DG3.1 Bối cảnh
Thiết kế cửa vào thuôn (tapered inlet) bắt đầu bằng việc lựa chọn kích thước, hình dạng và vật liệu của thân cống. Các phép tính này được thực hiện bằng Hướng dẫn Thiết kế 1 và Biểu mẫu Thiết kế Cống (CDF). Nếu cống hoạt động với điều kiện khống chế tại cửa vào, thì Biểu mẫu Thiết kế Cửa vào Thuôn (TIDF) và các biểu đồ thiết kế trong Phụ lục C sẽ được sử dụng để thiết kế cửa vào thuôn. Kết quả sẽ là một hoặc nhiều phương án thiết kế cống, có và không có cửa vào thuôn, tất cả đều đáp ứng các tiêu chí thiết kế tại vị trí khảo sát. Người thiết kế phải chọn phương án tối ưu nhất cho vị trí đang xét.
Trong thiết kế cửa vào thuôn, mục tiêu là chọn một thân cống và độ trũng tại cổ họng sao cho đảm bảo điều kiện khống chế xảy ra tại cổ họng (thoart control) với hiệu suất cao nhất trong khoảng mực nước và lưu lượng thiết kế. Điều này là do cổ họng có cùng hình dạng với thân cống, và thân cống là phần tốn kém nhất của hệ thống. Mặt cửa vào được thiết kế đủ lớn để cho phép lưu lượng thiết kế chảy qua mà không đóng vai trò là tiết diện khống chế. Việc làm lớn hơn một chút phần tiết diện mặt là có lợi vì chi phí xây dựng cửa vào thuôn thường không đáng kể so với thân cống. Kích thước tiết diện mặt yêu cầu có thể giảm nếu sử dụng các mép vát (beveled edges). Biểu đồ thiết kế được cung cấp cho trường hợp có và không có mép vát.
DG3.2 Quy trình thiết kế
Các bước sau đây mô tả quy trình thiết kế cho cống có cửa vào thuôn (tapered inlet). Bước 1 là giống nhau cho tất cả các cống, dù có hay không có cửa vào thuôn.
Bước 1. Xác định kích thước thân cống và độ trũng cổ họng (T)
- Thân cống (Barrel) – Kích thước thân cống được xác định bằng Hướng dẫn Thiết kế 1 và Biểu mẫu Thiết kế Cống (CDF). CDF cần được hoàn thành cho tất cả các thân cống được xem xét. Nếu đang thiết kế cửa vào thuôn (tapered inlet), cần sử dụng chart Thoart Control phù hợp: Chart 55 (cho cống tròn) và Chart 57 (cho cống hộp) cho điều kiện inlet control. Chart 55 gồm hai thang đo: một cho ống trơn (RCP) và một cho ống gợn sóng (CMP).
- Độ trũng (Depression) – CDF cung cấp độ trũng cổ họng (T) cần thiết cho cửa vào thẳng, cửa vào thuôn bên (side-tapered inlet), và cửa vào thuôn dốc (slope-tapered inlet).
- Dữ liệu Đường cong Hiệu suất (Performance Curve Data) – Vẽ đường cong hiệu suất outlet control cho các thân cống, và đường cong inlet control cho các mặt cống không mở rộng cũng như cổ họng của cửa vào thuôn.
Bước 2. Chọn phương án cửa vào thuôn (tapered inlet)
- Dùng dạng thuôn bên nếu T < D/4 (xem Mục DG 3.3).
- Dùng dạng thuôn bên hoặc thuôn dốc nếu D/4 ≤ T ≤ 1.5D.
Bước 3. Xác định kích thước cửa vào thuôn (tapered inlet)
- Chiều rộng tiết diện mặt (Face Width) – Sử dụng Biểu mẫu Thiết kế Cửa vào Thuôn (TIDF), Hình 3.24 và các Biểu đồ 56 (ống có cửa vào thuôn bên), 58 (RCB cửa vào thuôn bên) hoặc 59 (RCB cửa vào thuôn dốc) trong Phụ lục C để xác định chiều rộng tiết diện mặt (Bf). Thông số này sau đó được sử dụng để tính các kích thước cửa vào.
