiết kế cống đôi khi có thể bao gồm hầu như mọi yếu tố và tình huống liên quan đến phân tích thủy văn và kỹ thuật thủy lực. Mặc dù những tình huống này chỉ xuất hiện trong một tỷ lệ nhỏ các thiết kế cống, hoặc liên quan đến thiết kế cống ở một khu vực địa lý cụ thể, nhưng chúng vẫn rất quan trọng và có thể ảnh hưởng lớn đến quy trình thiết kế.

Nội dung trong chương này bao gồm:

Kiểm soát và đo lưu lượng (Mục 5.2)
Kiểm soát xói lở và trầm tích (Mục 5.3)
Các điều chỉnh liên quan đến vị trí như độ xiên (Mục 5.4)
Cân nhắc kết cấu (Mục 5.5)
Cống gãy lưng (Mục 5.6)
Điều tiết (Mục 5.7 – storage routing)
Tiêu năng (Mục 5.8)

Vì phạm vi nội dung rất rộng, tài liệu trích dẫn nhiều nguồn tham khảo để người thiết kế có thể tìm hiểu thêm. Các hướng dẫn thiết kế chỉ được trình bày một cách tóm tắt. Việc xác định khi nào cần nghiên cứu sâu hơn tùy thuộc vào trách nhiệm của người thiết kế.

5.2 Ứng dụng đặc biệt

Cống đôi khi được thiết kế để đáp ứng các chức năng đặc biệt ngoài vai trò chính là công trình thoát nước. Ví dụ:

Cống được dùng để kiểm soát lưu lượng và đo đạc dòng chảy — có thể hiệu quả như đập tràn (weirs) hoặc kênh đo (flumes).
Cống có thể được thiết kế để vận hành với headwater thấp nhằm giảm tổn thất năng lượng ở các điểm giao cắt với đường.
Nhiều trường hợp phải điều chỉnh hình dạng cống để thực hiện chức năng phụ như:
- Cống gãy (bẻ góc theo mặt bằng hoặc mặt đứng)
- Cống có nhánh giao nhau bên trong
- Cống vận hành như xi-phông

Các ứng dụng đặc biệt này sẽ được thảo luận ngắn gọn và có hướng dẫn thiết kế ở các mục sau.

5.2.1 Kiểm soát và đo lưu lượng

Các công trình kiểm soát lưu lượng được sử dụng để đo và điều tiết tốc độ dòng chảy trong các kênh hở. Cống thường được dùng làm công trình kiểm soát nhờ vào:

Kiến thức sâu về thủy lực cống,
Kỹ thuật thiết kế dễ tiếp cận và đáng tin cậy,
Vật liệu và phương pháp xây dựng tiết kiệm.

Việc đo và kiểm soát lưu lượng là cần thiết ở các nơi như:

Kênh tưới tiêu,
Hồ điều tiết nước mưa,
Khu vực đất ngập nước.

Ở cả ba ứng dụng này, cống có thể dùng để kiểm soát:

Tốc độ dòng chảy,
Mực nước,
Phân phối lưu lượng.

Lưu lượng qua cống dễ tính dựa trên hình học công trình và các số liệu ghi lại mực nước đầu vào/đầu ra. Phải áp dụng quy trình điều tiết của Mục 5.7 để xác định lưu lượng đi vào chỗ chứa phía thượng lưu cống.

🔹 Ngoài ra, cống đặt tại các lưu vực nhỏ có thể dùng làm điểm đo lưu lượng:

Sau một trận lũ, có thể đo và ghi lại dấu vết mực nước cao ở phía thượng và hạ lưu cống.
Các nhân viên tạm thời có thể được bố trí để hỗ trợ ghi nhận.
Từ đó, xác định lưu lượng đỉnh tại vị trí cống.

Dữ liệu này giúp cải thiện:

Các phương pháp tính toán dòng chảy,
Mô hình kiểm chứng lũ,
Các mô hình dự báo.

Nếu cần đo liên tục, nên lắp trạm đo mực nước tự ghi.
Các kỹ thuật và thủ tục đo lưu lượng bằng cống được Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS 1968) cung cấp.

Các công trình kiểm soát dòng chảy cũng được sử dụng để ngăn nước triều hoặc các dòng chảy từ hạ lưu chảy ngược trở lại qua cống.
Nếu sử dụng van một chiều thương mại hoặc các thiết bị khác tại cửa ra của cống, thì người thiết kế cần cộng thêm giá trị tổn thất cột nước (headloss) do nhà sản xuất khuyến nghị vào Phương trình 3.1.

Hình 5.1. Cống đóng vai trò là thiết bị kiểm soát dòng chảy ra.

5.2.2 Lắp đặt cống áp lực thấp

Lắp đặt cống áp lực thấp là những cống dẫn nước dưới mặt đường với mức dâng mực nước đầu vào và tổn thất năng lượng tối thiểu. Loại lắp đặt này thường gặp trong hệ thống tưới tiêu, nơi lưu lượng thường ổn định và freeboard cũng như độ dốc kênh là nhỏ. Cống thường chảy đầy trên một phần chiều dài. Để vận chuyển nước hiệu quả, tổn thất năng lượng cần được giảm thiểu. Giải pháp thủy lực gây ít tổn thất năng lượng nhất là xây cầu vượt qua dòng chảy, tuy nhiên do giới hạn kinh tế, phương án cống áp lực thấp thường được sử dụng.

Để giảm tổn thất năng lượng và mực nước đầu vào tại vị trí lắp đặt cống, cần hiểu rõ cơ sở lý thuyết và quy trình thiết kế cống đã nêu ở Chương 3. Đặc điểm của loại cống này là: mực nước đầu vào tăng ít, độ dốc cống nhỏ, và mực nước hạ lưu cao — tất cả thường dẫn đến điều kiện kiểm soát tại cửa ra. Do đó, cần giảm tổn thất tại cửa vào, cửa ra và tổn thất ma sát để giảm mực nước đầu vào cần thiết (Phương trình 3.6a). Việc căn chỉnh trục cống thẳng với kênh thượng lưu sẽ giúp giảm tổn thất tại cửa vào và tận dụng được cột áp do vận tốc tiếp cận. Có thể cải thiện cửa vào bằng cách vát cạnh (beveled edges), giúp giảm thêm tổn thất. Tuy nhiên, các cải tiến cửa vào phức tạp hơn như thuôn hai bên hoặc thuôn dốc (tapered inlets) có hiệu quả thủy lực thấp trong điều kiện kiểm soát tại cửa ra, nên thường không cần thiết với cống áp lực thấp. Tổn thất tại cửa ra có thể được giảm bằng cách chuyển tiếp dòng chảy trơn tru trở lại kênh hạ lưu để tận dụng vận tốc đầu ra. Tổn thất ma sát có thể giảm nhờ sử dụng ống cống trơn.

Khi phân tích các cống áp lực thấp chảy một phần đầy trong điều kiện kiểm soát cửa ra, có thể cần tính toán dòng ngược (backwater). Việc tính bắt đầu từ mực nước hạ lưu (tailwater), từ đó xác định đường năng lượng và đường thủy lực. Tổn thất tại cửa ra được tính bằng Phương trình 3.4e, có xét đến vận tốc hạ lưu. Sau đó, các phép tính được thực hiện ngược dòng dọc theo thân cống cho đến khi đến đầu thượng lưu. Tại đó, tổn thất tại cửa vào được tính theo Phương trình 3.4a với hệ số tổn thất cửa vào phù hợp k_e. Tổn thất tại cửa vào này sẽ được cộng vào đường năng lượng tại cửa vào để xác định đường năng lượng phía thượng lưu. Khi trừ đi cột áp vận tốc tiếp cận khỏi đường năng lượng này, ta có được cao độ mặt nước phía thượng lưu (đường thủy lực).

Với một số điều chỉnh nhỏ, các quy trình thiết kế cống trong tài liệu này là phù hợp để thiết kế cống áp lực thấp. Trong trường hợp phổ biến là kiểm soát tại cửa ra, tổn thất tại cửa vào, ma sát và cửa ra có thể được lấy từ biểu đồ kiểm soát cửa ra trong Phụ lục C. Nếu vận tốc dòng hạ lưu lớn hơn đáng kể so với vận tốc trong cống, các tổn thất nên được tính bằng Phương trình (3.4e) thay vì dùng biểu đồ kiểm soát cửa ra. Việc sử dụng Phương trình (3.4e) sẽ giúp giảm tổn thất tại cửa ra.

Ngoài ra, cũng có lợi nếu xét đến vận tốc tiếp cận và vận tốc hạ lưu trong thiết kế cống áp lực thấp. Phương trình (3.6a) nên được dùng thay cho Phương trình (3.6b) để tính độ sâu mực nước đầu vào (HW₀) trong trường hợp kiểm soát tại cửa ra. Trong trường hợp kiểm soát tại cửa vào, cột áp do vận tốc tiếp cận nên được tính là một phần của mực nước đầu vào có thể sử dụng khi dùng biểu đồ nomograph kiểm soát cửa vào.

Phần mềm HY-8 có thể được sử dụng để tính kích thước cho các loại cống này, tuy nhiên hiện tại chưa tính đến việc bảo toàn vận tốc tiếp cận. Các công trình này cũng có thể được thiết kế theo hướng dẫn trong HEC-14, Mục 4.2, sử dụng tổn thất chuyển tiếp thay vì tổn thất tại cửa vào và cửa ra. Cách tiếp cận tương tự cũng có thể được áp dụng khi sử dụng HEC-RAS.

Cống võng (sag culverts), hay còn gọi là “xi-phông ngược” (inverted siphons), thường được sử dụng để dẫn nước tưới đi dưới đường giao thông (Hình 5.2). Loại cống này có ưu điểm là đảm bảo khoảng không gian đủ cho ống đặt bên dưới mặt đường và lớp móng. Một nhược điểm của cống võng là dễ bị tắc nghẽn do bùn cặn. Loại thiết kế này không được khuyến nghị sử dụng cho các dòng chảy tự nhiên. Cống võng thường đòi hỏi phải sử dụng các đoạn uốn cong và các tính toán liên quan đến tổn thất năng lượng. Các tổn thất do uốn cong sẽ được đề cập trong mục tiếp theo.

5.2.3 Uốn cong (Bends)

Một tuyến cống thẳng là lựa chọn ưu tiên nhằm tránh tắc nghẽn, giảm chi phí xây dựng và hạn chế suy giảm hiệu suất thủy lực. Tuy nhiên, điều kiện thực địa có thể yêu cầu phải thay đổi hướng tuyến, có thể theo mặt bằng hoặc theo mặt cắt dọc. Việc thay đổi tuyến theo mặt cắt dọc thường được gọi là cống “gãy lưng” (broken back), và sẽ được trình bày trong Mục 5.7. Các đoạn uốn cong theo phương ngang cũng có thể được sử dụng để tránh chướng ngại vật (ví dụ: công trình ngầm) hoặc để điều chỉnh lại hướng dòng chảy (Hình 5.3). Khi xem xét thiết kế cống có tuyến không thẳng, cần đặc biệt lưu ý đến vấn đề xói lở, bồi lắng và kiểm soát rác thải.

Hình 5.3. Cống có đoạn cong nằm ngang (Contech).

Khi thiết kế cống có tuyến uốn cong, cần xem xét tổn thất năng lượng do các đoạn cong gây ra. Nếu cống hoạt động trong điều kiện kiểm soát tại cửa vào, sẽ không có sự gia tăng mực nước đầu vào do đoạn cong. Tuy nhiên, nếu cống hoạt động trong điều kiện kiểm soát tại cửa ra, thì đoạn cong sẽ gây ra một mức tăng nhỏ về tổn thất năng lượng và mực nước đầu vào.

