2 Các yếu tố cần xem xét trong thiết kế

2.1 Thủy văn

2.1.1 Tổng quan

Phân tích thủy văn bao gồm việc ước tính lưu lượng thiết kế dựa trên các đặc điểm khí hậu và lưu vực. Đây là bước đầu tiên trong thiết kế Culvert. Chương này cung cấp tổng quan ngắn gọn về phân tích thủy văn. Để có thông tin chi tiết hơn, xem HDS 2 (FHWA 2002).

Một khái niệm thống kê thường liên quan đến phân tích thủy văn là chu kỳ lặp lại của lưu lượng. Về mặt thống kê, chu kỳ lặp lại là nghịch đảo của tần suất xuất hiện. Ví dụ, trận lũ có 2% khả năng xảy ra hoặc vượt quá (tần suất) trong bất kỳ năm nào có chu kỳ lặp lại là 50 năm, tức là: 1/0.02=501 / 0.02 = 50 năm. Lưu ý rằng điều này không có nghĩa là trận lũ này sẽ xảy ra theo chu kỳ đều đặn mỗi 50 năm. Hai trận lũ có chu kỳ lặp lại 50 năm có thể xảy ra liên tiếp trong hai năm hoặc cách nhau 500 năm. Chu kỳ lặp lại chỉ là giá trị trung bình trong dài hạn giữa các lần xảy ra.

Các công trình Culvert lớn và có chi phí cao có thể cần đến phân tích thủy văn chi tiết hơn. Việc nâng cao mức độ phân tích này có thể cần thiết để thực hiện đánh giá rủi ro (xem Mục 1.6.4), trong đó kích thước công trình và/hoặc yêu cầu về độ chính xác cao hơn của phân tích thủy văn có thể được chứng minh là cần thiết. Các phương pháp thủy văn phức tạp hơn cũng được yêu cầu để mô phỏng toàn bộ quá trình lũ khi thực hiện tính toán điều tiết dòng chảy (xem Mục 5.8). Tuy nhiên, các tình huống này không xảy ra thường xuyên, và hầu hết Culvert trên đường bộ được thiết kế bằng các phương pháp thủy văn đơn giản chỉ nhằm dự báo lưu lượng đỉnh.

Mặc dù các Culvert từ trước đến nay chủ yếu được thiết kế để đảm bảo khả năng thoát nước trong các trận lũ lớn, nhưng việc hiểu rõ thủy văn dòng chảy nhỏ cũng rất quan trọng khi cần xem xét khả năng thông thủy cho sinh vật (AOP). Ví dụ, mực nước tối thiểu trong Culvert vào mùa hè có thể ảnh hưởng đến sự di chuyển và sinh sản của cá. Việc hiểu rõ thủy văn dòng chảy nhỏ cũng quan trọng đối với các điểm giao cắt với dòng chảy ở mực nước thấp, nơi thiết kế có thể đảm bảo khả năng thoát nước cho lưu lượng trung bình hằng năm, nhưng vẫn có thể bị tràn trong các trận lũ lớn. HDS 2 mô tả các đường cong thời gian dòng chảy và các công cụ khác để hiểu và mô tả điều kiện thủy văn dòng chảy nhỏ.

2.1.2 Lưu Lượng Thiết Kế Đỉnh

Khi một sóng lũ di chuyển qua một điểm trên dòng chảy, lưu lượng tăng lên đến giá trị cực đại và sau đó giảm dần. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của lưu lượng theo thời gian được gọi là hydrograph, và lưu lượng cực đại được gọi là lưu lượng đỉnh. Lưu lượng đỉnh đã và vẫn là một yếu tố quan trọng trong thiết kế Culvert.

Trong thiết kế Culvert truyền thống, công trình được thiết kế với kích thước đủ để truyền lưu lượng đỉnh từ một bên của nền đường sang bên kia với mực nước đầu chấp nhận được. Độ lớn của lưu lượng đỉnh phụ thuộc vào chu kỳ lặp lại được chọn. Việc xác định chu kỳ lặp lại thường dựa trên mức độ quan trọng của tuyến đường và nguy cơ thiệt hại do lũ lụt.

Đối với các vị trí có số liệu đo đạc (gaged sites), có thể thực hiện phân tích thống kê trên lưu lượng dòng chảy được ghi nhận để ước tính lưu lượng thiết kế đỉnh cho một chu kỳ lặp lại nhất định. Độ chính xác của ước tính này sẽ cải thiện khi thời gian ghi nhận dữ liệu kéo dài. HDS 2 cung cấp hướng dẫn chi tiết cho loại phân tích này. Tuy nhiên, do dữ liệu đo thực tế về dòng chảy thường chỉ có sẵn cho các sông và kênh lớn, nên phương pháp này hiếm khi được sử dụng trong thiết kế Culvert.

Các vị trí không có số liệu đo đạc (ungaged sites) thường gặp hơn trong thiết kế Culvert. Việc xác định lưu lượng tại một vị trí không có số liệu đo lường dựa trên các phương trình hồi quy hiện có hoặc một trong số các phương pháp thủy văn thực nghiệm. Các phương trình hồi quy khu vực để dự đoán lưu lượng đỉnh đã được phát triển trên toàn quốc dựa trên dữ liệu dòng chảy sẵn có. Những phương trình này thường yêu cầu các thông số cơ bản của lưu vực như diện tích lưu vực và độ dốc trung bình. Vì các dữ liệu cần thiết để phát triển phương trình hồi quy thường áp dụng cho lưu vực lớn, nên phương pháp này thích hợp nhất cho các khu vực thoát nước rộng và các dự án thiết kế Culvert quy mô lớn.

Ngoài ra, các phương pháp xác định (deterministic methods) cũng có thể được sử dụng để mô hình hóa quá trình mưa – dòng chảy dựa trên các phương trình và hệ số thực nghiệm khác nhau. Yếu tố đầu vào quan trọng nhất trong các phương pháp này là lượng mưa, và nó phải liên quan đến chu kỳ lặp lại mong muốn. Lượng dữ liệu lưu vực cần thiết sẽ phụ thuộc vào mức độ phức tạp của mô hình. Một trong những phương pháp đơn giản được sử dụng cho nhiều thiết kế Culvert nhỏ là Phương pháp Rational (Rational Method). Theo các giả định của phương pháp này, nó được áp dụng tốt nhất cho các lưu vực có diện tích nhỏ hơn 200 mẫu Anh (80 ha = 0.8km²).

Bảng 2.1 liệt kê một số phương pháp phổ biến được sử dụng để tính toán lưu lượng đỉnh cho các vị trí có và không có số liệu đo đạc.

Vị trí có số liệu đo đạc (Gaged Sites)	Vị trí không có số liệu đo đạc (Ungaged Sites)
Phân phối Log-Pearson loại III	Phương trình hồi quy của Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS)
	Phương pháp tính lưu lượng đỉnh của Cơ quan Bảo tồn Tài nguyên Thiên nhiên (NRCS)
	Phương pháp Rational

2.1.3 Kiểm Tra Lưu Lượng

Hoạt động của Culvert cần được đánh giá với các lưu lượng khác ngoài lưu lượng thiết kế đỉnh vì:

1. Việc kiểm tra hiệu suất của Culvert ở nhiều mức lưu lượng khác nhau là một thực hành thiết kế tốt để xác định điều kiện vận hành chấp nhận được.
2. Các quy định có thể yêu cầu phân tích lưu lượng lớn hơn lưu lượng được sử dụng để thiết kế Culvert, chẳng hạn như lưu lượng 100 năm thường được sử dụng để xác định vùng lũ quy chuẩn.
3. Khi thực hiện phân tích rủi ro lũ lụt, cần ước tính thiệt hại do mực nước dâng cao do lũ có các tần suất khác nhau.

Lưu lượng kiểm tra được xác định theo cách tương tự như lưu lượng thiết kế đỉnh. Quy trình thủy văn được sử dụng phải nhất quán trừ khi có những hoàn cảnh đặc biệt yêu cầu khác. Ví dụ, dữ liệu lưu lượng từ trạm đo có thể đủ dài để ước tính lưu lượng đỉnh 10 năm nhưng không đủ chính xác để tạo ra lưu lượng kiểm tra 100 năm. Trong những trường hợp này, cần sử dụng phương pháp khác để đánh giá lưu lượng kiểm tra.

