9 Ứng dụng ống kín – Thiết kế cống (Culvert)

9.1 Các khái niệm chung

Các công trình ống dẫn kín điển hình trong thoát nước đường bộ bao gồm cống ngang và hệ thống thoát nước mưa. Một hệ thống thoát nước mưa có thể là một hệ thống ống dẫn kín quy mô lớn hơn nhiều so với hệ thống thoát nước ngang như cống. Ở một số khía cạnh, hệ thống thoát nước mưa đơn giản là một dạng cống dài hơn.

Hệ thống thoát nước mưa bao gồm các cửa thu nước nối với một đường ống ngầm và một công trình thoát nước đầu ra. Hệ thống này thường được sử dụng khi khả năng thoát nước của mặt đường (xác định bởi độ lan rộng cho phép) bị vượt quá, hoặc để thu gom và chuyển hướng dòng chảy ở dải phân cách khi khả năng thoát nước của rãnh thoát bị vượt quá. Ngoài ra, hệ thống thoát nước mưa còn được áp dụng ở những khu vực có độ dốc cao, nơi kiểm soát xói mòn là một vấn đề đáng quan tâm.

Cống thường được sử dụng để thoát nước ngang và có thể có kích thước từ một cống nhỏ thoát nước cho một vùng trũng riêng lẻ đến các thiết kế nhiều khoang hoặc cống lớn để dẫn dòng chảy chính qua đường. Các cống nhỏ cũng được sử dụng làm ống thoát nước dọc để bảo vệ mái dốc đắp hoặc để chuyển hướng nước mưa từ mặt cầu.

Các loại vật liệu ống phổ biến trong hệ thống thoát nước mưa bao gồm ống bê tông cốt thép (RCP), ống kim loại gợn sóng (CMP) và ống nhựa. Những vật liệu này cũng thường được sử dụng cho cống, tuy nhiên, cống có thể có nhiều hình dạng mặt cắt khác nhau, và trong nhiều trường hợp, một hình dạng khác hình tròn có thể được ưu tiên. Vật liệu ống dẫn và cống thường có sẵn theo các kích thước tiêu chuẩn (danh định). Kích thước ống dẫn không nên giảm theo hướng dòng chảy, ngay cả khi tính toán thủy lực cho thấy điều này có thể thực hiện được, do các vấn đề bảo trì như lắng đọng trầm tích và tắc nghẽn.

Việc tiêu tán năng lượng thường được yêu cầu tại cửa ra của hệ thống thoát nước mưa hoặc cống để ngăn chặn xói mòn. Chương 10 cung cấp thông tin về các công trình tiêu năng theo hướng dẫn của HEC-14 (Thompson và Kilgore, 2006). Các công trình kiểm soát rác có thể cần thiết tại cửa vào của một số cống. HEC-9 cung cấp hướng dẫn về các công trình kiểm soát rác cho cống và cầu (Bradley et al., 2005).

Bảo trì là yêu cầu quan trọng đối với bất kỳ hệ thống ống dẫn kín nào. Các công việc bảo trì phổ biến bao gồm loại bỏ trầm tích lắng đọng bên trong ống dẫn và dọn dẹp rác tại cửa vào.

9.2 Phương pháp thiết kế cống

Cống là một ống dẫn nước qua nền đường hoặc qua các chướng ngại vật khác. Cống thường được làm từ bê tông (có hoặc không có cốt thép), kim loại gợn sóng (nhôm hoặc thép), hoặc nhựa, với nhiều dạng mặt cắt khác nhau. Các dạng mặt cắt phổ biến nhất của cống được minh họa trong Hình 9.1a, và các điều kiện cửa vào điển hình được thể hiện trong Hình 9.1b. Việc lựa chọn vật liệu cống phụ thuộc vào các yếu tố như độ bền kết cấu, độ nhám thủy lực, độ bền lâu dài, cũng như khả năng chống ăn mòn và mài mòn.

Dòng chảy trong cống có thể xảy ra dưới các dạng: dòng chảy hở, dòng chảy đầy do trọng lực, dòng chảy có áp, hoặc kết hợp các trạng thái này. Phân tích lý thuyết toàn diện về thủy lực dòng chảy trong cống là một quá trình phức tạp và tốn nhiều thời gian. Điều kiện dòng chảy phụ thuộc vào sự tương tác của nhiều yếu tố, bao gồm điều kiện thượng lưu và hạ lưu, đặc điểm của thân cống và hình dạng cửa vào.