- Cửa vào thuôn bên (Side-tapered inlet) – Kiểm tra để đảm bảo độ chênh giữa mặt cửa và cổ họng không vượt quá 1 foot. Nếu vượt quá, điều chỉnh cao độ đáy tiết diện mặt.
- Cửa vào thuôn bên với đoạn trũng phía thượng lưu tiết diện mặt – Tính chiều rộng đỉnh nhỏ nhất (W) và so sánh với chiều rộng đỉnh đề xuất. Có thể cần điều chỉnh góc loe của tường cánh (wingwall flare angle) để đạt được chiều rộng đỉnh cần thiết.
Bước 4. Chọn cửa vào thuôn (tapered inlet)
Đánh giá các phương án thiết kế được xác định ở Bước 3 và chọn phương án có chi phí xây dựng hiệu quả nhất.
DG 3.3 Giới hạn kích thước
Các giới hạn kích thước sau phải được tuân thủ khi thiết kế cửa vào thuôn (tapered inlet) bằng các biểu đồ thiết kế trong tài liệu này. Cửa vào thuôn chỉ được sử dụng khi chiều rộng cống nhỏ hơn 3 lần chiều cao (B < 3D).
DG 3.3.1 Cửa vào thuôn bên (Side-Tapered Inlets)
- Độ thuôn (Taper): 4:1 ≤ TAPER ≤ 6:1 (có thể dùng lớn hơn 6:1 nhưng hiệu suất có thể bị đánh giá thấp – theo NBS 6th and 7th Progress Report)
- Góc loe của tường cánh (Wingwall Flare Angle):
(a) 15° đến 26° nếu có mép vát ở top,
(b) 26° đến 90° với hoặc không có mép vát. - Độ trũng cổ họng (Throat Depression – T): Nếu sử dụng đoạn trũng phía thượng lưu mặt cửa, đáy cống nên được kéo dài về phía thượng lưu một đoạn D/2 trước khi dốc lên với độ dốc tối đa là 1V:2H.
- Chiều cao tiết diện mặt (Face Height – E): D ≤ E ≤ 1.1D cho các cống hình tròn.
DG 3.3.2 Cửa vào thuôn dốc (Slope-Tapered Inlets)
- Độ thuôn (Taper): 4:1 ≤ TAPER ≤ 6:1 (dùng lớn hơn 6:1 được nhưng hiệu suất có thể bị đánh giá thấp)
- Góc loe của tường cánh (Wingwall Flare Angle):
(a) 15° đến 26° nếu có mép vát phía trên,
(b) 26° đến 90° với hoặc không có mép vát. - Độ dốc đáy trũng (Depression Slope – SD):
IV:3H ≤ SD ≤ IV:2H
Nếu SD > IV:3H, nên dùng thiết kế cửa vào thuôn bên. - Chiều dài đến đoạn uốn (Length to Bend – L3): Tối thiểu L3 = 0.5B.
Độ trũng cổ họng (Throat Depression – T):
D/4 ≤ T ≤ 1.5D → Nếu T < D/4, sử dụng thiết kế cửa vào thuôn bên (side-tapered inlet).
Nếu T > 1.5D, ước tính tổn thất do ma sát (H₁) giữa mặt và cổ họng bằng công thức (DG 3.1) và cộng thêm vào HWₜ:
$$H_1 = \left[ \frac{K_u \cdot n^2 \cdot L_1}{R^{1.33}} \right] \cdot \frac{Q^2}{2gA^2}\tag {(DG 3.1)}$$
Trong đó:
- Ku = 29 (19.63 trong hệ SI)
- H₁ = tổn thất do ma sát trong cửa vào thuôn, ft (m)
- n = hệ số nhám Manning cho vật liệu cửa vào thuôn
- L₁ = chiều dài cửa vào thuôn, ft (m)
- R = bán kính thủy lực trung bình của cửa vào thuôn = (Af + Ai)/(Pf + Pi), ft (m)
- Q = lưu lượng, ft³/s (m³/s)
- g = gia tốc trọng trường, ft/s² (m/s²)
- A = diện tích mặt cắt trung bình của cửa vào thuôn = (Af + Ai)/2, ft² (m²)
DG 3.4 Cửa vào thuôn cho cống hộp
Quy trình thiết kế trong Mục DG 3.2 và các giới hạn kích thước trong Mục DG 3.3 phải được tuân theo khi thiết kế cửa vào thuôn bên và thuôn dốc cho cống hộp.
