Tổng quan các thực hành khi áp dụng mô hình thủy lực 2D

1.1 Cơ sở quy định

TechBrief này sẽ giúp các DOT cấp bang tuân thủ các quy định của FHWA nằm trong Bộ Quy định Liên bang-Code of Federal Regulations (CFR), Title 23, Highways (23 CFR). FHWA yêu cầu dự án phải tuân thủ 23 CFR và các quy định khác thì mới đủ điều kiện nhận hỗ trợ từ liên bang hoặc được FHWA tham gia/hỗ trợ [23 CFR 1.36].

Các quy định FHWA sau đây áp dụng cho các dự án đường bộ và các hoạt động tương tác với và trong phạm vi sông, kênh rạch và vùng ngập lũ (tóm lược ngắn gọn):

23 CFR Phần 625 – Tiêu chuẩn thiết kế
a. Các dự án thuộc National Highway System (NHS) phải tuân theo các quy định về thủy văn, thủy lực và xói lở (scour) trong AASHTO LRFD Bridge Design Specifications [23 CFR 625.3(a)(1) và 23 CFR 625.4(b)(5)].
b. Các dự án không thuộc NHS phải tuân theo các tiêu chuẩn/quy cách về thoát nước đường bộ và/hoặc cầu của DOT cấp bang [23 CFR 625.3(a)(2)].

23 CFR Phần 650, Tiểu phần A – Vị trí và thiết kế thủy lực đối với các công trình lấn chiếm trên vùng ngập lũ
a. Tiêu chuẩn thiết kế thủy lực [23 CFR 650.115]. Quy định này áp dụng cho tất cả các dự án có hỗ trợ liên bang, dù thuộc NHS hay không. Không cơ quan nào ở cấp liên bang, bang, địa phương, cũng như tiêu chuẩn AASHTO, được phép thay đổi hay thay thế các tiêu chuẩn tại 23 CFR 650.115. Tiêu chuẩn này yêu cầu phải lập một “Nghiên cứu Thiết kế (Design Study)” cho mỗi hành động có liên quan đến một công trình lấn chiếm [23 CFR 650.115(a)].
b. Nội dung của nghiên cứu thiết kế [§650.117]. Quy định này yêu cầu các nghiên cứu phải bao gồm dữ liệu thủy văn và thủy lực cũng như các tính toán thiết kế [23 CFR 650.117(b)]. Vì các yếu tố và đặc trưng thủy văn–thủy lực có thể dẫn đến hình thành xói lở (scour), nên các dữ liệu và tính toán như vậy phải xem xét đến xói lở khi cần. Các mặt cắt dự án phải thể hiện cao độ của lũ cơ sở (ví dụ lũ 100 năm) và lũ tràn [23 CFR 650.117(c)]. Việc có một quy trình chính thức và ngôn ngữ chuẩn để mô tả cách nghiên cứu thiết kế áp dụng các mô hình 2D sẽ giúp DOT cấp bang chứng minh tuân thủ các quy định này.

1.2 Tổng quan về các mô hình thủy lực

Mục này mô tả ngắn gọn các mô hình và công tác mô hình hóa thủy lực, quá trình phát triển thực hành và các công cụ mô hình hóa tiên tiến, đồng thời xác định một số mô hình được sử dụng trong mô hình thủy lực giao thông vận tải. Thực hành này phổ biến rộng rãi và không chỉ giới hạn ở các mô hình thủy lực do Cơ quan Quản lý Tình trạng Khẩn cấp Liên bang (FEMA) chứng nhận.

1.2.1 Mô hình thủy lực là gì?

Các mô hình thủy lực thường dùng các tiếp cận (và giả thiết) dựa trên vật lý để dự đoán đặc trưng của nước trong môi trường sông ngòi hoặc ven biển. Chúng có thể ở dạng mô hình vật lý hoặc mô hình số (máy tính). Trong khuôn khổ TechBrief này, chúng tôi quan tâm đến nhóm mô hình số dùng để mô phỏng cao độ mặt nước, độ sâu, vận tốc, tải trọng và các biến khác gắn với một lưu lượng/điều kiện dòng chảy được chọn tại những vị trí cụ thể dọc theo và trong lòng tuyến thủy đạo.

Khi mô tả mô hình thủy lực, thực hành mô hình hóa sử dụng phạm vi không gian (tính “chiều”) để đặc tả tính chất của thông tin đầu vào và đầu ra. Ví dụ, như minh họa ở Hình 1, mô hình thủy lực một chiều (1D) giả định rằng một chuỗi mặt cắt đại diện cho hình học kênh theo phương ngang (tức là từ bờ này sang bờ kia) của một thủy đạo. Với mỗi mặt cắt, mô hình 1D tính các tham số thủy lực (ví dụ vận tốc, độ sâu, v.v.) và sử dụng định luật bảo toàn năng lượng cùng các giả thiết bổ sung để liên hệ các tham số này từ mặt cắt này sang mặt cắt kế tiếp.

Thông thường, mô hình 1D không xét đến các tham số có hướng (hay vectơ) quan trọng như động lượng. Các tham số chủ yếu là vô hướng hoặc, tốt nhất, đối với vectơ vận tốc thì được giả định tác dụng theo phương vuông góc với mặt cắt. Cụ thể, trong mô hình 1D, mỗi mặt cắt được gán một giá trị vận tốc duy nhất, giả định tác dụng vuông góc với mặt cắt đó. Tương tự, mô hình 1D thường giả định cao độ mặt nước không đổi trên toàn bộ mặt cắt. Trên thực tế, vận tốc và cao độ mặt nước thay đổi theo bề ngang của một mặt cắt.

Mô hình 2D thay thế các mặt cắt bằng một chuỗi điểm (hay nút) liên kết với nhau tạo thành grid/mesh. Mô hình 2D có thể dùng hàng nghìn đến hàng chục nghìn nút để xác định hình học của tuyến thủy đạo, với toàn bộ mesh bao phủ khu vực cần nghiên cứu (Hình 2).
Ưu điểm là cấu hình mesh cho phép mô hình 2D xác định vận tốc, độ sâu, động lượng, tải (lực tác dụng) và các tham số thủy lực khác tại từng nút cụ thể. Ở mỗi nút còn có các đại lượng vectơ của vận tốc, động lượng và tải.

