5 Ứng dụng kênh hở – Thiết kế kênh ổn định

5.1 Khái nhiệm thiết kế chung

Khả năng thoát nước của một kênh phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, độ dốc, và độ nhám của kênh. Đối với một kênh nhất định, khả năng thoát nước sẽ tăng lên khi độ dốc đáy hoặc độ sâu dòng chảy tăng. Ngược lại, khả năng thoát nước sẽ giảm xuống khi bề mặt kênh trở nên thô ráp hơn. Ví dụ, một mương được lát đá hộc (riprap) chỉ có khoảng một nửa khả năng thoát nước so với một mương bê tông có cùng kích thước, hình dạng và độ dốc, do sự khác biệt về độ nhám kênh. Trong một số trường hợp, một kênh có bề mặt thô ráp có thể mang lại lợi ích, đặc biệt trên dốc lớn, nơi cần hạn chế vận tốc dòng chảy trở nên quá cao.

Hình dạng kênh hiệu quả nhất về thủy lực là nửa vòng tròn, nhưng hiệu quả thủy lực không phải là tiêu chí duy nhất. Ngoài việc thực hiện chức năng thủy lực, kênh thoát nước cần phải kinh tế trong thi công và yêu cầu ít bảo trì trong suốt vòng đời của tuyến đường.

Kênh cũng cần đảm bảo các yêu cầu sau:

• An toàn cho phương tiện khi vô tình rời khỏi phần đường xe chạy.
• Thẩm mỹ trong cảnh quan đường bộ.
• Thoát nước hiệu quả mà không gây hư hại đến khu vực xung quanh.

Hầu hết các yêu cầu bổ sung này đều làm giảm khả năng thủy lực của kênh. Do đó, thiết kế tốt nhất cho từng đoạn đường là sự cân bằng giữa các yêu cầu khác nhau, với mức độ ảnh hưởng khác nhau đến thiết kế.

Hình 5.1 minh họa mặt cắt ngang hình học ưu tiên cho các mương có sự thay đổi độ dốc dần dần, trong đó mặt trước và mặt sau có thể được phương tiện đi qua (AASHTO 2002). Hình này áp dụng cho:

• Mương bo tròn có bề rộng đáy từ 2,4 m (8 ft) trở lên.
• Mương hình thang có bề rộng đáy từ 1,2 m (4 ft) trở lên.

Chiều rộng hành lang đường thường hạn chế sự lựa chọn về hướng tuyến hoặc độ dốc của kênh, nhưng trong phạm vi có thể, nên tránh các thay đổi đột ngột về hướng hoặc độ dốc.

• Thay đổi đột ngột về hướng tạo ra điểm tập trung dòng chảy, làm tăng nguy cơ xói mòn tại vị trí đó.
• Thay đổi đột ngột về độ dốc có thể gây ra:
  • Bồi lắng vật liệu khi độ dốc giảm đột ngột.
  • Xói mòn khi độ dốc tăng đột ngột.

Không cần thiết phải tiêu chuẩn hóa thiết kế kênh thoát nước đường bộ cho toàn bộ chiều dài tuyến đường.

• Chiều sâu và chiều rộng của kênh có thể thay đổi theo lưu lượng dòng chảy, độ dốc kênh, và khoảng cách giữa các cống thoát ngang.
• Kích thước kênh cũng có thể thay đổi bằng cách sử dụng các loại lớp lót kênh khác nhau.
• Không cần thiết phải tiêu chuẩn hóa khoảng cách ngang giữa kênh và mép mặt đường.
• Khi cao độ đào thấp hoặc tại các vị trí chuyển tiếp từ đào sang đắp, có thể tận dụng khoảng lùi lớn hơn cho kênh.

Việc bảo trì định kỳ là yếu tố quan trọng đối với mọi kênh thoát nước.

• Nếu không được bảo trì đúng cách, một kênh được thiết kế tốt có thể biến thành rãnh xói lở, mất mỹ quan.
• Phương pháp bảo trì cần được xem xét ngay trong giai đoạn thiết kế, để đảm bảo mặt cắt kênh phù hợp với thiết bị và phương pháp bảo trì sẽ được sử dụng (xem Chương 12).

5.2 Khái niệm thiết kế kênh ổn định

Kênh ven đường thường được sử dụng cùng với đường không có lề cứng để dẫn nước mưa từ mặt đường và từ các khu vực thoát nước về phía đường. Ngoài ra, mặt cắt kênh cũng có thể được sử dụng cho các tuyến đường có lề cứng để thu nước thoát ngoài mặt đường, giúp:

• Giảm thiểu sự lắng đọng của trầm tích và mảnh vụn trên mặt đường.
• Giảm lượng nước cần được thoát qua mặt cắt đường bộ.

