8 Ứng dụng ống kín – Thiết kế hệ thống thoát nước mưa (Storm Drain)

Mục lục hide

8.1 Phương pháp thiết kế

8.2 Thiết kế sơ bộ

8.2.1 Bố trí mặt bằng và mặt cắt dọc

8.2.2 Xác định kích thước ống

8.3 Tính toán đường thủy lực (HGL) Và đường năng lượng (EGL)

8.4 Tối ưu hóa hệ thống

8.5 Thiết kế hệ thống thoát nước mưa bằng phần mềm

Ví dụ 8.1

8.1 Phương pháp thiết kế

Thiết kế hệ thống thoát nước mưa (storm drain) không phải là một quy trình phức tạp, nhưng có thể bao gồm nhiều phép tính chi tiết, thường được thực hiện theo phương pháp lặp (iterative process).

Các bước chính trong thiết kế hệ thống thoát nước mưa bao gồm:

Thiết kế sơ bộ
Tính toán đường thủy lực (HGL) và đường năng lượng (EGL)
Điều chỉnh kích thước/vị trí cửa thu nước và kích thước/vị trí ống để khắc phục vấn đề HGL/EGL hoặc tối ưu hóa thiết kế

Các phần sau sẽ thảo luận ngắn gọn về từng thành phần chính trong quy trình thiết kế hệ thống thoát nước mưa.

Lưu ý rằng hồ điều tiết (detention ponds) thường là một phần quan trọng trong hệ thống thoát nước mưa. Việc lưu trữ tạm thời hoặc điều tiết/giữ lại (detention/retention) lượng nước mưa dư thừa có thể được sử dụng để kiểm soát chất lượng và/hoặc lưu lượng nước mưa thoát xuống hạ lưu.

Để tìm hiểu chi tiết về các công trình điều tiết và lưu giữ nước mưa, tham khảo HEC-22 (Brown et al., 2008).

8.2 Thiết kế sơ bộ

8.2.1 Bố trí mặt bằng và mặt cắt dọc

Bước đầu tiên trong thiết kế hệ thống thoát nước mưa là xây dựng bố cục sơ bộ, bao gồm vị trí cửa thu nước, hố ga và tuyến ống. Việc này thường được thực hiện trên bản đồ mặt bằng, thể hiện:

Đường giao thông, cầu, tình trạng sử dụng đất liền kề,
Các giao lộ, cầu vượt hoặc hầm chui,
Các công trình hạ tầng kỹ thuật như tiện ích mặt đất, tiện ích ngầm, và bất kỳ hệ thống thoát nước mưa nào khác.

Hướng tuyến của hệ thống thoát nước mưa trong phạm vi hành lang đường thường bị ảnh hưởng, thậm chí bị chi phối, bởi vị trí của các công trình hạ tầng kỹ thuật khác. Các công trình này (công cộng hoặc tư nhân) có thể gây cản trở hướng tuyến hoặc cao độ của hệ thống thoát nước mưa được đề xuất.

Thông thường, hệ thống thoát nước mưa nên được giữ gần bề mặt nhất có thể, với điều kiện đáp ứng được yêu cầu về độ đắp đất tối thiểu và thủy lực, nhằm giảm chi phí đào đất.

Một yếu tố khác ảnh hưởng đến vị trí tuyến ống là yêu cầu về giao thông, bao gồm việc đảm bảo lưu thông trong quá trình thi công và khả năng sử dụng đường tránh (detours) nếu cần.

Cân nhắc về tuyến ống cong

Việc sử dụng tuyến ống cong có thể mang lại hiệu quả kinh tế, đặc biệt đối với các ống có kích thước lớn, khi tổn thất cột áp là một vấn đề cần quan tâm.
Góc lệch tuyến được chia cho góc lệch cho phép tại mỗi mối nối để xác định số đoạn ống cần thiết để tạo thành đường cong mong muốn.

Bố trí tạm thời cửa thu nước, giao nối và hố ga

Các vị trí cửa thu nước, hố ga và giao nối nên được xác định dựa trên kinh nghiệm thực tế.
Vị trí và loại cửa thu nước được ước tính ban đầu sẽ là cơ sở để tính toán thủy văn và xác định kích thước ống, đồng thời sẽ được điều chỉnh trong quá trình thiết kế.
Cuối cùng, cửa thu nước phải được bố trí dựa trên tiêu chí về phạm vi lan rộng của nước (spread criteria) và/hoặc yêu cầu tại giao lộ.