Ngoài ra, kích thước phần tử của mesh có thể thay đổi, cho phép mức độ chi tiết cao hơn (vùng mesh dày hơn) tại các khu vực quan tâm riêng (ví dụ gần trụ cầu). Nhìn chung, việc dùng mesh 2D giúp tránh phải đưa ra nhiều giả định vốn có của mô hình 1D, nhờ đó biểu diễn tốt hơn các hiện tượng vật lý thực tế tại hiện trường.

1.2.3 Mô hình thủy lực nâng cao

Thực hành mô hình hóa có thể áp dụng các phần mềm mô hình thủy lực 2D hiện có, giao diện đồ họa và các nguồn lực hỗ trợ vào thiết kế hạ tầng nhằm cải thiện hiểu biết về các tương tác phức tạp giữa môi trường sông hoặc ven biển với tài sản giao thông. Những tiến bộ gần đây về phần cứng máy tính, phần mềm mô hình, Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) và thực hành khảo sát đã giúp mô hình 2D trở nên rất hiệu quả, hiệu lực và dễ tiếp cận đối với kỹ sư và nhà thiết kế.

Do mô hình 2D tránh được nhiều giả định hạn chế vốn phải dùng trong mô hình 1D, kết quả có thể cải thiện đáng kể khả năng của các cơ quan đường bộ trong việc thiết kế các công trình trên tuyến thủy đạo an toàn hơn, hiệu quả chi phí hơn và có tính chống chịu cao hơn.

Ngoài ra, các công cụ mô hình này có năng lực trực quan hóa ba chiều (3D), hỗ trợ truyền đạt kết quả và các hàm ý thiết kế tới nhiều bên liên quan thông qua đầu ra đồ họa trực quan và giàu hình ảnh. Các công cụ này cũng cho phép trực quan hóa hiệu quả các mô phỏng biến thiên theo thời gian, như những mô phỏng do thủy triều thiên văn hoặc thủy đồ dòng chảy do mưa dẫn động.

Các mô hình thủy lực 3D toàn không gian đã được sử dụng cho một số dự án giao thông. Các mô hình này dùng động lực học chất lưu tính toán (CFD) để xét đến và tính toán thông tin thủy lực trong toàn miền không gian (tức các mặt phẳng x-y-z). Nói cách khác, các mô hình này không chỉ tính vận tốc tại mỗi nút mà còn tính phân bố vận tốc theo từng độ sâu gắn với nút đó. Tuy nhiên, việc áp dụng các mô hình như vậy hiện vẫn cần siêu máy tính để hoàn tất khối lượng tính toán khổng lồ.

1.2.4 Các mô hình thủy lực

Bảng 1 liệt kê một phần các mô hình đang (hoặc đã từng) được sử dụng trong thực hành mô hình thủy lực cho lĩnh vực giao thông. Trong thực tế, người ta thường gọi một mô hình thủy lực bằng chữ viết tắt, vì vậy bảng cung cấp cả chữ viết tắt lẫn tên đầy đủ. Bảng 1 cũng phân loại từng mô hình là 1D, 2D hoặc là sự kết hợp của các cách tiếp cận này.

Không phải mọi mô hình nêu trong Bảng 1 hiện vẫn còn được sử dụng rộng rãi (hoặc thậm chí còn sẵn có). Tuy nhiên, như sẽ thấy ở các phần sau, sổ tay thoát nước và sổ tay thiết kế của DOT cấp bang có thể vẫn tham chiếu đến chúng. Do đó, đưa chúng vào Bảng 1 giúp cung cấp bối cảnh cho các phần rà soát đó.

Bảng 1. Một số mô hình thủy lực.

Acronym	Name (commentary)	Type
BRI-STAR	BRIdge Stream Tube Model for Alluvial River Simulation (Mô hình ống dòng chảy qua cầu để mô phỏng sông bồi tích).	1D
FLO-2D	FLO-2D (Phát triển cho FEMA).	2D
FESWM	Finite Element Surface Water Model (Mô hình nước mặt phần tử hữu hạn).	2D
FST2DH	Flow and Sediment Transport model – 2D (Mô hình dòng chảy và vận chuyển bùn cát/trầm tích – 2D).	2D
HEC-RAS	Hydrologic Engineering Center (HEC), River Analysis System (Hệ thống Phân tích Sông do U.S. Army Corps of Engineers (USACE) phát triển; mô hình thủy lực được dùng phổ biến nhất tại Hoa Kỳ).	1D 2D
HEC-2	Hydrologic Engineering Center, program number 2, Water Surface Profiles (Chương trình số 2 của HEC – Water Surface Profiles; tiền thân của HEC-RAS, do USACE phát triển).	1D
RMA-2	Resource Management Associates (Mô hình 2D do Waterways Experiment Station phát triển cho USACE).	2D
SRH-2D	Sedimentation and River Hydraulics – 2D (Do U.S. Bureau of Reclamation phát triển).	2D
WSPRO	Water Surface PROfiles (Do U.S. Geological Survey – USGS phát triển).	1D

2. Rà soát & Kết quả

TechBrief đã rà soát bốn nhóm nguồn tài liệu liên quan đến mô hình thủy lực, đặc biệt là mô hình nâng cao và/hoặc 2D, bao gồm:

• Sổ tay của các DOT cấp bang
• Tài liệu của AASHTO
• Tài liệu của NCHRP
• Tài liệu của FHWA

Sổ tay DOT cấp bang gồm các tài liệu dựa trên các thẩm quyền được nêu tại 23 CFR 625.3(a)(2) (ví dụ: luật bang, quy định, chỉ thị, tiêu chuẩn an toàn, tiêu chuẩn thiết kế và tiêu chuẩn thi công). Thông thường, các tài liệu này bao gồm tiêu chuẩn và/hoặc quy cách thoát nước đường bộ và/hoặc cầu của DOT cấp bang. Một DOT cấp bang có thể có nhiều sổ tay áp dụng cho mô hình thủy lực.

Tài liệu AASHTO gồm các tài liệu được trích dẫn trực tiếp theo 23 CFR 625.3(a)(1) và 23 CFR 625.4(b)(5), hoặc được trích dẫn gián tiếp từ trong các tài liệu đó. Ví dụ: nhiều tài liệu AASHTO trích dẫn “Hydraulic Drainage Guidelines” (2007) và “AASHTO Drainage Manual” (2014) của AASHTO.

