10 Thiết kế cấu trúc tiêu năng

10.1 Các khái niệm thiết kế chung

Hệ thống đường giao thông có thể dễ bị tổn thương trước các lực xói mòn trong mạng lưới thoát nước tự nhiên. Do đó, các nguyên tắc thiết kế cần được áp dụng để xử lý sự chặn dòng, tập trung dòng chảy và thu hẹp lòng suối tự nhiên, nhằm đảm bảo không làm tăng nguy cơ xói mòn do sự hiện diện của tuyến đường.

Các cấu trúc tiêu năng (Energy Dissipators) nên được xem như một phần của hệ thống thiết kế tổng thể, bao gồm:

• Cống (Culvert)
• Bảo vệ kênh (Channel Protection) ở cả thượng lưu và hạ lưu
• Kiểm soát mảnh vỡ (Debris Control Structure) – nếu cần

Mặc dù cấu trúc tiêu năng thường được sử dụng để xử lý dòng chảy tại cửa ra của cống, nhưng chúng cũng có thể được áp dụng để bảo vệ chống xói mòn tại cửa ra của hệ thống thoát nước mưa hoặc các kênh có vận tốc cao khác.

Khi thiết kế bất kỳ thành phần nào trong hệ thống thoát nước, cần xem xét mối quan hệ tương tác giữa các yếu tố này. Ví dụ:

• Yêu cầu về cấu trúc tiêu năng có thể giảm, tăng hoặc không cần thiết nếu có sự thay đổi trong thiết kế cống.
• Các điều kiện kênh hạ lưu (vận tốc, độ sâu và độ ổn định kênh) sẽ ảnh hưởng đến việc lựa chọn và thiết kế cấu trúc tiêu năng phù hợp.

Trong suốt quá trình thiết kế, mục tiêu chính của các cấu trúc tiêu năng là bảo vệ kết cấu đường và khu vực lân cận khỏi hư hại do xói mòn quá mức.

Một cách để đạt được mục tiêu này là trả lại dòng chảy về kênh hạ lưu với điều kiện gần giống dòng chảy tự nhiên. Điều này cũng có nghĩa là tránh sử dụng các cấu trúc tiêu năng làm thay đổi đáng kể điều kiện dòng chảy so với kênh tự nhiên.

Nếu cần sử dụng cấu trúc tiêu năng, bước đầu tiên nên là:

1. Xem xét các phương án thay đổi vận tốc dòng chảy tại cửa ra hoặc giảm tiềm năng gây xói mòn, chẳng hạn như điều chỉnh trong lòng cống (culvert barrel).
2. Nếu việc điều chỉnh nội bộ không hiệu quả về mặt chi phí hoặc không khả thi về mặt thủy lực, thì cần lựa chọn và thiết kế cấu trúc tiêu năng bên ngoài.

Các mục sau đây sẽ tóm tắt các yếu tố quan trọng trong thiết kế thiết bị tiêu năng. Để có hướng dẫn chi tiết hơn, tham khảo HEC-14 (Thompson và Kilgore, 2006).

10.2 Nguy cơ xói mòn

Xói mòn tại cửa vào của cống thường không phải là vấn đề nghiêm trọng. Khi cống hoạt động với lưu lượng thiết kế, nước thường sẽ tích tụ tại cửa vào, và vận tốc chỉ tăng đáng kể tại một khoảng cách xấp xỉ bằng chiều cao của cống ở phía thượng lưu.

• Vận tốc trung bình gần cửa vào có thể được ước tính bằng cách lấy lưu lượng chia cho diện tích cửa cống.
• Nguy cơ xói mòn tại cửa vào nên được đánh giá dựa trên ước tính vận tốc này.
• Lưu ý: Xói mòn có thể nghiêm trọng hơn khi lưu lượng nhỏ hơn lưu lượng thiết kế, vì mực nước tích tụ tại cửa vào thấp hơn và vận tốc có thể cao hơn. Điều này đặc biệt đúng với các kênh có độ dốc lớn và dòng chảy vận tốc cao.

