View Categories

11 Các cân nhắc khác về thủy lực cầu

Mục lục

11.1 Lực thủy lực tác động lên các bộ phận của cầu

Kỹ sư thiết kế cầu phân tích sự ổn định của cầu dưới các điều kiện tải trọng khác nhau. Sông, suối và các vùng nước ven biển tạo ra lực đáng kể lên kết cấu cầu trong các trận lũ, dâng sóng hoặc tấn công của sóng. Các lực thủy lực có thể tác động lên cầu bao gồm lực thủy tĩnh, lực nổi, lực cản và lực sóng. Tác động bởi tàu thuyền và lực do các mảnh vỡ hoặc băng cũng liên quan chặt chẽ đến thủy lực. Kỹ sư thiết kế cầu cần thông tin từ kết quả phân tích thủy lực để đánh giá các lực thủy lực tác động lên các bộ phận của cầu.

Các kỹ sư thiết kế cầu thường tuân theo AASHTO LRFD Bridge Design Specifications ấn bản lần thứ 9 (sau đây gọi là LRFD Specifications) (AASHTO 2020), với một số sửa đổi riêng của từng bang, để đánh giá các lực và tải trọng tác động lên cầu. Phần này tóm tắt ngắn gọn các hướng dẫn của LRFD Specifications, cùng với thông tin và hiểu biết từ các tài liệu tham khảo khác.

11.1.1 Lực thủy tĩnh (Hydrostatic Force)

Trọng lượng của nước tạo ra áp suất thủy tĩnh theo mọi hướng. Giá trị áp suất là tích của chiều cao của nước phía trên điểm đang xét và trọng lượng riêng của nước. Do đó, áp suất lớn nhất tại điểm thấp nhất của một bộ phận bị ngập và bằng không tại cao trình mặt nước.

Lực thủy tĩnh tác động lên một bộ phận của cầu theo một hướng nhất định là tổng, hay tích phân, của tích giữa áp suất và diện tích bề mặt của bộ phận cầu chiếu theo mặt phẳng vuông góc với hướng của lực. Các lực thủy tĩnh ở một phía của cầu được cân bằng một phần hoặc toàn bộ bởi các lực thủy tĩnh đối diện ở phía bên kia. Bất kỳ sự mất cân bằng nào trong lực thủy tĩnh là do sự chênh lệch trong cao trình mặt nước. Việc thông báo cho kỹ sư thiết kế cầu về cao trình mặt nước ở thượng lưu và hạ lưu của cầu phục vụ cho thiết kế giúp họ đánh giá được lực thủy tĩnh.

11.1.2 Lực nổi (Buoyancy Force)

Lực nổi là một lực nâng tương đương với trọng lượng của nước bị chiếm chỗ bởi phần bị ngập của bất kỳ bộ phận nào của cầu. Nó có thể tạo ra mối đe dọa đối với một kết cấu cầu bị ngập nếu phần kết cấu trên bao gồm các khoảng trống lớn, khoang kín như trong dầm hộp hoặc nếu có túi khí hình thành bên dưới mặt cầu. Như được đề cập sau trong chương này, lực nổi cũng là một yếu tố khi đánh giá các lực liên quan đến sóng tác động lên mặt cầu. Nếu một trụ có khoang rỗng lớn, lực nổi tác động lên trụ có thể đáng kể. Việc thông báo cho kỹ sư thiết kế cầu về cao trình mặt nước ở thượng lưu và hạ lưu của cầu cho mục đích thiết kế giúp họ đánh giá được lực thủy tĩnh.

11.1.3 Áp lực dòng chảy lên trụ cầu (Stream Pressure on Piers)

LRFD Specifications sử dụng thuật ngữ “”stream pressure” (áp lực dòng chảy) cho áp lực liên quan đến lực cản tác dụng lên kết cấu do nước chảy. Để tính áp lực dòng chảy lên trụ cầu theo LRFD Specifications, người ta nhân bình phương vận tốc dòng chảy với hệ số cản. LRFD Specifications đưa ra cùng một biểu thức cho cả áp lực dòng chảy dọc và ngang tác động lên trụ cầu. Tài liệu này cung cấp một tập hợp các hệ số cản, phụ thuộc vào hình dạng của phần đầu trụ phía thượng lưu và việc có hay không có vật cản mắc vào trụ, để tính áp lực dọc. Nó cũng cung cấp một tập hợp thứ hai các hệ số cản, phụ thuộc vào góc xiên của dòng chảy, để tính áp lực ngang.

Kỹ sư thủy lực sẽ cung cấp cường độ và hướng của vận tốc dòng chảy địa phương tác động lên mỗi trụ trong sự kiện thiết kế, cũng như độ sâu dòng chảy và khả năng tích tụ vật cản, để kỹ sư thiết kế cầu có thể tính được áp lực dòng chảy lên các trụ.