Tài liệu NCHRP được tìm kiếm với mục tiêu mô tả thực hành mô hình thủy lực hiện đại. Do nhiều đề tài nghiên cứu NCHRP có thể đã sử dụng mô hình trong quá trình nghiên cứu, phần rà soát đặc biệt tìm các dự án mô tả sự khác biệt giữa mô hình 1D và 2D.

Tài liệu FHWA bao gồm nhiều tài liệu kỹ thuật và tài liệu tham khảo như các Hydraulic Engineering Circulars (HEC), Hydraulic Design Series (HDS), cũng như các tài liệu EDC CHANGE.

Từ mỗi nguồn, bản rà soát cung cấp tóm lược thông tin liên quan, gồm các phát hiện và mọi nội dung tổng hợp.

2.1 DOT CẤP BANG

TechBrief đã rà soát 11 sổ tay thoát nước và/hoặc sổ tay thiết kế của các DOT cấp bang. Các bang này được chọn để đại diện cho sự đa dạng về địa lý và phản ánh phạm vi mức độ sử dụng mô hình 2D trong nội bộ mỗi bang. Kết quả cho thấy mức độ đề cập đến mô hình 2D trong các sổ tay thoát nước hoặc thủy lực của các bang rất khác nhau, và phần lớn phản ánh thời điểm gần nhất bang đó cập nhật sổ tay (mặc dù không phải lúc nào cũng vậy).
Bảng 2 liệt kê các sổ tay đã được rà soát, gồm tên và thời điểm phiên bản/sửa đổi gần nhất.

Bảng 2. Các sổ tay DOT cấp bang được rà soát.

State	Manual	Year
Arizona	Highway Drainage Design Manual: Hydraulics	2007 (January)
Arizona	Highway Drainage Design Manual: Volume 2 – Hydrology	2014 (January)
Arizona	Roadway Design Guidelines	2012 (2014 revisions)
California	Highway Design Manual	2006 (September) (revised 2015)
Colorado	CDOT Drainage Design Manual	2009 (September)
Georgia	Drainage Design for Highways	2018 (February)
Illinois	Illinois DOT Drainage Manual	2011 (July)
Mississippi	Roadway Design Manual	2001
Montana	Hydraulics Manual	1997
North Carolina	Guidelines for Drainage Studies and Hydraulic Design	2016 (November)
Pennsylvania	PennDOT Drainage Manual	2010
Texas	Hydraulic Design Manual	2016 (July)
Wisconsin	Wisconsin DOT Bridge Manual	2017 (January)

Một số sổ tay nêu đích danh các mô hình thủy lực 2D (bao gồm Arizona, California và Georgia). Một số sổ tay cũng chỉ rõ các mô hình 1D nay không còn sẵn hoặc không còn được sử dụng.

Rà soát cho thấy một số sổ tay chỉ bàn rất hạn chế về mô hình 1D so với 2D, nhưng có nhận định rằng mô hình 2D đòi hỏi nhiều hơn và/hoặc phức tạp hơn. Ở một vài trường hợp, sổ tay nêu rõ nhà thiết kế phải xin chấp thuận trước khi sử dụng mô hình thủy lực 2D.

Các đoạn tiếp theo (2.1.1 đến 2.1.11) tóm tắt ngắn gọn các nhận xét theo từng sổ tay bang. Khi trong các đoạn đó đề cập đến “guidance” (hướng dẫn) hoặc “policy” (chính sách), thì đó là của DOT bang tương ứng (tức không phải của FHWA).

2.1.1 Arizona

Arizona DOT (ADOT) có ba sổ tay có nhắc đến mô hình thủy lực 2D:

• Highway Drainage Design Manual: Hydraulics (2007). Tài liệu này đề cập mô hình 2D và nêu rằng việc sử dụng mô hình 2D phải được phê duyệt.
• Highway Drainage Design Manual: Volume 2 – Hydrology (2014). Có Chương (9) “Modeling Guidance for FLO-2D”.
• Roadway Design Guidelines (Mục 610 – Bridges) (2012, sửa đổi 2014). Tài liệu nêu: “Chương trình HEC-RAS của USACE phải được dùng để phân tích điều kiện thủy lực tại cầu.” Mục này cũng viện dẫn HEC-18 cho scour.

ADOT đã thí điểm các nghiên cứu mô hình 2D trong một số dự án và đang xây dựng hướng dẫn thủy lực 2D riêng. Dự định đây sẽ là hướng dẫn ngắn gọn (một trang) dạng “bắt đầu như thế nào”, có thể kèm sơ đồ luồng.

2.1.2 California

Highway Design Manual của California (2006, sửa đổi 2015) có một vài tham chiếu đến mô hình 2D:

• Chương 800 “General Topics” liệt kê HEC-RAS và FESWMS là các mô hình chấp nhận được để tính water surface profiles (Bảng 808.1).
• Chủ đề 821.5 “Effects of Tide, Storm Surge and Wind” nêu rằng “phân tích thống kê chi tiết và việc sử dụng các mô hình dòng không ổn định (unsteady), bao gồm mô hình hai chiều, là cách tiếp cận chính xác nhất để mô tả các tác động tổng hợp của các hiện tượng thủy triều, nước dâng do bão và các sự kiện khí tượng.”

2.1.3 Colorado

CDOT Drainage Design Manual (2009) của Colorado tham chiếu mô hình 2D như sau:

• Chương 10 “Bridges” có một mục về các chương trình máy tính phục vụ thiết kế thủy lực (mục 10.3.4) đề cập HEC-RAS, WSPRO, “2-dimensional modeling”, và BRI-STARS. Văn bản nêu rằng mô hình 2D phức tạp hơn mô hình 1D. Chương này cũng có các chỗ đề cập rời rạc khác về mô hình thủy lực 2D.

