5 Các yếu tố phân tích thủy lực cầu

5.1 Giới thiệu

Chương 4 trình bày các nguyên lý về các khái niệm cơ bản cho hầu hết các mô hình thủy lực được sử dụng trong dòng chảy kênh hở và phân tích thủy lực cầu. Các phép tính thường phức tạp và có thể đòi hỏi các kỹ thuật nghiệm lặp do sự tương tác giữa các biến số. Do đó, các chương trình máy tính là công cụ chính cho các kỹ sư thủy lực. Khi công nghệ máy tính phát triển, thì mô hình thủy lực số cũng vậy.

Trong nhiều thập kỷ, phương pháp phân tích chính cho thủy lực cầu là mô hình 1D. Tuy nhiên, mô hình thủy lực 2D đang trở thành phương pháp ưa thích trong một phổ rộng các loại nghiên cứu thủy lực, và ngày càng nhiều mô hình 3D được áp dụng để phân tích các điều kiện dòng chảy phức tạp. Chương 6 và 7 cung cấp thông tin về việc sử dụng mô hình 1D và 2D trong phân tích thủy lực cầu. Tài liệu Two-Dimensional Hydraulic Modeling for Highways in the River Environment (FHWA 2019) cung cấp thông tin chi tiết hơn về sử dụng mô hình 2D.

Chương này cung cấp thông tin về lựa chọn phương pháp thích hợp nhất, dù là mô hình số 1D, 2D, 3D hay mô hình vật lý, dòng chảy steady hoặc unsteady. Chương này cũng cung cấp một cái nhìn tổng quan về việc phát triển dữ liệu đầu vào và các cân nhắc khác chung cho mọi vấn đề thủy lực cầu, bất kể phương pháp sử dụng.

5.2 Phương pháp phân tích thủy lực

5.2.1 Lựa chọn mô hình

Dù là mô hình số hay mô hình vật lý, bất kỳ mô hình thủy lực nào cũng có giả định, giới hạn, dữ liệu và các yếu tố đầu vào khác. Kỹ sư cần nhận thức và hiểu các giả định này vì chúng tạo thành các giới hạn của phương pháp. Mục tiêu của bất kỳ nghiên cứu mô hình thủy lực nào là mô tả chính xác điều kiện dòng chảy thực tế. Vi phạm các giả định và bỏ qua giới hạn thường dẫn đến mô phỏng sai điều kiện thủy lực thực tế. Kết quả không chính xác và phi thực tế có thể bị bỏ sót nếu người dùng coi mô hình như một “hộp đen”, không hiểu mô hình đã tạo ra kết quả như thế nào. Đây không phải là cách làm được khuyến khích, đặc biệt trong bối cảnh cầu với chi phí cao và nguy cơ hư hỏng. Do đó, phương pháp nên được lựa chọn dựa trên các lợi ích và giới hạn của nó, cân nhắc tầm quan trọng của công trình, tác động tiềm tàng đến dự án, chi phí và tiến độ.

5.2.2 Mô hình một chiều

Mô hình một chiều rất hữu ích cho việc phân tích các tình huống thủy lực tương đối đơn giản mà không vi phạm các giả định nội tại của mô hình. Như đã trình bày trong Chương 4, mô hình 1D chủ yếu sử dụng phương trình liên tục và giải phương trình năng lượng bằng phương pháp bước chuẩn. Mô hình một chiều biểu diễn các kênh và vùng ngập bằng các mặt cắt mô tả hình học và đặc tả các đặc trưng thủy lực như độ nhám tại các vị trí riêng biệt trong đoạn sông quan tâm. Hình học và các đặc trưng được giả định là liên tục giữa các mặt cắt. Dữ liệu đầu vào và kết quả tính toán đều liên quan đến các mặt cắt do người dùng xác định.

Mô hình một chiều “nhìn thế giới” chủ yếu theo góc độ khả năng tải nước (conveyance). Một mô hình 1D tính toán kết quả dựa trên khả năng tải tại từng mặt cắt. Mô hình giả định rằng các phần của mặt cắt có diện tích lớn hơn hoặc sức cản dòng nhỏ hơn có thể tải nhiều lưu lượng hơn, trừ khi kỹ sư chỉ định khác đi, ví dụ như vùng dòng chảy không hiệu dụng (ineffective flow areas), vật cản bị chặn, hoặc các đặc điểm như đường đắp, cầu và cống. Hình 5.1 minh họa sơ đồ mặt bằng của bố trí mặt cắt điển hình trong mô hình 1D và một mặt cắt đại diện.

Chú thích biểu tượng

• Đường trung tâm kênh (channel centerline)
• Mặt cắt (cross section)
• Vật cản bị chặn (blocked obstruction)
• Đỉnh tràn (overtopping crest)

Mô hình một chiều cung cấp một phương pháp quen thuộc và tính toán hiệu quả cho các phân tích thủy lực giao thông đơn giản liên quan đến dòng chảy kênh đơn, vùng ngập đơn giản và các khẩu độ cầu hoặc cống đơn. Nói chung, khi chuyển động dòng chảy theo phương ngang là nhỏ, mô hình 1D cho kết quả hợp lý. Tuy nhiên, vì mô hình 1D là cách tiếp cận đơn giản, nó cũng có những giới hạn nội tại và bao gồm nhiều giả định do kỹ sư đặt ra. Các giả định của kỹ sư và giới hạn của mô hình 1D bao gồm, nhưng không giới hạn ở, các yếu tố được liệt kê trong Bảng 5.1. Do những giả định và giới hạn này, mô hình 1D có thể cho ra kết quả sai lệch nghiêm trọng khi mức độ phức tạp thủy lực tăng cao.

Bảng 5.1. So sánh các tiếp cận mô hình 1D và 2D

Biến thủy lực	Mô hình 1D	Mô hình 2D
Hướng dòng chảy	Giả định bởi người dùng	Tính toán
Đường dòng chảy	Giả định bởi người dùng	Tính toán
Độ nhám kênh	Giả định không đổi giữa các mặt cắt	Giá trị độ nhám tại các phần tử riêng lẻ được dùng trong tính toán
Vùng dòng chảy không hiệu quả	Chỉ định bởi người dùng	Tính toán
Thu hẹp và mở rộng dòng qua cầu	Chỉ định bởi người dùng	Tính toán
Vận tốc dòng chảy	Lấy trung bình trong kênh chính tại mỗi mặt cắt	Tính toán tại từng phần tử
Phân bố dòng chảy	Xấp xỉ dựa trên khả năng tải (conveyance)	Tính toán dựa trên phương trình liên tục và động lượng
Mực nước	Giả định không đổi trên toàn mặt cắt	Tính toán tại từng phần tử
Độ dốc năng lượng	Một giá trị duy nhất cho toàn bộ mặt cắt	Biến đổi trên toàn miền mô hình 2D
Cao trình đường năng lượng (EGL)	Giả định là trung bình có trọng số theo lưu lượng trên toàn mặt cắt	Không được tính trực tiếp, nhưng biến đổi trên toàn miền mô hình 2D

5.2.3 Mô hình hai chiều

Mô hình hai chiều thể hiện một bước tiến đáng kể so với mô hình một chiều. Chúng cung cấp thêm hiểu biết trong khi có ít các giới hạn nội tại hơn, ít giả định hơn đáng kể, và ít cần sự định hướng từ kỹ sư hơn. Mô hình hai chiều tính toán kết quả thủy lực tại tất cả các nút hoặc ô đang hoạt động trong một lưới phủ toàn bộ phạm vi địa lý của sông và vùng ngập. Xem ví dụ ở Hình 5.2.

Hầu hết các mô hình 2D được sử dụng trong kỹ thuật thủy lực là mô hình vận tốc trung bình theo chiều sâu. Mô hình vận tốc trung bình theo chiều sâu bỏ qua sự biến thiên theo phương đứng của vận tốc, tính toán một véc-tơ vận tốc duy nhất trong mặt phẳng ngang tại bất kỳ điểm nào trong mô hình và coi như véc-tơ đó áp dụng cho toàn bộ cột nước. Mô hình hai chiều cũng bỏ qua các thành phần vận tốc đứng và gia tốc đứng. Những đơn giản hóa này làm giảm đáng kể độ phức tạp số học của bài toán, tạo ra các phép tính dễ quản lý hơn. Các mô hình 2D được sử dụng rộng rãi đều sử dụng một dạng biến thể nào đó của phương trình nước nông (SWE) đã được trình bày ở Chương 4 để giải các biến tại mỗi điểm tính toán trong hình học của mô hình.

5.2.4 Mô hình ba chiều

Mô hình một chiều và hai chiều là đủ cho nhu cầu của nhiều dự án thiết kế cầu. Tuy nhiên, một số bài toán thủy lực vượt quá khả năng của mô hình 2D và đòi hỏi các kỹ thuật mô hình thủy lực nâng cao hơn như mô hình 3D hoặc mô hình vật lý, không bao gồm các đơn giản hóa có trong mô hình 1D và 2D. Nếu điều kiện thủy lực bao gồm gia tốc theo phương đứng hoặc thành phần vận tốc theo phương đứng quan trọng đối với phân tích, thì mô hình 3D là một công cụ hữu ích.

Mô hình ba chiều không sử dụng vận tốc trung bình theo chiều sâu và có thể mô phỏng dòng chảy theo hướng z cũng như tính toán gradient vận tốc theo phương đứng. Không giống như mô hình 1D và 2D, chúng không giả định phân bố áp suất thủy tĩnh. Dù yêu cầu nhiều nỗ lực mô hình hóa và tài nguyên tính toán hơn, mô hình 3D thể hiện rõ hơn các chi tiết về kiểu dòng chảy tại các cấu kiện cầu. Với sự phát triển của máy tính hiệu năng cao và các thuật toán mô hình hóa, còn được gọi là động lực học chất lỏng tính toán (CFD), mô hình 3D đang trở nên khả thi hơn cho các ứng dụng kỹ thuật thủy lực. Mô hình 3D phù hợp cho các khu vực nghiên cứu cục bộ và không lý tưởng để phân tích toàn bộ khu vực sông và vùng ngập do yêu cầu dữ liệu đầu vào lớn. Các nhà nghiên cứu thủy lực cầu thường sử dụng CFD cho các nghiên cứu liên quan đến xói lở, lực thủy lực tác động lên kết cấu phía trên, và các chủ đề khác.

