2 Các yếu tố thiết kế thủy lực cầu

2.1 Giới thiệu

Một nhóm thiết kế cầu phải đối mặt với nhiều quyết định thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau. Khi cầu bắc qua sông suối, nhiều quyết định trong số đó thuộc lĩnh vực thủy lực. Các vấn đề thủy lực lý tưởng nên được xem xét ngay từ đầu trong quá trình thiết kế vì chúng sẽ ảnh hưởng đến nhiều quyết định trong suốt giai đoạn thiết kế và thi công. Thiết kế thủy lực cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng của công trình trong suốt vòng đời.
Chương này cung cấp thảo luận tổng quát về các yếu tố thiết kế ảnh hưởng đến thiết kế thủy lực của cầu, nhấn mạnh đến các yếu tố liên quan đến năng lực thủy lực và ổn định móng cầu. Các chương sau của tài liệu sẽ bàn chi tiết từng nội dung này. Ngoài vai trò là các vấn đề kỹ thuật thiết yếu, các yếu tố này còn liên quan đến quy định pháp lý và thủ tục cấp phép. Chương 3 mô tả khung pháp lý của thiết kế thủy lực cầu.

2.2 Các yếu tố năng lực thủy lực

Backwater

Một tuyến đường vượt qua sông hoặc vùng ngập có thể làm tăng mực nước lũ so với điều kiện tự nhiên. Sự gia tăng này, nếu xảy ra, được gọi là backwater, và là một yếu tố quan trọng trong thiết kế thủy lực cầu.
Backwater về cơ bản là sự tích tụ thế năng cần thiết để tăng tốc dòng chảy qua khu vực cầu vốn nhỏ hơn. Thiết kế tuyến vượt sông sao cho gây ra ít hoặc không tạo backwater thường là mục tiêu, và trong nhiều trường hợp, bị giới hạn bởi chính sách hoặc quy định.
Hình 2.1 minh họa backwater. Backwater quá mức làm tăng nguy cơ ngập lụt cho các khu vực lân cận và gây trách nhiệm pháp lý cho chủ đầu tư. Nó cũng làm tăng nguy cơ xói lở tại vị trí cầu. Backwater quá mức còn có thể vi phạm các quy định quản lý vùng ngập lụt của địa phương, tiểu bang hoặc liên bang. Việc xác định sớm các ràng buộc về backwater là rất có lợi.

Chiều rộng thủy đạo dưới cầu (Bridge Waterway Width)

Chiều dài cầu quyết định chiều rộng thủy đạo dưới cầu và là yếu tố chính ảnh hưởng đến năng lực vượt dòng và mức backwater tiềm năng.
Một cách trực quan, với một lưu lượng thiết kế xác định tại vị trí vượt, cầu ngắn hơn sẽ cung cấp năng lực thủy lực thấp hơn và gây ra backwater lớn hơn so với cầu dài hơn. Kỹ sư lý tưởng nên thực hiện ít nhất một phân tích thủy lực sơ bộ ngay từ giai đoạn đầu của dự án để xác định chiều dài cầu tối thiểu cần thiết nhằm tránh gây ra mức backwater không chấp nhận được.

Thiết kế trắc dọc đường (Road Profile Design)

Các tuyến đường vượt qua vùng ngập thường bao gồm việc lấn chiếm vùng ngập do đường đầu cầu. Mức độ lấn chiếm bởi đường đầu cầu là phần chênh lệch giữa chiều rộng vùng ngập và chiều rộng thủy đạo dưới cầu. Dòng chảy không vượt qua đường đầu cầu sẽ bị thu hẹp lại để chảy qua khe hở của cấu trúc cầu và sau đó mở rộng trở lại sau cầu để chiếm lại toàn bộ chiều rộng vùng ngập. Quá trình thu hẹp và mở rộng này thường là nguyên nhân chính gây ra backwater.
Khi đường mặt nước của một trận lũ cao hơn cao độ mặt đường, khả năng dòng tràn vượt đường có thể giới hạn mức backwater cho trận lũ đó. “Theo định nghĩa, đường sẽ không bị coi là “bị ngập” nếu mức nước đó tương ứng với trận lũ thiết kế” [23 CFR § 650.105(d)].
Thiết kế tuyến để tránh tràn vượt có lợi cho an toàn giao thông, duy trì mức độ phục vụ của tuyến đường và ngăn ngừa thiệt hại đường tốn kém. Tuy nhiên, cho phép tràn sẽ làm giảm tiềm năng backwater và có thể cho phép dùng cầu ngắn hơn. Nhóm thiết kế cần cân nhắc đánh đổi giữa các mục tiêu cạnh tranh này khi phát triển thiết kế tổng thể.