11.1.4 Áp lực dòng chảy và lực nâng tác động lên kết cấu phần trên của cầu bị ngập nước

Thiết kế cầu thường đặt kết cấu phần trên (superstructure) cao hơn mực nước lũ thiết kế. Tuy nhiên, một số dự án có thể yêu cầu phân tích lực trong các kịch bản lũ làm ngập một phần hoặc toàn bộ kết cấu phần trên của cầu. Như được mô tả trong tài liệu Hydrodynamic Forces on Bridge Decks (FHWA 2009c), FHWA đã áp dụng mô hình vật lý và mô hình CFD để khảo sát các lực động học chất lỏng tác động lên mặt cầu bị ngập, cụ thể:

  • Lực cản tác động song song với hướng dòng chảy và có xu hướng đẩy phần trên của cầu ra khỏi trụ và mố cầu.
  • Lực nâng tác động theo phương thẳng đứng và có xu hướng nâng kết cấu phần trên.
  • Mô men lật phát sinh do lực phân bố không đều và có xu hướng làm quay phần trên của cầu quanh trọng tâm của nó.

Mô hình vật lý và mô hình CFD tập trung vào ba kiểu thiết kế kết cấu phần trên khác nhau: một kiểu với sáu dầm có gờ (flanged girders), một kiểu với ba dầm hình chữ nhật lớn hơn, và một kiểu thứ ba có hình dạng mặt cắt ngang khí động học cao. Hình 11.1 cho thấy kết quả CFD cho mô hình cầu có sáu dầm.

Hình 11.1. Biểu đồ kết quả CFD thể hiện hướng và độ lớn của vận tốc từ mô hình cầu có sáu dầm (nguồn: FHWA 2009c).

Tài liệu Hydrodynamic Forces on Bridge Decks (FHWA 2009c) cung cấp các phương trình để xác định hệ số cản, hệ số lực nâng và hệ số mô men như là các hàm của tỷ lệ ngập đối với từng loại kết cấu phần trên. Kỹ sư thiết kế cầu có thể sử dụng các phương trình trong báo cáo này để đánh giá sự ổn định của cầu trong các trận lũ lớn có thể làm ngập phần kết cấu trên.

Kỹ sư thiết kế cầu cần một số thông tin từ phân tích thủy lực để xác định các lực, bao gồm cao trình mặt nước, độ sâu và vận tốc ở thượng lưu của cầu. Người ta có thể điều chỉnh hệ số cản để phù hợp với kiểu kết cấu phần trên của cầu khác với thiết kế cầu có sáu dầm hoặc ba dầm.

11.1.5 Lực sóng

Chương 8 trình bày ngắn gọn các cân nhắc cho cầu trong môi trường ven biển và đề cập đến sóng cũng như các tác động tiềm năng của chúng lên cầu. Sóng va vào kết cấu phần trên của cầu gây ra lực tác động cả theo phương ngang và phương thẳng đứng. Độ lớn của các lực này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm mực thủy triều, triều cường, và đặc tính của sóng dự kiến. Tài liệu Guide Specifications for Bridges Vulnerable to Coastal Storms (AASHTO 2008) cung cấp hướng dẫn thiết kế cầu chịu tác động của lực sóng trong môi trường ven biển. HEC-25 (FHWA 2020) giới thiệu một phương pháp thay thế để ước tính tải trọng sóng lên mặt cầu. Kỹ sư thiết kế cầu khi ước tính tải trọng sóng cần có một số thông tin từ kỹ sư ven biển về thủy lực triều và điều kiện sóng, cụ thể:

  • Chiều cao sóng cực đại có thể xảy ra trong sự kiện thiết kế.
  • Chiều dài sóng.
  • Chu kỳ sóng.
  • Chiều dài vùng gió thổi tới (fetch) nơi sóng có thể hình thành.
  • Cao trình mặt nước tại cầu trong điều kiện triều bão thiết kế, bao gồm cả tác động của gió địa phương nếu có.
  • Cao trình đáy sông tại vị trí cầu.
  • Vận tốc dòng chảy hiện tại từ mô hình thủy động học cho sự kiện thiết kế.

Các mô hình thủy động học cung cấp chiều cao sóng, vận tốc dòng chảy và đặc tính sóng cho mỗi sự kiện thiết kế được xem xét. Trong trường hợp không sử dụng mô hình số, tài liệu Coastal Engineering Manual (2002) cung cấp các phương pháp thực nghiệm để tính chiều cao sóng. Đặc tính của sóng phụ thuộc vào tốc độ gió, thời gian và hướng gió, chiều dài vùng gió thổi tới, độ sâu nước tại cầu, và độ sâu nước trên vùng fetch.