Để giảm thiểu các tổn thất này, các đoạn cong nên được bố trí theo cung tròn hoặc sử dụng các đoạn chuyển tiếp có góc không vượt quá 15 độ, cách nhau ít nhất 50 feet (15m) (AASHTO 1975). Trong các điều kiện như vậy, tổn thất do đoạn cong thường có thể bỏ qua.

Nếu mực nước đầu vào và yêu cầu dòng chảy là yếu tố quan trọng, có thể cần phân tích thủy lực chính xác để xác định tổn thất do đoạn cong. Tổn thất đoạn cong phụ thuộc vào cột áp vận tốc trong thân cống. Để tính tổn thất này, sử dụng công thức sau:

$$H_b = K_b \left( \frac{v^2}{2g} \right) \tag{5.1}$$

Trong đó:

H_b: tổn thất năng lượng do đoạn cong
K_b: hệ số tổn thất do đoạn cong
v: vận tốc dòng chảy
g: gia tốc trọng trường

Giá trị H_b sẽ được cộng vào các tổn thất tại cửa ra trong Phương trình (3.1). Các hệ số tổn thất đoạn cong K_b được trình bày trong nhiều tài liệu thủy lực tiêu chuẩn (King và Brater 1976; Linsley và Franzini 1979). Linsley và Franzini đề xuất các hệ số trong Bảng 5.1 đối với các cống chảy đầy, tương tự các tài liệu khác. Các hệ số này được hiệu chỉnh bởi Malone và Parr (2008) trong một nghiên cứu gần đây hơn, dành cho cống hộp không chảy đầy. Nghiên cứu này cũng minh họa cách sử dụng hệ số đó trong phần mềm HEC-RAS.

5.2.4 Nối nhánh (Junctions)

Dòng chảy từ hai hoặc nhiều cống riêng biệt hoặc cống thoát nước mưa có thể được hợp lại tại một điểm nối và chảy vào một thân cống chung. Ví dụ, một nhánh suối và dòng chính giao nhau tại điểm vượt đường có thể được xử lý bằng một điểm nối cống (Hình 5.4). Một ống thoát nước thu gom nước mưa từ mặt đường phía trên và xả vào thân cống cũng là một ví dụ về điểm nối giữa hệ thống thoát nước mưa và cống.

Tổn thất cột nước (head loss) có thể đóng vai trò quan trọng trong thiết kế thủy lực của cống có điểm nối. Cần chú ý đến việc làm trơn dòng tại điểm nối để giảm nhiễu loạn và tổn thất năng lượng trong dòng siêu tới hạn. Ngoài ra, khi phân tích điều kiện dòng chảy và kiểm soát, cũng cần xét đến thời điểm xuất hiện lưu lượng đỉnh từ hai nhánh hợp lưu.

Tổn thất cột nước tại điểm nối không đáng lo ngại nếu cống hoạt động trong điều kiện kiểm soát tại cửa vào. Tuy nhiên, điểm nối cần được làm trơn dòng để tránh gây ra hiện tượng nhảy nước (hydraulic jump).

Đối với một cống hoạt động trong điều kiện kiểm soát tại cửa ra và chảy đầy, tổn thất tại điểm nối có thể được tính toán theo khuyến nghị trong HEC-22 (FHWA 2009a), dựa trên các phương pháp dẫn xuất được trình bày trong FHWA (1979). Tổn thất này sau đó sẽ được cộng vào các tổn thất cửa ra khác trong Phương trình (3.1).

Việc nối các cống có đáy tự nhiên nên được tránh nếu có thể, do lo ngại về xói lở. Nếu bắt buộc phải sử dụng điểm nối, cần xem xét bố trí tuyến nối rất thoải, lát đáy có chọn lọc, và bố trí hợp lý các công trình tiêu năng bên trong cống.

5.2.5 Xi-phông (Siphons)

Xi-phông là một ống dẫn nước hoạt động với áp suất thấp hơn áp suất khí quyển ở một phần chiều dài của nó. Một số cống có thể hoạt động như xi-phông thực sự trong các điều kiện nhất định về mực nước đầu vào và mực nước hạ lưu, nhưng cống hiếm khi được thiết kế với mục đích đó (Hình 5.5).

Hình 5.5. Áp suất dưới khí quyển trong cống.

Trái với quan niệm phổ biến, một cống có tiết diện không đổi và độ dốc đều có thể hoạt động như một xi-phông thực sự trong một số điều kiện nhất định (Hình 5.5). Điều này đã được chứng minh qua các thí nghiệm tại Đại học Iowa và sau đó là trong Báo cáo Tiến độ lần 2 của NBS (NBS 1956). Tuy nhiên, khả năng tăng lưu lượng nhờ hiệu ứng xi-phông là không ổn định và có thể bị gián đoạn bởi nhiều yếu tố thay đổi trong điều kiện dòng chảy. Những điều kiện cho phép không khí lọt vào như: mực nước đầu vào hoặc đầu ra giảm nhanh, dòng xoáy, hoặc rác thải mắc kẹt — đều có thể phá vỡ hiệu ứng xi-phông.

Vì vậy, không nên tính đến lưu lượng tăng thêm này trong thiết kế vì nó không đáng tin cậy. Trong những trường hợp hiệu ứng xi-phông xảy ra, hiệu suất cống thực tế sẽ vượt thiết kế dự kiến — điều này phù hợp với nguyên tắc thiết kế cống của FHWA, vốn ưu tiên khả năng vận hành tối thiểu (xem Mục 3.1.1).

Các cống có thiết bị triệt xoáy (vortex suppressors) đôi khi cũng có thể hoạt động như xi-phông khi mực nước đầu vào cao. Tuy nhiên, độ tin cậy của các thiết bị này trong đa số điều kiện dòng chảy là điều còn nghi vấn, và chúng cũng có thể gây nguy hiểm. Do đó, việc sử dụng thiết bị triệt xoáy trong thiết kế cống không được khuyến khích.

Cống xi-phông loe (flared-siphon culverts) cũng có thể hoạt động như một xi-phông thực sự. Loại cống này có cửa ra mở rộng, tương tự như cửa vào mở loe dần. Nguyên lý ống Venturi (ống mở rộng) được áp dụng để tận dụng năng lượng động và tăng dung lượng cống. Bang California đã thử nghiệm với loại thiết kế này từ những năm 1950. Tuy nhiên, điều kiện tiên quyết để hiệu ứng xi-phông xảy ra là phần cửa ra phải bị ngập nước. Có thể thấy rằng, khả năng tăng lưu lượng cũng không đáng tin cậy và loại thiết kế này khá hiếm gặp. Tuy vậy, Cottman (1981) và Apelt (1981) đã kết hợp ý tưởng này với thiết kế miệng cống loe dần để tạo ra các công trình cống và cầu tiêu hao năng lượng tối thiểu hiệu quả về mặt thủy lực.

Cống võng (sag culverts) thường bị gọi nhầm là “xi-phông ngược” mặc dù đường năng lượng không cắt qua đỉnh của cống tại bất kỳ điểm nào khi cống đang chảy đầy. Do đó, không có đoạn nào của cống làm việc dưới áp suất khí quyển, và cách gọi đó là sai lệch. Cống võng đã được thảo luận trong Mục 5.2.2.

5.2.6 Vách ngăn dòng (Baffles)

Mô phỏng điều kiện đáy suối tự nhiên trong cống, thường bằng cách xây dựng cống đáy mở hoặc cống đặt chìm, là giải pháp thiết kế lý tưởng nhất để tạo điều kiện cho sinh vật thủy sinh di chuyển (AOP). Tuy nhiên, trong các cống hiện có, vách ngăn dòng (baffles) đôi khi được lắp bổ sung nhằm cải thiện khả năng AOP khi không thể thay thế hoàn toàn cống (Hình 5.6 và 5.7). Vách ngăn cũng được dùng để giữ lại vật liệu đáy, giúp bảo vệ đáy cống khỏi mài mòn, đặc biệt ở các kênh có dòng chảy mang theo vật liệu lớn như cuội và tảng đá.

Thiết kế thủy lực cho cống có vách ngăn được thực hiện bằng cách điều chỉnh hệ số ma sát trong điều kiện kiểm soát tại cửa ra, để phản ánh sức cản do vật liệu đáy hoặc chính các vách ngăn nếu không giữ lại vật liệu đáy. Tài liệu HEC-14 cung cấp các công thức và quy trình để ước tính tổn thất thủy lực do vách ngăn nằm ngang bố trí đều.

Một cặp vách ngăn nằm ngang có góc nghiêng về phía thượng lưu hoặc hạ lưu sẽ được xử lý như một vách ngăn vuông góc duy nhất trong các phép tính, và khe hở giữa các vách có thể được bỏ qua. Giá trị Manning tổng hợp cao nhất sẽ được dùng trong các tính toán kiểm soát cửa ra theo hướng dẫn tại Chương 3. Các phương trình điều chỉnh sức cản cũng được tích hợp trong phần tùy chọn tiêu năng (energy dissipator) của phần mềm HY-8.

Trong kiểm soát tại cửa vào, việc thiết kế sẽ xét đến diện tích bị giảm tại cửa vào do vách ngăn và mọi điều chỉnh cạnh cống. Nếu dùng cấu hình tiêu chuẩn (ví dụ: Hình 5.7), nên thực hiện thí nghiệm trong phòng, như nghiên cứu của Thurman và Horner-Devine (2007), để xác định đặc tính thủy lực của vách ngăn.

Hình 5.7. Vách ngăn góc cạnh (trích từ Sổ tay hướng dẫn sử dụng FishXing).

5.2.7 Thoát nước dải phân cách (Median Drainage)

Thoát nước dải phân cách đôi khi được xả thẳng đứng vào cống thoát nước ngang bằng cách lắp đặt đoạn ống chữ T đúc sẵn hoặc lắp ghép sẵn, hoặc tạo một lỗ mở trong quá trình đổ bê tông tại chỗ. Cách xử lý lưu lượng thoát nước dải phân cách phụ thuộc vào việc cống hoạt động trong điều kiện kiểm soát tại cửa vào hay cửa ra, và lưu lượng thoát nước dải phân cách lớn bao nhiêu so với lưu lượng chính trong cống.

Trong điều kiện kiểm soát tại cửa vào, nếu lưu lượng từ dải phân cách nhỏ hơn đáng kể so với lưu lượng chính của cống (ví dụ: nhỏ hơn 10%) thì không cần tính đến trong việc xác định kích thước cống. Ngược lại, nếu lưu lượng từ dải phân cách lớn hơn, thì cần cộng thêm vào lưu lượng trong cống, để mực nước bình thường tương ứng với tổng lưu lượng có thể so sánh với chiều cao của cống. Trong một số trường hợp, có thể cần xây dựng vách ngăn để hòa trộn dòng chảy một cách nhẹ nhàng, nhằm tránh gây ra hiện tượng nhảy nước (xem HEC-14, FHWA 2006a).

Trong điều kiện kiểm soát tại cửa ra, lưu lượng từ dải phân cách nên được cộng vào lưu lượng thiết kế để xác định mực nước đầu vào thiết kế và kích thước cống. Nếu lưu lượng dải phân cách lớn đáng kể, nên xem xét thiết kế hệ thống này dưới dạng một điểm nối (junction), như được trình bày tại Mục 5.2.4.