2.1.4 Georgia

Sổ tay Drainage Design for Highways (2018) của Georgia DOT (GDOT) đề cập mô hình 2D như sau:

• Chương 5 “Channels” có mục (5.3.4.7) “Special Analysis Techniques”. Tiểu mục (5.3.4.7.1) “Two-Dimensional Analysis” khuyến nghị dùng mô hình 2D cho các dòng chảy phức tạp và nêu cụ thể FESWMS và RMA-2. (Kỹ thuật phân tích đặc biệt còn lại là phân tích dòng không ổn định.)
• Chương 12 “Requirements for Hydraulic Design Studies – Contents”, Mục 12.2.6 “GDOT Acceptable Computer Models” liệt kê SRH-2D trong danh sách mô hình chấp nhận được.
• Chương 12, Mục 12.3.1 “Methods/Procedures – All Riverine Bridge Projects” nêu rằng việc sử dụng mô hình thủy lực 2D phải được phê duyệt.

2.1.5 Illinois

Sổ tay Thoát nước của Illinois DOT (2011) đề cập ngắn gọn đến mô hình 2D trong các chương:

• Chương 5 “Open Channel Flow” nhắc HEC-RAS,
• Chương 6 “Culvert Hydraulics” bàn về HEC-RAS,
• Chương 7 “Bridge Hydraulics” mô tả WSPRO và HEC-RAS là các phương pháp “được chấp nhận”,
• Chương 10 “Scour” bàn về HEC-RAS,
• Chương 11 “Scour Countermeasures” có nhắc mô hình 2D, và
• Chương 14 “Computer Software” liệt kê HEC-RAS và WSPRO.

2.1.6 Mississippi

Roadway Design Manual (2001) của Mississippi không đề cập mô hình kênh, cũng như mô hình 1D hay 2D. Tài liệu ghi rằng Bộ phận Thiết kế Cầu chịu trách nhiệm thiết kế thủy lực cho cầu, nhưng trong quá trình chuẩn bị TechBrief này không tìm thấy sổ tay thiết kế bao quát thiết kế thủy lực cho cầu. Bộ phận Thiết kế Đường bộ có thực hiện thiết kế thủy lực cho một số cầu, nhưng chỉ khi diện tích lưu vực thoát nước nhỏ hơn 1000 acres (~4,05 km²).

2.1.7 Montana

Hydraulics Manual (1997) của Montana là một loạt chương biên soạn từ AASHTO Drainage Manual. Chương 10 “Bridges” có thảo luận ngắn về mô hình 2D tại Mục 10.4.4 “Methodologies”, ghi nhận rằng mô hình 2D phức tạp hơn mô hình 1D. Chương 10 cũng có phần thảo luận ngắn về “WSPRO Modeling” (Mục 10.4.5).

2.1.8 North Carolina

Tài liệu Hướng dẫn Nghiên cứu Thoát nước và Thiết kế Thủy lực của North Carolina DOT (2016), Chương 8 “Bridges”, Mục 8.5 “Hydraulic Analysis” có nhắc đến mô hình 2D và quy định việc dùng mô hình 2D phải được Kỹ sư Thủy lực Bang phê duyệt. Mục này cũng nêu HEC-RAS là phần mềm 1D ưa dùng. HEC-RAS được nhắc xuyên suốt tài liệu.

2.1.9 Pennsylvania

PennDOT Drainage Manual (2010), Chương 10 “Bridge Hydraulics” có đề cập mô hình 2D và kết luận rằng trong phần lớn tình huống, việc dùng mô hình 2D không được biện minh.

2.1.10 Texas

Texas DOT Hydraulic Design Manual (2016), Chương 9 “Bridges” xem mô hình 2D là công việc đòi hỏi trình độ chuyên môn cao và nhiều thời gian. Phần 4 “Hydraulics of Bridge Openings” có một tiểu mục ngắn về “Two-Dimensional Techniques”.

2.1.11 Wisconsin

Wisconsin DOT Bridge Manual (2017) khuyến nghị dùng HEC-RAS và WSPRO tại Mục “8.3.2.5 Select Hydraulic Model Methodology”. Tài liệu cũng có các tham chiếu cụ thể đến hai mô hình này ở nhiều chỗ khác; không đề cập đến mô hình 2D.

2.2 TÀI LIỆU AASHTO

AASHTO Drainage Manual (ADM) (2014) cung cấp nội dung về các mô hình thủy văn và thủy lực, đặc biệt ở Tập 2, Chương 5 “Software”.

Mục 5.2.2.3, “Complex Floodplains (Two-Dimensional Flow)” viết:
Các kênh/sông tự nhiên không thể được biểu diễn đầy đủ chỉ bằng một loạt mặt cắt vuông góc với hướng dòng chảy giả định:
* khi không thể giả định vận tốc đều theo hướng dòng chảy, hoặc
* khi độ sâu và vận tốc biến thiên nhanh theo thời gian.
Trong các trường hợp này, floodplain (vùng ngập lũ) nên được phân tích bằng mô hình máy tính sử dụng nghiệm bậc cao.

Ngoài ra, ADM cũng nêu một số điều kiện áp dụng mô hình thủy lực 2D cho công trình cầu:

5.2.7.2 Phân tích dòng chảy 2D có cầu
Mô hình 2D mô phỏng dòng chảy theo hai phương: dọc và ngang, tại một chuỗi nút do người dùng xác định. Dòng theo phương thẳng đứng được giả định không đáng kể. Các mô hình này có thể xét đến dòng ngang do vận tốc bên và độ dốc mặt nước—những điều mà mô hình 1D không thể tính đến. Ví dụ các điều kiện như vậy gồm:
* cầu đặt xiên (skewed bridges),
* các băng qua floodplain có nhiều khẩu độ (multiple openings),
* phân nhánh kênh (channel bifurcation),
* dòng chảy quanh chỗ uốn cong của kênh, và
* dòng chảy quanh các cù lao/đảo trong kênh.

Các mô hình thủy lực 2D nâng cao (nêu tại Bảng 5-10 và bàn trong mục này) nên được xem xét cho các dự án lớn có mẫu hình dòng chảy phức tạp mà mô hình 1D không phân tích thỏa đáng. Ví dụ các tình huống nên cân nhắc 2D gồm:

• floodplain rộng với nhiều khẩu độ, đặc biệt trên đường đắp xiên;
• floodplain có biến thiên lớn về nhám hoặc hình học phức tạp (ví dụ: vùng dòng chảy không hiệu quả, dòng quanh đảo, nhiều lòng dẫn);
• các vị trí cần mẫu hình dòng chảy và vận tốc chính xác hơn để thiết kế giải pháp bảo vệ tốt hơn và hiệu quả chi phí (ví dụ: riprap dọc theo đường đắp, mố cầu); và
• các vị trí rủi ro cao hoặc nhạy cảm, nơi tổn thất và chi phí trách nhiệm pháp lý lớn.

