Hình 6.1: Biểu tượng Channel Lining Design Calculator
Hình 6.2: Giao diện Channel Lining Design Calculator
Channel Lining Design Calculator cung cấp bốn loại lớp lót kênh để lựa chọn nhằm thiết kế các kênh ổn định dọc theo đường:
- Đá (Rock) (bao gồm đá hộc nhỏ, cuội, sỏi)
- Thảm thực vật (Vegetation)
- Sản phẩm kiểm soát xói mòn cuộn (Rolled Erosion Control Product – RECP)
- Gabion (Mattress)
Thông thường, bằng cách so sánh ứng suất cắt lớn nhất do dòng chảy gây ra với ứng suất cắt cho phép của lớp lót kênh, có thể xác định mức độ chấp nhận được của loại lớp lót đó. Nếu ứng suất cắt cho phép lớn hơn hoặc bằng ứng suất cắt tính toán (có kể đến hệ số an toàn), thì lớp lót được xem là chấp nhận được. Nếu lớp lót không chấp nhận được, cần chọn loại lớp lót có ứng suất cắt cho phép cao hơn, giảm lưu lượng dòng chảy, hoặc điều chỉnh hình học kênh.
Phương trình tổng quát để tính ứng suất cắt cực đại trong dòng chảy kênh hở là:
$$\tau_d = \gamma d S_0 \quad \text{(HEC 15, Eqn. 3.1)}$$
Trong đó:
- τd: ứng suất cắt tại độ sâu lớn nhất trong kênh, N/m² (lb/ft²)
- γ: trọng lượng riêng của nước, N/m³ (lb/ft³)
- d: độ sâu dòng chảy trong kênh, m (ft)
- S0: độ dốc đáy kênh, m/m (ft/ft)
Biểu đồ quy trình thiết kế lớp lót kênh mềm
- Xác định lưu lượng thiết kế, Q, và chọn độ dốc và hình dạng kênh
- Chọn lớp lót
- Ước tính độ sâu kênh, di, và tính bán kính thủy lực, R
- Ước tính hệ số Manning, n, và tính lưu lượng Q
- Qi có nằm trong phạm vi ±5% của Q không?
- Không → Quay lại bước 3
- Có → Bước tiếp theo - Tính ứng suất cắt lớn nhất, τd; xác định ứng suất cắt cho phép, τp; và chọn hệ số an toàn SF
- τp>SF(τd) có thỏa không?
- Không → Quay lại bước 2
- Có → Lớp lót là chấp nhận được
Phương trình cho ứng suất cắt cho phép là khác nhau đối với mỗi vật liệu lớp lót. Các mô tả sau đây về các loại lớp lót bao gồm phương trình thích hợp.
Mỗi loại lớp lót yêu cầu các Tham số Đầu vào riêng biệt. Khi bạn chọn một loại lớp lót, màn hình nhập dữ liệu tương ứng sẽ mở ra. Sau khi chọn loại lớp lót mong muốn, người dùng cung cấp các tham số thủy lực ban đầu, đã được chuẩn hóa theo độ sâu cần thiết cho thiết kế lớp lót. Người dùng cung cấp các tham số này bằng cách chọn một tệp Channel Calculator đã xác định trước hiển thị trong cửa sổ “Chọn Kênh” hoặc nhập dữ liệu đặc trưng thủy lực và kênh mới tại chỗ bằng Channel Calculator. (Tham khảo phần sử dụng Channel Calculator được mô tả trước đó trong tài liệu này.) Lưu ý rằng người dùng phải cung cấp giá trị ban đầu của hệ số Manning n. Vì Toolbox xác định giá trị n cuối cùng thông qua quy trình tính toán lặp, yêu cầu duy nhất là một giá trị phỏng đoán ban đầu. Toolbox sẽ chuyển kết quả của Channel Calculator đã chọn đến màn hình nhập dữ liệu.
Sau khi cung cấp các tham số thủy lực cho kênh, người dùng phải cung cấp các Tham số Đầu vào riêng biệt cho loại lớp lót đã chọn. Sau khi nhập tất cả dữ liệu đầu vào, Toolbox sẽ ngay lập tức xác định tính phù hợp của loại lớp lót đã chọn đối với điều kiện thủy lực của kênh. Nếu loại lớp lót đáp ứng tốt với các đặc tính kênh đã cho, một thông báo màu xanh lục sẽ xuất hiện nêu rõ lớp lót là chấp nhận được. Nếu lớp lót không phù hợp, một thông báo màu đỏ sẽ xuất hiện.