Để đơn giản hóa việc phân tích dòng chảy trong cống khi thiết kế, các quy trình tiêu chuẩn và biểu đồ nomograph đã được phát triển. Các phương pháp này được trình bày chi tiết trong Tập thiết kế thủy lực số 5 (HDS-5) – Thiết kế thủy lực cống đường bộ (Normann et al., 2005). Dưới đây là tổng quan về các nguyên tắc và khái niệm cơ bản trong thiết kế cống.

Chú Giải 1

Hình này minh họa các mặt cắt phổ biến của cống, bao gồm:

• Cống tròn (Circular Culvert) – Loại phổ biến nhất, phù hợp với nhiều điều kiện thủy lực khác nhau.
• Cống hộp (Box Culvert) – Thường được sử dụng khi không gian hạn chế về chiều cao hoặc cần khả năng chịu tải lớn.
• Cống vòm (Arch Culvert) – Thích hợp cho các khu vực có yêu cầu bảo tồn dòng chảy tự nhiên hoặc có nền đất yếu.
• Cống hình elip (Elliptical Culvert) – Có thể được sử dụng để tối ưu hóa dòng chảy trong một số điều kiện cụ thể.
• Cống hình vòm thấp (Low-Profile Arch Culvert) – Dùng trong các trường hợp hạn chế chiều cao nhưng vẫn cần lưu lượng dòng chảy lớn.

Những dạng cống này được lựa chọn dựa trên điều kiện địa hình, lưu lượng nước, yêu cầu kết cấu và khả năng bảo trì.

Chú Giải 2

Hình này minh họa các điều kiện cửa vào điển hình của cống, bao gồm các dạng thu hẹp cửa vào khác nhau nhằm kiểm soát dòng chảy và cải thiện hiệu suất thủy lực. Một số dạng thu hẹp cửa vào phổ biến gồm:

• Cửa vào vuông góc (Square Edge Inlet) – Cửa vào đơn giản với các cạnh vuông, thường gặp ở cống bê tông đúc sẵn.
• Cửa vào bo tròn (Beveled or Tapered Inlet) – Các góc được vát hoặc bo tròn để giảm tổn thất năng lượng và cải thiện khả năng thu nước.
• Cửa vào mở rộng (Flared Inlet) – Thiết kế giúp dòng chảy vào cống dễ dàng hơn, thường sử dụng trong các hệ thống có lưu lượng lớn.
• Cửa vào có rãnh hướng dòng (Mitered Inlet) – Cửa vào được cắt theo góc phù hợp với mặt đường hoặc mái dốc để giảm trở lực.

Các điều kiện cửa vào này có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất thủy lực của cống, ảnh hưởng đến vận tốc dòng chảy, tổn thất năng lượng và khả năng chống tắc nghẽn.

9.3 Các loại cửa vào và cửa ra của cống

Cống thường tạo ra sự thu hẹp đáng kể của dòng chảy so với điều kiện ở kênh thượng lưu và hạ lưu, và thường là điểm kiểm soát thủy lực trong kênh. Việc thiết kế một quá trình chuyển tiếp dòng chảy dần dần hơn tại cửa vào cống có thể cải thiện khả năng thoát nước bằng cách giảm tổn thất năng lượng do hiện tượng thu hẹp dòng chảy.

Cửa vào của cống có nhiều cấu hình khác nhau và có thể được chế tạo sẵn hoặc xây dựng tại chỗ. Một số dạng cửa vào phổ biến bao gồm:

• Đầu cống nhô ra (Projecting Culvert Barrels) – Phần thân cống nhô ra khỏi mái dốc mà không có cấu trúc bảo vệ thêm.
• Tường đầu bằng bê tông đúc tại chỗ (Cast-in-Place Concrete Headwalls) – Tường bê tông được xây tại chỗ để tăng cường độ ổn định kết cấu và kiểm soát xói mòn.
• Đoạn cuối đúc sẵn hoặc lắp ghép (Precast or Prefabricated End Sections) – Các đầu cống đúc sẵn giúp dễ dàng lắp đặt và cải thiện hiệu suất thủy lực.
• Đầu cống vát theo mái dốc (Mitered Ends to Fill Slope) – Đầu cống được cắt theo góc tương ứng với độ dốc của nền đường để giảm cản trở dòng chảy.

Khi lựa chọn thiết kế cửa vào, cần xem xét các yếu tố như độ ổn định kết cấu, thẩm mỹ, kiểm soát xói mòn, giữ ổn định nền đắp, chi phí, an toàn và hiệu suất thủy lực (Hình 9.2).