ADM cũng cung cấp tóm lược về nhiều mô hình thủy văn và thủy lực được sử dụng trong thực tế.

AASHTO “Hydraulic Drainage Guidelines” (HDG) (2007) trong Chương 7 (Hydraulic Analysis for the Location and Design of Bridges) nêu:

Các phương pháp một chiều (step backwater) không đủ để phân tích định lượng cao độ mặt nước ở thượng lưu và hạ lưu tại những vị trí đường bộ bắc qua dòng chảy theo góc xiên. Mô hình phần tử hữu hạn và mô hình sai phân hữu hạn là các phương pháp hai chiều có thể áp dụng trong một số tình huống phức tạp.

Các mô hình này cho phép nhà thiết kế khảo sát cao độ mặt nước theo các mặt cắt ngang (thay vì chỉ theo trắc dọc) và xác định những vị trí có thể xuất hiện chênh lệch cột nước không mong muốn. Đây là các mô hình phức tạp hơn, đòi hỏi nhiều thông tin hiện trường và thời gian thực hiện dài hơn.

Tuy nhiên, HDG cũng lưu ý rằng vào thời điểm xuất bản (2007), mô hình 2D khó sử dụng hơn. Sáng kiến EDC CHANGE đã cho thấy các công cụ mô hình 2D đã cải thiện đáng kể, đến mức trong nhiều trường hợp, người thực hành có thể dùng mô hình và công cụ 2D dễ dàng tương tự như các mô hình 1D.

2.3 TÀI LIỆU NCHRP

Như đã nêu trước, nhiều dự án và nghiên cứu của NCHRP thường xuyên áp dụng mô hình 2D hoặc 3D như một phần của khảo sát hay nghiên cứu chuyên đề. Chẳng hạn, năm 2006 NCHRP công bố kết quả Đề án 24-24 “Criteria for Selecting Hydraulic Models” (2006), đưa ra mô tả và đánh giá độc lập, cập nhật về việc sử dụng các mô hình thủy lực. Tóm tắt báo cáo viết:

Báo cáo này ghi nhận và trình bày kết quả một nỗ lực nghiên cứu nhằm phát triển công cụ ra quyết định để lựa chọn mô hình thủy lực một chiều (1D) hay hai chiều (2D) khi xem xét dòng chảy qua các vị trí cầu vượt sông. Nghiên cứu bắt đầu bằng rà soát tài liệu và khảo sát thực hành hiện có để nhận diện và đặc trưng điều kiện hiện trường và yêu cầu thiết kế có thể ảnh hưởng đến lựa chọn mô hình. Từ danh sách các yếu tố ảnh hưởng đó, một loạt thí nghiệm “trên bàn” (desktop) được xây dựng để so sánh kết quả mô hình 1D và 2D trên một dải cấu hình khả dĩ rộng. Nghiên cứu cũng xem xét một số tiêu chí thiết kế nhằm đánh giá độ nhạy đối với sai số có thể có trong kết quả mô phỏng số. Từ các kết quả này, một công cụ quyết định dưới dạng ma trận quyết định đã được phát triển, kèm hướng dẫn áp dụng. Công cụ này đưa ra một quy trình chính thức để chọn mô hình thích hợp nhất cho một ứng dụng cụ thể, xét đến điều kiện hiện trường, yếu tố thiết kế, nguồn lực sẵn có và ràng buộc dự án.

Báo cáo chứng minh tính hữu ích của mô hình 2D trong nhiều tình huống nơi người thực hành phải cân nhắc tài sản hạ tầng giao thông và điều kiện thủy lực. Dự án (và báo cáo) còn xây dựng một phụ lục đồ sộ (576 trang), trình bày các kiểm định độ nhạy của mô hình 1D và 2D đối với nhiều bối cảnh thủy lực/giao thông, bao gồm: mô hình baseline, nhiều khẩu độ, cầu đặt trên khúc uốn sông, cầu gần hợp lưu, cầu có thu hẹp đáng kể, dòng tràn mặt (overtopping), đường đắp xiên (embankment skew), cầu bắc qua sông uốn khúc, floodplain bất đối xứng, và thủy lực thủy triều.

Kết quả của NCHRP 24-24 cho thấy tiềm năng của mô hình thủy lực 2D trong hầu hết các khía cạnh của thực hành giao thông và cung cấp thông tin cho nhiều bên (bao gồm FHWA) về tính phù hợp sử dụng—khi nào và ở đâu nên dùng.

2.4 TÀI LIỆU FHWA

FHWA có bề dày cung cấp các tài liệu kỹ thuật và tài liệu tham khảo phục vụ phân tích và thiết kế thủy lực cho đường thủy và cầu (thường dưới dạng các ấn phẩm HEC và HDS).
Chú thích: Một số DOT cấp bang lựa chọn đưa các tài liệu của FHWA này vào tiêu chuẩn và tài liệu của bang họ.

FHWA đã thúc đẩy nghiên cứu về mô hình 2D từ rất sớm, ngay năm 1977, bằng việc hỗ trợ một hội thảo và công bố “Báo cáo tóm tắt Hội thảo về các mô hình toán học hai chiều dùng trong các bài toán thủy lực” (1977). Kết luận của hội thảo bao gồm:

Các phương pháp hiện có để phân tích backwater tại cầu là một chiều, và việc xác định phân bố lưu lượng cũng như thiết kế khẩu độ cầu mang tính thực nghiệm cao. Trong tính toán backwater, người ta chỉ xét truyền dòng dọc và biến thiên cao độ mặt nước. Các phương pháp chọn phân bố dòng qua nhiều khẩu độ trong đường đắp và quy trình xác định backwater cầu dựa trên ngoại suy từ thí nghiệm phòng và kinh nghiệm thực tiễn. Rõ ràng cần có phương pháp phân tích và thiết kế cải tiến—không chỉ cho các bài toán thiết kế thường ngày mà còn để xử lý hiệu quả hơn các tác động thứ cấp và có thể sâu rộng hơn của các chương trình pháp lý và nhận thức cộng đồng về môi trường.

