DG 2.1 Bối cảnh
Một cống không có biểu đồ thiết kế là loại hình dạng cống không có hệ số lưu tốc và tràn được xác định trong phòng thí nghiệm (Phụ lục A). Do đó, hình dạng này không có biểu đồ inlet control hoặc outlet control trong Phụ lục C và không thể thiết kế theo Hướng dẫn Thiết kế 1. Các hình dạng này có thể được thiết kế bằng cách sử dụng hướng dẫn này và các biểu đồ thiết kế tổng quát (Biểu đồ 51 đến 54) trong Phụ lục C để xác định thủ công kích thước, hình dạng và vật liệu phù hợp cho một trận lũ thiết kế tại vị trí giao vượt suối của đường bộ. Mục DG 2.2 cung cấp các bước thiết kế nên được thực hiện. Các bước này tương tự Hướng dẫn Thiết kế 1, nhưng sử dụng các biểu đồ thiết kế khác. Mục DG 2.3 áp dụng các bước thiết kế cho một hình dạng nhịp lớn. Mục DG 2.4 trình bày quy trình giải bằng phần mềm HY-8.
DG 2.2 Quy trình thiết kế
Các bước tổng quát sau được sử dụng để thiết kế một cống thẳng (xem Hình 3.18):
Bước 1.
Tổng hợp dữ liệu thủy văn (Mục 2.1) và dữ liệu hiện trường (Mục 2.2) cho cống. Thông tin này phải được thu thập hoặc tính toán trước khi thực hiện thiết kế thực tế. Ngoài ra, cần đảm bảo rằng đánh giá hiện trường (Mục 2.3) đã được thực hiện.
Bước 2.
Chọn sơ bộ hình dạng cống (Mục 1.3.1), vật liệu (Mục 1.3.2), kích thước và cấu hình cửa vào từ thông tin của nhà sản xuất. Xác định diện tích tiết diện A, và chiều cao trong D của thân cống được chọn.
Bước 3.
Thực hiện tính toán mực nước tại cửa vào do điều kiện khống chế tại cửa vào (HWᵢ) với lưu lượng thiết kế (Mục 3.6.1). Sử dụng Biểu đồ 51 cho cống hình tròn hoặc hình elip với trục dài nằm ngang ở giữa tiết diện. Sử dụng Biểu đồ 52 cho vòm bản tấm thép.
a. Tính Q / AD⁰·⁵
b. Tra biểu đồ thiết kế phù hợp với Q/AD⁰·⁵ và điều kiện mép cống đã chọn, đọc giá trị HW/D.
c. Nhân HW/D với D để tính độ sâu mực nước tại cửa vào, HWᵢ.
d. Nếu biết vận tốc tiếp cận (Vᵤ), trừ đầu năng lượng tiếp cận (Vᵤ² / 2g) khỏi HWᵢ để tính mực nước tại cửa vào có hiệu chỉnh. Nếu bỏ qua Vᵤ, dùng trực tiếp HWᵢ.
e. Nếu HWᵢ > HWₐ hoặc cống quá lớn, hãy chọn kích thước khác và/hoặc điều kiện mép cống khác, sau đó quay lại bước 3a.
Bước 4.
Tính toán mực nước tại cửa ra do điều kiện khống chế (HWₒ) với lưu lượng thiết kế (Mục 3.6.2) bằng cách sử dụng tính toán dòng chảy ngược hoặc Công thức 3.6b.
a. Dòng chảy không đầy (Partly Full Flow).
Các cống lớn, như cống nhịp dài, thường chảy không đầy theo chiều dài. Ngoài ra, đáy cống thường trùng với đáy suối tự nhiên. Trong các tình huống này, nên thực hiện tính toán backwater để xác định cao độ mực nước tại cửa ra.
b. Dòng chảy đầy (Full Flow).
Nếu cống chảy đầy hoặc gần như đầy theo toàn bộ chiều dài, có thể sử dụng Công thức 3.6b (HWₒ = TW + HL – SL) để tính toán mực nước tại cửa ra do điều kiện khống chế.