Lưu ý: Tất cả dòng chảy tiếp cận giao lộ nên được thu gom trước khi vào giao lộ, vì rãnh thoát nước ngang (cross gutters) không phù hợp với đường giao thông

Việc tiếp cận hệ thống là cần thiết để kiểm tra và bảo trì hệ thống thoát nước mưa.

Đối với ống thoát nước có đường kính nhỏ hơn khoảng 1.2 m (48 in.), khoảng cách giữa các hố/giếng thăm nên khoảng 120 m (400 ft).
Đối với ống có kích thước lớn hơn, khoảng cách có thể lên đến 180 m (600 ft) hoặc hơn.

Các điểm nối (junctions) cũng cần được bố trí tại:

Điểm hợp lưu của hai hoặc nhiều tuyến ống thoát nước
Điểm thay đổi kích thước ống
Đoạn uốn cong gấp hoặc điểm gãy tuyến lớn hơn 10°
Đoạn thay đổi độ dốc đột ngột

8.2.2 Xác định kích thước ống

Sau khi có sơ đồ bố trí sơ bộ, có thể bắt đầu phân tích thủy văn và thủy lực để xác định kích thước hệ thống thoát nước mưa.

Quá trình tính toán này bắt đầu từ thượng lưu và làm việc xuống hạ lưu.
Ngược lại, các tính toán về đường thủy lực (HGL) và đường năng lượng (EGL) được trình bày trong Mục 8.3 sẽ bắt đầu từ hạ lưu và tính ngược lên thượng lưu.

Tính toán lưu lượng và xác định kích thước cửa thu nước:

Tính toán lưu lượng dòng chảy tại từng vị trí cửa thu nước và xác định kích thước cửa thu.
Do mỗi khu vực thoát nước chỉ có diện tích nhỏ, phương pháp Rational (Chương 2) thường được sử dụng.
Sau khi xác định lưu lượng tại mỗi cửa thu nước, cần xem xét tiêu chí phạm vi lan rộng (spread criteria) để điều chỉnh vị trí cửa thu nước nếu cần hoặc bổ sung thêm cửa thu.

Xác định kích thước ống nhánh và tuyến chính:

Ống nhánh được thiết kế dựa trên lưu lượng đã tính toán cho cửa thu nước.
Tuy nhiên, lưu lượng thiết kế cho tuyến chính không đơn giản là tổng lưu lượng tại từng cửa thu.

Lưu ý quan trọng:

Trong phương pháp Rational, cường độ mưa (rainfall intensity) phải được xác định dựa trên thời gian tập trung (time of concentration) dài nhất đến điểm thiết kế.
Do đó, lưu lượng thiết kế cho tuyến chính phải được tính toán dựa trên thời gian tập trung dài nhất từ các nhánh thượng lưu khác nhau, cùng với giá trị tích lũy C × A tương ứng.
Cách tiếp cận này đảm bảo thỏa mãn các giả định và điều kiện áp dụng của phương pháp Rational.

Sau khi có lưu lượng và độ dốc ống, kích thước ống sơ bộ được tính toán giả định dòng chảy đầy:

Độ dốc ống thường được xác định trong thiết kế sơ bộ dựa trên độ dốc mặt đường và yêu cầu tránh các công trình hạ tầng kỹ thuật khác hoặc các tuyến thoát nước mưa hiện có.
Khi kích thước ống tăng dần về hướng hạ lưu, thường nên căn chỉnh mép đỉnh (crown elevation) của ống, thay vì căn chỉnh theo đáy ống (invert elevation).
Một cách thiết kế tốt hơn là để đỉnh của ống hạ lưu giảm xuống đúng bằng tổn thất cột áp qua công trình.
Giảm cao độ đỉnh ống được khuyến nghị ngay cả khi kích thước ống không thay đổi.

Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, tổn thất cột áp qua các công trình (bao gồm hố ga) có thể được ước tính theo phương pháp xấp xỉ dựa trên Phương trình 7.6. Ngoài ra, một số bang tại Mỹ sử dụng mức giảm tiêu chuẩn cho mép đỉnh ống, thường là 0.03 m (0.10 ft).