5.2.8 Hố thu (Drop Inlets)

Hố thu là một hộp được xây dựng tại cửa vào của cống trong những trường hợp địa hình hoặc hành lang tuyến (right-of-way) không cho phép đặt cửa vào cống thông thường. Loại hố thu này thường được dùng với cống rãnh thoát nước mương để xả dòng chảy sang phía đối diện của đường, đặc biệt trong khu vực có địa hình dốc lớn. Hình 5.8 minh họa một cấu hình sử dụng hố thu có khe mở ở lề đường, khi có mặt đường lát và lề đường có rãnh thoát nước. Các dạng khác có thể bao gồm lưới chắn nước ở đáy rãnh thoát nước.

Ở vùng địa hình bằng phẳng, các công trình này được thiết kế theo quy trình thoát nước bề mặt của HEC-22 (FHWA 2009a) và công cụ FHWA Hydraulic Toolbox. Ở vùng đồi dốc, cống sẽ thường hoạt động trong điều kiện kiểm soát tại cửa vào. Các biểu đồ kiểm soát cửa vào trong tài liệu này có thể dùng để xác định kích thước cống nếu giả định điều kiện có vùng ứ đọng (ponded condition) trong hố thu.

Ví dụ minh họa mô tả một hố thu có kích thước bằng D x 3D cho cống có đường kính tối thiểu là 600 mm (24 inch). Nếu không thể giả định có vùng ứ đọng hoặc hộp thu có kích thước nhỏ hơn D x 2D, thì cần sử dụng các hệ số đập tràn và lỗ thoát tiêu chuẩn để kiểm tra khả năng thoát nước tại cửa ra của cống.

Một yếu tố quan trọng trong thiết kế hố thu là đảm bảo cấu hình miệng thu đủ khả năng chặn bắt lưu lượng thiết kế. Khả năng thu nước của các loại cửa vào khác nhau có thể được đánh giá theo quy trình nêu trong HEC-22 và FHWA Hydraulic Toolbox.

5.3 Xói lở và Bồi lắng

Các dòng suối tự nhiên và kênh đào nhân tạo đều chịu tác động của lực dòng chảy. Áp lực, vận tốc và lực ly tâm có thể trở nên đáng kể tùy thuộc vào độ sâu dòng chảy, độ dốc và độ uốn khúc của dòng nước. Sự di chuyển ngang và thẳng đứng của dòng suối là kết quả của quá trình xói lở và bồi lắng liên tục và tương tác lẫn nhau, như được mô tả trong HEC-20 (FHWA 2012a). Quá trình này, còn gọi là hình thái học dòng chảy (fluvial geomorphology), diễn ra mạnh mẽ hơn trong các trận mưa lớn khi mực nước và vận tốc dòng chảy tăng cao.

Việc chèn một cống vào môi trường động này đòi hỏi phải đặc biệt chú ý đến ảnh hưởng của các hiện tượng tự nhiên lên cống, cũng như ảnh hưởng của cống đến lòng dẫn dòng suối. Kinh nghiệm thực tế cho thấy nhiều vấn đề nghiêm trọng đã xảy ra, bao gồm xói lở tại cửa vào và cửa ra cống, cũng như tình trạng bồi lắng bên trong thân cống.

5.3.1 Xói lở tại cửa vào cống

Thân cống thường làm thu hẹp dòng kênh tự nhiên, buộc dòng chảy phải đi qua một tiết diện nhỏ hơn. Khi dòng chảy bị thu hẹp, các vùng dòng xoáy và vận tốc cao sẽ va đập vào mái dốc thượng lưu của lớp đắp và có thể gây xói lở mái taluy gần cống. Trong nhiều trường hợp, một hố xói cũng hình thành phía thượng lưu của đáy cống do dòng chảy tăng tốc khi rời khỏi kênh tự nhiên và đi vào cống.

Các biện pháp như lát mái taluy thượng lưu, lát đáy kênh, xây tường đầu cống (headwalls), tường cánh (wingwalls), và tường chắn đáy (cutoff walls) sẽ giúp bảo vệ mái dốc và đáy kênh tại đầu vào cống. Hình 5.9 minh họa một cống có tường đầu, tường cánh và lớp đá hộc (riprap) để bảo vệ cửa vào khỏi bị xói lở.

Hình 5.9. Bảo vệ cửa vào dựa trên tường đầu, tường cánh và riprap

5.3.2 Xói lở tại cửa ra cống

Xói lở và xói mòn tại cửa ra của cống là hiện tượng phổ biến (Hình 5.10). Dòng chảy trong kênh tự nhiên thường bị thu hẹp và sâu hơn khi đi qua thân cống. Khi dòng chảy thoát ra khỏi cống, vận tốc tăng lên, tạo ra khả năng gây xói cao hơn. Sự hỗn loạn và các dòng xoáy gây xói xuất hiện khi dòng chảy mở rộng để phù hợp với hình dạng của kênh tự nhiên. Tuy nhiên, vận tốc và độ sâu dòng chảy tại cửa ra cống và sự phân bố vận tốc khi dòng tái nhập vào kênh tự nhiên không phải là những yếu tố duy nhất cần xem xét.

Đặc điểm vật liệu lòng kênh và bờ kênh, vận tốc và độ sâu dòng chảy tại cửa ra, lượng phù sa và các mảnh vụn trong dòng chảy — tất cả đều góp phần vào tiềm năng gây xói. Do sự thay đổi trong dòng chảy và khó khăn trong việc đánh giá các yếu tố nêu trên, việc dự đoán xói lở là mang tính chủ quan.

Xói lở xung quanh cửa ra có thể là kết quả của xói cục bộ hoặc suy thoái dòng kênh, hoặc cả hai xảy ra đồng thời. Xói cục bộ tạo ra hố xói tại cửa ra cống do vận tốc dòng chảy cao khi thoát ra. Ảnh hưởng của xói cục bộ thường chỉ kéo dài trong phạm vi ngắn về phía hạ lưu (Hình 5.10). Vật liệu thô bị xói từ hố tròn hoặc kéo dài thường lắng đọng ngay sau cửa cống, tạo thành vùng đáy trũng. Vật liệu mịn hơn thì trôi xa hơn về hạ lưu.

Kích thước hố xói có thể thay đổi theo sự lắng đọng trong điều kiện dòng chảy thấp và theo hiệu ứng xói khác nhau trong các trận mưa. Hố xói thường sâu nhất khi xảy ra lưu lượng đỉnh và có thể được lấp đầy trở lại khi dòng chảy giảm.

Phương pháp ước tính kích thước hố xói cục bộ được trình bày trong HEC-14 (FHWA 2006a).

Ngược lại với xói cục bộ, suy thoái dòng suối (stream degradation) xảy ra trên phạm vi lớn và kéo dài theo thời gian, là kết quả của những thay đổi tự nhiên hoặc do con người gây ra trong lưu vực (HEC-20, FHWA 2012b). Sự suy thoái này có thể do cống gây ra hoặc hoàn toàn không liên quan đến cống.

Ví dụ, một tuyến đắp ngang với dòng chảy tràn mặt có thể làm tập trung dòng chảy tại vị trí cống, khiến lưu lượng tại đó vượt quá điều kiện tự nhiên. Sự tập trung dòng chảy này có thể khởi phát hiện tượng suy thoái sâu và quy mô lớn ở hạ lưu, kéo dài trên một khoảng cách lớn, đặc biệt trong các vùng khô hạn.

Suy thoái cũng có thể bắt nguồn từ những thay đổi trong lưu vực không liên quan đến cống, chẳng hạn như:

Giảm lượng bùn cát cung cấp,
Nắn thẳng dòng chảy,
Hạ thấp lòng dẫn ở các đoạn kênh phía hạ lưu cống.

Hình 5.11 minh họa ví dụ về sự hạ thấp đường cơ sở, khi đoạn dòng chính phía hạ lưu bị suy thoái và gây ra hiện tượng xói hàm ếch (headcutting) tại nhiều nhánh phụ, trong đó có một nhánh chứa cống giao thông bị đe dọa.

Việc nhận diện dòng suối đang suy thoái là một phần thiết yếu trong điều tra hiện trạng ban đầu của công trình (xem Mục 2.3.2). Các phương pháp đánh giá suy thoái dòng chảy được trình bày trong HEC-20.

Hình 5.11. Sự suy thoái dòng chảy ở hạ lưu cống thoát nước (theo Sở Giao thông Vận tải Utah).

Vì việc bảo vệ cửa ra cống thường tốn kém, nên nhiều sở giao thông vận tải bang (DOT) sử dụng lớp đá hộc (riprap apron) theo hướng dẫn tại HEC-14, Mục 10.2, để cung cấp mức độ bảo vệ tối thiểu cho các cống nhỏ. Lớp đá hộc này được thiết kế để chịu được tác động từ các trận mưa nhỏ và thường được coi là một biện pháp tiêu chuẩn, trừ khi điều tra hiện trường tại các cống tương tự trong khu vực cho thấy không cần thiết phải bảo vệ.

Việc bảo vệ chống xói đối với các trận lũ lớn hơn hoặc khi tồn tại vấn đề xói lở nghiêm trọng hơn sẽ đòi hỏi các biện pháp bảo vệ được thiết kế theo hướng dẫn trong HEC-14.

5.3.3 Bồi lắng (Sedimentation)

Vấn đề đi kèm với xói lở là hiện tượng bồi lắng. Hầu hết các dòng suối đều mang theo một lượng phù sa và sẽ lắng đọng khi vận tốc dòng chảy giảm. Do đó, độ dốc của thân cống nhỏ hơn độ dốc kênh tự nhiên và độ nhám của cống lớn hơn độ nhám của kênh là những dấu hiệu quan trọng cho thấy có thể xảy ra bồi lắng tại vị trí cống. Các yếu tố quan trọng khác trong quá trình bồi lắng là lưu lượng dòng chảy và đặc điểm của vật liệu lòng dẫn.

Các cống được đặt trùng và thẳng hàng với kênh tự nhiên thường không gặp vấn đề bồi lắng. Một kênh ổn định được kỳ vọng sẽ tự cân bằng giữa quá trình xói và bồi lắng theo thời gian; do đó, cống nằm trên lòng dẫn như vậy cũng có thể ổn định theo cách tương tự. Trong một dòng suối đang suy thoái, vấn đề chính là xói lở chứ không phải bồi lắng. Tuy nhiên, nếu cống nằm trên một dòng suối đang tích tụ vật liệu (aggrading), có thể xảy ra hiện tượng bồi lắng tại cống (Hình 5.12).

Hiện tượng bồi lắng và suy thoái dòng suối, cũng như các đặc điểm của từng loại dòng, được trình bày trong Mục 2.3.2 dựa trên tài liệu HEC-20 (FHWA 2012a). May mắn là các trận mưa lớn thường có xu hướng rửa trôi phù sa trong cống khi vận tốc dòng tăng. Ngoài ra, các đường gân xoắn (helical corrugations) cũng có xu hướng tăng hiệu quả tự làm sạch này nếu cống chảy đầy.

Hình 5.12. Lượng trầm tích lắng đọng quá mức trong cống.

Một số tình huống liên quan đến cống (culvert) dễ gặp vấn đề lắng đọng trầm tích hơn. Ví dụ, khi tuyến đường thường đi theo các bậc tự nhiên trong địa hình, điều này dẫn đến việc thay đổi độ dốc thành dốc thoải hơn tại cửa vào của cống. Các vấn đề lắng đọng trầm tích cũng thường gặp trong các cống nhiều ống (multibarrel) và các cống có chỗ trũng ở đầu vào. Đối với các suối rộng và nông hoặc khu vực có đắp đất thấp, có thể cần sử dụng hơn một ống cống.

