Công tác Thoát nước mưa

Phương tiện thích hợp để dẫn nước mưa đi ra khỏi tòa nhà là một yêu cầu quan trọng trong hầu hết các công trình xây dựng. Trong trường hợp mái nhà bị rò rỉ, dù nguyên nhân có thể là gì, và hệ thống ống xối bị tràn, có thể gây ra thiệt hại đáng kể cho cả cấu trúc và nội thất bên trong trong thời gian dài. Tuy nhiên, chủ đề này thường được coi là một trong những yếu tố cuối cùng được xem xét trong một dự án xây dựng. Điều này là đáng tiếc, vì có nhiều lợi ích có thể được tích lũy thông qua việc xem xét các yêu cầu này từ giai đoạn đầu trong quá trình lập kế hoạch và thiết kế. Chủ đề này không nên chỉ được coi là một vấn đề chi tiết khi dự án đang gần hoàn thành. Hiểu biết về thiết kế hệ thống dẫn nước và việc áp dụng các nguyên tắc cơ bản là điều kiện tiên quyết để tạo ra các giải pháp đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí.

Các quy tắc truyền thống đã đóng vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước và khoảng cách của máng xối, đầu ra và đường ống dẫn xuống trong hệ thống thoát nước. Có những quy tắc đơn giản, ví dụ như mỗi 10m² diện tích mái cần có ống dẫn xuống có diện tích mặt cắt ngang là 650 mm². Tuy nhiên, khả năng xả nước của một đường ống dựa trên quy tắc này thường lớn hơn so với dòng chảy thực tế. Trong mọi trường hợp, việc xả nước có thể bị hạn chế bởi thiết kế của lối vào đầu ống dẫn xuống, điều này ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xả nước.

Vì vậy, điều quan trọng là cần xem xét toàn bộ thiết kế của mái nhà, máng xối, lối vào và đường ống dẫn xuống, thậm chí cả hệ thống thoát nước ngầm, để đảm bảo rằng yêu cầu xả nước mưa được đáp ứng một cách đáng tin cậy.

Nghiên cứu và dữ liệu về thiết kế hệ thống thoát nước vẫn còn hạn chế. Một nghiên cứu của Mỹ vào năm 1934 (Beij 1934) về dòng chảy trong máng xối đã cung cấp thông tin đáng tin cậy trong một vài năm. Trong những năm 1950, Trạm Nghiên cứu Tòa nhà đã tiến hành các thử nghiệm trên mô hình thu nhỏ để nghiên cứu toàn bộ hệ thống, và kết quả của các thử nghiệm này đã được áp dụng vào tài liệu Digezt và Tiêu chuẩn Anh 6367. Tất nhiên, để thực hiện thiết kế, thông tin về lượng mưa là điều cần thiết và Văn phòng Khí tượng đã đóng góp vào việc cung cấp những thông tin này.

Gần đây hơn, Văn phòng, Công ty TNHH

Nghiên cứu Thủy lực và Viện Thủy văn đã tiến hành các cuộc điều tra thực tế và lý thuyết được báo cáo trong nhiều tài liệu, bao gồm NERC (1975) và tháng 5 (1982).

Kết quả của tất cả những công việc này đã tạo nên một cơ sở vững chắc để cập nhật và mở rộng các quy tắc và tiêu chuẩn, bao gồm cả việc phát triển các đề xuất của Châu Âu theo tiêu chuẩn CEN. Mục đích là cung cấp một số nguyên tắc cơ bản và dữ liệu cơ bản để đạt được hiệu suất đáng tin cậy và minh họa ứng dụng của chúng trong thiết kế.

Trong khi các hệ thống thoát nước mưa và máng xối hở thông thường vẫn chiếm ưu thế trên thị trường, thì trong 30 năm qua, diện tích mái nhà công nghiệp và thương mại ngày càng tăng đã khiến các hệ thống siphonic đã trở thành một giải pháp hợp lý để thoát nước. Chương 9 bao gồm phần giới thiệu về phương thức hoạt động của các hệ thống này dựa trên dòng chảy đầy lỗ khoan trong mạng lưới liên kết đầu ra của máng xối với các kết nối cống trên mặt đất, cùng với mô phỏng các dòng chảy không ổn định do bão tạo ra. Hệ thống siphonic có khả năng xả nước với lưu lượng cao hơn đáng kể so với hệ thống máng xối mở thông thường.

