Chương này thảo luận các nguy cơ xói lở tiềm ẩn tại các cống và các biện pháp đối phó với các nguy cơ này. Mục 2.1 trình bày các nguy cơ liên quan đến cửa vào của cống: hướng dòng và vận tốc tiếp cận, cửa vào hạ thấp, tường đầu và tường cánh, sự hư hỏng cửa vào và thân cống. Mục 2.2 trình bày các nguy cơ liên quan đến cửa ra của cống: xói lở cục bộ, suy thoái lòng kênh, và các xử lý tiêu chuẩn cho phần đầu cống.
2.1 Nguy cơ xói lở tại cửa vào cống
Nguy cơ xói lở tại cửa vào cống đến từ các xoáy nước, dòng chảy tràn qua tường cánh, và sự sạt lở do đất đắp, nhìn chung là nhỏ và có thể được xử lý bằng công tác bảo trì nếu xảy ra. Các kỹ sư thiết kế nên tập trung vào các vấn đề sau và các biện pháp giảm thiểu liên quan.
2.1.1 Hướng dòng và vận tốc tiếp cận
Nguy cơ xói lở có thể tồn tại nếu dòng tiếp cận xác định không thẳng hàng với trục của cống. Căn chỉnh tim cống sao cho trùng với trục của dòng tiếp cận sẽ giúp giảm thiểu xói lở tại cửa vào cống. Khi không thể căn chỉnh cống theo dòng, và dòng được điều chỉnh để uốn cong vào cống, xói lở có thể xảy ra tại đoạn cong của dòng. Có thể cần sử dụng biện pháp bảo vệ mái (xem Lagasse et al., 2001).
Tại lưu lượng thiết kế, nước thường sẽ dâng lên ở cửa vào cống và dòng chảy sẽ tăng tốc trong một đoạn ngắn. Sự gia tăng vận tốc đáng kể chỉ kéo dài về phía thượng lưu ở khoảng cách bằng chiều cao của cửa vào cống. Vận tốc gần cửa vào có thể được ước lượng bằng cách chia lưu lượng dòng chảy cho diện tích mặt cắt của cửa cống. Nguy cơ xói lở của dòng chảy nên được đánh giá dựa trên vận tốc tiếp cận trung bình này. Biện pháp bảo vệ cần đủ hiệu quả với lưu lượng thấp hơn lưu lượng thiết kế cực đại. Vì depth of ponding (độ sâu vùng trũng) ở cửa vào ít hơn với lưu lượng nhỏ nên vận tốc lớn hơn có thể xảy ra. Điều này đặc biệt đúng với các dòng suối có độ dốc lớn nơi vận tốc cao chiếm ưu thế.
2.1.2 Depressed Inlets (Cửa vào hạ thấp)
Đáy cống đôi khi được đặt thấp hơn cao trình tự nhiên của dòng suối để tăng dung lượng thân cống hoặc để đáp ứng yêu cầu đắp phủ tối thiểu. Hydraulic Design Series No. 5 (HDS 5) (Normann et al., 2001) thảo luận lợi ích của việc hạ thấp đáy cống hoặc toàn bộ cửa vào để tăng dung lượng thân cống. Tuy nhiên, việc hạ thấp này có thể dẫn đến suy thoái dần lòng kênh phía thượng lưu trừ khi có biện pháp bảo vệ vật liệu tự nhiên hoặc lòng kênh.
Độ hạ thấp của đáy cống từ 0,30 hoặc 0,61 m (1 đến 2 ft) thường đủ để đảm bảo đắp phủ tối thiểu và có thể dễ dàng thực hiện bằng cách điều chỉnh apron bê tông (sân cống thượng lưu). Việc hạ thấp có thể được thực hiện theo hai cách. Một bậc dốc thẳng đứng có thể được xây tại mép thượng lưu của apron, từ tường cánh bên này sang bên kia. Khi cần tránh độ dốc lớn, apron có thể được thi công nghiêng để giảm hoặc loại bỏ mặt đứng.
Cần thận trọng khi cố gắng đạt được lợi ích từ việc hạ thấp cửa vào vì cần phải đặt đường đáy cửa ra thấp hơn lòng kênh. Đặt toàn bộ đáy cống thấp hơn lòng kênh có thể gây ra vấn đề bồi lắng.
2.1.3 Tường đầu và tường cánh
Việc đặt cống lùi vào trong mái đắp và giữ đất đắp bằng cách sử dụng một tường đầu song song với đường hoặc bằng một tường đầu ngắn kèm theo tường cánh không gây ra vấn đề xói lở đáng kể. Loại thiết kế này làm giảm chiều dài cống và cải thiện thẩm mỹ của đường bằng cách tạo ra các đầu cống phù hợp với dốc mái đắp. Một tường đầu thẳng đứng song song với vai đường đắp và không có tường cánh nên có chiều dài đủ để phần đắp tại các đầu tường đầu không chặn cửa vào cống. Thông thường, việc bảo vệ bằng lớp lát đá (riprap) ở vị trí này là không cần thiết nếu độ dốc đủ thoải để duy trì ổn định khi ướt (bão hòa).