5.2.5 Mô hình vật lý

Mô hình thủy lực vật lý là hình thức lâu đời nhất của mô hình thủy lực và vẫn là một công cụ có giá trị trong cơ học chất lỏng. Các mô hình quy mô phòng thí nghiệm cung cấp dữ liệu thực nghiệm trực tiếp cho các trường dòng phức tạp, tương tác giữa cấu trúc và dòng chảy, cũng như các quá trình xói lở. Hình 5.3 minh họa một ví dụ về mô hình vật lý của mặt cầu và trụ cầu được sử dụng để đánh giá thủy lực liên quan đến dòng chảy áp lực. Giống như mô hình CFD, các mô hình vật lý cung cấp cái nhìn sâu về phân bố vận tốc theo phương đứng và, với các yếu tố tỷ lệ lớn hơn, cho phép hiểu định lượng về mô hình dòng chảy phức tạp cần thiết cho thiết kế hoặc phân tích điều tra nguyên nhân sự cố.

Các giáo trình về cơ học chất lỏng (chẳng hạn như Munson và cộng sự, 2010) cung cấp các thảo luận chuyên sâu về phân tích thứ nguyên và tương tự hình học cho các mô hình quy mô phòng thí nghiệm. Tính tương đồng hình học là yếu tố chính, mặc dù một số điều kiện được đánh giá với tỷ lệ chiều đứng và ngang bị biến dạng. Tỷ lệ Froude (tỷ lệ giữa lực quán tính và lực trọng lực) tái hiện các lực thủy lực chính trong điều kiện dòng chảy mặt tự do. Khi sử dụng tỷ lệ Froude, các tỷ lệ lực khác như số Reynolds không được bảo toàn. Do đó, mô hình vật lý không đại diện đầy đủ cho các điều kiện thực tế. Các mô hình tỷ lệ có thể là loại đáy cố định hoặc đáy di động. Mô hình đáy di động với các trụ cầu riêng lẻ hoặc các phần tử cấu trúc khác được sử dụng để đánh giá xói cục bộ (TAC 2004). Đối với mô hình đáy di động, việc mô phỏng đặc tính trầm tích là cần thiết, dù khó khăn. ASCE (2008) cung cấp thảo luận về tỷ lệ vận chuyển trầm tích trong mô hình vật lý.

Mô hình vật lý có thể đòi hỏi nhiều nhân công và yêu cầu cơ sở vật chất, thiết bị chuyên dụng như máng thử nghiệm, nguồn cấp nước và trầm tích, nhân lực và các công cụ máy móc để xây dựng một đại diện vật lý của khu vực quan tâm. Giống như mô hình số, mô hình vật lý cũng yêu cầu đào tạo chuyên sâu để xây dựng một thiết kế thí nghiệm phù hợp nhằm thu thập dữ liệu cần thiết để định lượng kết quả thực nghiệm. Một cách tiếp cận phân tích phổ biến là mở rộng kết quả nghiên cứu từ mô hình vật lý bằng các phân tích mô hình số 2D và 3D đã được hiệu chỉnh.

5.3 Ứng dụng mô hình thủy lực cầu hai chiều

Không mô hình số hay mô hình vật lý nào có thể đại diện chính xác cho toàn bộ độ phức tạp của điều kiện dòng chảy thực tế. Điều này đặc biệt đúng khi đường giao cắt với dòng nước tự nhiên có địa hình kênh và đồng lũ thay đổi, các kiểu sử dụng đất và thảm thực vật khác nhau. Các giả định cần thiết trong mô hình 1D thường bị vi phạm nhiều hơn mức thường được nhận ra. Trong nhiều trường hợp, các kỹ sư có kinh nghiệm có thể bù đắp cho một số hạn chế của mô hình 1D.

Vì mô hình 2D tránh được nhiều giả định và đơn giản hóa vốn tồn tại trong mô hình 1D, nên chúng đại diện tốt hơn cho vật lý dòng chảy và mang lại kết quả thủy lực thực tế hơn, đặc biệt tại các điểm lấn chiếm đường giao thông. Do đó, FHWA khuyến nghị mạnh mẽ sử dụng mô hình 2D thay cho mô hình 1D cho các vùng nước phức tạp và phân tích thủy lực cầu phức tạp. Mô hình hai chiều cung cấp đại diện chính xác hơn cho:

• Phân bố dòng chảy
• Phân bố vận tốc
• Mực nước
• Backwater
• Độ lớn vận tốc
• Hướng vận tốc
• Độ sâu dòng chảy
• Ứng suất cắt

Các biến và đặc tính thủy lực này là thông tin thiết yếu cho thiết kế cầu mới, đánh giá cầu hiện hữu về khả năng xói lở và thiết kế biện pháp khắc phục. Cơ quan Quản lý Khẩn cấp Liên bang (FEMA) cũng dựa vào mô hình thủy lực số để đánh giá nguy cơ lũ trong các sự kiện cực đoan. FEMA và Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia (NOAA) đã ủy quyền cho Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia (NRC) nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của bản đồ lũ và xác định cách cải thiện việc lập bản đồ lũ (NRC 2009). Trong các phát hiện của mình, NRC đã khuyến nghị tăng cường sử dụng mô hình 2D (NRC 2009).

Mô hình hai chiều là cần thiết để phân tích đủ chính xác thủy lực khi dòng chảy phức tạp và vi phạm các giả định trong mô hình 1D. Nếu kỹ sư gặp khó khăn khi hình dung mẫu dòng chảy và việc thiết lập mô hình 1D không thể thể hiện hợp lý dòng chảy, thì đó là dấu hiệu cho thấy cần dùng mô hình 2D. Một nghiên cứu đã phát triển các tiêu chí để chọn mô hình 1D hay 2D là Criteria for Selecting Hydraulic Models (NCHRP 2006). Phần tiếp theo sẽ tóm tắt các khuyến nghị từ nghiên cứu này.

Mô hình hai chiều yêu cầu ít sự phán đoán từ người dùng hơn và trực quan hơn trong quá trình phát triển. Chúng cũng cung cấp kết quả chính xác hơn và đầu ra đồ họa rõ ràng hơn so với mô hình 1D. Nhờ vào sự tiến bộ trong năng lực tính toán, cải tiến giao diện phần mềm, dữ liệu chất lượng cao và tài nguyên đào tạo, các rào cản trước đây khi sử dụng mô hình 2D đã giảm đáng kể. Trong nhiều ứng dụng dự án, các kỹ sư có kinh nghiệm hiện có thể xây dựng mô hình 2D nhanh hơn cả mô hình 1D.

Có rất nhiều điều kiện yêu cầu sử dụng mô hình 2D thay vì 1D khi lựa chọn loại mô hình thủy lực dùng cho các vấn đề thủy lực liên quan đến cầu hoặc giao thông. Bảng 5.2 cung cấp các khuyến nghị lựa chọn mô hình thủy lực cho một loạt các điều kiện đại diện điển hình trong phân tích thủy lực giao thông. Bảng này không bao gồm mô hình 3D hoặc mô hình vật lý vì các phương pháp đó chủ yếu được dùng để mô phỏng các yếu tố cục bộ của cầu và hiếm khi được áp dụng để phân tích toàn bộ vùng ngập lũ hoặc lòng sông gần cầu.

5.3.1 Nhiều khẩu độ (Multiple Openings)

Việc có nhiều khẩu độ dọc theo nền đường đắp là điều phổ biến ở các con sông có vùng ngập lũ rộng. Thay vì chỉ sử dụng một cây cầu đơn lẻ, các nền đường đắp đường thường có thêm các cầu phụ ở vùng ngập lũ hoặc cống thoát lũ. Mặc dù có thể cấu hình mô hình 1D để phân tích nhiều khẩu độ, nhưng các giả định và giới hạn của mô hình có thể dẫn đến mức độ không chắc chắn cực kỳ cao trong kết quả.

Tỷ lệ dòng chảy qua từng cầu cụ thể và vận tốc dòng chảy tương ứng là yếu tố then chốt cho việc thiết kế kết cấu và phân tích xói lở. Vì các cầu có nhiều khẩu độ thường là công trình lớn, nên cần sử dụng mô hình 2D thay vì 1D.

Một kiểu cấu hình nhiều khẩu độ khác là các cầu nối tiếp nhau trong chuỗi. Có những tình huống mà cấu hình cầu như vậy cần được phân tích bằng mô hình 2D — chẳng hạn như các khẩu độ cầu không khớp nhau hoặc móng không thẳng hàng. Một tuyến đường bộ hoặc tuyến đường sắt song song ở phía thượng hoặc hạ lưu cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến điều kiện dòng chảy và cần được phân tích bằng mô hình 2D.

Hình 5.4 hiển thị kết quả mô hình 2D (đại lượng vận tốc) cho tuyến đường U.S. Route 1 (US-1) bắc qua sông Pee Dee ở Nam Carolina. Mô hình này minh họa một số lý do nên sử dụng mô hình 2D:

• Vùng ngập lũ rộng từ 4.000 đến 8.000 ft, có sự thay đổi lớn về loại hình sử dụng đất và thảm thực vật.
• Cầu US-1 bao gồm một cầu chính dài 2.000 ft và hai cầu phụ (relief bridges) dài 500 ft mỗi cái.
• Phía hạ lưu có thêm một cầu đường sắt bắc qua sông.

Mặc dù cầu đường sắt có ba khẩu độ, chúng ngắn hơn và lệch một chút so với cầu US-1. Vận tốc lớn nhất, hơn 8 ft/s, xảy ra trong kênh chính. Tuy nhiên, cầu phụ ở giữa có vận tốc trung bình gần 6 ft/s và cầu phụ phía đông có vận tốc hơn 7 ft/s. Trong khi đó, vùng ngập lũ dưới cầu chính chỉ có vận tốc từ 1 đến 3.5 ft/s.