Đã tồn tại các mô hình toán học hai chiều có vẻ mang lại tiềm năng đáng kể để giải quyết các bài toán thủy lực đa chiều tại đường thủy qua cầu. Ngay cả một khảo sát sơ bộ cũng cho thấy vài mô hình hiện hữu đã được dùng thành công cho nhiều vấn đề khác và có thể ứng dụng ngay, quan trọng đối với các bài toán thủy lực mà kỹ sư đường bộ hiện đại đang đối mặt.

Rõ ràng, cách đây 40 năm, các nhà thực hành đã nhận ra những lưu ý và hạn chế của mô hình 1D và những cải thiện mà mô hình 2D mang lại cho kỹ thuật thủy lực.

Các mục tiếp theo cung cấp tổng quan nội dung của một số báo cáo và sổ tay của FHWA liên quan đến mô hình thủy lực 2D.

2.4.1 Highway Hydraulics State of Practices

Tháng 1/2012, FHWA công bố báo cáo Highway Hydraulics State of Practices (2012a) bao quát toàn bộ 50 DOT cấp bang, DOT Đặc khu Columbia và DOT Puerto Rico. Báo cáo tổng hợp kết quả một cuộc khảo sát (được Văn phòng Quản lý và Ngân sách – OMB phê duyệt) về các cách tiếp cận liên quan thủy văn–thủy lực, bao trùm mọi khía cạnh của thoát nước, cống, cầu, xói lở (scour) và các nội dung khác trong thực hành của DOT. Dữ liệu được thu thập trong khoảng 10/2009–01/2010.

Thông tin thu thập gồm phần mềm và thực hành mô hình của DOT, trong đó có việc sử dụng mô hình thủy lực 1D và 2D. Tại thời điểm đó, báo cáo cho thấy tất cả các DOT đều dùng mô hình 1D trong thực hành. Tuy nhiên, khoảng 35% DOT cũng báo cáo sử dụng một dạng mô hình 2D.

Sự phát triển rất nhanh của mô hình thủy lực 2D từ báo cáo năm 2012 đến nay khiến những suy luận hữu ích khác khó khả thi, ngoại trừ việc thiết lập đường chuẩn (baseline). Chẳng hạn, năm 2019, sáng kiến EDC CHANGE có 45 DOT cấp bang tham gia tích cực.

2.4.2 Hydraulic Design of Safe Bridges

Hydraulic Design Series (HDS) số 7 – Hydraulic Design of Safe Bridges (HDS 7) (2012b) là một trong những tài liệu của FHWA bàn chi tiết nhất về mô hình thủy lực 2D. Mục 4.2.1 1D versus 2D Modeling nêu rằng mô hình 2D thường phù hợp hơn mô hình 1D đối với các ứng dụng sau:

• Nhiều khẩu độ
• Floodplain rộng
• Hướng tuyến đường đặt xiên
• Dòng tràn qua mặt đường (road overtopping)
• Các yếu tố kiểm soát ở thượng lưu
• Khúc uốn, hợp lưu, góc tới của dòng chảy
• Nhiều lòng dẫn
• Điều kiện thủy triều và mô phỏng gió
• Phân bố dòng chảy tại cầu
• Thiết kế giải pháp bảo vệ/chống xói

Bảng 3 trích từ HDS-7 đưa ra hệ thống xếp hạng 4 mức để chọn loại mô hình theo tình huống. Chủ đề chính của bảng xếp hạng là mô hình 2D thường được đánh giá là “rất phù hợp” hoặc “có thể áp dụng” trong mọi tình huống; ngược lại, có những tình huống mô hình 1D “không phù hợp hoặc hầu như không dùng”.

HDS 7 cũng cung cấp nhiều thông tin về sử dụng mô hình 2D ở các chương/mục khác, gồm: “2D Bridge Hydraulic Analysis” (Chương 6), “2D Unsteady Flow Models” (Mục 7.9), và “Computing Scour: 2D Models” (Mục 8.4.2). Nhiều mục trong số này dựa vào thông tin từ DOT cấp bang hoặc NCHRP.

2.4.3 Coastal Modeling Primer (Sổ tay nhập môn mô hình hóa ven biển)

Sổ tay của FHWA “A Primer on Modeling in the Coastal Environment” (2017) giới thiệu các khái niệm về mô hình thủy động lực ven biển cho đội ngũ làm giao thông (nhà quy hoạch, nhà khoa học, kỹ sư, …). Thông tin trong Sổ tay có thể áp dụng để hiểu rõ hơn việc dùng mô hình số trong quy hoạch và thiết kế đường bộ ven biển.

Dựa trên kinh nghiệm của các DOT bang, Sổ tay giúp người đọc hiểu khi nào, vì sao và ở mức độ nào nên dùng mô hình ven biển trong quy hoạch và thiết kế đường cao tốc ven biển và cầu.

Để hỗ trợ điều đó, Sổ tay đưa ra khuyến nghị về thời điểm và vị trí sử dụng các mô hình thủy lực và thủy động lực, cũng như cách dùng chúng để xác định mức độ phụ thuộc của thủy lực cầu vào trận lũ thiết kế ở sông hoặc ven biển.

Từ kinh nghiệm của các DOT bang, AASHTO và những bên khác, Sổ tay cũng gợi ý khi nào nên mời chuyên gia kỹ thuật ven biển. Tuy không cung cấp trực tiếp mẫu phạm vi công việc, Sổ tay vẫn cho các chuyên gia giao thông bức tranh tổng quan về thông tin cần có để soạn phạm vi công việc và đề nghị dịch vụ tư vấn; trao đổi với tư vấn; và đánh giá cách tiếp cận mô hình cùng kết quả.

2.4.4 Sáng kiến EDC CHANGE

Các sáng kiến EDC CHANGE đã nằm trong cả chu kỳ EDC-4 (2017–2018) và EDC-5 hiện tại (2019–2020). Các kế hoạch triển khai (2017, 2019) và báo cáo mang lại nhiều thông tin/hàm ý hữu ích dựa trên tương tác với các DOT bang. Ban đầu, đánh giá đường chuẩn năm 2017 cho thấy 17 bang đã đạt mức trình diễn, đánh giá hoặc thể chế hóa việc triển khai CHANGE. Đến tháng 12/2018, con số này tăng lên 43 bang đạt các mức trình diễn, đánh giá hoặc thể chế hóa.

