13.1 Tổng quan
Việc đảm bảo thoát nước đầy đủ là yếu tố thiết yếu để duy trì sự tồn tại của con đường. Thiết kế hệ thống thoát nước hiệu quả về mặt kinh tế đạt được bằng cách thực hiện công trình với chi phí thấp nhất nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
Hệ thống thoát nước hợp lý về chi phí là hệ thống duy trì sự cân bằng giữa chi phí đầu tư ban đầu, chi phí do thiệt hại do lũ lụt gây ra và chi phí bảo trì, đồng thời có đủ khả năng và biện pháp bảo vệ để thoát được lượng dòng chảy thiết kế. Việc lựa chọn tần suất của trận mưa thiết kế là một vấn đề kinh tế, trong khi việc ước tính lượng dòng chảy sinh ra từ một trận mưa có tần suất xác định thuộc lĩnh vực thủy văn. Chương này sẽ thảo luận một số yếu tố cần xem xét khi lựa chọn các công trình thoát nước đường bộ theo hướng kinh tế.
13.2 Tần suất của trận mưa thiết kế
Chi phí trung bình hàng năm của một công trình thoát nước là tổng của:
- Chi phí đầu tư ban đầu chia cho tuổi thọ dự kiến của công trình.
- Chi phí bảo trì trung bình hàng năm.
- Chi phí hàng năm cho các thiệt hại có thể xảy ra khi dòng chảy vượt quá khả năng thiết kế của công trình.
Chi phí bảo trì trung bình hàng năm có thể bao gồm cả chi phí do thiệt hại từ lũ lụt vượt quá công suất thiết kế nếu tình huống này xảy ra. Tuy nhiên, tốt hơn là tách riêng các chi phí này. Ví dụ, nếu một công trình được thiết kế để thoát lũ có chu kỳ 10 năm nhưng gặp phải một trận lũ có chu kỳ 200 năm trong vài năm đầu vận hành, việc cộng dồn chi phí sửa chữa vào chi phí bảo trì trung bình hàng năm sẽ làm sai lệch đánh giá tổng thể. Do đó, chi phí hàng năm cho thiệt hại do lũ nên được tính bằng tổng chi phí thiệt hại khi lũ vượt quá công suất thiết kế chia cho chu kỳ tái diễn (số năm) của trận mưa thiết kế.
Nếu các chi phí này có thể được đánh giá cho nhiều tổ hợp khác nhau, hệ thống thoát nước có chi phí trung bình hàng năm thấp nhất sẽ được xác định là giải pháp kinh tế nhất. Khi đó, tần suất tối ưu của trận mưa thiết kế sẽ là tần suất gắn với lượng dòng chảy tạo ra chi phí trung bình hàng năm thấp nhất khi kết hợp với các yếu tố chi phí khác. Tuy nhiên, ba yếu tố chi phí này có mối quan hệ phức tạp và khó đánh giá, đặc biệt là chi phí thiệt hại do dòng chảy vượt quá mức thiết kế.
Chi phí thiệt hại do lũ bao gồm không chỉ chi phí gián đoạn giao thông do nước lũ hoặc đường bị cuốn trôi, mà còn cả chi phí sửa chữa hệ thống thoát nước và đường bộ, cũng như thiệt hại bổ sung đối với các tài sản liền kề do sự hiện diện của đường cao tốc. Ngoài ra, mức độ thiệt hại còn phụ thuộc vào mức độ mà dòng chảy thực tế vượt quá dòng chảy thiết kế.
Việc phân tích riêng lẻ từng hệ thống thoát nước nhỏ là không thực tế, thậm chí không khả thi. Giải pháp tốt nhất là nghiên cứu các điều kiện trung bình và lựa chọn tần suất dòng chảy thiết kế phù hợp cho từng loại công trình thoát nước theo phân loại của đường. Tần suất thiết kế có thể khác nhau giữa các khu vực, thậm chí trong cùng một bang, tùy thuộc vào địa hình hoặc mật độ dân cư. Ngoài ra, có thể cần điều chỉnh riêng tại những vị trí có nguy cơ thiệt hại cao do lũ nhưng chi phí để xây dựng một công trình lớn hơn nhằm thoát một trận lũ ít xảy ra lại không quá lớn.
Phân tích kinh tế trong thiết kế công trình thoát nước được trình bày trong HEC-17 (Corry et al., 1981).