View Categories

1. Giới thiệu

Mục lục
(Nguồn)

Effects of Inlet Geometry on Hydraulic Performance of Box Culverts
Publication Year: 2006
FHWA Publication Number: HRT-06-138
Link

Sở Giao thông Vận tải Nam Dakota (SDDOT) và Cục Đường cao tốc Liên bang (FHWA) đã phối hợp thực hiện một nghiên cứu tại phòng thí nghiệm thủy lực của Trung tâm Nghiên cứu Đường cao tốc Turner–Fairbank (TFHRC) để xác định ảnh hưởng của một số lựa chọn hình học cửa vào đến hiệu quả thủy lực của cống. Nghiên cứu này nhằm đáp ứng thực tế là số lượng cống được lắp đặt ở Hoa Kỳ rất lớn và phần lớn các hướng dẫn hiện hành về thủy lực cống dựa trên các nghiên cứu đã hoàn thành cách đây hơn 20 năm. Một ước tính thận trọng cho thấy mỗi năm có hơn 3.66 triệu foot tuyến (tương đương 12 triệu foot chiều dài thẳng) cống được lắp đặt tại Hoa Kỳ. Sổ tay được thừa nhận rộng rãi nhất về thủy lực cống là FHWA Hydraulic Design Series No. 5 (HDS-5), Hydraulic Design of Highway Culverts (1985), nhưng dựa trên các nghiên cứu thực hiện vào thập niên 1960 và 1970. Hầu hết các kỹ sư DOT bang sử dụng chương trình máy tính FHWA HY-8 hoặc các chương trình tương tự dựa trên HDS-5 để đánh giá thủy lực và thiết kế cống đường bộ. Điều quan trọng là phải áp dụng công nghệ mới vào các chương trình này để mang lại lợi ích cho các kỹ sư thực hành tại các DOT cấp bang. Kết quả của nghiên cứu này được trình bày theo định dạng tương tự HDS-5 để hỗ trợ triển khai trong các chương trình đó.

Đặt vấn đề

Mỗi năm, SDDOT thiết kế và xây dựng nhiều cống hộp đổ tại chỗ (CIP) và cống hộp lắp ghép sẵn cho phép dòng chảy thoát qua dưới mặt đường. Các cống hộp CIP thường có wingwall loe với góc 30 độ, còn cống lắp ghép sẵn thường có wingwall thẳng với bề rộng 10.2 cm (4 inch) ở mặt trong của wingwall và bản nắp. Phân tích một số nghiên cứu trước đây, trong đó có nghiên cứu được mô tả trong South Dakota Culvert Inlet Design Coefficients, được thực hiện trên số liệu hạn chế của cống hộp một khoang, chỉ ra rằng cần có nghiên cứu bổ sung để xác định (1) ảnh hưởng của kết cấu nhiều khoang, (2) hệ số tổn thất của các cửa vào không có ngưỡng nhô lên mặt, và (3) ảnh hưởng của bo góc 30.5 cm (12 inch) so với bo góc 15.2 cm (6 inch). Để tối ưu hóa thiết kế của cả hai loại cống hộp, cần xác định ảnh hưởng của tỷ số nhịp-đến-chiều cao, điều kiện mép nghiêng (skewed end), và điều kiện mép vào tối ưu.

Một vấn đề lớn với các chương trình phân tích hiện nay dùng để xác định kích thước cống hộp (HY-8 và các chương trình khác) là chúng không phân tích đúng các kết cấu cống hộp nhiều khoang. Các chương trình này mô phỏng kết cấu nhiều khoang như thể mỗi khoang là một cống hộp đơn riêng biệt với hệ wingwall riêng. Trong khi đó, kết cấu nhiều khoang thực tế chia sẻ một hệ wingwall chung. Hầu hết cống hộp CIP thuộc nhóm kết cấu cống nhiều khoang với một bộ wingwall chung.