Vận tốc tự làm sạch và tiêu chuẩn tần suất thiết kế:

Hệ thống thoát nước mưa nên được thiết kế để đảm bảo vận tốc dòng chảy tối thiểu 1 m/s (3 ft/s) khi ống đầy, nhằm tránh hiện tượng lắng đọng cặn bẩn trong ống (tự làm sạch).
Hầu hết các cơ quan quản lý đường cao tốc tại Mỹ sử dụng tần suất thiết kế 10 năm làm mức tối thiểu để thiết kế hệ thống thoát nước mưa.
Đối với các vị trí trũng (sag locations), cần kiểm tra với tần suất mưa 50 năm để đánh giá khả năng thoát nước trong điều kiện cực đoan.

Giới hạn về độ đắp đất tối thiểu và tối đa:

Giới hạn độ phủ tối thiểu cần được xem xét để đảm bảo độ ổn định kết cấu của ống dưới tác động của tải trọng trực tiếp và va đập.
Khi chiều cao lớp đất đắp trên ống tăng, tải trọng tĩnh (dead load) sẽ trở thành yếu tố chi phối trong thiết kế.
Đối với đường giao thông, nên duy trì độ phủ tối thiểu 0.9 m (3.0 ft) nếu có thể.
Nếu không thể đáp ứng tiêu chí này, cần đánh giá lại hệ thống thoát nước để xác định xem ống có thể chịu được các tải trọng tác động hay không.

8.3 Tính toán đường thủy lực (HGL) Và đường năng lượng (EGL)

Việc tính toán đường năng lượng (EGL) và đường thủy lực (HGL) là cần thiết để đánh giá hiệu suất tổng thể của hệ thống và đảm bảo rằng tại lưu lượng thiết kế, hệ thống thoát nước mưa không gây ngập lụt hoặc ảnh hưởng xấu đến các cửa thu nước, hố ga hoặc các công trình liên quan.

Quá trình tính toán bắt đầu từ hạ lưu (cửa xả) và tính ngược lên thượng lưu.

Xác định mực nước hạ lưu (Tailwater Level):

Mực nước hoặc cao độ hạ lưu tại cửa xả cần được xem xét cẩn thận.
Trong hầu hết các trường hợp thiết kế, mực nước hạ lưu có thể:
- Cao hơn mép đỉnh ống thoát ra, hoặc
- Nằm trong khoảng giữa mép đỉnh và độ sâu tới hạn (critical depth) của ống thoát ra, hoặc
- Nằm giữa độ sâu tới hạn và đáy ống thoát ra.
Mực nước ban đầu (điểm xuất phát) của HGL nên lấy giá trị lớn hơn giữa hai lựa chọn:
- Mực nước hạ lưu thiết kế
- Trung bình của độ sâu tới hạn và đường kính ống, tính theo công thức: $\frac{d_c + D}{2}$

Tính toán HGL/EGL theo phương trình năng lượng:

Khi đã xác định được HGL/EGL tại cửa xả, việc tính toán tiếp tục ngược dòng từng đoạn một (reach-by-reach) bằng phương trình năng lượng.
Các đoạn ống (reaches) được xác định dựa trên các công trình thủy lực hoặc điểm thay đổi cao độ tuyến ống.

Chế độ dòng chảy trong hệ thống thoát nước mưa:

Hầu hết các hệ thống thoát nước mưa được thiết kế trong điều kiện dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow).
Nếu hệ thống có dòng chảy dưới tới hạn, tổng tổn thất tại các đoạn ống và hố ga sẽ được cộng dồn để xác định EGL tại thượng lưu.
Nếu xảy ra dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow):
- Các tổn thất trong ống và hố ga không được cộng dồn ngược dòng.
- Khi phát hiện một đoạn có dòng chảy siêu tới hạn, cần chuyển sang đoạn thượng lưu tiếp theo để xác định chế độ dòng chảy.
- Quá trình này tiếp tục cho đến khi hệ thống trở lại dòng chảy dưới tới hạn.

