Trong nhiều trường hợp, dòng chảy từ các cống và kênh có thể gây ra các vấn đề xói mòn. Để giảm thiểu hiện tượng xói mòn này, năng lượng dòng chảy có thể được tiêu tán trước khi thải ra hạ lưu. Mục đích của tài liệu này là cung cấp quy trình thiết kế cho các cấu trúc tiêu tán năng lượng áp dụng trong đường giao thông. Sáu chương đầu tiên cung cấp thông tin chung hỗ trợ cho các chương thiết kế còn lại. Chương 1 (chương này) trình bày khuôn khổ phân tích tổng thể được khuyến nghị và cung cấp ma trận các cấu trúc tiêu năng sẵn có và các giới hạn của chúng. Chương 2 trình bày tổng quan về các nguy cơ xói mòn xảy ra tại cả cửa vào và cửa ra. Chương 3 cung cấp cách tiếp cận chính xác hơn để phân tích vận tốc tại cửa xả so với tài liệu HDS 5. Chương 4 hướng dẫn cách tính độ sâu và vận tốc trong các đoạn chuyển tiếp. Chương 5 trình bày quy trình thiết kế để tính toán kích thước hố xói tại cửa xả cống. Chương 6 cung cấp tổng quan về các bước nhảy thủy lực – là một phần quan trọng trong nhiều bộ tiêu tán năng lượng.
Tại một số địa điểm, việc tiêu tán năng lượng thích hợp có thể đạt được bằng cách thiết kế chuyển tiếp dòng chảy (Chương 4), dự đoán kích thước hố xói chấp nhận được (Chương 5), và/hoặc cho phép hình thành bước nhảy thủy lực nếu có đủ độ sâu nước ở hạ lưu (Chương 6). Tuy nhiên, tại nhiều địa điểm khác, có thể cần thiết kế các cấu trúc tiêu năng phức tạp hơn. Các thiết kế này được phân nhóm như sau:
- Internal Dissipators (Chương 7) – Cấu trúc tiêu năng bên trong
- Stilling Basins (Chương 8) – Bể tiêu năng
- Streambed Level Dissipators (Chương 9) – Cấu trúc tiêu năng ở mức đáy suối
- Riprap Basins and Aprons (Chương 10) – Hố và Sân Đá hộc
- Drop Structures (Chương 11) – Cấu trúc bậc
- Stilling Wells (Chương 12) – Giếng tiêu năng
Các thiết kế được liệt kê trong Bảng 1.1. Các nhà thiết kế có kinh nghiệm có thể sử dụng Bảng 1.1 để xác định loại cấu trúc tiêu tán cần sử dụng và chuyển trực tiếp đến chương tương ứng. Những nhà thiết kế lần đầu nên làm quen với quy trình thiết kế cấu trúc tiêu tán năng lượng khuyến nghị được thảo luận trong chương này.
Phần lớn thông tin trình bày đã được lấy từ các tài liệu và điều chỉnh, khi cần thiết, để phù hợp với nhu cầu đường giao thông. Các kết quả nghiên cứu mới nhất đã được tích hợp vào trong phạm vi có thể, và một cuộc khảo sát thực tế đã được thực hiện để xác định thực tiễn và kinh nghiệm hiện tại của các bang.
1.1 Quy trình thiết kế
Nhà thiết kế nên coi cống, cấu trúc tiêu tán năng lượng, và thiết kế bảo vệ lòng dẫn như một hệ thống tích hợp. Cấu trúc tiêu tán năng lượng có thể làm thay đổi hiệu suất của cống và các yêu cầu bảo vệ dòng chảy. Một số cấu trúc kiểm soát rác thải là những tổn thất không thường được xem xét trong quy trình thiết kế cống. Vận tốc có thể được tăng hoặc giảm thông qua việc thay đổi trong thiết kế cống. Điều kiện kênh dẫn hạ lưu (vận tốc, độ sâu và sự ổn định lòng dẫn) là những yếu tố quan trọng trong thiết kế tiêu tán năng lượng. Sự kết hợp giữa cấu trúc tiêu năng và thiết kế bảo vệ lòng dẫn có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề cụ thể.
