DG 1.1 Cơ sở lý thuyết
Thiết kế cống có thể được thực hiện thủ công bằng cách sử dụng các công cụ hỗ trợ thiết kế trong tài liệu này nhằm xác định kích thước, hình dạng (hộp hoặc tròn) và vật liệu phù hợp để đáp ứng lũ thiết kế tại vị trí vượt qua dòng nước của đường bộ. Mục DG 1.2 trình bày các bước thiết kế cần tuân theo. Mục DG 1.3 áp dụng các bước thiết kế cho cống tròn. Mục DG 1.4 áp dụng quy trình thiết kế cho cống hình chữ nhật.
DG 1.2 Quy trình thiết kế
Dưới đây là các bước tổng quát để thiết kế cống thẳng (xem Hình 3.18):
Bước 1. Tóm tắt dữ liệu thủy văn (Mục 2.1) và dữ liệu hiện trường (Mục 2.2) cho cống tại đầu mẫu thiết kế cống. Thông tin này có thể đã được thu thập hoặc tính toán trước khi thực hiện thiết kế cống thực tế. Ngoài ra, cần hoàn thành đánh giá hiện trường (Mục 2.3).
Bước 2. Chọn sơ bộ hình dạng cống (Mục 1.3.1), vật liệu (Mục 1.3.2), kích thước từ các bản vẽ tiêu chuẩn và kiểu cửa vào từ các cấu hình tiêu chuẩn.
Bước 3. Tính toán mực nước đầu vào ở trạng thái inlet control (HWi) cho lưu lượng thiết kế (Mục 3.3.2).
Bước 4. Tính toán mực nước đầu vào ở trạng thái outlet control (HWo) cho lưu lượng thiết kế (Mục 3.3.3).
Bước 5. Mực nước khống chế là giá trị lớn hơn giữa HWi và HWo.
Bước 6. Đánh giá kết quả (Mục 3.3.5) để xác định xem mực nước khống chế có gần với giá trị cho phép hay không. Nếu không đủ gần hoặc vượt quá, quay lại Bước 2 và thử phương án khác.
Bước 7. Tính vận tốc đầu ra (Vo) cho mực nước khống chế theo trạng thái tương ứng (Mục 3.1.6) và so sánh với vận tốc dòng chảy cho phép ở hạ lưu. Nếu vận tốc không chấp nhận được, cân nhắc sử dụng cấu trúc tiêu năng (HEC-14) hoặc vật liệu thô (nhám) hơn (quay lại Bước 2).
Bước 8. Kiểm tra kích thước cống có phù hợp với nền đắp và dòng chảy không. Nếu đạt yêu cầu, lặp lại Bước 3 đến Bước 5 cho các lưu lượng trong đường cong hiệu suất (Mục 3.2) và hoàn tất thiết kế.
DG 1.3 Cống tròn
Thiết kế một cống tròn, thẳng không có trũng ở giữa cho tuyến đường nông thôn mới tại vị trí vượt dòng nước cho trận lũ 25 năm. Áp dụng quy chuẩn là chừa khoảng bờ an toàn (freeboard) 2 ft (0,61 m) dưới mép nền đường
Lời giải đầy đủ sử dụng đơn vị thông thường (CU) được trình bày chi tiết bên dưới. Một bản tóm tắt kết quả theo hệ SI cũng được cung cấp dựa trên việc giải toàn bộ bài toán bằng các biểu đồ nomograph SI phù hợp như được nêu trong HDS 5, ấn bản thứ hai, Chương III, Ví dụ Bài toán 1. Lưu ý rằng việc chuyển đổi trực tiếp từ đơn vị CU sang SI có thể cho kết quả hơi khác.
Các thông tin sau đây được cung cấp:
- DG 1.3.1 Các bước quy trình thiết kế dựa trên Mục DG 1.2 kèm theo bản tóm tắt kết quả
- DG 1.3.2 Biểu mẫu thiết kế cống (CDF)
- DG 1.3.3 Biểu đồ thể hiện các giải pháp
DG 1.3.1 Quy trình thiết kế
Bước 1. Tóm tắt dữ liệu thủy văn (Mục 2.1) và dữ liệu hiện trường (Mục 2.2) cho cống tại phần đầu của mẫu CDF. Đánh giá hiện trường (Mục 2.3) cho thấy đây là một đoạn dòng chảy ổn định, không gặp vấn đề về vật cản.