Bước 5.
Mực nước khống chế là giá trị lớn hơn giữa HWᵢ và HWₒ.
Bước 6.
Đánh giá kết quả (Mục 3.6.3) để xác định liệu mực nước khống chế có gần bằng hoặc thấp hơn mực nước cho phép (HWₐ) hay không. Nếu không đủ gần hoặc cao hơn, quay lại Bước 2 và thử phương án khác.
DG 2.3 Ví dụ nhịp dài
Thiết kế một cống nhịp dài, bằng tấm kết cấu dạng sóng, hình elip kim loại, với tường chắn, để thoát lưu lượng thiết kế Q₂₅ dưới một đắp đường cao. Lưu lượng thiết kế phải thấp hơn đỉnh cống tại cửa vào, nhưng lưu lượng kiểm tra Q₁₀₀ có thể vượt quá đỉnh cống không quá 5 ft (1.524 m).
Giải pháp đầy đủ theo hệ đơn vị thường dùng (CU) được trình bày bên dưới. Một bản tóm tắt kết quả theo đơn vị SI cũng được cung cấp dựa trên việc giải toàn bộ bài toán bằng biểu đồ SI phù hợp như được trình bày trong HDS 5, ấn bản thứ hai, Chương III, Ví dụ minh họa số 5.
Lưu ý rằng việc chuyển đổi trực tiếp từ kết quả CU sang SI có thể tạo ra kết quả hơi khác biệt.
Bước 1.
Tổng hợp dữ liệu thủy văn (Mục 2.1) và dữ liệu hiện trường (Mục 2.2) cho cống.
Thông tin này phải được thu thập hoặc tính toán trước khi thực hiện thiết kế thực tế. Ngoài ra, cần đảm bảo rằng đánh giá hiện trường (Mục 2.3) đã được hoàn tất.
| Mô tả | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Lưu lượng thiết kế | Q₂₅ | 5,500 ft³/s | 155.744 m³/s |
| Lưu lượng kiểm tra | Q₁₀₀ | 7,500 ft³/s | 212.378 m³/s |
| Mực nước đuôi cho lũ thiết kế | TW₂₅ | 16.0 ft | 4.877 m |
| Mực nước đuôi cho lũ kiểm tra | TW₁₀₀ | 19.0 ft | 5.791 m |
| Độ dốc đáy suối tự nhiên | S₀ | 0.01 ft/ft | 0.01 m/m |
| Chiều dài xấp xỉ của cống | Lₐ | 200 ft | 60.690 m |
| Cao độ vai đường | ELₛ | 260 ft | 79.248 m |
| Cao độ mực nước cho phép | ELₕₐ | 240 ft | 73.152 m |
| Cao độ đáy cống tại cửa vào | ELᵢ | 220 ft | 67.056 m |
| Cao độ đáy cống tại cửa ra | ELₒ | 218 ft | 66.446 m |
Bước 2.
Chọn sơ bộ hình dạng cống (Mục 1.3.1), vật liệu (Mục 1.3.2), kích thước và cấu hình cửa vào từ thông tin nhà sản xuất.
Xác định diện tích tiết diện đầy đủ, A, và chiều cao bên trong, D, của tiết diện cống đã chọn.
| Kích thước thân cống | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Chiều rộng | B | 30 ft | 9144 mm |
| Chiều cao | D | 20 ft | 6096 mm |
| Diện tích tiết diện | A | 487.5 ft² | 45.289 m² |
| Gợn sóng | — | 6 × 2 in | 150 × 50 mm |
Bước 3.
Tính độ sâu mực nước tại cửa vào do điều kiện khống chế (HWᵢ) với lưu lượng thiết kế (Mục 3.6.1).