Bảng 1.1. Các loại cấu trúc tiêu năng và các giới hạn
| Chương | Loại tiêu năng | Số Froude 7 (Fr) | Vật cản cho phép | Mực nước hạ lưu (TW) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (dịch tiếng việt) | Bùn/Cát | Đá tảng | Vật nổi | ||||
| 4 | Flow transitions | Chuyển tiếp dòng chảy | không áp dụng | Nặng | Nặng | Nặng | Mong muốn |
| 5 | Scour hole | Hố xói | không áp dụng | Nặng | Nặng | Nặng | Mong muốn |
| 6 | Hydraulic jump | Nhảy thủy lực | > 1 | Nặng | Nặng | Nặng | Bắt buộc |
| 7 | Tumbling flow2 | Dòng cuộn | > 1 | Vừa | Thấp | Thấp | Không cần |
| 7 | Increased resistance3 | Tăng sức cản | không áp dụng | Vừa | Thấp | Thấp | Không cần |
| 7 | USBR Type IX baffled apron | Dốc nước có gồ | < 1 | Vừa | Thấp | Thấp | Không cần |
| 7 | Broken-back culvert | Cống gãy khúc | > 1 | Vừa | Trung bình | Trung bình | Mong muốn |
| 7 | Outlet weir | Cửa xả có ngưỡng tràn | 2 đến 7 | Trung bình | Trung bình | Trung bình | Không cần |
| 7 | Outlet drop/weir | Cửa xả có Bậc/Ngưỡng | 3.5 đến 6 | Trung bình | Trung bình | Trung bình | Không cần |
| 8 | USBR Type III stilling basin | Bể USBR loại III | 4.5 đến 17 | Trung bình | Thấp | Trung bình | Bắt buộc |
| 8 | USBR Type IV stilling basin | Bể USBR loại IV | 2.5 đến 4.5 | Trung bình | Thấp | Trung bình | Bắt buộc |
| 8 | SAF stilling basin | Bể SAF | 1.7 đến 17 | Trung bình | Thấp | Trung bình | Bắt buộc |
| 9 | CSU rigid boundary basin | Bể thành cứng CSU | < 3 | Trung bình | Trung bình | Trung bình | Không cần |
| 9 | Contra Costa basin | Bể Contra Costa | < 3 | Trung bình | Trung bình | Trung bình | < 0.5D |
| 9 | Hook basin | Bể hook | 1.8 đến 3 | Nặng | Trung bình | Trung bình | Không cần |
| 9 | USBR Type VI impact basin4 | Bể va USBR loại VI | không áp dụng | Trung bình | Trung bình | Trung bình | Mong muốn |
| 10 | Riprap basin | Bể đá hộc | < 3 | Nặng | Nặng | Nặng | Không cần |
| 10 | Riprap apron8 | Sân đá hộc | không áp dụng | Nặng | Nặng | Nặng | Không cần |
| 11 | Straight drop structure5 | Cấu trúc bậc | < 1 | Nặng | Trung bình | Trung bình | Bắt buộc |
| 11 | Box inlet drop structure6 | Cấu trúc hộp thu bậc | < 1 | Trung bình | Thấp | Trung bình | Bắt buộc |
| 12 | USACE stilling well | Giếng USACE | không áp dụng | Nặng | Trung bình | Không có | Mong muốn |
Chú thích:
- Ghi chú về cản cho phép: N = Không có, L = Thấp, M = Vừa, H = Nặng
- Độ dốc đáy phải nằm trong khoảng 4% < S₀ < 25%
- Kiểm tra mực nước đầu vào để bảo đảm là trạng thái inlet control
- Lưu lượng < 11 m³/s (400 ft³/s) và Vận tốc < 15 m/s (50 ft/s)
- Độ rơi < 4.6 m (15 ft)
- Độ rơi < 3.7 m (12 ft)
- Tại điểm xả ra từ cống hoặc kênh
- Cống có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 1500 mm (60 in)
- không áp dụng = không liên quan
Quy trình thiết kế được minh họa tại Hình 1.1, thể hiện các bước thiết kế được khuyến nghị. Nhà thiết kế nên áp dụng quy trình thiết kế sau cho từng kênh/cống thoát nước và cấu trúc liên quan một cách riêng biệt.
Bước 1. Xác định và Thu thập Dữ liệu Thiết kế.
