8.1 Phương pháp thiết kế
Thiết kế hệ thống thoát nước mưa không phải là một quy trình phức tạp, nhưng có thể bao gồm nhiều phép tính chi tiết, thường được thực hiện theo phương pháp lặp (iterative process).
Các bước chính trong thiết kế hệ thống thoát nước mưa bao gồm:
- Thiết kế sơ bộ
- Tính toán đường thủy lực (HGL) và đường năng lượng (EGL)
- Điều chỉnh kích thước/vị trí cửa thu nước và kích thước/vị trí ống để khắc phục vấn đề HGL/EGL hoặc tối ưu hóa thiết kế
Các phần sau sẽ thảo luận ngắn gọn về từng thành phần chính trong quy trình thiết kế hệ thống thoát nước mưa.
Lưu ý rằng hồ điều tiết (detention ponds) thường là một phần quan trọng trong hệ thống thoát nước mưa. Việc lưu trữ tạm thời hoặc điều tiết/giữ lại (detention/retention) lượng nước mưa dư thừa có thể được sử dụng để kiểm soát chất lượng và/hoặc lưu lượng nước mưa thoát xuống hạ lưu.
Để tìm hiểu chi tiết về các công trình điều tiết và lưu giữ nước mưa, tham khảo HEC-22 (Brown et al., 2008).
8.2 Thiết kế sơ bộ
8.2.1 Bố trí mặt bằng và mặt cắt dọc
Bước đầu tiên trong thiết kế hệ thống thoát nước mưa là xây dựng bố cục sơ bộ, bao gồm vị trí cửa thu nước, hố ga và tuyến ống. Việc này thường được thực hiện trên bản đồ mặt bằng, thể hiện:
- Đường giao thông, cầu, tình trạng sử dụng đất liền kề,
- Các giao lộ, cầu vượt hoặc hầm chui,
- Các công trình hạ tầng kỹ thuật như tiện ích mặt đất, tiện ích ngầm, và bất kỳ hệ thống thoát nước mưa nào khác.
Hướng tuyến của hệ thống thoát nước mưa trong phạm vi hành lang đường thường bị ảnh hưởng, thậm chí bị chi phối, bởi vị trí của các công trình hạ tầng kỹ thuật khác. Các công trình này (công cộng hoặc tư nhân) có thể gây cản trở hướng tuyến hoặc cao độ của hệ thống thoát nước mưa được đề xuất.
Thông thường, hệ thống thoát nước mưa nên được giữ gần bề mặt nhất có thể, với điều kiện đáp ứng được yêu cầu về độ phủ tối thiểu và thủy lực, nhằm giảm chi phí đào đất.
Một yếu tố khác ảnh hưởng đến vị trí tuyến ống là yêu cầu về giao thông, bao gồm việc đảm bảo lưu thông trong quá trình thi công và khả năng sử dụng đường tránh (detours) nếu cần.
Cân nhắc về tuyến ống cong
- Việc sử dụng tuyến ống cong có thể mang lại hiệu quả kinh tế, đặc biệt đối với các ống có kích thước lớn, khi tổn thất cột áp là một vấn đề cần quan tâm.
- Góc lệch tuyến được chia cho góc lệch cho phép tại mỗi mối nối để xác định số đoạn ống cần thiết để tạo thành đường cong mong muốn.
Bố trí tạm thời cửa thu nước, nút giao và hố ga
- Các vị trí cửa thu nước, hố ga và nút giao nên được xác định dựa trên kinh nghiệm thực tế.
- Vị trí và loại cửa thu nước được ước tính ban đầu sẽ là cơ sở để tính toán thủy văn và xác định kích thước ống, đồng thời sẽ được điều chỉnh trong quá trình thiết kế.
- Cuối cùng, cửa thu nước phải được bố trí dựa trên tiêu chí về phạm vi lan rộng của nước (spread criteria) và/hoặc yêu cầu tại giao lộ.
Lưu ý: Tất cả dòng chảy tiếp cận giao lộ nên được thu gom trước khi vào giao lộ, vì rãnh thoát nước ngang (cross gutters) không phù hợp với đường giao thông
Việc tiếp cận hệ thống là cần thiết để kiểm tra và bảo trì hệ thống thoát nước mưa.