2.1.4 Hydrograph

Hydrograph lũ là biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian. Hình 2.1 mô tả một hydrograph lũ điển hình, trong đó cho thấy sự gia tăng và giảm lưu lượng dòng chảy theo thời gian khi một trận lũ đi qua.

Một lý do cần sử dụng hydrograph là khi có xem xét đến khả năng chứa nước phía thượng lưu trong thiết kế Culvert. Hydrograph lũ thực tế có thể thu được từ dữ liệu đo dòng chảy tại các trạm quan trắc. Các sự kiện mưa bão đã đo được có thể được sử dụng để phát triển hydrograph thiết kế.

Trong trường hợp không có dữ liệu từ trạm đo dòng chảy, có thể sử dụng các phương pháp thực nghiệm hoặc toán học, chẳng hạn như phương pháp hydrograph tổng hợp Snyder và NRCS, để tạo hydrograph thiết kế.

Phương pháp Hydrograph Đơn vị là một quy trình phổ biến để xác định phản ứng của một lưu vực đối với một trận mưa thiết kế cụ thể. Hydrograph đơn vị biểu thị phản ứng dòng chảy của lưu vực đối với một lượng mưa đều 1 inch (1 mm) trong một khoảng thời gian xác định. Hydrograph đơn vị có thể được tạo từ dữ liệu của một lưu vực có số liệu đo đạc hoặc được tổng hợp từ các thông số mưa và lưu vực cho một lưu vực không có số liệu đo đạc. Hai phương pháp này được mô tả ngắn gọn dưới đây.

a. Xây dựng Hydrograph Đơn vị – Lưu vực có số liệu đo đạc

Để phát triển hydrograph đơn vị cho một lưu vực có số liệu đo đạc, người thiết kế cần có dữ liệu lưu lượng dòng chảy và lượng mưa trong một số sự kiện mưa. Dữ liệu mưa phải mang tính đại diện cho lượng mưa trên toàn lưu vực trong mỗi trận mưa. Ngoài ra, các trận mưa này nên có cường độ tương đối ổn định trong suốt thời gian mưa. Quy trình phát triển hydrograph đơn vị có thể tìm thấy trong HDS 2.

b. Hydrograph Đơn vị Tổng hợp

Hydrograph đơn vị tổng hợp có thể được phát triển trong trường hợp không có dữ liệu đo lưu lượng tại trạm quan trắc. Các phương pháp xây dựng hydrograph tổng hợp thường mang tính thực nghiệm và phụ thuộc vào nhiều tham số của lưu vực, chẳng hạn như diện tích lưu vực, độ dốc, mục đích sử dụng đất và loại đất. Hai phương pháp tổng hợp được sử dụng rộng rãi là phương pháp Snyder và phương pháp NRCS.

• Phương pháp Snyder sử dụng các thuật ngữ thực nghiệm và đặc điểm địa hình của lưu vực làm đầu vào cho các phương trình thực nghiệm đặc trưng cho thời gian và hình dạng của hydrograph đơn vị.
• Phương pháp NRCS sử dụng các thông số hydrograph không thứ nguyên dựa trên phân tích một số lượng lớn lưu vực để xây dựng hydrograph đơn vị. Các thông số đầu vào duy nhất của phương pháp này là lưu lượng đỉnh và thời gian đến đỉnh. Một biến thể của hydrograph tổng hợp NRCS là hydrograph tam giác tổng hợp NRCS.

Các quy trình phát triển hydrograph đơn vị tổng hợp có thể tìm thấy trong HDS 2.

2.1.5 Nguyên tắc cơ bản về điều tiết dòng chảy

Việc đo hydrograph lũ tại một vị trí trên dòng chảy tương tự như ghi lại sự di chuyển của một sóng có biên độ cao và tần số thấp. Khi sóng này di chuyển xuôi dòng, hình dạng của nó mở rộng và bị dẹt đi, với điều kiện không có thêm dòng chảy bổ sung vào đoạn sông đó. Sự thay đổi hình dạng này là do khả năng chứa nước trong lòng sông giữa các vị trí thượng lưu và hạ lưu.

Nếu sóng lũ gặp một khu vực có khả năng trữ nước đáng kể, chẳng hạn như một hồ chứa, thì mức độ suy giảm của sóng lũ sẽ tăng lên. Hình 2.2 minh họa rõ hơn các ảnh hưởng này.

Điều tiết dòng chảy là quá trình chuyển đổi số học của một sóng lũ (hydrograph). Quá trình này có thể áp dụng cho hồ chứa, kênh, và lưu vực. Các tác động của điều tiết dòng chảy bao gồm ba yếu tố chính:

1. Bảo toàn thể tích
2. Giảm lưu lượng đỉnh
3. Độ trễ thời gian

Điều tiết hồ chứa chỉ phụ thuộc vào khả năng lưu trữ trong việc làm thay đổi sóng lũ. Điều tiết kênh phụ thuộc vào lưu lượng đầu vào và đầu ra, cũng như khả năng lưu trữ trong một đoạn sông. Điều tiết lưu vực bao gồm các hiệu ứng suy giảm dòng chảy của lưu vực và có vai trò quan trọng trong một số phương pháp xây dựng hydrograph.

Một Culvert có khả năng tích nước lớn ở thượng lưu sẽ hoạt động tương tự như một hồ chứa nhỏ và làm suy giảm hydrograph khi dòng chảy đi qua công trình. Tuy nhiên, trong quá trình điều tiết dòng chảy, thể tích lưu trữ cần thiết để làm giảm đáng kể lưu lượng đỉnh thường rất lớn. Do đó, trong thực tế, hiệu ứng này hiếm khi được xem xét khi thiết kế Culvert. Ngoài ra, việc bỏ qua hiệu ứng này sẽ dẫn đến kích thước đường kính Culvert lớn hơn một chút, giúp gia tăng hệ số an toàn trong thiết kế.

Một trường hợp trong đó phân tích điều tiết dòng chảy có thể đặc biệt hữu ích là đánh giá cách điều kiện hạ lưu có thể thay đổi nếu một Culvert được thay thế bằng một cây cầu. Một quan niệm sai lầm phổ biến là việc loại bỏ Culvert, cùng với khả năng tích nước và suy giảm lưu lượng đi kèm, sẽ gây ra tình trạng lũ lụt gia tăng ở hạ lưu. Việc phân tích điều tiết dòng chảy với và không có Culvert sẽ giúp định lượng mức độ ảnh hưởng này. Như đã đề cập, trừ khi có một lượng lưu trữ đáng kể ở thượng lưu của Culvert, tác động lên lưu lượng đầu ra thường sẽ nhỏ hơn so với dự đoán.

Chương 5 cung cấp tổng quan về các phương pháp điều tiết dòng chảy.

2.1.6 Mô hình máy tính

Có nhiều mô hình máy tính khác nhau được sử dụng trong phân tích thủy văn. Một số mô hình chỉ đơn giản là giúp thực hiện nhanh hơn các phương pháp tính toán thực nghiệm bằng tay. Các mô hình khác có tính lý thuyết hơn, mô phỏng toàn bộ chu trình dòng chảy bằng cách sử dụng phương pháp mô phỏng liên tục theo các khoảng thời gian ngắn. Kết quả được tính toán bằng các phương trình toán học để mô tả từng giai đoạn trong chu trình dòng chảy, bao gồm chặn dòng (interception), giữ nước bề mặt (surface retention), thấm nước (infiltration), và dòng chảy tràn mặt (overland flow).

Trong hầu hết các mô hình mô phỏng, lưu vực được chia thành các tiểu lưu vực có đặc điểm thủy văn tương tự nhau. Lượng mưa thiết kế được tổng hợp cho từng tiểu lưu vực, và các quá trình tiêu hao như chặn dòng và thấm nước được loại bỏ. Một quy trình mô phỏng dòng chảy tràn mặt được sử dụng để biểu diễn chuyển động của lượng nước mặt còn lại. Các kênh liên kết giữa các tiểu lưu vực sẽ tiếp nhận dòng chảy tràn mặt này. Các kênh của lưu vực được kết nối với nhau, và dòng chảy trong kênh sẽ di chuyển qua đó để tạo thành phản ứng của lưu vực đối với trận mưa thiết kế.