Độ dốc của kênh ven đường thường song song với độ dốc của tuyến đường.

• Ngay cả khi độ dốc đường bộ tương đối nhẹ, điều kiện thủy lực trong kênh ven đường vẫn có thể gây xói mòn nghiêm trọng.
• Do đó, thiết kế hệ thống thoát nước ổn định là yếu tố quan trọng trong thiết kế kênh ven đường.

Nhu cầu chống xói mòn không chỉ giới hạn trong kênh thoát nước đường bộ, mà còn phải được xem xét trên toàn bộ hành lang đường. Đây là một yếu tố thiết yếu của thiết kế thoát nước hiệu quả.

Xói mòn và yêu cầu bảo trì có thể được giảm thiểu bằng cách:

• Sử dụng mái dốc thoải, bo tròn và hài hòa với địa hình tự nhiên.
• Thiết kế kênh thoát nước hợp lý, bao gồm vị trí, chiều rộng, chiều sâu, độ dốc, hướng tuyến và lớp bảo vệ.
• Xây dựng hệ thống thoát nước ngầm phù hợp, kết hợp với đê chắn, gờ chắn và các thiết bị bảo vệ khác.
• Sử dụng lớp phủ thực vật và trồng cây bảo vệ mặt đất.

Chương này tập trung vào kiểm soát xói mòn trong kênh thoát nước thông qua thiết kế hợp lý, bao gồm lựa chọn lớp lót kênh kinh tế.

• Lớp lót kênh có thể bao gồm thảm thực vật hoặc các vật liệu bảo vệ khác.
• Loại lớp lót cần phải phù hợp với mức độ bảo vệ yêu cầu, tổng chi phí, yêu cầu an toàn, và tính thẩm mỹ.

🔹 Lưu ý: Kiểm soát xói mòn do dòng chảy tấm bề mặt (sheet flow) không được đề cập trong chương này.

5.3 Vật liệu lót kênh

Vật liệu lót kênh có thể được phân thành vật liệu mềm và vật liệu cứng.

• Lớp lót mềm có khả năng thích ứng với sự thay đổi hình dạng kênh và vẫn duy trì tính toàn vẹn tổng thể của kênh.
• Lớp lót cứng không thể thay đổi hình dạng và có xu hướng hỏng hóc nếu một phần lớp lót bị hư hại.

Sự thay đổi hình dạng kênh có thể do các yếu tố như tầng đất bị nâng lên do đóng băng (frost-heave), sạt lở (slumping), hoặc xói rỗng (piping),… gây ra.

Các loại vật liệu lót phổ biến

• Lớp lót mềm: bao gồm cỏ và đá hộc (riprap) (Hình 5.2 và 5.3).
• Lớp lót cứng: điển hình là bê tông (Hình 5.4).

Ưu và nhược điểm của mỗi loại vật liệu lót

✔️ Lớp lót mềm:

• Chi phí thấp hơn so với lớp lót cứng.
• Có tính thẩm mỹ cao, phù hợp với cảnh quan tự nhiên.
• Thân thiện với môi trường hơn.
• Nhược điểm: Chịu được lực xói mòn thấp hơn, dễ bị hư hại nếu dòng chảy mạnh.

✔️ Lớp lót cứng:

• Chịu xói mòn tốt hơn, đảm bảo ổn định trong điều kiện dòng chảy mạnh.
• Tăng khả năng thoát nước của kênh.
• Nhược điểm: Chi phí cao hơn, ít thân thiện với môi trường, có thể bị hư hại cục bộ dẫn đến hỏng toàn bộ.

Trong một số trường hợp, lớp lót cứng là lựa chọn duy nhất khả thi để đảm bảo khả năng chịu tải và chống xói mòn.

Lớp lót mềm có thể được phân thành dài hạn, chuyển tiếp hoặc tạm thời.

• Lớp lót mềm dài hạn được sử dụng khi kênh cần bảo vệ chống xói mòn trong suốt vòng đời của nó. Các vật liệu lót dài hạn bao gồm thảm thực vật, sỏi cuội, đá hộc (riprap), đá hộc bọc lưới thép, và thảm gia cố (turf reinforcement).
• Lớp lót mềm chuyển tiếp được sử dụng để bảo vệ tạm thời chống xói mòn cho đến khi lớp lót dài hạn, chẳng hạn như cỏ, có thể phát triển ổn định.
• Lớp lót mềm tạm thời được sử dụng không có thảm thực vật, thường được áp dụng cho các kênh thoát nước trong khu vực công trình xây dựng hoặc những kênh tạm thời có thời gian sử dụng ngắn.