(nd: 23 CFR § 650.105(d)

Tham khảo toàn văn của điều luật 23 CFR § 650.105(d) như dưới đây

Design Flood – “the peak discharge, volume if appropriate, stage or wave crest elevation of the flood associated with the probability of exceedance selected for the design of a highway encroachment. By definition, the highway will not be inundated from the stage of the design flood.”

Kết cấu thượng tầng và khoảng cao an toàn (Bridge Superstructure & Freeboard)

Như được nêu trong Chương 3, quy định của FHWA (23 CFR § 650.115) yêu cầu cung cấp freeboard nếu khả thi. Hầu hết các sở giao thông vận tải bang cũng bao gồm yêu cầu freeboard trong các tiêu chuẩn thiết kế của họ.
Trong bối cảnh tiêu chí thiết kế thủy lực cầu của các cơ quan giao thông, freeboard là khoảng cách đứng từ mực nước của trận lũ thiết kế đến mép dưới của kết cấu thượng tầng. Freeboard cho phép các mảnh vụn trôi nổi và băng đi qua, đồng thời cung cấp một mức độ bảo vệ trước sóng. Một lý do khác của freeboard là để dự phòng cho sự không chắc chắn trong phân tích thủy văn và thủy lực (FHWA 2019).
Trong tài liệu năm 2019, mục 8.1.1 cung cấp mô tả chi tiết về ước lượng freeboard từ kết quả mô hình thủy lực 2D. Khu vực có sự sụt giảm nhanh mặt nước tại phía thượng lưu của cầu không phải là vị trí phù hợp để xác định freeboard trong thiết kế thủy lực. Một cách thực hành là đo freeboard từ dầm thấp nhất của cầu đến mực nước tại vị trí cách cầu một khoảng tương đương chiều dài một nhịp cầu về phía thượng lưu. Sử dụng Hình 2.1 làm ví dụ, một nhịp cầu ở phía thượng lưu là một vị trí chấp nhận được để đo freeboard, tuy nhiên các tình huống cụ thể có thể khác nhau.

Một cơ sở kỹ thuật để sử dụng freeboard là điều kiện pressure-flow (dòng lũ ngập đến phần dưới của kết cấu cầu) sẽ làm tăng đáng kể backwater. Hình 2.2 minh họa một điều kiện pressure-flow có thể làm trầm trọng thêm backwater tại cầu.

Trụ và mố cầu

Trụ cầu thường có ảnh hưởng nhỏ hơn đến năng lực vượt dòng và backwater so với chiều dài cầu. Tuy nhiên, khi hướng dòng chảy không song song với trụ, các trụ đó có thể tạo ra cản trở đáng kể cho dòng chảy, làm tăng lực cản và gây ra backwater không mong muốn. Khi có thể, kỹ sư sẽ căn chỉnh trụ theo hướng dòng chảy dự kiến. Đối với trụ bị xiên so với hướng dòng chảy, diện tích cản tăng lên sẽ làm tăng lực cản (và do đó tiềm năng backwater) do trụ gây ra. Chương 4 cung cấp các hệ số cản để phân tích trụ có hình dạng khác nhau. Trụ có đầu vuông góc có hệ số cản lớn nhất. Trụ hình bầu dục với đầu bán nguyệt có hệ số cản thấp hơn. Trụ hình elip dài có hệ số cản thấp hơn cả hai loại trên. Hình dạng, kích thước và hướng trụ so với dòng chảy cũng ảnh hưởng đến xói quanh trụ. Việc sử dụng các trụ hình trụ đơn, lớn giúp tránh được vấn đề về cản và xói liên quan đến xiên hướng trụ, và được xem là thực hành tốt ở nhiều bang.

Ngoài mối quan hệ rõ ràng giữa vị trí mố và chiều dài cầu, cấu hình và hướng của mố cầu cũng ảnh hưởng đến tiềm năng backwater. Mố kiểu spill-through (taluy trước mố) thường gây ra backwater ít hơn mố thẳng đứng. Mố thẳng đứng tạo ra sự chuyển tiếp dòng đột ngột, nhưng kỹ sư có thể giảm bớt ảnh hưởng này bằng cách bố trí tường chắn xiên ở góc mố. Mố cầu được căn chỉnh theo hướng dòng chảy – dù là kiểu thẳng đứng hay kiểu spill-through – sẽ gây ra backwater ít hơn so với mố bị lệch hướng dòng. Hình 2.3 minh họa một trụ và hai mố cầu bị lệch hướng dòng.