Cấu trúc tiêu năng nên được xem là một phần của hệ thống thiết kế lớn hơn bao gồm cống hoặc máng dẫn, các yêu cầu bảo vệ kênh (cả thượng lưu và hạ lưu), và có thể bao gồm cả cấu trúc kiểm soát rác thải. Phần lớn dữ liệu đầu vào sẽ có sẵn trong giai đoạn thiết kế cấu trúc tiêu năng từ các nỗ lực thiết kế trước đó.
a. Dữ liệu Cống:
Thiết kế cống nên cung cấp các thông tin: loại (RCB, RCP, CMP, v.v.); chiều cao, D; chiều rộng, B; chiều dài, L; độ nhám, n; độ dốc, S₀; lưu lượng thiết kế, Q; mực nước hạ lưu, TW; loại điều khiển (inlet hoặc outlet); độ sâu tại cửa xả, y₀; vận tốc tại cửa xả, V₀; và số Froude tại cửa xả, Fr₀. Vận tốc tại cửa xả cống, V₀, được trình bày trong Chương 3. Tài liệu HDS 5 (Normann và cộng sự, 2001) cung cấp quy trình thiết kế cho các loại cống.
b. Dữ liệu Chuyển tiếp:
Chuyển tiếp dòng chảy được trình bày trong Chương 4. Đối với phần lớn các thiết kế cống, nhà thiết kế sẽ cần xác định độ sâu dòng chảy, y, và vận tốc, V, tại đầu ra của các tổ hợp cánh tường/tấm đệm tiêu chuẩn.
c. Dữ liệu Kênh Dẫn:
Các dữ liệu sau của kênh được sử dụng để xác định mực nước hạ lưu (TW) cho thiết kế cống: lưu lượng thiết kế, Q; độ dốc, S₀; hình dạng mặt cắt ngang; độ nhám của lòng và bờ kênh, n; normal depth, yₙ = TW; và normal velocity, Vₙ. Nếu mặt cắt là hình thang, nó được xác định bằng chiều rộng đáy, B, và độ dốc hai bên, Z, biểu diễn bằng 1 đơn vị theo phương đứng và Z đơn vị theo phương ngang (1V:ZH). HDS 4 (Schall và cộng sự, 2001) cung cấp ví dụ cách tính normal depth trong các kênh. Kích thước và khối lượng rác thải/vật cản/mảnh vỡ nên được ước lượng theo HEC 9 (Bradley, J.B. và cộng sự, 2005). Kích thước và khối lượng vật liệu đáy kênh nên được ước lượng.
d. Ước lượng Xói mòn cho phép:
Tại hiện trường, nhà thiết kế nên xác định xem vật liệu đáy tại vị trí xả dự kiến của cống có bị xói mòn hay không. Nếu có, cần ước lượng mức độ xói mòn tiềm năng: độ sâu, hₛ; chiều rộng, Wₛ; và chiều dài, Lₛ. Các ước lượng này nên dựa vào giới hạn vật lý của sự xói mòn tại hiện trường. Ví dụ, chiều dài Lₛ có thể bị giới hạn bởi một lớp đá hoặc thực vật. Các thông số đất trong khu vực gần cửa xả cống dự kiến nên được cung cấp.
- Đối với đất không dính, cần cung cấp phân bố kích thước hạt bao gồm D₁₆ và D₈₄.
- Đối với đất dính, các giá trị cần thiết là lực cắt bão hòa, Sᵥ, và chỉ số dẻo, PI.
e. Đánh giá Độ ổn định:
Kênh, cống, và các cấu trúc liên quan nên được đánh giá về độ ổn định, xét đến nguy cơ xói mòn, cũng như lực nổi, lực cắt và các lực khác tác động lên kết cấu (xem Chương 2). Nếu kênh, cống và các cấu trúc liên quan được đánh giá là không ổn định, thì độ sâu suy thoái hoặc chiều cao tích tụ vật liệu sẽ xảy ra trong suốt vòng đời thiết kế của công trình cần được ước lượng.
Bước 2. Đánh giá Vận tốc:
Tính toán vận tốc tại cửa xả của cống hoặc máng dẫn, V₀, và so sánh với vận tốc dòng chảy ở kênh hạ lưu, Vₙ (xem Chương 3). Nếu vận tốc xả và độ sâu dòng chảy gần với điều kiện dòng chảy tự nhiên của kênh hạ lưu, thiết kế cống có thể chấp nhận được. Nếu vận tốc cao hơn ở mức vừa phải, nhà thiết kế có thể xem xét giảm vận tốc trong lòng cống hoặc máng dẫn (xem Chương 3), hoặc giảm vận tốc bằng cách sử dụng hố xói (bước 3). Một lựa chọn khác là điều chỉnh thiết kế cống hoặc máng dẫn sao cho các điều kiện tại cửa xả được giảm nhẹ.
