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.
Thiết bị 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
- Công trình kiểm soát rác (Debris Control Structure) – nếu cần
Mặc dù thiết bị 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 thiết bị 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 thiết bị tiêu năng phù hợp.
Trong suốt quá trình thiết kế, mục tiêu chính của thiết bị 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 thiết bị tiêu năng làm thay đổi đáng kể điều kiện dòng chảy so với kênh tự nhiên.
Nếu cần sử dụng thiết bị tiêu năng, bước đầu tiên nên là:
- 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 thân cống (culvert barrel).
- 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 thiết bị 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 linh hoạt (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 cao tốc, 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 (kiểm soát tại cửa vào hoặc kiểm soát tại cửa ra).
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 điều kiện kiểm soát tại cửa ra 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 Thiết bị 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:
- Bể tiêu năng thành cứng của Đại học Bang Colorado (CSU Rigid Boundary Basin)
- Bể tiêu năng loại IV của USBR (USBR Type IV Basin)
- Bể tiêu năng St. Anthony Falls (St. Anthony Falls Basin)
Bể tiêu năng thành cứng của Đại học Bang Colorado (CSU Rigid Boundary Basin)
- Thiết kế này được phát triển dựa trên các thử nghiệm mô hình về bể tiêu năng có sự mở rộng đột ngột (Hình 10.1).
- Tuy nhiên, cấu hình được khuyến nghị sử dụng là bể 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.
Bể tiêu năng 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).
- Bể SAF được khuyến nghị sử dụng cho số Froude (Froude Number) trong khoảng từ 1.7 đến 17.
- Tương tự như bể tiêu năng CSU, các tiêu chí thiết kế của SAF được phát triển dựa trên kết quả thử nghiệm mô hình.
10.5 Bể tiêu năng dạng va đập
Như tên gọi, bể tiêu năng dạng va đập (Impact Basin) được thiết kế với một phần cấu trúc chặn trực tiếp dòng chảy tự do của nước.
- Khi dòng nước va đập vào cấu trúc này, năng lượng được tiêu hao và chế độ dòng chảy hạ lưu bị điều chỉnh.
- Các loại bể tiêu năng dạng va đập bao gồm:
- Bể tiêu năng Contra Costa (Contra Costa Energy Dissipator)
- Bể tiêu năng kiểu Hook (Hook Type Energy Dissipator)
- Bể tiêu năng USBR Type VI (USBR Type VI Stilling Basin)
Bể tiêu năng dạng va đập được sử dụng phổ biến nhất trong kỹ thuật đường cao tốc là bể tiêu năng USBR Type VI (Hình 10.3).
- Cấu trúc của bể có dạng hộp nhỏ gọn, không yêu cầu mực nước hạ lưu (tailwater) để hoạt động hiệu quả.
- Hình dạng của bể được phát triển từ các thử nghiệm chuyên sâu, dẫn đến một thiết kế dựa trên tấm cản treo thẳng đứng (vertical hanging baffle).
Cơ chế tiêu năng
- Dòng chảy va đập vào tấm cản treo thẳng đứng, sau đó bị phản xạ ngược về phía thượng lưu bởi:
- Phần ngang của tấm cản (horizontal portion of the baffle)
- Sàn bể tiêu năng (floor of the basin)
- Các xoáy ngang (horizontal eddies) hình thành, giúp tiêu hao năng lượng của dòng chảy.
Chức năng tự làm sạch
- Các khe hở (notches) trên tấm cản giúp bể tự làm sạch sau một thời gian dài không sử dụng.
- Nếu bể bị lắng đọng nhiều trầm tích, các khe hở sẽ tạo ra tia nước tập trung giúp làm sạch bể.
- Nếu bể hoàn toàn bị tắc nghẽn, toàn bộ dòng chảy có thể tràn qua đỉnh tấm cản, đảm bảo hệ thống vẫn hoạt động.
Giới hạn ứng dụng
- Vận tốc dòng chảy tại cửa vào bể không được vượt quá 15 m/s (50 ft/s).
- Lưu lượng xả tối đa không vượt quá 11 m³/s (400 ft³/s).
10.6 Bậc tiêu năng
Bậc tiêu năng (Drop Structure) thường được sử dụng để kiểm soát dòng chảy và tiêu năng.