Bảng 3. Lựa chọn mô hình thủy lực cầu.

Điều kiện thủy lực tại cầu	1-D	2-D
Suối/nhánh nhỏ (Small streams)	🟢	⚪
Dòng chảy trong lòng kênh (In-channel flows)	🟢	⚪
Floodplain hẹp đến trung bình (Narrow to moderate-width floodplains)	🟢	⚪
Floodplain rộng (Wide floodplains)	⚪	🟢
Thu hẹp nhỏ trong floodplain (Minor floodplain constriction)	🟢	⚪
Độ nhám floodplain biến thiên mạnh (Highly variable floodplain roughness)	⚪	🟢
Lòng dẫn uốn khúc nhiều (Highly sinuous channels)	⚪	🟢
Nhiều khẩu độ trên đường đắp (Multiple embankment openings)	🟠	🟢
Nhiều khẩu độ nối tiếp không tương xứng (Unmatched multiple openings in series)	🟠	🟢
Hướng tuyến đường lệch nhỏ (<20°) (Low skew roadway alignment)	🟢	⚪
Hướng tuyến đường lệch vừa (>20° & <30°) (Moderately skewed roadway alignment)	⚪	🟢
Hướng tuyến đường lệch lớn (>30°) (Highly skewed roadway alignment)	❌	🟢
Phân tích chi tiết khúc uốn, hợp lưu & góc tới (Detailed analysis of bends, confluences and angle of attack)	❌	🟢
Nhiều lòng dẫn (Multiple channels)	⚪	🟢
Suối/sông nhỏ ở vùng thủy triều (Small tidal streams and rivers)	🟢	⚪
Đường thủy vùng thủy triều lớn & điều kiện chịu ảnh hưởng gió (Large tidal waterways and wind-influenced conditions)	❌	🟢
Phân bố dòng chảy chi tiết tại cầu (Detailed flow distribution at bridges)	⚪	🟢
Dòng tràn đáng kể qua mặt đường (Significant roadway overtopping)	⚪	🟢
Các yếu tố kiểm soát ở thượng lưu (Upstream controls)	❌	🟠
Thiết kế giải pháp bảo vệ/chống xói (Countermeasure design)	⚪	🟢

Chú giải ký hiệu
🟢 = phù hợp/ứng dụng chính (well suited or primary use)
⚪ = có thể áp dụng/ứng dụng thứ cấp (possible application or secondary use)
🟠 = có thể không phù hợp tùy ứng dụng (possibly unsuitable depending on application)
❌ = không phù hợp hoặc hiếm khi dùng (unsuitable or rarely used)

2.4.4 Các tài liệu FHWA khác

Quy định của FHWA 23 CFR 650, tiểu phần C – “National Bridge Inspection Standards” (NBIS) yêu cầu phải đánh giá xói lở (scour) tại cầu. Hydraulic Engineering Circular số 18 – Evaluating Scour at Bridges (HEC-18) (2012c) là tài liệu tham khảo kỹ thuật của FHWA để thực hiện việc này phù hợp với NBIS. HEC-18 ghi nhận và thảo luận cả mô hình 1D lẫn 2D. HEC-18 khuyến nghị dùng mô hình 2D cho các tình huống dòng chảy phức tạp và — với lập luận về độ chính xác cao hơn và khả năng giảm chi phí dự án — khuyến khích dùng 2D cho mọi trường hợp, trừ những vượt sông bằng cầu đơn giản nhất.

3. Tóm tắt và Tổng hợp các Phát hiện

Các sổ tay của DOT cấp bang, tài liệu của AASHTO, NCHRP, FHWA và những nguồn khác về mô hình hóa thủy lực cho đường thủy và cầu có mức độ đề cập rất đa dạng. Tuy vậy, các điểm chung thường gồm:

• Nhu cầu phê duyệt khi sử dụng mô hình 2D;
• Tính phù hợp kỹ thuật của việc sử dụng mô hình 2D;
• Tham chiếu đến tiêu chuẩn AASHTO, quy định FHWA và các tài liệu kỹ thuật/nguồn dùng chung khác.

Mức độ chi tiết dành cho mô hình 2D dao động từ chỉ nhắc ngắn gọn đến có hẳn một mục riêng. Nhìn chung, loại sổ tay có thông tin này trải từ sổ tay thiết kế đường bộ đến sổ tay thiết kế thủy lực.

Ngoài ra, như được ghi nhận trong Kế hoạch triển khai của sáng kiến CHANGE (2017, 2019), trình độ chuyên môn về mô hình 2D khác nhau đáng kể giữa (và trong) các DOT bang. Vì vậy, ngôn ngữ đề xuất nên đủ rộng để bao quát phạm vi kinh nghiệm đa dạng của các DOT bang, đồng thời tạo điều kiện thúc đẩy việc mở rộng sử dụng mô hình thủy lực 2D.

3.1 Tổng hợp các cách tiếp cận

Việc tổng hợp các tài liệu và thực hành của DOT bang cung cấp những mẫu (template) tiềm năng để đưa chính sách và ngôn ngữ kỹ thuật về mô hình 2D vào sổ tay phù hợp. Dựa trên các cách tiếp cận của DOT bang như một mẫu tham chiếu, TechBrief khuyến nghị mọi bổ sung đề xuất vào tài liệu/thực hành của bang nên chia thành hai nhóm: chính sách và kỹ thuật.

