9 Ứng dụng ống kín – Thiết kế cống (Culvert)

9.1 Các khái niệm chung

Các công trình ống dẫn kín điển hình trong thoát nước đường bộ bao gồm cống ngang và hệ thống thoát nước mưa. Một hệ thống thoát nước mưa có thể là một hệ thống ống dẫn kín quy mô lớn hơn nhiều so với hệ thống thoát nước ngang như cống. Ở một số khía cạnh, hệ thống thoát nước mưa đơn giản là một dạng cống dài hơn.

Hệ thống thoát nước mưa bao gồm các cửa thu nước nối với một đường ống ngầm và một công trình thoát nước đầu ra. Hệ thống này thường được sử dụng khi khả năng thoát nước của mặt đường (xác định bởi độ lan rộng cho phép) bị vượt quá, hoặc để thu gom và chuyển hướng dòng chảy ở dải phân cách khi khả năng thoát nước của rãnh thoát bị vượt quá. Ngoài ra, hệ thống thoát nước mưa còn được áp dụng ở những khu vực có độ dốc cao, nơi kiểm soát xói mòn là một vấn đề đáng quan tâm.

Cống thường được sử dụng để thoát nước ngang và có thể có kích thước từ một cống nhỏ thoát nước cho một vùng trũng riêng lẻ đến các thiết kế nhiều khoang hoặc cống lớn để dẫn dòng chảy chính qua đường. Các cống nhỏ cũng được sử dụng làm ống thoát nước dọc để bảo vệ mái dốc đắp hoặc để chuyển hướng nước mưa từ mặt cầu.

Các loại vật liệu ống phổ biến trong hệ thống thoát nước mưa bao gồm ống bê tông cốt thép (RCP), ống kim loại gợn sóng (CMP) và ống nhựa. Những vật liệu này cũng thường được sử dụng cho cống, tuy nhiên, cống có thể có nhiều hình dạng mặt cắt khác nhau, và trong nhiều trường hợp, một hình dạng khác hình tròn có thể được ưu tiên. Vật liệu ống dẫn và cống thường có sẵn theo các kích thước tiêu chuẩn (danh định). Kích thước ống dẫn không nên giảm theo hướng dòng chảy, ngay cả khi tính toán thủy lực cho thấy điều này có thể thực hiện được, do các vấn đề bảo trì như lắng đọng trầm tích và tắc nghẽn.

Việc tiêu tán năng lượng thường được yêu cầu tại cửa ra của hệ thống thoát nước mưa hoặc cống để ngăn chặn xói mòn. Chương 10 cung cấp thông tin về các công trình tiêu năng theo hướng dẫn của HEC-14 (Thompson và Kilgore, 2006). Các công trình kiểm soát rác có thể cần thiết tại cửa vào của một số cống. HEC-9 cung cấp hướng dẫn về các công trình kiểm soát rác cho cống và cầu (Bradley et al., 2005).

Bảo trì là yêu cầu quan trọng đối với bất kỳ hệ thống ống dẫn kín nào. Các công việc bảo trì phổ biến bao gồm loại bỏ trầm tích lắng đọng bên trong ống dẫn và dọn dẹp rác tại cửa vào.

9.2 Phương pháp thiết kế cống

Cống là một ống dẫn nước qua nền đường hoặc qua các chướng ngại vật khác. Cống thường được làm từ bê tông (có hoặc không có cốt thép), kim loại gợn sóng (nhôm hoặc thép), hoặc nhựa, với nhiều dạng mặt cắt khác nhau. Các dạng mặt cắt phổ biến nhất của cống được minh họa trong Hình 9.1a, và các điều kiện cửa vào điển hình được thể hiện trong Hình 9.1b. Việc lựa chọn vật liệu cống phụ thuộc vào các yếu tố như độ bền kết cấu, độ nhám thủy lực, độ bền lâu dài, cũng như khả năng chống ăn mòn và mài mòn.

Dòng chảy trong cống có thể xảy ra dưới các dạng: dòng chảy hở, dòng chảy đầy do trọng lực, dòng chảy có áp, hoặc kết hợp các trạng thái này. Phân tích lý thuyết toàn diện về thủy lực dòng chảy trong cống là một quá trình phức tạp và tốn nhiều thời gian. Điều kiện dòng chảy phụ thuộc vào sự tương tác của nhiều yếu tố, bao gồm điều kiện thượng lưu và hạ lưu, đặc điểm của thân cống và hình dạng cửa vào.