Người ta đã ghi nhận rằng một hoặc nhiều ống cống có thể bị tích tụ trầm tích, đặc biệt là ống phía trong khi dòng suối có hướng cong. Tốt nhất là các cống này nên được đặt thẳng hàng và thẳng theo hướng dòng chảy phía thượng nguồn. Các cống có chỗ trũng ở phía thượng nguồn sẽ có độ dốc ống nhỏ hơn độ dốc tự nhiên của dòng chảy. Việc lắng đọng trầm tích có khả năng xảy ra, đặc biệt trong thời gian dòng chảy thấp. Tuy nhiên, quá trình tự làm sạch thường xảy ra trong các giai đoạn có lưu lượng cao. Cả hai tình huống thiết kế này cần được tiếp cận một cách thận trọng với nỗ lực khảo sát thực địa cao hơn nhằm có được hiểu biết đầy đủ về đặc điểm dòng chảy và vật liệu lòng suối – bờ suối.

5.4 Các điều chỉnh chính liên quan đến địa hình

Một thiết kế cống tốt là thiết kế giúp giảm thiểu áp lực thủy lực và tác động môi trường lên dòng chảy tự nhiên hiện có. Áp lực này có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng cống phù hợp chặt chẽ với dòng chảy tự nhiên về hướng tuyến, độ dốc và bề rộng. Thông thường, trục cống phải được bố trí lệch so với tim đường để đạt được các mục tiêu thiết kế này (Xem Mục 5.4.1). Việc lệch hướng tại cửa vào cũng khá phổ biến (Xem Mục 5.4.2). Các cống nhiều ống được sử dụng trong các suối rộng, nông để phù hợp với bề rộng tự nhiên của dòng chảy (Xem Mục 5.4.3). Thân đắp đường có thể được thiết kế để xử lý hiện tượng tràn (Xem Mục 5.4.5) hoặc có thể có các cửa thoát phụ (Xem Mục 5.4.6).

5.4.1 Các ống cống bị lệch (Skewed Barrels)

Hướng của ống cống so với tim đường được gọi là góc lệch của ống cống (barrel skew angle). Một ống cống vuông góc với tim đường thì có góc lệch bằng không. Với bất kỳ hướng nào khác, góc lệch của ống cống được xác định là góc tạo bởi đường vuông góc với đường và trục giữa của ống cống. Góc lệch trái hoặc phải cho biết điểm kết thúc của cống nằm lệch trái hay phải so với vị trí vuông góc ban đầu (xem Hình 5.13). Trái hay phải được xác định dựa trên hướng nhìn dọc theo tim đường – có thể là nhìn xuôi dòng hoặc ngược dòng.

Thân cống (culvert barrel) thường được thiết kế để phù hợp với hướng tuyến và độ dốc hiện có của lòng suối. Ưu điểm của phương pháp thiết kế này bao gồm: giảm tổn thất đầu vào, độ sâu xói tại móng đều nhau, giảm lắng đọng trầm tích trong các cống nhiều cửa, và giảm khối lượng đào đất. Nhược điểm của phương pháp thiết kế này là cửa vào có thể bị lệch so với thân cống, dẫn đến chiều dài cống sẽ lớn hơn.

Các biện pháp điều chỉnh để giảm góc lệch của cống và rút ngắn chiều dài cống có thể mang lại giải pháp kinh tế hơn trong một số trường hợp. Chương 2 có phần bàn luận về các phương án lựa chọn vị trí cống thay thế liên quan đến chiều dài cống.

5.4.2 Cửa vào bị lệch

Góc giữa mặt cửa vào của cống và một đường vuông góc với thân cống được gọi là góc lệch cửa vào (xem Hình 5.14). Góc lệch cửa vào có thể thay đổi từ 0 độ đến giới hạn thực tế khoảng 45 độ. Giới hạn trên này bị chi phối bởi độ khó khi dẫn dòng chảy từ suối vào cống.

Các cống có góc lệch thân thường cũng có góc lệch tại cửa vào, vì các tường đầu thường được xây song song với tim đường để tránh biến dạng của đất đắp đường (xem Hình 5.15).

Cửa vào bị lệch chỉ làm giảm nhẹ hiệu suất thủy lực của cống trong điều kiện điều tiết tại cửa vào. Những khác biệt này là nhỏ và đã được phản ánh trong các biểu đồ tính toán cho cống hộp (Biểu đồ 11 và 12). Để minh họa ảnh hưởng nhỏ của cửa vào bị lệch, người ta đã thực hiện so sánh khả năng thoát nước trên một cống hộp đơn có kích thước 6 ft x 6 ft (1829 mm x 1829 mm), với nhiều góc lệch cửa vào khác nhau trong điều kiện điều tiết tại cửa vào (Bảng 5.2a, b).

**Hình 5.15. Độ lệch của thân và cửa vào**

Góc lệch cửa vào nên được tránh trong thiết kế cống có cửa vào dạng thuôn (tapered inlet) và trong các cống nhiều thân. Các vấn đề phức tạp về kết cấu có thể phát sinh khi tapeded inlet bị lệch (FHWA 1983). Cả tapered inlet và cống nhiều thân đều hoạt động hiệu quả hơn khi mặt cửa vào vuông góc với thân cống. Các vách ngăn bên trong của cống nhiều thân có thể gây ra hiện tượng lắng đọng và phân phối dòng chảy không đều giữa các thân cống khi cửa vào bị lệch. Phần đất đắp nên được tạo hình phù hợp với cống khi tránh thiết kế cửa vào bị lệch (xem Hình 5.16).

Hình 5.16. Đất đắp được tạo hình để tránh lệch cửa vào

5.4.3 Cống nhiều Barrel (Multiple Barrels)

Cống nhiều cửa (multiple barrel culverts) có thể cần thiết do điều kiện hiện trường, đặc điểm dòng chảy, hoặc các yếu tố kinh tế (Hình 5.17). Mặt cắt đường với chiều cao đắp thấp thường yêu cầu sử dụng một loạt các cống nhỏ. Cống nhiều cửa cũng được dùng trong các kênh rộng, nông để giảm bớt sự thắt hẹp dòng chảy. Để thoát lũ tràn bờ, đôi khi người ta sử dụng các cống xả phụ với đáy cống (invert) đặt ở cao độ đồng bằng ngập lụt. Cống hộp nhiều barrel thường tiết kiệm chi phí hơn so với một cống hộp nhịp rộng đơn lẻ, vì yêu cầu kết cấu cho nhịp dài rất tốn kém.

Figure 5.17. Multiple barrel box culvert.

Vấn đề nghiêm trọng nhất liên quan đến việc sử dụng cống nhiều barrel là hiện tượng lắng đọng và rác thải. Trong các kênh phù sa, dòng chảy bình thường có xu hướng chảy qua một trong các barrel, trong khi bùn cát và rác thải tích tụ trong các ống còn lại. Để giảm thiểu vấn đề này, một barrel sẽ được đặt ở cao độ đáy dòng chảy chính, còn các barrel còn lại được đặt ở cao độ cao hơn (Hình 5.18). Cách bố trí này sẽ khuyến khích dòng chảy và trầm tích đi qua barrel thấp hơn. Sự tích tụ bùn cát và rác thải trong các barrel khác sẽ giảm vì các barrel đó chỉ hoạt động khi lưu lượng cao hơn bình thường.

Hình 5.18. Cống nhiều barrel với một barrel dành cho dòng chảy thấp.

Các biểu đồ nomograph trong tài liệu này có thể được dùng để xác định lưu lượng thiết kế của cống nhiều barrel với chỉ một vài điều chỉnh nhỏ. Các biểu đồ này cung cấp lưu lượng chảy qua mỗi barrel đối với cống tròn, hoặc lưu lượng trên mỗi foot (hoặc mét) chiều rộng nhịp đối với cống hộp. Đối với các cống nhiều barrel có đặc tính thủy lực giống nhau, lưu lượng tổng được giả định là phân phối đều giữa các barrel. Đối với các cống có barrel khác nhau hoặc cao độ đáy cống (invert) khác nhau, cần thực hiện quy trình lặp hoặc xây dựng đường cong hiệu suất tổng hợp (xem Mục 3.5).

Lưu lượng của từng barrel thành phần phải cộng lại thành lưu lượng đỉnh thiết kế tại cùng một cao độ mực nước đầu vào. Đối với các cống nhiều barrel có miệng vào vát cạnh, kích thước phần vát được xác định dựa trên tổng chiều rộng thông thủy của tất cả các barrel. Không nên dùng quá hai barrel có miệng vào thu hẹp theo thiết kế trong tài liệu này.

5.4.4 Các barrel đặt trên dốc lớn (Barrels on Steep Slopes)

Dựa trên thủy lực kênh hở và chỉ số Froude, dốc thủy lực nhẹ và dốc lớn liên quan đến dòng chảy dưới tới hạn và siêu tới hạn, tương ứng. Tuy nhiên, cống đặt trên dốc rất lớn có thể tạo ra các vấn đề phức tạp hơn so với dòng siêu tới hạn thông thường. Các điều kiện này tương tự như ở cống tràn, được mô tả bởi USBR (1987):

“Khi các cống tràn (culvert spillway) đặt trên dốc lớn hoạt động ở trạng thái đầy, áp suất giảm hoặc áp suất âm sẽ xuất hiện dọc theo thành cống. Áp suất âm lớn có thể gây xâm thực bề mặt lòng cống hoặc thậm chí gây sập cống. Khi có các vết nứt hoặc mối nối xuất hiện ở các vùng áp suất thấp, còn có nguy cơ đất xung quanh bị hút vào trong cống. Do đó, cống tràn không nên được dùng cho các công trình có cột nước cao, nơi có thể hình thành các áp suất âm lớn. Ngoài ra, hiện tượng chuyển tiếp dòng từ trạng thái không đầy sang đầy còn đi kèm với các dao động và rung động mạnh hơn khi độ cao rơi của cống tăng lên. Vì những lý do này, cống tràn không nên dùng cho các công trình có độ chênh cao thủy lực vượt quá 25 feet (7.6 m).”

Các độ chênh cao trên 25 feet (7.6 m) không hiếm gặp trong vùng địa hình dốc. Áp dụng hướng dẫn của USBR, người thiết kế cần thận trọng và đảm bảo rằng cống sẽ hoạt động trong điều kiện kiểm soát tại đầu vào, ít nhất là đến điểm kiểm soát dòng để tránh làm đầy toàn bộ barrel. Ngoài ra, các thiết bị tiêu năng nên được đặt ở bên ngoài và không có khả năng gây ra hiện tượng chảy đầy trong barrel.

Phần lớn các cống được đặt trên dốc nhỏ hơn 10%, và ảnh hưởng của độ dốc thường được bỏ qua trong các phương trình thủy lực. Với các cống này, không cần các biện pháp kết cấu đặc biệt. Tuy nhiên, một số bang yêu cầu các đoạn cuối của cống RCP phải được buộc lại với nhau bằng các thanh liên kết (tie rods), còn gọi là u-bolt. Các hướng dẫn này cũng hợp lý cho các dốc trung bình (10% đến 20%) nếu độ chênh không vượt quá 25 feet (7.6 m).

Đối với các dốc lớn (trên 20%), hướng dẫn thủy lực của USBR và các biện pháp kết cấu bổ sung cần được xem xét. Các hộp bê tông đúc tại chỗ là giải pháp tốt nhất cho các dốc lớn vì không có mối nối. Nếu không, việc thi công nên bắt đầu từ đầu hạ lưu để đảm bảo khít mối nối và khuyến khích dùng gioăng cao su. Với các barrel kim loại vận chuyển theo đoạn, nên yêu cầu các đoạn dài nhất có thể để giảm số lượng mối nối. Nếu cần mối nối, các đoạn nối nên có gân xoắn kép và dùng khối đỡ. Đối với barrel thép, nên dùng ống có mặt bích ở mỗi đoạn và dùng chốt hoặc bản lề để liên kết các đoạn.