- Đối với ống thoát nước có đường kính nhỏ hơn khoảng 1.2 m (48 in.), khoảng cách giữa các hố ga tiếp cận nên khoảng 120 m (400 ft).
- Đối với ống có kích thước lớn hơn, khoảng cách có thể lên đến 180 m (600 ft) hoặc hơn.
Các điểm nối (junctions) cũng cần được bố trí tại:
- Điểm hợp lưu của hai hoặc nhiều tuyến ống thoát nước
- Điểm thay đổi kích thước ống
- Đoạn uốn cong gấp hoặc điểm gãy tuyến lớn hơn 10°
- Đoạn thay đổi độ dốc đột ngột
8.2.2 Xác định kích thước ống
Sau khi có sơ đồ bố trí sơ bộ, có thể bắt đầu phân tích thủy văn và thủy lực để xác định kích thước hệ thống thoát nước mưa.
- Quá trình tính toán này bắt đầu từ thượng lưu và làm việc xuống hạ lưu.
- Ngược lại, các tính toán về đường thủy lực (HGL) và đường năng lượng (EGL) được trình bày trong Mục 8.3 sẽ bắt đầu từ hạ lưu và tính ngược lên thượng lưu.
Tính toán lưu lượng và xác định kích thước cửa thu nước:
- Tính toán lưu lượng dòng chảy tại từng vị trí cửa thu nước và xác định kích thước cửa thu.
- Do mỗi khu vực thoát nước chỉ có diện tích nhỏ, phương pháp Rational (Chương 2) thường được sử dụng.
- Sau khi xác định lưu lượng tại mỗi cửa thu nước, cần xem xét tiêu chí phạm vi lan rộng (spread criteria) để điều chỉnh vị trí cửa thu nước nếu cần hoặc bổ sung thêm cửa thu.
Xác định kích thước ống nhánh và tuyến chính:
- Ống nhánh được thiết kế dựa trên lưu lượng đã tính toán cho cửa thu nước.
- Tuy nhiên, lưu lượng thiết kế cho tuyến chính không đơn giản là tổng lưu lượng tại từng cửa thu.
Lưu ý quan trọng:
- Trong phương pháp Rational, cường độ mưa (rainfall intensity) phải được xác định dựa trên thời gian tập trung (time of concentration) dài nhất đến điểm thiết kế.
- Do đó, lưu lượng thiết kế cho tuyến chính phải được tính toán dựa trên thời gian tập trung dài nhất từ các nhánh thượng lưu khác nhau, cùng với giá trị tích lũy C × A tương ứng.
- Cách tiếp cận này đảm bảo thỏa mãn các giả định và điều kiện áp dụng của phương pháp Rational.
Sau khi có lưu lượng và độ dốc ống, kích thước ống sơ bộ được tính toán giả định dòng chảy đầy:
- Độ dốc ống thường được xác định trong thiết kế sơ bộ dựa trên độ dốc mặt đường và yêu cầu tránh các công trình hạ tầng kỹ thuật khác hoặc các tuyến thoát nước mưa hiện có.
- Khi kích thước ống tăng dần theo hướng hạ lưu, thường nên căn chỉnh mép đỉnh (crown elevation) của ống, thay vì căn chỉnh theo đáy ống (invert elevation).
- Một cách thiết kế tốt hơn là để đỉnh của ống hạ lưu giảm xuống đúng bằng tổn thất cột áp qua công trình.
- Giảm cao độ đỉnh ống được khuyến nghị ngay cả khi kích thước ống không thay đổi.
Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, tổn thất cột áp qua các công trình (bao gồm hố ga) có thể được ước tính theo phương pháp xấp xỉ dựa trên Phương trình 7.6. Ngoài ra, một số bang tại Mỹ sử dụng mức giảm tiêu chuẩn cho mép đỉnh ống, thường là 0.03 m (0.10 ft).