Tường đầu tại cửa vào (có hoặc không có tường cánh) không cần phải cao đến cao trình thiết kế tối đa của mực nước phía thượng lưu. Với cửa vào và phần dốc phía trên tường đầu bị ngập, vận tốc dòng chảy dọc theo mái dốc là thấp. Ngay cả với đất dễ bị xói mòn, lớp phủ thực vật thường là đủ để bảo vệ khu vực này.
Tường cánh mở loe theo trục cống thường được sử dụng và hiệu quả hơn so với tường cánh song song. Ảnh hưởng của các vị trí lắp đặt tường cánh khác nhau đến khả năng thoát nước của cống được thảo luận trong HDS 5 (Normann et al., 2001). Việc sử dụng góc mở tối thiểu hợp lý cho tường cánh có lợi thế là làm giảm diện tích cửa vào cần bảo vệ chống xói lở. Góc mở của tường cánh đối với loại cống cụ thể nên phù hợp với khuyến nghị trong HDS 5.
Nếu vận tốc dòng chảy gần cửa vào cho thấy có khả năng xói lở đe dọa sự ổn định của móng tường cánh, cần phải cung cấp biện pháp bảo vệ chống xói. Một apron bê tông giữa các tường cánh là phương pháp hiệu quả nhất để cung cấp sự bảo vệ này. Tấm apron này còn có lợi thế là có thể được gia cố cốt thép và để cùng làm việc với tường cánh (về mặt kết cấu).
2.1.4 Sự hư hỏng cửa vào và thân cống
Hầu hết các sự cố cửa vào được báo cáo xảy ra ở các cống ống loại mềm, kích thước lớn, với cửa vào kiểu nhô ra hoặc cắt vát không có tường đầu hoặc các biện pháp bảo vệ cửa vào khác. Các đầu ống kim loại gợn sóng, được cắt để phù hợp với độ dốc mái đắp, gần như không chống chịu được sự uốn cong hoặc oằn vênh. Khi đất xung quanh cửa vào bị xói lở hoặc bão hòa, cửa vào cống có thể bị ảnh hưởng bởi lực nổi. Các mảnh vụn bị kẹt và điều kiện dòng chảy bị thu hẹp tại cửa vào có thể gây ra áp lực nổi và áp lực thủy tĩnh tại các cạnh cửa vào cống – những lực này tuy khó dự đoán nhưng có ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định của cửa vào.
Để hỗ trợ ngăn ngừa các sự cố loại này, các biện pháp bảo vệ nên bao gồm tường đầu bê tông toàn phần hoặc một phần và/hoặc lát mái dốc. Lớp lát đá (riprap) có thể được dùng để bảo vệ mái đắp, nhưng chỉ có các cấu trúc cửa vào bê tông được neo cố định vào ống cống mới có thể bảo vệ hiệu quả trước hiện tượng nổi. Các đoạn cấu kiện bê tông đúc sẵn hoặc kim loại có thể được sử dụng thay cho các kết cấu cửa vào như mô tả. Các đoạn kim loại cho ống cống lớn hơn 1350 mm (54 in) chiều cao phải được neo chặt để tăng khả năng chống hư hỏng.
Sự hư hỏng tại cửa vào là mối quan tâm chính, nhưng cũng có các dạng hư hỏng khác xảy ra. Hiện tượng thấm nước dọc theo thân cống đã gây ra hiện tượng rò rỉ dòng hoặc cuốn trôi vật liệu đắp. Áp lực thủy tĩnh từ dòng thấm hoặc dòng chảy bên dưới thân cống đã làm oằn phần đáy của các ống cống vòm bằng kim loại gợn sóng lớn. Việc đầm nén tốt lớp vật liệu lấp là điều thiết yếu để giảm thiểu các dạng hư hỏng này. Khi đất có tính xói cao, cần sử dụng lớp lót và lớp đắp không thấm nước tại một đoạn ngắn ở cửa vào cống. Các biện pháp bảo vệ bổ sung có thể bao gồm việc đặt vòng chắn (cutoff collars) dọc theo thân cống hoặc sử dụng hệ thống tiêu thoát đặc biệt.
2.2 Nguy cơ xói lở tại cửa ra cống
Xói lở tại cửa ra cống là hiện tượng phổ biến. Việc xác định nguy cơ xói cục bộ và mức độ dễ xói của lòng kênh nên là quy trình tiêu chuẩn trong thiết kế tất cả các công trình giao thông. Chương 3 cung cấp các quy trình xác định vận tốc tại cửa ra cống, đây sẽ là chỉ số chính để đánh giá tiềm năng xói lở.
