Lược dịch từ HDS4: Introduction to Highway Hydraulis – Fourth Edition, June 2008)
Ấn bản lần thứ tư của HDS 4 là bản cập nhật của ấn bản lần thứ ba. Các sửa đổi là cần thiết để phản ánh thông tin mới được đưa ra trong ấn bản thứ ba của HEC 14 (Hydraulic Design of Energy Dissipators for Culverts and Channels – Thiết kế tiêu năng cho cống và kênh); ấn bản thứ ba của HEC 15 (Design of Roadside Channels with Flexible Linings – Thiết kế kênh mềm ven đường), và bản thứ 3 của HEC 22 (Urban Drainage Design Manual – Sổ tay thiết kế thoát nước đô thị)
1.1 Tổng quan
Các công trình thoát nước trên đường thực hiện chức năng quan trọng là chuyển tải, chuyển hướng hoặc loại bỏ nước mặt khỏi đường. Chúng phải được thiết kế tương xứng với rủi ro, chi phí xây dựng, tầm quan trọng của con đường, tính kinh tế của việc bảo trì và các yêu cầu pháp lý. Một loại công trình thoát nước hiếm khi cung cấp sự thỏa đáng nhất cho tất cả các đoạn đường. Do đó, nhà thiết kế nên biết và hiểu cách tích hợp các công trình thoát nước khác nhau để cung cấp khả năng kiểm soát thoát nước hoàn chỉnh.
Thiết kế thoát nước bao gồm nhiều chuyên ngành, trong đó có hai ngành là thủy văn và thủy lực. Việc xác định lưu lượng và tần suất của dòng chảy, nước mặt và nước ngầm là vấn đề thủy văn. Việc thiết kế các công trình có khả năng chuyển hướng nước, thoát nước và vượt qua dòng nước là vấn đề thủy lực.
Ấn phẩm này sẽ thảo luận ngắn gọn về các kỹ thuật thủy văn với trọng tâm là các phương pháp phù hợp với các lưu vực nhỏ, vì nhiều thành phần của hệ thống thoát nước (ví dụ: cống, mương ven đường, v.v.) phục vụ chủ yếu cho các lưu vực nhỏ. Các khái niệm thủy lực cơ bản cũng được thảo luận ngắn gọn, tiếp theo là các nguyên tắc dòng chảy kênh hở và các ứng dụng thiết kế của dòng chảy kênh hở trong thoát nước đường bộ. Sau đó, các khái niệm và ứng dụng của ống kín trong hệ thống thoát nước sẽ được trình bày. Các phần kết luận bao gồm giới thiệu về tiêu tán năng lượng, xây dựng, bảo trì và kinh tế. Trong mọi trường hợp, các tiêu chí và tiêu chuẩn thiết kế chi tiết được cung cấp chủ yếu bằng tài liệu tham khảo, vì mục tiêu của tài liệu này là trình bày một cái nhìn tổng quan về tất cả các thành phần của hệ thống thoát nước đường bộ và chủ yếu phục vụ như một “Giới thiệu về Thoát nước Đường bộ”.
1.2 Các loại công trình thoát nước
Hệ thống thoát nước đường bộ có thể được phân thành hai nhóm chính dựa trên phương thức xây dựng: (1) Công trình thoát nước kênh hở (open-channel facilities) hoặc (2) Công trình thoát nước kín (closed-conduit facilities). Các công trình thoát nước kênh hở bao gồm kênh dọc đường, rãnh giữa dải phân cách, dòng chảy dọc theo lề đường và mép vỉa hè, cùng các hệ thống khác. Các công trình thoát nước kín bao gồm cống ngang đường (culverts) và hệ thống cống thoát nước mưa (storm drain systems).
Lưu ý rằng, xét theo phân loại thủy lực dựa trên điều kiện dòng chảy, dòng chảy mặt tự do (free-surface flow) vẫn có thể xảy ra trong các công trình thoát nước kín.
Hình 1.1 minh họa một tuyến đường có dải phân cách, nơi cần sử dụng kết hợp các công trình thoát nước dạng kênh hở và đường ống kín để thoát nước cho tuyến đường. Bắt đầu từ mép ngoài của phạm vi hành lang đường, các kênh chặn dòng (intercepting channels) được bố trí trên mặt đất tự nhiên bên ngoài khu vực đào đắp hoặc trên các bậc mái dốc. Trong các khu vực khô hạn, kênh chặn dòng (hoặc đê nhỏ) cũng có thể được xây dựng dọc theo tuyến đường trong một khoảng cách dài để thu gom dòng chảy bề mặt từ các lưu vực lớn ở phía thượng lưu. Tiếp theo, các kênh dọc đường được bố trí giữa mái dốc đào và lề đường. Kênh chân dốc (toe-of-slope channels) tiếp nhận dòng chảy từ các kênh dọc đường và dẫn nước dọc theo hoặc gần mép nền đường đến điểm xả. Ở dải phân cách giữa đường, một vùng trũng nông hoặc rãnh (swale) thoát nước về cửa thu nước (inlet), sau đó dẫn vào cống ngang đường (culvert). Cống ngang đường giúp thoát nước chảy ngang qua đường, đặc biệt khi có dòng chảy từ một kênh suối lớn.