Vận tốc tự làm sạch và tiêu chuẩn tần suất thiết kế:
- Hệ thống thoát nước mưa nên được thiết kế để đảm bảo vận tốc dòng chảy tối thiểu 1 m/s (3 ft/s) khi ống đầy, nhằm tránh hiện tượng lắng đọng cặn bẩn trong ống (tự làm sạch).
- Hầu hết các cơ quan quản lý đường cao tốc tại Mỹ sử dụng tần suất thiết kế 10 năm làm mức tối thiểu để thiết kế hệ thống thoát nước mưa.
- Đối với các vị trí trũng (sag locations), cần kiểm tra với tần suất mưa 50 năm để đánh giá khả năng thoát nước trong điều kiện cực đoan.
Giới hạn về độ phủ tối thiểu và tối đa:
- Giới hạn độ phủ tối thiểu cần được xem xét để đảm bảo độ ổn định kết cấu của ống dưới tác động của tải trọng trực tiếp và va đập.
- Khi chiều cao lớp đất đắp trên ống tăng, tải trọng tĩnh (dead load) sẽ trở thành yếu tố chi phối trong thiết kế.
- Đối với đường giao thông, nên duy trì độ phủ tối thiểu 0.9 m (3.0 ft) nếu có thể.
- Nếu không thể đáp ứng tiêu chí này, cần đánh giá lại hệ thống thoát nước để xác định xem ống có thể chịu được các tải trọng tác động hay không.
8.3 Tính toán đường thủy lực (HGL) VÀ đường năng lượng (EGL)
Việc tính toán đường năng lượng (EGL) và đường thủy lực (HGL) là cần thiết để đánh giá hiệu suất tổng thể của hệ thống và đảm bảo rằng tại lưu lượng thiết kế, hệ thống thoát nước mưa không gây ngập lụt hoặc ảnh hưởng xấu đến các cửa thu nước, hố ga hoặc các công trình liên quan.
Quá trình tính toán bắt đầu từ hạ lưu (cửa xả) và tính ngược lên thượng lưu.
Xác định mực nước hạ lưu (Tailwater Level):
- Mực nước hoặc cao độ hạ lưu tại cửa xả cần được xem xét cẩn thận.
- Trong hầu hết các trường hợp thiết kế, mực nước hạ lưu có thể:
- Cao hơn mép đỉnh ống thoát ra, hoặc
- Nằm trong khoảng giữa mép đỉnh và độ sâu tới hạn (critical depth) của ống thoát ra, hoặc
- Nằm giữa độ sâu tới hạn và đáy ống thoát ra.
- Mực nước ban đầu (điểm xuất phát) của HGL nên lấy giá trị lớn hơn giữa hai lựa chọn:
- Mực nước hạ lưu thiết kế
- Trung bình của độ sâu tới hạn và đường kính ống, tính theo công thức: dc+D2\frac{d_c + D}{2}
Tính toán HGL/EGL theo phương trình năng lượng:
- Khi đã xác định được HGL/EGL tại cửa xả, việc tính toán tiếp tục ngược dòng từng đoạn một (reach-by-reach) bằng phương trình năng lượng.
- Các đoạn ống (reaches) được xác định dựa trên các công trình thủy lực hoặc điểm thay đổi cao độ tuyến ống.
Chế độ dòng chảy trong hệ thống thoát nước mưa:
- Hầu hết các hệ thống thoát nước mưa được thiết kế trong điều kiện dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow).
- Nếu hệ thống có dòng chảy dưới tới hạn, tổng tổn thất tại các đoạn ống và hố ga sẽ được cộng dồn để xác định EGL tại thượng lưu.
- Nếu xảy ra dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow):
- Các tổn thất trong ống và hố ga không được cộng dồn ngược dòng.
- Khi phát hiện một đoạn có dòng chảy siêu tới hạn, cần chuyển sang đoạn thượng lưu tiếp theo để xác định chế độ dòng chảy.
- Quá trình này tiếp tục cho đến khi hệ thống trở lại dòng chảy dưới tới hạn.
Giả định thiết kế phổ biến:
- Quá trình thiết kế thường giả định rằng độ dốc thủy lực trong mỗi đoạn ống là đồng đều.