11.1.6 Ảnh hưởng của vật cản (debris)

Việc tích tụ vật cản trên cầu có thể làm gia tăng đáng kể các lực thủy lực tác động lên trụ cầu và kết cấu phần trên. LRFD Specifications (AASHTO 2020) cung cấp hướng dẫn về việc đưa khả năng xuất hiện vật cản vào tính toán áp lực dòng chảy bằng cách gán hệ số cản và ước lượng diện tích tiết diện ngang bị chắn bởi vật cản.

Một dự án nghiên cứu của NCHRP đã sử dụng mô hình vật lý để khảo sát lực của vật cản tác động lên cầu. Báo cáo mang tên Design Specifications for Debris Forces on Highway Bridges (NCHRP 2000), khuyến nghị đánh giá riêng biệt lực cản và lực thủy tĩnh do vật cản gây ra. Để đánh giá lực cản, báo cáo cung cấp các đường bao (envelope curves) và bảng để hỗ trợ việc xác định hệ số cản đối với vật cản trên trụ cầu và kết cấu phần trên. Hệ số cản là một hàm của mức độ chắn dòng do vật cản và số Froude trong mặt cắt bị thu hẹp (kênh thoát nước dưới cầu). Báo cáo cũng cung cấp hướng dẫn quan trọng về việc chọn vận tốc tham chiếu để sử dụng trong tính toán lực cản hoặc áp lực dòng chảy. Sự chênh lệch cao trình mặt nước từ phía thượng lưu đến phía hạ lưu của vùng tích tụ vật cản là yếu tố quan trọng trong tính toán lực thủy tĩnh.

Một nghiên cứu khác của NCHRP sử dụng quan sát hiện trường, cơ sở dữ liệu hình ảnh và mô hình vật lý mở rộng để khảo sát ảnh hưởng của vật cản đến xói trụ cầu. Báo cáo kết quả mang tên Effects of Debris on Bridge Pier Scour (NCHRP 2010c) cung cấp hướng dẫn chi tiết trong việc ước lượng kích thước tiềm năng của vật cản làm chắn dòng, đưa vật cản vào mô hình 1D và 2D, và tính toán chiều rộng trụ hiệu dụng để dùng trong tính toán xói trụ dựa trên kích thước vật cản ước lượng. Khi khả năng tích tụ vật cản trên cầu là đáng kể, kỹ sư thủy lực sẽ cung cấp cho kỹ sư thiết kế cầu các ước lượng về kích thước và vận tốc tham chiếu của vùng chắn dòng do vật cản. Kỹ sư thủy lực cũng nên đề xuất hệ số cản phù hợp cho vật cản, dựa trên báo cáo của NCHRP.

11.1.7 Ảnh hưởng của băng

Khi băng tích tụ tại cầu và hình thành tắc băng, có thể xảy ra các vấn đề nghiêm trọng. Một số hậu quả tiêu cực bao gồm xói cầu và xói bờ, ngay cả khi lưu lượng dòng chảy thấp. Tắc băng cũng gây ra lực ngang đáng kể lên cầu. Tương tự vật cản, tắc băng làm gia tăng áp lực dòng chảy bằng cách tăng diện tích tiếp xúc với áp lực. Một lượng lớn nước dâng (backwater) thường đi kèm với tắc băng, làm tăng lực thủy tĩnh. Mực nước tích tụ do băng ảnh hưởng đáng kể đến tính toán ổn định của cầu. LRFD Specifications cung cấp một phần thảo luận chi tiết về đánh giá lực do băng gây ra.

Nhóm thiết kế nên thực hiện khảo sát tại chỗ để đánh giá liệu tắc băng có liên quan hay không. Nếu có, kỹ sư thủy lực sẽ phát triển thông tin thủy văn và thủy lực để hỗ trợ kỹ sư thiết kế cầu trong việc đánh giá lực do băng. Ví dụ, có thể có lợi khi xác định các tháng trong năm mà tắc băng có khả năng xảy ra nhất. Dữ liệu mực nước sẽ được nghiên cứu để đánh giá khả năng gây ngập trong những tháng có khả năng xảy ra tắc băng cao nhất, và để xác định lưu lượng bảo thủ hợp lý dùng trong đánh giá mực băng có thể ảnh hưởng đến cầu. Khảo sát thực địa có thể phát hiện bằng chứng về phạm vi cao trình hình thành tắc băng. Transportation Association of Canada đã công bố tài liệu Guide to Bridge Hydraulics (TAC 2004), bao gồm thông tin về việc ước lượng độ cao và độ dày của tắc băng. USGS và South Dakota Department of Transportation đã thực hiện nghiên cứu thực địa để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến lực băng tại một số cầu ở South Dakota (SDDOT 2002), tập trung vào độ dày băng lớn nhất và cường độ nén băng. Báo cáo nghiên cứu cung cấp các phương trình để ước lượng độ dày băng cho thiết kế cầu tại South Dakota.

