6.1 Các khái niệm cơ bản
Nước trên mặt đường có thể làm chậm giao thông và góp phần gây tai nạn do hiện tượng trượt nước (hydroplaning) cũng như giảm tầm nhìn do nước bắn và phun. Do đó, việc thoát nước trên mặt đường một cách nhanh chóng và hiệu quả là rất quan trọng. Thiết kế thoát nước mặt đường nhằm đảm bảo loại bỏ nước trên mặt đường một cách hiệu quả.
Thiết kế thoát nước mặt đường thường dựa trên lưu lượng thiết kế và phạm vi lan rộng tối đa của nước trên mặt đường. Sự lan rộng của nước trên làn xe có thể được chấp nhận thường xuyên hơn và với bề rộng lớn hơn trong trường hợp lưu lượng và tốc độ giao thông thấp. Ngược lại, đối với các tuyến đường có tốc độ cao và lưu lượng lớn, chẳng hạn như đường cao tốc, cần thiết kế để giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn sự lan rộng của nước trên làn xe trong điều kiện thiết kế.
Các đặc điểm hình học tiêu chuẩn của đường có ảnh hưởng đáng kể đến thiết kế thoát nước mặt đường. Những yếu tố này bao gồm mép đường có bó vỉa, cấu hình rãnh thoát nước, độ dốc dọc và ngang của mặt đường, lề đường và làn đỗ xe. Việc bố trí bó vỉa ở mép phải của mặt đường là thực tiễn phổ biến đối với các tuyến đường đô thị có tốc độ thấp.
Rãnh thoát nước nằm cạnh bó vỉa, kết hợp với một phần của lề đường hoặc mặt đường, tùy thuộc vào phạm vi lan rộng cho phép, được sử dụng để dẫn dòng chảy mặt. Nước chảy trên mặt đường có bó vỉa về bản chất là một trường hợp đặc biệt của dòng chảy kênh hở trong mặt cắt ngang hình tam giác nông. Thoát nước mặt đường vào rãnh thoát nước hoặc kênh cạn nằm cạnh mặt đường cũng là một trường hợp của dòng chảy kênh hở, thường diễn ra trong mặt cắt ngang rộng và nông.
Độ dốc dọc ảnh hưởng đến phạm vi lan rộng của nước trên mặt đường. Đối với mặt đường có bó vỉa, thường yêu cầu độ dốc tối thiểu 0,3% để đảm bảo thoát nước hiệu quả. Trong địa hình bằng phẳng, có thể duy trì độ dốc tối thiểu bằng cách sử dụng cao độ lượn sóng hoặc điều chỉnh độ dốc ngang để tạo ra cấu hình rãnh thoát nước uốn lượn.
Độ dốc ngang của mặt đường thường là sự cân bằng giữa yêu cầu về độ dốc đủ lớn để thoát nước hiệu quả và độ dốc tương đối nhỏ để đảm bảo sự thoải mái cho người lái. Độ dốc ngang đủ lớn sẽ giúp giảm độ sâu của nước trên mặt đường, do đó đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế hiện tượng trượt nước (hydroplaning).
Ở những khu vực không thể sử dụng lớp phủ thực vật để ngăn chặn xói mòn trên các nền đắp cao, lề đường được thiết kế để đóng vai trò như một rãnh thoát nước, với bó vỉa được xây dựng ở mép ngoài nhằm giữ nước trong phạm vi lề đường. Nước thu gom trong rãnh này sẽ được dẫn xuống dốc qua các ống xả dọc (down drains).
Bó vỉa có thể được làm từ bê tông nhựa hoặc bê tông xi măng Portland. Tài liệu tham khảo chính trong thiết kế thoát nước mặt đường là HEC-22 (Brown và cộng sự, 2008). Thông tin sau đây được trích từ tài liệu đó, cung cấp tổng quan về các khái niệm và cân nhắc trong thiết kế thoát nước mặt đường.