Để đơn giản hóa việc phân tích dòng chảy trong cống khi thiết kế, các quy trình tiêu chuẩn và toán đồ (nomograph) đã được phát triển. Các phương pháp này được trình bày chi tiết trong Tập thiết kế thủy lực số 5 (HDS-5) – Thiết kế thủy lực cống đường bộ (Normann et al., 2005). Dưới đây là tổng quan về các nguyên tắc và khái niệm cơ bản trong thiết kế cống.

(nd)

Hình này minh họa các mặt cắt phổ biến của cống, bao gồm:

• Cống tròn (Circular Culvert) – Loại phổ biến nhất, phù hợp với nhiều điều kiện thủy lực khác nhau.
• Cống hộp (Box Culvert) – Thường được sử dụng khi không gian hạn chế về chiều cao hoặc cần khả năng chịu tải lớn.
• Cống vòm (Arch Culvert) – Thích hợp cho các khu vực có yêu cầu bảo tồn dòng chảy tự nhiên hoặc có nền đất yếu.
• Cống hình elip (Elliptical Culvert) – Có thể được sử dụng để tối ưu hóa dòng chảy trong một số điều kiện cụ thể.
• Cống hình vòm thấp (Low-Profile Arch Culvert) – Dùng trong các trường hợp hạn chế chiều cao nhưng vẫn cần lưu lượng dòng chảy lớn.

Những dạng cống này được lựa chọn dựa trên điều kiện địa hình, lưu lượng nước, yêu cầu kết cấu và khả năng bảo trì.

(nd)

Hình này minh họa các điều kiện cửa vào điển hình của cống, bao gồm các dạng thu hẹp cửa vào khác nhau nhằm kiểm soát dòng chảy và cải thiện hiệu suất thủy lực. Một số dạng thu hẹp cửa vào phổ biến gồm:

• Cửa vào vuông góc (Square Edge Inlet) – Cửa vào đơn giản với các cạnh vuông, thường gặp ở cống bê tông đúc sẵn.
• Cửa vào bo tròn (Beveled or Tapered Inlet) – Các góc được vát hoặc bo tròn để giảm tổn thất năng lượng và cải thiện khả năng thu nước.
• Cửa vào mở rộng (Flared Inlet) – Thiết kế giúp dòng chảy vào cống dễ dàng hơn, thường sử dụng trong các hệ thống có lưu lượng lớn.
• Cửa vào có rãnh hướng dòng (Mitered Inlet) – Cửa vào được cắt theo góc phù hợp với mặt đường hoặc mái dốc để giảm trở lực.

Các điều kiện cửa vào này có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất thủy lực của cống, ảnh hưởng đến vận tốc dòng chảy, tổn thất năng lượng và khả năng chống tắc nghẽn.

9.3 Các loại cửa vào và cửa ra của cống

Cống thường tạo ra sự thu hẹp đáng kể của dòng chảy so với điều kiện ở kênh thượng lưu và hạ lưu, và thường là điểm kiểm soát thủy lực trong kênh. Việc thiết kế một quá trình chuyển tiếp dòng chảy dần dần hơn tại cửa vào cống có thể cải thiện khả năng thoát nước bằng cách giảm tổn thất năng lượng do hiện tượng thu hẹp dòng chảy.

Cửa vào của cống có nhiều cấu hình khác nhau và có thể được chế tạo sẵn hoặc xây dựng tại chỗ. Một số dạng cửa vào phổ biến bao gồm:

• Đầu cống nhô ra (Projecting Culvert Barrels) – Phần thân cống nhô ra khỏi mái dốc mà không có cấu trúc bảo vệ thêm.
• Tường đầu bằng bê tông đúc tại chỗ (Cast-in-Place Concrete Headwalls) – Tường bê tông được xây tại chỗ để tăng cường độ ổn định kết cấu và kiểm soát xói mòn.
• Đoạn cuối đúc sẵn hoặc lắp ghép (Precast or Prefabricated End Sections) – Các đầu cống đúc sẵn giúp dễ dàng lắp đặt và cải thiện hiệu suất thủy lực.
• Đầu cống vát theo mái dốc (Mitered Ends to Fill Slope) – Đầu cống được cắt theo góc tương ứng với độ dốc của nền đường để giảm cản trở dòng chảy.