Băng cũng có thể gây ra các lực khác lên cầu ngoài việc làm tăng áp lực dòng chảy và lực thủy tĩnh như đã nêu. Các khối băng lớn trôi va vào trụ cầu có thể tạo ra lực tác động đáng kể. Các mảng băng lớn có thể bị giãn nở nhiệt, tạo ra áp lực ngang lên cầu. Băng bám vào kết cấu cầu trong thời kỳ mực nước dâng cũng có thể gây ra lực nâng. Kỹ sư thủy lực có thể hỗ trợ kỹ sư thiết kế cầu đánh giá phạm vi lực nước liên quan đến các hiện tượng này.

11.1.8 Va chạm tàu thuyền

Khả năng xảy ra va chạm từ tàu thuyền là một yếu tố cần xem xét trong thiết kế cầu vượt qua các tuyến đường thủy. Thiết kế cầu, nếu khả thi, cần giảm thiểu xác suất xảy ra va chạm tàu thuyền. Các biện pháp khuyến nghị bao gồm: bố trí khoảng không đứng phù hợp phía trên mặt nước, đặt trụ cầu càng xa luồng tàu thuyền càng tốt, và tránh đặt trụ tại các khúc cong của tuyến luồng. Việc điều khiển các tàu lớn và sà lan tại khúc cong rất khó khăn, đặc biệt trong dòng chảy có vận tốc lớn. Việc đặt một hay nhiều trụ cầu gần một khúc cong trong tuyến đường thủy có vận tốc cao và lưu lượng tàu thuyền lớn làm tăng đáng kể nguy cơ xảy ra va chạm.

Sau khi đã thực hiện các biện pháp phòng ngừa thích hợp trong việc xác định vị trí cầu và các trụ cầu, vẫn cần xem xét khả năng xảy ra va chạm tàu thuyền. Loại tàu cần được xem xét phụ thuộc vào đặc điểm của tuyến đường thủy và lưu lượng tàu thuyền thông thường. AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (AASHTO 2020) và AASHTO Guide Specifications and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges (AASHTO 2010) mô tả các phương pháp lựa chọn loại tàu thiết kế thích hợp và đánh giá xác suất va chạm. Kỹ sư thiết kế cầu thường đánh giá nhiều hơn một kịch bản va chạm tàu.

Một kịch bản tiềm năng được nêu trong AASHTO LRFD Specifications là trường hợp một sà lan rỗng bị đứt neo và va vào trụ cầu trong điều kiện lũ 100 năm. Điều kiện lũ bao gồm một nửa độ xói dài hạn (xói do suy giảm lòng dẫn dài hạn) và một nửa xói đặc trưng do lũ (xói do thu hẹp và xói trụ) trùng với thời điểm tàu đâm vào trụ. Kỹ sư thủy lực cung cấp cho kỹ sư thiết kế cầu vận tốc lũ 100 năm, hướng dòng chảy, độ sâu, cao trình mặt nước, suy giảm dài hạn và tổng độ xói để đánh giá chính xác lực va chạm. Vận tốc yêu cầu là vận tốc cục bộ tác động lên trụ cụ thể. Thông thường nên sử dụng cùng một vận tốc, hướng dòng và độ sâu được dùng trong tính toán xói khi cung cấp thông tin để đánh giá lực va chạm tàu trong điều kiện lũ.

Một trường hợp thường được xem xét khác là một tàu đầy tải di chuyển dọc theo tuyến luồng và đâm vào cầu trong điều kiện thủy văn bình thường. AASHTO LRFD Specifications nêu rằng vận tốc và mực nước thích hợp trong kịch bản này là những giá trị tương ứng với điều kiện trung bình hàng năm, kết hợp với một nửa độ xói dài hạn ước lượng. Nếu có dữ liệu dòng chảy, có thể sử dụng giá trị trung bình của lưu lượng ngày để đại diện cho điều kiện trung bình hàng năm. Trong vùng thủy triều, có thể thích hợp hơn khi chọn một hay nhiều mực triều cụ thể, như mực nước cao trung bình, để đại diện cho điều kiện thông thường của đường thủy.

Trụ cầu nằm gần cảng biển hoặc tuyến vận chuyển lớn có khả năng chịu các lực va chạm tàu không dễ dàng tính đến trong thiết kế kết cấu cầu. Trong những trường hợp như vậy, người ta thường bổ sung các cấu trúc bảo vệ riêng biệt gọi là dolphins, có hoặc không có hệ thống chắn va, để ngăn tàu đâm vào cầu. Tuy nhiên, các cấu trúc dolphins này có thể làm tăng nguy cơ xói tại trụ cầu mà chúng bảo vệ, điều này đòi hỏi phải phân tích thủy lực cẩn thận ngay từ giai đoạn thiết kế.