Tất cả các mô hình mô phỏng đều yêu cầu hiệu chỉnh (calibration) các thông số mô phỏng bằng cách sử dụng dữ liệu đo thực tế để cải thiện độ chính xác. Hầu hết các mô hình mô phỏng đòi hỏi một lượng lớn dữ liệu đầu vào cũng như kinh nghiệm của người sử dụng để đảm bảo kết quả đáng tin cậy.

Việc sử dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) đã giúp đơn giản hóa đáng kể quá trình phát triển dữ liệu đầu vào cần thiết cho hầu hết các mô hình thủy văn trên máy tính. Ví dụ, StreamStats là một công cụ GIS trực tuyến được phát triển bởi Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), giúp người dùng dễ dàng thu thập các thông số thống kê về lưu lượng dòng chảy, đặc điểm lưu vực, và các thông tin khác cho các vị trí sông được chọn. Công cụ này cũng cung cấp nhiều công cụ phân tích khác nhau để hỗ trợ quy hoạch và quản lý tài nguyên nước.

Ngoài ra, các phần mềm thương mại cũng có sẵn, hỗ trợ sử dụng dữ liệu GIS để nhập dữ liệu đầu vào hiệu quả cho nhiều mô hình thủy văn phổ biến như HEC-1, HEC-HMS, TR-20.

2.2 Dữ liệu hiện trường

2.2.1 Tổng quan

Thiết kế thủy lực của một Culvert yêu cầu đánh giá một lượng lớn dữ liệu, bao gồm vị trí Culvert, dữ liệu dòng chảy, dữ liệu đường bộ và mực nước đầu tối đa có thể chấp nhận.

Thiết kế AOP (Aquatic Organism Passage – Thông thủy cho sinh vật) cũng đòi hỏi dữ liệu về bùn cát và cấp phối nền đáy, cũng như thông tin lưu lượng dòng chảy, ngoài lưu lượng đỉnh thiết kế thông thường.

Ngoài ra, cần có các dữ liệu bổ sung đối với Culvert đa mục đích. Ví dụ, nếu Culvert cũng được sử dụng làm đường dành cho xe đạp hoặc người đi bộ, có thể cần đến dữ liệu hình học bổ sung và các thông tin khác ngoài phân tích thủy lực để đảm bảo thiết kế phù hợp.

Từng yếu tố trên và tầm quan trọng của chúng sẽ được thảo luận trong các phần sau.

2.2.2 Vị trí Culvert

Lý tưởng nhất, Culvert nên được đặt trong lòng suối hiện có để giảm chi phí liên quan đến đào đắp kết cấu và điều chỉnh dòng chảy. Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng khả thi.

• Một số suối có dạng uốn khúc (sinuous) và không thể bố trí một Culvert thẳng.
• Trong các trường hợp khác, có thể cần phải định tuyến lại dòng chảy để tránh sử dụng một Culvert quá dài.

Khi di dời lòng suối, cần tránh các đoạn chuyển tiếp đột ngột ở hai đầu Culvert. Hình 2.3 minh họa hai ví dụ về phương án xác định vị trí Culvert (Durow 1982):

1. Trường hợp thứ nhất: Culvert được bố trí theo hướng tự nhiên của dòng chảy.
2. Trường hợp thứ hai: Dòng chảy được định tuyến lại để rút ngắn chiều dài Culvert.

Theo khảo sát của Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS 1981), việc thay đổi nhỏ hướng dòng chảy thường thành công hơn, trừ khi lòng suối tự nhiên vốn đã không ổn định.

Khi xem xét các phương án di dời dòng chảy, cần tính đến tác động môi trường và yêu cầu cấp phép, vì đây có thể là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình ra quyết định.

2.2.3 Dữ Liệu Dòng Chảy

Việc lắp đặt Culvert để dẫn nước mặt qua nền đường thường làm thay đổi điều kiện dòng chảy và kênh ở cả thượng lưu và hạ lưu của Culvert. Để dự đoán tác động của sự thay đổi này, cần thu thập chính xác dữ liệu dòng chảy trước khi xây dựng.

Các dữ liệu cần thiết bao gồm:

• Thông tin mặt cắt ngang
• Độ dốc dòng chảy
• Khả năng chống thủy lực của lòng suối và vùng lũ
• Độ ổn định của kênh và điều kiện vận chuyển bùn cát
• Các yếu tố ảnh hưởng đến mực nước hạ lưu
• Khả năng lưu trữ nước ở thượng lưu Culvert

Ảnh chụp thực địa cũng có thể giúp ích trong quá trình đánh giá.

a. Mặt cắt ngang (Cross Sections)

Dữ liệu mặt cắt ngang dòng chảy thu được từ khảo sát thực địa rất quan trọng để bổ sung cho bản đồ địa hình sẵn có.

Lý tưởng nhất, nên đo tối thiểu hai mặt cắt ngang:

• Một mặt cắt ở thượng lưu
• Một mặt cắt ở hạ lưu

Những mặt cắt này phải đại diện cho toàn bộ đoạn kênh. Nếu có khả năng xảy ra ngập nước đáng kể và cần phân tích điều tiết dòng chảy, có thể cần thêm các mặt cắt bổ sung ở thượng lưu Culvert.

Tương tự, có thể cần thêm mặt cắt hạ lưu để xác định điều kiện mực nước đuôi (tailwater), đặc biệt là khi có công trình hạ lưu khác hoặc điều kiện kênh giới hạn khả năng phân tích thủy lực đơn giản. Khi đó, cần thực hiện phân tích biểu đồ mực nước chi tiết hơn (xem phần thảo luận về Tailwater bên dưới).

Nếu chỉ có một mặt cắt ngang của kênh tự nhiên, nó sẽ được sử dụng làm mặt cắt đại diện. Tuy nhiên, giả định này cần được kiểm tra bằng bản đồ địa hình và ảnh chụp từ trên cao. Ngoài ra, cũng cần thu thập thông tin về độ dốc dòng chảy và khả năng lưu trữ thượng lưu từ bản đồ địa hình.

b. Độ dốc dòng chảy (Stream Slope)

Độ dốc dọc của lòng suối trong khu vực lắp đặt Culvert cần được xác định để bố trí Culvert phù hợp với mặt cắt dọc, đồng thời phản ánh các đặc điểm dòng chảy tự nhiên.

Thông thường, Culvert được đặt cùng độ dốc dọc với dòng chảy tự nhiên. Dữ liệu khảo sát về mặt cắt kênh và bản đồ địa hình có thể được sử dụng để xác định độ dốc này.

Nếu chỉ có dữ liệu mặt cắt ngang hoặc bản đồ địa hình hạn chế, có thể cần thực hiện khảo sát trục tim kênh để xác định chính xác độ dốc qua khu vực đặt Culvert.

c. Hệ số cản thủy lực (Resistance)

Hệ số cản thủy lực của kênh tự nhiên cần được đánh giá để tính toán điều kiện dòng chảy. Hệ số này thường được biểu diễn bằng hệ số n của Manning.

Có nhiều phương pháp để đánh giá hệ số cản thủy lực cho các dòng chảy tự nhiên, bao gồm:

• So sánh với ảnh thực địa của các kênh có hệ số cản đã biết
• Sử dụng các phương pháp bảng tra dựa trên đặc điểm kênh (USGS 1967, 1984)

Bảng C.1 trong Phụ lục C cung cấp giá trị hệ số Manning’s n cho các kênh tự nhiên đã chọn.

d. Ổn định kênh và vận chuyển bùn cát (Channel Stability and Sediment Transport)

Bất kỳ dấu hiệu bất ổn định kênh nào (cả theo chiều ngang và chiều dọc) cần được ghi nhận và xem xét trong thiết kế Culvert. Điều này có thể bao gồm:

• Hiện tượng xói lở bờ suối, dịch chuyển kênh, hố xói, và khu vực tích tụ trầm tích.

Đối với các công trình Culvert lớn hơn, việc thu thập và phân tích ảnh chụp lịch sử có thể cung cấp dữ liệu và thông tin chi tiết về sự ổn định lâu dài của kênh. Dữ liệu về bùn cát trên lòng suối và hai bên bờ có thể hỗ trợ đáng kể trong phân tích ổn định kênh, cũng như trong các đánh giá liên quan đến AOP (Aquatic Organism Passage – Thông thủy cho sinh vật).