Các thao tác và yêu cầu nêu trên là giống nhau cho tất cả bốn loại lớp lót. Mô tả về các Tham số Đầu vào và Kết quả riêng biệt được liệt kê dưới đây cho mỗi loại lớp lót.
Chi tiết thêm về các phương trình được sử dụng trong máy tính thiết kế lớp lót kênh được trình bày trong tài liệu tham khảo sau:
Kilgore, R.T., and Cotton, G.K., September 2005, Design of Roadside Channels with Flexible Linings, Hydraulic Engineering Circular No. 15, Third Edition, FHWA-NHI-05-114, HEC 15.
https://www.fhwa.dot.gov/engineering/hydraulics/library_arc.cfm?pub_number=15&id=32
6.1 Thiết Kế tính toán Lớp Lót Kênh – Lớp Lót Bằng Đá
Phương trình tính ứng suất cắt cho phép của lớp lót bằng đá rời là:
$$\tau_p = F_r (\gamma_s – \gamma) D_{50} \quad \text{(FHWA HEC 15, Phương trình 6.7)}$$
Các tham số đầu vào riêng biệt cần thiết cho các kênh lót bằng đá là:
- Kích thước phần tử D₅₀ của đá đề xuất, tính bằng ft
- Trọng lượng riêng của đá, lb/ft³ (thường từ 150 – 170)
- Trọng lượng riêng của nước, lb/ft³ (nước ngọt: 62.4; nước mặn: 64.4)
- Hình dạng của đá (Nghiền, Góc cạnh, Tròn)
- Hệ số an toàn được lựa chọn
Thông thường, thực hành là sử dụng trọng lượng riêng tiêu chuẩn của đá là 165 lb/ft³ nhưng nếu đá sẵn có khác giá trị này, hãy sử dụng giá trị tại chỗ.
Bảng 6.1: Lựa chọn Thông số Shields và Hệ số An toàn (HEC 15, mục 6.2)
| Reynolds number | F* (Thông số Shields) | SF (Hệ số an toàn) |
|---|---|---|
| ≤ 4×10⁴ | 0.047 | 1.0 |
| 4×10⁴ < Re < 2×10⁵ | Nội suy tuyến tính | Nội suy tuyến tính |
| ≥ 2×10⁵ | 0.15 | 1.5 |
Kết quả được tạo riêng cho kênh lót bằng đá bao gồm:
- Góc nghỉ
- Hệ số Manning, n
- Ứng suất cắt cho phép và ứng suất cắt thực tế tại đáy kênh, mái kênh, và đoạn uốn
- Chiều dài bảo vệ yêu cầu sau đoạn uốn
- Phần mép tự do bổ sung do siêu cao tại đoạn uốn
Thông thường, người thiết kế điều chỉnh dần kích thước đá (D₅₀) theo kết quả tính toán cho đến khi tìm được kích thước phù hợp.
6.2 Thiết Kế tính toán Lớp Lót Kênh – Lớp Lót Bằng Thảm Thực Vật
Tổng hợp ảnh hưởng của ứng suất cắt cho phép của đất và ứng suất cắt hiệu quả truyền qua lớp phủ thực vật tạo thành ứng suất cắt cho phép đối với lớp lót bằng thảm thực vật. Phương trình tính ứng suất cắt cho phép của lớp lót bằng thực vật là:
$$\tau_p = \frac{\tau_{p.soil}}{(1 – C_r)} \left( \frac{n}{n_s} \right)^2 \quad \text{(HEC 15, Phương trình 4.7)}$$
Các tham số đầu vào riêng biệt cần thiết cho các kênh lót bằng thực vật gồm:
- Trọng lượng riêng của nước, lb/ft³ (nước ngọt: 62.4; nước mặn: 64.4)
- Chiều cao thảm thực vật
- Tình trạng thảm thực vật
- Hình thái thảm thực vật
- Loại đất (Không kết dính hoặc Có kết dính)
- Đặc điểm lớp đất (Đất không dính: D75; Đất dính: PI, độ rỗng, v.v.)