Hầu hết các hư hỏng tại cửa vào xảy ra ở cống có thân ống loại mềm, có cửa vào nhô ra hoặc cắt vát, đặc biệt là khi không có tường đầu (headwall) hoặc biện pháp bảo vệ cửa vào.

• Cửa vào nhô ra (Projecting Inlet) có thể bị uốn cong hoặc biến dạng do lực nổi.
• Cửa vào vát theo mái dốc (Mitered Entrance) có thể bị ép cong vào trong bởi áp lực thủy lực.
• Để tránh các hư hỏng này, cần bảo vệ cửa vào bằng tường đầu bê tông hoặc lát mái dốc (slope paving).

Xói mòn tại cửa ra là một vấn đề phổ biến.

• Khi thiết kế cống trên đường bộ, cần thực hiện phân tích tiêu chuẩn về điều kiện dòng chảy, khả năng gây xói và mức độ dễ bị xói mòn của kênh thoát hạ lưu.
• Biện pháp an toàn duy nhất là thiết kế cống dựa trên giả định rằng xói mòn tại cửa ra và kênh hạ lưu sẽ xảy ra và cần có biện pháp bảo vệ phù hợp.

10.3 Vận tốc tại cửa ra cống và biện pháp điều chỉnh

Phương trình liên tục (Continuity Equation – Phương trình 3.1) có thể được sử dụng trong mọi trường hợp để tính toán vận tốc dòng chảy tại cửa ra của cống, dù là bên trong thân cống hay ngay tại cửa ra.

• Khi đã biết lưu lượng thiết kế, thông tin duy nhất còn cần thiết để tính vận tốc là diện tích dòng chảy.
• Diện tích này phụ thuộc vào loại kiểm soát dòng chảy (inlet control hay outlet control).

Vận tốc dòng chảy tại cửa ra là một trong những yếu tố chính gây xói mòn.

• Vận tốc tại cửa ra của cống hiếm khi nhỏ hơn 3 m/s (10 ft/s).
• Đối với cống có độ dốc nhẹ, vận tốc có thể lên đến 10 m/s (30 ft/s) hoặc thậm chí cao hơn đối với cống có độ dốc lớn.
• Nếu vận tốc tại cửa ra cao hơn vận tốc trong kênh thoát hạ lưu, cần xem xét biện pháp điều chỉnh hoặc giảm vận tốc bên trong thân cống.

Điều chỉnh vận tốc tại cửa ra

• Việc giảm vận tốc trong cống thường có giới hạn, do phải cân nhắc giữa hiệu quả thủy lực và chi phí gia tăng.
• Các biện pháp điều chỉnh vận tốc cần được xem xét để đảm bảo tính khả thi về mặt kinh tế và kỹ thuật.

10.3.1 Cống trên Độ Dốc Nhẹ

Đối với cống có độ dốc nhẹ hoạt động trong trạng thái outlet control với mực nước hạ lưu cao (Hình 9.5a và 9.5b), vận tốc tại cửa ra được xác định bằng diện tích toàn bộ thân cống.

• Trong điều kiện này, có thể giảm vận tốc bằng cách tăng kích thước cống.
• Tuy nhiên, khi mực nước hạ lưu cao, xói mòn có thể không phải là vấn đề nghiêm trọng, vì nước tích tụ tại cửa ra sẽ hoạt động như một thiết bị tiêu năng tự nhiên.
• Điều quan trọng là phải xác định liệu mực nước hạ lưu có luôn kiểm soát dòng chảy hay không, hay các điều kiện khác trong Hình 9.5 có thể xảy ra.