Mục DG 3.4.1 cung cấp các cấu hình cửa vào duy nhất có thể sử dụng với cống hộp có cửa vào thuôn. Mục DG 3.4.2 nên được xem xét nếu cống đề xuất có nhiều hơn một thân cống (cống nhiều khoang). Một ví dụ tính tay được trình bày trong Mục DG 3.4.3 đến 3.4.8.
D.G 3.4.1 Cấu hình cửa vào thay thế
Để xác định chiều rộng mặt, có hai biểu đồ nomograph trong Phụ lục C, Biểu đồ 58 cho cửa vào thuôn bên (side-tapered) và Biểu đồ 59 cho cửa vào thuôn dốc (slope-tapered).
Mỗi biểu đồ có hai thang đo, mỗi thang tương ứng với điều kiện mép. Điều kiện mép được mô tả trong Hình DG 3.1. Cả điều kiện tại mép vào và góc loe tường cánh đều ảnh hưởng đến hiệu suất mặt cửa vào cống hộp:
- Thang đo 1 (Scale 1) áp dụng cho điều kiện mép ít thuận lợi hơn, định nghĩa là:
- Tường cánh loe 15°–26° với mép vát 1:1 ở mép trên, hoặc
- Tường cánh loe 26°–90° và mép vuông (không vát). Tường cánh 90° là đầu tường thẳng đứng.
- Thang đo 2 (Scale 2) áp dụng cho điều kiện mép thuận lợi hơn, định nghĩa là:
- Tường cánh loe 26°–45° với mép vát 1:1 ở mép trên, hoặc
- Tường cánh loe 45°–90° với mép vát 1:1 ở cả mép bên và mép trên.
Góc loe tường cánh nhỏ hơn 15° hoặc lớn hơn 26° mà không có mép vát không được biểu đồ đề cập.
Mặc dù vát mép 33.7° vẫn có thể dùng, nhưng loại vát 45° nhỏ hơn thường được ưu tiên hơn vì lý do kết cấu.
DG 3.4.2 Thiết kế cống nhiều khoang (multiple barrel)
Khi thiết kế cửa vào thuôn bên (side-tapered) hoặc thuôn nghiêng (slope-tapered) cho cống hộp có hai thân cống, chiều rộng mặt cắt yêu cầu tính theo quy trình thiết kế chính là tổng chiều rộng thông thủy của mặt cắt. Độ dày của vách giữa phải được cộng thêm vào chiều rộng thông thủy này để có được tổng chiều rộng mặt. Không có quy trình thiết kế nào được cung cấp cho cửa vào thuôn của cống hộp có hơn hai thân.
DG 3.4.3 Ví dụ cống hộp bê tông cốt thép (RCB Culvert Example)
Thiết kế thân cống và độ trũng nhỏ nhất có thể để dẫn được lưu lượng Q₅₀ mà không vượt quá cao độ ELha.
Cống được đặt trong khu vực nông thôn với rủi ro hư hại thấp. Các công trình ngầm giới hạn độ trũng cho phép ở mức 2.5 ft (0.762 m) dưới cao độ dòng chảy tiêu chuẩn tại cửa vào.
Sử dụng cống hộp bê tông cốt thép (RCB) với hệ số nhám Manning n = 0.012.
Lời giải đầy đủ theo hệ đơn vị Anh (CU) được trình bày bên dưới. Tóm tắt kết quả theo hệ SI cũng được cung cấp, dựa trên lời giải đầy đủ sử dụng nomograph hệ SI phù hợp như đã trình bày trong HDS 5, ấn bản thứ hai, Chương IV, Ví dụ số 1.