Chú Giải 3

Hình này minh họa bốn loại cửa vào cống tiêu chuẩn, bao gồm:

1. Cửa vào dạng thân cống nhô ra (Projecting Inlet) – Phần thân cống nhô ra khỏi mái dốc, thường là phương án đơn giản và kinh tế nhất nhưng dễ bị xói mòn xung quanh.
2. Cửa vào có tường đầu (Headwall Inlet) – Cửa vào có tường đầu bằng bê tông đúc tại chỗ hoặc đúc sẵn, giúp ổn định kết cấu và giảm xói mòn.
3. Cửa vào có phần mở rộng (Flared-End Inlet) – Đầu cống được thiết kế mở rộng để giảm tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu suất thủy lực.
4. Cửa vào vát theo mái dốc (Mitered Inlet) – Đầu cống được cắt theo góc nghiêng phù hợp với độ dốc nền đường, giúp giảm cản trở dòng chảy và tăng tính thẩm mỹ.

Mỗi loại cửa vào có ưu điểm riêng và được lựa chọn dựa trên điều kiện thủy lực, kết cấu và môi trường xung quanh.

Hiệu suất thủy lực được cải thiện khi sử dụng các mép vát thay vì mép vuông, như minh họa trong Hình 9.1b. Các cửa vào thu hẹp theo chiều ngang và cửa vào thu hẹp theo độ dốc, thường được gọi là cửa vào cải tiến, có thể tăng đáng kể khả năng thoát nước của cống. Hình 9.3 minh họa các điều kiện cửa vào thu hẹp theo chiều ngang và thu hẹp theo độ dốc.

• Cửa vào thu hẹp theo chiều ngang (Side-Tapered Inlet) giúp dòng chảy thu hẹp dần dần hơn, làm giảm tổn thất năng lượng.
• Cửa vào thu hẹp theo độ dốc (Slope-Tapered Inlet), còn gọi là cửa vào hạ thấp, làm tăng chiều cao cột nước hiệu dụng tại điểm kiểm soát dòng chảy, từ đó cải thiện hiệu suất thủy lực của cống.

Cấu hình cửa ra của cống có thể tương tự như bất kỳ loại cửa vào nào. Tuy nhiên, hiệu suất thủy lực của cống bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi điều kiện mực nước hạ lưu trong kênh thoát hơn là bởi loại cửa ra. Thiết kế cửa ra đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển tiếp dòng chảy trở lại kênh tự nhiên, vì vận tốc dòng chảy tại cửa ra thường cao và có thể gây xói lở lòng suối và bờ kênh hạ lưu.

Chú Giải 3:

Hình này minh họa hai loại cửa vào cải tiến:

1. Cửa vào thu hẹp theo chiều ngang (Side-Tapered Inlet) – Cửa vào được thiết kế với phần mở rộng theo phương ngang, giúp dòng chảy thu hẹp dần một cách mượt mà hơn, giảm tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu suất thủy lực của cống.
2. Cửa vào thu hẹp theo độ dốc (Slope-Tapered Inlet) – Cửa vào được thiết kế với đáy cống hạ thấp, tạo ra chiều cao cột nước hiệu dụng lớn hơn tại điểm kiểm soát dòng chảy, từ đó tăng đáng kể khả năng thoát nước của cống.

Cả hai loại cửa vào này giúp tăng hiệu suất thủy lực của cống, giảm nguy cơ tắc nghẽn và cải thiện khả năng dẫn nước trong điều kiện dòng chảy lớn.

9.4 Điều kiện dòng chảy trong cống

Dòng chảy trong cống có thể đầy trên toàn bộ chiều dài hoặc chỉ đầy một phần. Trường hợp cống chảy đầy hoàn toàn trên toàn bộ chiều dài là hiếm gặp, và thường có một phần thân cống chảy không đầy. Phân tích đường mặt nước là phương pháp duy nhất để xác định chính xác mức độ đầy của thân cống.

Dòng chảy có áp trong cống có thể xảy ra do mực nước cao ở hạ lưu hoặc thượng lưu. Dù nguyên nhân là gì, khả năng thoát nước của cống trong điều kiện chảy có áp bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thượng lưu, hạ lưu và các đặc tính thủy lực của cống.

Dòng chảy không đầy (hoặc dòng chảy hở) trong cống có thể tồn tại dưới ba dạng: dòng chảy dưới tới hạn (subcritical flow), dòng chảy tới hạn (critical flow) hoặc dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow).

Dòng chảy đầy do trọng lực (gravity full flow), trong đó nước chảy đầy ống nhưng không có áp lực, và mực nước chỉ vừa chạm vào đỉnh cống, được coi là một trường hợp đặc biệt của dòng chảy hở và được phân tích tương tự như dòng chảy trong kênh hở.