11.2 Thiết kế thoát nước mặt cầu

11.2.1 Mục tiêu của thiết kế thoát nước mặt cầu

Thiết kế hệ thống thoát nước mặt cầu hợp lý góp phần bảo vệ an toàn công cộng, hỗ trợ dòng xe lưu thông hiệu quả và ngăn ngừa hoặc giảm thiểu hư hỏng do nước gây ra cho cầu. Các biện pháp thiết kế liên quan bao gồm sử dụng độ dốc ngang và độ dốc dọc phù hợp trên mặt cầu, cùng với các thiết bị như hố thu, lỗ xả nước, và ống thoát nước. Mặc dù các mối quan tâm và phương pháp thiết kế tương đồng với thiết kế thoát nước mặt đường, vẫn tồn tại những khác biệt đáng kể do các hạn chế vật lý và hình học trong việc lắp đặt hệ thống thoát nước trên cầu.

Tài liệu HEC-21 của FHWA Design of Bridge Deck Drainage (FHWA 1993) cung cấp thông tin chi tiết hỗ trợ thiết kế hệ thống thoát nước mặt cầu. Phần này tóm tắt ngắn gọn các cân nhắc thiết kế đối với hệ thống thoát nước mặt cầu, dựa nhiều vào tài liệu HEC-21.

11.2.2 Các yếu tố cần xem xét khi thiết kế thoát nước mặt cầu

Giảm chiều rộng lan tràn và độ sâu dòng chảy:

Nước mưa tràn lan vào các làn xe trên mặt cầu gây ra rủi ro an toàn và làm giảm chất lượng phục vụ giao thông. Khi dòng chảy tràn vào làn xe và đủ sâu, có thể gây hiện tượng trượt nước (hydroplaning) – một tình trạng cực kỳ nguy hiểm khi lớp nước mỏng ngăn cách giữa lốp xe và mặt đường. Chiều rộng lan tràn (spread width) và độ sâu dòng chảy đều phụ thuộc vào lưu lượng nước mưa chảy tràn, chiều rộng làn lề, độ dốc ngang của mặt cầu và độ dốc dọc của cầu. Hình 11.2 là hình cắt minh họa khái niệm về chiều rộng lan tràn.

Hình 11.2. Bản phác minh họa chiều rộng lan tràn (spread width) trong thoát nước mặt cầu.

Thiết kế có thể giảm chiều rộng lan tràn quá mức bằng cách loại bỏ một phần hoặc toàn bộ lượng nước tràn trên mặt cầu. Các loại hố thu hoặc lỗ xả nước khác nhau có thể loại bỏ dòng chảy. Tuy nhiên, việc xử lý lượng nước này từ mặt cầu đi kèm với nhiều thách thức và yếu tố cần cân nhắc, như được mô tả trong phần sau. Để giữ chiều rộng và độ sâu lan tràn dưới mức không chấp nhận được, có thể cần nhiều hố thu hoặc lỗ xả nước. Các cầu ngắn hơn hoặc có độ dốc lớn hơn có thể không cần đặt hố thu dọc theo mặt cầu để đạt chiều rộng lan tràn hợp lý. Tài liệu HEC-21 (FHWA 1993) mô tả phương pháp và cung cấp công thức xác định khoảng cách giữa các hố thu trên cầu.

Hầu hết các cơ quan giao thông đều đặt ra tiêu chí thiết kế về chiều rộng lan tràn tối đa cho phép ứng với trận mưa thiết kế. Phân loại tuyến đường, lưu lượng giao thông và tốc độ thiết kế là các yếu tố trong việc xác định tiêu chí chiều rộng lan tràn. Yêu cầu phổ biến cho các tuyến đường tốc độ cao, lưu lượng lớn là chiều rộng lan tràn do trận mưa thiết kế không được tràn sang làn xe mà chỉ nằm trong phần lề đường.

Chuyển tiếp độ dốc ngang (Superelevation Transitions):

Chuyển tiếp độ dốc ngang trên mặt cầu có thể gây khó khăn cho thiết kế thoát nước. Các vấn đề có thể xảy ra gồm:

  • Dòng chảy thoát ra khỏi rãnh thoát nước ở một bên đường và chảy sang bên kia.
  • Võng trong biên dạng rãnh thoát nước, gây đọng nước.
  • Độ dốc ngang cục bộ bị phẳng làm lan rộng dòng chảy quá mức.

Nếu thiết kế mặt cầu có đoạn chuyển tiếp độ dốc ngang, kỹ sư có thể cần giảm thiểu các vấn đề tiềm tàng bằng cách đặt một hoặc nhiều hố thu hoặc lỗ xả ngay phía trên đoạn chuyển tiếp.