Nếu vận tốc tại cửa xả cao hơn đáng kể và/hoặc hố xói từ bước 3 không chấp nhận được, nhà thiết kế nên xem xét sử dụng các cấu trúc tiêu tán năng lượng (bước 4). Các thuật ngữ như “xấp xỉ bằng”, “cao hơn vừa phải” và “cao hơn đáng kể” mang tính tương đối, phụ thuộc vào các mối quan ngại cụ thể tại hiện trường như độ nhạy cảm của vị trí và hậu quả của sự cố. Tuy nhiên, như một hướng dẫn sơ bộ có thể điều chỉnh tùy từng trường hợp cụ thể, phạm vi có thể sử dụng như sau: thấp hơn 10%, từ 10 đến 30%, và lớn hơn 30%.
Bước 3. Đánh giá Hố Xói tại Cửa Xả:
Tính toán kích thước hố xói tại cửa xả theo quy trình trong Chương 5. Nếu kích thước của hố xói là chấp nhận được, nhà thiết kế nên ghi lại kích thước dự kiến của hố xói để phục vụ công tác bảo trì và lưu ý các yêu cầu giám sát. Nếu kích thước hố xói quá lớn, nhà thiết kế nên xem xét đến việc sử dụng các bộ tiêu tán năng lượng (bước 4).
Bước 4. Thiết kế các Phương án cấu trúc tiêu năng:
So sánh dữ liệu thiết kế đã xác định ở bước 1 với các đặc điểm của các cấu trúc tiêu năng khác nhau trong Bảng 1.1. Thiết kế một hoặc nhiều bộ tiêu tán năng lượng đáp ứng đáng kể các tiêu chí thiết kế. Các bộ tiêu tán được phân thành hai nhóm chính dựa trên số Froude (Fr):
- Fr < 3, phần lớn thiết kế nằm trong nhóm này
- Fr > 3, bao gồm tumbling flow (dòng cuộn), bể USBR loại III, loại IV, bể SAF, và bể va USBR loại VI
Ngoài ra, cần xem xét đến các yếu tố như mảnh vụn/vật cản, điều kiện kênh hạ lưu, điều kiện thực địa, và chi phí khi chọn phương án thiết kế.
Bước 5. Lựa chọn cấu trúc tiêu năng
So sánh các phương án thiết kế và lựa chọn cấu trúc mang lại hiệu quả tối ưu giữa chi phí và khả năng giảm vận tốc. Mỗi trường hợp đều có đặc điểm riêng, do đó cần áp dụng linh hoạt đánh giá kỹ thuật và kinh nghiệm của người thiết kế. Nhà thiết kế nên ghi lại các phương án đã xem xét.
1.2 Các ví dụ thiết kế
Quy trình thiết kế cấu trúc tiêu năng minh họa rõ nhất thông qua việc áp dụng nó cùng với các tài liệu được trình bày trong các chương thiết kế tiêu năng vào một loạt các bài toán thiết kế. Những ví dụ này nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan về quy trình thiết kế. Các chương liên quan nên được tham khảo để biết chi tiết thiết kế. Hai ví dụ thiết kế này minh họa quy trình cho hai trường hợp: khi số Froude lớn hơn 3 với một kênh xác định (có mực nước hạ lưu) và nhỏ hơn 3 không có kênh xác định (không có mực nước hạ lưu), tương ứng.
Ví dụ Thiết Kế: RCB (Fr > 3) với Kênh Hạ Lưu Được Xác Định (đơn vị SI)
Đánh giá vận tốc tại cửa xả từ một cống RCB kích thước 3048 mm x 1829 mm và xác định sự cần thiết của bộ tiêu tán năng lượng.