2.3 Các yếu tố xói lở và ổn định dòng chảy

Lũ lụt làm xói vật liệu nền từ móng của trụ và mố cầu là nguyên nhân phổ biến nhất gây hư hỏng cầu. Toàn bộ phổ lưu lượng đều có khả năng xói lở bờ kênh, làm lệch hướng dòng chảy và làm đáy kênh nâng lên hoặc hạ xuống (bồi lắng hoặc xói sâu). Khi các quá trình ổn định dòng chảy này không được xem xét trong quá trình thiết kế, chúng có thể gây ra sự cố cầu. Chương 9 thảo luận chi tiết về xói và ổn định dòng chảy, và đây cũng là nội dung của hai tài liệu FHWA: HEC-18 Evaluating Scour at Bridges và HEC-20 Stream Stability at Highway Structures (FHWA 2012b và 2012c). Các loại xói chính được xem xét trong quá trình thiết kế bao gồm: xói do mất ổn định lòng dẫn (dịch chuyển dòng và xói suy thoái dài hạn), xói do thắt hẹp, xói cục bộ tại mố và trụ.

Mất ổn định lòng dẫn (Channel Instability)

Dòng sông là hệ thống tự nhiên và có sự biến đổi nội tại theo cả không gian và thời gian. Mực đáy sông tại một vị trí nhất định có thể dao động theo thời gian để phản ứng với các điều kiện dòng chảy thay đổi. Thalweg (điểm thấp nhất trong đáy kênh) có thể dịch chuyển qua lại giữa hai bờ kênh. Những biến động như vậy vẫn có thể xảy ra ngay cả ở các đoạn kênh ổn định.

Trong bối cảnh thiết kế cầu, mất ổn định lòng dẫn đề cập đến các thay đổi tiềm tàng của lòng kênh có thể đe dọa móng cầu. Kỹ sư cần quan tâm đến mất ổn định theo phương đứng, có thể gây ra hiện tượng hạ thấp đáy kênh lâu dài (suy thoái), và mất ổn định theo phương ngang, có thể dẫn đến sự dịch chuyển nguy hiểm của lòng dẫn theo phương ngang tại vị trí cầu.

Mất ổn định lòng dẫn dẫn đến thay đổi hình dạng kênh, có thể làm lộ móng cầu và tăng nguy cơ xói trong lũ. Những thay đổi lòng dẫn do mất ổn định có thể diễn ra từ từ hoặc theo từng đợt. Chúng được xem là thay đổi dài hạn vì có khả năng làm biến dạng dòng chảy tại vị trí cầu trong suốt vòng đời sử dụng của công trình.

Khi có sự tự do trong việc lựa chọn vị trí vượt sông, một đoạn sông ổn định là ưu tiên hơn so với đoạn sông mất ổn định. Trong một số trường hợp, hướng tuyến được điều chỉnh như một cách thích ứng nhằm cải thiện khả năng chống chịu của công trình vượt sông. Tuy nhiên, lựa chọn vị trí vượt sông thường bị giới hạn. Trong trường hợp đó, kỹ sư thủy lực cầu cố gắng thiết kế công trình vượt sông để thích ứng với các bất ổn rõ ràng trong đoạn sông. Các giải pháp có thể bao gồm:

• Đặt mố cầu lùi xa khỏi mép bờ kênh để tạo khoảng cách với dòng chính.
• Thiết kế móng trụ ở vùng tràn bờ gần dòng chính như thể chúng nằm trong dòng chính, nhằm dự phòng trường hợp dịch chuyển dòng trong tương lai.
• Xem xét góc tấn công trong thiết kế trụ để tính đến sự dịch chuyển dòng hoặc lựa chọn cấu hình trụ không nhạy cảm với hướng dòng chảy.
• Tăng cường ổn định bờ kênh bằng cách lắp đặt các biện pháp bảo vệ bờ, thường phải mở rộng vượt ra ngoài phạm vi hành lang đường bộ, cả ở thượng lưu và hạ lưu.
• Tính đến khả năng suy thoái lòng dẫn có thể xảy ra trong suốt tuổi thọ cầu và đưa các ước lượng này vào đánh giá xói lở cầu và thiết kế móng.