=> Việc kéo dài các cầu phụ và rút ngắn cầu chính có thể cải thiện khả năng tiêu thoát và giảm độ dâng nước (backwater). Nếu việc thay đổi chiều dài cầu làm ảnh hưởng tiêu cực đến các cầu đường sắt phía hạ lưu, kết quả mô hình 2D sẽ giúp định lượng những tác động đó.

Bảng 5.2. Lựa chọn mô hình thủy lực (Hydraulic Modeling Selection):

Điều kiện thủy lực cầu	Mô hình 1D	Mô hình 2D
Suối nhỏ (Small streams)	✅	✅
Dòng chảy trong lòng kênh (In-channel flows)	✅	✅
Vùng ngập hẹp đến trung bình (Narrow to moderate-width floodplains)	✅	✅
Hạn chế nhỏ vùng ngập lũ (Minor floodplain constriction)	✅	✅
Vùng ngập lũ rộng (Wide floodplains)	⚠️	✅
Độ nhám vùng ngập thay đổi lớn (Highly variable floodplain roughness)	⚠️	✅
Kênh ngoằn ngoèo mạnh (Highly sinuous channels)	⚠️	✅
Nhiều khẩu độ (Multiple embankment openings)	⛔	✅
Nhiều khẩu độ không đồng nhất nối tiếp (Unmatched multiple openings in series)	⛔	✅
Đường xiên ít (<20%) (Low skew roadway (<20%))	✅	✅
Đường xiên vừa (20%-30%) (Moderate skewed roadway)	⚠️	✅
Đường xiên lớn (>30%) (Highly skewed roadway)	⛔	✅
Phân tích chi tiết về góc dòng chảy, hợp lưu, uốn cong	⛔	✅
Nhiều dòng chảy (Multiple channels)	⛔	✅
Dòng thủy triều nhỏ và sông nhỏ (Small tidal streams and rivers)	✅	✅
Dòng thủy triều lớn, gió ảnh hưởng (Large tidal waterways, wind influenced)	⛔	✅
Phân bố dòng chi tiết tại cầu (Detailed flow distribution at bridges)	⛔	✅
Tràn qua đường lớn (Significant roadway overtopping)	⛔	✅
Kiểm soát thượng lưu (Upstream controls)	⛔	✅
Thiết kế biện pháp bảo vệ (Countermeasure design)	⛔	✅

Chú thích:

• ✅ phù hợp, sử dụng lý tưởng
• ⚠️ có thể phù hợp, nên thận trọng
• ⛔ không phù hợp hoặc không khuyến nghị

5.3.2 Vùng ngập lũ rộng (Wide Floodplains)

Vùng ngập lũ thường bao gồm các yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến khả năng dẫn dòng và phân phối dòng chảy. Sự thay đổi về hướng dòng chảy của các kênh đã bị bỏ hoang trong lịch sử và sự thay đổi trong mục đích sử dụng đất hoặc thảm thực vật có thể ảnh hưởng đến sự phân bố dòng chảy vùng ngập. Trong mô hình 1D, hai mặt cắt ngang cách nhau một khoảng ngắn có thể có thảm thực vật rất khác nhau, ví dụ như rừng cây so với khu vực đã được khai quang, hoặc có địa hình khác biệt rõ rệt do mục đích sử dụng đất. Nếu kỹ sư sử dụng các mặt cắt này đúng theo thực tế, mô hình 1D sẽ thể hiện sự thay đổi đột ngột trong phân bố dòng chảy mà thực tế không thể xảy ra. Để mô phỏng điều kiện dòng chảy chính xác hơn, kỹ sư có thể điều chỉnh vị trí mặt cắt hoặc thay đổi giá trị Manning’s n, tuy nhiên điều này rất khó thực hiện.

Mô hình hai chiều (2D) tránh được các khó khăn này vì trong mô phỏng, tất cả dòng chảy được liên kết với nhau. Do đó, các vùng ngập lũ rộng và phức tạp sẽ được lợi khi phân tích bằng mô hình 2D.

Hình 5.5 trình bày kết quả mô hình 2D (lưu lượng riêng) cho đoạn đường cao tốc U.S. Highway 641 (US-641) bắc qua Nhánh giữa (Middle Fork) của sông Clark gần Murray, Kentucky. Vùng ngập lũ tương đối lớn, khoảng 2.500 ft, trong khi chiều rộng kênh chính chỉ khoảng 50 ft, và có sự biến động lớn về sử dụng đất và thảm thực vật. Thượng lưu của US-641 có nồng độ dòng chảy cao nhất nằm trong vùng ngập lũ bên phải thay vì trong kênh chính. Đoạn đường này có một cầu phụ để giúp dẫn phần lớn dòng chảy trong vùng ngập lũ một cách hiệu quả hơn thay vì buộc dòng chảy quay trở lại cầu chính qua kênh.

5.3.3 Đường đặt xiên (Skewed Roadway Alignment)

Lý tưởng nhất, các tuyến đường nên vuông góc với dòng chảy trong kênh và vùng ngập lũ. Tuy nhiên, các ràng buộc thiết kế khác thường đòi hỏi phải xây dựng đường có góc xiên. FHWA (1978) cho biết rằng đường có góc xiên lên đến 20 độ không gây ra kiểu dòng chảy bất thường. HEC-RAS Reference Manual (USACE 2021a) chỉ ra rằng việc sử dụng khẩu độ chiếu trong mô hình 1D là phù hợp cho các góc xiên lên đến 30 độ trong các trường hợp thắt hẹp dòng chảy nhỏ.

Mô hình hai chiều (2D) là phương pháp được đề xuất cho các góc xiên lớn hơn hoặc độ xiên vừa kết hợp với hiện tượng co dòng từ trung bình đến cao. Mô hình 2D xác định rõ hơn các kiểu dòng chảy và khả năng dẫn dòng qua cầu, đồng thời hỗ trợ đánh giá các vấn đề tiềm ẩn về backwater.

Hình 5.6 minh họa một tuyến đường với góc xiên khoảng 25 độ giao cắt với vùng ngập lũ, với dòng chảy từ trên xuống dưới. Hình này cho thấy sự ảnh hưởng của vùng ngập lũ có thể thay đổi đáng kể ở phía thượng lưu của giao cắt xiên. Các đường bao thể hiện sự chênh lệch trong cao trình mặt nước giữa điều kiện tự nhiên (không có cầu) và điều kiện thực tế. Màu đậm nhất biểu thị mức tăng cao trình mặt nước lớn nhất, trong khi phía đối diện của nền đường đắp thể hiện sự giảm cao trình mặt nước so với điều kiện tự nhiên. Việc đây còn là giao cắt với nhiều khẩu độ càng làm phức tạp thêm thủy lực.

5.3.4 Tràn đường (Road Overtopping)

Khi tính toán overtopping đường, mô hình HEC-RAS 1D (USACE 2021a) sử dụng tổng đường năng lượng (energy grade line) tại mặt cắt ngang ở phía thượng lưu của cầu làm giá trị mực nước (head) trong phương trình đập tràn. Giả định này là hợp lý đối với nhiều điều kiện. Do việc sử dụng tiêu chuẩn các vùng dòng chảy không hiệu dụng (ineffective flow areas) có thể kích hoạt dòng chảy tràn toàn bộ vùng ngập cho bất kỳ lượng overtopping nào, HEC-RAS Reference Manual (USACE 2021a) khuyến nghị nên so sánh lượng dòng chảy tràn qua đường với dòng chảy tràn qua vùng ngập và điều chỉnh Manning n để cải thiện tính liên tục trong phân bố dòng chảy theo phương ngang.

Như minh họa trong Hình 5.7, đối với các tuyến đường băng qua vùng ngập rộng hoặc tại các vị trí giao cắt bị xiên, mô hình 2D cung cấp cách tiếp cận tốt hơn. Các mô hình hai chiều có thể xử lý các dạng dòng chảy liên quan đến overtopping, như dòng dưới tới hạn (subcritical), siêu tới hạn (supercritical), và dòng chuyển tiếp. Mực nước mặt thay đổi theo không gian và vận tốc ở phía thượng lưu của đường sẽ quyết định lượng dòng chảy qua đập tràn, thay vì một giá trị đơn lẻ của đường năng lượng trên toàn bộ mặt cắt thượng lưu. Miễn là hình học lưới (mesh geometry) đủ chính xác để đại diện cho đỉnh đập tràn dọc theo các cạnh phần tử, mô hình 2D có thể ước tính tốt hơn thời điểm bắt đầu xảy ra overtopping và lượng dòng chảy tương ứng.

5.3.5 Các điều kiện ở thượng lưu (Upstream Controls)

Đối với điều kiện dòng chảy dưới tới hạn, các phép tính được thực hiện từ hạ lưu lên thượng lưu. Tuy nhiên, tại thực địa, sự phân bố dòng chảy, độ sâu dòng chảy, độ lớn vận tốc, và hướng vận tốc có thể bị kiểm soát bởi các công trình và vật cản ở thượng lưu. Trong mô hình 1D, phương pháp xấp xỉ thông thường là đưa vào các vùng dòng chảy không hiệu dụng để xét đến các vật cản ở thượng lưu. Mặc dù phương pháp này ảnh hưởng đến diện tích dòng chảy tổng thể và khả năng của mặt cắt ngang, nhưng nghiệm thu được là không chính xác vì sự phân bố khả năng dẫn nước quyết định sự phân bố dòng chảy. Do đó, các mô hình 1D không phản ánh đầy đủ các ảnh hưởng từ thượng lưu.