9.5 Các loại kiểm soát dòng chảy

Dựa trên nhiều thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và kinh nghiệm thực tế, hai loại kiểm soát dòng chảy cơ bản trong cống đã được xác định:

1. Kiểm soát tại cửa vào (Inlet Control)
2. Kiểm soát tại cửa ra (Outlet Control)

Kiểm soát tại cửa vào xảy ra khi thân cống có khả năng dẫn nhiều nước hơn so với lượng nước có thể đi vào. Khi cống hoạt động trong điều kiện kiểm soát tại cửa vào, điểm kiểm soát thủy lực nằm ngay bên trong cửa vào. Tại hoặc gần vị trí này, dòng chảy đạt độ sâu tới hạn (critical depth), và chế độ dòng chảy ngay sau đó là dòng chảy siêu tới hạn (supercritical flow).

Trong trường hợp này, các đặc tính thủy lực ở hạ lưu của cửa vào không ảnh hưởng đến khả năng thoát nước của cống. Các yếu tố chính quyết định công suất cống bao gồm:

• Mực nước thượng lưu
• Hình dạng và kích thước cửa vào

Hình 9.4 minh họa các điều kiện kiểm soát tại cửa vào điển hình. Loại dòng chảy trong cống phụ thuộc vào mức độ ngập nước của cửa vào và cửa ra; tuy nhiên, trong mọi trường hợp, điểm kiểm soát dòng chảy nằm tại cửa vào của cống.

• Khi mực nước thượng lưu thấp, cửa vào của cống hoạt động như một đập tràn (weir).
• Khi mực nước thượng lưu đủ cao để nhấn chìm cửa vào, cửa vào hoạt động như một lỗ thoát (orifice).

Các trường hợp cụ thể được minh họa như sau:

• Hình 9.4a: Không có phần nào của cửa vào hoặc cửa ra bị ngập. Dòng chảy đi qua độ sâu tới hạn (critical depth) ngay sau cửa vào, và dòng chảy trong thân cống là siêu tới hạn (supercritical flow). Thân cống chỉ chảy đầy một phần trên toàn bộ chiều dài, và dòng chảy tiến dần đến độ sâu normal tại cửa ra.
• Hình 9.4b: Cửa ra bị ngập, nhưng điều này không đảm bảo điều kiện kiểm soát tại cửa ra. Dòng chảy ngay sau cửa vào vẫn là siêu tới hạn, và trong thân cống có thể xuất hiện cú nhảy thủy lực (hydraulic jump).
• Hình 9.4c: Đây là một tình huống thiết kế điển hình. Cửa vào bị ngập, trong khi cửa ra chảy tự do. Dòng chảy trong thân cống vẫn là siêu tới hạn, với mức nước trong thân cống không đầy hoàn toàn. Độ sâu tới hạn xuất hiện ngay sau cửa vào, và dòng chảy dần tiến đến độ sâu normal tại cửa ra.
• Hình 9.4d: Đây là một trường hợp bất thường, minh họa rằng ngay cả khi cả cửa vào và cửa ra đều bị ngập, cống vẫn có thể không chảy đầy hoàn toàn. Trong tình huống này, cú nhảy thủy lực có thể hình thành bên trong thân cống. Một cửa thông hơi giữa thân cống giúp thông khí, tránh tạo ra áp suất dưới khí quyển, điều có thể gây ra điều kiện dòng chảy không ổn định, trong đó thân cống luân phiên giữa trạng thái chảy đầy và chảy không đầy.

Kiểm soát tại cửa ra xảy ra khi thân cống không có khả năng dẫn nước nhiều như cửa vào có thể tiếp nhận. Điểm kiểm soát thủy lực trong trường hợp này nằm tại cửa ra của thân cống hoặc xa hơn về phía hạ lưu.

Trong điều kiện kiểm soát tại cửa ra, dòng chảy trong cống có thể ở trạng thái:

• Dưới tới hạn (Subcritical Flow) hoặc
• Dòng chảy có áp (Pressure Flow).

Tất cả các yếu tố hình học và thủy lực của cống đều ảnh hưởng đến khả năng thoát nước trong điều kiện này.