Cống tràn (culvert spillway) là gì?

Spillway là một cấu trúc dùng để xả nước thừa từ hồ chứa, đập hoặc ao khi mực nước vượt quá mức cho phép, nhằm ngăn lũ và bảo vệ đập

Culvert spillway là một loại cống được thiết kế để vừa dẫn nước bình thường như cống culvert, vừa chịu trách nhiệm xả lũ như spillway trong điều kiện dòng chảy lớn.

Chúng thường xuất hiện ở khu vực miền núi, địa hình dốc, nơi không có điều kiện xây spillway truyền thống. Khi nước dâng cao, nước tràn qua đầu vào của culvert giống như một spillway và đi qua hệ thống cống để thoát đi.

5.4.5 Tràn qua đường (Embankment Overtopping)

Hiện tượng nước tràn qua đường là một kết quả chấp nhận được trong các thiết kế đường giao cắt với vùng ngập lũ. Việc tràn này có thể xảy ra không thường xuyên, như trong trường hợp các tuyến đường thuộc Hệ thống Đường Quốc gia (NHS) – được thiết kế để không bị tràn trong sự kiện lũ 50 năm một lần; hoặc có thể xảy ra thường xuyên đối với các tuyến đường được thiết kế như đường ngập nông (xem Mục 1.2.6). Nếu hiện tượng tràn xảy ra không thường xuyên, thì các biện pháp giảm thiểu không được áp dụng, và thiệt hại do lũ sẽ được sửa chữa sau sự kiện lũ.

Nếu hiện tượng tràn xảy ra thường xuyên, thiệt hại tiềm tàng do nước tràn có thể được giảm thiểu bằng cách áp dụng các hướng dẫn thiết kế biện pháp khắc phục theo HEC-23 (FHWA 2009b):

Mái dốc đắp phía hạ lưu có thể được bảo vệ bằng Hướng dẫn Thiết kế số 5 – Thiết kế lớp phủ đá (riprap) cho tràn qua đường, hoặc
Bản thân nền đường có thể được xây dựng bằng vật liệu chống xói mòn theo Hướng dẫn Thiết kế số 7 – Xi măng đất (Soil Cement).

5.4.6 Mở rộng xả lũ (Relief Opening)

Các lỗ mở xả lũ cung cấp thêm khả năng thoát nước để hỗ trợ cho cống chính băng qua lòng kênh. Cống thường được sử dụng như các cấu trúc xả lũ phụ. Đối với các vùng ngập lũ rộng, cống xả lũ có thể cần thiết tại các kênh phụ, bao gồm cả những kênh có dòng chảy thường xuyên cũng như những kênh chỉ có dòng chảy khi xảy ra các trận lũ lớn, hiếm gặp.

Đôi khi cống xả lũ không nằm trên một kênh xác định, nhưng vẫn cần thiết để dẫn dòng tràn bờ trong các trận lũ lớn. Cống xả lũ cũng có thể được bố trí trên các đoạn đắp cao như một cống tràn khẩn cấp, tạo ra một hướng thoát thay thế trong trường hợp lũ cực đoan.

Lưu ý rằng các mái đắp cao cũng nên được đánh giá khả năng trượt mái bởi kỹ sư địa kỹ thuật nếu việc điều tiết lũ tạo ra mực nước hoặc thời gian tồn tại ngập có thể làm bão hòa nền đắp.

Việc phân tích thủy lực và thiết kế công trình giao cắt với vùng ngập lũ có sử dụng các cống xả lũ phụ được thực hiện bằng cách cộng các đường cong hiệu suất của từng cống riêng lẻ hoặc sử dụng phần mềm HY-8.

5.5 Các yếu tố kết cấu (Structural Considerations)

Thiết kế kết cấu đúng đắn là yếu tố then chốt đối với hiệu quả hoạt động và tuổi thọ của một cống. Thiết kế kết cấu của cống đường bộ bắt đầu bằng việc phân tích các mô men, lực đẩy và lực cắt gây ra bởi tải trọng từ đắp đất và xe cộ, cũng như bởi áp lực thủy tĩnh và lực động của dòng chảy. Thân cống (culvert barrel), hoạt động phối hợp với lớp đệm và vật liệu đắp, phải đủ khả năng chống lại các lực lớn này (xem Mục 5.5.1).

Việc neo cố định (anchorage) đôi khi cần thiết tại đầu vào để ngăn hiện tượng nổi lên (flotation) (xem Mục 5.5.2). Tường đầu (headwalls), tường cánh (wingwalls) và tường cắt (cutoff walls) thường được sử dụng để duy trì sự ổn định kết cấu của thân cống và khối đắp. Hiện tượng piping và seepage cần được ngăn chặn hoặc giảm thiểu để tránh hư hỏng vật liệu cống do áp lực thủy tĩnh và mất ổn định của khối đắp do mất vật liệu (xem Mục 5.5.4).

Chú giải: Piping là gì?

Piping (hay còn gọi là xói ngầm, xói ống) là một hiện tượng xói lở vật liệu bên trong nền đất do nước thấm qua với áp lực cao, đặc biệt là tại các công trình thủy như cống, đê, đập. Đây là một trong những nguyên nhân gây hư hỏng nghiêm trọng và sụp đổ công trình nếu không được kiểm soát tốt. Hiện tượng Piping diễn ra thế nào?

Nước thấm qua khối đắp hoặc nền đất của công trình (ví dụ: quanh thân cống hoặc dưới móng đập).
Nếu áp suất thủy tĩnh đủ lớn, nó sẽ kéo theo các hạt đất nhỏ dọc theo đường thấm – gọi là xói ngầm.
Dần dần, dòng thấm hình thành thành ống dẫn nước ngầm (piping) – như một hang rỗng trong đất.
Cuối cùng, nếu piping phát triển đủ dài và rộng, nó có thể:
- Làm suy yếu kết cấu nền,
- Gây sụt lún, vỡ đê, vỡ đập hoặc sập cống.

Biểu hiện bên ngoài thực tế có thể bao gồm: nước rò rỉ mang theo bùn đất/màu đục ở hạ lưu; xuất hiện phun cát, cát sủi bọt (boiling) ở chân mái đê; lún cục bộ, nứt đất gần công trình.

Tường cắt (cutoff wall) bên dưới cống hoặc móng đập.
Bố trí lớp lọc ngược (filter layers) để giữ lại vật liệu mịn.
Dùng màng chống thấm (geomembrane) hoặc vật liệu chống thấm tự nhiên.
Đảm bảo các mối nối của cống kín nước, dùng gioăng cao su, vữa đệm, hoặc các kết cấu liên kết bằng bulong và tấm ép.
Giảm chiều dài đường thấm và áp lực thủy tĩnh qua thiết kế hợp lý.

Chú giải: Seepage là gì?

Seepage (thấm nước) là hiện tượng nước từ môi trường xung quanh thấm chậm qua đất, vật liệu đắp hoặc kết cấu công trình dưới tác động của áp lực thủy tĩnh. Đây là hiện tượng tự nhiên trong hầu hết các công trình thủy và giao thông như đê, đập, cống, mái dốc đắp, nhưng nếu không được kiểm soát đúng cách, nó có thể gây mất ổn định và hư hỏng nghiêm trọng.

Seepage xảy ra ở đâu và như thế nào:

Xuất hiện tại khu vực tiếp xúc giữa đất và kết cấu, như:
- Quanh thân culvert (cống),
- Dưới móng đập đất, đê, kênh mương,
- Qua khối đắp đường khi gặp mực nước ngầm cao hoặc nước lũ.
Nước thấm từ vùng có mực nước cao → đến vùng thấp hơn theo đường thấm (seepage path) trong đất.
Diễn ra chậm, đều, nhưng nếu kéo dài có thể gây:
- Bão hòa khối đắp,
- Tăng áp suất lỗ rỗng,
- Giảm lực ma sát đất → mất ổn định,
- Là nguyên nhân dẫn đến piping (xói ngầm) nếu không kiểm soát.

Tác hại của Seepage nếu không kiểm soát:

Làm mềm đất, giảm khả năng chống trượt.
Làm tăng áp lực bên trong đất hoặc công trình → gây nứt, lún, vỡ.
Kéo theo hiện tượng xói mòn đất từ bên trong (piping).
Gây thấm rò rỉ nước, phá vỡ lớp đệm hoặc mất ổn định công trình.

Giải pháp kiểm soát Seepage:

Lớp lọc ngược (filter layer): để cho nước thấm qua nhưng giữ lại hạt mịn.
Tường cắt (cutoff walls): đặt dưới móng cống, đê, đập.
Màng chống thấm (geomembrane) hoặc lớp đất sét nén chặt.
Thoát nước ngầm (drainage): dùng cống rỗng, vải địa kỹ thuật, giếng thu giảm áp.
Thiết kế và thi công kín mối nối giữa các cấu kiện (dùng gioăng, vữa kín, bulong ép…).

5.5.1 Phân tích kết cấu (Structural Analysis)

Phần lớn các cống trên đường bộ không cần thiết kế kết cấu riêng biệt vì đã có các quy định tiêu chuẩn do các sở GTVT cấp bang (State DOTs) ban hành, bao phủ các loại khẩu độ, chiều cao và vật liệu thông dụng. Các công cụ hỗ trợ thiết kế này được phát triển phù hợp với tiêu chuẩn AASHTO và ASTM. Nếu công trình lắp đặt đề xuất yêu cầu thiết kế đặc biệt, thì cần tham khảo ý kiến kỹ sư kết cấu.

Các bảng tra, biểu đồ và công thức từ nhà sản xuất có sẵn để giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế kết cấu. Tài liệu “Sổ tay Thiết kế Kết cấu cho các miệng vào và cống cải tiến” (FHWA 1983) cung cấp:

Phương pháp tính tay cho cống hộp bê tông cốt thép (RCB), ống tròn bê tông (RCP), ống elip bê tông (RCPE) và ống kim loại gân (CMP) hoặc elip kim loại gân (CMPE)
Giải pháp bằng máy tính cho RCB, RCP, RCPE, CMP và CMPE
Thiết kế kết cấu cho các cửa vào dạnng thuôn (tapered inlets)
Chi tiết điển hình cho tường đầu (headwalls), tường cánh (wingwalls), cửa vào thuôn bên và cửa vào thuôn dọc (side-tapered inlets and slope-tapered inlets)

5.5.2 Nổi và neo giữ (Flotation and Anchorage)

Hiện tượng nổi (flotation) là thuật ngữ dùng để mô tả sự hư hỏng của cống do lực nâng lớn gây ra bởi lực nổi. Lực nổi xảy ra khi áp suất bên ngoài cống nhỏ hơn áp suất bên trong thân cống. Trường hợp này xảy ra ở các cống làm việc dưới chế độ kiểm soát tại cửa vào với đầu vào bị ngập nước.

Hiện tượng này cũng có thể do rác hoặc mảnh vỡ chặn đầu cống, hoặc do hư hỏng tại miệng vào. Lực nâng sinh ra có thể khiến đầu vào hoặc đầu ra của cống bị nâng lên và uốn cong. Đôi khi, lực nâng đủ lớn để đẩy bật cống ra khỏi nền đắp.

Thông thường, chỉ các loại cống bằng vật liệu mềm dẻo mới dễ bị hư hỏng do nổi vì chúng có trọng lượng nhẹ và không chống được uốn dọc. Các cống kim loại gân dạng lồi, dạng vát là những loại dễ bị ảnh hưởng nhất (xem Hình 5.19).

Trong một số trường hợp, vận tốc dòng chảy cao tại miệng vào có thể kéo mép cống chưa được neo giữ vào trong thân cống, gây tắc nghẽn và hư hỏng nghiêm trọng hơn. Đã từng ghi nhận các trường hợp thân cống bị lật ngược từ trong ra ngoài do lực của dòng chảy.