Hình 5.8 minh họa điều kiện vận tốc tại vị trí vượt dòng I-35W qua sông Mississippi ở Minnesota. Hình này minh chứng rằng mô hình 2D có thể được sử dụng để xác định chính xác liệu một điều kiện ở thượng lưu có tác động đến công trình ở hạ lưu hay không, ngay cả trong điều kiện dòng chảy dưới tới hạn. Cầu I-35W nằm ở hạ lưu của công trình khóa và đập St. Anthony Falls Lock and Dam, nơi tập trung dòng chảy tiếp cận đến cầu I-35W và trụ cầu trên cầu Đại lộ 10 (10ᵗʰ Avenue Bridge). Trong các sự kiện cực đoan, khóa và đập có thể được vận hành với dòng chảy chủ yếu đi qua ba cổng (như minh họa), hoặc dòng bổ sung có thể đi qua các buồng khóa. Trong tình huống này, sự phân bố khả năng dẫn dòng ở đoạn kênh hạ lưu không cung cấp biểu diễn chính xác về thủy lực tại hiện trường.

5.3.6 Uốn Cong, Hợp Lưu và Góc Tấn (Bends, Confluences, and Angle of Attack)

Sông có độ uốn cong cao, theo định nghĩa, không phải là điều kiện phù hợp với mô hình 1D, đặc biệt là trong lũ khi dòng nước trong vùng ngập lũ chảy thẳng xuống thung lũng và ra vào lòng sông. Mô hình một chiều (1D) xét đến khoảng cách dòng chảy khác nhau giữa lòng sông và vùng ngập lũ tại các mặt cắt và tính chiều dài dòng chảy theo trọng số lưu lượng. Mô hình hai chiều (2D) không đưa ra giả định đơn giản nào liên quan đến khoảng cách dòng chảy trong sông so với vùng ngập lũ vì mô hình này tính toán đường đi của dòng chảy như một phần của lời giải.

Điều kiện dòng chảy tại các hợp lưu cũng thay đổi tùy vào dòng chính so với dòng nhánh. Với mô hình 1D tại cầu gần điểm hợp lưu, việc xác định góc tấn công để tính xói mòn mố trụ là rất chủ quan. Mô hình 2D cung cấp ước lượng cải thiện hơn về góc tấn công vì mô hình tính trực tiếp hướng vận tốc.

5.3.7 Nhiều dòng chảy (Multiple Channels)

Sông phân nhánh và sông bồi tích có nhiều dòng chảy và hướng dòng chảy, làm phức tạp các tính toán thủy lực. Hình 5.9 cho thấy một ví dụ điển hình về nhiều dòng chảy, nơi đường liên bang Interstate 95 (I-95) và Quốc lộ Hoa Kỳ 17 (US-17) vượt qua sông Altamaha ở bang Georgia. Khu vực này chịu ảnh hưởng của cả lũ sông và thủy triều. Không chỉ có chín điểm vượt sông (năm của I-95 và bốn của US-17), mà còn có hơn 20 đoạn kênh riêng biệt hoặc phân đoạn cần được mô hình hóa nếu dùng mô hình dòng chảy phân tách 1D. Kỹ sư cũng sẽ cần phải xác định lượng vùng ngập lũ liền kề cần phân bổ cho mỗi đoạn kênh và có thể cần tính đến dòng chảy bên giữa các phân đoạn vùng ngập lũ. Do đó, mô hình 2D có lợi thế trong tình huống này, bao gồm cả việc giảm công sức thiết lập mô hình.

5.3.8 Điều kiện thủy triều và mô phỏng gió (Tidal Conditions and Wind Simulation)

Hình 5.10 là một ví dụ về địa hình kênh phức tạp và các điều kiện thủy lực thường xảy ra trong các thủy đạo có thủy triều. Các thủy đạo có thủy triều bao gồm các cửa sông, cửa biển, vịnh, và các lạch. Đường đắp thường cắt qua nhiều vịnh và cửa sông với nhiều khẩu độ cầu, và khả năng xảy ra tràn mặt cầu hoặc tấn công bởi sóng là có thể xảy ra. Tài liệu HEC-25 (FHWA 2020) bao gồm thông tin và hướng dẫn về các điều kiện thủy triều và ven biển, bao gồm thủy triều, dâng do bão, và gió, ảnh hưởng đến các công trình giao thông. Dòng chảy do gió tạo ra chiếm ưu thế trong một số điều kiện thủy động lực ven biển. Nhiều mô hình 2D bao gồm ứng suất gió tác động lên bề mặt nước như là một điều kiện biên. Do đó, các mô hình 2D phù hợp hơn cho nhiều phân tích thủy lực cầu ven biển.

5.3.9 Phân bố dòng chảy tại các cầu (Flow Distribution at Bridges)

HEC-18 (FHWA 2012b) thiết lập các quy trình đánh giá xói lở do FHWA khuyến nghị. Phân bố dòng chảy và vận tốc trong khẩu độ cầu hỗ trợ trong việc tính toán co thắt dòng chảy, trụ cầu, và xói lở tại mố cầu. Các mô hình một chiều ước lượng phân bố lưu lượng và vận tốc dựa trên phân bố khả năng dẫn (conveyance) tại mặt cắt ngang (xem Mục 6.2). Giả định này có nghĩa là mỗi điểm trong mặt cắt cũng có cùng mực nước và độ dốc năng lượng.

Hình 5.11 cho thấy các đường đồng mức mặt nước và vector vận tốc từ một mô hình 2D. Mô hình biểu diễn một khẩu độ cầu đơn giản, nhưng các kết quả cho thấy rằng các mô hình 1D không hoàn toàn biểu diễn đúng thủy lực ngay cả với các khẩu độ cầu đơn giản. Trong hình này, các đường dày biểu thị nền đường đắp. Mực nước tương đối đồng đều ở phía thượng lưu của cầu. Tuy nhiên, các vector vận tốc tại các khu vực mái nền không vuông góc với tiết diện khẩu độ thoát nước dưới cầu, và cao độ mặt nước thay đổi gần 1 foot từ mái nền đến giữa dòng ngay phía thượng lưu của cầu. Mặc dù đây là các dấu hiệu cho thấy dòng chảy không phải 1D, sự sai khác lớn nhất so với giả định mô hình 1D là vận tốc tại khu vực mái dưới gầm cầu. Mô hình 1D sẽ ước lượng vận tốc nhỏ hơn tại khu vực mái dựa trên khả năng dẫn nước và độ dốc năng lượng đồng đều tại tiết diện khẩu độ thoát nước dưới cầu. Độ dốc năng lượng trung bình tại khu vực mái dưới cầu lớn hơn gấp năm lần so với độ dốc năng lượng tại vùng lòng kênh. Các vận tốc thu được lớn hơn gấp đôi so với giá trị mà tính toán dựa trên khả năng dẫn nước theo mô hình 1D xác định.

5.3.10 Thiết kế biện pháp bảo vệ (Countermeasure Design)

HEC-23 (FHWA 2009a) cung cấp thông tin về thiết kế các biện pháp bảo vệ chống lại sự mất ổn định của dòng chảy và xói lở. Nhiều biện pháp bảo vệ, bao gồm spur (cọc hướng dòng), đê hướng dòng, và đê ngang, có ảnh hưởng lớn đến đường đi và phân bố dòng chảy. Các mô hình hai chiều được thiết lập với một biểu diễn chi tiết của địa hình kênh và biện pháp bảo vệ cung cấp mô phỏng chính xác trường dòng trong mặt phẳng nằm ngang, bao gồm các vị trí vận tốc lớn, phân ly dòng chảy và tuần hoàn dòng chảy. Hình 5.12 minh họa một ví dụ sử dụng mô hình 2D để ước tính kích thước đá lát (riprap) cho một biện pháp bảo vệ mái đê được đề xuất, sử dụng các phương trình xác định kích thước đá lát của HEC-23.

5.4 Dữ liệu Mô hình Địa hình & Nguồn dữ liệu (Model Terrain Data & Sources)

Bất kể ứng dụng nào, tất cả các loại mô hình thủy lực đều yêu cầu phát triển hình học mô hình từ đó các kết quả được tính toán. Đối với tất cả các loại mô hình, dữ liệu địa hình được sử dụng để tạo hình học mô hình có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng kết quả mô hình và thường đòi hỏi nhiều tài nguyên nhất để có được biểu diễn đầy đủ của khu vực dự án. Mô hình càng mô phỏng chính xác khu vực dự án bằng cách sử dụng dữ liệu chất lượng cao, thì kết quả mô hình càng gần với điều kiện thủy lực thực tế.

Biểu diễn các yếu tố điều khiển thủy lực là khía cạnh thiết yếu nhất trong việc phát triển hình học mô hình thủy lực. Dữ liệu địa hình phải đủ chi tiết để mô tả chính xác các yếu tố điều khiển thủy lực. Kỹ sư sau đó sẽ tạo hình học mô hình để mô phỏng các yếu tố điều khiển thủy lực. Chương 7 thảo luận về khái niệm này.

Yêu cầu dữ liệu địa hình thay đổi tùy theo ứng dụng mô hình. Thông thường cần nhiều nguồn dữ liệu để tạo biểu diễn số của toàn bộ khu vực mô hình. Các tập dữ liệu sau thường được kết hợp để tạo ra lưới mô hình 2D đủ cho phân tích thủy lực liên quan đến công trình giao thông:

• Dữ liệu địa hình
• Dữ liệu đo sâu đáy sông
• Khảo sát bổ sung dọc theo tuyến đường chính bao gồm các công trình

Phương pháp phát hiện và đo khoảng cách bằng ánh sáng (Light Detection and Ranging, hay Lidar) là một loại khảo sát từ không trung phổ biến và lý tưởng để thu thập dữ liệu địa hình có độ phân giải cao cho các khu vực lớn. Dữ liệu Lidar có sẵn cho phần lớn lãnh thổ Hoa Kỳ, nhưng ở các độ phân giải khác nhau và thường được thu thập theo kiểu “chắp vá”. Gần đây, USGS đã thực hiện việc thu thập dữ liệu lidar trên toàn quốc nhằm cung cấp một mức cơ sở quốc gia nhất quán về dữ liệu cao độ địa hình có độ phân giải cao cho Hoa Kỳ (USGS 2023).