Giả định thiết kế phổ biến:

Quá trình thiết kế thường giả định rằng độ dốc thủy lực trong mỗi đoạn ống là đồng đều.
Độ chính xác cao hơn có thể đạt được bằng cách tính toán mặt nước theo từng mặt cắt (water surface profile computations), nhưng thường không cần thiết trong thực tế.

Tính toán tổn thất ma sát:

Tổn thất ma sát được tính toán giả định dòng chảy đầy.
Phương trình phù hợp là phương trình Manning cho dòng chảy đầy (Equation 7.1), trong đó độ dốc ma sát (S_f) được tính từ lưu lượng thiết kế và đường kính ống sơ bộ.
Nếu:
- Độ dốc ma sát lớn hơn độ dốc ống → Hệ thống hoạt động trong điều kiện dòng chảy áp lực.
- Độ dốc ma sát nhỏ hơn độ dốc ống → Dòng chảy có thể là dòng chảy không đầy, phụ thuộc vào mực nước hạ lưu.
Tại vị trí chuyển tiếp từ dòng chảy áp lực sang dòng chảy không đầy, có thể sử dụng tính toán độ sâu normal để ước tính điều kiện thủy lực.

Tính toán tổn thất do hình dạng:

Tổn thất tại mỗi công trình thủy lực được tính toán theo phương pháp trình bày trong Chương 7.
Đối với hố ga:
- Phương pháp xấp xỉ (Equation 7.6) chỉ phù hợp cho thiết kế sơ bộ.
- Trong tính toán HGL/EGL chính xác, luôn phải sử dụng phương pháp FHWA cho hố ga, được mô tả trong Mục 7.3.3.

8.4 Tối ưu hóa hệ thống

Sau khi hoàn thành các tính toán trên, thiết kế ban đầu cần được đánh giá lại bằng cách kiểm tra với một trận lũ kiểm tra có tần suất lớn hơn và điều chỉnh nếu cần để giảm chi phí và rủi ro.

Ví dụ:

Nếu HGL quá cao tại một đoạn nào đó, cần tăng kích thước ống, dẫn đến phải tính toán lại HGL.
Hệ thống được thiết kế để hoạt động gần hoặc tại điều kiện dòng chảy đầy do trọng lực (gravity full flow).
Tuy nhiên, nếu chấp nhận tình trạng dâng nước (surcharging) và dòng chảy áp lực (pressure flow), có thể giảm kích thước ống và thực hiện phân tích lại hệ thống.

Thiết kế ban đầu nên được kiểm tra lại với một trận lũ kiểm tra lớn hơn, và nếu cần, cần điều chỉnh để tối ưu chi phí và rủi ro.

8.5 Thiết kế hệ thống thoát nước mưa bằng phần mềm

Phân tích và thiết kế hệ thống thoát nước mưa có thể được thực hiện bằng nhiều phần mềm chuyên dụng.

Để đảm bảo kết quả phù hợp với các tiêu chuẩn thiết kế địa phương, người sử dụng cần xác minh các phương pháp thiết kế và giả định trong phần mềm, đặc biệt là các phương pháp tính toán tổn thất năng lượng qua các công trình.

Ví dụ 8.1

Cho:
Một tuyến ống thoát nước mưa bằng bê tông cốt thép (RCP) có hệ số nhám Manning n = 0.013 cần được thiết kế để vận chuyển lưu lượng 0.3 m³/s trên độ dốc 0.001.

Hệ thống bao gồm:

200 m ống, với một hố ga (diameter = 1.5 m) đặt ở giữa tuyến.
Cao độ đáy ống (invert elevation) tại thượng lưu: 1000.00 m tại Station 20+00.
Hệ thống thoát nước xả vào một kênh, nơi mực nước mặt tại cửa xả là 999.5 m.

Yêu cầu:

Thiết kế sơ bộ để xác định:
- Kích thước ống
- Mức giảm đỉnh ống (crown drop)
- Cao độ đáy ống tại các điểm quan trọng
Tính toán mức giảm đỉnh ống dựa trên tổn thất cột áp, nhưng đảm bảo tối thiểu 0.03 m.
Thiết kế chi tiết để đánh giá HGL (đường thủy lực) và EGL (đường năng lượng) của hệ thống.