Sử dụng Biểu đồ 51 cho cống tròn hoặc elip với trục dài nằm ngang ở giữa tiết diện. Tường chắn cung cấp điều kiện mép vuông.
a. Tính Q/AD⁰·⁵
- AD⁰·⁵ = (487.5)(20)⁰·⁵ = 2180
- Q/AD⁰·⁵ = 5500 / 2180 = 2.52
b. Tra biểu đồ thiết kế phù hợp với Q/AD⁰·⁵ và điều kiện mép đã chọn, đọc HW/D:
- Biểu đồ 51b, HW/D = 0.90
c. Nhân HW/D với D để tính HWᵢ:
- HWᵢ = (0.90)(20) = 18 ft (5.486 m)
- ELₕᵢ = 220 + 18 = 238 ft (72.542 m)
d. Vᵤ bị bỏ qua, dùng HWᵢ
e. So sánh: HWᵢ < HWₐ → (18 ft < 20 ft) → kích thước đạt yêu cầu
Bước 3.
Tính mực nước tại cửa vào do điều kiện khống chế (HWᵢ) với lưu lượng kiểm tra:
a. Q/AD⁰·⁵ = 3.44
b. Biểu đồ 51b, HW/D = 1.13
c. HWᵢ = (1.13)(20) = 22.6 ft (6.888 m)
→ ELₕᵢ = 220 + 22.6 = 242.6 ft (73.944 m)
d. Vᵤ bị bỏ qua, dùng HWᵢ
e. So sánh: HWᵢ < D + 5 ft → (242.6 ft < 240 + 5 ft) → kích thước đạt yêu cầu
Bước 4.
Tính độ sâu mực nước tại cửa ra do điều kiện khống chế (HWₒ) với lưu lượng thiết kế (Mục 3.6.2) bằng cách sử dụng phép tính dòng ngược hoặc Công thức 3.6b.
Sẽ cần thực hiện tính toán dòng ngược để kiểm tra điều kiện tại cửa ra.
Từ bảng tra thủy lực cho cống elip (FHWA, 1962):
| Kích thước thân cống | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Lưu lượng thiết kế | Q | 5,500 ft³/s | 155.744 m³/s |
| Hệ số nhám Manning | n | 0.034 | 0.034 |
| Độ sâu tới hạn | dc | 12.4 ft | 3.780 m |
| Độ sâu bình thường | dn | 13.1 ft | 3.993 m |
| Mực nước đuôi | TW | 16.0 ft | 4.877 m |
| Kích thước thân cống | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Lưu lượng kiểm tra | Q | 7,500 ft³/s | 212.378 m³/s |
| Hệ số nhám Manning | n | 0.034 | 0.034 |
| Độ sâu tới hạn | dc | 14.6 ft | 4.450 m |
| Độ sâu bình thường | dn | 16.7 ft | 5.090 m |
| Mực nước đuôi | TW | 19.0 ft | 5.791 m |
Vì dn > dc, dòng chảy là dưới tới hạn (subcritical). Vì TW > dn, mặt nước có dạng đường cong M1.
Phép tính backwater nên bắt đầu từ độ sâu TW ở hạ lưu và tiến về phía thượng lưu.
Diện tích và bán kính thủy lực theo độ sâu (d) lấy từ bảng dữ liệu:
| d/D | d (ft) | A/BD | A (ft²) | R/D | R (ft) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.65 | 13.0 | 0.5537 | 332.2 | 0.3642 | 7.28 |
| 0.70 | 14.0 | 0.6013 | 360.8 | 0.3781 | 7.56 |
| 0.75 | 15.0 | 0.6472 | 388.3 | 0.3886 | 7.77 |
| 0.80 | 16.0 | 0.6908 | 414.5 | 0.3950 | 7.90 |
| 0.85 | 17.0 | 0.7313 | 438.8 | 0.3959 | 7.92 |
| 0.90 | 18.0 | 0.7671 | 460.3 | 0.3870 | 7.74 |
| 0.95 | 19.0 | 0.7953 | 477.2 | 0.3649 | 7.30 |
| 1.00 | 20.0 | 0.8108 | 486.5 | 0.3060 | 6.12 |
Tính toán hoàn chỉnh mực nước mặt (xem bảng tính kèm):
🔹 Với Q = 5,500 ft³/s:
- HWₒ = cột áp động (H) + kₑ(V²/2g)
- HWₒ = 18.004 + (0.5)(3.208) = 19.6 ft (5.974 m)
- ELₕₒ = 220 + 19.6 = 239.6 ft (73.030 m)
🔹 Với Q = 7,500 ft³/s:
- HWₒ = 22.627 + (0.5)(3.89) = 24.6 ft (7.49 m)
- ELₕₒ = 220 + 24.6 = 244.6 ft (74.554 m)
Bước 5.