Khi lựa chọn thiết kế cửa vào, cần xem xét các yếu tố như độ ổn định kết cấu, thẩm mỹ, kiểm soát xói mòn, giữ ổn định nền đắp, chi phí, an toàn và hiệu suất thủy lực (Hình 9.2).

(nd)

Hình này minh họa bốn loại cửa vào cống tiêu chuẩn, bao gồm:

1. Cửa vào dạng thân cống nhô ra (Projecting Inlet) – Phần thân cống nhô ra khỏi mái dốc, thường là phương án đơn giản và kinh tế nhất nhưng dễ bị xói mòn xung quanh.
2. Cửa vào có tường đầu (Headwall Inlet) – Cửa vào có tường đầu bằng bê tông đúc tại chỗ hoặc đúc sẵn, giúp ổn định kết cấu và giảm xói mòn.
3. Cửa vào có phần mở rộng (Flared-End Inlet) – Đầu cống được thiết kế mở rộng để giảm tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu suất thủy lực.
4. Cửa vào vát theo mái dốc (Mitered Inlet) – Đầu cống được cắt theo góc nghiêng phù hợp với độ dốc nền đường, giúp giảm cản trở dòng chảy và tăng tính thẩm mỹ.

Mỗi loại cửa vào có ưu điểm riêng và được lựa chọn dựa trên điều kiện thủy lực, kết cấu và môi trường xung quanh.

Hiệu suất thủy lực được cải thiện khi sử dụng các mép vát (beveled edges) thay vì mép vuông (square edge), như minh họa trong Hình 9.1b. Các cửa vào thuôn bên (side-tapered) và cửa vào thuôn dốc (slope-tapered), thường được gọi là cửa vào cải tiến, có thể tăng đáng kể khả năng thoát nước của cống. Hình 9.3 minh họa các cửa và thuôn bên và cửa vào thuôn dốc

• Cửa vào thuôn bên (Side-Tapered Inlet) giúp dòng chảy thu hẹp dần dần hơn, làm giảm tổn thất năng lượng.
• Cửa vào thuôn dốc (Slope-Tapered Inlet), còn gọi là cửa vào hạ thấp, làm tăng chiều cao cột nước hiệu dụng tại điểm kiểm soát dòng chảy, từ đó cải thiện hiệu suất thủy lực của cống.

Cấu hình cửa ra của cống có thể tương tự như bất kỳ loại cửa vào nào. Tuy nhiên, hiệu suất thủy lực của cống bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi điều kiện mực nước hạ lưu trong kênh thoát hơn là bởi loại cửa ra. Thiết kế cửa ra đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển tiếp dòng chảy trở lại kênh tự nhiên, vì vận tốc dòng chảy tại cửa ra thường cao và có thể gây xói lở lòng suối và bờ kênh hạ lưu.

(nd)

Hình này minh họa hai loại cửa vào cải tiến:

1. Cửa vào thuôn bên (Side-Tapered Inlet) – Cửa vào được thiết kế với phần mở rộng theo phương ngang, giúp dòng chảy thu hẹp dần một cách mượt mà hơn, giảm tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu suất thủy lực của cống.
2. Cửa vào thuôn dốc (Slope-Tapered Inlet) – Cửa vào được thiết kế với đáy cống hạ thấp, tạo ra chiều cao cột nước hiệu dụng lớn hơn tại điểm kiểm soát dòng chảy, từ đó tăng đáng kể khả năng thoát nước của cống.

Cả hai loại cửa vào này giúp tăng hiệu suất thủy lực của cống, giảm nguy cơ tắc nghẽn và cải thiện khả năng dẫn nước trong điều kiện dòng chảy lớn.

Khác với các cửa vào loại thường, cửa vào cải tiến có ít nhất 02 tiết diện chính kiểm soát dòng chảy (một là face section, hai là thoart section). Các tiết diện phát sinh có thể kiểm soát dòng chảy là tiết diện tại phía trước face section, tại chỗ giao của đáy suối với mái dốc vào phần thềm ngay trước face section, hoặc tại tiết diện uống (bend section) gần cổ họng! tuy nhiên ta sẽ thiết kế với các kích thước theo hướng dẫn của HDS 5 để các tiết diện phát sinh này kiểm soát dòng chảy không đáng kể.