| Mô tả | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Lưu lượng thiết kế | Q₍₂₅₎ | 200 ft³/s | 5.663 m³/s |
| Mực nước hạ lưu khi lũ thiết kế | TW | 3.5 ft | 1.067 m |
| Độ dốc đáy dòng chảy tự nhiên | S₀ | 0.01 ft/ft | 0.01 m/m |
| Chiều dài ước tính của cống | Lₐ | 200 ft | 60.960 m |
| Cao độ tại mép đường | ELₛ | 110 ft | 33.528 m |
| Cao độ HW cho phép | ELₕₐ | 108 ft | 32.918 m |
| Cao độ tại đầu vào cống | ELᵢ | 100 ft | 30.480 m |
Bước 2. Chọn sơ bộ hình dạng cống (Mục 1.3.1), vật liệu (Mục 1.3.2), kích thước từ bản vẽ tiêu chuẩn và cấu hình cửa vào, sau đó điền vào mẫu CDF. Thử sử dụng ống kim loại gân tròn (CMP) đường kính 72″ với mép vát 45°.
➤ Ống CMP 72″ với gân 2-2/3 x 1/2 inch (tương đương 1800 mm với gân 68 × 13 mm)
Bước 3. Tính toán mực nước đầu vào ở trạng thái inlet control (HWᵢ) cho lưu lượng thiết kế (Mục 3.3.2) và ghi vào CDF.
➤ ELₕᵢ = 105.8 ft đối với ống CMP 72″ (tương đương 32.23 m cho ống 1800 mm)
Bước 4. Tính toán mực nước đầu vào ở trạng thái outlet control (HWₒ) cho lưu lượng thiết kế (Mục 3.3.3) và ghi vào CDF.
➤ ELₕₒ = 105.5 ft đối với ống CMP 72″ (tương đương 32.17 m cho ống 1800 mm)
Bước 5. Mực nước khống chế là giá trị lớn hơn giữa HWᵢ và HWₒ.
➤ ELₕᵢ = 105.8 ft đối với ống CMP 72″ (32.23 m cho ống 1800 mm) nhỏ hơn ELₕₐ = 108 ft (32.918 m)
Bước 6. Đánh giá kết quả (Mục 3.3.5) để xác định xem mực nước khống chế có gần với giá trị HW cho phép không. Nếu không đủ gần hoặc vượt quá, quay lại Bước 2 và thử phương án khác.
Vì HW không gần bằng ELₕₐ = 108 ft, các phương án HW khống chế khác đã được tính thử.
ELₕₒ = 108.9 ft cho ống CMP 60″ > ELₕₐ (thử ống nhẵn hơn)
ELₕᵢ = 106.8 ft cho ống RCP 60″ < ELₕₐ = 108 ft (thử ống nhỏ hơn)
ELₕᵢ = 108.0 ft cho ống RCP 54″ = ELₕₐ = 108 ft (được)
(Với giải pháp SI, phương án chấp nhận được là ống RCP 1500 mm, đầu ống có loe)
Bước 7.
Tính vận tốc đầu ra (Vₒ) ứng với mực nước khống chế (Mục 3.1.6) và so sánh với vận tốc dòng chảy hạ lưu. Nếu vận tốc không chấp nhận được, hãy cân nhắc sử dụng cấu trúc tiêu năng (HEC-14) hoặc chọn vật liệu thô hơn (quay lại Bước 2).
➤ Ống RCP 54″ có Vₒ = 15.3 ft/s
(Với giải pháp SI sử dụng ống RCP 1500 mm, vận tốc đầu ra là 4.8 m/s)
Bước 8.
Kiểm tra kích thước cống có phù hợp với nền đắp và dòng chảy hay không. Nếu phù hợp, lặp lại Bước 3 đến Bước 5 cho các lưu lượng trong đường cong hiệu suất (Mục 3.2) và ghi nhận thiết kế.
➤ Ống 54″ (4.5 ft) cung cấp khoảng freeboard 5.5 ft phía trên đỉnh miệng cống
➤ Ống 1350 mm cung cấp khoảng freeboard 1.7 m phía trên đỉnh miệng cống
DG 1.3.2 Lời giải của HY-8
Lời giải thủ công trình bày trong Mục 1.3.1 có thể được tái lập bằng cách sử dụng phiên bản hiện tại của phần mềm HY-8 như sau:
- Nhập dữ liệu giao cắt như đã trình bày ở Bước 1 và trong mẫu CDF.
- Chọn các tùy chọn sau: Đơn vị đo của Hoa Kỳ, Outlet Control Profiles and Exit Loss Standard Method (mặt cắt outlet control và phương pháp tổn thất đầu ra tiêu chuẩn).
- Phân tích điểm vượt dòng, phần mềm sẽ hiển thị bảng tóm tắt và cho thấy không có hiện tượng tràn mặt đường.