Lưu ý rằng chuyển đổi trực tiếp từ đơn vị CU sang SI có thể tạo ra sai số nhỏ.
Ghi chú: Biểu đồ 14B, 15B, 57B, 58B và 59B được sử dụng trong ví dụ này (xem Mục DG 3.4.7).
Bước 1. Xác định kích thước thân cống và độ trũng cổ họng (T)
Dữ liệu sau đây được sử dụng trong Hướng dẫn Thiết kế 1 và Biểu mẫu CDF (xem Mục DG 3.4.4) để lựa chọn kích thước thân cống và độ trũng (T).
Mô tả công trình (Site Description)
| Mô tả | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Lưu lượng thiết kế | Q₅₀ | 400 ft³/s | 11.327 m³/s |
| Độ dốc đáy suối tự nhiên | S₀ | 0.05 ft/ft | 0.05 m/m |
| Chiều dài cống xấp xỉ | Lₐ | 300 ft | 91.440 m |
| Cao độ mặt đường | ELₛ | 196 ft | 59.741 m |
| Cao độ mực nước đầu cho phép | ELₕₐ | 195 ft | 59.436 m |
| Cao độ tại mặt suối | ELₛf | 187.5 ft | 57.150 m |
| Cao độ tại đáy cửa ra | EL₀ | 172.5 ft | 52.578 m |
Bảng chiều sâu nước theo lưu lượng (Flow vs. Tailwater Depth)
| Lưu lượng (ft³/s) | TW (ft) | Lưu lượng (m³/s) | TW (m) |
|---|---|---|---|
| 300 | 4.4 | 8.495 | 1.341 |
| 400 | 4.9 | 11.327 | 1.494 |
| 500 | 5.3 | 14.159 | 1.615 |
Cấu hình thân cống được chọn (Barrel Selected)
| Mô tả | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Chiều rộng | B | 5 ft | 1524 mm |
| Chiều cao | D | 5 ft | 1524 mm |
| Độ trũng cổ họng | T | 2 ft | 0.45 m |
| Cao độ tại đáy cửa vào | ELᵢ | 185.5 ft | 56.70 m |
| Độ dốc cống | S | 0.043 ft/ft | 0.045 m/m |
| Vận tốc dòng ra | V₀ | 29.1 ft/s | 8.87 m/s |
Bước 2. Chọn phương án cửa vào thuôn (Select Tapered Inlet Alternatives)
Cả hai phương án cửa vào thuôn bên (side-tapered) và thuôn dốc (slope-tapered) đều được thiết kế:
Độ trũng (T) = 2 ft > giá trị tối thiểu D/4 = 5/4 = 1.25 ft.
Bước 3. Xác định kích thước cửa vào thuôn (dạng side-tapered)
Biểu mẫu TIDF (xem Mục DG 3.4.5) được sử dụng để xác định các thông số sau:
| Mô tả | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Chiều rộng mặt cửa | Bᵣ | 9 ft | 3.05 m |
| Độ thuôn bên | taper | 4:1 | 4:1 |
| Độ trũng cổ họng | T | 2 ft | 0.45 m |
| Độ dốc đáy trũng | SD | IV:2H | IV:2H |
| Chiều dài (từ mặt đến cổ họng) | L₁ | 8 ft | 2.95 m |
Bước 3. Xác định kích thước cửa vào thuôn (dạng thuôn dốc – Slope-tapered)
Biểu mẫu TIDF (xem Mục DG 3.4.5) được sử dụng để xác định các thông số sau:
| Mô tả | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Chiều rộng mặt cửa | Bᵣ | 8 ft | 2.44 m |
| Độ thuôn nghiêng | taper | 4.33:1¹ | 4:1 |
| Độ trũng cổ họng | T | 2 ft | 0.45 m |
| Độ dốc phần trũng | SD | IV:2H | IV:2H |
| Chiều dài (Từ mặt đến cổ họng) | L₁ | 6.5 ft | 1.83 m |
| Chiều dài (Từ mặt đến đoạn uốn) | L₂ | 4.0 ft | 0.90 m |
| Chiều dài (Từ đoạn uốn đến mặt) | L₃ | 2.5 ft | 0.93 m |
¹Độ thuôn được điều chỉnh trong lời giải CU, trong khi L₃ được điều chỉnh trong lời giải SI.