Việc phân tích này thường bao gồm:

• Quan sát thực địa
• Đo đạc hiện trường
• Thu mẫu trầm tích để gửi đến phòng thí nghiệm phân tích kích thước hạt

HEC-20, Stream Stability at Highway Structures (FHWA 2012a) cung cấp thông tin chi tiết về cách đánh giá ổn định kênh và loại dữ liệu cần thiết để thực hiện phân tích này.

e. Mực nước đuôi (Tailwater)

Hiệu suất của Culvert có thể bị ảnh hưởng bởi mực nước hạ lưu, hay còn gọi là tailwater. Xác định điều kiện tailwater là một phần quan trọng trong tính toán dòng chảy kênh hở và là bước khởi đầu quan trọng trong thiết kế Culvert.

HDS 4 (FHWA 2008a) cung cấp tổng quan về dòng chảy hở và phương pháp độ sâu bình thường (normal depth) thường được sử dụng để xác định tailwater trong thiết kế Culvert.

Tuy nhiên, giả định về độ sâu bình thường có thể không chính xác trong một số trường hợp như:

• Đập hạ lưu, chướng ngại vật, thu hẹp kênh, hiện tượng triều, hoặc ngã ba sông
• Cần thực hiện khảo sát thực địa và phân tích bản đồ để đánh giá tác động của các yếu tố này đến mực nước đuôi.

Nếu có thể, mực nước đuôi nên được xác định dựa trên mực nước tự nhiên của kênh tại độ sâu bình thường. Nếu không, cần thực hiện phân tích biểu đồ mực nước chi tiết hơn bằng phương pháp bước chuẩn (standard step method) thông qua các phần mềm tính toán phổ biến.

f. Khả năng lưu trữ thượng lưu (Upstream Storage)

Khả năng lưu trữ nước thượng lưu có thể ảnh hưởng đến thiết kế Culvert.

• Dung tích lưu trữ thượng lưu có thể được xác định từ bản đồ đường đồng mức khu vực thượng lưu.
• Khoảng cách đường đồng mức 2 ft (0.5 m) là lý tưởng để đánh giá khả năng lưu trữ.
• Nếu không có bản đồ phù hợp, cần thu thập mặt cắt ngang tại thượng lưu của Culvert.

Các mặt cắt này nên được tham chiếu cả theo chiều ngang và chiều dọc.

• Chiều dài kênh thượng lưu cần đo mặt cắt phụ thuộc vào mực nước đầu dự kiến và độ dốc dòng chảy.
• Dữ liệu mặt cắt có thể được sử dụng để xây dựng bản đồ đường đồng mức hoặc để tính toán thể tích lưu trữ.

Thông tin địa hình này cần được mở rộng từ lòng suối lên đến mực nước đầu có thể chấp nhận tại khu vực thượng lưu của Culvert.

2.2.4 Dữ liệu đường bộ (Roadway Data)

Tuyến đường dự kiến hoặc hiện hữu ảnh hưởng đến chi phí Culvert, khả năng thủy lực và hướng tuyến.

• Hồ sơ tuyến đường và mặt cắt ngang đường có thể được lấy từ bản vẽ sơ bộ của đường hoặc từ các chi tiết tiêu chuẩn về mặt cắt ngang đường.
• Nếu cần xác định kích thước Culvert trước khi lập kế hoạch sơ bộ, có thể sử dụng một ước tính hợp lý về mặt cắt ngang đường. Tuy nhiên, thiết kế Culvert phải được kiểm tra lại sau khi hoàn thành thiết kế đường.

a. Mặt cắt ngang (Cross Section)

• Mặt cắt ngang đường vuông góc với tim đường thường có sẵn trong bản vẽ thiết kế đường.
• Tuy nhiên, mặt cắt ngang cần thiết cho thiết kế Culvert là mặt cắt tại vị trí giao cắt với dòng chảy.
• Mặt cắt này có thể bị nghiêng so với tim đường, tùy thuộc vào hướng dòng chảy.

Để xác định mặt cắt phù hợp cho Culvert đề xuất, cần kết hợp các dữ liệu:

• Bản vẽ thiết kế đường
• Hồ sơ dọc
• Dữ liệu mặt cắt ngang

Hình 2.4 minh họa sơ đồ mặt cắt ngang đường với các cao độ quan trọng.

b. Chiều dài Culvert (Culvert Length)

• Các kích thước và đặc điểm quan trọng của Culvert sẽ rõ ràng hơn khi mặt cắt ngang đường được đo hoặc xác định.
• Chiều dài Culvert có thể được xác định bằng cách chồng hình ước tính của ống Culvert lên mặt cắt ngang đường và hồ sơ dọc của lòng suối (Hình 2.4).
• Quá trình này giúp xác định cao độ đầu vào và đầu ra của Culvert.

Tuy nhiên, các cao độ này và chiều dài Culvert chỉ mang tính ước lượng, vì kích thước cuối cùng của thân Culvert vẫn cần được xác định.

c. Profile dọc đường (Longitudinal Roadway Profile)

Đối với Culvert thoát nước ngang đường, roadway profile đóng vai trò như một vật cản đối với dòng chảy. Phần nền đường chứa Culvert hoạt động tương tự như một con đập.

• Culvert có chức năng tương tự như công trình xả lũ thông thường.
• Đỉnh đường có thể đóng vai trò là đập tràn khẩn cấp trong trường hợp mực nước thượng lưu (headwater) dâng cao vượt mức an toàn.
• Vị trí xảy ra hiện tượng tràn nước qua mặt đường sẽ phụ thuộc vào hình dạng hình học của đường (Hình 2.5).

Roadway profile trong các bản vẽ thiết kế đường thường thể hiện cao độ tim đường.

• Do ảnh hưởng của siêu cao (superelevation), các cao độ này có thể không phản ánh chính xác điểm cao nhất trên mặt cắt ngang đường.
• Người thiết kế Culvert cần trích xuất roadway profile thể hiện cao độ ngập lụt và cao độ tràn đường từ các bản vẽ có sẵn.

Điểm thấp nhất trên profile có ý nghĩa quan trọng, vì đây là vị trí mà nước sẽ bắt đầu tràn qua mặt đường.

Lưu ý: Điểm thấp nhất này có thể nằm cách xa vị trí Culvert một khoảng đáng kể.

2.2.5 Mực nước đầu cho phép (Allowable Headwater)

Mực nước đầu cho phép (allowable headwater) là mực nước đầu hoặc độ sâu ứ nước tối đa ở phía thượng lưu của Culvert.

Lưu ý:

• Đây là một giá trị khác với mực nước đầu thiết kế (design headwater).
• Mực nước đầu thiết kế là mực nước thực tế sẽ xảy ra đối với Culvert đã được thiết kế.

Mực nước đầu thiết kế không được vượt quá mực nước đầu cho phép. Nếu điều này xảy ra, cần xem xét các phương án cấu hình Culvert khác để đảm bảo rằng mực nước đầu thiết kế bằng hoặc nhỏ hơn mực nước đầu cho phép.

Khi chi phí ống Culvert là yếu tố quan trọng nhất, phương án kinh tế nhất là tận dụng tối đa mực nước đầu cho phép để truyền lưu lượng thiết kế, vì khả năng thoát nước tăng khi mực nước đầu tăng. Tuy nhiên, có nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến mực nước đầu cho phép, bao gồm:

1. Cân nhắc kinh tế (Economic considerations)
2. Ràng buộc theo quy định (Regulatory constraints)
3. Yêu cầu về AOP (Aquatic Organism Passage – Thông thủy cho sinh vật)
4. Hạn chế từ cơ quan quản lý (Agency constraints)

Lưu ý:

• Có thể tăng mực nước đầu cho phép bằng cách hạ thấp cao độ đầu vào của Culvert.
• Cách tiếp cận này có lợi đối với các Culvert có độ dốc lớn và hoạt động dưới chế độ kiểm soát tại cửa vào (inlet control).
• Thông tin chi tiết về phương pháp này có trong Chương 3.

a. Cân nhắc kinh tế (Economic Considerations)

Mặc dù việc tận dụng khả năng ứ nước có thể giúp giảm kích thước thân Culvert, nhưng mực nước đầu cao có thể gây ra hậu quả kinh tế tiêu cực.