Các hệ thống Lidar xuất sắc trong việc thu thập biểu diễn chi tiết của khu vực dự án, thậm chí cung cấp dữ liệu bề mặt đất trống qua phần lớn vùng có thực vật. Tuy nhiên, dữ liệu lidar có những giới hạn và thường cần dữ liệu khảo sát bổ sung. Có những tình huống mà lidar thường không cung cấp đủ dữ liệu cho phân tích thủy lực cầu. Ví dụ, nhiều hệ thống lidar không thể thu thập dữ liệu dưới nước hoặc dưới gầm cầu, cả hai đều cần thiết cho phân tích thủy lực.

Do những giới hạn này, việc thu thập dữ liệu bổ sung là điều thường thấy để tạo ra biểu diễn toàn diện hơn của địa hình vị trí dự án. Trong các dòng chảy lâu dài, nước thường chảy trong dòng chính khi thu thập dữ liệu lidar. Trong các trường hợp như vậy, dữ liệu đo sâu đáy (bathymetric) bổ sung để biểu diễn đáy kênh thường cần thiết nhằm mô phỏng chính xác hơn phần dưới nước của dòng chảy.

Ngoài dữ liệu kênh, việc thu thập dữ liệu khảo sát mặt đất dọc theo tuyến chính là điều phổ biến. Dữ liệu này cung cấp thêm chi tiết cho mặt đường và các đặc điểm kết cấu như lan can, mố cầu, vùng ngập dưới cầu, và dữ liệu kết cấu cầu/cống. Dữ liệu khảo sát bổ sung cũng có thể cần thiết đối với các cấu trúc khác trong phạm vi mô hình tùy thuộc vào ảnh hưởng thủy lực lên mục tiêu chính của phân tích thủy lực. Các bản vẽ cấu trúc hiện hữu và đề xuất có thể cung cấp dữ liệu cấu trúc đủ mà không cần khảo sát hiện trường.

Dữ liệu địa hình thường có sẵn từ các nguồn trực tuyến như được hiển thị trong Bảng 5.3. Các nguồn dữ liệu tương tự tồn tại ở cấp tiểu bang, vùng, quận, và địa phương. Kỹ sư nên quen thuộc với các tài nguyên dữ liệu địa không gian địa phương có sẵn. Các nguồn dữ liệu trực tuyến có thể không cung cấp tất cả dữ liệu cần thiết để tạo và chạy mô hình 2D cho phân tích chi tiết, nhưng có thể đủ cho mục đích lập kế hoạch trong nhiều trường hợp.

Bảng 5.3. Nguồn dữ liệu địa hình số (chỉ các trang web liên bang được hiển thị).

Cơ quan	Trang web
NOAA	U.S. Interagency Elevation Inventory
USGS	National Geospatial Program – The National Map
USGS	EarthExplorer
USDA	Geospatial Data Gateway
USGS	NLCD Product Data
NOAA	Bathymetry and Global Relief

Các loại dữ liệu khác cũng được sử dụng để tạo mô hình thủy lực. Chương 4 của tài liệu Two-Dimensional Hydraulic Modeling for Highways in the River Environment (FHWA 2019) cung cấp một cái nhìn tổng quan đầy đủ hơn về các loại dữ liệu mô hình thủy lực, các nguồn bổ sung và thông tin hữu ích khác.

5.5 Xác định Miền Mô Hình (Defining the Model Domain)

Miền mô hình xác định giới hạn không gian của mô hình 2D. Thông thường, miền này nên bao gồm đầy đủ khu vực có khả năng bị ngập và mở rộng một khoảng cách nhất định về phía thượng lưu và hạ lưu từ vị trí quan tâm. Các điều kiện biên của mô hình là các vị trí mà tại đó dòng chảy đi vào hoặc ra khỏi miền. Vị trí điều kiện biên nên được đặt đủ xa khu vực quan tâm để mọi sai số hoặc sai lệch so với thực tế tại các điều kiện biên là không đáng kể về mặt tính toán tại hoặc gần khu vực dự án.

Các mô hình thủy lực nên mở rộng theo chiều ngang đủ xa để chứa toàn bộ lượng nước hoặc khu vực ngập trong miền cho các lưu lượng lũ được phân tích. Nếu phạm vi ngang không đủ, rìa của mô hình sẽ hoạt động như một bức tường thẳng đứng trong cả mô hình 1D và 2D. Nếu miền mô hình 2D quá lớn, thời gian chạy mô hình có thể lâu hơn cần thiết, gây ra sự kém hiệu quả trong quá trình mô phỏng. Nếu vị trí dự án là vùng triều, phạm vi ngang có thể bao gồm khu vực lên đến cao độ mực nước dâng tối đa được áp dụng tại điều kiện biên hạ lưu. Bản đồ vùng lũ và dữ liệu địa hình là nguồn tài nguyên hữu ích để xác định đủ giới hạn ngang của miền. Trong mọi trường hợp, một thực hành hữu ích là ban đầu tạo một mô hình đơn giản, thô để giúp xác định xấp xỉ phạm vi ngập.

5.5.1 Giới hạn Thượng lưu (Upstream Limit)

Tối thiểu, một miền mô hình thích hợp mở rộng đủ xa về phía thượng lưu để bao gồm vùng co hẹp dòng chảy. Việc co hẹp dòng chảy thường là yếu tố chính gây ra backwater, do đó điều quan trọng là phải bao gồm toàn bộ vùng co hẹp dòng chảy. Ngoài yếu tố này, giới hạn thượng lưu của mô hình, hoặc nhiều giới hạn nếu phân tích bao gồm nhiều dòng chảy vào, nên được đặt đủ xa về phía thượng lưu để cho phép phân bố dòng chảy tự nhiên trước khu vực quan tâm. Quy tắc kinh nghiệm để xác định ban đầu giới hạn thượng lưu là từ hai đến ba lần chiều rộng vùng lũ phía thượng lưu của khu vực quan tâm. Khoảng cách này cho phép mô hình 2D xử lý mọi sai số tiềm năng liên quan đến giả định phân bố dòng chảy tại điều kiện biên để các điều kiện thủy lực tại vị trí quan tâm là dựa trên cơ sở vật lý. Việc mở rộng giới hạn thượng lưu có thể cần thiết tùy thuộc vào dữ liệu sẵn có cho dự án, đặc điểm địa hình riêng biệt của vị trí, và các giả định được đưa ra.

Các giới hạn thượng lưu lý tưởng bao gồm các vị trí bị co hẹp trong vùng ngập nơi dòng chảy bị giới hạn, và các công trình thủy lực như đập tràn (weir) và đập chắn(dam). Hình 5.13 cho thấy một ví dụ nơi vùng ngập rộng và phức tạp lên đến hai đến ba lần chiều rộng vùng ngập phía thượng lưu của khu vực dự án. Tuy nhiên, xa hơn về phía thượng lưu, vùng ngập hẹp lại và ít phức tạp hơn, điều này là một giới hạn thượng lưu thuận lợi hơn.

5.5.2 Giới hạn Hạ lưu (Downstream Limit)

Giới hạn hạ lưu của cả mô hình 1D và 2D có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của kết quả mô hình, đặc biệt đối với các hệ thống sông có độ dốc tương đối thoải. Khi độ dốc thoải hơn, sự thay đổi mặt nước có thể lan truyền xa hơn về phía thượng lưu. Khi tồn tại sự không chắc chắn trong điều kiện biên hạ lưu, việc mở rộng miền mô hình xa hơn về phía hạ lưu có thể giảm bớt hoặc loại bỏ ảnh hưởng của sự không chắc chắn đó lên kết quả tại khu vực dự án. Khi miền mô hình mở rộng xa hơn khỏi khu vực dự án, độ chính xác của dữ liệu địa hình và mô tả chi tiết địa hình không còn quá quan trọng, và dữ liệu ước lượng là phù hợp nếu đủ xa.

Các vị trí giới hạn hạ lưu lý tưởng bao gồm các vị trí có số liệu cao độ mặt nước (WSEs) đã biết ứng với lưu lượng nhất định, chẳng hạn như các trạm đo mực nước, đập tràn, công trình tiêu năng, và đập/hồ chứa. Nếu không có giá trị đo đạc hoặc kiểm soát tại giới hạn hạ lưu, việc ước lượng một giá trị WSE là cần thiết. Như đã đề xuất đối với giới hạn thượng lưu, việc đặt giới hạn hạ lưu sử dụng quy tắc:

Quy tắc kinh nghiệm là từ 2–3 lần chiều rộng vùng lũ phía hạ lưu của khu vực quan tâm là một điểm khởi đầu hợp lý. Việc mở rộng giới hạn xa hơn về phía hạ lưu có thể cần thiết tùy theo nhu cầu dự án, đặc điểm địa hình riêng biệt của vị trí, và các giả định được đưa ra.

Cũng như giới hạn thượng lưu, có thể có lợi khi đặt các giới hạn hạ lưu tại các vị trí có vùng ngập hẹp và độ phức tạp thủy lực tối thiểu (xem Hình 5.13). Với bất kỳ giới hạn hạ lưu nào, việc thực hiện kiểm tra độ nhạy là một thực hành tốt. Mục 6.4 trong Two-Dimensional Hydraulic Modeling for Highways in the River Environment (FHWA 2019) bao gồm nhiều thông tin hơn liên quan đến việc kiểm tra độ nhạy của mô hình đối với các khía cạnh khác nhau của mô hình thủy lực. Bài kiểm tra độ nhạy đảm bảo rằng các thay đổi tại điều kiện biên hạ lưu không làm thay đổi kết quả mô hình tại vị trí cầu hoặc các khu vực quan tâm khác. Hình 5.14 cho thấy các thay đổi tại điều kiện biên hạ lưu lan truyền ngược dòng một khoảng. Khoảng cách ảnh hưởng thay đổi tùy theo độ dốc và đặc điểm địa hình cục bộ.

Mực nước hạ lưu được chỉ định có thể là không ổn định, như trong trường hợp với điều kiện biên thủy triều. Trong tình huống này, dòng chảy có thể đi vào miền từ phía hạ lưu, và lưu lượng tại vị trí cầu có thể thay đổi để đáp ứng với sự thay đổi mặt nước hạ lưu. Kỹ sư có thể xác định điều kiện dòng chảy tại cầu bằng cách sử dụng mô hình dòng chảy không ổn định trong các trường hợp như vậy.