Bước 4. Chọn cửa vào thuôn
Một cửa vào thuôn dốcvới mặt thẳng đứng được chọn vì đây là cửa nhỏ hơn. Cửa vào này có tường cánh (wingwalls) với góc nghiêng từ 26 độ đến 90 độ và không có mép vát (bevels). Các đường cong hiệu suất được thể hiện trong hình dưới đây:
DG 3.4.4 Lời giải HY-8 cho cống hộp RCB
Lời giải thủ công được trình bày trong Mục 3.4.3 có thể được lặp lại bằng cách sử dụng phiên bản hiện tại của phần mềm HY-8:
- Nhập Dữ liệu Giao cắt như trong Bước 1 và CDF. Đối với Tailwater, nhập đường cong đánh giá (rating curve).
- Đối với loại cống, chọn Side-Tapered (thuôn bên). Đối với mép cửa vào, chọn square edge top (cạnh vuông đỉnh). Đối với độ trũng cổ họng, chọn có và nhập 2 ft, độ dốc 2:1 và chiều rộng đỉnh 9 ft.
- Phân tích giao vượt suối (crossing) sẽ hiển thị bảng tóm tắt (Crossing Summary Table) cho thấy có hiện tượng tràn nếu sử dụng cao độ 196 ft cho đỉnh mặt đường.
- Chọn bảng tổng hợp cống (Culvert Summary Table) cho thấy rằng với lưu lượng 400 ft³/s, khống chế là inlet control: HWᵢ = 9.15 ft và ELᵢ = 194.92 ft ≈ 195 ft so với lời giải từ nomograph cho cạnh vuông.
- Chọn bảng cải tiến cửa vào (Improved Inlet Table) cho thấy với lưu lượng 400 ft³/s thì khống chế là thoart control, và cao độ đầu nước tại mặt cửa vào là 193.58 ft ≈ 193.8 ft từ lời giải nomograph.
- Kết quả dạng cửa vào thuôn dốc (Slope-Tapered) có thể được thu được bằng cách thay đổi loại cống, chiều rộng mặt cửa thành 8 ft, độ dốc 2:1 và độ trũng 2 ft. Bảng cải tiến cửa vào cho thấy khống chế là thoart control với ELᵢ = 194.92 ft, nhưng độ mực nước tại mặt cửa là 195.16 ≈ 195 ft của lời giải nomograph. Mặt cửa vào có chiều rộng nhỏ hơn (so với phương án thuôn bên) vẫn có tác động điều khiển, nhưng chỉ ở mức nhẹ
- Kết quả tương tự thu được khi lời giải đơn vị SI được kiểm tra bằng HY-8.
DG 3.4.8 RCB Charts
DG 3.5 – Cửa vào thuôn cho cống tròn
Quy trình thiết kế trong Mục DG 3.2 và các giới hạn kích thước trong Mục DG 3.3 cần được áp dụng cho thiết kế cửa vào thuôn bên (side-tapered) và thuôn dốc (slope-tapered) đối với cống ống tròn. Mục DG 3.5.1 cung cấp các kiểu cấu hình cửa vào có thể sử dụng với cửa vào thuôn cho cống tròn. Mục DG 3.5.3 cần được xem xét nếu cống đề xuất có nhiều hơn một ống (nhiều khoang). Một ví dụ tính toán được trình bày trong các Mục DG 3.5.4 đến DG 3.5.8.
DG 3.5.1 – Các cấu hình cửa vào thay thế
Các cấu hình cửa vào thuôn được minh họa trong Hình DG 3.1. Đối với cửa vào thuôn bên, có thể sử dụng các cửa vào lắp sẵn với tiết diện không chữ nhật hoặc các cửa vào hình chữ nhật đúc tại chỗ. Các cửa vào hình chữ nhật được nối với ống tròn bằng một đoạn chuyển tiếp hình vuông sang hình tròn (xem Mục 3.5.2).