Ví dụ:

• Mực nước đầu cao có thể gây ra hiện tượng thẩm rỗng nền đường (embankment piping) quanh Culvert, làm hư hỏng kết cấu bên ngoài và có thể dẫn đến hỏng Culvert.
• Mực nước đầu cao cũng có thể làm tăng vận tốc đầu ra, gây ra xói lở nghiêm trọng ở hạ lưu, đòi hỏi phải lắp đặt công trình tiêu năng (energy dissipater).

Khu vực có nhiều bùn cát hoặc rác thải lớn có thể gây tắc nghẽn Culvert. Trong trường hợp này, nên sử dụng mực nước đầu cho phép thấp hơn để giảm thiểu nguy cơ hư hại do nước tràn.

Các ràng buộc cụ thể tại từng vị trí thường quy định một cao độ giới hạn không được vượt quá trong một chu kỳ lặp lại nhất định nhằm giảm thiểu rủi ro và tổn thất kinh tế.

• Cao độ này có thể tương ứng với một điểm quan trọng trên tuyến đường, chẳng hạn như vai đường hoặc cao độ tràn đường.
• Một tiêu chí khác có thể là cao độ thiệt hại do lũ của công trình thượng lưu hoặc một điểm giao cắt dòng nước khác ở thượng lưu.

Chú giải 1

Piping là một hiện tượng xói ngầm (internal erosion) xảy ra trong đất dưới tác động của dòng thấm. Khi nước chảy qua nền đất có độ thấm cao hoặc qua các khe hở nhỏ trong nền đường hay đê điều, nó có thể cuốn theo các hạt đất, tạo thành các đường rỗng bên trong. Khi quá trình này tiếp diễn, các rãnh rỗng lớn dần, hình thành một đường dẫn nước ngầm gọi là piping channel. Nguyên nhân gây ra piping

1. Chênh lệch áp lực nước giữa thượng lưu và hạ lưu khiến dòng nước thấm mạnh qua nền đất.
2. Đất có độ kết dính thấp (như cát hoặc đất bùn cát), dễ bị cuốn trôi theo dòng chảy.
3. Thiết kế và thi công không đảm bảo như việc không có lớp lọc bảo vệ hoặc hệ thống tiêu nước không hiệu quả.
4. Nước thấm qua các khe nứt hoặc vùng tiếp giáp giữa công trình và nền đất.

Hậu quả của piping

• Gây mất ổn định nền móng công trình (Culvert, đập, đê điều, nền đường).
• Dẫn đến sụp lún hoặc phá hủy công trình khi đường rỗng phát triển đủ lớn.
• Gia tăng nguy cơ xói lở ở khu vực hạ lưu.

Cách kiểm soát và ngăn chặn piping

• Bố trí lớp lọc ngược (filter layer): Lớp vật liệu hạt có kích thước thích hợp giúp giữ lại đất nhưng vẫn cho nước thấm qua.
• Lắp đặt hệ thống tiêu thoát nước (drainage system) để giảm áp lực nước trong đất.
• Gia cố nền móng bằng vật liệu chống thấm như màng địa kỹ thuật hoặc bê tông.
• Giảm chênh lệch áp lực nước bằng cách thiết kế công trình sao cho dòng thấm được phân bố đồng đều.

Ứng dụng trong thiết kế Culvert

Vì vậy, thiết kế Culvert cần xem xét lớp lọc bảo vệ, vật liệu nền thích hợp và các biện pháp tiêu thoát nước để giảm nguy cơ này.

Khi mực nước đầu (headwater) cao, có nguy cơ nước thấm qua nền đường quanh Culvert, gây piping.

b. Ràng buộc theo quy định (Regulatory Constraints)

• Chương trình bảo hiểm lũ lụt quốc gia (National Flood Insurance Program) đặt ra các yêu cầu quan trọng trong thiết kế Culvert.
• Hầu hết các cộng đồng hiện nay đều tham gia vào chương trình này.
• Hạn chế về xây dựng trong vùng lũ (đặc biệt là đối với mực nước lũ 100 năm) là một yếu tố quan trọng được quản lý bởi Cơ quan Quản lý Khẩn cấp Liên bang (FEMA).

Tùy thuộc vào vị trí của Culvert, các yếu tố cần xem xét bao gồm:

• Xâm lấn vào vùng lũ hiện hữu
• Sự hiện diện của dòng chảy có quy định pháp lý (regulatory floodway)

Mức tăng mực nước bề mặt cho phép dao động từ 0 đến 1 ft (0.3 m).

Bất kể chu kỳ lặp lại nào được sử dụng trong thiết kế Culvert cho tuyến đường cụ thể, trận lũ 100 năm cần được kiểm tra để đánh giá tác động của Culvert đối với mực nước lũ cơ bản (base flood elevation) theo quy định của 23 CFR 650 Subpart A.

c. Cân nhắc về AOP (AOP Considerations)

• Khi có hiện tượng ứ nước thượng lưu, điều kiện dòng chảy trong Culvert có thể thay đổi nhanh chóng, thường có dòng chảy rối và vận tốc cao khi nước đi vào và ra khỏi Culvert.
• Những điều kiện này thường không thuận lợi cho sự di chuyển của cá và các sinh vật thủy sinh.

Giải pháp AOP tối ưu là thiết kế Culvert có đặc tính dòng chảy (vận tốc, độ sâu và bề rộng) tương tự với dòng chảy tự nhiên của kênh.

• Điều này thường yêu cầu Culvert có kích thước lớn hơn, giúp giảm thiểu tác động đến sinh vật.
• Ngoại trừ trong các trận lũ lớn (chu kỳ lặp lại 50 hoặc 100 năm), Culvert vẫn có thể đảm bảo điều kiện thông thủy tốt.

d. Ràng buộc từ cơ quan quản lý (Agency Constraints)

• Một số cơ quan quản lý giao thông tiểu bang hoặc liên bang có thể đặt ra giới hạn về mực nước đầu do Culvert tạo ra.
• Ví dụ:
  • Mực nước đầu có thể không được phép vượt quá chiều cao của thân Culvert.
  • Hoặc mực nước đầu có thể bị giới hạn theo tỷ lệ HW/D (tỷ lệ giữa mực nước đầu và đường kính Culvert).

Tỷ lệ HW/D phổ biến dao động từ 1.0 đến 1.5 trên toàn quốc.

• Các giới hạn HW/D thấp có thể hạn chế đáng kể tính linh hoạt trong thiết kế Culvert.
• Tuy nhiên, các quy định này bắt buộc phải tuân theo trừ khi có sự chấp thuận đặc biệt từ cơ quan quản lý.

2.2.6 Dữ liệu AOP (AOP Data)

Việc đánh giá hoặc thiết kế Culvert AOP (Aquatic Organism Passage – Thông thủy cho sinh vật) có thể yêu cầu thu thập dữ liệu thực địa bổ sung.

Những vấn đề chính cần xem xét bao gồm:

• Loại bỏ rào cản đối với AOP
• Duy trì sự kết nối sinh thái giữa vùng thượng lưu và hạ lưu

Các thông tin cần thiết bao gồm:

• Vận tốc dòng chảy
• Độ sâu dòng chảy
• Vị trí các đoạn nước sâu và ghềnh (pools và riffles)
• Các khu vực tiềm năng làm nơi trú ẩn cho cá
• Các bậc nước hoặc thay đổi địa hình lòng suối hiện hữu
• Cấu tạo nền đáy kênh

Những thông tin này giúp đánh giá điều kiện dòng chảy hiện tại tại điểm giao cắt với Culvert và hỗ trợ thiết kế một Culvert đáp ứng các tiêu chí AOP.

Thông tin chi tiết về dữ liệu cần thiết để hoàn thành phân tích AOP có thể xem tại Chương 4.

2.2.7 Dữ liệu hoặc hạn chế về văn hóa (Cultural Data or Restrictions)

Tại một số địa điểm, di tích văn hóa hoặc lịch sử có thể ảnh hưởng đến thiết kế Culvert.

Các trường hợp có thể gặp phải:

• Culvert nằm gần một khu di tích văn hóa hoặc lịch sử.
• Một số bộ phận của Culvert (chẳng hạn như tường đầu hoặc tường cánh) được phân loại là công trình lịch sử.