Mặc dù hệ thống siphonic mang lại lợi thế so với phương pháp truyền thống, nhưng chúng phụ thuộc vào việc thiết lập dòng chảy đầy đủ trong mạng luới ống nước. Yêu cầu này ngụ ý rằng hệ thống siphonic chỉ được thiết kế chính xác cho một cường độ bão và thời gian tối thiểu. Dưới mức này, hệ thống không thể hoạt động như một hệ thống dòng chảy bề mặt tự do hoặc chịu được điều kiện dòng chảy dao động, vì mồi thường bị phá vỡ do không khí xâm nhập từ các cửa xả của máng xối. Vượt quá mức thiết kế, có thể xảy ra tình trạng mưa bão tràn qua máng xối nếu không có sự chuyển hướng an toàn cho dòng nước mưa

Trong những năm gần đây, nhiều tòa nhà uy tín đã lựa chọn hệ thống thoát nước siphonic, bao gồm Sân vận động Olympic Sydney và Sân bay Hong Kong, cũng như nhiều tòa nhà thương mại và công nghiệp lớn với nhịp mái và lớp phủ mặt đất rộng lớn. Thiết kế thành công hệ thống thoát nước siphonic đòi hỏi trình độ chuyên môn cao hơn so với phương pháp truyền thống. Hiện tại, Vương quốc Anh chưa có tiêu chuẩn thiết kế cụ thể cho hệ thống siphonic, tuy nhiên, khi tiêu chí thiết kế được hiểu rõ hơn, đây chắc chắn sẽ trở thành một lựa chọn thiết kế hấp dẫn cho các dự án tòa nhà lớn.

Cân nhắc chung

Mái nhà và các khu vực được lát đá, vì không thấm nước, tạo thành các khu vực lưu vực nhỏ và tích tụ một lượng nước đáng kể khi lượng mưa lớn. Điều này có thể gây ngập lụt trừ khi có đủ hệ thống thoát nước và do đó, vấn đề này là điều mà thiết kế và lắp đặt được ưu tiên giải quyết. Một yếu tố quan trọng là thời gian tập trung cho khu vực lưu vực,tức là thời gian mà nước mất để đến điểm xả từ xa nhất. Với các tòa nhà, khoảng cách này thường là hàng chục mét, thời gian tập trung khoảng 1 đến 2 phút.

Loại mưa mà nhà thiết kế quan tâm là loại có liên quan đến các cơn bão mùa hè vì chúng có thể tạo ra cường độ mưa cao trong thời gian ngắn. Có thể mong đợi rằng nước tuyết tan cũng nên được xem xét trong thiết kế nhưng điều này không cần thiết ở Vương quốc Anh vì lượng nước chảy ra từ điều kiện thời tiết này ít hơn so với mức độ mưa mùa hè..

Mái nhà dốc thường có máng xối được cố định với một độ nghiêng ước tính, ví dụ như 1 đến 3 mm/m đối với máng xối trong hộ gia đình, chúng được xả qua ống dẫn xuống. Những mái nhà phẳng được gọi là mái nhà có một độ nghiêng nhỏ để thuận tiện cho việc di chuyển nước mưa đến một đầu ra mái nhà hoặc một kênh được tạo thành trên mái nhà và dẫn đến máng xối hoặc đầu ra. Có thể thiết lập máng xối hẻm giữa các mái nhà, và máng xối trên tường chắn và tường ranh có thể cần thiết. Như đã đề cập, thiết kế của các cửa thoát nước từ mái nhà vào các đường ống dẫn xuống thường rất quan trọng để đạt được hiệu suất thỏa đáng.

Có sẵn nhiều loại linh kiện và phụ kiện cho mục đích này, đồng thời hình dạng và độ cong rất quan trọng để tiến hành xả nước hiệu quả. Gang là vật liệu truyền thống cho máng xối và ống dẫn xuống; hệ thống bằng nhựa hiện nay phổ biến, và cũng có sẵn hệ thống bằng xi măng asbesto, nhôm, thép nhẹ mạ kẽm và sơn men, đồng và kẽm gia công, mỗi loại có các đặc điểm riêng. Ống dẫn xuống có thể xả trực tiếp vào ống thoát ngầm nếu nó chỉ dùng cho nước mặt, nhưng phải xả vào một bể chứa nếu ống cũng chứa nước thải.