Hình 9.5 minh họa các điều kiện kiểm soát tại cửa ra điển hình:

• Hình 9.5a thể hiện điều kiện chảy đầy điển hình, trong đó cả cửa vào và cửa ra đều bị ngập. Trong trường hợp này, thân cống chảy đầy hoàn toàn và chịu áp suất dọc theo toàn bộ chiều dài.
• Điều kiện 9.5b minh họa trường hợp cửa ra bị ngập nhưng cửa vào không bị ngập. Trong trường hợp này, mực nước thượng lưu thấp, khiến phần đỉnh của cửa vào lộ ra khi dòng chảy thu hẹp vào cống.
• Điều kiện 9.5c cho thấy cửa vào bị ngập đến mức thân cống chảy đầy hoàn toàn trên toàn bộ chiều dài, trong khi cửa ra không bị ngập. Đây là một trường hợp hiếm gặp, vì nó yêu cầu mực nước thượng lưu cực kỳ cao để duy trì dòng chảy đầy trong thân cống mà không có mực nước hạ lưu. Trong tình huống này, vận tốc dòng chảy tại cửa ra thường cao bất thường.
• Điều kiện 9.5d là một tình huống phổ biến hơn. Cửa vào của cống bị ngập do mực nước thượng lưu cao, trong khi cửa ra chảy tự do với mực nước hạ lưu thấp. Trong trường hợp này, thân cống chỉ chảy đầy một phần trên ít nhất một đoạn chiều dài (dòng chảy dưới tới hạn – subcritical flow), và dòng chảy đạt độ sâu tới hạn (critical depth) ngay trước cửa ra.
• Điều kiện 9.5e cũng là một tình huống phổ biến, trong đó cả cửa vào và cửa ra đều không bị ngập. Thân cống chảy không đầy trên toàn bộ chiều dài, và dòng chảy trong cống là dưới tới hạn (subcritical flow).

9.6 Xem xét mực nước thượng lưu và hạ lưu

Dòng chảy qua một cống bị thu hẹp đòi hỏi một nguồn năng lượng để tạo lực đẩy nước qua cửa vào. Nguồn năng lượng này thể hiện dưới dạng mực nước dâng cao ở phía thượng lưu của cống.

• Độ sâu mực nước thượng lưu (HW – Headwater Depth) được định nghĩa là độ sâu của nước tại cửa vào của cống.
• Trong các khu vực có địa hình bằng phẳng hoặc nền đường đắp cao, có thể xảy ra hiện tượng ứ nước đáng kể ở thượng lưu. Nếu lượng ứ nước này lớn, nó có thể giúp làm giảm đỉnh lũ và có thể cho phép giảm kích thước yêu cầu của cống.

Mực nước hạ lưu (Tailwater – TW) được định nghĩa là độ sâu nước ở hạ lưu của cống, tính từ đáy cống tại cửa ra.

• Mực nước hạ lưu là yếu tố quan trọng trong việc xác định công suất thoát nước của cống trong điều kiện kiểm soát tại cửa ra.
• Điều kiện mực nước hạ lưu có thể được ước tính chính xác nhất bằng phân tích đường mặt nước hạ lưu. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, nó có thể được xấp xỉ bằng độ sâu bình thường trong kênh hạ lưu.

9.7 Đường cong hiệu suất (Performance Curves)

Đường cong hiệu suất là một đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa độ sâu mực nước thượng lưu hoặc cao độ mực nước với lưu lượng dòng chảy.

• Đường này giúp đánh giá hậu quả của lưu lượng lớn hơn thiết kế, chẳng hạn như khả năng nước tràn qua mặt đường nếu sự kiện lũ vượt quá thiết kế.
• Đường này cũng giúp đánh giá hiệu quả của việc cải thiện cửa vào, nhằm tăng công suất thoát nước của cống.

Khi xây dựng đường cong hiệu suất, cần phải vẽ cả hai đường kiểm soát tại cửa vào và kiểm soát tại cửa ra, vì cơ chế kiểm soát có thể thay đổi tùy theo lưu lượng dòng chảy và khó dự đoán chính xác.

Hình 9.6 minh họa một đường cong hiệu suất điển hình của cống:

• Khi mực nước thượng lưu dưới cao độ 4.3, cống hoạt động trong điều kiện kiểm soát tại cửa vào.
• Điều này cho thấy việc cải thiện cửa vào có thể làm tăng khả năng thoát nước của cống, tận dụng tốt hơn khả năng dẫn nước của thân cống.
• Nếu cống được thiết kế để hoạt động với kiểm soát tại cửa vào trong phạm vi điều kiện thiết kế, có thể xem xét thêm độ nhám bên trong thân cống để giảm vận tốc dòng chảy tại cửa ra, giúp hạn chế xói mòn hạ lưu khi đây là mối quan tâm.