Hình 5.19. Mép cống mỏng nhô ra không được neo giữ.

Người thiết kế có thể thực hiện một số biện pháp phòng ngừa để chống lại hiện tượng nổi và thiệt hại do vận tốc dòng chảy cao tại miệng cống. Các mái đắp dốc được bảo vệ chống xói bằng lát mái dốc sẽ giúp ổn định miệng vào và miệng ra của cống (xem Hình 5.20).

Cần tránh bố trí lệch hướng lớn (large skew) khi lớp đắp phía trên cống nông. Các ống cứng (rigid pipe) có nguy cơ bị tách rời tại các mối nối có thể được bảo vệ bằng các thanh liên kết (tie bars) có bán sẵn trên thị trường.

Hình 5.20. Lát mái dốc xung quanh miệng cống vát.

Khi các biện pháp phòng ngừa kể trên không thực tế hoặc không đủ hiệu quả, neo giữ tại các đầu cống có thể là giải pháp duy nhất. Neo giữ (anchorage) là phương pháp tăng tải trọng tĩnh (dead load) tại đầu cống để chống hiện tượng nổi.

Các cấu trúc neo giữ phổ biến bao gồm tường chắn bằng bê tông hoặc cọc thép tấm (sheet pile), và tường đầu (headwalls). Đầu thân cống phải được gắn chặt vào thiết bị neo giữ thì mới có hiệu quả.

Ngoài việc chống nổi, một số kỹ thuật neo giữ còn mang lại lợi ích bổ sung như:

Bảo vệ chống uốn cong đầu vào,
Chống vặn xoắn miệng vào, và
Chống xói lở mái dốc đắp quanh cống.

5.5.3 Tường đầu, tường cánh và tường cắt (Headwalls, Wingwalls, and Cutoff Walls)

Các thân cống (culvert barrels) thường được xây dựng kèm theo tường đầu (headwalls) và tường cánh (wingwalls). Các cấu kiện phụ này thường được làm bằng bê tông đổ tại chỗ, nhưng cũng có thể làm từ bê tông đúc sẵn, thép gân, gỗ, cọc thép tấm, hoặc rọ đá (gabions).

Tường đầu có vai trò rút ngắn chiều dài cống, giữ vật liệu đắp, và giảm xói mái dốc. Đồng thời, chúng cung cấp bảo vệ kết cấu cho miệng vào/ra, và hoạt động như đối trọng để chống lại lực nổi. Tường đầu cũng có xu hướng ngăn dòng nước chảy dọc theo bên ngoài thân cống (hiện tượng piping).
Tường cánh giúp tăng hiệu quả thủy lực cho cống hộp bằng cách duy trì vận tốc và hướng dòng chảy khi vào cống, đồng thời cải thiện cấu hình miệng vào. Tuy nhiên, lợi ích chính của tường cánh là kết cấu, giúp loại bỏ xói lở quanh tường đầu. Ngoài ra, trọng lượng của tường cánh cũng giúp chống nổi.
Tường cắt (cutoff walls) có thể giúp chống xói lở tại miệng vào hoặc ra của cống. Chúng cũng là bước đầu trong việc kiểm soát hiện tượng piping hoặc thấm (seepage), trước khi cần đến các biện pháp phức tạp hơn như vòng chống thấm (anti-seep collars).

5.5.4 Hiện tượng xói ngầm (Piping) và thấm nước (Seepage)

Piping là hiện tượng bắt đầu bằng nước thấm (seepage) dọc theo bên ngoài thân cống. Dòng thấm dần dần cuốn trôi vật liệu đắp, tạo thành một khoang rỗng giống như ống, do đó gọi là “piping”.

Các hạt đất mịn bị rửa trôi dọc theo khoang này, và quá trình xói này có thể gây sụp đổ cống hoặc khối đắp.
Piping cũng có thể xảy ra do nước rò rỉ từ trong cống qua các mối nối không kín, gây dòng chảy rò rỉ (exfiltration) từ trong ra ngoài.

Cách hạn chế piping: giảm vận tốc dòng thấm; giảm lưu lượng dòng thấm. Các phương pháp cụ thể để đạt được các mục tiêu này sẽ được trình bày trong các đoạn tiếp theo.

A. Mối nối (Joints)

Để giảm vận tốc của dòng thấm, cần phải tăng chiều dài đường đi của dòng nước, từ đó giảm độ dốc thủy lực. Con đường ngắn nhất và có độ dốc thủy lực lớn nhất cho dòng thấm là qua các mối nối hở của ống cống. Do đó, rất quan trọng để các mối nối cống càng kín nước càng tốt.

Nếu dòng thấm qua các mối nối có thể trở thành vấn đề, nên sử dụng gioăng cao su đàn hồi, bền lâu thay vì dùng mối nối bằng vữa xi măng.

B. Vòng chống thấm (Anti-seep Collars)

Khi thiết kế cống có mực nước dâng phía trên (đọng nước), đặc biệt khi sử dụng vật liệu đắp mịn, cần dự đoán trước hiện tượng xói ngầm (piping) dọc theo toàn bộ chiều dài cống.

Vòng chống thấm (anti-seep collars) hay còn gọi là vòng chắn thấm (cutoff collars) sẽ:

Tăng chiều dài đường đi của dòng thấm,
Giảm độ dốc thủy lực,
Giảm vận tốc dòng thấm,
→ qua đó giảm khả năng hình thành piping.

Các vòng chống thấm thường là các tấm chắn hoặc khối bao quanh toàn bộ chu vi cống, có thể làm bằng:

Kim loại, hoặc
Bê tông cốt thép, và nếu có thể, nên thiết kế đủ lớn để gắn chặt vào lớp vật liệu chống thấm xung quanh.

Các hướng dẫn thiết kế về khoảng cách dọc trục và kích thước đã được USBR (1987) ban hành. Hình 5.21 minh họa vòng chống thấm được lắp đặt trên cống trong quá trình thi công.

C. Lỗ thoát nước (Weep Holes)

Lỗ thoát nước (weep holes) đôi khi được sử dụng để giảm áp lực có thể phát sinh tại tường cánh (wingwalls) và tấm đệm (aprons). Chúng cũng từng được sử dụng dọc theo thân cống, tuy nhiên trường hợp này nên được xử lý tốt hơn bằng hệ thống thoát nước ngầm riêng biệt.

Thiết kế lỗ thoát nước nên bao gồm vật liệu lọc, được thiết kế tương tự như lớp lọc trong hệ thống thoát nước ngầm, nhằm ngăn tắc nghẽn và loại bỏ nguy cơ xói ngầm (piping) qua lớp vật liệu thấm nước và qua chính lỗ thoát.

5.6 Cống gãy lưng (Broken-back culvert)

Một giải pháp thay thế cho việc lắp đặt cống có độ dốc lớn là phân đoạn cống thành một đoạn dốc hơn gần miệng vào, sau đó nối tiếp bằng một đoạn nằm ngang – cấu hình này được gọi là cống gãy lưng (broken-back culvert).

Cống gãy lưng có thể được coi là một thiết bị tiêu năng tích hợp bên trong, nếu được thiết kế sao cho xảy ra hiện tượng nhảy thủy lực (hydraulic jump) trong đoạn nằm ngang để tiêu tán năng lượng (theo FHWA 2006a). Quy trình thiết kế cống gãy lưng dưới đây dựa trên tài liệu của TxDOT Hydraulic Design Manual (2011).

5.6.1 Hướng dẫn thiết kế cống gãy lưng:

Một trong những cơ chế có thể tạo ra nhảy thủy lực (hydraulic jump) là sử dụng cống gãy lưng. Hai cấu hình phổ biến được minh họa trong Hình 5.22 và 5.23.

Khi được sử dụng đúng cách, cống gãy lưng có thể tác động và giữ được nhảy thủy lực. Tuy nhiên, cần phải đảm bảo rằng:

Có đủ mực nước phía hạ lưu (tailwater), và
Ma sát và chiều dài đoạn Unit 3 (xem Hình 5.22 và 5.23) phải đủ để tạo điều kiện.

Trong điều kiện bình thường, người thiết kế nên sử dụng một hoặc nhiều thiết bị, như cản dòng thô (roughness baffles), để tạo mực nước hạ lưu đủ cao nhằm ép buộc xảy ra nhảy thủy lực.

5.6.2 Quy trình thiết kế cống gãy lưng (Broken-Back Design Procedure)

Thiết kế cống gãy lưng không khó, nhưng cần đảm bảo rằng mục tiêu chính là giảm vận tốc tại miệng ra được thực hiện đúng. Bảng 5.3 trình bày các bước trong quy trình thiết kế cống gãy lưng.

Việc tính toán thủy lực cho cống tròn và cống hình chữ nhật có thể được thực hiện bằng phần mềm FHWA HY-8 hoặc phần mềm BCAP (Broken-back Culvert Analysis Program) của Sở Giao thông Nebraska (xem Mục 3.5). Thiết kế các thiết bị tiêu năng liên quan được trình bày trong HEC-14, Chương 7.

Bảng 5.3. Các bước thiết kế cống gãy lưng

Bước	Hành động
1	Thiết lập đường mặt cắt dòng chảy
2	Xác định kích thước cống
3	Bắt đầu tính toán mặt cắt siêu tới hạn
4	Hoàn tất tính toán mặt cắt
5	Cân nhắc các cảnh báo liên quan đến hiện tượng nhảy thủy lực

Chú giải: Thêm thông tin về cống gãy lưng

Hiệu suất thủy lực tổng thể của các loại cống này rất khó phân tích nếu không có sự hỗ trợ của phần mềm máy tính chuyên dụng. Thủy lực của các cống tròn và cống hình chữ nhật dạng gãy lưng có thể được phân tích bằng phần mềm FHWA HY-8 hoặc phần mềm Broken-back Culvert Analysis Program (BCAP) do Sở Giao thông Nebraska phát triển.

Nhiều cống gãy lưng được xây dựng để kiểm soát xói lở đầu mương, trong trường hợp có chênh lệch lớn về cao độ giữa miệng vào và miệng ra. Trong cống gãy lưng, vận tốc dòng chảy lớn nhất xảy ra tại đoạn gãy thấp, do sự gia tốc trong đoạn dốc đứng. Tuy nhiên, để giảm khả năng xói tại miệng ra, dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow) là điều mong muốn.

Hiện tượng nhảy thủy lực (hydraulic jump) có thể xảy ra trong cống gãy lưng nếu:

Có đủ độ nhám bên trong thân cống,
Có đủ mực nước hạ lưu (tailwater), hoặc
Cả hai yếu tố trên.

Trong nhiều trường hợp, nên sử dụng cống có mặt trong dạng gân (corrugated) để giúp giảm vận tốc dòng chảy giữa điểm gãy thấp và miệng ra cống.

Trong thực tế, phần mềm HY-8 hoặc BCAP có thể được sử dụng để tối ưu chiều dài đoạn ra và giảm vận tốc dòng chảy giữa điểm gãy thấp và miệng cống.