Lưu lượng Q của nước mưa thoát ra từ mái nhà không thấm nước trong điều kiện ổn định được cho bởi biểu thức:

Q = r A l/s trong đó r là cường độ mưa tính bằng l/s/m2 và A là diện tích mái hiệu quả tính bằng m2. Cường độ đôi khi được tính bằng mm/h, được chuyển đổi thành l/s/m2 bằng cách chia cho 3600. Các phương pháp xác định cường độ và diện tích cho mục đích thiết kế được đưa ra trong các phần sau.

Các cơn bão mùa hè phát sinh do các khối không khí lớn được làm nóng bởi mặt đất hoặc biển trở nên ít đậm đặc hơn không khí xung quanh và bốc lên trong bầu khí quyển. Dòng chảy ngược lên này tạo thành một đám mây và thông qua quá trình ngưng tụ, tạo ra mưa, vì những lý do liên quan đến điều kiện khí quyển, rơi ra bên ngoài nền của đám mây chứ không quay trở lại qua nó.

Cường độ mưa được tạo ra bởi một quá trình liên tục có tính chất như vậy thường nằm trong khoảng từ 25 đến 100 mm/h. Đôi khi nó đạt được cường độ 200 mm/h trong 5 phút, trong khi cường độ tối đa có thể có trong 1 phút ở Anh được cho là khoảng 300 mm/h.

Các báo cáo về các cơn bão ở Hoa Kỳ và các vùng nhiệt đới đã chỉ ra tốc độ 1000 mm/h trong các khoảng thời gian tương tự. Việc đo lường chính xác các cường độ này và phân tích thống kê và phân loại kết quả là cần thiết để tạo ra dữ liệu cho việc thiết kế.

Các phương pháp hiện đại dựa trên phân tích giá trị cực trị, một nhánh thống kê liên quan đến sự phân bố các sự kiện hiếm gặp trong tổng thể gốc. Điều này cho phép tính toán xác suất mà trong một năm nhất định, một số sự kiện chẳng hạn như lượng mưa đo được tại một điểm trong một thời gian xác định không bị vượt quá. Với lượng mưa thiết kế, quy ước đề cập đến chu kỳ lặp lại T của cường độ, nếu T không ít hơn 5 năm, có thể được xác định gần đúng bằng xác suất (1 — 1/T) mà sự kiện sẽ không bị vượt quá trong bất kỳ trường hợp nào trong năm được xét đến. Ví dụ: nếu cường độ mưa 2 phút có chu kỳ quay lại 50 năm, giá trị đó sẽ đạt hoặc vượt quá trung bình cứ sau 50 năm một lần. Điều này không loại trừ khả năng xảy ra hai sự kiện hiếm gặp trong một khoảng thời gian ngắn hơn, vì trên đây là giá trị trung bình.

Các phương pháp này đã được Văn phòng Khí tượng sử dụng để tính toán các ngưỡng vượt quá lượng mưa đối với nhiều điều kiện khác nhau ở Vương quốc Anh, kết quả được lập thành bảng và biểu thị thành bản đồ. Một phát hiện quan trọng từ nghiên cứu này là sự thay đổi địa lý về cường độ mưa lớn, ngắn hạn, ví dụ như trong bảng 13.1. Điều này dựa trên một trong số các bản đồ tương tự cho Vương quốc Anh bao phủ phạm vi mưa ở mức 75−225 mm/h (BS 6367). Nó cho thấy rằng thời gian quay trở lại đối với mức 100 mm/h trong hơn 2 phút ở phía bắc lớn hơn nhiều so với ở phía nam của Quần đảo Anh. Bảng 13.1 minh họa thêm điều này cho London và Edinburgh. Nguyên nhân của sự khác biệt này nằm ở sự khác biệt về địa hình và khí hậu. Ở phía nam, địa hình bằng phẳng và gần với không khí lục địa ấm áp kết hợp với nhau tạo ra những điều kiện đặc biệt thích hợp để tạo ra các cơn bão mùa hè. Điều kiện ở phía bắc ít phù hợp hơn. Lượng mưa trung bình hàng năm cao hơn ở nhiều vùng phía bắc không liên quan đến chủ đề đang thảo luận.