Lời giải
Bước 1. Xác định Dữ liệu Thiết kế
a. Dữ liệu Cống:
Loại, D, B, L, n, S₀, Q, TW, điều khiển, y₀, V₀, Fr₀
RCB, D = 1.829 m, B = 3.048 m, L = 91.44 m, n = 0.012
S₀ = 6.5%, Q = 11.8 m³/s, TW = 0.579 m, điều khiển tại cửa vào – inlet control
Cốt đáy cửa xả = 30.48 m
y₀ = 0.457 m, V₀ = 8.473 m/s, Fr₀ = 4
b. Dữ liệu Chuyển tiếp: (y và V tại cuối apron, Chương 4)
Cửa xả tiêu chuẩn với cánh tường 45° là sự mở rộng đột ngột. Vì cống được điều khiển bởi đầu vào – inlet control, dòng chảy tại cuối apron sẽ là dòng chảy siêu tới hạn:
y = y₀ = 0.457 m và V = V₀ = 8.473 m/s
c. Dữ liệu Kênh (hạ lưu): Q, S₀, hình dạng, n, z, b, yₙ, Vₙ, mảnh vỡ, vật liệu đáy
Q = 11.8 m³/s, S₀ = 6.5%, hình thang, 1:2 (V:H), b = 3.048 m, n = 0.03
yₙ = 0.579 m, Vₙ = 4.846 m/s
Đáy kênh là sỏi đã được phân cấp, không có đá tảng, rất ít mảnh vỡ nổi
d. Ước lượng Xói mòn cho phép: hₛ, Wₛ, Lₛ, D₁₆, D₈₄, σ, Sᵥ, PI
Hố xói phải nằm trong lòng kênh với Wₛ = Lₛ = 3.048 m và không được sâu hơn 1.524 m. Giá trị ước lượng này có thể xác định thông qua việc quan sát các hố xói thực tế tại hiện trường khu vực.
e. Đánh giá Độ ổn định:
Kênh, cống, và các cấu trúc liên quan được đánh giá về độ ổn định khi xét đến nguy cơ xói mòn, lực nổi, lực cắt, và các lực khác tác động. Nếu hệ thống được đánh giá là không ổn định, cần ước tính độ suy giảm hoặc độ tích tụ trong suốt vòng đời thiết kế của công trình. Trong trường hợp này, kênh được đánh giá là ổn định. Không quan sát thấy hiện tượng suy giảm hoặc head cutting về lâu dài tại hiện trường.
Bước 2. Đánh giá Vận tốc:
Vì V₀ = 8.473 m/s lớn hơn nhiều so với Vₙ = 4.846 m/s, việc tăng chiều dài cống không khả thi.
→ Cần xác định xem hố xói có chấp nhận được không (Bước 3), hoặc thiết kế cấu trúc tiêu tán năng lượng (Bước 4).
Bước 3. Đánh giá Hố Xói tại Cửa Xả
Tham số: hₛ, Wₛ, Lₛ, Vₛ theo Chương 5. Nếu các giá trị này vượt quá giới hạn cho phép đã nêu ở bước 1, cần có biện pháp bảo vệ.
- yₑ = 0.835 m,
- hₛ = 2.530 m,
- Wₛ = 15.850 m,
- Lₛ = 21.640 m,
- Vₛ = 737 m³
Việc xói mòn có vẻ là một vấn đề nghiêm trọng và cần xem xét đến việc giảm vận tốc từ V₀ = 8.473 m/s xuống còn 4.846 m/s trong kênh.
Bước 4. Thiết kế Các Phương án Tiêu năng
Các cấu trúc tiêu năng dưới đây được chọn từ Bảng 1.1 bằng cách so sánh các giới hạn của chúng với điều kiện thực tế tại hiện trường. Do Fr > 3, nên các cấu trúc tiêu năng dạng dòng xoáy (tumbling flow), tăng sức cản (increased resistance), bể USBR Loại IV, bể SAF, và bể va USBR Loại VI sẽ được xem xét. Các cấu trúc như cửa xả có ngưỡng tràn và cửa xả dạng rơi cũng được đánh giá nhưng không khả thi nếu không tăng kích thước cống. Cống gãy khúc (broken-back culvert) và bể đá hộc riprap không được xem xét vì cống quá lớn.
a. Tumbling flow (Chương 7):
- Cần 5 phần tử cao 0.59 m, cách nhau 5.02 m để giảm vận tốc xuống Vc = 3.36 m/s.
- Đoạn cuối 25.1 m của cống sẽ chứa các phần tử (4 khoảng cách + 0.5 khoảng đầu và cuối).
- Phải nâng chiều cao đoạn này lên 2.1 m để chứa phần tử.
b. Increased resistance – Tăng sức cản (Chương 7):
- Với chiều cao gồ h = 0.12 m, hệ số sức cản trong n_thấp = 0.039 (kiểm tra vận tốc), n_cao = 0.052 (kiểm tra lưu lượng).
- Vận tốc tại cửa xả là 4.4 m/s. Các phần tử cao 1.2 m, có 28 hàng.