Chú giải: Một ý kiến về cống gãy lưng

Nội dung này được lược dịch từ trang https://tips4hydraulicmodeling.wordpress.com/2013/09/29/broken-back-culvert-design/

“Một cống gãy lưng (broken-back culvert) là loại cống có hơn một độ dốc (xem hình minh họa bên dưới từ sổ tay người dùng HY-8 của FHWA). Đây là một phương pháp tiêu tán năng lượng bằng cách dẫn nước mưa chảy xuống qua các đoạn chênh cao lớn. Sự thay đổi độ dốc ống cho phép cống chạy với độ dốc lớn trong một đoạn (tạo vận tốc dòng cao), nhưng sau đó sẽ có một đoạn tương đối bằng ở phần hạ lưu, ép buộc hiện tượng nhảy thủy lực (hydraulic jump) xảy ra trong ống. Hiện tượng nhảy này cần được thiết kế để chuyển dòng chảy từ trạng thái siêu tới hạn (supercritical) sang dưới tới hạn (subcritical). Dòng dưới tới hạn có vận tốc nhỏ hơn, từ đó giúp tiêu tán năng lượng mà dòng nước mang theo từ chênh cao lớn. Bài blog này trình bày ý kiến cá nhân của tác giả về cống gãy lưng, cũng như các mẹo thiết kế cống gãy lưng”

Ý kiến của tác giả trang:

Tôi từng tham gia một dự án thiết kế–xây dựng lớn của Bộ Giao thông trong khu đô thị đông đúc, khi người quản lý dự án yêu cầu tôi thiết kế một cống gãy lưng (broken-back culvert). Chúng tôi có một số vị trí cần dẫn nước mưa xuống từ các bờ đắp cao khoảng 6–9 mét (20–30 feet). Khách hàng của chúng tôi – nhà thầu – muốn tiết kiệm chi phí xây dựng bằng cách không xây các cấu trúc sâu 6–9m, mà thay vào đó lắp đặt cống gãy lưng. Tôi đã khuyên không nên làm vì các lý do sau:

Có các đoạn cong không thể tiếp cận được của cống nằm dưới nền đường. Các mối nối rất dễ bị rò rỉ hoặc thậm chí bị vỡ, điều này có thể dẫn đến sụp lún nền đường.
Vận tốc dòng chảy trong đoạn dốc của ống thường từ 15–30 ft/s (4.5–9 m/s). Điều này sẽ gây xói mòn ống và rút ngắn tuổi thọ cống.
Hiện tượng nhảy thủy lực cưỡng bức sẽ làm rung đoạn cống thoát. Đoạn này thường nằm ngay bên dưới nền đường. Ở trường học không ai nói với chúng tôi điều này, nhưng theo tôi, cố tình thiết kế để ống rung ngay dưới nền đường là điều không nên.
Thiếu tiêu chuẩn và hướng dẫn thiết kế đầy đủ.

Tác giả đưa ra bức ảnh minh họa đúng nỗi lo của anh ấy: “Đây là một ví dụ về cống gãy lưng dùng để dẫn nước từ một miệng thu nước trên cầu cao xuống mái taluy bên dưới. Bờ đắp cao khoảng 4.5–7.5m (15–25 feet), chỉ cách nơi tôi sống vài dặm. Như có thể thấy, đoạn gập trên đã hỏng, và nước mưa đã xói thẳng xuống bờ đắp. Mối quan ngại chính của tôi là đoạn gập ở phía dưới, nơi nước đổi hướng đột ngột với vận tốc 15–30 ft/s, kết hợp với rung chấn do nhảy thủy lực cưỡng bức tại đoạn cống thoát“

Mẹo thiết kế của tác giả

Nếu bạn bắt buộc phải thiết kế một cống gãy lưng (broken-back culvert), tôi khuyến nghị những điều sau:

Trước hết, tôi đề xuất sử dụng phần mềm HY-8 của FHWA, phiên bản 7.3 trở lên (vì một số phiên bản cũ không hỗ trợ tính năng này). Bạn có thể thiết kế cống gãy lưng trong HY-8 bằng cách chọn loại cống là “Single Broken-Back” hoặc “Double Broken-Back”. HY-8 sẽ hiển thị rõ vị trí dự kiến xảy ra nhảy thủy lực (hydraulic jump). Tuy nhiên, hãy nhớ rằng hiện tượng nhảy thủy lực không hoàn toàn chính xác như khoa học lý thuyết, vì vậy tôi khuyến nghị bạn nên tăng thêm vài feet chiều dài cho đoạn thoát cống để đảm bảo độ tin cậy (tham khảo HEC-14, Chương 6 để hiểu thêm).

Thứ hai, tôi đề xuất đọc kỹ tài liệu FHWA’s HEC-14, Chương 7.4.1 về cống gãy lưng.

Thứ ba, tôi khuyến nghị các điều sau:

Chọn ống có mặt trong gân hoặc nhám để giảm vận tốc dòng chảy. Nếu cống đủ lớn, hãy cân nhắc gắn thêm tấm cản (baffles) trong đoạn dốc để giảm vận tốc. Nếu cống đủ lớn, thiết kế cống dốc có gắn baffles có thể là lựa chọn tốt hơn.
Khuyến nghị loại ống sau:
- Ống thép gân mạ kẽm phủ polymer,
- Ống thép gân phủ bitum,
- Ống thép gân lót bên trong,
- Ống hợp kim nhôm gân,
- Ống polyethylene gân,
- Ống PVC gân thành dày.
Cố định các đoạn gập (elbows) – tốt nhất là bằng bê tông bọc ngoài. Nếu cố định bằng bê tông, hệ thống cố định này có thể hoạt động như chốt chặn lực đẩy (đặc biệt nên cân nhắc tại đoạn gập phía ra). Nếu cố định bằng cơ khí, hãy đảm bảo rằng các vật liệu sử dụng có tính chất điện hóa tương thích để tránh ăn mòn điện hóa (galvanic corrosion).
Neo giữ đoạn cống thoát mỗi 4 feet (~1.2m).
Cân nhắc ảnh hưởng của các trận mưa có tần suất cao hơn (ví dụ: 2 năm, 5 năm) lên chiều dài đoạn thoát. Thông thường, ta chỉ thiết kế dựa trên các trận mưa ít gặp hơn (50 năm, 100 năm), nhưng mưa tần suất cao thường tạo ra lưu lượng thấp hơn, tức là bán kính thủy lực trong đoạn thoát nhỏ hơn, điều này có thể ngăn hiện tượng nhảy thủy lực xảy ra, khiến vận tốc thoát còn cao hơn cả khi thiết kế theo mưa lớn.

5.7 Điều tiết tích nước (Storage Routing)

Khả năng trữ nước lớn một bên nền đường đắp có thể giúp làm giảm đỉnh lũ của một đường cong thủy văn. Khi giảm được lưu lượng đỉnh, thì kích thước và công suất yêu cầu của cống có thể được giảm bớt. Phần này trình bày cách hoàn thành việc điều tiết thủy văn (hydrologic routing). Thông tin chi tiết hơn về điều tiết có thể tham khảo trong HEC-22 (FHWA 2009a).

Việc tính toán không phức tạp và có thể thực hiện dễ dàng bằng bộ công cụ thủy lực FHWA Hydraulic Toolbox. Tuy nhiên, trong thực tế, phần lớn các thiết kế cống không tính đến việc làm giảm lưu lượng ở phía thượng lưu nền đắp, mà chỉ xem đây là một phần hệ số an toàn trong thiết kế.

5.7.1 Khái niệm điều tiết (The Routing Concept)

Điều tiết tích nước (storage routing) là phép tính sự thay đổi hình dạng của đường cong thủy văn (hydrograph) theo thời gian. Một sự thay đổi hình dạng rõ rệt sẽ xảy ra khi sóng lũ gặp một vùng có thể trữ nước lớn, như một ao, hồ chứa hay vùng trũng. Khái niệm điều tiết có thể hình dung thông qua một tình huống giả định: Một vòi nước xả nước vào một thùng rỗng, bên dưới có một lỗ thoát (orifice) (xem Hình 5.24). Đồ thị biểu diễn lưu lượng vào và lưu lượng ra sẽ thể hiện một số đặc điểm quan trọng của quá trình điều tiết theo thể tích lưu trữ.

Chú giải: Đường cong thủy văn – Hydrograph

Hydrograph (đường cong thủy văn) là đồ thị biểu diễn sự thay đổi của lưu lượng theo thời gian tại một điểm cụ thể trên sông, suối hoặc hệ thống thoát nước – thường là tại cửa cống, cầu hoặc miệng xả

Cấu trúc của Hydrograph gồm trục hoành (X): Thời gian (thường tính bằng giờ, ngày); Trục tung (Y): Lưu lượng (thường tính bằng m³/s hoặc ft³/s)

Các giai đoạn chính của Hydrograph trong trận mưa

Giai đoạn dâng (Rising limb):
- Dòng chảy tăng lên khi mưa bắt đầu → nước từ lưu vực đổ về sông/cống.
- Phụ thuộc vào cường độ và thời gian mưa, độ dốc lưu vực, khả năng thấm đất.
Đỉnh lũ (Peak flow): Thời điểm lưu lượng lớn nhất – cực kỳ quan trọng trong thiết kế cống, đê, đập.
Giai đoạn rút (Falling limb): Dòng chảy bắt đầu giảm khi mưa dừng, nước đã chảy gần hết về.
Dòng cơ bản (Baseflow): Dòng chảy còn lại sau khi nước mưa đã rút hết – đến từ mạch ngầm, thấm chậm.

Ý nghĩa của Hydrograph

Giúp dự đoán và thiết kế kích thước cống, đập, kênh thoát lũ.
Phân tích tác động của mưa cực đoan, lũ quét hoặc thay đổi sử dụng đất.
Cung cấp dữ liệu cho mô hình thủy văn, tính toán thời gian đến đỉnh lũ (time to peak), lượng nước chảy (runoff volume),…

Ví dụ ứng dựng: Bạn thiết kế một cống dưới đường. Nếu hydrograph cho thấy lưu lượng đỉnh là 12 m³/s sau 3 giờ mưa, thì bạn cần đảm bảo cống có công suất đủ để thoát 12 m³/s mà không gây ngập.

Vòi nước được mở tại thời điểm t = 0 và xả nước với lưu lượng không đổi Q_i, cho đến thời điểm t = t_i, khi vòi được tắt. Lưu lượng chảy vào thùng lớn hơn khả năng thoát nước qua lỗ ở đáy, dẫn đến việc nước được tích trữ trong thùng.

Khi mực nước trong thùng tăng lên, áp lực lên lỗ thoát tăng, khiến lưu lượng thoát qua lỗ cũng tăng theo. Lưu lượng thoát cực đại xảy ra khi mực nước trong thùng đạt đỉnh. Sau khi vòi được tắt, không còn dòng vào, do đó chỉ còn dòng ra giảm dần. Hình 5.25 là biểu đồ minh họa sơ đồ dòng vào và dòng ra dưới dạng hydrograph.

Thông tin bổ sung về khái niệm điều tiết theo thể tích lưu trữ có thể được hiểu rõ hơn bằng cách xem xét kỹ Hình 5.25.

Một diện tích trên đồ thị biểu diễn lưu lượng theo thời gian chính là một thể tích nước (vì lưu lượng nhân với thời gian = thể tích).
Diện tích dưới đường cong dòng vào (inflow hydrograph) thể hiện lượng nước đi vào thùng.
Diện tích dưới đường cong dòng ra (outflow hydrograph) thể hiện lượng nước chảy ra khỏi thùng.
Phần diện tích giữa hai đường cong chính là lượng nước được lưu trữ trong thùng tại mỗi thời điểm.
Thể tích lưu trữ đạt cực đại khi vòi nước bị tắt (hết mưa). Từ thời điểm đó trở đi, lượng nước chảy ra chính là phần nước đã được lưu trữ trước đó.

Tổng diện tích dưới đường cong dòng vào và dòng ra cuối cùng sẽ bằng nhau, vì tổng lượng nước vào bằng tổng lượng nước ra – do không có mất mát trong hệ thống.

Hình 5.25. Đường cong thủy văn của dòng vào và dòng ra.