Thiết kế sơ bộ:

Thiết kế sơ bộ bắt đầu từ đầu thượng lưu và tiến hành về phía hạ lưu.

1. Sử dụng phương trình Manning dòng đầy để chọn kích thước ống:

$$Q = \left( \frac{K_u}{n} \right) D^{8/3} S^{1/2} \quad \text{với} \quad K_u = 0.312 \text{ (hệ SI)}$$

$$D = \left[ \frac{Qn}{0.312 \cdot S^{1/2}} \right]^{3/8} \quad ; \quad D = \left[ \frac{(0.3)(0.013)}{(0.312)(0.001)^{1/2}} \right]^{3/8} = 0.71\text{m}$$

Do đó, dựa trên các kích thước danh định của ống và để đảm bảo dòng chảy kênh hở, chọn ống đường kính 750 mm.

2. Cao trình đáy ống tại đầu thượng lưu được cho là 1000 m. Cao trình tại phía thượng lưu của hố ga (Vị trí Sta 19+00) sẽ là:

$$Z = 1000.00 – 100 \cdot (0.001) = 999.90 \text{ m}$$

3. Cao trình tại phía hạ lưu của hố ga (Sta 18+98.50) cần tính đến độ sụt của đỉnh ống (crown drop) dựa trên tổn thất năng lượng xấp xỉ qua công trình.

Tổn thất năng lượng xấp xỉ qua hố ga được tính theo Phương trình 7.6:

$$h_L = K \left[ \frac{V^2}{2g} \right]$$

Giá trị K cho một hố ga thẳng là 0.15.

Vận tốc trong ống chảy không đầy có thể được ước lượng từ biểu đồ đặc trưng thủy lực (Hình 7.1). Lưu lượng dòng đầy của ống bê tông cốt thép đường kính 750 mm với độ dốc 0.001 là:

$$Q_{\text{full}} = \left( \frac{K_u}{n} \right) D^{8/3} S^{1/2} \quad \text{với } K_u = 0.312 \text{ trong hệ SI}$$

$$Q_{\text{full}} = \left( \frac{0.312}{0.013} \right) (0.75)^{8/3} (0.001)^{1/2} = 0.35 \text{ m³/s}$$

Và vận tốc dòng đầy là:

$$Q = VA \quad \Rightarrow \quad V = Q / A $$

$$A = \left[ \pi (D^2) \right] / 4 = \left[ \pi (0.75)^2 \right] / 4 = 0.44 \text{ m²}$$

$$V = 0.35 / 0.44 = 0.80 \text{ m/s}$$

Tỷ số $Q/Q_{\text{full}} = 0.3/0.35 = 0.86$, từ Hình 7.1, tỷ số $V/V_{\text{full}}$ xấp xỉ 1.12. Do đó, vận tốc chảy không đầy là:

$$V = 1.12 (V_{\text{full}}) = 1.12 (0.80) = 0.90 \text{ m/s}$$

Và tổn thất qua hố ga là:

$$h_L = K \left[ \frac{V^2}{2g} \right] = 0.15 \left[ \frac{0.90^2}{2(9.81)} \right] = 0.006 \text{ m}$$

Do đó, cao trình tại phía hạ lưu của hố ga với độ sụt tối thiểu 0.03 m là:

$$Z = 999.90 – 0.03 = 999.87$$

4. Cao trình tại điểm thoát (Sta 17+98.50) là:

$$Z = 999.87 – 100(0.001) = 999.77$$

5. Tóm tắt dữ liệu thiết kế sơ bộ:
Đường kính ống thoát nước mưa = 750 mm

Cao trình đáy ống thoát nước

Vị trí	Tọa độ (Station)	Cao trình (Elevation)
Miệng xả (Outfall)	17+98.50	999.77
Phía hạ lưu của hố ga	18+98.50	999.87
Phía thượng lưu của hố ga	19+00	999.90
Đầu thượng lưu của ống thoát nước mưa	20+00	1000.00

Đánh giá HGL/EGL

Việc đánh giá HGL/EGL bắt đầu từ cửa ra và tiến hành ngược dòng. Việc tính toán dựa trên phương trình năng lượng được áp dụng từ một vị trí hạ lưu đã biết đến một vị trí thượng lưu chưa biết, có tính đến các tổn thất năng lượng trung gian.