9.8 Phương pháp thiết kế cống

Phương pháp thiết kế cơ bản dựa trên vị trí của điểm kiểm soát dòng chảy (cửa vào hoặc cửa ra). Mặc dù điểm kiểm soát có thể thay đổi giữa cửa vào và cửa ra trong một số điều kiện, nhưng nguyên tắc “hiệu suất tối thiểu” được áp dụng. Điều này có nghĩa là trong khi cống có thể hoạt động hiệu quả hơn trong một số trường hợp, nó sẽ không bao giờ hoạt động kém hơn so với hiệu suất đã tính toán.

Quy trình thiết kế:

1. Giả định kích thước và vật liệu cống, sau đó tính toán cao độ mực nước thượng lưu cho cả hai điều kiện kiểm soát tại cửa vào và kiểm soát tại cửa ra.
2. Chọn giá trị lớn hơn trong hai kết quả làm cao độ mực nước thượng lưu kiểm soát.
3. So sánh cao độ mực nước thượng lưu kiểm soát với mực nước thiết kế mong muốn (thường bị giới hạn bởi khả năng tràn qua mặt đường). Nếu giá trị này nằm trong phạm vi cho phép, kích thước cống giả định được coi là chấp nhận được.

Xem xét vận tốc dòng chảy tại cửa ra

• Sau khi xác định kích thước cống phù hợp, cần xem xét vận tốc dòng chảy tại cửa ra để đánh giá có cần bảo vệ cửa ra hay không (ví dụ: chống xói lở hạ lưu).
• Nếu điều kiện kiểm soát nằm tại cửa vào, cần xác định độ sâu normal và vận tốc dòng chảy trong thân cống. Vận tốc tại độ sâu normal được giả định là vận tốc tại cửa ra.
• Nếu điều kiện kiểm soát nằm tại cửa ra, diện tích dòng chảy tại cửa ra được xác định dựa trên hình dạng thân cống và các trường hợp sau:
  1. Nếu mực nước hạ lưu (tailwater) thấp hơn độ sâu tới hạn, dòng chảy tại cửa ra có diện tích dựa trên độ sâu tới hạn (critical depth).
  2. Nếu mực nước hạ lưu nằm giữa độ sâu tới hạn và đỉnh thân cống, diện tích dòng chảy dựa trên độ sâu mực nước hạ lưu.
  3. Nếu mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh thân cống, diện tích dòng chảy được xác định bằng chiều cao thân cống.

Quá trình này giúp đảm bảo cống được thiết kế với kích thước phù hợp và có biện pháp bảo vệ cửa ra khi cần thiết, nhằm giảm thiểu nguy cơ xói lở và thiệt hại hạ lưu.

Việc đánh giá điều kiện mực nước thượng lưu và vận tốc tại cửa ra được lặp lại cho đến khi tìm được cấu hình cống phù hợp. Để hỗ trợ quá trình thiết kế, Biểu mẫu thiết kế cống (Culvert Design Form) được cung cấp trong HDS-5.

Sau khi chọn thân cống (culvert barrel), nó cần được bố trí phù hợp với mặt cắt ngang đường. Cụ thể:

• Lớp phủ trên cống (cover) phải đủ dày để đảm bảo độ bền kết cấu.
• Chiều dài cống nên gần với chiều dài ước tính ban đầu.
• Tường đầu (headwalls) và tường cánh (wingwalls) phải được thiết kế với kích thước phù hợp.

Việc phân tích lý thuyết chính xác về dòng chảy trong cống rất phức tạp, do dòng chảy thường không đồng nhất và có cả vùng dòng chảy biến đổi dần (gradually varied flow) và biến đổi đột ngột (rapidly varied flow).

Một phân tích chính xác sẽ bao gồm:

• Tính toán đường mặt nước (backwater) và đường mặt nước hạ thấp (drawdown).
• Cân bằng năng lượng và động lượng.
• Ứng dụng kết quả từ các mô hình thủy lực thực nghiệm.

Điều kiện dòng chảy trong cống có thể thay đổi theo lưu lượng và mực nước hạ lưu, và trong nhiều trường hợp, cú nhảy thủy lực (hydraulic jump) có thể hình thành bên trong hoặc ở hạ lưu của thân cống.

Để tránh những phức tạp trong phân tích do sự đa dạng của các điều kiện dòng chảy, HDS-5 (Normann et al., 2005) cung cấp phương pháp thiết kế cống dựa trên biểu đồ thiết kế (design charts) và nomograph. Các quy trình này cũng được chương trình máy tính HY-8 của FHWA triển khai để hỗ trợ thiết kế cống.