5.6 Thông tin & Phân tích Thủy văn Sông (Riverine Hydrologic Information & Analysis)

Mặc dù thủy văn có một định nghĩa rộng hơn nhiều, phần này tập trung vào việc định lượng lượng nước hoặc lưu lượng sẽ chảy đến một điểm giao cắt trên đường bộ trong một sự kiện có xác suất vượt quá hàng năm đã cho. Kỹ sư có thể sử dụng lượng được xác định này, dưới dạng một giá trị hằng số duy nhất hoặc một chuỗi giá trị theo thời gian, làm đầu vào biên thượng lưu cho một mô hình thủy lực. Một số phương pháp xác định lưu lượng đã được phát triển dựa trên các quá trình vật lý của chu trình thủy văn hoặc phân tích dữ liệu thống kê liên quan đến nhiều lượng dữ liệu và phán đoán kỹ thuật. Phương pháp được sử dụng cho một dự án cụ thể phụ thuộc vào nhu cầu dự án và tính sẵn có của dữ liệu.

5.6.1 HDS-2 – Thủy văn Đường bộ

FHWA đã phát hành tài liệu HDS-2 Highway Hydrology (FHWA 2023b) để thảo luận về các phương pháp tiếp cận, phương pháp, và giả định thủy văn liên quan đến kỹ sư giao thông. HDS-2 cung cấp thông tin, nhu cầu dữ liệu, ứng dụng, và các giới hạn của các phương pháp thủy văn thường được sử dụng để thiết kế các công trình giao thông. Các quá trình như mưa, dòng chảy, trữ nước, và điều tiết được trình bày chi tiết nhằm cung cấp cho người sử dụng kiến thức nền cần thiết để đưa ra quyết định thiết kế.

Các phương pháp xác định trong HDS-2 bao gồm phương pháp hydrograph đơn vị, phương pháp SCS, và phương pháp rational. Lý thuyết thống kê và các phương pháp tần suất lũ thường được sử dụng tại các điểm giao cắt sông, chẳng hạn như hồi quy vùng và phân phối log-Pearson loại III, cũng được cung cấp. HDS-2 bao gồm mô tả các nguồn dữ liệu thủy văn và các thực hành điển hình để thu thập và tổng hợp dữ liệu được sử dụng để thực hiện mỗi phương pháp. Cuối cùng, HDS-2 cung cấp các hiểu biết về việc lựa chọn phương pháp dựa trên nhu cầu dự án và tính sẵn có của dữ liệu cho các dự án đường giao thông.

5.6.2 Kiến thức cơ bản về Thủy văn

Chu trình thủy văn mô tả sự di chuyển của nước giữa khí quyển, bề mặt và dưới đất, cũng như sự chuyển pha (khí, lỏng, rắn) khi nước di chuyển. Các quá trình thủy văn chính bao gồm mưa, ngưng tụ, bay hơi, thấm, thoát hơi, thẩm thấu, trữ nước, và dòng chảy bề mặt, được minh họa trong Hình 5.15. HDS-2 giải thích từng quá trình này.

Các kỹ sư giao thông chủ yếu quan tâm đến phần dòng chảy bề mặt trong chu trình thủy văn. Dòng chảy bề mặt là dòng chảy trên mặt đất do lượng mưa hoặc nước tan từ tuyết vượt quá khả năng thấm. Trong thủy văn, các kỹ sư giao thông quan tâm đến số lượng và thời điểm xảy ra dòng chảy bề mặt trong sông và hồ có thể gây hư hại hoặc ảnh hưởng đến vị trí vượt dòng chảy của đường trong các sự kiện mưa lớn.

Các yếu tố khác của chu trình thủy văn, bao gồm mưa, thấm, và trữ nước, đều ảnh hưởng đến dòng chảy và thiết kế đường. Khi lượng mưa tăng, khả năng xảy ra dòng chảy cũng có thể tăng tùy thuộc vào khả năng thấm và lưu trữ của lưu vực. Thời lượng, độ sâu, và cường độ của mưa, kết hợp với sự thấm nước trên bề mặt trong lưu vực, quyết định lượng và thời điểm của lượng mưa vượt quá – tức là dòng chảy bề mặt.

Phát triển đô thị và các thay đổi sử dụng đất khác có thể ảnh hưởng đến dòng chảy bằng cách thay đổi khả năng thấm và lưu trữ của lưu vực. Do đó, có thể quan trọng khi đánh giá tác động của phát triển tương lai, nguồn cấp nước, và các dự án bảo vệ lũ đối với thiết kế các điểm vượt dòng chảy của đường giao thông. Biến đổi khí hậu là một nguồn thay đổi tiềm năng khác trong chu trình thủy văn. Chương 4 của HEC-17 Highways in the River Environment – Floodplains, Extreme Events, Risk and Resilience (FHWA 2016) bàn về khả năng dữ liệu thủy văn không ổn định theo thời gian có thể phát sinh từ nhiều quá trình, bao gồm cả biến đổi khí hậu. Mức độ cần xem xét các yếu tố khác nhau của chu trình thủy văn và dòng chảy phụ thuộc vào vị trí dự án, dữ liệu sẵn có, và nhu cầu của dự án.

5.6.3 Các yếu tố và dữ liệu thủy văn (Hydrologic Factors and Data)

Có ba yếu tố cơ bản trong phân tích thủy văn: (1) đo đạc và tổng hợp dữ liệu, (2) diễn giải và phân tích dữ liệu, và (3) ứng dụng vào thiết kế hoặc các vấn đề thực tiễn khác. Mức độ mà từng yếu tố này cần được giải quyết phụ thuộc vào chi phí công trình, mức độ rủi ro chấp nhận được, dữ liệu sẵn có, độ chính xác mong muốn, và các giới hạn về thời gian và nguồn lực của dự án. Những yếu tố này quyết định phương pháp sẽ được sử dụng và dữ liệu được dùng để thực hiện phân tích.

Các kỹ sư thực hiện phân tích thủy văn tại các điểm vượt qua dòng chảy để xác định hoặc lưu lượng đỉnh hoặc thủy đồ lũ. Lưu lượng đỉnh xác định một lưu lượng thiết kế mà công trình được thiết kế để truyền dẫn nước với mức độ rủi ro chấp nhận được. Một xác suất vượt quá hàng năm (ví dụ, 100% AEP, 10% AEP, 1% AEP, v.v.) hoặc chu kỳ lặp lại của lũ thiết kế (ví dụ, lũ 1 năm, lũ 10 năm, lũ 100 năm, v.v.) được gắn với lưu lượng đỉnh.

Chu kỳ lặp lại lũ thiết kế cho các công trình thủy lực thường phụ thuộc vào phân loại đường. Ví dụ, các đường cấp thấp (phân loại hoặc lưu lượng giao thông thấp hơn) có thể có tiêu chuẩn thiết kế lũ thấp hơn so với các đường chính. Do đó, các đường cấp thấp thường phải đối mặt với rủi ro lớn hơn so với các đường chính trong cùng một sự kiện đáng kể. Kỹ sư có trách nhiệm xác định mức độ rủi ro chấp nhận được và lưu lượng thiết kế liên quan cho phân tích thủy văn và thiết kế công trình vượt dòng chảy. Thiết kế thường nhằm mục tiêu ngăn ngừa nước tràn đường và cung cấp một khoảng không (freeboard) bên dưới kết cấu phần trên của cầu tại lưu lượng đỉnh thiết kế.Các thủy đồ lũ thiết kế giúp kỹ sư xem xét sự thay đổi theo thời gian của lưu lượng hoặc thể tích dòng chảy bề mặt trong phân tích. Thủy đồ hữu ích trong việc đánh giá tác động của đô thị hóa, lưu trữ, hoặc các thay đổi khác trong lưu vực đối với thời gian chảy, thời gian tập trung, thời lượng dòng chảy, lưu lượng đỉnh, và thể tích dòng chảy. Thiết kế các công trình đường bộ vượt qua suối hiếm khi bao gồm thủy đồ lũ, do đó các kỹ sư giao thông thường sử dụng các phương pháp lưu lượng đỉnh.

Các kỹ sư thu thập dữ liệu về lưu lượng đỉnh hoặc thủy đồ lũ từ nhiều nguồn khác nhau. Các cơ quan liên bang cung cấp quyền truy cập công khai vào dữ liệu bao gồm Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), Quân đoàn Công binh Hoa Kỳ (USACE), Cục Bảo tồn Tài nguyên Thiên nhiên (NRCS), Cục Lâm nghiệp Hoa Kỳ, Cục Khai hoang Hoa Kỳ (USBR), Cơ quan Quản lý Thung lũng Tennessee (TVA), Cơ quan Quản lý Khẩn cấp Liên bang (FEMA), và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA). Bảng 5.4 cung cấp các nguồn dữ liệu, cơ quan liên quan, và liên kết đến dữ liệu cho các loại dữ liệu phổ biến thường được sử dụng trong phân tích thủy văn tại các công trình đường bộ.

USGS thu thập và công bố dữ liệu dòng chảy hàng ngày tại hơn 8.500 địa điểm trên toàn nước Mỹ. Các trạm đo dòng chảy là yếu tố thiết yếu để tiến hành phân tích tần suất lũ tại các vị trí có số liệu. Các bản ghi từ trạm đo dòng chảy cũng cho phép xây dựng các phương trình hồi quy vùng để ước tính lưu lượng đỉnh tại các chu kỳ lặp lại khác nhau tại các vị trí không có trạm đo. Thông tin về lượng mưa, đất, địa hình, và sử dụng đất hữu ích cho việc áp dụng Phương pháp Rational, Phương pháp SCS, và Phương pháp Thủy đồ đơn vị (được mô tả bên dưới) tại các vị trí không có trạm đo. Ảnh chụp từ trên không có thể hữu ích trong việc nhận biết những thay đổi đáng kể trong sử dụng đất theo thời gian.