Bảng 13.1: So sánh thời gian cường độ mưa quay trở lại ở phía bắc và phía nam của Quần đảo Anh

Trước khi đưa ra một số dữ liệu cho công tác thiết kế, sẽ rất hữu ích khi tham khảo thêm một cách phân tích vì thiết kế thường có thể yêu cầu ước tính rủi ro lượng mưa vượt quá giá trị thiết kế đã chọn trong suốt thời gian tồn tại dự kiến của cấu trúc hoặc có thể là phần thiết bị bên trong. Điều này có thể được thực hiện (Butler 1983) bằng cách sử dụng biểu thức: P = 1 — (1 — 1/T)L trong đó P là xác suất vượt quá tỷ lệ thiết kế đã chọn (yếu tố rủi ro), T là khoảng thời gian lượng mưa quay lại tính bằng năm và L là tuổi thọ dự kiến của cấu trúc tính bằng năm. Biểu thức có ý nghĩa với điều kiện T không ít hơn 5 năm. Kết hợp điều này với dữ liệu lượng mưa cho phép ta tìm ra tỷ lệ cần thiết.

Cơ sở thực hiện các quy tắc ở Vương quốc Anh (BS 6367) là:

Loại 1 Tốc độ thiết kế là 50 mm/h (0,014 l/s/m2) được khuyến nghị cho các khu vực trải nhựa khi có thể chịu được đọng nước trong và một thời gian ngắn sau cơn bão.

Loại 2 Tốc độ thiết kế được khuyến nghị là 75 mm/h (0,021 l/s/m2) cho các bề mặt dốc và cho các bề mặt phẳng nơi không thể chịu được đọng nước. Điều này nói chung là thỏa đáng đối với các máng xối mái hiên, nơi không có khả năng xảy ra hiện tượng nước tràn bên trong và đối với các máng xối khác, nơi có thể chấp nhận được một số rủi ro đối với phần chứa bên trong. Đó là các giá trị trong Tài liệu đã được phê duyệt H3, Quy định xây dựng năm 2000. Ví dụ, các rủi ro liên quan đến máng tiêu nước ở mái xối đôi khi có thể chỉ ra nhu cầu về các giá trị thiết kế trong các phân loại từ 3 đến 5 thay vì 2. Loại 3 Loại này dựa trên xác suất là 0,5 và với giá trị này, chu kỳ lượng mưa quay lại là T = 1,5 L được phát hiện là đáp ứng phương trình trên đối với phạm vi tuổi thọ của cấu trúc. Sau đó, giả sử, ví dụ, L được coi là 40 năm, T=60. Các bản đồ như hình 13.1 cho tỷ lệ thiết kế phù hợp; từ ví dụ này có thể thấy rằng mức 100 mm/h (0,028 l/s/m2) có thể được chọn cho một số nơi ở Scotland nhưng con số cao hơn sẽ phù hợp ở hầu hết nước Anh.

Loại 4 Xác suất là 0,2 và tương ứng T= 4,5L. Với L = 40 năm, T = 180 và điều kiện khắt khe hơn này sẽ cho tỷ lệ thiết kế cao hơn.

Loại 5 Xác suất tiến gần đến 0 và thời gian quay lại là 35 000 năm được khuyến nghị; đây là một con số thực nghiệm cho tần suất bao gồm tất cả các sự kiện đã biết.

Trong một số quy tắc, các phân loại khác nhau như vậy đã được kết hợp thông qua một danh sách các yếu tố an toàn có thể được áp dụng theo các trường hợp bao gồm, ví dụ, máng tiêu nước ở mái xối và các tòa nhà cần được bảo vệ đặc biệt. Cường độ mưa tối thiểu liên quan đến yêu cầu quốc gia và địa phương sẽ được chọn; điều này được nhân lên với hệ số an toàn phụ thuộc vào loại máng xối và tình huống (và xem BSEN 12056).