- Độ chính xác cao hơn có thể đạt được bằng cách tính toán mặt nước theo từng mặt cắt (water surface profile computations), nhưng thường không cần thiết trong thực tế.
Tính toán tổn thất ma sát:
- Tổn thất ma sát được tính toán giả định dòng chảy đầy.
- Phương trình phù hợp là phương trình Manning cho dòng chảy đầy (Equation 7.1), trong đó độ dốc ma sát (Sf) được tính từ lưu lượng thiết kế và đường kính ống sơ bộ.
- Nếu:
- Độ dốc ma sát lớn hơn độ dốc ống → Hệ thống hoạt động trong điều kiện dòng chảy áp lực.
- Độ dốc ma sát nhỏ hơn độ dốc ống → Dòng chảy có thể là dòng chảy một phần đầy, phụ thuộc vào mực nước hạ lưu.
- Tại vị trí chuyển tiếp từ dòng chảy áp lực sang dòng chảy một phần đầy, có thể sử dụng tính toán độ sâu bình thường (normal depth calculations) để ước tính điều kiện thủy lực.
Tính toán tổn thất do hình dạng:
- Tổn thất tại mỗi công trình thủy lực được tính toán theo phương pháp trình bày trong Chương 7.
- Đối với hố ga:
- Phương pháp xấp xỉ (Equation 7.6) chỉ phù hợp cho thiết kế sơ bộ.
- Trong tính toán HGL/EGL chính xác, luôn phải sử dụng phương pháp FHWA cho hố ga, được mô tả trong Mục 7.3.3.
8.4 Tối ưu hóa hệ thống
Sau khi hoàn thành các tính toán trên, thiết kế ban đầu cần được đánh giá lại bằng cách kiểm tra với một trận lũ kiểm tra có tần suất lớn hơn và điều chỉnh nếu cần để giảm chi phí và rủi ro.
Ví dụ:
- Nếu HGL quá cao tại một đoạn nào đó, cần tăng kích thước ống, dẫn đến phải tính toán lại HGL.
- Hệ thống được thiết kế để hoạt động gần hoặc tại điều kiện dòng chảy đầy do trọng lực (gravity full flow).
- Tuy nhiên, nếu chấp nhận tình trạng dâng nước (surcharging) và dòng chảy áp lực (pressure flow), có thể giảm kích thước ống và thực hiện phân tích lại hệ thống.
Thiết kế ban đầu nên được kiểm tra lại với một trận lũ kiểm tra lớn hơn, và nếu cần, cần điều chỉnh để tối ưu chi phí và rủi ro.
8.5 Thiết kế hệ thống thoát nước mưa bằng phần mềm
Phân tích và thiết kế hệ thống thoát nước mưa có thể được thực hiện bằng nhiều phần mềm chuyên dụng.
Để đảm bảo kết quả phù hợp với các tiêu chuẩn thiết kế địa phương, người sử dụng cần xác minh các phương pháp thiết kế và giả định trong phần mềm, đặc biệt là các phương pháp tính toán tổn thất năng lượng qua các công trình.
Ví dụ 8.1
Cho:
Một tuyến ống thoát nước mưa bằng bê tông cốt thép (RCP) có hệ số nhám Manning n = 0.013 cần được thiết kế để vận chuyển lưu lượng 0.3 m³/s trên độ dốc 0.001.
Hệ thống bao gồm:
- 200 m ống, với một hố ga (diameter = 1.5 m) đặt ở giữa tuyến.
- Cao độ đáy ống (invert elevation) tại thượng lưu: 1000.00 m tại Station 20+00.
- Hệ thống thoát nước xả vào một kênh, nơi mực nước mặt tại cửa xả là 999.5 m.
Yêu cầu:
- Thiết kế sơ bộ để xác định:
- Kích thước ống
- Mức giảm đỉnh ống (crown drop)
- Cao độ đáy ống tại các điểm quan trọng
- Tính toán mức giảm đỉnh ống dựa trên tổn thất cột áp, nhưng đảm bảo tối thiểu 0.03 m.