- Chiều dài cần thiết để bố trí các phần tử là 33.6 m (27 khoảng + 0.5 khoảng đầu và cuối).
c. Bể USBR Loại IV (Chương 8):
- Chiều dài cấu trúc tiêu tán L_B = 21.6 m
- Nằm dưới đáy kênh tại cao trình 25.0 m
- Tổng chiều dài kể cả đoạn chuyển tiếp là 38.6 m
- Vận tốc xả V₂ = 4.85 m/s ≈ vận tốc dòng chảy kênh Vₙ = 4.846 m/s
d. Bể SAF (Chương 8):
- L_B = 3.353 m, cao trình đáy = 27.889 m
- Tổng chiều dài bể tiêu tán (gồm đoạn chuyển tiếp) là 12.192 m
- Vận tốc xả V₂ = 4.877 m/s ≈ Vₙ = 4.846 m/s
e. Bể va USBR Loại VI (Chương 9):
- Rộng W_B = 3.5 m, cao H_B = 2.68 m, chiều dài L_B = 4.65 m
- Vận tốc xả V_B = 3.7 m/s < 4.846 m/s
- Dòng chảy đầu vào được giảm đáng kể và vận tốc đầu ra là 61% so với vận tốc đầu vào V₀ = 8.473 m/s.
Bước 5. Lựa chọn
Cấu trúc tiêu tán được lựa chọn nên dựa trên việc so sánh hiệu quả, chi phí, mức độ tương thích với kênh tự nhiên, và mức độ xói mòn dự kiến giữa các phương án thay thế.
Trong ví dụ này, tất cả các cấu trúc đã phân tích đều phù hợp với kênh, đáp ứng tiêu chí về vận tốc, và tạo ra tổn thất năng lượng đáng kể. Tuy nhiên, chi phí của bể va USBR Loại VI thấp hơn so với các cấu trúc tiêu tán khác, do đó được lựa chọn là cấu trúc tiêu tán phù hợp nhất.
Ví dụ Thiết Kế: RCB (Fr < 3) với Kênh Hạ Lưu Chưa Xác Định (Đơn vị SI)
Đánh giá vận tốc tại cửa xả từ một cống hộp bê tông cốt thép (RCB) kích thước 3048 mm x 1829 mm và xác định sự cần thiết của bộ tiêu tán năng lượng.
Lời giải
Bước 1. Xác định Dữ liệu Thiết kế
a. Dữ liệu Cống:
Loại, D, B, L, n, S₀, Q, TW, Điều khiển, y₀, V₀, Fr₀
- RCB, D = 1.524 m, B = 1.524 m, L = 64.922 m, n = 0.012
- S₀ = 3.0%, Q = 5.66 m³/s, TW = 0.0 m, điều khiển đầu vào
- Cao trình đáy cửa xả = 30.480 m
- y₀ = 0.655 m, V₀ = 5.791 m/s, Fr₀ = 2.3
b. Dữ liệu Chuyển tiếp: (y và V tại cuối tấm đệm, Chương 4)
Cửa xả tiêu chuẩn với đầu 90° là một dạng mở rộng đột ngột. Do cống bị điều khiển đầu vào, dòng chảy tại cuối apron sẽ là dòng chảy siêu tới hạn:
- y = y₀ = 0.655 m và V = V₀ = 5.791 m/s
c. Dữ liệu Kênh: Q, S₀, hình học, n, z, b, yₙ, Vₙ, mảnh vỡ, vật liệu đáy
- Kênh hạ lưu chưa xác định. Nước sẽ lan rộng và độ sâu sẽ giảm khi rời khỏi cống, khiến mực nước hạ lưu gần như bằng 0.
- Kênh là cát phân cấp, không có đá tảng, có lượng mảnh vỡ nổi từ trung bình đến cao.
d. Ước lượng Xói mòn Cho phép: hₛ, Wₛ, Lₛ, D₁₆, D₈₄, σ, Sᵥ, PI
- Một bể xói không sâu quá 0.914 m là có thể chấp nhận tại khu vực này.
- Vận tốc xả cho phép là khoảng 3 m/s.
e. Đánh giá Độ ổn định:
- Kênh, cống và các cấu trúc liên quan được đánh giá về ổn định liên quan đến xói mòn, lực nổi, lực cắt và các lực khác.
- Nếu được đánh giá là không ổn định, cần ước tính mức độ suy giảm hoặc tích tụ sẽ xảy ra trong suốt vòng đời thiết kế.
- Trong trường hợp này, kênh được xem là ổn định. Không quan sát thấy sự suy giảm hoặc head cutting về lâu dài tại hiện trường.