Bảo vệ mái đường tại hai đầu cầu (Protecting Road Embankments at Bridge Ends):

Xói lở thường xảy ra tại các mái đường gần đầu cầu do kiểm soát không hiệu quả nước thoát mặt cầu. Thiết kế hợp lý giúp giảm thiểu vấn đề này bằng cách dẫn nước an toàn đến chân mái đường mà không gây xói lở. HEC-21 khuyến nghị thu dòng chảy tại rãnh bằng các hố thu đặt trên tuyến đường tiếp cận ở cả hai đầu cầu. Thiết kế sẽ dẫn dòng nước đã thu bằng ống đến chân mái hoặc hệ thống thoát nước mưa hiện hữu. Thiết kế cũng có thể cho phép một phần dòng chảy vượt qua hố thu nếu vỉa bó có đủ chiều dài và cao độ để dẫn dòng đến hố thu kế tiếp hoặc vị trí xả được bảo vệ, giúp bảo vệ mái đường khỏi bị xói.

Giảm hư hại do thoát nước tại khe nối cầu (Minimizing Drainage-Related Damage at Bridge Joints):

Nước thấm qua mặt cầu tại các khe nối có thể gây ăn mòn dầm, gối cầu và kết cấu dưới. Vì vậy, một số cơ quan giao thông yêu cầu đặt hố thu trên mặt cầu để thu nước trước khi chảy qua khe nối ở cuối cầu, ngay cả khi không có hố thu nào khác. Khả năng thu nước của một hố thu duy nhất trên mặt cầu thường rất hạn chế. Do đó, lợi ích chính của hố thu tại cuối cầu là thu nước thấm nhỏ (từ mưa nhỏ, tuyết tan), chứ không phải nước từ các trận mưa lớn.

Cường độ mưa thiết kế cho thoát nước mặt cầu (Design Rainfall Intensity for Bridge Deck Drainage):

Lưu lượng thoát nước thiết kế trên mặt cầu phụ thuộc trực tiếp vào cường độ mưa ngắn hạn — tức là lượng mưa lớn xảy ra trong thời gian ngắn (thường dưới 10 phút). Cơ quan giao thông thường sử dụng tiêu chí về chiều rộng lan tràn và bảo vệ mái đường tại cầu tương ứng với chu kỳ lặp lại của mưa (AEP) đã chọn. Giá trị AEP 10% (mưa có xác suất xảy ra 10% mỗi năm) thường được dùng làm tiêu chuẩn thiết kế cho các tuyến đường có lưu lượng trung bình đến cao. HEC-22 (FHWA 2009b) cung cấp thông tin hỗ trợ trong việc chọn tần suất mưa thiết kế cho thoát nước mặt cầu.

11.2.3 Các yếu tố thực tiễn trong thiết kế hố thu và hệ thống thoát nước mặt cầu

Giới hạn kích thước của hố thu mặt cầu:

Các loại hố thu sử dụng cho mặt đường thông thường thường không phù hợp cho mặt cầu do cấu trúc của mặt cầu không cho phép bố trí các kết cấu lớn. Trong hệ thống thoát nước mặt đường, nước thường chảy vào một hố mở dài trên lề hoặc song chắn rãnh, dẫn vào một bể thu lớn bằng bê tông và được xả ra ngoài bằng ống hoặc hệ thống thoát nước mưa.

Hố thu mặt cầu thường phải có kích thước nhỏ hơn trên bề mặt cầu. Các hố thu lớn có thể gây ra nhiều khó khăn trong thiết kế và thi công cốt thép mặt cầu. Hố thu mặt cầu thường có dạng hình chữ nhật hoặc tròn bằng gang, cho phép nước mưa chảy vào các buồng thu nhỏ, được cấu tạo từ bê tông đúc sẵn, gang dẻo hoặc thép hàn. Tài liệu HEC-21 cung cấp các hình minh họa về nhiều kiểu cấu hình hố thu tiêu chuẩn và giải thích các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng thu nước của chúng.

Các song chắn hố thu có thanh song song với hướng xe chạy là hiệu quả thủy lực nhất. Tuy nhiên, nhiều cầu mới và cầu mở rộng có làn xe đạp yêu cầu loại song chắn an toàn cho xe đạp — loại này có thanh chắn vuông góc với hướng xe chạy. Song chắn hướng chéo (vane grates) được nghiêng hoặc uốn cong về phía dòng chảy đến và có thể làm cho các song chắn kiểu vuông góc hiệu quả hơn.

Xử lý dòng chảy đã được thu (Handling Intercepted Runoff):

Nước thoát ra từ mặt cầu sau khi được thu sẽ chảy qua lỗ xả đứng (vertical scupper) hoặc đi vào hệ thống thoát nước dưới mặt cầu (underdeck drainage system). Một lỗ xả đứng có thể thải nước trực tiếp xuống không trung dưới cầu hoặc dẫn xuống mặt đất qua ống đứng gắn trên trụ cầu. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, việc xả nước trực tiếp vào nguồn tiếp nhận dưới cầu bị cấm do các quy định về chất lượng nước mưa. Khi đó, kỹ sư có thể thiết kế hệ thống thoát nước dưới mặt cầu để dẫn nước thu được đến hệ thống thoát nước mưa hoặc công trình xử lý nước mưa thích hợp. Các tuyến đường, đường sắt, khu dân cư, thương mại hoặc công nghiệp nằm dưới cầu cũng có thể khiến việc xả trực tiếp từ mặt cầu trở nên không chấp nhận được.