- Thiết kế chi tiết để đánh giá HGL (đường thủy lực) và EGL (đường năng lượng) của hệ thống.
Thiết kế sơ bộ:
Thiết kế sơ bộ bắt đầu từ thượng lưu và tính toán dần về hạ lưu.
(1) Sử dụng phương trình Manning cho dòng chảy đầy để xác định kích thước ống:
Do đó, dựa trên các kích thước ống danh nghĩa và để đảm bảo dòng chảy kênh hở, sử dụng ống có đường kính 750 mm.
(2) Cao độ đáy ống tại thượng lưu được cho là 1000 m.
Cao độ tại phía thượng lưu của hố ga (Sta 19+00) sẽ là:
(3) Cao độ tại phía hạ lưu của hố ga (Sta 18+98.50) cần tính đến mức giảm đỉnh ống (crown drop), dựa trên tổn thất năng lượng ước tính qua hố ga.
Tổn thất năng lượng ước tính qua hố ga được tính theo Phương trình 7.6.
Giá trị K cho hố ga thẳng (straight-through access hole) là 0.15.
Vận tốc trong ống chảy một phần đầy có thể được ước tính bằng biểu đồ các yếu tố thủy lực (Hình 7.1).
Khả năng vận chuyển lưu lượng đầy của ống RCP 750 mm với độ dốc 0.001 là:
Vận tốc dòng chảy đầy tương ứng là:
Tỷ lệ Q/Qfull là 0.3/0.35 = 0.86, và từ Hình 7.1, tỷ lệ V/Vfull xấp xỉ 1.12.
Do đó, vận tốc dòng chảy một phần đầy là:
và tổn thất cột áp qua hố ga là:
Do đó, cao độ tại phía hạ lưu của hố ga, dựa trên mức giảm đỉnh ống tối thiểu 0.03 m, là:
(4) Cao độ tại cửa xả (Sta 17+98.50) được tính là:
(5) Tóm tắt dữ liệu thiết kế sơ bộ
Đường kính ống thoát nước mưa = 750 mm
Cao độ đáy ống (Pipeline Invert Elevations)
| Vị trí | Km (Station) | Cao độ (m) |
|---|---|---|
| Cửa xả (Outfall) | 17+98.50 | 999.77 |
| Phía hạ lưu của hố ga | 18+98.50 | 999.87 |
| Phía thượng lưu của hố ga | 19+00 | 999.90 |
| Đầu thượng lưu của tuyến thoát nước mưa | 20+00 | 1000.00 |
Đánh giá đường thủy lực (HGL) và đường năng lượng (EGL)
Việc đánh giá HGL/EGL bắt đầu từ cửa xả và tính ngược lên thượng lưu. Quá trình tính toán dựa trên phương trình năng lượng, áp dụng từ vị trí hạ lưu đã biết đến vị trí thượng lưu chưa biết, có tính đến tổn thất năng lượng trên đoạn trung gian.
1. Xác định HGL ban đầu
Điểm xuất phát để xác định đường thủy lực (HGL) nên là:
- Mực nước hạ lưu thiết kế (tailwater elevation) hoặc
- Trung bình của độ sâu tới hạn và đường kính ống, theo công thức: \(\frac{d_c + D}{2}\)
- Chọn giá trị lớn hơn trong hai giá trị trên.
Trong bài toán này, mực nước mặt trong hồ điều tiết tại cửa xả (tailwater) được cho là 999.5 m.
Độ sâu tới hạn (critical depth) của ống 750 mm vận chuyển 0.3 m³/s là 0.3 m (Hình 4.10a), do đó:
(dc+D)/2 = (0.3+0.75)/2 = 0.53
Cộng độ sâu này vào cao độ đáy ống, ta có:
999.77 + 0.53 = 1000.30
Giá trị này lớn hơn cao độ mực nước hạ lưu (tailwater elevation) và sẽ được sử dụng làm điểm bắt đầu cho tính toán HGL.