Dòng chảy đầy với độ sâu tới hạn bằng đỉnh cống (Hình 9.5c)

• Khi lưu lượng đủ lớn để tạo ra độ sâu tới hạn bằng với chiều cao cống, cống sẽ chảy đầy.
• Trong trường hợp này, vận tốc tại cửa ra sẽ dựa trên diện tích toàn bộ thân cống.
• Có thể giảm vận tốc bằng cách tăng kích thước cống, nhưng cần kiểm tra xem liệu kích thước tăng lên có làm giảm độ sâu dòng chảy dưới mức đỉnh cống, dẫn đến dòng chảy không đầy tại cửa ra hay không.
• Nếu xảy ra tình trạng này, diện tích dòng chảy thực tế cần được sử dụng trong phương trình liên tục thay vì diện tích toàn bộ thân cống.

Dòng chảy với độ sâu tới hạn gần cửa ra (Hình 9.5d và 9.5e)

• Khi cống xả nước với độ sâu tới hạn xảy ra gần cửa ra, việc tăng kích thước cống thường không làm giảm đáng kể vận tốc tại cửa ra.
• Tương tự, việc tăng hệ số nhám (n) cũng không ảnh hưởng đến vận tốc tại cửa ra, vì độ sâu tới hạn không phụ thuộc vào hệ số nhám.

10.3.2 Cống trên Độ Dốc Lớn

Đối với cống chảy trên độ dốc lớn và không có mực nước hạ lưu (tailwater) (Hình 9.4a và 9.4c), vận tốc tại cửa ra có thể được xác định bằng cách tính toán độ sâu normal.

• Khi độ sâu normal được thiết lập trên độ dốc lớn, việc tăng kích thước thân cống có thể làm giảm vận tốc tại cửa ra một chút.
• Tuy nhiên, độ dốc là yếu tố quyết định chính trong việc xác định độ sâu normal .
• Ngay cả khi tăng gấp đôi kích thước hoặc chiều rộng cống, vận tốc cũng không thay đổi đáng kể, do đó phương pháp này không hiệu quả về mặt chi phí.

Các biện pháp giảm vận tốc tại cửa ra:

• Tăng số lượng thân cống (multi-barrel culverts) có thể giúp giảm vận tốc tại cửa ra, nhưng phương pháp này cũng không thực sự hiệu quả về mặt chi phí.
• Tăng độ nhám bên trong thân cống (barrel resistance) là một giải pháp hiệu quả hơn trong việc giảm vận tốc tại cửa ra của cống trên độ dốc lớn. Mục tiêu là buộc dòng chảy đầy tại cửa ra mà không làm tăng thêm mực nước thượng lưu (headwater).

Các phương pháp tạo độ nhám trong thân cống:

HEC-14 (Thompson và Kilgore, 2006) trình bày nhiều phương pháp tạo thêm độ nhám để giảm vận tốc, bao gồm:

• Thay đổi vật liệu ống cống (Changing Pipe Material)
• Lắp đặt vách chắn (Baffles)
• Sử dụng vòng tạo nhám (Roughness Rings)

HEC-14 cũng cung cấp các quy trình thiết kế chi tiết để áp dụng những phương pháp này một cách hiệu quả.

10.4 Cấu trúc tiêu năng sử dụng cú nhảy thủy lực

Cú nhảy thủy lực (Hydraulic Jump) là một hiện tượng tự nhiên xảy ra khi dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow) chuyển sang dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow) (xem Chương 4).

• Sự thay đổi đột ngột này tạo ra nhiễu động mạnh và làm tiêu hao năng lượng đáng kể, khiến cú nhảy thủy lực trở thành một yếu tố tiêu năng hiệu quả.
• Để kiểm soát tốt hơn vị trí và chiều dài của cú nhảy thủy lực, các công trình tiêu năng tiêu chuẩn đã được phát triển để ép dòng chảy tạo ra cú nhảy thủy lực theo vị trí mong muốn.