Tất nhiên, mưa có thể được điều khiển bởi gió và, như đã thảo luận trong phần tiếp theo, cần phải tính đến điều này khi ước tính diện tích lưu vực hiệu quả của một mái nhà hoặc khu vực lát đá. Các nghiên cứu của Văn phòng Khí tượng đã chỉ ra rằng góc so với phương thẳng đứng của cơn mưa lớn sẽ thay đổi đôi chút giữa các địa điểm lộ thiên và được che chở, với giá trị trung vị cho góc này ở tất cả các khu vực ở Vương quốc Anh là 28 O. Giá trị này gần với giá trị được khuyến nghị trong BS 6367 tức là 26 O theo phương thẳng đứng hoặc tan—1 1. Một điểm khác là gió thổi dọc theo máng xối có thể ảnh hưởng đến khả năng chảy của nó.

Dòng chảy

Như đã đề cập, diện tích lưu vực hiệu quả của bề mặt dốc hoặc thẳng đứng phụ thuộc vào góc đổ của mưa. Hình dạng của mái nhà và tòa nhà, và cách bố trí, ảnh hưởng đến luồng gió cục bộ và có thể có vai trò quan trọng. Theo nguyên tắc chung, thiết kế nên dành cho hướng gió sẽ làm cho lượng nước mưa chảy tối đa.

Hình 13.2 cho thấy diện tích lưu vực hiệu quả của mái nhà đơn giản phụ thuộc vào góc hạ xuống của mưa và do đó dựa vào vào gió. Với máng tiêu nước ở mái xối, một bên của mái nhà có xu hướng lộ ra ngoài, bên còn lại được che chở.

Hình 13.2 Ví dụ về diện tích mái hiệu quả

Hình 13.3 minh họa cơ sở đánh giá diện tích lưu vực cho các bề mặt thẳng đứng có thể được ước tính từ: Các bức tường được cho là có diện tích thẳng đứng lớn nhất tiếp xúc với mưa. Đối với một bức tường, do đó, diện tích lưu vực hiệu quả có thể được lấy bằng một nửa diện tích thẳng đứng lộ ra ngoài.

Hình 13.3 Diện tích lưu vực cho các bề mặt thẳng đứng

Luồng không khí xung quanh các tòa nhà thường phức tạp và các luận điểm sau phát sinh từ điều này. Một số hạt mưa đến gần bức tường được gió cuốn qua hoặc quanh bức tường. Khi mưa chạm vào tường, một số có thể dội ngược lại, rơi xuống thành màn giọt cách xa tới 150 mm. Một số di chuyển lên trên hoặc sang một bên, đọng ở các góc lõm và bên dưới phần nhô ra; điều này có thể tạo ra một dòng chảy xuống đáng kể ở các góc. Một phần nước bị đổ ra từ các thanh ngang hoặc bệ cửa.

Cuối cùng, một phần nước mưa có thể bị cuốn khỏi tường do sức gió. Hiện tại không có gì trong số các phân loại này có thể định lượng được và trong thiết kế hệ thống thoát nước trên tường, tổng lượng mưa tiếp cận tường có thể được sử dụng, giá trị này thường đảm bảo biên độ an toàn lớn. Cuối cùng, cần lưu ý rằng hình thức của tia nước khi nó rời khỏi mái nhà phụ thuộc vào chi tiết cụ thể.

Hình 13.4 minh họa điều này. Thiết kế để đảm bảo vòi phun hẹp thuận lợi cho việc thu gom nước hiệu quả.

Hình 13.4 Biểu đồ minh họa dòng chảy từ các dạng khác nhau của mép mái

Dòng chảy trong máng xối và ống thoát nước mưa

Các nguyên tắc cơ bản được trình bày trong chương 8 có mối liên hệ đặc biệt với máng xối và cần được xem xét kỹ. Lưu lượng trong máng tăng theo hướng dòng chảy. Dòng chảy từ mái nhà vào máng xối phải di chuyển theo hướng dòng chảy đó. Việc này xảy ra do truyền động lượng từ nước chảy qua máng xối. Do đó, dòng chảy tác động một lực làm giảm tốc độ dòng chính và gây ra dòng chảy ngược dọc theo máng xối, vậy nên độ sâu tối đa của dòng chảy xảy ra ở đầu thượng nguồn. Điều này không phụ thuộc vào lực cản ma sát của máng xối mà thường chỉ gây ra một sự gia tăng nhỏ về độ sâu ở đầu thượng nguồn. Lực cản ma sát có thể trở nên quan trọng đối với các máng xối có chiều dài lớn so với độ sâu của dòng chảy.