Xói do thắt hẹp (Contraction Scour)

Xói do thắt hẹp xảy ra khi dòng chảy vùng ngập bị ép lại vào phần thủy đạo dưới cầu có chiều rộng bị giới hạn. Việc thu hẹp này dẫn đến tốc độ dòng chảy và ứng suất cắt lớn hơn. Xói do thu hẹp có thể đạt độ sâu cực đại tại hoặc gần lưu lượng đỉnh của trận lũ, sau đó được bồi lấp lại khi nước rút, để lại rất ít hoặc không có dấu hiệu rõ ràng sau lũ rằng xói đã xảy ra. Xói do co hẹp có thể xảy ra trong phần dòng chính của thủy đạo dưới cầu, cũng như ở vùng tràn giữa mố và dòng chính.

Xói do thắt hẹp là không đáng kể nếu không có sự lấn chiếm vào vùng ngập do đường đầu cầu hoặc mố cầu gây ra. Kỹ sư có thể giảm nguy cơ xói do thắt hẹp bằng cách giảm phần lấn chiếm vùng ngập, nhưng cần cân nhắc đánh đổi giữa chi phí cầu dài hơn và đường đầu cầu dài hơn. Việc tăng chiều dài cầu để giảm xói do thắt hẹp cũng có lợi ích bổ sung là tăng khả năng chống chịu với biến đổi lưu vực và điều kiện khí hậu.

Cung cấp freeboard để tránh pressure flow (dòng áp lưc) là một biện pháp thiết kế khác giúp giảm nguy cơ xói do thắt hẹp. Pressure flow tạo ra sự thu hẹp theo phương đứng, làm tăng vận tốc, ứng suất cắt và xói thắt hẹp tại cầu. Pressure flow cũng tạo ra vùng tách dòng bên dưới kết cấu phần trên của cầu, làm gia tăng sự thu hẹp theo phương đứng. Trong hầu hết các trường hợp, xói do pressure flow làm gia tăng xói do thăt hẹp vì nó chặn dòng tràn qua vùng ngập.

Xói tại mố cầu (Abutment Scour)

Xói xảy ra tại mố cầu khi đường đầu cầu ở phía thượng lưu chặn dòng lũ. Dòng chảy qua cầu từ phía thượng lưu gần mố hội tụ đột ngột với dòng lũ bị đổi hướng gần góc thượng lưu của mố. Điều này dẫn đến vận tốc cục bộ cao và xoáy mạnh bên cạnh mố, gây xói cục bộ. Nó cũng tạo ra vùng xoáy lốc ở phía hạ lưu của mố, gây xói tại góc hạ lưu. Mặc dù là hiện tượng xói cục bộ nhưng abutment scour có liên quan chặt chẽ đến contraction scour (xói thắt hẹp) trong lòng dẫn dưới cầu.

Yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến nguy cơ abutment scour là mức độ lấn chiếm vùng ngập của đường đầu cầu. Abutment scour bị ảnh hưởng mạnh bởi khoảng cách từ mố đến bờ dòng chính. Kỹ sư có thể giảm nguy cơ abutment scour bằng cách đặt mố lùi xa khỏi mép dòng chính. Bên cạnh việc bố trí mố cẩn thận để giảm nguy cơ xói, các kỹ sư thiết kế cầu thường phối hợp liên ngành để đánh giá abutment scour và tính đến trong thiết kế móng hoặc trong việc thiết kế các biện pháp bảo vệ móng khỏi loại xói này.

Hình 2.4 là ảnh chụp từ trên không, cho thấy một hố xói mố còn sót lại rất lớn bên cầu vượt cao tốc liên bang. Hố xói trong Hình 2.4 là một trường hợp cực đoan. Đường đầu cầu đã chặn hơn 6.000 feet dòng chảy trên vùng ngập.

Xói tại trụ (Pier Scour)

Trụ cầu chắn dòng chảy, tạo ra gia tốc cục bộ và xoáy nước gây xói tại chân trụ. Nguy cơ pier scour phụ thuộc vào vận tốc và chiều sâu dòng chảy phía thượng lưu trụ, cũng như chiều rộng và hình dạng trụ. Trụ được căn chỉnh theo hướng dòng có nguy cơ xói thấp hơn so với trụ bị lệch, và việc tích tụ rác tại trụ cũng làm tăng nguy cơ xói.

Kỹ sư có thể giảm nguy cơ pier scour bằng cách căn trục trụ theo hướng dòng. Điều quan trọng là người thiết kế cầu cần xem xét xem hướng dòng chảy khi lũ có khác với dòng chảy nhỏ điển hình trong dòng chính hay không. Các kỹ sư cầu hiện nay thiết kế trụ mới để chịu được tổng lượng xói ước tính mà không cần áp dụng biện pháp chống xói. Cách tiếp cận này thường yêu cầu sử dụng móng sâu, như cọc đóng hoặc khoan nhồi.