9.4 Điều kiện dòng chảy trong cống

Dòng chảy trong cống có thể đầy trên toàn bộ chiều dài hoặc chỉ đầy một phần. Trường hợp cống chảy đầy hoàn toàn trên toàn bộ chiều dài là hiếm gặp, và thường có một phần thân cống chảy không đầy. Phân tích đường mặt nước là phương pháp duy nhất để xác định chính xác mức độ đầy của dòng chảy trong lòng cống.

Dòng chảy có áp trong cống có thể xảy ra do mực nước cao ở hạ lưu hoặc thượng lưu. Dù nguyên nhân là gì, khả năng thoát nước của cống trong điều kiện chảy có áp bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thượng lưu, hạ lưu và các đặc tính thủy lực của cống.

Dòng chảy không đầy (hoặc dòng chảy hở) trong cống có thể tồn tại dưới ba dạng: dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow), dòng chảy tới hạn (critical flow) hoặc dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow).

Dòng chảy đầy do trọng lực (gravity full flow), trong đó nước chảy đầy ống nhưng không có áp lực, và mực nước chỉ vừa chạm vào đỉnh cống, được coi là một trường hợp đặc biệt của dòng chảy hở và được phân tích tương tự như dòng chảy trong kênh hở.

9.5 Các loại kiểm soát dòng chảy

Dựa trên nhiều thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và kinh nghiệm thực tế, hai loại kiểm soát dòng chảy cơ bản trong cống đã được xác định:

1. Kiểm soát tại cửa vào (Inlet Control)
2. Kiểm soát tại cửa ra (Outlet Control)

Kiểm soát tại cửa vào (Inlet control) xảy ra khi thân cống có khả năng dẫn nhiều nước hơn so với lượng nước có thể đi vào. Khi cống hoạt động trong điều kiện kiểm soát tại cửa vào, điểm kiểm soát thủy lực nằm ngay bên trong cửa vào. Tại hoặc gần vị trí này, dòng chảy đạt độ sâu tới hạn (critical depth), và chế độ dòng chảy ngay sau đó là dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow).

Trong trường hợp này, các đặc tính thủy lực ở hạ lưu của cửa vào không ảnh hưởng đến khả năng thoát nước của cống. Các yếu tố chính quyết định công suất cống bao gồm:

• Mực nước thượng lưu (headwater/HW)
• Hình dạng và kích thước cửa vào

Hình 9.4 minh họa các điều kiện kiểm soát tại cửa vào điển hình. Loại dòng chảy trong cống phụ thuộc vào mức độ ngập nước của cửa vào và cửa ra; tuy nhiên, trong mọi trường hợp, điểm kiểm soát dòng chảy nằm tại cửa vào của cống.

• Khi mực nước thượng lưu thấp, cửa vào của cống hoạt động như một đập tràn (weir).
• Khi mực nước thượng lưu đủ cao để nhấn chìm cửa vào, cửa vào hoạt động như một lỗ thoát (orifice).

Các trường hợp cụ thể được minh họa như sau:

• Hình 9.4a: Không có phần nào của cửa vào hoặc cửa ra bị ngập. Dòng chảy đi qua độ sâu tới hạn (critical depth) ngay sau cửa vào, và dòng chảy trong thân cống là siêu tới hạn (supercritical flow). Thân cống chảy không đầy trên toàn bộ chiều dài, và dòng chảy tiến dần đến độ sâu normal tại cửa ra.
• Hình 9.4b: Cửa ra bị ngập, nhưng chưa đủ để chuyển thành trạng thái kiểm soát tại cửa ra. Dòng chảy ngay sau cửa vào vẫn là siêu tới hạn, và trong thân cống có thể xuất hiện cú nhảy thủy lực (hydraulic jump).
• Hình 9.4c: Đây là một tình huống điển hình. Cửa vào bị ngập, trong khi cửa ra chảy tự do. Dòng chảy trong thân cống vẫn là siêu tới hạn, với mức nước trong thân cống không đầy hoàn toàn. Độ sâu tới hạn xuất hiện ngay sau cửa vào, và dòng chảy dần tiến đến độ sâu normal tại cửa ra.
• Hình 9.4d: Đây là một trường hợp bất thường, minh họa rằng ngay cả khi cả cửa vào và cửa ra đều bị ngập, cống vẫn có thể không chảy đầy hoàn toàn. Trong tình huống này, cú nhảy thủy lực có thể hình thành bên trong thân cống. Một lỗ thông hơi giữa thân cống giúp thông khí, tránh tạo ra áp suất dưới khí quyển, điều có thể gây ra dòng chảy không ổn định, trong đó thân cống luân phiên giữa trạng thái chảy đầy và chảy không đầy.