Mực nước khống chế là giá trị lớn hơn giữa HWᵢ và HWₒ: HWₒ
| Thông số thiết kế | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Lưu lượng thiết kế | Q₂₅ | 5,500 ft³/s | 155.744 m³/s |
| Cao độ mực nước cho phép | ELₕₐ | 240.0 ft | 73.152 m |
| Cao độ mực nước tại cửa vào (HWᵢ) | ELₕᵢ | 238.0 ft | 72.542 m |
| Cao độ mực nước tại cửa ra (HWₒ) | ELₒ | 239.6 ft | 73.030 m |
| Thông số kiểm tra | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Lưu lượng kiểm tra | Q₁₀₀ | 7,500 ft³/s | 212.378 m³/s |
| Cao độ mực nước cho phép | ELₕₐ | 245.0 ft | 74.676 m |
| Cao độ mực nước tại cửa vào (HWᵢ) | ELₕᵢ | 242.6 ft | 73.944 m |
| Cao độ mực nước tại cửa ra (HWₒ) | ELₒ | 244.6 ft | 74.554 m |
Bước 6.
Đánh giá kết quả (Mục 3.6.3) để xác định xem mực nước khống chế có gần bằng hoặc thấp hơn mực nước cho phép không. Nếu không đủ gần hoặc cao hơn, quay lại Bước 2 và thử phương án khác.
→ Thiết kế cống này đáp ứng các yêu cầu được nêu trong bài toán.
DG 2.4 Lời giải nhịp dài bằng HY-8
Lời giải tính tay được trình bày trong Mục 2.3 có thể được lặp lại bằng cách sử dụng phiên bản hiện tại của phần mềm HY-8:
- Chọn các tùy chọn sau: Hệ đơn vị U.S. Customary Units, Outlet Control Profiles và Phương pháp tổn thất tiêu chuẩn (Exit Loss Standard Method).
- Nhập dữ liệu giao cắt suối được trình bày trong Bước 1, chọn Hình dạng elip (Elliptical Shape), Cỡ 22 (361″ x 242″), thay đổi hệ số nhám Manning n thành 0.034, chọn tường chắn (headwall) cho cấu hình cửa vào.
- Phân tích giao cắt suối (Analyze Crossing) hiển thị bảng tóm tắt giao cắt (Crossing Summary Table) cho thấy không xảy ra tràn.
- Chọn bảng tóm tắt thiết kế cống (Culvert Summary Table) cho thấy outlet control là điều kiện khống chế :
- Với lưu lượng 5,500 ft³/s – HWₒ = 19.9 ft và ELₕₒ = 239.9 ft ≈ 239.6 ft theo kết quả tính tay cho mép vuông và mặt nước M1. Diện tích tiết diện đầy đủ theo cách tính tay là 487.5 ft² so với tiết diện nhỏ hơn 471 ft² của cỡ 22.
- Với lưu lượng 7,500 ft³/s – HWₒ = 25.47 ft và ELₕₒ = 245.47 ft ≈ 244.6 ft theo cách tính tay.
- Các độ sâu khống chế tại cửa vào được tính bằng Biểu đồ 52 xấp xỉ bằng Biểu đồ 51 trong tính tay. Các biểu đồ này tương đương nhau cho các cống có mép vuông.
- Kết quả tương tự cũng đạt được khi giải pháp hệ SI được kiểm chứng bằng HY-8.