1. Bắt đầu HGL

Điểm bắt đầu để xác định đường thủy lực (HGL) nên là cao độ mực nước xả thiết kế (tailwater) hoặc trung bình giữa độ sâu giới hạn và chiều cao của ống thoát nước mưa, (d_c + D)/2, tùy theo giá trị nào lớn hơn. Mực nước mặt tại ao điều tiết tại cửa ra (tailwater) được cho là 999.5 m.

Độ sâu giới hạn cho một ống có đường kính 750 mm mang lưu lượng 0.3 m³/s là 0.3 m (Hình 4.10a) và do đó:

$$((d_c + D)/2 = (0.3 + 0.75)/2 = 0.53 \text{ m}$$

Cộng độ sâu này vào cao độ đáy ống:

$$999.77 + 0.53 = 1000.30$$

Giá trị này lớn hơn cao độ mực nước xả và sẽ được dùng làm điểm bắt đầu cho việc tính toán HGL.

2. HGL/EGL tại vị trí 17+98.50

Tổn thất năng lượng đầu tiên xảy ra là tổn thất do giãn nở, hoặc tổn thất thoát, khi dòng chảy ra khỏi ống thoát nước mưa vào vùng nước xả. Để minh họa các khái niệm liên quan đến việc áp dụng phương trình năng lượng trong thiết kế ống thoát nước mưa, phép tính sẽ duy trì ba thành phần của năng lượng (năng lượng vận tốc, năng lượng áp suất và năng lượng cao độ).

Trước tiên, áp dụng phương trình năng lượng từ vị trí nước xả đến ngay bên trong ống tại vị trí 17+98.50:

$$\frac{V_{17+98.50}^2}{2g} + \frac{P_{17+98.50}}{\gamma} + Z_{17+98.50} = \frac{V_{tw}^2}{2g} + \frac{P_{tw}}{\gamma} + Z_{tw} + h_L$$

Tổn thất thoát ra được tính theo công thức:

$$h_L = K \left[\frac{V^2}{2g} \right]$$

Đối với cửa ra, giá trị của KK là 1.0 và tổn thất được tính là:

$$h_L = 1.0 \cdot (0.9)^2 / [(2)(9.81)] = 0.04 \text{ m}$$

Như đã xác định ở trên, HGL bắt đầu là 1000.30. Nhớ rằng HGL bằng tổng của áp suất cột nước và cao độ, và giả sử vận tốc tại cửa xả là không đáng kể (v_tw = 0):

$$\frac{(0.9)^2}{2(9.81)} + \frac{P_{17+98.50}}{\gamma} + 999.77 = \frac{(0)^2}{2g} + 1000.30 + 0.04$$

$$\frac{P_{17+98.50}}{\gamma} = 0.53 \text{ m}$$

Do đó, EGL tại 17+98.50 là (năng lượng vận tốc + năng lượng áp suất + năng lượng cao độ):

$$0.04 + 0.53 + 999.77 = 1000.34 \text{ ft}$$

3. Áp dụng phương trình năng lượng từ vị trí 17+98.50 đến phía hạ lưu của hố tiếp cận tại vị trí 18+98.50

$$\frac{V_{18+98.50}^2}{2g} + \frac{P_{18+98.50}}{\gamma} + Z_{18+98.50} = \frac{V_{17+98.50}^2}{2g} + \frac{P_{17+98.50}}{\gamma} + Z_{17+98.50} + h_f$$

Tổn thất cột nước là do ma sát:

$$h_f = L S_f = L \left( \frac{Qn}{K_u D^{8/3}} \right)^2 \quad \text{với } K_u = 0.312$$

Do đó, tổn thất do ma sát từ vị trí 17+98.50 đến 18+98.50 được tính là:

$$h_f = 100 \left[ \frac{(0.3)(0.013)}{0.312 (0.75)^{8/3}} \right]^2 = 0.07 \text{ m}$$

$$\frac{(0.9)^2}{2(9.81)} + \frac{P_{18+98.50}}{\gamma} + 999.87 = \frac{(0.9)^2}{2(9.81)} + 0.53 + 999.77 + 0.07$$

Do đó:

$$\frac{P_{18+98.50}}{\gamma} = 0.50 \text{ m}$$

Nếu ống không chảy đầy, hãy kiểm tra dòng chảy siêu tới hạn. Tỷ lệ Q/Qfull được tính là 0.86 và từ Hình 7.1, tỷ lệ d/D là 0.70. Do đó, độ sâu normal là: 0.70⋅(0.75)=0.53 m

So với độ sâu giới hạn đã tính trước đó là 0.3 m, dòng chảy là dưới tới hạn (subcritical).