Kiểm soát tại cửa ra (Outlet control) xảy ra khi thân cống không có khả năng dẫn nước nhiều như cửa vào có thể tiếp nhận. Điểm kiểm soát thủy lực trong trường hợp này nằm tại cửa ra của thân cống hoặc xa hơn về phía hạ lưu.

Trong điều kiện kiểm soát tại cửa ra, dòng chảy trong cống có thể ở trạng thái:

• Dưới tới hạn (Subcritical Flow) hoặc
• Dòng chảy có áp (Pressure Flow).

Tất cả các yếu tố hình học và thủy lực của cống đều ảnh hưởng đến khả năng thoát nước trong điều kiện này.

Hình 9.5 minh họa các điều kiện kiểm soát tại cửa ra điển hình:

• Hình 9.5a thể hiện điều kiện chảy đầy điển hình, trong đó cả cửa vào và cửa ra đều bị ngập. Trong trường hợp này, thân cống chảy đầy hoàn toàn và chịu áp suất dọc theo toàn bộ chiều dài.
• Hình 9.5b minh họa trường hợp cửa ra bị ngập nhưng cửa vào không bị ngập. Trong trường hợp này, mực nước thượng lưu thấp, khiến phần đỉnh của cửa vào lộ ra khi dòng chảy thu hẹp vào cống.
• Hình 9.5c cho thấy cửa vào bị ngập đến mức thân cống chảy đầy hoàn toàn trên toàn bộ chiều dài, trong khi cửa ra không bị ngập. Đây là một trường hợp hiếm gặp, vì nó yêu cầu mực nước thượng lưu cực kỳ cao để duy trì dòng chảy đầy trong thân cống mà không có mực nước hạ lưu. Trong tình huống này, vận tốc dòng chảy tại cửa ra thường cao bất thường.
• Hình 9.5d là một tình huống phổ biến hơn. Cửa vào của cống bị ngập do mực nước thượng lưu cao, trong khi cửa ra chảy tự do với mực nước hạ lưu thấp. Trong trường hợp này, thân cống chỉ chảy đầy một phần trên ít nhất một đoạn chiều dài (dòng chảy dưới tới hạn – subcritical flow), và dòng chảy đạt độ sâu tới hạn (critical depth) ngay trước cửa ra.
• Hình 9.5e cũng là một tình huống phổ biến, trong đó cả cửa vào và cửa ra đều không bị ngập. Thân cống chảy không đầy trên toàn bộ chiều dài, và dòng chảy trong cống là dưới tới hạn (subcritical flow).

9.6 Xem xét mực nước thượng lưu và hạ lưu

Dòng chảy qua một cống bị thu hẹp đòi hỏi một nguồn năng lượng để tạo lực đẩy nước qua cửa vào. Nguồn năng lượng này thể hiện dưới dạng mực nước dâng cao ở phía thượng lưu của cống.

Mực nước thượng lưu (Headwater – HW) được định nghĩa là độ sâu của nước tại cửa vào của cống. Trong các khu vực có địa hình bằng phẳng hoặc nền đường đắp cao, có thể xảy ra hiện tượng ứ nước đáng kể ở thượng lưu. Nếu lượng ứ nước này lớn, nó có thể giúp làm giảm đỉnh lũ và có thể cho phép giảm kích thước yêu cầu của cống.

Mực nước hạ lưu (Tailwater – TW) được định nghĩa là độ sâu nước ở hạ lưu của cống, tính từ đáy cống tại cửa ra. TW là yếu tố quan trọng trong việc xác định công suất thoát nước của cống trong trường hợp kiểm soát tại cửa ra. TW có thể được ước tính chính xác nhất bằng phân tích đường mặt nước hạ lưu. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, nó có thể được xấp xỉ bằng độ sâu normal trong kênh hạ lưu.

9.7 Đường cong hiệu suất (Performance Curves)

Đường cong hiệu suất là một đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa độ sâu mực nước thượng lưu hoặc cao độ mực nước với lưu lượng dòng chảy.