Cấu trúc tiêu năng ép dòng chảy tạo cú nhảy thủy lực

• Các cấu trúc này thường sử dụng khối chắn (blocks), bậc ngưỡng (sills) hoặc các phần tử tạo nhám để tăng cường sức cản dòng chảy.
• Một tài liệu tham khảo quan trọng về thiết bị tiêu năng ép dòng chảy tạo cú nhảy thủy lực là USBR (1964).
• Các cấu trúc tiêu năng ép dòng chảy phổ biến trong thiết kế đường bao gồm:
  1. CSU Rigid Boundary Basin (của Đại học Bang Colorado)
  2. USBR Type IV Basin
  3. St. Anthony Falls Basin

CSU Rigid Boundary Basin

• Thiết kế này được phát triển dựa trên các thử nghiệm mô hình về tiêu năng có sự mở rộng đột ngột (Hình 10.1).
• Tuy nhiên, cấu hình được khuyến nghị sử dụng là khu vực tiêu năng kết hợp dạng mở rộng loe và mở rộng đột ngột (flared-abrupt expansion basin).

Đặc điểm chính:

• Các phần tử tạo nhám được bố trí đối xứng theo trục giữa của bể tiêu năng.
• Khoảng cách giữa các phần tử tạo nhám xấp xỉ bằng chiều rộng của mỗi phần tử.
• Các hàng phần tử tạo nhám được bố trí so le nhau để tối ưu hóa khả năng tiêu năng.
• Cần có lớp đá hộc (riprap) tại khu vực ngắn phía hạ lưu bể tiêu năng để giảm thiểu xói mòn.

St. Anthony Falls Basin

St. Anthony Falls (SAF) là một thiết kế phổ biến hơn, sử dụng các cấu kiện đặc biệt, bao gồm khối hướng dòng (chute blocks) và khối cản hoặc khối sàn (baffle or floor blocks), để ép dòng chảy tạo cú nhảy thủy lực (Hình 10.2).

• Cấu trúc SAF được khuyến nghị sử dụng cho số Froude (Froude Number) trong khoảng từ 1.7 đến 17.
• Tương tự như cấu trúc tiêu năng CSU, các tiêu chí thiết kế của SAF được phát triển dựa trên kết quả thử nghiệm mô hình.

10.5 Impact basins

Đúng như tên gọi, các impact basin được thiết kế với một phần kết cấu vật lý chặn lại dòng nước xả tự do. Khi nước va vào kết cấu này, năng lượng được tiêu tán và chế độ dòng chảy ở hạ lưu bị thay đổi. Các impact basin bao gồm cấu trúc tiêu năng Contra Costa, cấu trúc tiêu năng dạng móc (Hook type energy dissipator), và cấu trúc lắng USBR loại VI (USBR Type VI Stilling Basin).

Loại impact basin được sử dụng phổ biến nhất trong kỹ thuật đường giao thông là USBR Type VI (Hình 10.3). Kết cấu này nằm trong một cấu trúc dạng hộp tương đối nhỏ và không yêu cầu tailwater để hoạt động hiệu quả. Hình dạng của basin này được phát triển từ các thử nghiệm thực nghiệm chuyên sâu và dẫn đến thiết kế xoay quanh một tấm cản treo thẳng đứng (vertical hanging baffle). Việc tiêu tán năng lượng xảy ra khi dòng chảy va vào tấm cản đứng này và bị đẩy ngược lên bởi phần nằm ngang của tấm cản và bởi mặt đáy, tạo ra các xoáy ngang. Các rãnh khía trên tấm cản mang lại tính năng tự làm sạch sau một thời gian dài không sử dụng. Nếu basin đầy bùn cát, các rãnh này tạo ra các tia nước tập trung để cuốn trôi cặn; nếu basin bị tắc hoàn toàn, toàn bộ dòng chảy có thể tràn qua phía trên tấm cản. Việc sử dụng basin này chỉ giới hạn ở những vị trí mà tốc độ dòng chảy tại cửa vào không vượt quá 15 m/s (50 ft/s) và lưu lượng không vượt quá 11 m³/s (400 ft³/s).