Hệ thống thoát nước dưới mặt cầu thường gây khó khăn cho thi công, bảo trì và thẩm mỹ của cầu. Chúng khó làm sạch, và các ống thường dễ vỡ. Vì vậy, thực hành phổ biến là tránh sử dụng hệ thống này trừ khi điều kiện hoặc quy định yêu cầu. Khi không thể tránh, nên thiết kế hệ thống thoát nước dưới mặt cầu càng ngắn càng tốt. Ống dùng trong hệ thống này thường làm từ gang dẻo, PVC hoặc sợi thủy tinh và có kích thước nhỏ hơn các ống thoát nước ngầm thông thường. Hình 11.3 là ảnh chụp một hệ thống thoát nước dưới mặt cầu được lắp đặt bằng ống sợi thủy tinh.

Hình 11.3. Hệ thống thoát nước dưới cầu.

Tác động đến chất lượng nước của nguồn tiếp nhận (Water Quality Impacts on Receiving Waters):

Khi cầu bắc qua các tuyến sông rộng, thiết kế có thể cần tránh gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng nước. Khi khu vực có môi trường nhạy cảm, các quy định chất lượng nước của bang thường cấm xả trực tiếp nước mưa từ mặt cầu vào dòng chảy. Trong những trường hợp như vậy, thiết kế cần thu gom và dẫn dòng chảy đến một biện pháp xử lý chất lượng nước mưa phù hợp (stormwater quality mitigation feature), còn gọi là biện pháp quản lý nước mưa tốt nhất (BMP).

Báo cáo của NCHRP có tiêu đề Assessing the Impacts of Bridge Deck Runoff Contaminants in Receiving Waters là một tài liệu hữu ích nhằm xác định, đánh giá và quản lý các vấn đề liên quan đến chất lượng nước do nước chảy tràn từ mặt cầu (NCHRP 2002). Một báo cáo gần đây hơn của NCHRP – Bridge Stormwater Runoff Analysis and Treatment Options (NCHRP 2014) – trình bày quy trình phân tích nhằm xác định các chiến lược quản lý nước mưa. Một trong các chiến lược xử lý được mô tả là giải quyết vấn đề bằng cách xử lý một đoạn mặt đường có diện tích tương đương và cùng chảy về nguồn tiếp nhận.

Tính đến tháng 12 năm 2022, NCHRP đang thực hiện nghiên cứu mang tên Development of On-Bridge Stormwater Treatment Practices, mã số NCHRP 25-61. Nghiên cứu này nhằm phát triển các biện pháp xử lý nước mưa thực tiễn ngay trên cầu, đồng thời cung cấp thông tin về lựa chọn, thiết kế, bố trí và bảo trì các biện pháp đó.

Các yếu tố bảo trì (Maintenance Considerations):

Hố thu mặt cầu thường bị tắc nghẽn bởi rác, ngay cả trong điều kiện tốt nhất. Thiết kế lý tưởng là giữ rác ở trên hoặc ngay mặt cầu và tại các vị trí dễ tiếp cận, an toàn cho đội bảo trì. Cách tiếp cận này giúp giảm công sức bảo trì và nâng cao hiệu quả của hệ thống thoát nước mặt cầu. Nên bố trí hố thu ở mép ngoài của làn lề và thiết kế làn lề càng rộng càng tốt. Hố thu đặt trong làn xe là không phù hợp, trừ khi lưu lượng xe hiện tại và dự kiến rất thấp.

Thu nước từ phía thượng lưu (Upslope Interception):

Các đoạn trước đã mô tả nhiều thách thức trong việc xử lý lượng nước lớn chảy qua mặt cầu. Thực hành lý tưởng, nếu khả thi, là thu gần như toàn bộ lượng nước mặt đường bằng các hố thu đặt phía thượng lưu cầu. Cách làm này cho phép hệ thống thoát nước trên cầu chỉ cần xử lý lượng nước phát sinh ngay trên mặt cầu.

11.3 Các yếu tố cần xem xét trong điều kiện tạm thời khi thi công

Các dự án cầu thường cần các công trình tạm để đảm bảo khả năng thi công. Các ví dụ bao gồm nhưng không giới hạn ở:

  • Cầu tạm vượt sông để duy trì lưu thông.
  • Tuyến đường tạm vượt sông để duy trì lưu thông, bao gồm đắp tạm và một hoặc nhiều cống.
  • Cầu công vụ hoặc đường công vụ để thiết bị thi công tiếp cận công trình.
  • Đắp đất vào một phần lòng sông để chuyển hướng dòng quanh bãi thi công trụ, biện pháp chống xói, rọ đá tại mố cầu hoặc bờ sông.
  • Đập quây hoặc đê bao để ngăn dòng nước vào khu vực thi công.
  • Chuyển hướng dòng chảy qua hoặc xung quanh khu vực thi công bằng cách dẫn toàn bộ dòng vào ống.
  • Đê hoặc rào chắn bùn để giữ trầm tích bị xáo trộn trong khu vực thi công không trôi vào dòng chính.