2. Xác định HGL/EGL tại Km 17+98.50
Tổn thất năng lượng đầu tiên xảy ra là tổn thất do mở rộng dòng chảy (expansion loss) hoặc tổn thất thoát ra (exit loss) khi dòng chảy rời khỏi hệ thống thoát nước mưa và đi vào khu vực hạ lưu (tailwater region).
Để minh họa các nguyên tắc áp dụng phương trình năng lượng trong thiết kế hệ thống thoát nước mưa, phép tính sẽ giữ nguyên ba thành phần năng lượng chính:
- Cột áp vận tốc (velocity head)
- Cột áp áp suất (pressure head)
- Cột áp cao độ (elevation head)
Bước đầu tiên: Áp dụng phương trình năng lượng từ mực nước hạ lưu (tailwater) đến vị trí ngay bên trong ống tại Km 17+98.50.
Tổn thất thoát ra (exit loss) được tính theo công thức:
Đối với tổn thất thoát ra (exit loss), giá trị K = 1.0, do đó tổn thất năng lượng được tính là:
Như đã xác định ở trên, HGL ban đầu là 1000.30.
Lưu ý rằng HGL bằng tổng của cột áp áp suất (pressure head) và cột áp cao độ (elevation head), đồng thời giả định vận tốc trong vùng hạ lưu là không đáng kể (Vtw = 0), ta có:
Do đó, EGL tại Km 17+98.50 được tính bằng tổng của cột áp vận tốc, cột áp áp suất và cột áp cao độ, cụ thể:
3. Áp dụng phương trình năng lượng từ Km 17+98.50 đến phía hạ lưu của hố ga tại Km 18+98.50
Nếu ống không chảy đầy, cần kiểm tra xem dòng chảy có ở trạng thái siêu tới hạn (supercritical flow) hay không.
- Tỷ lệ Q/Qfull đã được tính trước đó là 0.86.
- Từ Hình 7.1, tỷ lệ d/D là 0.70, do đó độ sâu normal được tính là: 0.70×0.75=0.53 m
- So sánh với độ sâu tới hạn (critical depth) đã tính trước đó là 0.3 m, ta kết luận dòng chảy ở trạng thái dưới tới hạn (subcritical flow).
Do đó, EGL tại Km 18+98.50 được tính bằng tổng của cột áp vận tốc, cột áp áp suất và cột áp cao độ.
4. Tổn thất năng lượng qua hố ga
BƯỚC 1: Xác định mức năng lượng ban đầu trong hố ga
Mức năng lượng ban đầu trong hố ga (Eai) được tính theo công thức:
Trong đó:
- Eaio = Mức năng lượng ước tính tại hố ga cho kiểm soát cửa ra (dòng chảy đầy và một phần đầy)
- Eais = Mức năng lượng ước tính tại hố ga cho kiểm soát cửa vào (ngập nước)
- Eaiu = Mức năng lượng ước tính tại hố ga cho kiểm soát cửa vào (không ngập nước)
Mức năng lượng ước tính cho kiểm soát cửa ra: Dòng chảy một phần đầy và dòng chảy đầy
Trong đó:
- Ei = Cột áp năng lượng riêng của ống thoát ra (tính theo Phương trình 7-10)
- Hi = Tổn thất tại cửa vào, giả định điều kiện kiểm soát cửa ra (tính theo Phương trình 7-11)
Mức năng lượng ước tính cho kiểm soát cửa vào: Ngập nước
Trong đó:
- A = Diện tích mặt cắt ngang của ống thoát ra, m²
- Do = Đường kính của ống thoát ra, m
Mức năng lượng ước tính cho kiểm soát cửa vào: Không ngập nước
Do đó, mức năng lượng ban đầu thu được là:
BƯỚC 2: Điều chỉnh mức năng lượng do ảnh hưởng của đế hố ga, góc nhập lưu và dòng chảy rơi
Mức năng lượng ban đầu của hố ga, tính toán trong Bước 1, được sử dụng làm cơ sở để ước tính các tổn thất bổ sung do:
- Dòng chảy nhập lưu với góc khác 180 độ (không song song với hướng dòng chính).