- Hệ số an toàn mong muốn
Các kết quả riêng biệt cho các kênh có lớp lót bằng thảm thực vật gồm:
- Ứng suất cắt cho phép và ứng suất cắt thực tế tại đáy kênh và tại các đoạn cong
- Chiều dài bảo vệ yêu cầu sau đoạn cong
- Phần mép tự do bổ sung do siêu cao tại đoạn cong
Thông thường, người thiết kế sẽ điều chỉnh các đặc tính của thảm thực vật cho đến khi tìm được tổ hợp phù hợp. Nếu không thể xác định được một tổ hợp đặc tính thảm thực vật phù hợp, người thiết kế cần chọn và kiểm tra một loại lớp lót chắc chắn hơn.
6.3 Thiết kế tính toán Lớp Lót Kênh – Lớp Lót RECP
Tổng hợp ảnh hưởng của ứng suất cắt cho phép của đất và ứng suất cắt hiệu quả truyền qua lớp lót RECP tạo thành ứng suất cắt cho phép cho lớp lót RECP.
Phương trình tính ứng suất cắt cho phép của lớp lót RECP là:
$$\tau_p = \frac{\tau_1}{\alpha} \left( \tau_{p.soil} + \frac{\alpha}{4.3} \right) \quad \text{(HEC 15, Phương trình 5.5)}$$
Các tham số đầu vào riêng biệt cần thiết cho các kênh lót bằng RECP gồm:
- Loại RECP (Vải dệt thưa, Thảm kiểm soát xói mòn, Thảm gia cố cỏ)
- Ứng suất cắt gây ra 0.5 inch xói mòn đối với loại REC đã chọn
- Hệ số Manning cho loại REC đã chọn
- Trọng lượng riêng của nước, lb/ft³ (nước ngọt: 62.4; nước mặn: 64.4)
- Loại đất (Không kết dính hoặc Có kết dính)
- Đặc điểm lớp đất (Đất không kết dính: D75; Đất kết dính: PI, độ rỗng, v.v.)
- Hệ số an toàn mong muốn
Các kết quả riêng biệt cho các kênh lót bằng RECP gồm:
- Ứng suất cắt cho phép và ứng suất cắt thực tế tại đáy kênh và tại các đoạn cong
- Chiều dài bảo vệ yêu cầu sau đoạn cong
- Phần mép tự do bổ sung do siêu cao tại đoạn cong
Thông thường, người thiết kế sẽ lựa chọn các loại RECP khác nhau cho đến khi tìm được loại phù hợp. Nếu không thể xác định được loại lớp lót phù hợp, người thiết kế cần chọn và kiểm tra một loại lớp lót chắc chắn hơn.
6.4 Thiết kế tính toán Lớp Lót Kênh – Lớp Lót Rọ Đá (Gabion Lining)
Ước tính ứng suất cắt cho phép đối với rọ đá dựa trên kích thước đá lấp hoặc độ dày của tấm rọ đá. Toolbox tính toán ứng suất cắt cho phép theo cả hai cách và sử dụng giá trị lớn hơn. Độ dày tấm rọ là cơ sở cho phương trình tính ứng suất cắt cho phép của rọ đá:
$$\tau_p = 0.0091(\gamma_s – \gamma)(MT + MT_c) \quad \text{(FHWA HEC 15, Phương trình 7.2)}$$
Dữ liệu thực nghiệm dùng để xây dựng phương trình này xác định giới hạn sử dụng của nó. Kích thước đá trong tấm rọ thường dao động từ 0.25 đến 1.5 ft tùy theo độ dày của tấm. Xem HEC 15, trang 7-2 để biết thêm thông tin.
Các tham số đầu vào riêng biệt cho các kênh lót bằng rọ đá gồm:
- Kích thước phần tử D₅₀ của đá đề xuất, ft
- Độ dày tấm rọ đá, ft (giới hạn từ 0.5 đến 1.5 ft)
- Trọng lượng riêng của đá, lb/ft³ (thường từ 150 – 170)
- Hệ số an toàn mong muốn
Các kết quả riêng biệt cho các kênh lót bằng rọ đá gồm:
- Hệ số Manning, n
- Ứng suất cắt cho phép và ứng suất cắt thực tế tại đáy kênh và đoạn cong
- Chiều dài bảo vệ yêu cầu sau đoạn cong
- Phần mép tự do bổ sung do siêu cao tại đoạn cong
- Phần mở rộng tối thiểu ở thượng lưu và hạ lưu khu vực được bảo vệ
- Mép tự do tối thiểu cho loại dòng chảy
Thông thường, người thiết kế sẽ điều chỉnh dần kích thước đá và/hoặc độ dày tấm rọ theo kết quả tính toán cho đến khi xác định được tổ hợp phù hợp.