Dựa trên công trình của May (1982, 1984), hãy xem xét một máng xối hình chữ nhật nằm ngang nhận nước dọc theo chiều dài của nó, giả sử rằng không có lực ma sát nào xảy ra và việc xả nước ở đầu ra không bị hạn chế theo bất kỳ cách nào. Áp dụng lý thuyết dòng kênh hở, có thể chỉ ra rằng lưu lượng tối đa Qc có thể được cho bởi công thức:

Trong đó B là chiều rộng của máng xối, g là gia tốc do trọng trường và Yu là độ sâu ở đầu thượng nguồn. Trong những điều kiện này, độ sâu ở cuối hạ lưu là độ sâu tới hạn (xem chương 8) được đưa ra bởi công thức: tức là độ sâu hạ lưu bằng khoảng 60% độ sâu thượng nguồn.

Từ những kết quả này, có thể kết luận rằng dòng chảy tự điều chỉnh, độ sâu giảm dần về phía hạ lưu nơi xuất hiện giá trị tới hạn. Kích thước của đầu xả không ảnh hưởng đến công suất miễn là nó đủ lớn để cho phép việc xả nước tự do. Hơn nữa, Qc không phụ thuộc vào chiều dài của rãnh và chỉ phụ thuộc vào các điều kiện ở các đầu, không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi tốc độ dòng chảy vào dọc theo rãnh.

Đối với máng tiêu nước nửa tròn, một phân tích tương tự có thể được thực hiện từ đó có thể chỉ ra rằng lưu lượng tối đa được đưa ra bởi: cho máng tiêu nước nửa tròn thực tế, và cho một máng tiêu nước nửa tròn danh nghĩa, như trong một số thiết bị. Ở đây r là bán kính của mặt cắt ngang, cho trước bằng một nửa chiều rộng trên cùng. Trong trường hợp này, độ sâu hạ lưu với lưu lượng tự do là khoảng 65% độ sâu thượng lưu. Dòng chảy chỉ đầy ở đầu nguồn và xả tự do ở đầu nguồn. Các giả định đơn giản hóa đằng sau các phương trình này có xu hướng đánh giá quá cao khả năng của máng xối thực.

Hình 13.5 cho thấy mức độ xả của máng xối có thể được dự kiến sẽ phân chia giữa các cửa xả. Luồng nước được chia đều, ngay cả khi luồng vào không đồng nhất, như trong hình 13.5(1). Hai sơ đồ dưới đây cho thấy ảnh hưởng của vị trí đầu xả. Hình 13.5(2) cho thấy một sự sắp xếp trong đó mỗi phần của máng xối cần đến công suất bằng một phần tư tổng lượng nước vào. Sự sắp xếp ở vị trí dưới cùng kém hiệu quả hơn với máng xối cần một nửa công suất.

Hình 13.5 Sơ đồ minh họa các đặc điểm của dòng chảy máng xối

Dòng chảy bề mặt tự do trong máng xối mở là một ví dụ khác về dòng chảy không ổn định và đã được đưa vào phần trình bày mô phỏng trong chương 9, mặc dù thực tế là tốc độ thay đổi của các điều kiện dòng chảy sẽ tương đối chậm, chỉ dựa vào cường độ thay đổi của một cơn bão trong suốt thời gian xảy ra của nó.

Tuy nhiên, các điều kiện biên được minh họa trong hình 13.5 có thể được lặp lại, đáng chú ý nhất là lưu lượng bằng 0 tại điểm kết thúc phía trên của máng xối và một số biểu thức độ sâu so với lưu lượng thích hợp tại đầu ra của máng xối. Chương 9 minh họa các kỹ thuật mô phỏng phù hợp, trong khi Swaffield, Escarameia và Campbell (1999) minh họa mức độ phù hợp có thể có giữa độ sâu dòng chảy được dự đoán và quan sát được trong rãnh nước khi có mưa bão. Mô phỏng cũng cho phép khả năng bao gồm sự thay đổi theo chiều dọc cũng như thời gian của dòng chảy vào trong suốt thời gian bão diễn ra, có thể là trường hợp do hình dạng mái nhà phức tạp ăn vào máng xối cạnh, hoặc một khả năng không khả dụng thông qua việc sử dụng kỹ thuật tính toán hiện có dưới điều kiện ổn định.