Bảng 5.4. Nguồn dữ liệu thủy văn.

Dữ liệu	Cơ quan	Trang web
Dòng chảy	USGS	National Water Information System: Mapper
Mưa	NOAA	U.S. Hourly Precipitation Data
Đất	NRCS	Web Soil Survey
Địa hình	USGS	TNM Download
Sử dụng đất	USGS	NLCD Product Data
Ảnh vệ tinh	USGS	TNM Download

5.6.4 Các phương pháp thủy văn thường dùng cho thiết kế cầu

Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định lưu lượng lũ trong các dự án cầu. Một số phương pháp phù hợp hơn với các vị trí và lưu vực cụ thể. Hầu hết các dự án cầu chỉ sử dụng lưu lượng đỉnh tương ứng với từng chu kỳ lặp lại lũ. Các phương pháp lưu lượng đỉnh được mô tả dưới đây thường được trình bày theo thứ tự ưu tiên, tùy thuộc vào dữ liệu có sẵn và đặc điểm của lưu vực.

Phân tích tần suất lũ sử dụng dữ liệu đo đạc: Phương pháp được chính phủ Hoa Kỳ khuyến nghị cho thiết kế công trình đường bộ là phân tích các giá trị lưu lượng đỉnh hàng năm từ các trạm đo dòng chảy bằng phân phối Log-Pearson loại III (LP-III) để xây dựng mối quan hệ ước lượng giữa chu kỳ lặp lại của lũ và lưu lượng đỉnh. Tài liệu của USGS Guidelines for Determining Flood Flow Frequency, Bulletin 17C (USGS 2019) là tiêu chuẩn quốc gia được công nhận để phân tích tần suất lũ từ dữ liệu đo đạc. Phiên bản mới nhất của phần mềm PeakFQ của USGS đã tích hợp các phương pháp của Bulletin 17C. Hình 5.16 là một ví dụ đầu ra từ PeakFQ.

Một trạm đo dòng chảy nên có ít nhất 10 năm dữ liệu lưu lượng đỉnh hàng năm để sử dụng phân phối Log-Pearson loại III trong phân tích tần suất lũ. HDS-2 và Bulletin 17C cung cấp hướng dẫn bổ sung về xử lý dữ liệu, ước lượng tham số, và các giới hạn của phương pháp (FHWA 2023b, USGS 2019). Ở một số bang, USGS đã thực hiện sẵn các phân tích tần suất lũ tại các trạm đo cụ thể. Ngoài ra, có nhiều tài liệu xuất bản cung cấp hướng dẫn thêm cho từng bang và khu vực cụ thể.

(nd: Bulletin 17C và PeakFQ software)

Guidelines for determining flood flow frequency — Bulletin 17C

PeakFQ

Dữ liệu FEMA đã công bố: Nếu vùng ngập có liên quan đến một nghiên cứu bảo hiểm lũ FEMA (FIS), báo cáo FIS bao gồm các giá trị lưu lượng đỉnh tương ứng với các chu kỳ lặp lại khác nhau tại các vị trí dọc theo vùng ngập. Các giá trị lưu lượng này có thể được sử dụng cho thiết kế cầu nếu không có phương pháp phân tích đáng tin cậy khác cung cấp bằng chứng cho thấy các giá trị từ FEMA là không chính xác. Dù kỹ sư có sử dụng các giá trị đó cho mục đích thiết kế hay không, các giá trị lưu lượng từ FIS thường được sử dụng để đáp ứng yêu cầu tuân thủ vùng ngập.

Regional Regression Equations (Phương trình hồi quy vùng): USGS, FHWA, và các sở giao thông vận tải tiểu bang (State DOTs) đã phát triển các phương trình hồi quy vùng như một phương pháp đơn giản để ước tính lưu lượng đỉnh trên toàn nước Mỹ. Các phân tích tần suất lũ đã dự đoán lưu lượng đỉnh cho các chu kỳ lặp lại cụ thể tại các trạm đo trong từng bang hoặc vùng. Những lưu lượng đỉnh này sau đó được hồi quy tương quan với các đặc điểm lưu vực như độ dốc và diện tích để đưa ra các phương trình hồi quy áp dụng cho các vị trí không có trạm đo.

Ứng dụng web StreamStats của USGS sử dụng các phương trình hồi quy vùng đã công bố để ước tính lưu lượng đỉnh cho các chu kỳ lặp lại từ 2 đến 500 năm tại các điểm được người dùng chọn trên bản đồ tương tác. Lưu ý rằng các phương trình hồi quy vùng có khả năng sai số cao tại một vị trí nhất định nên chỉ nên được sử dụng khi không có dữ liệu trạm đo. Ứng dụng có thể truy cập tại StreamStats.

Nếu không phương pháp nào ở trên khả thi do thiếu dữ liệu hoặc không phù hợp với vị trí cụ thể, HDS-2 mô tả các phương pháp thay thế khác (FHWA 2023b). Một số phương pháp khác mà kỹ sư thỉnh thoảng sử dụng bao gồm những phương pháp sau:

Phương pháp NRCS TR-55: Phương pháp xác định lưu lượng đỉnh TR-55 của NRCS được mô tả chi tiết trong ấn phẩm của NRCS Urban Hydrology for Small Watersheds (NRCS 1986) và phù hợp với HDS-2. Phương pháp này áp dụng cho các lưu vực nhỏ hơn 25 dặm vuông. Phương pháp này sử dụng lượng mưa, sử dụng đất, và độ che phủ mặt đất như được thể hiện qua chỉ số Curve Number (CN) do người dùng chỉ định. Nó cũng sử dụng thông số Thời gian Tập trung (Time of Concentration – Tc), phản ánh tốc độ dòng chảy đạt đến điểm quan tâm từ điểm xa nhất trong lưu vực. Lượng mưa 24 giờ ứng với chu kỳ lặp lại lũ quan tâm là đầu vào cho phương pháp này. Tại hầu hết các tiểu bang, kỹ sư lấy giá trị này từ NOAA Atlas 14 Precipitation Frequency Estimates.

Rainfall-Runoff Hydrograph Methods (Phương pháp Thủy đồ Mưa–Dòng chảy): Một trong các phương pháp lưu lượng đỉnh được mô tả ở trên thường phù hợp cho các dự án cầu. Tuy nhiên, một số tình huống có thể yêu cầu phân tích thủy văn sử dụng các phương pháp mưa–dòng chảy. Các ví dụ về tình huống cần sử dụng phương pháp mưa–dòng chảy bao gồm:

• Lưu vực lớn không có trạm đo dòng chảy, nơi cần độ chính xác cao hơn so với khả năng mà các phương trình hồi quy vùng hiện có có thể cung cấp.
• Khi cần thủy đồ thay vì chỉ lưu lượng đỉnh, chẳng hạn như trong mô hình dòng chảy không ổn định.
• Khi cần xác định khoảng thời gian dòng chảy vượt một ngưỡng nhất định (ví dụ: thời gian tràn đường).
• Khi dự kiến có suy giảm lưu lượng đỉnh tại vị trí dự án do hiệu ứng điều tiết hoặc trữ nước trong lưu vực (chẳng hạn như vùng ngập rộng, độ dốc nhỏ kéo dài).
• Khi thời gian kéo dài của lũ là yếu tố giới hạn trong tính toán độ sâu xói.
• Khi lưu vực phức tạp và bao gồm nhiều tiểu lưu vực có đặc điểm rất khác nhau (ví dụ: từ nông thôn đến đô thị, từ đồi núi đến bằng phẳng, lưu vực bị cháy một phần, v.v.).
• Để hỗ trợ ước lượng ảnh hưởng của các thay đổi trong tương lai như thay đổi sử dụng đất trong lưu vực hoặc biến đổi khí hậu ảnh hưởng đến lượng mưa.

Có nhiều phương pháp mưa–dòng chảy khác nhau. Các phương pháp này có sự khác biệt về cách thực hiện, nhưng nhìn chung chúng có đầu vào và tham số tương tự nhau.

HEC-HMS, được phát triển và duy trì bởi Trung tâm Kỹ thuật Thủy lực USACE (USACE Hydrologic Engineering Center), là một công cụ mã nguồn mở hữu ích để thực hiện phân tích mưa–dòng chảy bằng nhiều phương pháp khác nhau. Có thể tải phần mềm tại HEC-HMS.

5.7 Xác định & Gán Điều kiện Biên Dòng vào và Dòng ra

5.7.1 Dòng vào (Inflow Discharge)

Một giá trị lưu lượng đỉnh là loại đầu vào điều kiện biên thượng lưu phổ biến nhất cho các mô hình thủy lực sông ổn định. Có thể cần nhiều lưu lượng đỉnh nếu miền mô hình bao gồm dòng nhánh. Mục 5.7.3 bên dưới cung cấp tổng quan về cách xác định các tổ hợp dòng chảy cần phân tích khi dự án nằm gần vị trí hợp lưu. Các mô hình dòng chảy không ổn định sử dụng thủy đồ dòng chảy làm đầu vào điều kiện biên thượng lưu.

5.7.2 Cao độ mặt nước dòng ra (Outflow Water Surface Elevation – WSE)

Điều kiện biên hạ lưu, nơi nước thoát ra khỏi mô hình, thường sử dụng một giá trị WSE. Một giá trị WSE duy nhất trên toàn vùng ngập tại điểm hạ lưu của mô hình thường không đại diện chính xác cho thực tế trong các hệ thống sông tự nhiên. Tuy nhiên, điều này thường là một giả định đủ chấp nhận được nếu điều kiện biên nằm đủ xa vị trí quan tâm. WSE có thể là một giá trị hằng số hoặc được thể hiện bằng một đường cong xếp hạng liên hệ WSE với lưu lượng. Các nguồn WSE đã biết phổ biến bao gồm FEMA FIS, dữ liệu trạm đo từ USGS, và các vết dấu mực nước cao đã quan sát được khi lưu lượng tương ứng đã biết hoặc có thể ước tính. Các mô hình 1D và 2D trước đó có thể là nguồn cung cấp WSE nếu có sẵn.