Đối với cửa vào thuôn dốc, cửa vào hình chữ nhật là lựa chọn duy nhất có biểu đồ thiết kế sẵn. Phần chuyển tiếp từ vuông sang tròn được sử dụng để nối cửa vào thuôn dốc với ống tròn.
Biểu đồ thiết kế để xác định kích thước mặt cửa của cửa vào thuôn dốc với mặt không phải hình chữ nhật bao gồm ba thang (scale) với điều kiện mép khác nhau: mép nhô mỏng, mép vuông và mép vát. Diện tích mặt cửa lớn hơn diện tích thân ống và có thể là bất kỳ hình dạng không chữ nhật nào, bao gồm hình bầu dục, hình tròn, đoạn hình tròn, hoặc dạng vòm ống.
Để thiết kế cửa vào thuôn dốc hình chữ nhật cho cống ống tròn, sử dụng các biểu đồ thiết kế trong Phụ lục C cho cửa vào thuôn dốc hình chữ nhật. Có thể cung cấp cột nước bổ sung tại tiết diện thoart control của cửa vào thuôn dốc bằng cách tạo một vùng trũng phía thượng lưu của mặt cửa. Thiết kế vùng trũng này giống như đối với cống hộp.
DG 3.5.2 Cửa vào thuôn RCB cho cống ống
Cửa vào hình chữ nhật được lắp vào cống ống như minh họa trong Hình DG 3.3. Cửa vào thuôn dốc được nối với cống ống thông qua đoạn chuyển tiếp từ vuông sang tròn. Thiết kế của cửa vào thuôn dốc giống với thiết kế cho cống hộp. Có hai tiết diện cổ họng, một hình vuông và một hình tròn, nhưng tiết diện cổ họng hình tròn sẽ kiểm soát lưu lượng vì diện tích của nó nhỏ hơn nhiều so với tiết diện cổ họng hình vuông.
Ngoài các giới hạn kích thước đã nêu trước đó đối với tất cả các loại cửa vào thuôn (phần DG 3.3), các tiêu chí sau được áp dụng cho việc sử dụng cửa vào thuôn bên hình chữ nhật và cửa vào thuôn dốc cho cống ống hình tròn:
- Đoạn chuyển tiếp từ mặt cắt cổ họng vuông sang mặt cắt cổ họng tròn phải có chiều dài ≥ D/2. Nếu sử dụng chiều dài quá lớn, tổn thất ma sát trong đoạn chuyển tiếp của cống phải được xem xét trong thiết kế bằng cách sử dụng phương trình (DG 3.1).
- Kích thước cổ họng vuông phải bằng đường kính của cống ống tròn.
DG 3.5.3 Thiết kế nhiều ống cống
Mỗi ống của cống phải có một cửa vào thuôn bên riêng biệt với thiết kế mặt không hình chữ nhật. Đối với các cửa vào thuôn bên hình chữ nhật có chuyển tiếp từ vuông sang tròn, thiết kế hai ống giống như đối với cống hộp. Tuy nhiên, tường giữa tại vị trí chuyển tiếp phải được mở loe để tạo đủ không gian giữa các ống nhằm đảm bảo đắp bù và lèn chặt đúng kỹ thuật. Mức độ loe cần thiết phụ thuộc vào kích thước của các ống và phương pháp thi công được sử dụng. Không được lấy nước từ nhiều hơn hai ống tròn qua mặt cổ họng của một cửa vào thuôn bên hình chữ nhật.
Cửa vào thuôn dốc hai ống có thể được thiết kế tương tự như thiết kế cửa vào thuôn bên hình chữ nhật. Tương tự, không được lấy nước từ hơn hai ống qua một kết cấu cửa vào đơn lẻ.