Và EGL tại 18+99.50 là (năng lượng vận tốc + năng lượng áp suất + năng lượng cao độ):

$$0.04 + 0.50 + 999.87 = 1000.41 \text{ m}$$

4. Tổn thất năng lượng qua hố tiếp cận (nd: hố/giếng thăm)

BƯỚC 1: Mức năng lượng ban đầu tại hố tiếp cận

Mức năng lượng ban đầu trong cấu trúc hố tiếp cận (Eai) được tính như sau:

$$E_{ai} = \max(E_{aio}, E_{ais}, E_{aiu})$$

Trong đó:

E_aio = Ước tính mức năng lượng tại hố tiếp cận đối với kiểm soát đầu ra (dòng chảy đầy và một phần)
E_ais = Ước tính mức năng lượng tại hố tiếp cận đối với kiểm soát đầu vào (bị ngập)
E_aiu = Ước tính mức năng lượng tại hố tiếp cận đối với kiểm soát đầu vào (không bị ngập)

Ước tính mức năng lượng cho kiểm soát đầu ra: Dòng chảy không đầy

$$E_{aio} = E_i + H_i$$

Trong đó:

E_i = Cột áp năng lượng riêng tại ống xả (tính theo Phương trình 7-10)
H_i = Tổn thất đầu vào giả định theo kiểm soát đầu ra (tính theo Phương trình 7-11)

$$E_i = EGL_i – Z_i = 1000.41 – 999.87 = 0.54$$

$$H_i = K_i \left[ \frac{V^2}{2g} \right] = 0.2 \left[ \frac{0.9^2}{2(9.81)} \right] = 0.01$$

$$E_{aio} = E_i + H_i = 0.54 + 0.01 = 0.55$$

Ước tính mức năng lượng cho kiểm soát đầu vào: Bị ngập

$$E_{ais} = D_0 \cdot (DI)^2$$

$$DI = \frac{Q}{A \left(g D_0\right)^{1/2}}$$

Trong đó:

A = Diện tích mặt cắt ngang ống xả, m²
D₀ = Đường kính ống xả, m

$$A = \frac{3.14 \cdot (0.75)^2}{4} = 0.44$$

$$DI = \frac{0.3}{0.44 \left[(9.81)(0.75)\right]^{1/2}} = 0.25 $$

$$E_{ais} = 0.75 \cdot (0.25)^2 = 0.05$$

Ước tính mức năng lượng cho kiểm soát đầu vào: Không bị ngập

$$E_{aiu} = 1.6 \cdot D_0 \cdot (DI)^{2/3} = 1.6 \cdot (0.75) \cdot (0.25)^{2/3} = 0.47$$

Do đó, mức năng lượng ban đầu cuối cùng là:

$$E_{ai} = \max(E_{aio}, E_{ais}, E_{aiu}) = \max(0.55, 0.05, 0.47) = 0.55 \text{ m}$$

BƯỚC 2: Điều chỉnh cho bậc sàn (benching), dòng vào xiên góc và dòng chảy rơi thẳng đứng

Mức năng lượng ban đầu của công trình được tính trong BƯỚC 1 sẽ được dùng làm cơ sở để ước tính các tổn thất bổ sung cho:
(1) Dòng chảy đi vào công trình ở các góc khác 180 độ;
(2) Cấu hình sàn dạng bậc (benching); và
(3) Dòng chảy rơi thẳng (plunging flows) đi vào công trình ở cao độ trên mực nước tại hố tiếp cận (flows đi vào công trình từ cửa vào có thể được xem là dòng rơi).