- Chọn Bảng tóm tắt cống, bảng này cho thấy inlet control chiếm ưu thế: HWᵢ = 7.9 ft và ELₕᵢ = 107.9 ft ≈ 108 ft, trùng khớp với kết quả từ biểu đồ nomograph.
- Vận tốc đầu ra là 14.9 ft/s, nhỏ hơn 15.3 ft/s vì độ sâu normal chưa đạt được tại cuối cống.
- Kết quả tương tự cũng đạt được khi giải pháp hệ SI được xác minh bằng HY-8.
DG 1.3.3 Biểu mẫu thiết kế cống
DG 1.3.4 Charts – ống tròn
DG 1.4 Cống hộp (Box Culvert)
Thiết kế một cống hộp bê tông cốt thép (RCB) thẳng, không có hạ thấp đáy cho một vị trí giao cắt mặt đường mới với trận lũ 50 năm. Sử dụng quy ước tiêu chuẩn là chừa 2 ft (0,61 m) khoảng bờ an toàn (freeboard) bên dưới vai đường.
Lời giải đầy đủ theo hệ đơn vị thường dùng (CU) được trình bày bên dưới. Tóm tắt kết quả theo hệ SI cũng được cung cấp, dựa trên việc giải bài toán bằng các biểu đồ nomograph hệ SI trong HDS 5, ấn bản thứ hai, Chương III, Ví dụ minh họa số 2.
Lưu ý: Việc chuyển đổi trực tiếp từ đơn vị CU sang SI có thể tạo ra kết quả hơi khác biệt.
Thông tin được cung cấp:
- DG 1.4.1 Các bước thiết kế dựa trên Mục DG 1.2 cùng bản tóm tắt kết quả
- DG 1.4.2 Biểu mẫu thiết kế cống (CDF)
- Các biểu đồ thiết kế 8B, 10B, 14B và 15B được sử dụng trong ví dụ này nhưng không đính kèm
DG 1.4.1 Quy trình thiết kế
Bước 1. Tổng hợp dữ liệu thủy văn (Mục 2.1) và dữ liệu hiện trường (Mục 2.2) tại vị trí cống, ghi ở đầu biểu mẫu CDF. Đánh giá hiện trường (Mục 2.3) cho thấy đoạn suối ổn định và không có vấn đề về rác/vật cản.
| Mô tả | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Lưu lượng thiết kế | Q₅₀ | 300 ft³/s | 8,5 m³/s |
| Mực nước đuôi lũ thiết kế | TW | 4.0 ft | 1.219 m |
| Độ dốc đáy suối tự nhiên | S₀ | 0.02 ft/ft | 0.02 m/m |
| Chiều dài cống xấp xỉ | Lₐ | 250 ft | 76.2 m |
| Cao độ vai đường | ELₛ | 113.5 ft | 34.595 m |
| Cao độ mực nước cho phép | ELₕₐ | 110 ft | 33.528 m |
| Cao độ đáy cống | ELᵢ | 100 ft | 30.480 m |
Bước 2. Chọn sơ bộ hình dạng cống (Mục 1.3.1), vật liệu (Mục 1.3.2), kích thước từ bản vẽ tiêu chuẩn và hình dạng cửa vào từ bản vẽ tiêu chuẩn, rồi nhập vào biểu mẫu CDF. Thiết kế cống hộp RCB cho công trình này với cả mép vuông và mép vát 45° trong tường chắn.
Kích thước cống: 6′ × 5′ RCB (1829 × 1424 mm) với mép vuông
Bước 3. Tính toán mực nước tại cửa vào do điều kiện khống chế tại cửa vào (HWᵢ) ứng với lưu lượng thiết kế (Mục 3.3.2 trong biểu mẫu CDF):
- ELₕᵢ = 107.9 ft (32.90 m)
Bước 4. Tính toán mực nước tại cửa ra do điều kiện khống chế tại cửa ra (HWₒ) ứng với lưu lượng thiết kế (Mục 3.3.3):
- ELₕₒ = 103.2 ft (31.418 m)
Bước 5. Mực nước khống chế sẽ là giá trị lớn hơn giữa HWᵢ và HWₒ:
- ELₕᵢ = 107.9 ft (32.90 m) < ELₕₐ = 110 ft (33.528 m) → Hợp lệ
Bước 6. Đánh giá kết quả (Mục 3.3.5) để xác định liệu mực nước khống chế (HW) có thấp hơn mực nước cho phép (HWₐ) không.
Nếu không đủ gần hoặc lớn hơn, quay lại Bước 2 và thử phương án khác.