10.6 Cấu trúc bậc (Drop Structure)

Cấu trúc bậc (drop structures) thường được sử dụng để kiểm soát dòng chảy và tiêu tán năng lượng. Việc giảm độ dốc kênh bằng cách bố trí các cấu trúc bậc theo khoảng cách dọc theo kênh sẽ biến một đoạn kênh có độ dốc liên tục lớn thành chuỗi các đoạn có độ dốc nhẹ hơn với các bậc thẳng đứng. Thay vì chỉ làm giảm tốc độ dòng chảy và chuyển đổi các vận tốc gây xói mòn mạnh thành các vận tốc không gây xói mòn, cấu trúc bậc điều chỉnh độ dốc của kênh để vận tốc cao không hình thành. Năng lượng động hoặc vận tốc mà nước thu được khi chảy qua mép mỗi bậc sẽ được tiêu tán thông qua các bản chuyển tiếp hoặc cấu trúc tiêu năng khác được thiết kế chuyên biệt.

Tiêu tán năng lượng xảy ra nhờ nước rơi va đập vào nền đáy, thay đổi hướng dòng chảy, và tạo ra dòng xoáy. Vùng tiêu năng dùng để tiêu tán năng lượng dư có thể đơn giản là một bản bê tông, hoặc là bản bê tông kết hợp với các chướng ngại dòng như khối cản (baffle blocks), gờ chắn (sills), hoặc các đoạn nhô đột ngột. Chiều dài của bản bê tông có thể được rút ngắn nhờ bổ sung các cấu kiện này. Hình 10.4 minh họa một cấu trúc bậc tiêu năng với các khối đáy và tường chắn cuối.

10.7 Giếng tĩnh (Stilling Well)

Giếng tĩnh (stilling well) tiêu tán năng lượng động bằng cách buộc dòng chảy phải đi theo phương thẳng đứng lên trên để vào kênh hạ lưu. Loại stilling well được sử dụng phổ biến nhất trong kỹ thuật đường giao thông là stilling well của Công binh Lục quân Hoa Kỳ (Corps of Engineers Stilling Well, Hình 10.5). Loại giếng này phù hợp trong điều kiện có bùn cát nhưng không có vấn đề nghiêm trọng với rác. Nó hoạt động tốt với nồng độ bùn cát vừa đến cao, nhưng không được khuyến nghị ở những nơi có nhiều rác lớn trôi nổi hoặc lăn được, trừ khi có các thiết bị chắn rác phù hợp. Ứng dụng hiệu quả nhất của stilling well là tại các cửa thoát nước mưa và các ống xả thẳng đứng, nơi ít có rác trôi theo dòng. Cũng khuyến nghị lát đá hộc (riprap) hoặc sử dụng các biện pháp bảo vệ kênh khác tại cửa ra của stilling well.

10.8 Lát đá hộc tiêu năng (riprap stilling basin)

Riprap stilling basins thường được sử dụng tại các cửa xả của cống (Hình 10.6). Quy trình thiết kế cho cấu trúc này được phát triển từ các thử nghiệm mô hình. Kết quả thử nghiệm cho thấy kích thước của hố xói tại cửa ra của cống có liên quan đến kích thước của lớp đá hộc, lưu lượng xả, độ sâu tại mép xả và tailwater. Đống vật liệu đá thường hình thành ở đáy phía hạ lưu của hố xói góp phần tiêu tán năng lượng và làm giảm kích thước của hố xói. Hướng dẫn thiết kế tổng quát cho lát đá hộc tiêu năng bao gồm tạo hình trước cho hố xói và lát đá hộc vào đó.

10.9 Thiết kế cấu trúc tiêu năng sử dụng HY-8

Thiết kế cấu trúc tiêu năng tại cửa ra cống dựa trên HEC-14 có thể được thực hiện bằng phần mềm HY-8. Cần có đường hiệu suất (performance curve) để thực hiện quá trình thiết kế và phân tích cấu trúc tiêu năng.