Nếu một di tích văn hóa hoặc lịch sử nằm ở thượng lưu của Culvert, cần giới hạn mực nước đầu để tránh làm ngập khu vực này.

Tại vùng hạ lưu, có thể cần các biện pháp kiểm soát xói mòn bổ sung để giảm thiểu rủi ro do vận tốc dòng chảy cao và sự dịch chuyển lòng suối có thể xảy ra.

Cơ quan Quản lý Bảo tồn Di sản Lịch sử Bang (SHPO) và các tổ chức lịch sử tiểu bang có thể cung cấp thông tin về các địa điểm và hiện vật có giá trị trong khu vực.

Trong một số trường hợp, có thể cần thực hiện khảo sát khảo cổ học. Ngoài ra, các vấn đề liên quan đến giấy phép đặc biệt có thể phát sinh, yêu cầu phải thu thập dữ liệu quan trọng để đáp ứng quy định.

2.2.8 Tổng hợp nhu cầu dữ liệu (Summary of Data Needs)

Bảng 2.2 tổng hợp các loại dữ liệu cần thiết cho thiết kế Culvert.

Bảng 2.2. Tổng hợp các loại dữ liệu cần thiết cho thiết kế Culvert

DỮ LIỆU (DATA)	NGUỒN (SOURCE)
THỦY VĂN (HYDROLOGY)	THỦY VĂN (HYDROLOGY)
Lưu lượng đỉnh (Peak Flow)	Phân tích số liệu đo đạc từ trạm quan trắc hoặc tính toán bằng công thức Rational, phương pháp SCS, phương trình hồi quy, v.v.
Lưu lượng kiểm tra (Check Flows)	Giống như lưu lượng đỉnh
Hydrograph (nếu sử dụng điều tiết dòng chảy)	Dữ liệu từ trạm đo lưu lượng hoặc phương pháp tổng hợp như phương pháp SCS, phương pháp Snyder hoặc mô hình máy tính
DỮ LIỆU HIỆN TRƯỜNG (SITE DATA)	DỮ LIỆU HIỆN TRƯỜNG (SITE DATA)
Vị trí Culvert (Culvert Location)	Dựa trên đặc điểm hiện trường, bao gồm mặt cắt tự nhiên của dòng chảy, độ dốc và hướng tuyến
Dữ liệu dòng chảy (Waterway Data)	Dữ liệu dòng chảy (Waterway Data)
Mặt cắt ngang (Cross Sections)	Khảo sát thực địa hoặc bản đồ địa hình
Độ dốc dọc (Longitudinal Slope)	Khảo sát thực địa hoặc bản đồ địa hình
Hệ số cản thủy lực (Resistance)	Quan sát, ảnh chụp hoặc phương pháp tính toán
Ổn định kênh (Channel Stability)	Quan sát, khảo sát, bản đồ
Mực nước đuôi (Tailwater) trong khảo sát thực địa	Khảo sát thực địa, bản đồ
Khả năng lưu trữ thượng lưu (Upstream storage)	Khảo sát thực địa, bản đồ
Dữ liệu đường bộ (Roadway Data)	Dữ liệu đường bộ (Roadway Data)
Mặt cắt ngang (Cross Section)	Bản vẽ thiết kế đường
Profile	Bản vẽ thiết kế đường
Chiều dài Culvert (Culvert Length)	Bản vẽ thiết kế đường
Dữ liệu AOP (AOP Data)	Dữ liệu AOP (AOP Data)
Vận tốc và độ sâu dòng chảy (Channel velocities and depths)	Đo đạc hoặc tính toán
Các đoạn nước sâu và ghềnh (Pools and riffles)	Quan sát, khảo sát, ảnh chụp
Khu vực cá có thể nghỉ ngơi (Potential fish resting areas)	Quan sát
Các bậc nước hiện có (Existing channel drops)	Quan sát, khảo sát, ảnh chụp
Cấu tạo nền đáy kênh (Channel substrate)	Lấy mẫu, quan sát
Dữ liệu văn hóa (Cultural Data)	Dữ liệu văn hóa (Cultural Data)
Di tích lịch sử (Historic sites)	Cơ quan Quản lý Bảo tồn Di sản Lịch sử Bang (SHPO) hoặc tổ chức lịch sử tiểu bang
Hiện vật khảo cổ (Artifacts)	Cơ quan Quản lý Bảo tồn Di sản Lịch sử Bang (SHPO) hoặc tổ chức lịch sử tiểu bang
Mực nước đầu cho phép (Allowable Headwater)	Dữ liệu từ bản vẽ thiết kế đường (Roadway Plans)
Điểm quan trọng trên đường, công trình xung quanh (Critical points on roadway, surrounding buildings or structures)	Ảnh chụp từ trên cao, khảo sát hoặc bản đồ địa hình
Ràng buộc theo quy định (Regulatory Constraints)	Quy định về vùng lũ cho phạm vi sông có liên quan
AOP	Cơ quan quản lý cá và động vật hoang dã cấp tiểu bang hoặc địa phương
Ràng buộc từ cơ quan quản lý (Agency Constraints)	Quy định tiểu bang hoặc địa phương về lắp đặt Culvert

2.3 Đánh giá hiện trường (SITE ASSESSMENTS)

Bước quan trọng đầu tiên trong thiết kế Culvert là hiểu rõ điều kiện thực địa tại vị trí lắp đặt Culvert.

Hệ thống lưu vực và sông có tính động, do đó cần xem xét cẩn thận khi thiết kế một công trình cứng như Culvert. Những yếu tố quan trọng bao gồm:

• Lượng và loại vật cản (debris) có thể xuất hiện (Mục 2.3.1)
• Thay đổi trong điều kiện dòng chảy do xói lở và bồi lắng (Mục 2.3.2)
• Ảnh hưởng của địa chất và đất nền đến chất lượng nước, sự ăn mòn và mài mòn vật liệu Culvert (Mục 2.3.4)

Ngoài ra, cần xem xét tác động của Culvert đến an toàn giao thông, chẳng hạn như khi một phương tiện rời khỏi đường hoặc nguy cơ đối với trẻ em ở khu vực đô thị (Mục 2.3.3).

2.3.1 Đánh giá vật cản (Debris Assessment)

Tích tụ vật cản là một vấn đề nghiêm trọng tại nhiều vị trí Culvert.

• Dòng lũ thường mang theo vật cản nổi và vật cản chìm, có thể làm tắc cửa vào hoặc bị kẹt trong thân Culvert.
• Ít nhất, sự tích tụ vật cản làm tăng chi phí bảo trì.
• Trong trường hợp nghiêm trọng, có thể dẫn đến ngập lụt thượng lưu, tràn đường, hoặc hư hỏng nền đường.

Do đó, việc xem xét tác động của vật cản và nhu cầu kiểm soát vật cản cần được tích hợp vào thiết kế Culvert.

Giải pháp giảm thiểu vật cản

✔ Phương pháp phi kết cấu (Non-structural measures)

• Liên quan đến bảo trì định kỳ hàng năm hoặc khẩn cấp để loại bỏ vật cản bị kẹt tại cửa vào hoặc bên trong Culvert.

✔ Phương pháp kết cấu (Structural measures)

• Lắp đặt rào chắn vật cản ở thượng lưu Culvert.
• Điều chỉnh dòng chảy để đẩy vật cản ra xa cửa vào.
• Hướng vật cản sao cho có thể trôi qua Culvert dễ dàng hơn.

Tùy thuộc vào điều kiện thực tế, có thể cần tạo một lỗ thoát vật cản (relief opening) dưới dạng ống tràn (riser) hoặc Culvert phụ đặt cao hơn trong nền đường.

Các ví dụ về cấu trúc kiểm soát vật cản trong Culvert được trình bày trong Hình 2.6 – 2.8. Việc lựa chọn biện pháp đối phó phụ thuộc vào:

• Kích thước, số lượng và loại vật cản.
• Chi phí thực hiện.
• Nguy cơ ảnh hưởng đến tính mạng và tài sản.

HEC-9 (FHWA 2005a) cung cấp thông tin chi tiết hơn về chủ đề này.

2.3.2 Đánh giá ổn định dòng chảy (Stream Stability Assessment)

Đánh giá ổn định dòng chảy là yếu tố quan trọng đối với hiệu suất lâu dài của Culvert.

✔ Hệ thống dòng chảy tự nhiên luôn thay đổi và có thể phát sinh những vấn đề không lường trước.