Phương trình:

$$E_a = E_{ai} + H_B + H_\theta + H_P$$

Trong đó:

H_B: Tổn thất năng lượng bổ sung do sàn dạng bậc
H_θ: Tổn thất năng lượng bổ sung do dòng vào có góc khác 180 độ
H_P: Tổn thất năng lượng bổ sung do dòng chảy rơi thẳng

Vì trong trường hợp này không có sàn dạng bậc, dòng xiên góc hay dòng chảy rơi, nên: $E_a = E_{ai} = 0.55$

Giả sử cao độ hố tiếp cận Z_a bằng cao độ đáy ống xả Z_i, cho phép xác định đường năng lượng tại hố tiếp cận (EGLₐ):

$$EGL_a = E_a + Z_a = 0.55 + 999.87 = 1000.42$$

BƯỚC 3: Tổn thất đầu ra của ống vào

Bước cuối là tính đường năng lượng vào từng ống vào. Phương pháp của FHWA xét hai trường hợp:
(1) Ống vào có dòng chảy rơi thẳng (plunging)
(2) Ống vào không có dòng chảy rơi (non-plunging)

Với ống vào có dòng chảy rơi, đường năng lượng vào (EGLₒ) được tính dựa trên thủy lực của ống vào.
Với ống vào không có dòng chảy rơi, EGLₒ được xác định khi có kết nối thủy lực với nước tại hố tiếp cận và cao độ EGLₐ lớn hơn cao độ đáy ống vào.
Trường hợp này đúng với ví dụ hiện tại, và EGL của ống vào được định nghĩa như sau:

$$EGL_o = EGL_a + H_o$$

Trong đó:

H_o: Tổn thất đầu ra của ống vào, được tính theo Phương trình 7.19

$$H_o = K_o \left[\frac{V^2}{2g}\right] = 0.4 \left[\frac{0.9^2}{2g}\right] = 0.02$$

Vậy:

$$EGL_o = 1000.42 + 0.02 = 1000.44 \text{ tại vị trí Station 19+00}$

HEC-22 xác định một số trường hợp đặc biệt cần được xem xét để kiểm tra lại kết quả.
Trong ví dụ này, áp dụng Trường hợp D (xem HEC-22, Mục 7.5) và đường năng lượng đã điều chỉnh là:

$$EGL_o = \frac{V^2}{2g} + \text{normal depth} + Z$$

Độ sâu nọrmal đã tính trước đó là 0.53 m. Đường năng lượng EGLₒ đã điều chỉnh là:

$$EGL_o = \frac{V^2}{2g} + \text{normal depth} + Z = \left(\frac{0.9^2}{2g}\right) + 0.53 + 999.9 = 1000.47$$

5. Áp dụng phương trình năng lượng từ vị trí Station 19+00 đến 20+00

$$\frac{V_{20+00}^2}{2g} + \frac{P_{20+00}}{\gamma} + Z_{20+00} = \frac{V_{19+00}^2}{2g} + \frac{P_{19+00}}{\gamma} + Z_{19+00} + h_L$$

Tổn thất cột nước là do ma sát, và vì lưu lượng và ống giống như đoạn từ 17+98.50 đến 18+98.50, tổn thất do ma sát tiếp tục là 0.07 m.

$$\frac{(0.9)^2}{2g} + \frac{P_{20+00}}{\gamma} + 1000.0 = 1000.47 + 0.07$$

Do đó:

$$\frac{P_{20+00}}{\gamma} = 0.50 \text{ m}$$

Vì cột áp tính được nhỏ hơn độ sâu normal 0.53 m, nên sử dụng độ sâu normal trong phương trình năng lượng.

Và EGL tại Station 20+00 là: 0.04 + 0.53 + 1000.00 = 1000.57

6. Tính HGL tại mỗi vị trí

$$HGL = EGL – \frac{V^2}{2g}$$

Vì lưu lượng, độ dốc và kích thước ống không thay đổi, nên vận tốc đầu là như nhau trên toàn mạng (0.04 m).

Bảng tổng hợp:

Vị trí	Station	Cao độ	EGL	HGL
Cửa ra (Outfall)	17+98.50	999.77	1000.34	1000.30
Phía hạ lưu hố ga	18+98.50	999.87	1000.41	1000.37
Phía thượng lưu hố ga	19+00	999.90	1000.47	1000.43
Đầu thượng lưu cống mưa	20+00	1000.00	1000.57	1000.53