2.4 Các yếu tố cần lưu ý khi vượt qua vùng ngập được lập bản đồ theo Chương trình Bảo hiểm Lũ lụt Quốc gia

Chương 3 bao gồm phần giải thích về cơ sở quy định của Chương trình Bảo hiểm Lũ lụt Quốc gia (NFIP) do Cơ quan Quản lý Khẩn cấp Liên bang (FEMA) quản lý. Các dự án thiết kế cầu bắc qua hoặc lấn vào vùng ngập được quy định theo NFIP hoặc quy định địa phương có thể phải xin giấy phép phát triển vùng ngập do quản lý vùng ngập có thẩm quyền cấp. Các cộng đồng tham gia NFIP thiết lập các quy định sử dụng đất nhằm thực thi các quy định của NFIP. FEMA công bố các hướng dẫn nêu các phương pháp tiêu chuẩn của FEMA trong việc xây dựng, duy trì và cập nhật bản đồ vùng ngập và hành lang thoát lũ. Các hành động và quyết định của quản lý vùng ngập chịu sự kiểm tra của FEMA để đảm bảo tuân thủ NFIP. Quản lý vùng ngập phải lập hồ sơ và giải trình bất kỳ khác biệt nào so với các tiêu chuẩn của FEMA. Một cuộc kiểm tra không đạt có thể khiến FEMA áp dụng biện pháp xử lý đối với cộng đồng tham gia.

Các quản lý vùng ngập thường yêu cầu các kỹ sư thiết kế các dự án có lấn chiếm vào vùng ngập được lập bản đồ của FEMA hoặc hành lang thoát lũ theo quy định địa phương phải đánh giá tác động tiềm tàng của dự án đến Mực nước lũ cơ sở (BFE). Quản lý vùng ngập có thể không cho phép lấn chiếm vào hành lang thoát lũ trừ khi dự án được đánh giá bằng các phương pháp kỹ thuật tiêu chuẩn chứng minh rằng dự án không làm tăng mực nước lũ so với điều kiện hiện tại theo bất kỳ phương pháp đánh giá nào (mô hình 2D hoặc mô hình mặt cắt 1D). Kỹ sư thủy lực cầu sẽ lập hồ sơ ghi nhận kết quả đó kèm theo giấy chứng nhận không làm tăng mực nước (no-rise certification). FEMA Guidance Document 79 trình bày các quy trình cấp giấy chứng nhận không làm tăng điển hình.

Nếu dự án gây ra gia tăng rủi ro lũ đối với công trình có bảo hiểm, thì thiết kế cần được điều chỉnh để giảm thiểu mức gia tăng này. Quản lý vùng ngập thông thường không có thẩm quyền phê duyệt một dự án gây ra ảnh hưởng chưa được xử lý đối với công trình có bảo hiểm hiện hữu. Nếu tác động của dự án làm tăng BFE nhưng không ảnh hưởng đến công trình có bảo hiểm nào, quản lý vùng ngập có thể yêu cầu các tác động được định lượng trước khi thi công và vùng ngập/hành lang thoát lũ được lập bản đồ lại như một điều kiện để cấp phép phát triển vùng ngập. Quá trình này gồm hai bước:

1. Trước khi thi công, nhóm thiết kế nộp yêu cầu phát hành Thư điều kiện điều chỉnh bản đồ lũ (CLOMR) để định lượng tác động tiềm năng của dự án nếu xây dựng theo thiết kế. Không được phép thi công cho đến khi CLOMR được FEMA phê duyệt.
2. Khi thi công hoàn tất, một Thư điều chỉnh bản đồ lũ (LOMR) được nộp để ghi nhận các thay đổi thực tế đối với vùng ngập và hành lang thoát lũ theo quy định. Khi được phê duyệt, LOMR sẽ cập nhật chính thức bản đồ.

Quy trình CLOMR/LOMR thường bao gồm nhiều mô hình hóa hơn, tương tác với các bên liên quan, thông báo công chúng và phối hợp thiết kế phức tạp hơn so với chứng nhận no-rise. FEMA Guidance Document 106 mô tả quy trình CLOMR/LOMR điển hình.

Quản lý vùng ngập cũng có thể yêu cầu nộp LOMR như một điều kiện đi kèm với giấy phép phát triển vùng ngập, ngay cả khi CLOMR không được yêu cầu. Mỗi khi LOMR được nộp, FEMA yêu cầu khảo sát hiện trạng hoàn công (as-built survey) để xác minh việc thi công dự án và cập nhật thông tin cho mô hình thủy lực, đồng thời lập bản đồ chính xác tác động thực tế của dự án đến vùng ngập. FEMA Guidance Document 47 mô tả các tiêu chuẩn tối thiểu trong lập bản đồ.