6.2 Dòng chảy trong rãnh thoát nước
Khu vực có hình tam giác được xác định bởi bó vỉa, rãnh thoát nước và phần nước lan rộng trên mặt đường tạo thành một mặt cắt dòng chảy kênh hở để dẫn dòng chảy mặt (Hình 6.1). Rãnh thoát nước nằm cạnh bó vỉa có thể có độ dốc ngang lớn hơn so với mặt đường. Phần rãnh thoát nước có độ dốc lớn hơn này có thể là một biện pháp hiệu quả để giảm phạm vi lan rộng của nước trên mặt đường.
Việc điều chỉnh phương trình Manning (Phương trình 4.5) là cần thiết khi tính toán dòng chảy trong kênh có mặt cắt tam giác, vì bán kính thủy lực trong phương trình không mô tả đầy đủ mặt cắt ngang của rãnh thoát nước, đặc biệt trong trường hợp chiều rộng mặt nước có thể lớn hơn 40 lần độ sâu tại bó vỉa.
Để tính toán dòng chảy trong rãnh thoát nước, phương trình Manning được tích phân theo từng phần chiều rộng của mặt cắt, và phương trình thu được dưới dạng độ dốc ngang và phạm vi lan rộng như sau:
Trong đó:
- Q = Lưu lượng (m³/s hoặc ft³/s)
- Sx = Độ dốc ngang (m/m hoặc ft/ft)
- S = Độ dốc dọc (m/m hoặc ft/ft)
- T = Phạm vi lan rộng (m hoặc ft)
- Ku = Hệ số chuyển đổi đơn vị, bằng 0.376 (0.56 trong hệ đơn vị Anh)
Ví dụ 6.1 minh họa cách áp dụng phương trình này. Lưu ý rằng các biểu đồ nomograph để giải phương trình 6.1, bao gồm cả trường hợp mặt cắt ngang đồng nhất và hình học phức tạp hơn do độ dốc ngang kết hợp tạo ra, được cung cấp trong HEC-22 (Brown et al., 2008). Các bảng lưu lượng thiết kế cho các mặt cắt ngang tiêu chuẩn của tuyến đường cũng có thể được tìm thấy trong các hướng dẫn thiết kế địa phương và khu vực.
Các mặt cắt kênh cạn (swale) ở mép mặt đường hoặc lề đường có nhiều lợi thế so với mặt cắt có bó vỉa trong trường hợp không cần bó vỉa để kiểm soát giao thông. Những lợi thế này bao gồm mức độ nguy hiểm thấp hơn đối với phương tiện so với bó vỉa gần như thẳng đứng, cũng như khả năng thoát nước không phụ thuộc vào phạm vi lan rộng trên mặt đường. Mặt cắt kênh cạn (swale) đặc biệt phù hợp trong các trường hợp bó vỉa được sử dụng để ngăn nước xói mòn các mái dốc nền đường. Các mặt cắt kênh cạn thường có dạng hình tròn hoặc chữ V.
HEC-22 cũng cung cấp biểu đồ nomograph để giải phương trình Manning cho các mặt cắt kênh cạn (swale) nông (Brown et al., 2008).
Ví dụ 6.1
Cho: Một rãnh thoát nước với các kích thước và điều kiện sau:
- T = 2.5 m (Phạm vi lan rộng)
- Sx = 0.02 (Độ dốc ngang)
- S = 0.01 (Độ dốc dọc)
- n = 0.016 (Hệ số nhám Manning)
Hỏi: Lưu lượng dòng chảy trong rãnh thoát nước tại phạm vi lan rộng thiết kế.
Giải: Sử dụng phương trình Manning đã được điều chỉnh
6.3 Cửa thu nước mặt đường
Khi khả năng chứa nước của hệ thống bó vỉa/rãnh thoát nước/mặt đường bị vượt quá, thường do giới hạn về phạm vi lan rộng, dòng chảy mặt phải được chuyển hướng khỏi bề mặt đường. Một giải pháp phổ biến là thu gom toàn bộ hoặc một phần dòng chảy bằng các cửa thu nước, được kết nối với hệ thống cống thoát nước mưa.