Như bạn có thể dự đoán, sự thay đổi hướng làm giảm công suất máng xối và yếu tố này cũng cần được xem xét khi định vị các cửa xả. Hình 13.6 cho thấy một khúc cua gấp có khả năng ảnh hưởng đến việc tiến hành xả nước như thế nào, một ước tính hợp lý cho tất cả các loại máng xối thông thường.

Một yếu tố quan trọng trong việc xác định vị trí có thể là cách bố trí và thiết kế của tòa nhà; tuy nhiên, không nên bỏ qua những cân nhắc ở trên.

Như có thể dự kiến, dòng chảy ở độ sâu thấp thuộc loại đập dâng nước, thay đổi thành dòng chảy lỗ khi độ sâu tăng lên. Với đập dâng nước và nếu các dòng chảy không bằng nhau tiếp cận một lối ra từ hai hướng, thì độ sâu gần như giống nhau ở hai bên và được cố định bởi dòng chảy lớn hơn. Dòng chảy như vậy trong hộp thu được kiểm soát bởi kích thước đầu ra. Dòng chảy không có lỗ, cửa ra hình chữ nhật và hình tròn có các hệ số gần giống nhau và độ sâu được xác định bởi tổng lưu lượng vào cửa ra. Sự phức tạp của tình huống đòi hỏi thường cần tiến hành các thử nghiệm thực tế để xác định dung lượng chứa nước. May (1997) khuyến khích sử dụng nhiều hơn các hộp thu để giảm nguy cơ lũ lụt liên quan đến kích thước quá nhỏ của các đầu xả.

Việc tiến hành xả nước tự do, như giả định ở trên, có thể không xảy ra trong thực tế. Nó phụ thuộc vào công suất của đầu xả, đây là một hàm có nhiều biến số. May (1982) báo cáo các thử nghiệm rộng rãi trên nhiều loại cửa xả trong máng xối hình chữ nhật và hình thang và rút ra một số kết luận chung.

Dữ liệu cho máng xối mái hiên được đưa ra trong các bảng từ 13.2 đến 13.5 để minh họa thông tin thiết kế dựa trên tài liệu của May (1982) và BS 6367. Máng xối thường được cho là xả tự do. So với phương pháp lý thuyết đã nêu ở trên và dựa trên thực nghiệm, tỷ lệ độ sâu hạ lưu và thượng nguồn được giả định là 5/9, tức là 55 thay vì 65%, do đó đảm bảo giới hạn an toàn. Trong trường hợp này, công suất thiết kế Qcd bằng 0,73 công suất lý thuyết đối với máng tiêu nước nửa tròn thực và 0,72 Qc đối với máng máng tiêu nước nửa tròn danh nghĩa. Khi đó phương trình (13.6) và (13.7) trở thành:

Bảng 13.2 Lưu lượng của máng tiêu nước mái đua

Kích thước (mm) cho máng máng tiêu nước nửa tròn và đối với máng tiêu nước nửa tròn danh nghĩa, trong đó Qcd tính bằng l/s và E là chiều rộng (kích thước) trên cùng của máng xối tính bằng mm. Những giá trị này đã được sử dụng để tính toán sức chứa trong bảng 13.2, hai cột đầu tiên cũng xuất hiện trong ADH3, 2002. Những số liệu này không bao gồm dung tích cho phép đối với phần nổi của máng xối, nhưng điều này là không cần thiết với điều kiện là bất kỳ lượng tràn nào cũng có thể thoát ra khỏi tòa nhà. Anderson (1993) gợi ý rằng bảng 13.2 có lẽ đưa ra ước tính thấp hơn 20% về công suất, ít nhất là đối với các máng xối ngắn.

Bảng 13.3 Hệ số suy giảm đối với máng xối dài

Bảng 13.3 đưa ra các hệ số giảm về khả năng cho phép ma sát trong máng xối rất dài, trong đó lg và Yg lần lượt là chiều dài tổng thể và độ sâu của máng xối.

Bảng 13.4 đưa ra các hệ số giảm đối với các góc, tức là nơi máng xối thay đổi hướng; xem thêm hình 13.6. Bảng 13.5 chỉ định kích thước đầu ra tối thiểu cho máng xối mái hiên tiêu chuẩn để cho phép xả tự do. Nó minh họa ảnh hưởng của hình dạng đầu xả đối với công suất đầu xả.