Nhiều cơ quan giao thông quy định sự kiện thiết kế tối thiểu cho các đường tạm. Một yêu cầu phổ biến là sử dụng ít nhất sự kiện có xác suất vượt 50% hàng năm (AEP 50%) – tức trận lũ 2 năm – cho thiết kế đường vòng, với điều kiện đường vòng tồn tại dưới 1 năm. Cần đánh giá nguy cơ bị ngập tại đường vòng tạm vì lý do an toàn. Phương trình dưới đây xác định xác suất vượt lũ của một sự kiện AEP nhất định trong một khoảng thời gian:

$$P = 1 – (1 – AEP)^n \tag{11.1}$$

trong đó:

  • P = xác suất vượt lũ trong thời gian thi công
  • n = thời gian thi công và tồn tại của đường vòng (năm)
  • AEP = xác suất vượt lũ hàng năm

Ví dụ: Dùng phương trình (11.1), ta xác định rằng trận lũ có AEP 20% (chu kỳ lặp lại 5 năm) có xác suất vượt 36% trong thời gian xây dựng 2 năm.

Các yếu tố cần cân nhắc khác có thể bao gồm:
– Dự phòng cao độ giữa mực nước thiết kế và mặt đường vòng
– Kế hoạch phản ứng khẩn cấp để đóng đường vòng khi mực nước dâng

Thiết kế đường tạm cho một sự kiện lũ cụ thể cũng nên bao gồm bảo vệ chống xói.

Các cầu công vụ, đường công vụ, công trình chuyển dòng hoặc đập quây — mặc dù không gây rủi ro trực tiếp cho người tham gia giao thông — cũng cần xem xét đến một sự kiện lũ thiết kế. Một trận lũ xảy ra trong quá trình thi công có thể phá hủy phần công trình đã thi công hoặc làm gián đoạn tiến độ dự án. Lý tưởng nhất, tài liệu hợp đồng nên quy định rõ bên nào chịu rủi ro do lũ đối với công việc, thiết bị thi công, tiến độ, v.v. Phương trình 11.1 có thể giúp hiểu mức độ rủi ro và tìm cách giảm thiểu nó.

Một số con sông có mùa lũ rõ rệt, ngoài thời gian đó thì khả năng xảy ra lũ lớn là rất thấp. Nhiều công trình tạm như đường vòng, đường công vụ, và các cơ sở khác thường chỉ tồn tại một phần thời gian trong năm. Thời gian thi công lý tưởng nên nằm ngoài mùa lũ đặc trưng của khu vực. Ví dụ, nếu lũ trên sông thường xảy ra vào tháng 5, 6 hoặc 7, và thi công diễn ra từ tháng 10 đến tháng 1, thì xác suất xảy ra trận lũ có AEP 50% trong thời gian thi công sẽ thấp hơn 50%. Nguy cơ này có thể được đánh giá với độ tin cậy cao nếu có dữ liệu lưu lượng dòng chảy hàng ngày từ trạm đo gần đó trong một khoảng thời gian đủ dài. Ngoài các yếu tố mùa vụ, kỹ sư cũng có thể sử dụng dữ liệu đo hàng ngày để xác định xác suất dòng chảy duy trì dưới một ngưỡng nhất định trong một số ngày liên tiếp (xem ví dụ ở Hình 11.4).

Hình 11.4. Ví dụ về phân tích xác suất cho số ngày liên tiếp có lưu lượng dòng chảy thấp hơn một ngưỡng xác định (nguồn: Nhóm Thủy lực Quốc gia FHWA).

Một số cơ quan quản lý vùng ngập lũ giới hạn mức độ ảnh hưởng cho phép của các công trình tạm thời. Nhiều hạng mục tạm phục vụ thi công, nếu tồn tại trong thời điểm xảy ra trận lũ 100 năm, có thể làm tăng đường biểu diễn mực nước lũ. Cơ quan quản lý vùng ngập có thể yêu cầu lên kế hoạch thi công sao cho các công trình tạm không nằm trong lòng sông hoặc hành lang lũ trong mùa lũ. Họ cũng có thể yêu cầu nhà thầu chứng minh khả năng và sự sẵn sàng tháo dỡ nhanh chóng các hạng mục tạm ra khỏi lòng sông nếu xuất hiện lũ vượt ngưỡng nhất định.