• Đường này giúp đánh giá hậu quả của lưu lượng lớn hơn thiết kế, chẳng hạn như khả năng nước tràn qua mặt đường nếu sự kiện lũ vượt quá thiết kế.
• Đường này cũng giúp đánh giá hiệu quả của việc cải thiện cửa vào, nhằm tăng công suất thoát nước của cống.

Khi xây dựng đường cong hiệu suất, cần phải vẽ cả hai đường kiểm soát tại cửa vào và kiểm soát tại cửa ra, vì cơ chế kiểm soát có thể thay đổi tùy theo lưu lượng dòng chảy và khó dự đoán chính xác.

Hình 9.6 minh họa một đường cong hiệu suất điển hình của cống:

• Khi mực nước thượng lưu dưới cao độ 4.3, cống hoạt động trong trạng thái kiểm soát tại cửa vào.
• Điều này cho thấy việc cải thiện cửa vào có thể làm tăng khả năng thoát nước của cống, tận dụng tốt hơn khả năng dẫn nước của thân cống.
• Nếu cống được tính toán để hoạt động với trạng thái kiểm soát tại cửa vào trong phạm vi yêu cầu thiết kế, có thể xem xét thêm độ nhám bên trong thân cống để giảm vận tốc dòng chảy tại cửa ra, giúp hạn chế xói mòn hạ lưu khi đây là mối quan tâm.

9.8 Phương pháp thiết kế cống

Phương pháp thiết kế cơ bản dựa trên vị trí của điểm điều khiển (inlet control hoặc outlet control). Mặc dù điểm điều khiển có thể dao động từ inlet sang outlet, khái niệm “hiệu suất tối thiểu” được áp dụng, có nghĩa là mặc dù cống có thể hoạt động hiệu quả hơn vào một số thời điểm, nhưng nó sẽ không bao giờ hoạt động với hiệu suất thấp hơn so với tính toán.

Quy trình thiết kế là giả định một kích thước ống và vật liệu, rồi tính toán cao độ headwater cho cả hai trạng thái inlet control và outlet control. Cao độ lớn hơn trong hai giá trị được chỉ định là cao độ headwater khống chế. Cao độ headwater khống chế này được so sánh với cao độ headwater thiết kế mong muốn, thường bị chi phối bởi các yếu tố tràn đường (overtopping), nhằm xác định xem kích thước cống giả định có chấp nhận được hay không.

Tốc độ dòng chảy ở cửa ra sau đó nên được xem xét để đánh giá nhu cầu bảo vệ cửa ra:

– Nếu headwater khống chế bị điều khiển dựa trên inlet control, hãy xác định độ sâu normal và tốc độ dòng chảy trong thân cống. Tốc độ tại độ sâu normal được giả định là tốc độ dòng chảy tại cửa ra.

– Nếu headwater khống chế bị điều khiển dựa trên outlet control, hãy xác định diện tích dòng chảy tại cửa ra dựa trên hình học của thân cống và các yếu tố : (1) độ sâu tới hạn nếu tailwater thấp hơn độ sâu tới hạn, (2) bằng tailwater nếu tailwater nằm giữa độ sâu tới hạn và đỉnh của thân cống, và (3) bằng chiều cao của thân cống nếu tailwater nằm cao hơn đỉnh của thân cống.

Quá trình này giúp đảm bảo cống được thiết kế với kích thước phù hợp và có biện pháp bảo vệ cửa ra khi cần thiết, nhằm giảm thiểu nguy cơ xói lở và thiệt hại hạ lưu.

Việc đánh giá các điều kiện headwater và tốc độ dòng chảy ở cửa ra cần được lặp lại cho đến khi xác định được một cấu hình cống chấp nhận được. Để hỗ trợ cho quá trình thiết kế, một Biểu mẫu Thiết kế Cống được cung cấp trong HDS-5. Khi đã chọn được thân cống, nó phải được lắp vào mặt cắt đường. Thân cống phải có lớp đắp phủ đầy đủ, chiều dài nên gần bằng chiều dài xấp xỉ, và phần tường đầu cùng tường cánh phải được xác định kích thước.

Phân tích lý thuyết chính xác về dòng chảy trong cống là vô cùng phức tạp vì dòng chảy thường không đều, với các vùng dòng chảy biến đổi dần và dòng chảy biến đổi nhanh. Một phân tích chính xác sẽ bao gồm các tính toán ngược dòng (backwater) và hạ dòng (drawdown), cân bằng năng lượng và động lượng, cũng như các ứng dụng từ kết quả của các nghiên cứu mô hình thủy lực. Điều kiện dòng chảy trong một cống cụ thể sẽ thay đổi theo lưu lượng và tailwater, và hiện tượng hydraulic jump (nhảy thủy lực) thường xảy ra bên trong hoặc phía hạ lưu thân cống.