Các loại cửa thu nước được sử dụng để thu nước trên bề mặt đường có thể được chia thành bốn nhóm chính:
- Cửa thu kiểu hở ở bó vỉa (curb-opening inlets)
- Cửa thu có song chắn (grate inlets)
- Ống thoát nước có rãnh khe (slotted drains)
- Cửa thu kết hợp (combination inlets)
(Hình 6.2 và 6.3)
Mỗi loại có nhiều biến thể thiết kế khác nhau và có thể được lắp đặt với hoặc không có phần hạ thấp của rãnh thoát nước.
Khả năng thu nước của cửa thu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:
- Loại cửa thu
- Thiết kế song chắn
- Vị trí lắp đặt (trên đoạn có độ dốc hoặc tại điểm trũng)
- Thiết kế rãnh thoát nước
- Độ tắc nghẽn do rác và mảnh vụn
Các cửa thu được lắp đặt trên đoạn đường có độ dốc liên tục thường hoạt động theo cơ chế dòng tràn (weir flow), trong khi các cửa thu ở vị trí trũng ban đầu cũng hoạt động theo cơ chế này nhưng sẽ chuyển dần sang dòng chảy qua lỗ (orifice flow) khi mực nước tăng lên (xem thêm phần về dòng tràn và dòng chảy qua lỗ trong Chương 3).
Dòng chảy qua lỗ (orifice flow) bắt đầu xuất hiện khi mực nước đạt đến một độ sâu nhất định, phụ thuộc vào kích thước song chắn, chiều cao cửa thu ở bó vỉa hoặc chiều rộng khe thu nước, tùy theo loại cửa thu. Ở khoảng giữa giữa hai cơ chế trên, dòng chảy ở trạng thái chuyển tiếp, thường không ổn định và khó xác định chính xác.
Hiệu suất của cửa thu nước trong việc loại bỏ rác và mảnh vụn là yếu tố quan trọng tại các vị trí trũng, vì toàn bộ dòng chảy mặt chảy vào điểm trũng phải đi qua cửa thu; nếu không, tình trạng ứ đọng nước nguy hiểm có thể xảy ra. Các cửa thu có song chắn đơn lẻ không được khuyến nghị sử dụng tại các vị trí trũng do nguy cơ bị tắc nghẽn.
Khả năng thu nước của cửa thu thường được xác định bằng các biểu đồ thiết kế, được phát triển từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm dành cho các cấu hình cửa thu tiêu chuẩn. Ví dụ, biểu đồ thiết kế cho trường hợp thu nước hoàn toàn bằng cửa thu hở ở bó vỉa và ống thoát nước có rãnh khe được thể hiện trong Hình 6.4 (đơn vị SI) và Hình 6.5 (đơn vị Anh). Hình 6.6 có thể được sử dụng để đánh giá hiệu suất thu nước của các cửa thu này trong trường hợp không thu toàn bộ dòng chảy.
Ví dụ 6.2 minh họa cách sử dụng các biểu đồ thiết kế này. HEC-22 cũng cung cấp các biểu đồ thiết kế khác cho nhiều loại cửa thu và song chắn thường được sử dụng trong kỹ thuật đường bộ (Brown et al., 2008).
Ví dụ 6.2
Yêu cầu thiết kế:
Xác định chiều dài cần thiết của cửa thu hở ở bó vỉa để thu hoàn toàn lưu lượng 0.07 m³/s chảy dọc theo đường phố có độ dốc ngang 0.02 và độ dốc dọc 0.03. Giả sử hệ số nhám Manning n = 0.016.
Ngoài ra, xác định lưu lượng được thu nếu sử dụng cửa thu hở ở bó vỉa dài 3.0 m, đồng thời tính toán lượng dòng chảy vượt qua và tiếp tục chảy đến cửa thu tiếp theo.
Cho:
- Sx = 0.02 (Độ dốc ngang)
- S = 0.030 (Độ dốc dọc)
- Qi = 0.07 m³/s (Lưu lượng cần thu)
- n = 0.016 (Hệ số nhám Manning)
Hỏi:
- Chiều dài cửa thu hở ở bó vỉa cần thiết để thu toàn bộ dòng chảy.