Người dùng cũng có thể sử dụng độ sâu normal để ước lượng WSE hạ lưu nếu không có giá trị đã biết. Trong các dòng chảy tự nhiên, điều kiện dòng thường không đáp ứng tiêu chí độ sâu normal do sự thay đổi địa hình và độ nhám dọc theo chiều dài dòng. Tuy nhiên, độ sâu normal là một giả định hợp lý nếu không có dữ liệu đại diện hơn. Các kỹ sư thường thực hiện phân tích độ nhạy để đánh giá tác động thủy lực tiềm năng của giả định này tại vị trí dự án bằng cách thay đổi độ dốc năng lượng đầu vào. Mở rộng mô hình xa hơn về phía hạ lưu là một chiến lược khác để giảm sự không chắc chắn. Nhiều phần mềm mô hình thủy lực tính toán độ sâu normal bằng cách sử dụng độ dốc năng lượng và lưu lượng do kỹ sư cung cấp.

Độ sâu tới hạn là một lựa chọn để xác định giá trị điều kiện biên WSE nếu biên hạ lưu được biết là nằm tại một đoạn điều khiển, chẳng hạn như chỗ gãy độ dốc đột ngột hoặc hạ thấp trong kênh. Tuy nhiên, độ sâu tới hạn hiếm khi xảy ra trong hầu hết các kênh phù sa tự nhiên.

Người dùng có thể xây dựng rating curve (quan hệ mực nước và lưu lượng) từ các nguồn đã đề cập ở trên cho một dải lưu lượng. Một số phần mềm cung cấp khả năng bổ sung trong việc xây dựng rating curve từ độ sâu normal và độ sâu tới hạn. Đôi khi, một profile FIS của FEMA chỉ bao gồm profile lũ 100 năm hoặc chỉ bao gồm các lưu lượng lũ không khớp với lưu lượng mong muốn cho dự án. Khi gặp tình huống này, độ dốc năng lượng có thể được tính từ lưu lượng với giá trị profile FIS và áp dụng cho các lưu lượng khác trong các phép tính độ sâu normal tại điều kiện biên. Cách tiếp cận này thường được sử dụng kết hợp với việc mở rộng mô hình về phía hạ lưu hoặc thực hiện phân tích độ nhạy.

5.7.3 Dòng chảy tại vị trí hợp lưu (Coincident Flows at Confluences)

Khi vị trí cầu bắc qua một dòng suối gần vị trí hợp lưu với một dòng khác, kỹ sư cần xem xét ảnh hưởng tiềm tàng của dòng còn lại đến thủy lực tại vị trí giao cắt. Các câu hỏi cần cân nhắc bao gồm:

• Nếu cầu nằm ở phía thượng lưu của hợp lưu: Dòng chảy từ dòng còn lại sẽ ảnh hưởng như thế nào đến profile mực nước thông qua khẩu độ cầu ứng với các chu kỳ lặp lại lũ khác nhau?
• Nếu cầu nằm trong hoặc gần vùng hợp lưu trên vùng ngập: Sự tương tác giữa hai dòng chảy sẽ ảnh hưởng như thế nào đến phân bố và hướng dòng chảy trong khu vực hợp lưu?

Để xem xét đầy đủ các ảnh hưởng tại hợp lưu, cần ước lượng xác suất xảy ra đồng thời của dòng chảy từ hai dòng. Hãy xem xét một cây cầu bắc qua một dòng nhánh nhỏ cách không xa phía thượng lưu của một con sông lớn, như được minh họa trong Hình 5.17. Dòng nhánh này có thể có diện tích lưu vực nhỏ hơn nhiều so với con sông chính. Các yếu tố khác nhau có thể gây ra lũ nghiêm trọng trên sông lớn hơn so với các yếu tố gây lũ nghiêm trọng trên dòng nhánh. Ví dụ, lũ trên các sông lớn thường do tuyết tan vào mùa xuân kết hợp với các trận mưa kéo dài và có thể kéo dài nhiều tuần. Trong khi đó, các cơn giông dữ dội thường gây ra lũ trên các dòng nhánh nhỏ hơn vào những thời điểm khác trong năm và thường chỉ kéo dài vài giờ.

Nhiều kỹ sư thủy lực theo trực giác nhận ra rằng lũ 100 năm trên một dòng nhánh nhỏ không có khả năng trùng với lũ 100 năm trên một con sông lớn. Tuy nhiên, cần xác định các tổ hợp khả thi của dòng chảy trong dòng nhánh và sông tiếp nhận tương ứng với chu kỳ lặp lại 100 năm. Nếu đánh giá quá cao lưu lượng đồng thời, kỹ sư có thể thiết kế với chu kỳ lặp lại lớn hơn cần thiết. Ngược lại, nếu đánh giá thấp giá trị đồng thời, có thể dẫn đến hậu quả tiêu cực như cao độ đáy dầm cầu không đủ, làm giảm khoảng không yêu cầu trong thiết kế.

Thông tin sẵn có về tần suất dòng chảy đồng thời tại các vị trí hợp lưu còn hạn chế. NCHRP đã thực hiện một dự án nghiên cứu (Dự án 15-36) (NCHRP 2010c) nhằm phát triển các quy trình thực tiễn và đáng tin cậy để ước tính xác suất dòng chảy đồng thời tại hợp lưu. Nghiên cứu này cung cấp các tổ hợp sự kiện có xác suất đồng thời bằng nhau dựa trên diện tích lưu vực tổng cộng và tỉ lệ diện tích hai lưu vực. Ví dụ, kỹ sư có thể phân tích hai lưu vực có diện tích kết hợp lớn hơn 350 dặm vuông và tỉ lệ diện tích lưu vực lớn hơn bảy (7) bằng cách kết hợp các sự kiện: 2 năm với 100 năm, 50 năm với 79 năm, 66 năm với 66 năm, 79 năm với 50 năm, và 100 năm với 2 năm trên hai dòng. Năm tổ hợp này đều có xác suất vượt hàng năm đồng thời (AEP) bằng 0.01 (tương ứng với chu kỳ lặp lại 100 năm).

Mặc dù các tổ hợp này có xác suất xảy ra bằng nhau, bất kỳ tổ hợp nào cũng có thể gây ra ngập lớn nhất tại vị trí cầu, tạo ra khả năng xói lớn nhất, hoặc ảnh hưởng đến một khía cạnh thiết kế khác.

5.7.4 Mô hình dòng chảy ổn định (steady) so với dòng chảy không ổn định (unsteady)

Phần lớn các phân tích thủy lực cầu sông sử dụng các điều kiện biên trạng thái ổn định, trong đó điều kiện lưu lượng đỉnh cho các sự kiện thiết kế khác nhau được sử dụng cho mục đích thiết kế thủy lực và tính toán xói lở. Chương 8 cung cấp thông tin về mô hình dòng chảy không ổn định. Mô hình dòng không ổn định áp dụng cho một số điều kiện, bao gồm hầu hết các ứng dụng có ảnh hưởng thủy triều. Một ngoại lệ đối với các mô hình thủy triều là khi lưu lượng đỉnh và cao độ mặt nước tương ứng đã được xác định một cách đáng tin cậy bằng các phương tiện khác. Trong một số trường hợp hiếm gặp, kỹ sư có thể cần thực hiện mô hình dòng chảy không ổn định để đánh giá ảnh hưởng lưu trữ hoặc để tuân thủ quy định khi mô hình lũ lụt thuộc quyền quản lý yêu cầu mô hình dòng không ổn định.

Một số người thường nhầm tưởng rằng việc tăng kích thước của cầu sẽ làm tăng ngập lụt hạ lưu do giảm lượng nước được lưu trữ ở phía thượng lưu công trình hiện có. Các nghiên cứu về chủ đề này của McEnroe (2006) kết luận rằng khả năng lưu trữ do công trình tạo ra ảnh hưởng rất ít đến cống và thậm chí cả cầu đường lớn. Do đó, việc mở rộng cầu và cống hiếm khi làm tăng ngập lụt hạ lưu, vì lợi ích từ việc tăng công suất thường lớn hơn các mối lo ngại khác. Các tuyến đường có khả năng bị tràn thường không bị tăng dòng chảy hạ lưu khi xây dựng các công trình lớn hơn. Mô hình dòng chảy không ổn định là công cụ lý tưởng để đánh giá khả năng tăng ngập hạ lưu. Tuy nhiên, phạm vi mô hình phải được thiết lập sao cho có thể thu thập lưu lượng trữ ở thượng lưu, và phạm vi hạ lưu được thiết lập để tính đến ảnh hưởng của điều tiết. Điều kiện biên hạ lưu được chỉ định để áp dụng cho toàn bộ dải lưu lượng (rating curve và normal depth).

(nd: Rating Curve)

Trong ngữ cảnh thủy lực, Rating Curve là

• Đường quan hệ mực nước – lưu lượng
• Đường quan hệ WSE – Q
• Đường đường cong quan hệ giữa cao độ mặt nước và lưu lượng

“Rating curve” trong thủy lực là mối quan hệ thực nghiệm giữa mực nước (WSE) và lưu lượng dòng chảy (Q) tại một điểm đo, thường dùng trong các trạm thủy văn.

Mặc dù các tác động tiềm tàng về phía hạ lưu do việc mở rộng cầu nhìn chung là nhỏ hoặc không đáng kể, nhưng lợi ích từ việc mở rộng cầu thường là đáng kể. McEnroe (2006) chỉ ra rằng các lợi ích bao gồm giảm backwater, ngập lụt, tràn mặt cầu, và xói lở. Ông cũng chỉ ra rằng ngay cả khi lưu lượng hạ lưu tăng, thủy đồ dòng chảy sẽ giống hơn với điều kiện tự nhiên tồn tại trước khi xây dựng đường. Các lợi ích khác thường bao gồm tăng khả năng chống chịu và độ tin cậy, cũng như cải thiện khả năng di chuyển của các sinh vật thủy sinh và trên cạn.

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