DG 3.5.4 Ví dụ thiết kế cống CMP
Thiết kế một cống bằng ống kim loại gợn sóng (CMP) có bước gợn tiêu chuẩn (2-2/3 inch × 1/2 inch) (68 mm × 13 mm) với cửa vào thuôn. Xem xét cả hai loại: cửa vào thuôn bên bằng ống gợn sóng và cửa vào thuôn dốc bằng bê tông. Sử dụng mực nước tự nhiên trong kênh làm mực nước đuôi (tailwater).
Toàn bộ lời giải theo đơn vị truyền thống (CU) được trình bày bên dưới. Một bản tóm tắt kết quả theo hệ SI cũng được cung cấp, dựa trên lời giải đầy đủ của bài toán sử dụng biểu đồ tra theo hệ SI như đã trình bày trong HDS 5, ấn bản thứ hai, Chương IV, Ví dụ số 3. Lưu ý rằng việc chuyển đổi trực tiếp từ lời giải CU sang SI có thể dẫn đến một số sai khác nhỏ.
CHÚ Ý: Các biểu đồ 4B, 6B, 55B, 56B và 59B được sử dụng trong lời giải này, nhưng không được cung cấp kèm theo.
Bước 1. Xác định kích thước ống cống & độ trũng cổ họng (T) – Các dữ liệu sau được sử dụng theo Hướng dẫn Thiết kế 1 và CDF (Mục DG 3.5.5) để chọn kích thước ống cống và độ trũng (T):
| Mô tả | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Lưu lượng thiết kế | Q₅₀ | 150 ft³/s | 4.25 m³/s |
| Độ dốc đáy suối tự nhiên | S₀ | 0.05 ft/ft | 0.05 m/m |
| Chiều dài cống xấp xỉ | Lₐ | 350 ft | 106.680 m |
| Cao độ mép vai đường | ELₛ | 102.0 ft | 31.090 m |
| Cao độ mực nước đầu cho phép | ELₕₐ | 96.0 ft | 29.261 m |
| Cao độ tại mặt cửa vào cống | ELₛ𝒻 | 92.5 ft | 28.194 m |
| Cao độ đáy cống tại cửa ra | EL₀ | 75.0 ft | 22.860 m |
Kênh phía hạ lưu gần giống hình thang có bề rộng đáy 5 ft (1.524 m), mái dốc 2H:1V và hệ số nhám Manning n = 0.03. Các giá trị mực nước đuôi (tailwater) tương ứng như sau:
| Lưu lượng (ft³/s) | TW (ft) | Lưu lượng (m³/s) | TW (m) |
|---|---|---|---|
| 100 | 1.4 | 2.83 | 0.43 |
| 150 | 1.6 | 4.25 | 0.49 |
| 200 | 1.9 | 5.66 | 0.58 |
Bước 2. Chọn phương án Cửa vào thuôn (Tapered Inlet Alternatives)
Cả hai loại cửa vào thuôn bên (side-tapered) và cửa vào thuôn dốc (slope-tapered) sẽ được thiết kế.
Độ trũng cổ họng (T) = 3.0 ft lớn hơn độ trũng tối thiểu D/4 = 4/4 = 1.0 ft.