1.3 Triết lý thiết kế
Mục đích chính của các công trình thoát nước đường cao tốc là ngăn nước chảy tràn trên bề mặt tiếp cận mặt đường và loại bỏ nước mưa hoặc nước bề mặt khỏi mặt đường một cách hiệu quả. Thông thường, một tần suất lũ cụ thể được chọn cho từng cấp đường cao tốc để xác định lưu lượng thiết kế nhằm tính toán kích thước của các công trình thoát nước. Tần suất thiết kế này sau đó được điều chỉnh dựa trên việc đánh giá một trận lũ kiểm tra, có tính đến các rủi ro liên quan như điều kiện giao thông, quy mô công trình và giá trị của các tài sản lân cận.
Đối với các công trình có chi phí cao hoặc rủi ro cao, một loạt các lưu lượng với các tần suất lũ khác nhau được sử dụng để đánh giá hệ thống thoát nước. Phạm vi các trận lũ được xem xét thường bao gồm “lũ cơ sở” và đôi khi là “siêu lũ”.
Lũ cơ sở được định nghĩa là trận lũ (do bão hoặc thủy triều) có xác suất 1% xảy ra hoặc bị vượt quá trong bất kỳ năm nào. Trận lũ này còn được gọi là lũ 100 năm..
Siêu lũ có quy mô lớn hơn đáng kể so với lũ cơ sở. Ví dụ, một trận lũ có xác suất 0,2% (tương ứng với lũ 500 năm) có thể được xem là một dạng siêu lũ. Tuy nhiên, việc tính toán chính xác lưu lượng với xác suất 0,2% thường khó hơn so với xác suất 1%, nhưng nó nhấn mạnh rằng các trận lũ lớn hơn mức lũ cơ sở hoàn toàn có thể xảy ra. Những trận siêu lũ có thể được định nghĩa là các trận lũ vượt quá lũ cơ sở, với độ lớn bị giới hạn bởi khả năng phân tích tiên tiến hiện tại.
Các loại lũ khác cũng được xem xét bao gồm:
- Lũ tràn đỉnh (Overtopping flood): Trận lũ làm nước tràn qua đỉnh công trình.
- Lũ lịch sử lớn nhất (Maximum historical flood): Trận lũ lớn nhất từng được ghi nhận tại khu vực.
- Lũ cực đại có thể xảy ra (Probable maximum flood – PMF): Trận lũ lớn nhất có thể xảy ra dựa trên các điều kiện khí tượng và thủy văn khắc nghiệt nhất có thể.
- Lũ thiết kế (Design flood): Trận lũ được lựa chọn để thiết kế công trình thoát nước, dựa trên sự cân nhắc giữa rủi ro và chi phí.
Một loạt các trận lũ cũng thường được giả định để đánh giá thiết kế hệ thống thoát nước mặt đường. Hệ thống thoát nước mặt đường thường được thiết kế dựa trên trận lũ 10 năm, ngoại trừ ở các đoạn đường cong lõm (sag vertical curves), nơi nước không thể thoát đi ngoài việc chảy vào hệ thống thoát nước mưa. Tại các vị trí này, trận lũ 50 năm thường được sử dụng để thiết kế nhằm ngăn chặn tình trạng nước đọng với độ sâu có thể gây nguy hiểm đến tính mạng nếu phương tiện lao vào.
Việc sử dụng một tần suất lũ lớn hơn, chẳng hạn như trận lũ 50 năm, để đánh giá mức độ nguy hiểm tại những vị trí quan trọng nơi nước có thể đọng lại với độ sâu đáng kể, thường được gọi là trận lũ kiểm tra (check storm hoặc check event). Sự lan rộng của nước trên mặt đường trong trận lũ kiểm tra cũng có thể được đánh giá, với tiêu chí thông thường là ít nhất một làn đường vẫn có thể lưu thông trong sự kiện kiểm tra.
Một cách để lựa chọn tần suất lũ thiết kế là dựa trên nguyên tắc kinh tế, bằng cách xác định tổng chi phí dự kiến thấp nhất cho công trình. Nguyên tắc này xem xét chi phí đầu tư ban đầu, chi phí bảo trì và chi phí thiệt hại do lũ lụt gây ra trong suốt vòng đời của dự án. Tần suất lũ mang lại tổng chi phí dự kiến thấp nhất trong suốt thời gian sử dụng công trình sẽ được chọn làm cơ sở để thiết kế hệ thống thoát nước.