- Cấu hình đế hố ga (benching configurations) – đế hố ga được thiết kế để làm trơn dòng chảy, giúp giảm tổn thất năng lượng.
- Dòng chảy rơi (plunging flows) – xảy ra khi dòng chảy nhập lưu có cao độ lớn hơn mực nước trong hố ga (ví dụ: dòng chảy từ cửa thu nước vào hố ga có thể được xem như dòng chảy rơi).
Phương trình tính mức năng lượng điều chỉnh là:
Trong đó:
- HB = Tổn thất năng lượng bổ sung do đế hố ga (cấu hình sàn)
- Hθ = Tổn thất năng lượng bổ sung do dòng chảy nhập lưu với góc khác 180 độ
- HP = Tổn thất năng lượng bổ sung do dòng chảy rơi
Vì trong bài toán này không có đế hố ga (benching), dòng chảy góc (angled flows) hoặc dòng chảy rơi (plunging flows), nên: Ea = Eai = 0.55
Giả định rằng cao độ đáy hố ga (za) bằng cao độ đáy ống thoát ra (zi), ta có thể xác định đường năng lượng tại hố ga (EGLa).
BƯỚC 3: Tính toán tổn thất tại cửa ra của ống nhập lưu
Bước cuối cùng là tính toán đường năng lượng (EGL) tại mỗi ống nhập lưu.
Phương pháp của FHWA xem xét hai trường hợp:
- Ống nhập lưu có dòng chảy rơi (plunging inflow pipe)
- Ống nhập lưu không có dòng chảy rơi (non-plunging inflow pipe)
- Đối với ống nhập lưu có dòng chảy rơi, đường năng lượng tại ống nhập lưu (EGLo) được tính từ thủy lực của chính ống nhập lưu, thay vì từ mực nước trong hố ga.
- Đối với ống nhập lưu không có dòng chảy rơi, dòng chảy trong ống có kết nối thủy lực trực tiếp với mực nước trong hố ga.
- Điều kiện xảy ra khi đường năng lượng của hố ga lớn hơn cao độ đáy của ống nhập lưu.
- Trong bài toán này, tình huống này đúng, do đó đường năng lượng tại ống nhập lưu (EGLo) được xác định theo công thức:
Trong đó:
- Ho = Tổn thất tại cửa ra của ống nhập lưu, được tính theo Phương trình 7.19.
Vậy nên, ta có:
HEC-22 xác định một số trường hợp đặc biệt cần xem xét để xác minh kết quả này.
Trong bài toán này, trường hợp D được áp dụng (xem HEC-22, Mục 7.5), do đó đường năng lượng (EGL) điều chỉnh là:
Độ sâu normal đã tính trước đó là 0.53 m.
Đường năng lượng (EGLo) điều chỉnh là:
5. Áp dụng phương trình năng lượng từ Km 19+00 đến Km 20+00
Tổn thất cột áp trong đoạn này chủ yếu do ma sát.
Vì lưu lượng và ống sử dụng giống như đoạn từ Km 17+98.50 đến Km 18+98.50, nên tổn thất ma sát cũng bằng 0.07 m.
Vì cột áp áp suất tính toán nhỏ hơn độ sâu normal là 0.53 m, nên sử dụng độ sâu normal trong phương trình năng lượng.
Và đường năng lượng (EGL) tại Km 20+00 là:
6. Tính toán đường thủy lực (HGL) tại từng đoạn
Vì lưu lượng, độ dốc và kích thước ống không thay đổi, nên cột áp vận tốc trong toàn bộ hệ thống cũng không đổi, bằng 0.04 m.
| Vị trí | Km (Station) | Cao độ (m) | EGL (m) | HGL (m) |
|---|---|---|---|---|
| Cửa xả (Outfall) | 17+98.50 | 999.77 | 1000.34 | 1000.30 |
| Phía hạ lưu của hố ga | 18+98.50 | 999.87 | 1000.41 | 1000.37 |
| Phía thượng lưu của hố ga | 19+00 | 999.90 | 1000.47 | 1000.43 |
| Đầu thượng lưu của tuyến ống | 20+00 | 1000.00 | 1000.57 | 1000.53 |