✔ Đánh giá ổn định dòng chảy giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn, ví dụ:

• Một kênh đang bị xói lở nghiêm trọng có thể làm cho Culvert bị treo cao (perched), gây xói lở mạnh ở đầu ra.
• Nếu Culvert có đáy hở (open-bottom) nhưng không có nền móng đủ sâu, có thể gây mất ổn định kết cấu.
• Một kênh có xu hướng bồi lắng có thể nhanh chóng làm đầy thân Culvert bằng bùn cát, làm giảm khả năng thoát nước và tăng chi phí bảo trì.
• Bất ổn định ngang (Lateral instability) có thể khiến dòng chảy dịch chuyển vào Culvert theo thời gian, gây xói lở nền đường.

✔ Kênh có lưu lượng bùn cát cao, đặc biệt là sỏi và đá cuội, có thể gây mài mòn vật liệu Culvert.

Do đó, khi lựa chọn vật liệu Culvert, cần xem xét khả năng chống mài mòn, đặc biệt là ở đáy Culvert (invert).

HEC-20 (FHWA 2012a) cung cấp thông tin chi tiết về đánh giá ổn định kênh dòng chảy.

• Tài liệu này tổng hợp về phân loại kênh, kỹ thuật khảo sát dòng chảy, và các phương pháp đánh giá nhanh ổn định kênh.
• Các phương pháp định lượng để phân tích ổn định kênh, bao gồm phân tích suy thoái (degradation analysis), cũng như các khái niệm về phục hồi kênh dòng chảy, đều được đề cập.

Nếu kênh không duy trì ổn định trong suốt vòng đời của Culvert, có thể cần thực hiện các biện pháp kiểm soát ổn định dòng chảy, như được mô tả trong HEC-23 (FHWA 2009b).

Tối thiểu, trước khi thiết kế bất kỳ Culvert nào, người thiết kế cần xác nhận trực quan rằng đoạn kênh tại vị trí lắp đặt Culvert ổn định cả theo phương đứng và phương ngang.

2.3.3 Đánh giá an toàn (Safety Assessment)

Các yếu tố an toàn quan trọng nhất trong thiết kế và xây dựng Culvert là độ bền kết cấu và khả năng thoát nước. Khi các yếu tố này đã được đảm bảo, cần chú ý đến các vấn đề an toàn bổ sung. Những vấn đề này bao gồm an toàn giao thông và an toàn cho trẻ em. Việc bảo vệ phương tiện mất lái có thể được thực hiện thông qua vị trí và thiết kế phù hợp của cửa vào và cửa ra Culvert. Hàng rào an toàn và lưới chắn có thể được sử dụng để tăng cường bảo vệ. Lưới chắn còn giúp ngăn trẻ em tiếp cận Culvert, đảm bảo an toàn. Để biết thêm chi tiết về an toàn ven đường, hãy tham khảo Hướng dẫn thiết kế ven đường (Roadside Design Guide, AASHTO 2011), ở đó đưa ra các khuyến nghị sau:

• Culvert nhỏ (đường kính ≤ 30 inch (750 mm)) có thể sử dụng phần đầu Culvert có mái dốc hoặc mặt bê tông.
• Culvert có đường kính > 30 inch (750 mm) nên áp dụng một trong các biện pháp sau:
  • Kéo dài đến khoảng cách “vùng an toàn” (clear zone) thích hợp.
  • Bảo vệ bằng lưới chắn, nếu nguy cơ tắc nghẽn Culvert và gây lũ lụt thấp hơn nguy cơ phương tiện va chạm vào phần đầu Culvert không được bảo vệ. Nếu sử dụng lưới chắn, diện tích thông thủy của lưới (không tính thanh chắn) phải lớn hơn diện tích cửa vào Culvert từ 1.5 đến 3 lần.
  • Lắp đặt rào chắn giao thông, nếu Culvert quá lớn, không thể kéo dài, có rãnh dòng chảy không thể di chuyển an toàn qua hoặc có nguy cơ lũ lụt đáng kể nếu lắp lưới chắn.

a. Vị trí và thiết kế cửa vào/cửa ra (Inlet and Outlet Location and Design)

Phần đầu hở của Culvert hoặc tường đầu Culvert có thể tạo thành một chướng ngại nguy hiểm đối với phương tiện rời khỏi đường. Cần có các biện pháp bảo vệ để hạn chế chấn thương hoặc tử vong đối với người trong xe.

Một phương pháp hiệu quả là đặt phần đầu Culvert ngoài vùng phục hồi an toàn (safe recovery area). Các tiêu chuẩn an toàn giao thông quy định khoảng cách tối thiểu từ lề đường dựa trên giới hạn tốc độ. Nếu có dải phân cách, Culvert nên kéo dài qua khu vực này, trừ khi duy trì được khoảng cách an toàn.

Nếu Culvert không thể đặt ngoài vùng phục hồi an toàn, có thể áp dụng thiết kế cửa vào/cửa ra phù hợp để giảm thiểu nguy cơ. Ví dụ:

• Cửa vào/cửa ra Culvert có thể vát góc để phù hợp với mái dốc nền đường, giúp giảm mức độ nguy hiểm khi phương tiện va chạm.
• Culvert có tường đầu (headwalls) có thể được thiết kế với nền đắp bao quanh để giảm thiểu mức độ tiếp xúc trực tiếp. Trong trường hợp này, nên đặt biển báo để bảo vệ nhân viên bảo trì đường.

b. Hàng rào an toàn và lưới chắn (Safety Barriers and Grates)

An toàn giao thông có thể được tăng cường bằng cách lắp đặt hàng rào an toàn và lưới chắn.

• Hàng rào an toàn nên được xem xét dưới dạng lan can bảo vệ dọc theo lề đường gần Culvert trong trường hợp không thể đảm bảo khoảng cách phục hồi an toàn hoặc khi độ dốc nền đắp quá lớn (Hình 2.9).
• Lưới chắn có thể đi qua cửa mở của Culvert để giảm lực va chạm của phương tiện và giảm nguy cơ lật xe (Hình 2.10).

Lưới chắn an toàn có thể làm tăng sự tích tụ vật cản, dẫn đến giảm hiệu suất thủy lực.

• Cần thực hiện phân tích kỹ lưỡng trước khi chọn giải pháp an toàn này.
• Không chấp nhận lưới chắn dạng thanh đặt thẳng đứng ngay trước cửa vào Culvert.
• Thiết kế tốt cần đảm bảo diện tích thông thủy giữa các thanh chắn đạt từ 1.5 đến 3.0 lần diện tích cửa vào Culvert, tùy thuộc vào khối lượng và kích thước vật cản dự kiến (Hình 2.11).

Nghiên cứu về tổn thất cột nước do lưới chắn thanh ngang đã dẫn đến công thức của Davis (1952).

• H₉ = Tổn thất cột nước do lưới chắn thanh ngang, ft (m)
• V₉ = Vận tốc giữa các thanh chắn, ft/s (m/s)
• Vᵤ = Vận tốc tiếp cận, ft/s (m/s)
• g = Gia tốc trọng trường 32.2 ft/s² (9.81 m/s²)

Một công thức khác để tính tổn thất cột nước trong lưới chắn thanh dọc được đề xuất bởi Metcalf and Eddy (1972) và Mays et al. (1983).

K₉ là hệ số hình dạng thanh chắn không thứ nguyên, bằng:

• 2.42 = Thanh chữ nhật có cạnh sắc
• 1.83 = Thanh chữ nhật có mặt thượng lưu bán nguyệt
• 1.79 = Thanh tròn
• 1.67 = Thanh chữ nhật có mặt thượng lưu và hạ lưu bán nguyệt

Các thông số khác:

• W = Chiều rộng mặt cắt ngang lớn nhất của thanh chắn hướng vào dòng chảy, ft (m)
• X = Khoảng cách hở tối thiểu giữa các thanh chắn, ft (m)
• θ₉ = Góc nghiêng của lưới chắn so với phương ngang, độ

Cả hai phương trình trên đều mang tính thực nghiệm và cần được sử dụng thận trọng. Trong mọi trường hợp, tổn thất cột nước được tính cho lưới chắn sạch và cần được điều chỉnh tăng lên để tính đến sự tích tụ vật cản.