Nếu một dự án thiết kế cầu yêu cầu CLOMR/LOMR, chu trình xem xét trước thi công có thể kéo dài hơn, và việc hoàn tất giấy phép phát triển vùng ngập sau khi thi công sẽ phức tạp hơn so với quy trình chứng nhận no-rise. Nhiều bang chủ yếu thiết kế cầu theo quy trình chứng nhận no-rise để đơn giản hóa thủ tục cấp phép vùng ngập. Tuy nhiên, một cây cầu yêu cầu nộp CLOMR và LOMR có thể ít tốn kém hơn đáng kể để thi công hoặc có những tính năng thiết kế rất ưu việt so với một cây cầu không yêu cầu điều chỉnh bản đồ. Nhóm thiết kế lý tưởng nên cân nhắc giữa một dự án tốn kém hơn nhưng có thủ tục cấp phép đơn giản hơn và ít ảnh hưởng đến tiến độ, với một dự án tiềm năng tiết kiệm chi phí hoặc mang lại lợi ích cao hơn nhưng có quy trình cấp phép vùng ngập dài hơn và phức tạp hơn.

2.5 Rủi ro và khả năng chống chịu (Risk & Resilience)

Tài liệu HEC-17 của FHWA Highways in the River Environment – Floodplains, Extreme Events, Risk and Resilience (FHWA 2016) định nghĩa rủi ro là tích của xác suất xảy ra sự kiện không mong muốn và hậu quả của sự kiện đó. Tài liệu HEC-17 cũng bàn về khả năng chống chịu (resilience), được định nghĩa trong luật như là:
“… khả năng dự đoán, chuẩn bị, thích ứng với điều kiện hoặc chịu đựng, ứng phó, hoặc phục hồi nhanh chóng sau gián đoạn…” [23 U.S.C. §101(a)(24)].

Nhóm thiết kế cầu có thể tăng khả năng chống chịu của mạng lưới giao thông bằng cách thiết kế vị trí vượt để giảm thiểu thiệt hại do ngập hoặc do biến động lưu vực, đồng thời ngăn ngừa tình trạng gián đoạn giao thông do ngập bằng cách giảm thời lượng và tần suất đóng cầu do lũ.

Sự kiện lũ thiết kế (Design Flood Events)

Các cơ quan kỹ thuật giao thông ở Hoa Kỳ từ lâu đã sử dụng tiêu chuẩn và tiêu chí thiết kế dựa trên tần suất lũ. Khi làm như vậy, họ đã lồng ghép khái niệm rủi ro vào thiết kế thủy lực cầu. Tần suất lũ định nghĩa xác suất xảy ra sự kiện không mong muốn (vượt quá tiêu chí). Các tiêu chuẩn thiết kế tham chiếu tần suất lũ thiết kế dưới dạng chu kỳ lặp lại (ví dụ: lũ 50 năm) hoặc xác suất vượt quá hàng năm 2% (AEP).

Thông thường, các tiêu chuẩn thiết kế thay đổi tùy theo tầm quan trọng của công trình, được phân loại theo loại tuyến đường hoặc lưu lượng giao thông và có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các hạ tầng quan trọng khác. Tầm quan trọng của công trình phản ánh mức độ nghiêm trọng của hậu quả nếu xảy ra một trận lũ vượt tiêu chí thiết kế. Lưu lượng giao thông lớn đồng nghĩa với việc có nhiều người tham gia giao thông tiếp xúc với nguy cơ mất an toàn, ảnh hưởng lớn hơn đến lưu thông khi đường bị phong tỏa, và khả năng công trình có quy mô lớn hơn và chi phí sửa chữa hoặc thay thế cao hơn.

Khi thảo luận về tần suất lũ thiết kế cho cầu, cần lưu ý rằng lũ thiết kế để kiểm tra xói (scour design flood) thường nghiêm trọng hơn so với lũ thiết kế thủy lực, như được giải thích trong HEC-18 (FHWA 2012b). Sự khác biệt này là hợp lý vì hậu quả tiềm ẩn nghiêm trọng nếu móng cầu bị mất ổn định khi vượt quá lũ thiết kế để kiểm tra xói. Cầu thường được thiết kế để chịu mức xói cao hơn mức lũ thiết kế thủy lực vì nếu vượt lũ thủy lực thì xói nhiều hơn có thể xảy ra, dẫn đến hư hỏng cầu thay vì chỉ mất chức năng tạm thời do nước tràn. Ngoài ra, việc thiết kế để chịu mức xói cao hơn cũng đảm bảo một mức độ dự phòng khi xảy ra lũ thiết kế thủy lực.