Vì HW hiện tại gần bằng ELₕₐ = 110 ft, nên thử phương án thay thế với HW khống chế như sau: cống 5×5 ft với mép vuông và có vát 45°.
- ELₕᵢ = 109.6 ft cho cống 5×5 ft (33,45 m) ≈ ELₕₐ (chấp nhận được, nhưng cần thêm mép vát)
- ELₕᵢ = 108.6 ft cho cống 5×5 ft (33,10 m) < ELₕₐ (mép vát giúp tăng khả năng dẫn nước)
Bước 7. Tính vận tốc tại cửa ra (Vₒ) tương ứng với HW khống chế (Mục 3.1.6) và so sánh với vận tốc dòng ở hạ lưu.
Nếu vận tốc không phù hợp, cân nhắc thêm công trình tiêu năng (HEC-14) hoặc dùng vật liệu nhám hơn (quay lại Bước 2).
- Vₒ = 20.8 ft/s đối với cống 5×5 ft (6.47 m/s cho kích thước 1524 × 1524 mm)
Bước 8. Kiểm tra xem kích thước cống có phù hợp với mái đắp và lòng suối hay không.
Nếu phù hợp, lặp lại các bước từ 3 đến 5 với các lưu lượng khác nhau (Mục 3.2) để xây dựng đường cong hiệu suất và hoàn thiện thiết kế.
Cống cao 5 ft cung cấp 8.5 ft khoảng phủ bên trên đỉnh cống
Cống cao 1524 mm (1.52 m) cung cấp 2.6 m khoảng phủ bên trên đỉnh cống
DG 1.4.2 Lời giải bằng HY-8
Lời giải bằng tay trong Mục 1.4.1 có thể được thực hiện lại bằng phần mềm HY-8 phiên bản hiện tại:
- Nhập dữ liệu như trong Bước 1 và trên biểu mẫu CDF.
- Chọn các tùy chọn sau: Hệ đơn vị thường dùng (U.S. Customary Units), Kiểm soát tại cửa ra (Outlet Control), Phương pháp tổn thất tại cửa ra tiêu chuẩn (Exit Loss Standard Method).
- Chọn “Analyze Crossing” để hiển thị bảng tóm tắt giao vượt suối (Crossing Summary Table) → không có tràn mặt đường.
- Chọn bảng tóm tắt thiết kế cống (Culvert Summary Table) → cho thấy inlet control là yếu tố khống chế:
HWᵢ = 9.65 ft và ELₕᵢ = 109.65 ft ≈ kết quả trong biểu đồ nomograph với mép vuông. - Vận tốc tại cửa ra là 19.61 ft/s (thấp hơn 20.8 ft/s). Tốc độ này thấp hơn vì dòng chưa đạt độ sâu bình thường tại cuối cống.
- Kết quả tương tự cũng đạt được nếu sử dụng đơn vị SI và kiểm tra bằng HY-8.
DG 1.5 Đường cong hiệu suất cống hộp RCB
Một cống hộp bê tông 7 ft × 7 ft với tường chắn và mép vuông được thiết kế cho một trận lũ 50 năm với lưu lượng 600 ft³/s và cao độ mực nước dâng thiết kế là 114 ft (34,747 m). Sự phát triển ở thượng lưu đã làm tăng lưu lượng lũ 50 năm lên 1.000 ft³/s. Hãy lập đường cong hiệu suất cho công trình này, bao gồm cả trường hợp nước tràn qua mặt đường, với lưu lượng lên đến 1.000 ft³/s.
Mặt đường là sỏi, rộng 40 ft. Mặt cắt mặt đường có thể được xấp xỉ là một đập tràn đỉnh rộng dài 200 ft. Sử dụng Hình 3.11 để tính toán lưu lượng tràn.
Giải pháp đầy đủ theo hệ đơn vị thường dùng (CU) được trình bày bên dưới. Giải pháp theo hệ SI được trình bày trong HDS 5, ấn bản thứ hai, Chương III, Ví dụ minh họa số 4.
Thông tin được cung cấp bao gồm:
- DG 1.5.1 Các bước thiết kế dựa trên Mục DG 1.2 cùng bản tóm tắt kết quả
- DG 1.5.2 Biểu mẫu thiết kế cống (CDF)
- Biểu đồ thiết kế 8B, 14B, 15B và Hình 3.11 được sử dụng trong bài toán này nhưng không được đính kèm
DG 1.5.1 Quy trình thiết kế
Bước 1. Tổng hợp dữ liệu thủy văn (Mục 2.1) và dữ liệu hiện trường (Mục 2.2) tại vị trí cống ở đầu biểu mẫu CDF. Đánh giá hiện trường (Mục 2.3) cho thấy đoạn suối này ổn định, không có vấn đề về rác/vật cản.