Hệ số giảm góc trong máng xối mái hiên đầu ra tối thiểu cho máng xối mái hiên máng xối Đầu ra sắc nét (S) tròn (R)

Đường kính họng xả (mm)

Hình 13.7 Sơ đồ minh họa hộp thu

Trong khi một ống nước mưa có thể được nối trực tiếp với đế của máng xối, việc xả tự do được khuyến khích bằng cách sử dụng hộp thu, các ví dụ dựa trên BS 6367, được đưa ra trong hình 13.7. Họ cũng có thể cho phép sử dụng ống dẫn nước mưa nhỏ hơn. Theo hướng dẫn, chiều rộng tối thiểu của hộp không được nhỏ hơn chiều rộng của dòng chảy trong máng xối ở độ sâu bằng một nửa độ sâu tổng thể Yg. Các đầu xả có cạnh tròn hoặc thuôn nhọn, như hình minh họa, giúp tăng sức chứa của hộp; một ống xả như vậy hoạt động như một đập tràn ở độ sâu thấp, nhưng như một dòng chảy lỗ ở độ sâu lớn hơn.

Một cân nhắc thêm với máng tiêu nước ở mái xối là chúng cho phép dòng chảy dọc theo chúng. Chiều rộng trên cùng không được nhỏ hơn 500 mm cho mục đích này. Với lan can và máng xối tường ranh giới, nó không được nhỏ hơn 300 mm vì lý do tương tự. Phần nổi của máng xối nhằm mục đích ngăn nước tràn và bắn tung tóe.

Ống dẫn nước mưa cho máng xối mái hiên tiêu chuẩn có cùng lỗ khoan danh nghĩa như đầu ra của máng xối - bảng 13.5. Đối với các máng xối lớn, chẳng hạn như các loại máng xối hoặc lan can, các cửa xả hình côn có thể giúp giảm kích thước của ống dẫn nước mưa. Nói chung, kích thước cửa xả có thể tính được bằng lý thuyết dòng chảy lỗ hoặc đập tràn; do có rất nhiều cách bố trí và hình dạng, công suất của các đầu xả có thể phải được thiết lập bằng các thử nghiệm.

Kích thước đường ống xuống có thể được tính toán từ phương trình (8.11) trong chương 8 nếu cần, hoặc tương đương bằng cách sử dụng phương trình Colebrook− White phức tạp hơn. Vì mục đích này, dòng chảy có thể được thực hiện đầy đến một phần ba, trong khi các ống thải đất và chất thải được thiết kế để chạy ít hơn mức này.

Lưu lượng, ở mức một phần ba đầy, nằm trong vùng 50 phần trăm lớn hơn mức một phần tư đầy, với các giá trị được đưa ra trong hình 5.12. Độ lệch tiêu chuẩn và chốt giữ ống nước không hạn chế đáng kể dòng chảy có xu hướng hướng tới lỗ khoan đầy đủ, và một lượng không khí bị cuốn theo. Các ống thoát nước nhận dòng chảy từ ống dẫn nước mưa có thể được định cỡ theo cách thông thường — xem chương 12. Tài liệu H3 liên quan đến Quy định Tòa nhà năm 2000 khuyến nghị đường kính tối thiểu là 75 mm. Những vấn đề thực tế như kiểm tra, dọn dẹp và bảo trì rất quan trọng.

Do đó, quy trình thiết kế được đề xuất tuân theo mẫu:

Chọn cường độ nước mưa cần thiết kế.

Tính toán diện tích lưu vực hiệu quả.

Xác định lưu lượng xả của máng xối với lưu lượng xả tự do.

Xác định số lượng đầu xả cần thiết và định vị chúng để hoạt động hiệu quả.

Kiểm tra xem các đầu xả có đủ lớn để cho phép tiến hành xả nước tự do không.

Nếu điều cuối cùng được phát hiện là không xảy ra, hoặc nếu máng xối dài so với độ sâu của nó, thì có thể cần phải tính toán thêm hoặc nên thực hiện các thử nghiệm.

Các quy tắc ở châu Âu trong lĩnh vực này là khác nhau. May (1982) cung cấp cơ sở hợp lý để xem xét bất kỳ đề xuất nào về một bộ quy tắc chung và để xử lý các tình huống quá phức tạp đối với một bộ quy tắc như vậy.