- Bằng cách lắp đặt các bậc tiêu năng theo từng khoảng dọc theo kênh, độ dốc tổng thể của kênh được chia nhỏ thành nhiều đoạn có độ dốc nhẹ hơn kèm theo các bậc thẳng đứng.
- Thay vì giảm tốc độ dòng chảy để chuyển vận tốc có khả năng gây xói mòn thành vận tốc thấp hơn không gây xói mòn, các bậc tiêu năng kiểm soát độ dốc của kênh để vận tốc cao không bao giờ phát triển.
- Năng lượng động học (hoặc vận tốc) của nước khi chảy qua đỉnh của từng bậc tiêu năng sẽ được tiêu tán nhờ các kết cấu đặc biệt như thảm bảo vệ (apron) hoặc bể tiêu năng (stilling basin).
Tiêu năng xảy ra thông qua:
- Sự va đập của nước rơi xuống nền đáy bể.
- Sự đổi hướng dòng chảy.
- Nhiễu động dòng chảy.
Bể tiêu năng được sử dụng để tiêu hao năng lượng dư thừa có thể có nhiều dạng, từ:
- Thảm bê tông đơn giản (simple concrete apron)
- Thảm bê tông kết hợp với các cấu kiện cản dòng như khối cản (baffle blocks), bậc ngưỡng (sills) hoặc bậc nhô đột ngột (abrupt rises)
- Việc bổ sung các cấu kiện cản dòng có thể giúp rút ngắn chiều dài thảm bê tông cần thiết để tiêu năng hiệu quả hơn.
Hình 10.4 minh họa một bể tiêu năng dạng bậc thẳng đứng (straight drop stilling basin) có khối cản sàn (floor blocks) và bậc ngưỡng cuối (end sill).
10.7 Giếng tiêu năng
Giếng tiêu năng (Stilling Well) hoạt động bằng cách buộc dòng chảy di chuyển theo phương thẳng đứng trước khi xả vào kênh hạ lưu, giúp tiêu hao năng lượng động học.
- Loại giếng tiêu năng được sử dụng phổ biến nhất trong kỹ thuật đường cao tốc là Giếng tiêu năng của Quân đoàn Công binh Hoa Kỳ (Corps of Engineers Stilling Well) (Hình 10.5).
- Loại giếng này thích hợp trong các khu vực không có vấn đề nghiêm trọng về rác thải.
- Có thể hoạt động tốt với nồng độ cát và bùn vừa đến cao, nhưng không được khuyến nghị cho các khu vực có lượng lớn rác trôi nổi hoặc lăn theo dòng chảy, trừ khi có biện pháp kiểm soát rác phù hợp.
Giếng tiêu năng thường được sử dụng tại cửa xả của hệ thống thoát nước mưa và ống thoát dọc (pipe down drains), nơi khả năng xuất hiện rác lớn là thấp. Nên sử dụng đá hộc (riprap) hoặc các biện pháp bảo vệ kênh khác xung quanh cửa ra của giếng tiêu năng để hạn chế xói mòn.
10.8 Bể tiêu năng đá hộc
Bể tiêu năng đá hộc (Riprap Stilling Basin) là một trong những phương pháp tiêu năng phổ biến tại cửa ra của cống (Hình 10.6).
- Quy trình thiết kế thiết bị tiêu năng đá hộc được phát triển dựa trên thử nghiệm mô hình.
- Kết quả thử nghiệm cho thấy:
- Kích thước của hố xói tại cửa ra cống phụ thuộc vào:
- Kích thước đá hộc (Riprap size)
- Lưu lượng xả (Discharge)
- Độ sâu mép dòng chảy (Brink Depth)
- Độ sâu mực nước hạ lưu (Tailwater Depth)
- Kích thước của hố xói tại cửa ra cống phụ thuộc vào:
Cơ chế tiêu năng của bể đá hộc
- Khối vật liệu đá tích tụ ở hạ lưu của hố xói góp phần làm tiêu hao năng lượng dòng chảy.
- Điều này giúp giảm kích thước hố xói, hạn chế tác động tiêu cực lên kênh hạ lưu.
Hướng dẫn thiết kế chung
- Hố xói cần được tạo hình trước (Preshaping the scour hole).
- Lót toàn bộ hố xói bằng lớp đá hộc phù hợp để ổn định dòng chảy và giảm thiểu xói mòn.
10.9 Thiết kế thiết bị tiêu năng sử dụng HY-8
Thiết kế thiết bị 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 thiết bị tiêu năng.