Hiệu suất vận hành của công trình

Để xem xét đúng rủi ro và thúc đẩy một thiết kế có khả năng chống chịu, nhóm thiết kế có thể cân nhắc đến hiệu suất vận hành của tuyến vượt trong suốt vòng đời dự kiến. Một cây cầu hiện đại điển hình ở Hoa Kỳ có tuổi thọ thiết kế kéo dài hàng thập kỷ. Phiên bản thứ 9 của AASHTO’s LRFD Bridge Design Specifications (AASHTO 2020) yêu cầu tuổi thọ thiết kế tối thiểu là 75 năm. Có thể kỳ vọng hợp lý rằng trong suốt thời gian phục vụ đó, ít nhất một và có thể nhiều lần xảy ra lũ vượt quá mức thiết kế. Bảng 2.1 từ HEC-17 trình bày xác suất xảy ra các sự kiện cực đoan trong các khoảng thời gian phục vụ khác nhau.

Bảng 2.1. Xác suất xảy ra sự kiện cực đoan tương ứng với các khoảng thời gian phục vụ, từ HEC-17.

Tuổi thọ (năm)	Lũ 10 năm (AEP 10%)	Lũ 25 năm (AEP 4%)	Lũ 50 năm (AEP 2%)	Lũ 100 năm (AEP 1%)	Lũ 500 năm (AEP 0.2%)
1	0.10	0.04	0.02	0.01	0.002
10	0.65	0.34	0.18	0.10	0.02
25	0.93	0.64	0.40	0.22	0.05
50	0.99	0.87	0.64	0.39	0.10
75	1.00	0.95	0.78	0.53	0.14
100	1.00	0.98	0.87	0.63	0.18

Xét một cây cầu có tuổi thọ thiết kế 75 năm và thiết kế thủy lực dựa trên trận lũ 50 năm (AEP = 2%). Bảng 2.1 cho thấy cầu đó có 78% xác suất sẽ bị vượt quá mực lũ thiết kế ít nhất một lần trong suốt thời gian phục vụ. Ví dụ này cho thấy rằng cầu có khả năng sẽ trải qua một hoặc nhiều trận lũ vượt quá thiết kế thủy lực trong suốt vòng đời. Việc vượt quá mực lũ thiết kế thủy lực không nhất thiết đồng nghĩa với việc cầu bị hư hỏng hoặc mất chức năng. Ngay cả khi vượt qua mực lũ thiết kế để kiểm tra xói, cũng không nhất thiết cầu bị hỏng. Kỹ sư thủy lực đóng góp vào một thiết kế có khả năng chống chịu bằng cách xem xét liệu tuyến vượt sông có thể chịu được các sự kiện vượt mức thiết kế hay không.

Nonstationarity-Phi tĩnh: Biến đổi điều kiện trong vòng đời khai thác

Nguy cơ ngập có thể thay đổi trong vòng đời khai thác. Trong ngữ cảnh này, Nonstationarity-Phi tĩnh đề cập đến sự thay đổi trong sử dụng đất của lưu vực hoặc khí hậu. Đô thị hóa – khi các bề mặt thấm nước bị thay thế bởi mặt đường và mái nhà – là một ví dụ của nonstationarity. Biến đổi khí hậu làm tăng lượng mưa hàng năm hoặc tần suất các trận mưa lớn cũng là một ví dụ khác. Một ví dụ nữa là thay đổi đột ngột nguy cơ lũ do loại bỏ đập ở thượng lưu. Tài liệu HEC-17 cung cấp thông tin và kỹ thuật để phát hiện hiện tượng nonstationarity và điều chỉnh nó trong phân tích thủy văn.

Điều kiện rủi ro tại vị trí vượt cầu có thể thay đổi vì các lý do khác ngoài thủy văn. Thay đổi lâu dài của lòng dẫn có thể làm đáy kênh nâng hoặc hạ thấp, gây giảm năng lực thủy lực hoặc tăng nguy cơ xói. Rác có thể tích tụ ở trụ hoặc giữa các trụ nếu công tác bảo trì không đủ. Thiết kế cầu thích ứng với sự dịch chuyển lòng dẫn có thể giải quyết loại biến đổi này. Các dự án không liên quan trong tương lai có thể làm thay đổi điều kiện thủy lực ở hạ lưu, ví dụ như xây đập mới làm tăng đường mặt nước hoặc loại bỏ công trình kiểm soát đáy làm bắt đầu xói suy thoái tại cầu.