| Mô tả | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Lưu lượng thiết kế | Q₅₀ | 1000 ft³/s | 28,317 m³/s |
| Mực nước đuôi lũ thiết kế | TW | 4.1 ft | 1.250 m |
| Độ dốc tự nhiên của lòng suối | S₀ | 0.05 ft/ft | 0.05 m/m |
| Chiều dài cống xấp xỉ | Lₐ | 200 ft | 60.96 m |
| Cao độ tràn qua mặt đường | ELₒ | 116 ft | 35.357 m |
| Cao độ mực nước thiết kế cho phép | ELₕₐ | 114 ft | 34.747 m |
| Cao độ đáy cống | ELᵢ | 100 ft | 30.480 m |
| Lưu lượng (ft³/s) | TW (ft) | Lưu lượng (m³/s) | TW (m) |
|---|---|---|---|
| 400 | 2.6 | 11.327 | 0.793 |
| 600 | 3.1 | 16.99 | 0.945 |
| 800 | 3.8 | 22.654 | 1.158 |
| 1000 | 4.1 | 28.317 | 1.25 |
Bước 2. Các bước từ 2 đến 7 được tóm tắt trong biểu mẫu CDF (Mục DG 1.5.2).
Bước 8. Kiểm tra rằng kích thước cống phù hợp với mái đắp và lòng suối. Nếu kích thước đạt yêu cầu, lặp lại các bước từ 3 đến 5 cho các lưu lượng trong đường cong hiệu suất (Mục 3.2) và ghi lại thiết kế. Các bước này được lặp lại cho một dải lưu lượng lên đến 1000 cfs. Hình dưới đây được sử dụng để tính toán lưu lượng tràn được trình bày trong bảng và biểu đồ đường cong hiệu suất. Một bài toán tương tự cho hệ SI được trình bày trong HDS 5, ấn bản thứ hai, Ví dụ minh họa số 4.
| Lưu lượng Qc (ft³/s) | ELhi (ft) | HWr (ft) | kt | Cr | Lưu lượng tràn Qo (ft³/s) | Tổng lưu lượng Q (ft³/s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 400 | 108.1 | – | – | – | – | 400 |
| 600 | 111.6 | – | – | – | – | 600 |
| 700 | 113.7 | – | – | – | – | 700 |
| 800 | 116.5 | 0.5 | 1 | 2.7 | 191 | 991 |
| 850 | 117.9 | 1.5 | 1 | 2.92 | 1073 | 1923 |
| 1000 | 122.5 | 6.5 | 1 | 3.04 | 10075 | 11075 |
Công thức tính
Qo = Cd · L · (HWr)1.5 và Cd = kt · Cr
Giải thích các tính toán:
- Tại Qc = 800 cfs, HWr = 0.5 ft:
Qo = 2.7 × 200 × (0.5)1.5 = 191 ft³/s - Tại Qc = 850 cfs, HWr = 1.5 ft:
Qo = 2.92 × 200 × (1.5)1.5 = 1073 ft³/s - Tại Qc = 1000 cfs, HWr = 6.5 ft:
Qo = 3.04 × 200 × (6.5)1.5 = 10075 ft³/s
DG 1.5.2 Lời giải HY-8
Lời giải bằng tay trình bày trong Mục 1.5.1 có thể được lặp lại bằng cách sử dụng phiên bản hiện tại của HY-8:
- Nhập dữ liệu giao vượt suối được trình bày trong Bước 1 và trên biểu mẫu CDF. TW phải được nhập vào dưới dạng một đường cong xếp hạng với nội suy dùng cho các lưu lượng còn thiếu.
- Chọn các tùy chọn sau: Hệ đơn vị U.S. Customary Units, Outlet Control Profiles và Phương pháp tổn thất tiêu chuẩn (Exit Loss Standard Method).
- Phân tích giao vượt suối (Analyze Crossing) hiển thị bảng tóm tắt (Crossing Summary Table) cho thấy tràn bắt đầu xảy ra tại 798.5 ft³/s. Với tổng lưu lượng 1000 ft³/s, cống xả được 816.23 ft³/s và 183.52 ft³/s chảy tràn qua mặt đường.
- Chọn bảng tóm tắt thiết kế cống (Culvert Summary Table) cho thấy inlet control là điều kiện khống chế : HWᵢ = 16.49 ft và ELₕᵢ = 116.49 ft ≈ 116.5 ft của đường cong hiệu suất ứng với 1000 ft³/s.
- Kết quả tương tự đạt được khi giải pháp SI được xác minh bằng HY-8.