Culvert luôn thu hút sự chú ý và tò mò của trẻ em. Ở những khu vực đông dân cư, nơi có thể tiềm ẩn nguy hiểm, cần ngăn chặn trẻ em tiếp cận Culvert. Lưới chắn an toàn có thể giúp thực hiện chức năng này. Nếu tắc nghẽn do vật cản là một vấn đề đáng lo ngại, hàng rào xung quanh phần đầu Culvert là một giải pháp thay thế hợp lý cho lưới chắn.

2.3.4 Độ bền của Culvert (Culvert Durability)

Tuổi thọ của vật liệu Culvert cũng quan trọng không kém đối với một hệ thống Culvert hoạt động hiệu quả như thiết kế thủy lực và kết cấu. Tại hầu hết các vị trí, các vật liệu Culvert phổ biến có độ bền cao. Tuy nhiên, một số điều kiện môi trường khắc nghiệt có thể làm suy giảm tất cả các loại vật liệu Culvert theo thời gian. Hai vấn đề chính ảnh hưởng đến tuổi thọ của Culvert do điều kiện môi trường bất lợi là mài mòn (abrasion) và ăn mòn (corrosion) (Hình 2.12). Cần đặc biệt chú ý đến các vấn đề này ngay từ giai đoạn thiết kế. Việc kiểm tra thực địa các Culvert hiện có trên cùng hệ thống sông, suối sẽ rất hữu ích trong việc đánh giá các vấn đề tiềm ẩn.

Hai tài liệu tham khảo quan trọng về kiểm tra và đánh giá Culvert liên quan đến mài mòn và ăn mòn là:

• “Culvert Assessment and Decision-making Procedures Manual” (FHWA 2010b)
• Chương 14: “Culvert Inspection and Rehabilitation” thuộc “AASHTO Highway Drainage Guidelines” (AASHTO 2007)

Hiện nay, các nghiên cứu vẫn đang được thực hiện ở cả cấp liên bang và cấp bang để hiểu rõ hơn về các vấn đề liên quan đến độ bền vật liệu, đặc biệt là khi ngày càng có nhiều loại vật liệu và lớp lót Culvert mới (ví dụ: nghiên cứu của Caltrans do DeCou và Davies (2007) báo cáo).

Chi phí hàng năm của việc lắp đặt Culvert phụ thuộc rất nhiều vào tuổi thọ của nó. Khi các điều kiện khác không thay đổi, nên chọn vật liệu Culvert có độ bền cao nhất để giảm thiểu chi phí bảo trì hàng năm. Có thể áp dụng các biện pháp để kéo dài tuổi thọ của Culvert, chẳng hạn như lót bên trong thân Culvert bằng vật liệu bền hơn. Khi xem xét các biện pháp này, cần đưa chúng vào phân tích kinh tế, so sánh với các vật liệu Culvert khác hoặc các giải pháp thay thế, bao gồm việc thay thế định kỳ. Đối với các tuyến đường cấp hai có lưu lượng giao thông thấp, việc thay thế Culvert định kỳ dưới lớp đất đắp thấp có thể là một lựa chọn kinh tế.

a. Mài mòn (Abrasion)

Mài mòn là sự xói mòn của vật liệu Culvert chủ yếu do sự di chuyển tự nhiên của bùn cát đáy dòng chảy. Các đặc tính của bùn cát đáy, cùng với tần suất, vận tốc và khối lượng vật liệu có thể xảy ra, là các yếu tố cần xem xét trong giai đoạn thiết kế. Độ bền của các loại vật liệu Culvert trước tác động của mài mòn cũng cần được phân tích.

Hầu hết các vật liệu đều chịu ảnh hưởng của mài mòn khi tiếp xúc với dòng chảy có vận tốc cao và mang theo đá trong một khoảng thời gian dài. Dữ liệu thực tế từ các công trình tương tự trong khu vực có thể là chỉ số đáng tin cậy nhất để đánh giá nguy cơ mài mòn và độ bền của vật liệu Culvert.

Khi có nguy cơ mài mòn, người thiết kế có thể lựa chọn nhiều biện pháp khác nhau. Các công trình kiểm soát vật cản có thể mang lại lợi ích đáng kể, mặc dù chúng cần được bảo trì định kỳ.

Một lựa chọn khác là lót hoặc gia cố đáy Culvert bằng cách sử dụng vật liệu kết cấu bổ sung. Lớp lót bê tông hoặc bitum cho đáy ống kim loại gân sóng là phương pháp thường được áp dụng để giảm thiểu mài mòn.

Đối với Culvert bê tông, có thể cần thêm lớp phủ bảo vệ bằng thanh cốt thép hoặc hỗn hợp bê tông cường độ cao. Ngoài ra, có thể sử dụng tấm kim loại hoặc gỗ gắn cố định xuống đáy Culvert theo phương vuông góc với dòng chảy để giữ lại và tích tụ bùn cát đáy, giúp bảo vệ đáy Culvert.

Một giải pháp khác là sử dụng Culvert có đường kính lớn hơn và được chôn lấp một phần, giúp đạt được mục đích tương tự.

b. Ăn mòn (Corrosion)

Không có loại vật liệu Culvert nào hoàn toàn tránh khỏi sự suy thoái khi đặt trong môi trường ăn mòn.

• Culvert thép mạ kẽm thường bị suy giảm khi nằm trong đất hoặc nước có độ pH ngoài khoảng 6 đến 10.
• Nhôm bị ăn mòn trong môi trường có độ pH ngoài khoảng 4 đến 9 (NRC 1964).
• Bùn sét và bùn hữu cơ có điện trở suất thấp cũng được biết đến là môi trường ăn mòn kim loại Culvert.
• Bê tông bị ảnh hưởng xấu bởi chu kỳ khô – ướt xen kẽ với nước biển và khi tiếp xúc với sunfat, muối magiê, hoặc dòng chảy có pH < 5.
• Thép suy giảm nhanh chóng trong môi trường nước mặn.
• Nhìn chung, kim loại bị ảnh hưởng bởi điều kiện axit và kiềm trong đất và nước, cũng như bởi độ dẫn điện cao của đất.
• Culvert bê tông nhạy cảm với môi trường nước mặn và đất có chứa sunfat, cacbonat.

Nhiều biện pháp có thể được áp dụng để kéo dài tuổi thọ Culvert trong môi trường khắc nghiệt. Các biện pháp này thường được chia thành hai nhóm:
✔ Lựa chọn vật liệu phù hợp với môi trường
✔ Sử dụng lớp phủ bảo vệ

• Nhôm được xem là kháng ăn mòn tốt trong công trình nước mặn.
• Thép mạ kẽm có lớp phủ sợi liên kết (fiber-bonded galvanized steel) được chứng minh là hoạt động tốt trong môi trường nước lợ (TRB 1980).
• Culvert và lớp lót bằng đất sét nung (vitrified clay), thép không gỉ (stainless steel) và sợi bitum có khả năng chịu tốt trong môi trường axit cao.
• Bê tông có tỷ lệ xi măng cao giúp giảm suy thoái trong đất kiềm và nước.
• Phụ gia khoáng (như silica fume) và hóa chất giảm nước giúp tăng độ bền.
• Bê tông thường bền hơn kim loại trong đất sét hoặc bùn hữu cơ.
• Trong môi trường axit cao (ví dụ: dòng chảy thoát nước mỏ axit), Culvert bê tông dạng hộp được bảo vệ bằng lớp lót sợi thủy tinh.

Các lớp phủ polymer, bitum hoặc sợi liên kết trên Culvert kim loại có thể yêu cầu xem xét đặc biệt. Người thiết kế cần xác nhận rằng lớp phủ thực sự giúp kéo dài tuổi thọ.

• Tách lớp (delamination) là dạng hư hỏng phổ biến nhất, có thể xảy ra do tiếp xúc với ánh nắng hoặc mài mòn.
• Lớp phủ có thể bị hư hại trong quá trình vận chuyển và lắp đặt, cần xem xét kỹ lưỡng.
• Lớp phủ polymer có khả năng kháng ăn mòn tốt, chống mài mòn cao hơn và ít bị hư hỏng khi thi công, vận chuyển.
• Chúng cũng có tỷ lệ lỗi sản xuất thấp hơn, giúp đảm bảo chất lượng Culvert tốt hơn.