Các phương trình thiết kế dùng để xây dựng nomograph và quy trình HY-8 được phát triển dựa trên nghiên cứu chuyên sâu, bao gồm:

• Định lượng các hệ số thực nghiệm cho nhiều điều kiện cống khác nhau.
• Phát triển các phương pháp tính toán kiểm soát tại cửa vào và cửa ra.

Các nomograph dùng để xác định điều kiện kiểm soát tại cửa vào và cửa ra cho ống bê tông cốt thép (RCP) được trình bày lần lượt trong Hình 9.7 và Hình 9.8.

HDS-5 (Normann et al., 2005) cũng cung cấp nomograph cho các loại vật liệu và hình dạng cống khác, cùng với nhiều ví dụ ứng dụng phương pháp thiết kế.

Mặc dù có thể sử dụng nomograph trong HDS-5 hoặc phần mềm HY-8 để thiết kế cống mà không cần hiểu sâu về thủy lực cống, điều này không được khuyến nghị. Việc nắm vững nguyên lý thủy lực sẽ giúp áp dụng các công cụ này một cách chính xác và hiệu quả hơn.

Ví dụ 9.1

Cho trước:
Một cống ngang đường mới cần được thiết kế để thoát lũ với chu kỳ 25 năm.

• Phân tích thủy văn xác định lưu lượng đỉnh là 6.0 m³/s (212 ft³/s).
• Chiều dài cống xấp xỉ: 60 m (197 ft).
• Độ dốc đáy suối tự nhiên trước khi vào cống: 1%.
• Cao độ đáy cống tại cửa vào: 600 m (1968.5 ft).
• Cao độ mặt đường: 603 m (1978.35 ft).
• Để đảm bảo khả năng thoát nước lớn hơn so với lũ thiết kế, mực nước thượng lưu mong muốn phải thấp hơn mặt đường ít nhất 0.5 m (1.64 ft).
• Mực nước hạ lưu cho trận lũ 25 năm: 1 m (3.28 ft).

Tìm:
Xác định kích thước cống bê tông cốt thép (RCP) cần thiết để thoát trận lũ 25 năm.

Giải:

1. Thiết kế sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng các nomograph trong Hình 9.7 và 9.8. Biểu mẫu thiết kế cống (Culvert Design Form) sẽ được sử dụng để hỗ trợ quá trình thiết kế theo phương pháp thử và sai. Biểu mẫu này cung cấp tóm tắt tất cả các dữ liệu thiết kế quan trọng và một bản phác thảo nhỏ hiển thị các kích thước và cao độ quan trọng.
2. Độ sâu tới hạn (critical depth) cần thiết để tính toán kiểm soát tại cửa ra được xác định bằng cách sử dụng Hình 4.10a và 4.10b.
3. Vận tốc tại cửa ra (outlet velocity) có thể được tính bằng cách:
   • Xác định lưu lượng chảy đầy (full flow discharge) theo Phương trình 7.1.
   • Xác định vận tốc chảy đầy (full flow velocity) bằng phương trình liên tục.
   • Sử dụng biểu đồ dòng chảy không đầy (Hình 7.1) để tìm tỷ lệ V/Vf dựa trên Q/Qf.
4. Biểu mẫu thiết kế cống hoàn chỉnh (xem trang tiếp theo) chỉ ra rằng cống bê tông cốt thép (RCP) đường kính 1.500 mm (60 in.), với cửa vào dạng rãnh nhô ra (projecting groove end entrance), hoạt động trong điều kiện kiểm soát tại cửa vào, sẽ tạo ra mực nước thượng lưu thấp hơn cao độ mặt đường 0.9 m (2.95 ft).
5. Vận tốc tại cửa ra tương đối cao, do đó cần có biện pháp bảo vệ cửa ra để giảm nguy cơ xói lở.

9.9 Thiết kế cải tiến cửa vào

Công suất thoát nước của cống trong điều kiện kiểm soát tại cửa ra phụ thuộc vào:

• Độ sâu mực nước thượng lưu (headwater depth)
• Độ sâu mực nước hạ lưu (tailwater depth)
• Cấu hình cửa vào
• Đặc điểm của thân cống

Điều kiện cửa vào được xác định bởi:

• Diện tích mặt cắt ngang thân cống
• Hình dạng cửa vào
• Đặc điểm mép cửa vào

Đặc điểm của thân cống bao gồm:

• Diện tích mặt cắt ngang
• Hình dạng
• Độ dốc
• Chiều dài
• Độ nhám

Việc cải tiến cửa vào đối với cống hoạt động trong điều kiện kiểm soát tại cửa ra có thể giúp giảm tổn thất tại cửa vào. Tuy nhiên, do những tổn thất này chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng mức năng lượng yêu cầu, nên chỉ những cải tiến nhỏ, ít tốn kém mới thực sự hiệu quả.