Để tránh những phức tạp trong phân tích do phạm vi điều kiện dòng chảy rộng như vậy, HDS-5 (Normann và cộng sự, 2005) cung cấp một phương pháp thiết kế cống dựa trên các biểu đồ (chart) và toán đồ (nomograph). Các thủ tục này cũng được thực hiện bởi chương trình máy tính HY-8 của FHWA. Các phương trình thiết kế dùng để phát triển nomograph và các quy trình HY-8 được xây dựng dựa trên nghiên cứu chuyên sâu. Nghiên cứu này bao gồm việc định lượng các hệ số thực nghiệm cho nhiều điều kiện cống khác nhau. Nomograph cho inlet control và outlet control đối với ống bê tông cốt thép (RCP) được cung cấp trong Hình 9.7 và 9.8 tương ứng. HDS-5 (Normann và cộng sự, 2005) cũng cung cấp nomograph cho các loại vật liệu và hình dạng ống khác, cùng một số ví dụ về cách áp dụng phương pháp thiết kế. Mặc dù có thể sử dụng nomograph của HDS-5, đặc biệt là với chương trình máy tính HY-8, nhưng nếu không có hiểu biết kỹ lưỡng về thủy lực cống, điều này không được khuyến nghị.

Ví dụ 9.1

Cho : Một cống ngang đường mới cần được thiết kế để thoát lũ với chu kỳ 25 năm.

• Phân tích thủy văn xác định lưu lượng đỉnh là 6.0 m³/s (212 ft³/s).
• Chiều dài cống xấp xỉ: 60 m (197 ft).
• Độ dốc đáy suối tự nhiên trước khi vào cống: 1%.
• Cao độ đáy cống tại cửa vào: 600 m (1968.5 ft).
• Cao độ mặt đường: 603 m (1978.35 ft).
• Để đảm bảo khả năng thoát nước lớn hơn so với lũ thiết kế, mực nước thượng lưu mong muốn phải thấp hơn mặt đường ít nhất 0.5 m (1.64 ft).
• Mực nước hạ lưu cho trận lũ 25 năm: 1 m (3.28 ft).

Tìm: Xác định kích thước cống bê tông cốt thép (RCP) cần thiết để thoát trận lũ 25 năm.

Giải:

1. Thiết kế sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng các nomograph trong Hình 9.7 và 9.8. Biểu mẫu thiết kế cống (Culvert Design Form) sẽ được sử dụng để hỗ trợ quá trình thiết kế theo phương pháp thử và sai. Biểu mẫu này cung cấp tóm tắt tất cả các dữ liệu thiết kế quan trọng và một bản phác thảo nhỏ hiển thị các kích thước và cao độ quan trọng.
2. Độ sâu tới hạn (critical depth) cần thiết để tính toán outlet control được xác định bằng cách sử dụng Hình 4.10a và 4.10b.
3. Vận tốc tại cửa ra (outlet velocity) có thể được tính bằng cách:
   • Xác định lưu lượng chảy đầy (full flow discharge) theo Phương trình 7.1.
   • Xác định vận tốc chảy đầy (full flow velocity) bằng phương trình liên tục.
   • Sử dụng biểu đồ dòng chảy không đầy (Hình 7.1) để tìm tỷ lệ V/Vf dựa trên Q/Qf.
4. Biểu mẫu thiết kế cống hoàn chỉnh chỉ ra rằng cống bê tông cốt thép (RCP) đường kính 1.500 mm (60 in.), với lối vào dạng nhô ra và mép đầu ống có rãnh (projecting groove end entrance), hoạt động trong điều kiện inlet control , sẽ tạo ra mực nước thượng lưu (HW) thấp hơn cao độ mặt đường 0.9 m (2.95 ft).
5. Vận tốc tại cửa ra tương đối cao, do đó cần có biện pháp bảo vệ cửa ra để giảm nguy cơ xói lở.