Chủ đầu tư có thể sau này quyết định nâng cấp phân loại chức năng của tuyến đường đi qua cầu. Việc này làm tăng hậu quả khi vượt lũ thiết kế, và do đó làm tăng rủi ro ngay cả khi xác suất vượt vẫn không đổi.

Việc tiên đoán và thiết kế cho mọi khả năng không ổn định và thay đổi điều kiện là điều không thực tế. Tuy nhiên, dành một ít thời gian và công sức để nhận diện các khả năng thay đổi hợp lý trong tương lai là một thực hành tốt và có căn cứ vững chắc.

Chiến lược tăng khả năng chống chịu (Strategies for Resilience)

Thiết kế có khả năng chống chịu có thể phục hồi, thích nghi hoặc chịu được các sự kiện lũ (FHWA 2016). Ví dụ về hiệu suất vận hành có khả năng chống chịu trong suốt vòng đời của tuyến vượt bao gồm, nhưng không giới hạn ở:

• Chịu được dòng chảy thiết kế thủy lực mà không xảy ra pressure flow hoặc nước tràn qua đường.
• Hạn chế backwater có thể gây hại cho tài sản thượng lưu trong trận lũ có xác suất 1% hàng năm (lũ 100 năm). Trong một số trường hợp, điều này đòi hỏi phải giảm backwater hiện hữu so với điều kiện hiện tại.
• Tránh việc phân phối lại dòng chảy so với điều kiện tự nhiên gây ảnh hưởng đến tài sản ở hạ lưu.
• Chịu được lũ vượt quá mực lũ thiết kế để kiểm tra xói mà không dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng của cầu.
• Chống chịu được sóng và triều lớn do bão.
• Khôi phục hoàn toàn khả năng lưu thông ngay sau khi lũ đi qua và nước tràn rút.
• Thích nghi với thay đổi dòng chảy tự nhiên trong lòng dẫn tại vị trí cầu mà không ảnh hưởng đến nền móng.

Một thực hành hiện hành trong thiết kế xói cầu là ví dụ điển hình của chiến lược tăng khả năng chống chịu. Kỹ sư thường xem xét cả lũ thiết kế kiểm tra xói và lũ kiểm tra giới hạn (scour check flood). Cầu được thiết kế đúng cách sẽ chịu được lũ thiết kế kiểm tra xói trong điều kiện sử dụng bình thường (vẫn khai thác được), và chịu được lũ kiểm tra xói ở mức giới hạn (không khai thác nhưng kết cấu vẫn nguyên vẹn). Thực hành này là một chỉ số tốt về khả năng chống chịu của móng cầu.

Phân tích hiệu suất thủy lực của tuyến vượt sống cho các trận lũ vượt quá lũ thiết kế cũng là một biện pháp giúp tăng khả năng chống chịu. Ví dụ, nếu cầu được thiết kế cho lũ có AEP 2% thì kỹ sư cũng phân tích cho lũ AEP 1%. Kỹ sư chịu trách nhiệm đảm bảo rằng tuyến vượt sông không gây thiệt hại đến các tài sản lân cận và vẫn hoạt động an toàn khi xảy ra trận lũ nghiêm trọng.

Thiết kế cầu có freeboard là ví dụ khác của chiến lược chống chịu, vì nó cho phép nước lũ lớn hơn lũ thiết kế đi qua, đồng thời chứa được rác nổi. Theo quy định tại 23 CFR § 650.115(a)(3):
“Freeboard nên được cung cấp, nếu khả thi, để bảo vệ kết cấu cầu khỏi rác trôi và hư hại liên quan đến xói.”

Thiếu freeboard, rác có thể tích tụ trên mặt cầu và làm giảm khả năng thoát lũ. Việc tăng chiều cao freeboard vượt tiêu chuẩn được cho là hợp lý nếu có thể xảy ra hiện tượng không ổn định theo thời gian (nonstationarity). Một ví dụ khác để tăng khả năng chống chịu là bảo vệ đường đầu cầu và mặt đường khỏi hư hại do xói ở đoạn thấp nhất, nơi khả năng tràn lớn nhất có thể xảy ra.

Hỗ trợ duy trì trang:

Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.

Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.

Qua USD (Buy Me a Coffee)

BIDV • STK: 3101226659 • HOANG HAI HA