Bước 2. Đánh giá Vận tốc
Vì V₀ = 5.791 m/s lớn hơn nhiều so với V_cho phép = 3.0 m/s, việc tăng hệ số nhám n của cống là không khả thi.
→ Cần xác định xem hố xói có chấp nhận được không (bước 3), hoặc thiết kế một cấu trúc tiêu tán năng lượng (bước 4).
nd (vận tốc cho phép)
Dưới đây là bảng ngưỡng vận tốc cho phép (V_allow) phổ biến ứng với từng loại vật liệu nền kênh/cống trong thiết kế tiêu tán năng lượng và bảo vệ kênh. Đây là giá trị kinh nghiệm tham khảo thường được sử dụng trong tài liệu kỹ thuật như HEC, USBR, và các hướng dẫn thiết kế thủy lực:
| Loại vật liệu đáy | Kích cỡ điển hình | Vận tốc cho phép (m/s) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Đất sét (cohesive clay) | < 0.002 mm | 0.6 – 1.0 | Rất dễ bị xói mòn nếu không được che phủ |
| Bùn cát (silt) | 0.002 – 0.05 mm | 0.5 – 1.2 | Rất nhạy cảm với vận tốc |
| Cát mịn | 0.05 – 0.25 mm | 0.6 – 1.5 | Cần ổn định với lớp phủ hoặc gia cố |
| Cát thô | 0.25 – 1.0 mm | 2.0 – 3.0 | |
| Sỏi nhỏ (fine gravel) | 2 – 8 mm | 2.5 – 3.5 | Có thể chịu được vận tốc cao hơn nếu không có mảnh vỡ lớn |
| Sỏi lớn / đá dăm (coarse gravel) | 10 – 50 mm | 3.0 – 4.5 | Ổn định hơn nhưng vẫn có thể xói mòn nếu có dòng siêu tới hạn |
| Đá tảng (boulders) | > 150 mm | 5.0 – 6.5+ | Rất ổn định, thường dùng trong riprap hoặc lớp phủ bảo vệ |
| Bê tông (concrete) | — | > 6.0 – 10.0+ | Không xói mòn, chỉ giới hạn bởi cấu trúc kết cấu |
- Giá trị có thể thay đổi theo:
- Góc nghiêng của kênh
- Điều kiện mực nước hạ lưu
- Thời gian chịu tải dòng chảy lớn (ngắn hạn hay dài hạn)
- Có hay không lớp phủ bảo vệ (mat, riprap, geo-textile…)
Bước 3. Đánh giá Hố Xói tại Cửa Xả
Các thông số: hₛ, Wₛ, Lₛ, Vₛ theo Chương 5. Nếu các giá trị này vượt quá giới hạn cho phép ở bước 1 thì cần có biện pháp bảo vệ.
- yₑ = 0.707 m
- hₛ = 1.707 m
- Wₛ = 9.449 m
- Lₛ = 14.935 m
- Vₛ = 62 m³
Vì độ sâu hố xói 1.707 m lớn hơn giới hạn cho phép là 0.914 m → cần thiết kế bộ tiêu tán năng lượng.
Bước 4. Thiết kế Các Cấu Trúc Tiêu Năng
Các cấu trúc tiêu tán dưới đây được xác định từ Bảng 1.1 bằng cách so sánh các giới hạn được thể hiện với điều kiện thực tế tại công trường. Để so sánh, tất cả các cấu trúc tiêu tán có Fr < 3 sẽ được thiết kế (ngay cả những cấu trúc không xử lý tốt lượng mảnh vỡ/vật cản trung bình). Các cấu trúc đáp ứng yêu cầu về số Froude nhưng không được thiết kế gồm: bể SAF (cần có mực nước hạ lưu); bể Contra Costa (không có kênh xác định); cống gãy khúc (độ dốc nhỏ); ngưỡng tràn (không khả thi nếu không tăng kích thước cống); và bể đá hộc riprap (cống quá lớn).
a. Tumbling flow (Chương 7):
S₀ = 3% là nhỏ hơn 4% yêu cầu, nhưng thiết kế này được đưa vào để so sánh. Cần năm phần tử cao 0.55 m, cách nhau 4.68 m để giảm vận tốc xuống Vc = 3.32 m/s.