Thảm gia cố (Turf Reinforcement) có thể được sử dụng như một giải pháp chuyển tiếp hoặc dài hạn bằng cách tăng cường kết cấu cho lớp đất/thảm thực vật. Các vật liệu gia cố thảm cỏ điển hình bao gồm: Hỗn hợp sỏi/đất, Thảm cỏ gia cố (TRM – Turf Reinforcement Mats)

Thảm cỏ gia cố (TRM) là sản phẩm kiểm soát xói mòn dạng cuộn (RECP) không phân hủy, được thiết kế dưới dạng cấu trúc ba chiều, có độ cứng, độ dày và mật độ cao hơn so với thảm kiểm soát xói mòn (ECB – Erosion Control Blanket).

Thảm kiểm soát xói mòn (ECB) là một RECP phân hủy sinh học, bao gồm sợi tự nhiên hoặc sợi polyme được liên kết thành một tấm liên tục.

Vải dệt thưa (OWT – Open – Weave Textiles) là một RECP phân hủy sinh học, được làm từ sợi tự nhiên hoặc polyme nhưng có kết cấu dệt lỏng hơn thành dạng ma trận.

Các RECPs (sản phẩm kiểm soát xói mòn dạng cuộn) được trải xuống kênh và cố định bằng ghim hoặc cọc (Hình 5.5).

Việc xây dựng lớp lót bê tông cứng yêu cầu thiết bị chuyên dụng và vật liệu đắt đỏ. Do đó, chi phí cho lớp lót cứng thường là rất cao. Lớp lót tiền chế có thể là lựa chọn ít tốn kém hơn nếu khoảng cách vận chuyển không quá xa. Khối lát bê tông liên kết là một ví dụ điển hình của lớp lót tiền chế.

Nói chung, khi cần lớp lót, lớp lót có chi phí thấp nhất nhưng vẫn đảm bảo bảo vệ hiệu quả nên được sử dụng. Trong các khu vực có khí hậu ẩm ướt, thường là thảm thực vật được sử dụng một mình hoặc kết hợp với các loại lớp lót khác. Vì vậy, một kênh có thể được lót cỏ ở các đoạn có độ dốc nhẹ và được lót bằng vật liệu bền hơn ở các đoạn có độ dốc lớn hơn.

Trong mặt cắt ngang, kênh có thể được lót bằng vật liệu có khả năng chống chịu cao ở độ sâu cần thiết để xử lý lũ thường xuyên và được lót cỏ ở trên độ sâu đó để bảo vệ khỏi lũ hiếm gặp.

5.4 Quy trình thiết kế kênh ổn định

Thiết kế kênh ổn định có thể dựa trên các khái niệm cân bằng tĩnh hoặc cân bằng động.

• Cân bằng tĩnh (static equilibrium) xảy ra khi ranh giới kênh hầu như cố định, và vật liệu tạo thành ranh giới kênh có khả năng chống lại hoàn toàn lực xói mòn của dòng chảy.
  • Trong điều kiện này, kênh không thay đổi đáng kể trong quá trình dòng chảy thiết kế.
  • Các nguyên tắc thủy lực biên cứng (rigid boundary hydraulics) có thể được áp dụng.
• Cân bằng động (dynamic equilibrium) xảy ra khi ranh giới kênh có thể dịch chuyển, dẫn đến một số thay đổi trong đáy kênh và/hoặc bờ kênh.
  • Một hệ thống động được coi là ổn định miễn là tổng mức thay đổi không vượt quá giới hạn chấp nhận được.

Thiết kế kênh ổn định trong điều kiện cân bằng động phải dựa trên các khái niệm về vận chuyển bùn cát.

• Đối với hầu hết các kênh thoát nước đường bộ, sự mất ổn định của đáy và bờ kênh hoặc sự dịch chuyển ngang của kênh là không thể chấp nhận được.
• Do đó, thiết kế kênh ổn định phải dựa trên khái niệm cân bằng tĩnh, bao gồm sử dụng vật liệu lót kênh nếu cần thiết để đảm bảo điều kiện biên cứng.