9.9 Thiết kế cải tiến Inlet

Công suất của trạng thái outlet control bị chi phối bởi headwater, tailwater, cấu hình cửa vào và các đặc điểm của lòng cống. Đặc tính của lối vào phụ thuộc vào diện tích mặt cắt, hình dạng và tình trạng mép ống, trong khi các đặc điểm của lòng cống bao gồm diện tích, hình dạng, độ dốc, chiều dài và độ nhám ảnh hưởng đến khả năng dẫn nước và thủy lực bên trong cống.

Việc cải tiến inlet của các cống hoạt động trong điều kiện outlet control sẽ làm giảm tổn thất ở inlet, nhưng các tổn thất này chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng headwater. Do đó, chỉ những điều chỉnh nhỏ trong hình học của inlet mà không làm tăng nhiều chi phí mới được coi là hợp lý.

Công suất của cống ở trạng thái inlet control chỉ bị chi phối bởi cấu hình cửa vào và headwater. Các đặc điểm của thân cống và tailwater thường không quan trọng vì các cống ở trạng thái inlet control thường chảy không đầy. Cải tiến inlet có thể dẫn đến dòng đầy hoặc gần như đầy, từ đó tăng đáng kể khả năng dẫn nước của cống.

Như đã trình bày trong Mục 9.3, các cải tiến inlet bao gồm inlet vát cạnh (bevel-edged inlets), inlet thuôn bên (side-tapered inlets) và inlet thuôn dốc (slope-tapered inlets). Các mép vát làm giảm sự co hẹp dòng chảy bằng cách mở rộng hiệu quả mặt đầu của thân cống. Mép vát là các bề mặt phẳng, nhưng các cạnh bo tròn gần giống như mép vát và đầu nối (người dịch – đầu loe nối ống tròn kiểu âm-dương) ống BTCT cũng hiệu quả. Khuyến nghị sử dụng mép vát cho tất cả các tường đầu (headwalls).

Một cấp độ cải tiến tiếp theo là đầu vào thuôn bên (side-tapered inlet). Các inlet thuôn giúp cải thiện hiệu suất cống bằng cách tạo ra tiết diện điều khiển hiệu quả hơn, gọi là cổ họng (throat). Tiết diện face inlet được mở rộng và phần chuyển tiếp vào thân cống được thực hiện bằng cách vuốt thuôn các vách bên. Face inlet có cùng chiều cao với thân cống, và phần trên cùng và dưới cùng kéo dài từ đỉnh và đáy của thân cống. Giao giữa phần thuôn bên và phần thân được định nghĩa là tiết diệt throat. Có hai tiết diện control ở inlet thuôn bên là face control và throat control. Throat control làm giảm co thắt tại throat.

Mức cải tiến thứ ba là inlet thuôn dốc (slope-tapered inlet). Ưu điểm của inlet thuôn dốc so với inlet thuôn bên (side-tapered inlet) không có chỗ hạ thấp là áp lực nước lớn hơn sẽ được tác dụng tại tiết diện throat control. Cả face control và thoat control đều có thể xảy ra trong inlet thuôn dốc; tuy nhiên, vì phần chi phí chính của một cống nằm ở thân cống chứ không phải cấu trúc inlet, nên mặt inlet nên được thiết kế với khả năng dẫn nước lớn hơn tại cao độ headwater cho phép so với tại throat. Điều này sẽ đảm bảo rằng control dòng xảy ra tại throat và khai thác được nhiều hơn khả năng tiềm năng của thân cống.

9.10 Thiết kế cống sử dụng HY-8

HY-8 là chương trình phân tích cống của FHWA, hoạt động tương tác và sử dụng các phương pháp phân tích trong HDS-5. Chương trình này có thể tính toán thủy lực cống và đường mặt nước cho các loại hình dạng cống sau:

• Cống tròn (Circular)
• Cống chữ nhật (Rectangular)
• Cống hình elip (Elliptical)
• Cống vòm kim loại (Pipe Arch)
• Cống hộp kim loại (Metal Box)
• Cống có hình dạng do người dùng tự định nghĩa (User-Defined Geometry)

Ngoài ra, HY-8 còn có thể:

• Xác định cống có cửa vào cải tiến (Improved Inlets)
• Phân tích điều kiện inlet control và outlet control cho cống chảy đầy và không đầy
• Phân tích điều kiện mực nước hạ lưu (Tailwater) trong kênh hình thang hoặc kênh được định nghĩa theo tọa độ
• Phân tích dòng chảy tràn qua nền đường
• Cân bằng lưu lượng qua nhiều cống trong hệ thống thoát nước.