Để đạt được sự giảm tốc này, 23.4 m cuối của cống được dùng cho các phần tử (4 khoảng cách giữa các phần tử cộng thêm nửa khoảng cách trước phần tử đầu và sau phần tử cuối). Ngoài ra, đoạn này của cống phải được nâng chiều cao lên 2.0 m để chứa các phần tử.
b. Tăng sức cản (Chương 7):
Với chiều cao gồ ghề h = 0.09 m, nội lực cản n_thấp = 0.032 cho kiểm tra vận tốc và n_cao = 0.043 cho kiểm tra lưu lượng. Lưu lượng cho thấy chiều dài cống phải tăng lên đến 1.7 m.
Vận tốc tại cửa xả là 3.2 m/s. Các phần tử cao 0.6 m, cách nhau 0.91 m. Chiều dài cống điều chỉnh để chứa các phần tử là 30.6 m (33 khoảng cách giữa các phần tử cộng thêm nửa khoảng cách đầu và cuối).
c. Bể thành cứng CSU (Chương 9):
Chiều rộng bể, W_B = 9.144 m, chiều dài bể, L_B = 8.534 m, số hàng phần tử gồ ghề, N_r = 4, số phần tử, N = 17, độ phân kỳ, U_e = 1.9:1, chiều rộng phần tử, W_e = 0.914 m, chiều cao phần tử, h = 0.229 m, vận tốc tại đầu ra bể, V_B = 2.896 m/s, độ sâu dòng chảy tại cửa ra bể, y_B = 0.213 m.
d. Bể va USBR Loại VI (Chương 9):
Chiều rộng bộ tiêu tán, W_B = 4.0 m. Chiều cao h₁ = 3.12 m, và chiều dài L = 5.33 m. Vận tốc đầu ra, V_B = 4.2 m/s, được tính toán dựa trên tổn thất năng lượng là 47%.
e. Bể hook (Chương 9):
Giả sử vận tốc dòng chảy hạ lưu Vₙ bằng với vận tốc cho phép là 3.0 m/s, thì V₀/Vₙ = 5.791/3.0 = 1.93. Các kích thước cho một bể hình thang thẳng gồm: chiều dài bể L_B = 4.572 m, chiều rộng W₆ = 2W₀ = 3.048 m, độ dốc bên là 2:1, chiều dài tới móc L₁ = 1.905 m, chiều dài đến móc thứ hai L₂ = 3.179 m, chiều cao móc h₃ = 0.716 m, vận tốc mục tiêu tại đầu ra V_B = Vₙ = 3.0 m/s.
Từ Hình 9.12, V₀/V_B = 2.0; vận tốc thực tế V_B = 5.8/2.0 = 2.896 m/s, thấp hơn mục tiêu.
f. Bể riprap (Chương 10):
Giả sử đường kính đá D₅₀ = 0.38 m, độ sâu của hố hₛ = 0.78 m, chiều dài của bể = 7.8 m, chiều dài tấm đệm = 3.9 m, chiều dài phần bể = 11.7 m, chiều dày riprap phần tiếp cận = 3D₅₀ = 1.14 m, và chiều dày riprap cho phần còn lại của bể, 2D₅₀ = 0.76 m.
Bước 5. Lựa chọn
Việc lựa chọn nên được quyết định dựa trên việc so sánh hiệu quả, chi phí, khả năng tương thích với điều kiện kênh tự nhiên và mức độ xói mòn dự kiến của tất cả các phương án.
Quyền sử dụng đất (ROW), mảnh vỡ, và chi phí xây dựng cấu trúc tiêu tán đều là các yếu tố hạn chế tại thực tế hiện trường.
ROW (chi phí đền bù mặt bằng) đắt đỏ khiến các cấu trúc tiêu tán có chiều dài lớn trở nên tốn kém hơn.
Mảnh vỡ/vật cản sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của bể va (impact basin) và có thể gây trở ngại cho các thiết kế sử dụng phần tử gồ như CSU hoặc dòng chảy cuộn (tumbling flow).
Trong phân tích cuối cùng, bể riprap được lựa chọn dựa trên tiêu chí chi phí và bảo trì dự kiến.
(nd: vận tốc normal vs vận tốc cho phép)
| Thuộc tính | Ví dụ 1 (kênh xác định) | Ví dụ 2 (kênh không xác định) |
|---|---|---|
| Có tính Vₙ (normal velocity)? | Có (4.846 m/s) | Không |
| Dùng Vₙ làm chuẩn để so sánh? | Có | Không |
| Dùng V_allow làm giới hạn? | Không | Có (3.0 m/s — kinh nghiệm) |
| Phân tích xói dựa trên gì? | So sánh V₀ với Vₙ | So sánh V₀ với V_allow |