Hai phương pháp được phát triển và thường được áp dụng trong thiết kế kênh cân bằng tĩnh:

1. Phương pháp vận tốc cho phép (Permissible Velocity Approach)
   • Kênh được coi là ổn định nếu vận tốc trung bình của dòng chảy nhỏ hơn vận tốc tối đa cho phép đối với điều kiện biên của kênh.
2. Phương pháp lực kéo cho phép (Permissible Tractive Force Approach)
   • Yêu cầu ứng suất cắt tác động lên đáy kênh và bờ kênh không vượt quá giá trị tối đa cho phép đối với vật liệu tạo thành kênh.

Lịch sử và ứng dụng

• Phương pháp vận tốc cho phép xuất hiện từ những năm 1920 và đã được Sở Bảo tồn Đất Hoa Kỳ (Soil Conservation Service, nay là Natural Resource Conservation Service) phát triển và sử dụng rộng rãi.
• Phương pháp lực kéo cho phép, dựa trên ứng suất cắt (xem Chương 4), được phát triển chủ yếu từ nghiên cứu của Cục Khai hoang Hoa Kỳ (Bureau of Reclamation) vào những năm 1950.

Dựa trên quá trình vật lý thực tế duy trì kênh ổn định, đặc biệt là ứng suất tại bề mặt tiếp xúc giữa dòng nước và vật liệu tạo thành kênh, phương pháp lực kéo được xem là mô hình thực tế hơn. Phương pháp này đã được chọn làm quy trình thiết kế ưu tiên cho lớp lót mềm trong tài liệu Hydraulic Engineering Circular Number 15 (HEC-15), có tiêu đề “Design of Roadside Channels with Flexible Linings” (Thiết kế kênh ven đường với lớp lót mềm), đây là tài liệu tham khảo chính cho thiết kế kênh ổn định (Kilgore và Cotton, 2005).

Định nghĩa và phương trình tính lực kéo (tractive force) đã được trình bày trong Chương 4 (Phương trình 4.13). Phương trình này xác định lực kéo trung bình tác động lên kênh. Ứng suất cắt cực đại dọc theo đáy kênh có thể được ước tính bằng cách thay thế độ sâu dòng chảy (y) thay cho bán kính thủy lực (R) trong Phương trình 4.13. Để thống nhất với HEC-15, độ sâu dòng chảy sẽ được ký hiệu là “d” trong phần thảo luận tiếp theo, và phương trình thu được là:

Trong đó:

• τ_d = Ứng suất cắt tại độ sâu lớn nhất trong kênh, N/m² (lb/ft²)
• γ = Trọng lượng riêng của nước
• d = Độ sâu lớn nhất của dòng chảy trong kênh ứng với lưu lượng thiết kế, m (ft)
• S = Độ dốc kênh, m/m (ft/ft)

Lớp lót mềm có tác dụng giảm ứng suất cắt tác động lên bề mặt đất bên dưới. Do đó, khả năng bị xói mòn của lớp đất nền là yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của lớp lót mềm.

• Đối với đất không kết dính (chỉ số dẻo PI < 10), khả năng bị xói mòn chủ yếu phụ thuộc vào kích thước hạt.
• Đối với đất kết dính, khả năng bị xói mòn phụ thuộc vào độ bền kết dính và mật độ của đất.

Hiệu suất của lớp lót thực vật và lớp lót RECP liên quan đến khả năng bảo vệ lớp đất nền khỏi ứng suất cắt. Do đó, các loại lớp lót này không có giá trị ứng suất cắt cho phép cố định, mà phụ thuộc vào loại đất bên dưới.

Khi ứng suất cắt cho phép lớn hơn hoặc bằng ứng suất cắt tính toán, lớp lót được coi là đạt yêu cầu.

Trong đó:

• τ_p = Ứng suất cắt cho phép của lớp lót kênh, N/m² (lb/ft²)
• SF = Hệ số an toàn

Hệ số an toàn cung cấp một thước đo về mức độ không chắc chắn và khả năng chịu lỗi, thường nằm trong khoảng 1,0 đến 1,5. Quy trình cơ bản để thiết kế lớp lót mềm bao gồm các bước sau, được tóm tắt trong Hình 5.6 (từ HEC-15).

Bước 1: Xác định lưu lượng thiết kế (QQ) và chọn độ dốc kênh cũng như hình dạng kênh.

Bước 2: Chọn loại lớp lót thử nghiệm.

• Ban đầu, kỹ sư thiết kế cần xác định xem có cần lớp lót dài hạn hay không, và có cần lớp lót tạm thời hoặc chuyển tiếp hay không.
• Nếu cần đánh giá phương án lót tạm thời, loại lót thử nghiệm có thể là vật liệu tự nhiên (không lót), thường là đất trần.
• Ví dụ, nếu đất trần không đủ ổn định để sử dụng lâu dài, nhưng thảm thực vật là giải pháp tốt, thì có thể chọn cỏ.
• Trong giai đoạn chuyển tiếp từ thi công đến khi thảm thực vật phát triển, có thể cần một lớp lót tạm thời, tùy thuộc vào tính chất của lớp đất trần.