2.2.1 Xói cục bộ (local scour)
Xói cục bộ là kết quả của dòng chảy có vận tốc cao tại cửa ra cống, nhưng ảnh hưởng của nó chỉ kéo dài một đoạn ngắn về phía hạ lưu khi vận tốc chuyển dần sang điều kiện kênh tự nhiên. Vận tốc dòng trong kênh tự nhiên hầu như luôn nhỏ hơn vận tốc tại cửa ra cống vì diện tích mặt cắt của kênh, bao gồm cả vùng tràn, thường lớn hơn diện tích miệng cống. Dòng chảy sẽ nhanh chóng điều chỉnh theo đặc điểm của kênh.
Cống dài, thân trơn đặt trên độ dốc lớn sẽ tạo ra vận tốc cao nhất. Những trường hợp này chắc chắn cần bảo vệ lòng kênh tại hầu hết các vị trí. Tuy nhiên, cũng cần bảo vệ đối với các cống có độ dốc vừa phải. Với các cống chảy đầy, vận tốc tại cửa ra có thể là vận tốc tới hạn khi mực nước hạ lưu thấp và là vận tốc đầy ống khi mực nước hạ lưu cao. Khi lưu lượng rời khỏi cống ở độ sâu tới hạn, vận tốc thường sẽ nằm trong khoảng 3 đến 6 m/s (10 đến 20 ft/s). Việc ước lượng xói cục bộ tại cửa ra cống là một chủ đề quan trọng được thảo luận chi tiết hơn trong Chương 5.
Một biện pháp giảm thiểu thông thường cho các cống nhỏ là cung cấp ít nhất một lớp bảo vệ tối thiểu (xem Riprap Apron tại cửa ra trong Chương 10), sau đó kiểm tra lòng kênh sau các cơn bão lớn để xác định xem có cần tăng cường hoặc mở rộng biện pháp bảo vệ không. Theo quy trình này, biện pháp bảo vệ ban đầu chống xói lở lòng kênh nên đủ để đảm bảo không xảy ra hư hại nghiêm trọng chỉ sau một trận lũ. Với các cống lớn hơn, kỹ sư thiết kế nên cân nhắc ước tính kích thước của hố xói theo quy trình trong Chương 5.
2.2.2 Suy thoái lòng kênh
Cống thường được xây dựng tại các vị trí băng qua các dòng chảy nhỏ, trong đó nhiều dòng đang bị xói và làm dốc thêm lòng kênh. Sự xói mòn hoặc suy thoái lòng kênh này có thể diễn ra một cách khá đều theo thời gian dọc theo một đoạn dài của dòng chảy, hoặc có thể xảy ra đột ngột với hiện tượng lún dần ngược lên phía thượng lưu sau mỗi lần lũ. Loại thứ hai, được gọi là hiện tượng headcutting, có thể được phát hiện qua khảo sát địa hình hoặc qua các đợt kiểm tra định kỳ sau khi công trình được hoàn thành. Thông tin liên quan đến mức độ bất ổn của kênh thoát là phần quan trọng trong việc đánh giá địa điểm xây dựng cống.
Nếu tồn tại nguy cơ đáng kể ảnh hưởng đến sự ổn định lâu dài của kênh, cần có các biện pháp bảo vệ được đưa vào thiết kế ban đầu. HEC 20 – Stream Stability At HighWay Structures (Lagasse et al., 2001) (ổn định dòng chảy tại chỗ gia với công trình đường) cung cấp các quy trình đánh giá ổn định kênh theo phương ngang và phương thẳng đứng.
2.2.3 Xử lý đầu cống tiêu chuẩn
Thông lệ tiêu chuẩn là sử dụng cùng một kiểu xử lý đầu cống tại cả cửa vào và cửa ra. Tuy nhiên, cửa vào có thể được thiết kế nhằm tăng dung lượng cống hoặc giảm tổn thất cột nước, trong khi cấu trúc tại cửa ra nên đảm bảo chuyển tiếp dòng chảy êm trở lại kênh tự nhiên hoặc vào cấu trúc tiêu năng.
Các đoạn chuyển tiếp tại cửa ra nên phân phối lại hoặc lan tỏa dòng chảy một cách đồng đều mà không gây tách dòng quá mức hay rối loạn dòng chảy. Do đó, có thể không thể đồng thời thỏa mãn yêu cầu của cả cửa vào và cửa ra bằng cùng một kiểu xử lý hoặc thiết kế đầu cống.
Như sẽ được minh họa trong Chương 4, các đoạn chuyển tiếp cửa ra được thiết kế đúng cách là yếu tố then chốt cho việc thiết kế thiết bị tiêu năng hiệu quả. Trong một số trường hợp, chúng thậm chí có thể làm giảm đáng kể hoặc loại bỏ nhu cầu sử dụng các biện pháp xử lý đầu cống khác.