Trong trường hợp cấu hình có wingwall và chỉ một khoang, wingwall dẫn dòng trực tiếp vào trong khoang, làm giảm tổn thất co hẹp ở cửa vào. Đối với cùng một cấu hình nhưng có nhiều khoang, tổn thất co hẹp ở các khoang ở giữa là rất nhỏ nên tổn thất nói chung thấp hơn nhiều. Nói cách khác, với cùng điều kiện, cống nhiều khoang thường có hiệu năng tốt hơn cống một khoang, với tổn thất tổng cộng xấp xỉ bằng tổn thất của một khoang nhân với số khoang.

Mục tiêu

Mục tiêu của nghiên cứu này là:

  • Xác định các điều kiện mép tối ưu cho wingwalls.
  • Xác định ảnh hưởng của hình học cửa vào đến khả năng tải dòng chảy của cống hộp một khoang và nhiều khoang khi wingwalls được xử lý mép tối ưu.
  • Xác định ảnh hưởng của tỷ số nhịp/chiều cao (span-to-rise) đến khả năng tải với các hình học cửa vào khác nhau.
  • Xác định ảnh hưởng của độ lệch (skew) đến khả năng tải dòng chảy của cống hộp.

Qui trình và Cơ sở thử nghiệm

Một ban phản biện kỹ thuật của SDDOT phối hợp với nhóm nghiên cứu FHWA xây dựng một ma trận thử nghiệm gồm sáu điều kiện mép và 32 cấu hình cửa vào cho cống hộp chữ nhật, được thử ở hai độ dốc, hai điều kiện mực nước hạ lưu (tailwater), và nhiều mức lưu lượng khác nhau. Tổng cộng khoảng 680 thí nghiệm đã được tiến hành tại một cơ sở thử nghiệm cống chuyên dụng được xây dựng cho nghiên cứu. Mô hình tỉ lệ 1:12 được chọn cho cơ sở thí nghiệm và các mô hình Plexiglas™ chính xác cao được chế tạo để tách riêng các đặc trưng của hình học cửa vào. Các mô hình cửa vào dùng các bộ phận gắn kẹp (clip-on) nên khá dễ trộn và ghép các chi tiết để cô lập từng đặc trưng mà không phải thay cả mô hình.

Bố trí thí nghiệm gồm ba phân hệ: một khoang cống (culvert barrel), một bể đầu (headbox) và một bể cuối (tailbox). Headbox và tailbox có thành bằng Plexiglas, được đỡ bởi khung kim loại. Hình 1 minh họa headbox trong giai đoạn thi công.

Hình 1. Headbox cống đang được xây dựng.

Bể đầu (headbox) có thể điều chỉnh để thay đổi bề rộng dòng chảy tiếp cận. Bể cuối (tailbox) có thể nâng hạ để phân tích các độ dốc khác nhau của khoang cống (barrel). Khoang cống làm bằng ống Plexiglas. Các cảm biến áp lực loại gốm (dải đo áp lực: 0–10 kilopascal (kPa) (0–1.45 pound-lực trên inch vuông (lbf/inch²))) được gắn trên đường tim ở đáy của bố trí thí nghiệm (hình 2) để đo đường năng lượng tức thời (instantaneous hydraulic grade lines). Lấy trung bình theo thời gian giúp tính hệ số tổn thất chính xác hơn. Lưu lượng được cung cấp bởi máy bơm điều khiển bằng máy tính với công suất 0.140 m³/s (tương đương 5 ft³/s).

Chiều sâu dòng chảy và vận tốc trung bình được tính từ số đo cảm biến áp lực trong khoang cống, nơi dòng chảy song song với đáy cống. Ở vùng nhiễu động mạnh gần cửa vào cống và trong headbox—nơi phân bố vận tốc theo phương ngang biến thiên lớn—các phép đo này được bổ sung bằng đo vận tốc ảnh hạt (PIV) và/hoặc đầu dò vận tốc.

Hình 2. Bố trí các cảm biến áp suất loại gốm.

PIV đo các trường vận tốc tức thời của dòng chảy. Phương pháp này dùng nguồn sáng hội tụ, camera số độ phân giải cao, và thuật toán máy tính để truy vết chuyển động của hạt. Kỹ thuật có thể đo vận tốc chính xác trong các tình huống phức tạp, chẳng hạn như dòng chảy vào cống.