Bước 3:

• Giá trị độ sâu ước tính có thể dựa trên giới hạn vật lý của kênh, nhưng ban đầu chỉ là giá trị dự đoán.
• Có thể cần lặp lại bước 3 đến bước 5 để hiệu chỉnh giá trị này.

Bước 4: Ước tính hệ số nhám Manning (n) và tính toán lưu lượng dòng chảy (Q_i) tương ứng với giá trị n_n và d_i đã ước tính.

Bước 5: So sánh Q_i với Q.

• Nếu Q_i nằm trong khoảng sai số 5% so với lưu lượng thiết kế Q, tiếp tục sang Bước 6.
• Nếu không, quay lại Bước 3 và chọn một độ sâu dòng chảy mới (d_i+1), tính toán theo công thức:

$$d_{i+1} = d_i \left( \frac{Q}{Q_i} \right)^{0.4}$$

hoặc sử dụng một phương pháp phù hợp khác.

Bước 6: Tính ứng suất cắt tại độ sâu lớn nhất (τ_d) (theo phương trình 5.1).

• Xác định ứng suất cắt cho phép (τ_p) theo phương pháp mô tả trong HEC-15.
• Chọn một hệ số an toàn phù hợp.

Bước 7: So sánh ứng suất cắt cho phép với ứng suất cắt tính toán từ Bước 6 (dựa trên phương trình 5.2).

• Nếu ứng suất cắt cho phép lớn hơn hoặc bằng ứng suất cắt tính toán, lớp lót được coi là đạt yêu cầu.
• Nếu ứng suất cắt cho phép nhỏ hơn ứng suất cắt tính toán, quay lại Bước 2 để chọn một loại lớp lót có khả năng chịu ứng suất cao hơn.
• Ngoài ra, có thể chọn hình dạng kênh khác giúp giảm độ sâu dòng chảy, từ đó giảm ứng suất cắt.

Lớp lót được chọn đạt yêu cầu ổn định và quy trình thiết kế hoàn tất. Nếu cần, có thể kiểm tra thêm các loại lớp lót khác trước khi xác định lớp lót ưu tiên.

5.5 Phương trình thiết kế kênh ổn định có lớp lót cỏ

HEC-15 mô tả quy trình thiết kế kênh ổn định theo phương pháp lực kéo đối với các loại lớp lót như:

• Lớp lót thực vật (vegetative linings)
• Lớp lót kiểm soát xói mòn dạng cuộn (RECPs)
• Lớp lót bằng đá hộc/sỏi cuội (riprap/cobble)
• Lớp lót bằng rọ đá (gabion linings)

Ngoài ra, tài liệu còn đề cập đến các lưu ý đặc biệt khi thiết kế đá hộc trên dốc lớn và lớp lót hỗn hợp. Để minh họa, các phương trình cần thiết để thiết kế lớp lót thực vật trên đất kết dính được trình bày dưới đây. Đối với các loại lớp lót khác, vui lòng tham khảo HEC-15.

Hệ số nhám Manning (n) của lớp lót cỏ thay đổi tùy thuộc vào đặc tính của cỏ và ứng suất cắt tác động lên nó.

• Khi dòng chảy tăng, thân cỏ bị uốn cong dưới tác động của dòng nước, làm thay đổi độ nhám thủy lực của kênh.
• Phương trình mô tả giá trị n cho lớp lót cỏ là:

Trong đó:

• τ_o = Ứng suất cắt trung bình tại bề mặt kênh, N/m² (lb/ft²), tính theo Phương trình 4.13
• α = Hằng số chuyển đổi đơn vị, 1.0 (0.213)
• C_n = Hệ số nhám của cỏ (Giá trị điển hình trong Bảng 5.1; giá trị cụ thể tại vị trí có thể được tính bằng HEC-15)

Chiều cao thân cỏ m (ft)	Xuất sắc (Excellent)	Rất tốt (Very Good)	Tốt (Good)	Khá (Fair)	Kém (Poor)
0.075 (0.25)	0.168	0.157	0.142	0.122	0.111
0.150 (0.50)	0.243	0.227	0.205	0.177	0.159
0.225 (0.75)	0.301	0.281	0.254	0.219	0.197

Hệ số nhám do kích thước hạt đất (n_s) là 0.016 khi D₇₅ < 1.3 mm (0.05 in). Đối với đất có kích thước hạt lớn hơn, hệ số nhám do hạt đất được xác định theo giá trị D₇₅.