Công suất của cống trong điều kiện kiểm soát tại cửa vào chỉ phụ thuộc vào:

• Cấu hình cửa vào
• Độ sâu mực nước thượng lưu

Đặc điểm của thân cống và mực nước hạ lưu thường không ảnh hưởng đáng kể, vì cống trong điều kiện này thường chảy không đầy.

Việc cải tiến cửa vào có thể giúp dòng chảy đầy hoặc gần như đầy, tăng đáng kể khả năng thoát nước của cống.

Như đã đề cập trong Mục 9.3, các phương pháp cải tiến cửa vào bao gồm:

1. Cửa vào mép vát (Beveled-Edged Inlets)
2. Cửa vào thu hẹp theo chiều ngang (Side-Tapered Inlets)
3. Cửa vào thu hẹp theo độ dốc (Slope-Tapered Inlets)

• Cửa vào mép vát giúp giảm thu hẹp dòng chảy, bằng cách mở rộng hiệu quả diện tích mặt trước của cống.
• Mép vát thường có bề mặt phẳng, nhưng các mép bo tròn hoặc đầu rãnh nối của ống bê tông cốt thép (RCP socket end) cũng có tác dụng tương tự.
• Mép vát được khuyến nghị áp dụng cho tất cả các tường đầu (headwalls) để tối ưu hóa hiệu suất thủy lực.

Mức cải tiến cao hơn là sử dụng cửa vào thu hẹp theo chiều ngang, giúp cải thiện hiệu suất cống bằng cách tạo ra một điểm kiểm soát hiệu quả hơn (họng – throat section).

• Diện tích mặt trước của cửa vào được mở rộng, sau đó thu hẹp dần về phía thân cống nhờ tường bên dạng thu hẹp.
• Chiều cao của cửa vào vẫn bằng với chiều cao của thân cống, và đỉnh & đáy của cửa vào được kéo dài từ thân cống.
• Giao điểm giữa tường bên thu hẹp và thân cống được gọi là họng (throat section).
• Trong thiết kế cửa vào thu hẹp theo chiều ngang, có hai điểm kiểm soát dòng chảy: mặt cửa vào (face) và họng (throat).
• Kiểm soát tại họng giúp giảm hiện tượng thu hẹp dòng chảy, cải thiện đáng kể hiệu suất thủy lực của cống.

Mức cải tiến thứ ba là sử dụng cửa vào thu hẹp theo độ dốc (Slope-Tapered Inlet).

Ưu điểm của cửa vào thu hẹp theo độ dốc so với cửa vào thu hẹp theo chiều ngang không có hạ thấp là nó tạo ra cột nước lớn hơn tại điểm kiểm soát (họng – throat section), giúp tăng hiệu suất thoát nước.

Trong cửa vào thu hẹp theo độ dốc, dòng chảy có thể bị kiểm soát tại:

• Mặt cửa vào (Face Control)
• Họng (Throat Control)

Tuy nhiên, do chi phí chính của cống nằm ở phần thân cống chứ không phải ở cửa vào, thiết kế cửa vào nên được tối ưu để mặt cửa vào có công suất lớn hơn tại cao độ mực nước thượng lưu cho phép so với họng.

Điều này đảm bảo rằng điểm kiểm soát dòng chảy nằm tại họng, từ đó giúp sử dụng tối đa công suất thoát nước của thân cống.

9.10 Thiết kế cống sử dụng HY-8

HY-8 là chương trình phân tích cống của FHWA, hoạt động tương tác và sử dụng các phương pháp phân tích trong HDS-5. Chương trình này có thể tính toán thủy lực cống và đường mặt nước cho các loại hình dạng cống sau:

• Cống tròn (Circular)
• Cống chữ nhật (Rectangular)
• Cống hình elip (Elliptical)
• Cống vòm kim loại (Pipe Arch)
• Cống hộp kim loại (Metal Box)
• Cống có hình dạng do người dùng tự định nghĩa (User-Defined Geometry)

Ngoài ra, HY-8 còn có thể:

• Xác định cống có cửa vào cải tiến (Improved Inlets)
• Phân tích điều kiện kiểm soát tại cửa vào và cửa ra cho cống chảy đầy và không đầy
• Phân tích điều kiện mực nước hạ lưu (Tailwater) trong kênh hình thang hoặc kênh được định nghĩa theo tọa độ
• Phân tích dòng chảy tràn qua nền đường
• Cân bằng lưu lượng qua nhiều cống trong hệ thống thoát nước.