- Lưu lượng được thu bởi cửa thu hở dài 3.0 m, và lượng dòng chảy vượt qua đến cửa thu tiếp theo.
Giải:
Theo Hình 6.4, với các điều kiện đã cho, một cửa thu hở ở bó vỉa có chiều dài 11.7 m sẽ thu toàn bộ lưu lượng thiết kế 0.07 m³/s.
Nếu sử dụng cửa thu hở dài 3.0 m, chỉ một phần của dòng chảy thiết kế sẽ được thu.
Hình 6.6 xác định hiệu suất thu nước dựa trên tỷ lệ chiều dài cửa thu so với chiều dài cần thiết để thu toàn bộ lưu lượng (L/Lₜ).
Xác định tỷ lệ: L/Lt=3.0/11.7= 0.26
Theo Hình 6.6, với L/Lₜ = 0.26, hiệu suất thu nước E = 0.41.
Lưu lượng thu được bởi cửa thu dài 3.0 m là
Lượng dòng chảy vượt qua đến cửa thu tiếp theo là:
(Trích từ HEC-22, Brown et al., 2008)
6.4 Thu nước tại dải phân cách, nền đắp và cầu
Dải phân cách (Median Inlets)
Dải phân cách thường được sử dụng để tách làn xe ngược chiều trên các tuyến đường có dải phân cách. Các khu vực dải phân cách không nên để nước chảy ngang qua làn xe, và trong nhiều trường hợp, các làn trong cùng và lề đường của đường nhiều làn sẽ thoát nước vào khu vực dải phân cách, nơi có kênh cạn trung tâm thu gom dòng chảy mặt.
Dựa trên khả năng thu nước hoặc các vấn đề liên quan đến xói mòn, đôi khi cần phải đặt cửa thu nước trong dải phân cách để loại bỏ một phần hoặc toàn bộ lượng nước đã thu gom. Dải phân cách có thể được thoát nước bằng các cửa thu dạng rơi (drop inlets) hoặc song chắn (grate inlets) tương tự như những loại được sử dụng cho thoát nước mặt đường (Hình 6.7).
Thoát nước mặt cầu (Bridge Inlets)
Hệ thống thoát nước trên mặt cầu đóng vai trò quan trọng vì nhiều lý do, bao gồm nguy cơ trượt nước (hydroplaning), đóng băng và sự ăn mòn kết cấu thép gia cường do muối chống đóng băng.
Mặc dù nguyên tắc thoát nước trên mặt cầu tương tự như các đoạn đường có bó vỉa (Hình 6.8), nhưng mặt cầu thường khó thoát nước hiệu quả hơn do:
- Độ dốc ngang thấp hơn,
- Độ dốc ngang đồng nhất trên làn xe và lề đường,
- Lan can cầu (parapets) có thể giữ lại rác và mảnh vụn,
- Kích thước cửa thu nhỏ hơn và dễ bị tắc nghẽn.
Do những hạn chế trên, hệ thống thoát nước mặt đường nên được thiết kế để thu nước trước khi chảy vào cầu nếu có thể. HEC-21 cung cấp thông tin chi tiết về thiết kế thoát nước mặt cầu (FHWA, 1993).
Thoát nước tại nền đắp và cửa thu trước cầu (Embankment and Upgrade/Downgrade Bridge Inlets)
Các cửa thu nước được sử dụng để thu dòng chảy từ phía trước hoặc sau cầu, hoặc ngăn nước gây nguy hiểm cho mái dốc nền đắp, có thiết kế khác với các cửa thu nước mặt đường thông thường. Ba điểm khác biệt chính là:
- Không thể tận dụng thiết kế hệ thống hàng loạt để tối ưu chi phí do các cửa thu này thường được bố trí riêng lẻ.
- Việc thu gom nước cần đạt hiệu suất cao, thường phải thu toàn bộ hoặc gần như toàn bộ dòng chảy.
- Hệ thống cống kín thường không có sẵn để dẫn dòng chảy đi, do đó nước thường được xả vào các máng xả hở hoặc ống xả dọc (pipe downdrains) kết thúc tại chân mái dốc nền đắp (Hình 6.9).