Trong đó:

• n_s = Hệ số nhám do kích thước hạt đất D₇₅ > 1.3 mm (0.05 in)
• D₇₅ = Kích thước hạt đất, tại đó 75% vật liệu có kích thước nhỏ hơn, mm (in)
• α = Hằng số chuyển đổi đơn vị, 0.015 (0.026)

Chú giải 1

Để xác định các kích thước hạt quan trọng như D₇₅, D₅₀, D₂₅ (tương ứng với đường kính hạt mà 75%, 50% hoặc 25% khối lượng mẫu đất có kích thước nhỏ hơn), ta sử dụng các thí nghiệm phân tích thành phần hạt. Dưới đây là một số phương pháp phổ biến:

---

1. Thí nghiệm sàng (Sieve Analysis) – ASTM D6913

🔹 Áp dụng cho: Đất hạt thô (cát, sỏi) có kích thước hạt lớn hơn 0.075 mm (No.200 sieve).

🔹 Quy trình:

• Mẫu đất khô được sàng qua bộ sàng tiêu chuẩn, với các kích thước lỗ từ 75 mm đến 0.075 mm.
• Mỗi sàng giữ lại một phần vật liệu có kích thước lớn hơn lỗ sàng.
• Khối lượng vật liệu còn lại trên mỗi sàng được cân và tính toán tỷ lệ phần trăm tích lũy nhỏ hơn mỗi kích thước hạt.
• Biểu đồ phân bố hạt (Grain Size Distribution Curve) được vẽ, từ đó xác định các giá trị D75,D50,D25D_{75}, D_{50}, D_{25} bằng cách nội suy trên đồ thị.

---

2. Thí nghiệm tỷ trọng kế (Hydrometer Analysis) – ASTM D7928

🔹 Áp dụng cho: Đất hạt mịn (bùn, sét) có kích thước hạt nhỏ hơn 0.075 mm.

🔹 Quy trình:

• Mẫu đất được phân tán trong nước và khuấy đều để tạo huyền phù.
• Sử dụng tỷ trọng kế (hydrometer) để đo tỷ trọng huyền phù theo thời gian.
• Định luật Stokes được áp dụng để tính toán kích thước hạt dựa trên tốc độ lắng.
• Đường cong phân bố hạt được vẽ, từ đó xác định các giá trị D75,D50,D25D_{75}, D_{50}, D_{25}.

---

3. Phân tích hình ảnh (Image Analysis)

🔹 Áp dụng cho: Cát, sỏi, hoặc đất có hạt lớn hơn 0.075 mm.

🔹 Quy trình:

• Sử dụng công nghệ quét ảnh (microscope, laser diffraction, hoặc phần mềm phân tích hình ảnh) để đo kích thước hạt đất.
• Kết quả được xử lý để tạo biểu đồ phân bố kích thước hạt và xác định D75,D50,D25D_{75}, D_{50}, D_{25}.

---

Tóm lại

• Nếu đất hạt thô (cát, sỏi) → Sàng khô (Sieve Analysis, ASTM D6913).
• Nếu đất hạt mịn (bùn, sét) → Tỷ trọng kế (Hydrometer Analysis, ASTM D7928).
• Nếu cần độ chính xác cao → Phân tích hình ảnh (Image Analysis) có thể được sử dụng.

Chú giải 2

Xác định D₇₅, D₅₀ cho Riprap (Đá Hộc)

Riprap là vật liệu có kích thước hạt lớn, vì vậy phương pháp thí nghiệm sàng khô (Sieve Analysis – ASTM D6913) là phù hợp nhất. Tuy nhiên, do riprap có kích thước rất lớn, ta thường sử dụng các phương pháp thực địa như đo kích thước thủ công hoặc sàng với lưới thép có kích thước lớn.

---

Phương pháp 1: Phân tích sàng khô (Sieve Analysis) – ASTM D6913

Áp dựng cho:

🔹 Riprap cỡ trung bình đến nhỏ (đường kính hạt từ 75 mm trở xuống).
🔹 Nếu riprap có kích thước lớn hơn 75 mm, cần kết hợp với phương pháp đo thực địa (Phương pháp 2).

Dụng cụ:

• Bộ sàng tiêu chuẩn ASTM có các kích thước lớn (150 mm, 100 mm, 75 mm, 50 mm, 37.5 mm, 25 mm, 19 mm,…).
• Cân kỹ thuật có độ chính xác phù hợp với khối lượng mẫu riprap.
• Máy lắc sàng hoặc sàng tay với rung động nhẹ.