5.7.2 Phương pháp tính toán (Methodology)

Giải pháp toán học cho tình huống đã nêu ở phần trước được gọi là bài toán điều tiết lưu trữ (storage routing problem). Định luật bảo toàn khối lượng, được mô tả trong Phương trình liên tục (Continuity Equation), là yếu tố cốt lõi để xây dựng lời giải. Nói một cách đơn giản, tốc độ thay đổi thể tích lưu trữ bằng lưu lượng vào trừ lưu lượng ra. Dưới dạng vi phân, phương trình được viết như sau: $$\frac{ds}{dt} = I – O \tag{5.2}$$

Trong đó:

$ \frac{ds}{dt} $: Tốc độ thay đổi thể tích lưu trữ
I: Lưu lượng dòng vào
O: Lưu lượng dòng ra

Một cách giải gần đúng có thể được xây dựng bằng cách chia thời gian thành các bước rời rạc Δt. Khi đó, phương trình (5.2) có thể được viết lại như sau:

$$\left( \frac{\Delta s}{\Delta t} \right)_{ij} = I – O \tag{5.3}$$

Trong đó:

I và O là lưu lượng vào và ra trung bình trong bước thời gian Δt từ thời điểm i đến j.

Giả sử lưu lượng thay đổi tuyến tính trong khoảng thời gian nhỏ, thì thay đổi thể tích lưu trữ có thể biểu diễn dưới dạng:

$$\left[ \frac{I_i + I_j}{2} – \frac{O_i + O_j}{2} \right] \Delta t = \Delta s \tag{5.4}$$

Chỉ số i và j lần lượt biểu diễn thời điểm đầu và cuối của bước thời gian Δt.

Có hai ẩn số trong phương trình (5.4):

Mức tăng lưu trữ Δs
Lưu lượng ra tại thời điểm cuối O_j
→ Vì vậy, không thể giải trực tiếp.

Tuy nhiên, nếu đã biết đường cong thủy văn thiết kế (inflow hydrograph), thì có thể biết trước:

Giá trị dòng vào I_i, I_j
Bước thời gian Δt
Lưu lượng thời điểm đầu O_i

Với các giá trị đã biết này, phương trình (5.4) có thể được viết lại thành: $$O_j = I_i + I_j – \frac{2 \Delta s}{\Delta t} – O_i \tag{5.5}$$

trong đó hai ẩn số được nhóm lại ở phía bên phải của phương trình. Vì một phương trình không thể được giải nếu có hai ẩn, nên cần xây dựng thêm một phương trình khác với cùng hai ẩn số đó. Trong trường hợp này, cần có một mối quan hệ giữa thể tích lưu trữ (storage) và lưu lượng ra (outflow). Vì cả hai yếu tố này đều có thể liên hệ với mực nước mặt, nên chúng có thể được liên hệ với nhau. Mối quan hệ thứ hai này cung cấp phương tiện để giải bài toán điều tiết lưu trữ. Phương pháp giải này được gọi là phương pháp tra lưu lượng theo thể tích lưu trữ (storage-indication method). Một hướng dẫn thiết kế áp dụng phương pháp này được trình bày trong Phụ lục D (phần hướng dẫn thiết kế Design Guideline – người dịch).

Chú giải về công thức 5.5

Công thức 5.5 trong bản tiếng Anh rất khó hiểu!

có thể đây là nhầm lẫn …do đó công thức 5.5 viết ở trên được viết lại!

5.7.3 Yêu cầu dữ liệu (Data Requirements)

Tất cả các quy trình điều tiết lưu trữ đều cần ba loại dữ liệu cơ bản:

Đường cong thủy văn dòng vào (inflow hydrograph)
Quan hệ giữa cao độ và thể tích lưu trữ (elevation–storage)
Quan hệ giữa cao độ và lưu lượng dòng ra (elevation–discharge)

Cần xây dựng đường cong thủy văn đầy đủ, không chỉ lưu lượng đỉnh.

Cao độ (elevation) – còn gọi là mực nước (stage) – là tham số dùng để liên hệ giữa thể tích lưu trữ và lưu lượng, giúp giải bài toán điều tiết.

Dữ liệu cao độ – lưu trữ có thể lấy từ bản đồ địa hình khu vực cống.
Dữ liệu cao độ – lưu lượng có thể tính từ cấu hình cống và hình học mặt đường.

Giá trị lưu lượng của cống đã chọn và phần nước tràn bờ (overtopping flow) cần được lập bảng theo cao độ, từ đó xây dựng quan hệ tổng lưu lượng theo cao độ để sử dụng trong phương trình điều tiết.

5.7.4 Phương pháp tra lưu lượng theo thể tích lưu trữ (Storage-Indication Method)

Phương pháp này được trình bày qua các bước dưới đây. Một ví dụ và hướng dẫn chi tiết được cung cấp trong Phụ lục D. Phần mềm FHWA Hydraulic Toolbox cũng áp dụng phương pháp này và thực hiện đầy đủ các phép tính cần thiết.

Bước 1: Xây dựng biểu đồ thủy văn dòng vào bằng một phương pháp thủy văn thích hợp.

Bước 2: Chọn bước thời gian Δt.
Ghi nhớ rằng phương pháp giả định sự tuyến tính trong khoảng thời gian này. Thông thường, Δt nên bằng 1/10 thời gian đến đỉnh lũ (time-to-peak).

Bước 3: Xác định quan hệ cao độ – lưu lượng và cao độ – thể tích lưu trữ tại khu vực và cống xả đã chọn.

Bước 4: Để tiện giải phương trình điều tiết, hãy lập bảng quan hệ lưu trữ – lưu lượng (storage–outflow).

Bước 5: Vẽ đồ thị quan hệ: $\left( \frac{2S}{\Delta t} + O \right) \quad \text{so với} \quad O$

(Từ dữ liệu bước 4)

Bước 5: Dùng công thức (5.5) để thực hiện các phép tính. Có thể sử dụng bảng tra để tiện tra cứu giá trị khi tính toán.

5.8 Cấu trúc tiêu năng (Enegry Dissipatros)

Cấu trúc tiêu năng được thiết kế để bảo vệ khu vực hạ lưu khỏi xói mòn bằng cách giảm vận tốc dòng chảy xuống các mức có thể chấp nhận được. Việc hư hỏng hoặc hỏng hóc của nhiều cống và công trình xả của hồ thường bắt nguồn từ hiện tượng xói mòn không được kiểm soát. Các lực xói mòn, vốn hiện diện trong mạng lưới thoát nước tự nhiên, thường bị gia tăng do việc xây dựng đường giao thông hoặc phát triển đô thị (xem Mục 5.3). Việc chặn dòng tràn mặt và thu hẹp các dòng chảy tự nhiên tất yếu dẫn đến gia tăng tiềm năng xói mòn. Để bảo vệ cống và khu vực lân cận, đôi khi cần sử dụng Enegry Dissipators.

5.8.1 HEC-14

Hướng dẫn của FHWA về Enegry Dissipators được trình bày trong HEC-14 (FHWA 2006a). HEC-14 bao gồm các quy trình thiết kế Enegry Dissipators đặt bên trong và bên ngoài cống và đặt trên hoặc dưới đáy suối. Phần này chỉ cung cấp tổng quan ngắn gọn về Enegry Dissipators. Để biết thông tin và hướng dẫn thiết kế chi tiết, tham khảo HEC-14. Các tiêu chuẩn thiết kế được nêu trong HEC-14 đã được tự động hóa trong phần mềm FHWA HY-8.

5.8.2 Hướng dẫn lựa chọn

Các hướng dẫn tổng quát sau đây, có tham chiếu đến các chương tương ứng trong HEC-14, có thể được sử dụng để giới hạn số lượng các loại tiêu năng cần xem xét. Các thuật ngữ “internal” và “external” được sử dụng để chỉ vị trí của Enegry Dissipators so với cống. Enegry Dissipators bên ngoài được đặt ngoài cống, còn Enegry Dissipators bên trong được đặt trong lòng cống. Để biết thêm thông tin chi tiết về các Enegry Dissipators được khuyến nghị trong từng nhóm, tham khảo HEC-14.

Enegry Dissipators bên trong (HEC-14, Chương 7) được sử dụng khi:

Hố xói tại cửa ra không thể chấp nhận được
Hành lang thi công bị hạn chế
Không có vấn đề về rác
Cần giảm vận tốc ở mức vừa phải

Hố xói tự nhiên (HEC-14, Chương 5). Hố xói tự nhiên được sử dụng khi việc xói mòn tại cửa ra cống sẽ không xảy ra hoặc có thể kiểm soát bằng tường chắn, và:

Hố xói dự đoán không gây thiệt hại tài sản đáng kể hoặc tạo ra sự phiền toái cho cộng đồng

Enegry Dissipators bên ngoài (HEC-14, Chương 9, 10 và 11) được sử dụng khi:

Hố xói tại cửa ra không thể chấp nhận được
Có lượng rác vừa phải
Vận tốc dòng chảy tại cửa ra của cống (Vₒ) ở mức vừa (Fr ≤ 3)

Bể tiêu năng (HEC-14, Chương 8). Bể tiêu năng được sử dụng khi:

Hố xói tại cửa ra không thể chấp nhận được
Có rác
Vận tốc dòng chảy tại cửa ra của cống (Vₒ) cao (Fr > 3)

Dưới đây là bản dịch tiếng Việt của đoạn văn trong ảnh:

Cấu trúc bậc (Drop Structures) (HEC-14, Chương 11). Cấu trúc bậc được sử dụng khi:

Kênh dòng phía hạ lưu đang bị xói mòn, hoặc xảy ra hiện tượng xói hàm ếch.

5.8.3 Các yếu tố cần cân nhắc khi thiết kế

Có nhiều yếu tố thiết kế cần được cân nhắc khi lựa chọn và thiết kế Enegry Dissipators thích hợp. Tần suất lũ được sử dụng trong thiết kế Enegry Dissipators nên giống với tần suất lũ đã dùng cho thiết kế cống. Có thể cho phép sử dụng trận lũ thiết kế có cường độ nhỏ hơn nếu có thể chứng minh được là do rủi ro thấp đối với sự cố tại vị trí giao cắt dòng nước, tiết kiệm chi phí đáng kể, ít hoặc không có ảnh hưởng xấu đến dòng chảy hạ lưu, và ít hoặc không ảnh hưởng đến sự phát triển hạ lưu.

Tần suất lũ kiểm tra cũng nên được đánh giá. Với hầu hết Enegry Dissipators đặt bên ngoài, việc kiểm tra với trận lũ kiểm tra sẽ cho thấy Enegry Dissipators tạo ra vận tốc đầu ra cao hơn so với trận lũ thiết kế. Nếu vận tốc cao này gây ra mối lo ngại, cần có biện pháp khắc phục. Các Enegry Dissipators bên trong và một số Enegry Dissipators bên ngoài có thể khiến cống hoạt động đầy tiết diện khi xảy ra lũ kiểm tra. Nếu điều này có khả năng xảy ra và nếu mực nước đầu vào cao hơn gây lo ngại, cần xem xét sử dụng Enegry Dissipators khác.

Nếu sự tích tụ băng là yếu tố đáng lưu ý, có thể giảm thiểu bằng cách thiết kế kết cấu sao cho không cản trở dòng chảy mùa đông có lưu lượng thấp, hoặc sử dụng Enegry Dissipators bên ngoài. Cần xem xét kiểm soát mảnh vỡ (dựa theo HEC-9, FHWA 2005a) nếu việc tiếp cận để nạo vét gặp hạn chế hoặc nếu loại Enegry Dissipators được chọn không thể loại bỏ mảnh vỡ.