Bước 3. Xác định Kích thước Cửa vào Thuôn (Side-tapered)
Biểu mẫu TIDF (xem Mục DG 3.5.6) được sử dụng để xác định các thông số sau:
Kích thước cửa vào thuôn bên với ống CMP nhám:
| Mô tả | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Đường kính ống cống | D | 4 ft | 1200 mm |
| Chiều rộng mặt cửa | Bf | 6 ft | 1830 mm |
| Tỉ lệ thuôn bên | taper | 4:1 | 4:1 |
| Độ trũng cổ họng | T | 3 ft | 0.87 m |
| Độ dốc trũng | SD | IV:2H | IV:2H |
| Chiều dài (mặt đến cổ họng) | L1 | 4.0 ft | 1.26 m |
| Chiều rộng mép đỉnh nhỏ nhất | W | 10 ft | 3.10 m |
Bước 3. Xác định Kích thước Cửa vào Thuôn (Slope-tapered)
Biểu mẫu TIDF (xem Mục DG 3.5.7) được sử dụng để xác định các thông số sau:
Kích thước cửa vào thuôn dốc với ống RCB trơn:
| Mô tả | Ký hiệu | Đơn vị CU | Đơn vị SI |
|---|---|---|---|
| Đường kính ống cống | D | 4 ft | 1200 mm |
| Chiều rộng mặt cửa | Bf | 8 ft | 2440 mm |
| Tỉ lệ thuôn dốc | taper | 4:1 | 4:1 |
| Độ trũng cổ họng | T | 2.8 ft | 0.87 m |
| Độ dốc trũng | SD | IV:2H | IV:2H |
| Chiều dài (mặt đến cổ họng) | L1 | 8.0 ft | 2.48 m |
| Chiều dài (cổ họng đến uốn) | L2 | 5.6 ft | 1.74 m |
| Chiều dài (uốn đến mặt) | L3 | 2.4 ft | 0.74 m |
Ghi chú: giá trị “nhám” được sử dụng trong phiên bản SI.
Bước 4. Chọn Cửa vào Thuôn
Cửa vào thuôn bên có mặt nhỏ hơn, nhưng cần phải lát đáy. Cửa vào thuôn dốc thì có phần trũng được thiết kế tích hợp bên trong.
Vì cả hai thiết kế đều có thể đáp ứng lưu lượng yêu cầu với ELₕₐ = 96 ft (29.261 m), nên nên cân nhắc phương án nào ít tốn kém hơn để xây dựng.
Cả hai loại đều có vát mép (bevels) từ 45 đến 90 độ ở cả đỉnh và hai bên.
Đường cong hiệu suất được thể hiện trong hình dưới.
Đường cong hiệu suất cho ống CMP 4 ft với cửa vào thuôn
DG 3.5.5. Lời giải HY-8 cho CMP
Lời giải thủ công được trình bày trong Mục 3.5.4 có thể được lặp lại bằng phiên bản hiện tại của phần mềm HY-8:
- Nhập dữ liệu giao cắt suối như trong Bước 1 và biểu mẫu CDF. Đối với mực nước đuôi, chọn kiểu kênh trap channel.
- Đối với loại cống, chọn cửa vào thuôn bên (Side-Tapered). Đối với mép cửa vào, chọn kiểu vát mép (bevels). Đối với phần trũng cổ họng, chọn “có” và nhập 3 ft, độ dốc 2:1 và chiều rộng đỉnh 10 ft.
- Phân tích giao cắt suối hiển thị bảng tóm tắt cho thấy có tràn một phần nếu mực nước đỉnh là 102 được sử dụng.
- Chọn bảng tóm tắt cống (Culvert Summary Table) cho thấy tại 150 ft³/s, điều kiện điều tiết lưu lượng là ở cửa vào (inlet control): HWi = 6.45 ft và ELhi = 96.12 ft ≈ 96 ft của biểu đồ nomograph cho mép vát.
- Chọn bảng cửa vào cải tiến (Improved Inlet Table) cho thấy điều tiết lưu lượng xảy ra ở cổ họng tại 150 ft³/s và đầu nước điều tiết tại mặt cửa (face control headwater) là 95.28 ≈ 95.2 của biểu đồ nomograph khi đã hiệu chỉnh cao trình mặt cửa.
- Kết quả đối với cửa vào thuôn dốc có thể thu được bằng cách thay đổi loại cống, chiều rộng mặt cửa thành 8 ft, độ dốc 2:1 và trũng cổ họng 2.8 ft (cống trơn). Bảng cửa vào cải tiến cho thấy đầu nước điều tiết cổ họng là ELhi = 95.03 ft đối với cổ họng hình vuông bảo thủ (an toàn) và đầu nước điều tiết tại mặt cửa là 96.03 ≈ 96 của biểu đồ nomograph. Điều tiết xảy ra tại mặt cửa, nhưng gần như khớp với cổ họng tròn của phương án thuôn bên.
- Các kết quả tương tự cũng thu được khi sử dụng đơn vị SI và xác minh bằng HY-8.