Quy trình:

1. Lấy mẫu riprap đại diện theo ASTM D75 (thường là khoảng 50-100 kg tùy theo kích thước).
2. Sấy khô mẫu nếu cần.
3. Sàng mẫu qua bộ sàng tiêu chuẩn.
4. Cân khối lượng vật liệu còn lại trên mỗi sàng.
5. Tính phần trăm tích lũy vật liệu nhỏ hơn từng kích thước sàng.
6. Vẽ đồ thị phân bố kích thước hạt.
7. Xác định D₇₅,D₅₀ bằng nội suy trên đồ thị (giá trị tại đó 75% và 50% vật liệu có kích thước nhỏ hơn).

---

Phương pháp 2: Đo thủ công tại hiện trường (Field Measurement) – ASTM D5519

Áp dụng cho:

🔹 Riprap cỡ lớn (đường kính hạt > 75 mm) mà không thể sàng bằng phương pháp tiêu chuẩn.

Dụng cụ:

• Thước kẹp lớn hoặc thước dây để đo kích thước viên đá.
• Bộ mẫu chuẩn để so sánh kích thước đá.
• Máy ảnh/ứng dụng phân tích ảnh (tùy chọn).

Quy trình:

1. Chọn ngẫu nhiên ít nhất 30-50 viên đá riprap trong một khu vực mẫu đại diện.
2. Đo kích thước của mỗi viên đá, thường theo đường kính trung bình hoặc đường kính dài nhất.
3. Sắp xếp số liệu theo thứ tự tăng dần.
4. Tính phần trăm tích lũy:
   • D₅₀ là đường kính mà 50% số đá có kích thước nhỏ hơn.
   • D₇₅ là đường kính mà 75% số đá có kích thước nhỏ hơn.

🔥 Lưu ý: Phương pháp này có sai số cao hơn so với sàng tiêu chuẩn nhưng vẫn được sử dụng phổ biến trong thực tế.

---

Tóm lại

• Nếu riprap nhỏ hơn 75 mm → Dùng sàng khô ASTM D6913.
• Nếu riprap lớn hơn 75 mm → Đo thực địa theo ASTM D5519.

Ứng suất cắt cho phép đối với đất dính được xác định theo công thức:

Trong đó:

• τ_p,soil​ = Ứng suất cắt cho phép của đất, N/m² (lb/ft²)
• PI = Chỉ số dẻo (Plasticity Index)
• e = Độ rỗng (Void Ratio)
• c_i = Hệ số được xác định trong Bảng 5.2

⁽¹⁾ Tên đất thông dụng

• GM: Sỏi á sét, hỗn hợp sỏi-cát á sét
• GC: Sỏi á sét dẻo, hỗn hợp sỏi-cát-sét
• SM: Cát á sét, hỗn hợp cát-sét
• SC: Cát á sét dẻo, hỗn hợp cát-sét dẻo
• ML: Bột vô cơ, cát rất mịn, bột đá, cát mịn á sét hoặc á sét dẻo
• CL: Sét vô cơ có độ dẻo thấp đến trung bình, sét sỏi, sét cát, sét á sét, sét gầy
• MH: Bột vô cơ, cát hoặc bột á mica hoặc tảo cát, bột đàn hồi
• CH: Sét vô cơ có độ dẻo cao, sét béo

Tác động kết hợp giữa ứng suất cắt cho phép của đất và ứng suất cắt hiệu dụng được truyền qua lớp lót thực vật tạo ra ứng suất cắt cho phép tổng hợp cho điều kiện nhất định.

Phương trình thu được là:

Trong đó:

• τ_p = Ứng suất cắt cho phép, N/m² (lb/ft²)
• τ_p,soil = Ứng suất cắt cho phép của đất, N/m² (lb/ft²), xem Phương trình 5.5
• n_s = Hệ số nhám do kích thước hạt đất, xem Phương trình 5.4
• n = Hệ số nhám tổng thể của lớp lót, xem Phương trình 5.3
• C_f = Hệ số che phủ cỏ, được xác định theo Bảng 5.3

Dạng phát triển	Xuất sắc (Excellent)	Rất tốt (Very Good)	Tốt (Good)	Khá (Fair)	Kém (Poor)
Thảm cỏ (Sod)	0.98	0.95	0.90	0.84	0.75
Cỏ bụi (Bunch)	0.55	0.53	0.50	0.47	0.41
Cỏ hỗn hợp (Mixed)	0.82	0.79	0.75	0.70	0.62

Khi ứng suất cắt cho phép lớn hơn hoặc bằng ứng suất cắt tính toán (được xác định theo Phương trình 5.2), lớp lót được coi là đạt yêu cầu.