3.1.1 Mẫu ngôn ngữ chính sách (đề xuất)

Một mẫu ngôn ngữ chính sách cho mô hình thủy lực 2D có thể được xây dựng bằng cách tổng hợp ngôn ngữ/tài liệu của DOT bang, AASHTO, NCHRP và FHWA. Dựa trên thực hành của DOT bang, ngôn ngữ chính sách có thể cố gắng trả lời: Công cụ 2D là gì? Có thể dùng công cụ 2D cho dự án không? Ai được phép dùng?
Đoạn dưới đây có thể là tuyên bố định hướng tổng quát nhằm mở rộng việc sử dụng mô hình thủy lực 2D:

“Để hỗ trợ tuân thủ 23 CFR 650.117 (Nội dung của Nghiên cứu Thiết kế), [chèn tên DOT bang] công nhận rằng các mô hình hai chiều (2D) tạo ra các phép tính và dữ liệu phục vụ thiết kế và phân tích rủi ro. Mô hình 2D đạt được điều này bằng cách biểu diễn tuyến thủy đạo và tương tác của chúng với cầu hoặc các hạ tầng giao thông lấn chiếm tuyến thủy đạo toàn diện hơn so với mô hình một chiều (1D). Mô hình 2D cho phép biến thiên thực tế hơn của các biến chủ chốt, bao gồm vận tốc và cao độ mặt nước, theo phương ngang trên sông hay thủy vực khác, bên cạnh theo phương dọc. Sự biểu diễn cải thiện này dẫn tới các dự án tốt hơn, cho phép quản trị hiệu quả các nguồn lực dự án, bao gồm thời gian và ngân sách. [chèn tên DOT bang] khuyến khích sử dụng mô hình thủy lực 2D trong các tình huống phù hợp, tương thích với chuyên môn của nhân sự và nguồn lực dự án.”

3.1.2 Mẫu kỹ thuật (đề xuất)

Một tuyên bố kỹ thuật mô tả khi nào mô hình thủy lực 2D là phù hợp và cách nhóm thiết kế nên triển khai. Tuyên bố này nên dựa vào các nguồn có thẩm quyền như AASHTO, NCHRP hoặc FHWA. Do có nhiều mô hình 2D khả dụng, văn bản không nên buộc DOT cấp bang dùng công cụ cụ thể, mà cho phép họ tự lựa chọn mô hình. DOT cấp bang cũng cần sự linh hoạt để bao quát các tình huống mà việc dùng 2D phù hợp hơn với nhu cầu của dự án. Mẫu ngôn ngữ gợi ý như sau:

Tất cả các mô hình thủy lực số (1D và 2D) đều hàm chứa các giả định đơn giản hóa, yêu cầu các loại dữ liệu đầu vào nhất định và hoạt động trong những giới hạn triển khai cụ thể. Mục tiêu của mọi nghiên cứu mô hình thủy lực là mô phỏng điều kiện dòng chảy dự kiến chính xác nhất có thể trong các ràng buộc của dự án, đồng thời không vi phạm các giả định và không bỏ qua các giới hạn của mô hình. Vì vậy, cách tiếp cận mô hình nên được chọn chủ yếu dựa trên ưu điểm và hạn chế của nó, đồng thời cân nhắc tầm quan trọng của công trình, tương tác tiềm tàng với tuyến thủy đạo, chi phí và tiến độ. Do những lý do này, khuyến nghị sử dụng mô hình thủy lực 2D cho các tình huống sau [DOT bang chọn/thêm/bớt]:

• Floodplain rộng
• Độ nhám floodplain biến thiên mạnh
• Lòng dẫn uốn khúc nhiều
• Nhiều khẩu độ trên đường đắp
• Nhiều khẩu độ nối tiếp không tương xứng
• Hướng tuyến đường lệch vừa (>20° & <30°)
• Hướng tuyến đường lệch lớn (>30°)
• Khúc uốn và hợp lưu có thay đổi động lượng đáng kể
• Phân tích góc tới (angle of attack)
• Nhiều lòng dẫn
• Đường thủy vùng thủy triều lớn và điều kiện chịu ảnh hưởng gió
• Phân bố dòng chảy chi tiết và nhiều khẩu độ phức tạp tại vị trí cầu vượt sông
• Dòng tràn đáng kể qua mặt đường
• Các yếu tố kiểm soát ở thượng lưu
• Thiết kế giải pháp bảo vệ/chống xói (countermeasure design)

Việc sử dụng mô hình 2D trong tình huống phức tạp không loại trừ khả năng dùng các công cụ này cho tình huống đơn giản hơn khi nguồn lực và bối cảnh cho phép. [Chèn tên DOT bang] cho phép sử dụng các mô hình sau: [Danh sách mô hình] hoặc các mô hình khác được bang phê duyệt theo từng trường hợp cụ thể.

4. Tài liệu tham khảo

• AASHTO, 2007. Model Drainage Guidelines, Fourth Edition, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C. (Hướng dẫn mẫu về thoát nước, Ấn bản lần thứ 4).
• AASHTO, 2014. AASHTO Drainage Manual, First Edition, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C. (Sổ tay thoát nước AASHTO, Ấn bản đầu tiên).
• FHWA, 2012a. Highway Hydraulics State of Practices, FHWA Resource Center. January 2012. (Tổng quan thực hành thủy lực đường bộ).
• FHWA, 2012b. Hydraulic Design of Safe Bridges, FHWA-HIF-12-018, Hydraulic Design Series No. 7, First Edition, Washington, D.C. (Zevenbergen, L., L. Arneson, J. Hunt, and A. Miller). April 2012. (Thiết kế thủy lực cầu an toàn – HDS-7).
• FHWA, 2012c. Evaluating Scour at Bridges, Hydraulic Engineering Circular No. 18 (HEC-18), Fifth Edition, FHWA-HIF-12-003, FHWA, Washington, D.C. (Arneson, L., L. Zevenbergen, P. Lagasse, and P. Clopper). April 2012. (Đánh giá xói lở tại cầu – HEC-18, Ấn bản lần thứ 5).
• FHWA, 2017. A Primer on Modeling in the Coastal Environment, FHWA-HIF-18-002, FHWA, Washington, D.C. (Webb, Bret, et al.). December 2017. (Sổ tay nhập môn mô hình hóa trong môi trường ven biển).
• FHWA, 2017b. EDC-4 CHANGE Implementation Plan, FHWA, Washington, D.C. (chưa xuất bản).
• FHWA, 2019. EDC-5 CHANGE Implementation Plan, FHWA, Washington, D.C. (chưa xuất bản).
• New Hampshire DOT, 2018. Brattleboro Bridge Project, tài liệu & trao đổi nội bộ dự án (sử dụng với sự cho phép của NHDOT).
• Office of the Federal Register, 2019. Code of Federal Regulations, Title 23 — Highways, U.S. Government Publishing Office, Washington, D.C. (Bộ Quy định Liên bang, Tiêu đề 23 — Đường cao tốc).

Hỗ trợ duy trì trang:

Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.

Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.

Qua USD (Buy Me a Coffee)

BIDV • STK: 3101226659 • HOANG HAI HA