Ví dụ 5.1 minh họa quy trình tính toán cho kênh có lớp lót cỏ trên đất kết dính.

Ví dụ 5.1 – Thiết Kế Lớp Lót Cỏ

Đánh giá lớp lót cỏ cho một kênh ven đường với các thông số sau về hình dạng kênh, điều kiện đất, độ dốc và lưu lượng thiết kế.

Lớp lót cỏ dự kiến sẽ được duy trì trong điều kiện tốt vào mùa xuân và mùa hè, đây là mùa mưa chính trong khu vực.

Cho:

• Hình dạng kênh: Hình thang, B = 0.9 m, Z = 3
• Đất: Cát á sét (SC classification), PI = 16, e = 0.5, D₇₅< 1.3 mm
• Cỏ: Thảm cỏ (Sod), chiều cao = 0.075 m
• Độ dốc: 3.0% (0.03 m/m)
• Lưu lượng: 0.5 m³/s

Giải:

Thực hiện theo quy trình từng bước trong Mục 5.4.

Bước 1. Độ dốc kênh, hình dạng kênh và lưu lượng đã được cho trước.

Bước 2. Đánh giá lớp lót thực vật trên nền đất cát á sét (SC classification).

Bước 3. Ước tính ban đầu cho độ sâu dòng chảy là 0.30 m.

Từ mối quan hệ hình học của kênh hình thang (xem Mục 4.3.2):

Bước 4. Để ước tính hệ số nhám n, ứng suất cắt tác động lên lớp lót cỏ được xác định theo công thức 4.13:

Xác định giá trị hệ số nhám Manning (n) từ Phương trình 5.3. Từ Bảng 5.1, chọn giá trị phù hợp cho lớp lót cỏ dựa trên chiều cao thân cỏ và tình trạng thảm cỏ.

Lưu lượng được tính toán bằng phương trình Manning (Phương trình 4.5):

Bước 5. Vì giá trị này chênh lệch hơn 5% so với lưu lượng thiết kế, chúng ta cần quay lại Bước 3 để ước tính một độ sâu dòng chảy mới.

Bước 3. (lặp 2) Ước tính một độ sâu mới:

Vậy, thử với d = 0.22 m.

Cập nhật lại bán kính thủy lực (R).

Bước 4. (lặp 2) Để ước tính hệ số nhám nn, tính ứng suất cắt tác động lên lớp lót cỏ được tính theo phương trình 4.3.

Xác định giá trị hệ số nhám Manning (nn) từ Phương trình 5.3.

Từ Bảng 5.1, chọn giá trị phù hợp dựa trên:

• Chiều cao thân cỏ
• Tình trạng thảm cỏ (Xuất sắc, Rất tốt, Tốt, Khá, Kém)

Lưu lượng được tính toán bằng phương trình Manning (Phương trình 4.5):

Bước 5. (lặp 2) Vì giá trị này chênh lệch hơn 5% so với lưu lượng thiết kế, chúng ta cần quay lại Bước 3 để ước tính một độ sâu dòng chảy mới.

Bước 3. (lặp 3) Ước tính một độ sâu mới:

Bước 4. (lặp 3) Để ước tính hệ số nhám n, ứng suất cắt tác động lên lớp lót cỏ được tính theo Phương trình 4.13.

Xác định giá trị hệ số nhám Manning (nnn) từ Phương trình 5.3.

Lưu lượng được tính toán bằng phương trình Manning (Phương trình 4.5):

Bước 5. (lặp 3) Vì giá trị này nằm trong phạm vi 5% so với lưu lượng thiết kế, chúng ta có thể tiếp tục sang Bước 6.

Bước 6. Ứng suất cắt cực đại tại đáy kênh là:

Xác định ứng suất cắt cho phép của đất từ Phương trình 5.5.

Phương trình 5.6 xác định ứng suất cắt cho phép trên lớp thực vật.

• Giá trị hệ số che phủ cỏ (C_f) được tìm thấy trong Bảng 5.3.
• Hệ số nhám do kích thước hạt đất (n_s) là 0.016, vì D₇₅ < 1.3 mm.

Bước 7. Lớp lót cỏ đạt yêu cầu, vì ứng suất cắt cực đại trên lớp thực vật (61.8 N/m²) nhỏ hơn ứng suất cắt cho phép (131 N/m²).