Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, NUCE 2020 14 (3V): 46–59 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CÁC CẤU KIỆN HỐ TRỒNG CÂY BẰNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CĨ KHẢ NĂNG THU THỐT NƯỚC MƯA CHO ĐƯỜNG PHỐ ĐƠ THỊ Nguyễn Ngọc Tâna,∗, Nguyễn Việt Phươngb , Ngơ Việt Đứcb , Phan Quang Minha a Khoa Xây dựng dân dụng công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng, số 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam b Khoa Cầu đường, Trường Đại học Xây dựng, số 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 26/04/2020, Sửa xong 16/05/2020, Chấp nhận đăng 27/05/2020 Tóm tắt Nghiên cứu giới thiệu giải pháp thiết kế hố trồng kết cấu bê tơng cốt thép có khả thu nước mưa cho đường phố thị Ba loại cấu kiện hố trồng đề xuất, là: (i) hố trồng dạng đơn không đáy, (ii) hố trồng kết hợp hố ga thu nước đặt vỉa hè, (iii) hố trồng kết hợp hố ga thu nước đặt đường Hố trồng thiết kế với kích thước điển hình (chiều dài × chiều rộng × chiều cao) 1200 × 1200 × 900 mm, 1400 × 1400 × 1100 mm 1600 × 1600 × 1200 mm Một cấu kiện hố trồng dạng đơn không đáy chế tạo bê tơng có cấp độ bền B30 lưới thép φ6a80 để ứng dụng thử nghiệm vào thực tế Trên đường phố đô thị, kết cấu hố trồng kết nối với hệ thống thoát nước, cho phép cải thiện khả thoát nước mưa hoạt động bể thấm lọc sinh học Từ khố: hố trồng cây; bê tơng cốt thép; hệ thống nước bền vững; đường phố thị DESIGN SOLUTION OF PLANTER COMPONENTS IN REINFORCED CONCRETE AS SUSTAINABLE DRAINAGE SYSTEMS IN URBAN STREETS Abstract This study presents a design solution of tree plantation structures in reinforced concrete that can collect and drain rainwater for urban streets Three types of planter components have been proposed, such as: (i) filtration planter without bottom, (ii) filtration planter with a pretreatment manhole in the sidewalk, (iii) filtration planter with a pretreatment manhole toward the street Each type of planters was designed with typical dimensions (length × width × height) of 1200 × 1200 × 900 mm, 1400 × 1400 × 1100 mm and 1600 × 1600 × 1200 mm, respectively A planter was made of ordinary concrete having B30 compressive strength class and φ6a8 reinforcement meshes in order to realize a testing pilot In urban streets, planter components are connected with the drainage systems for improving rainwater runoff and working as bioretention tanks Keywords: planter; reinforced concrete; sustainable drainage systems; urban streets https://doi.org/10.31814/stce.nuce2020-14(3V)-05 © 2020 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) Giới thiệu Ngập lụt xảy có mưa lớn có xu hướng tăng tần suất quy mô ảnh hưởng thành phố đô thị lớn Ngập lụt gây tình trạng ách tắc giao thông, gây thiệt hại kinh tế xã hội tổn thất thời gian tham gia giao thông, hư hỏng phương tiện, ảnh hưởng xấu đến sản xuất ∗ Tác giả đại diện Địa e-mail: tannn@nuce.edu.vn (Tân, N N.) 46 Tân, N N., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng lưu thơng hàng hóa Điều kiện địa hình, điều kiện khí hậu nhiệt đới mưa nhiều, nhiều đô thị chịu ảnh hưởng triều cường nguyên nhân khách quan ảnh hưởng lớn đến nước tự nhiên thị Hơn nữa, tốc độ thị hóa thành phố, thị lớn hệ thống nước bị q tải nguyên nhân ảnh hưởng đến nước Q trình thị hóa làm cho mặt đất tự nhiên bị che phủ vật liệu khơng thấm nước Nhiều diện tích trồng xanh ao hồ bị bê tơng hóa để xây dựng nhà ở, sân bãi, đường giao thông làm cho nước mưa khơng thể nước tự nhiên xuống đất chảy vào ao hồ Phần lớn lượng nước mưa chảy trực tiếp vào hệ thống nước thị bị tải, gây úng ngập kéo dài, tác động xấu đến nhiều hoạt động xã hội Hình giới thiệu số hình ảnh ngập úng xảy đường phố thành phố Hà Nội thành phố Hồ Chí Minh năm gần Ngồi ra, khu vực thị, nước mưa không thấm xuống đất làm suy giảm lượng nước ngầm, gây sụt lún, lớp đất bề mặt trở nên khô hạn (a) Ngập lụt mưa lớn phố Thái Hà – TP Hà Nội năm 2017 (b) Ngập lụt mưa bão phố Đinh Tiên Hoàng – TP Hồ Chí Minh năm 2018 Hình Hiện tượng ngập úng xảy mưa lớn số thành phố lớn Bên cạnh bất cập quy hoạch, quản lý quy hoạch xây dựng thị Vấn đề sai số dự báo tính tốn lưu lượng dịng chảy cho tuyến cống thiết kế [1] việc không tuân thủ quy hoạch cốt đô thị xảy phổ biến hoạt động xây dựng Một số cố thường gặp đường ống nước cơng trình khơng đấu nối với hệ thống thoát nước chung thành phố, cao độ mặt đường sau nâng cấp sửa chữa cao so với cốt nhà dân [2] Những thực tế làm gia tăng tượng ngập úng thị lớn, chí ngập úng cường độ mưa mức trung bình Để giải tượng ngập úng thị, cách tiếp cận truyền thống cho nước bề mặt thoát thật nhanh cách sử dụng hệ thống bơm cơng suất lớn, tuyến cống có quy mơ lớn để dẫn nước phía lưu vực nước Cách tiếp cận coi nước mưa nước thải, địi hỏi chi phí đầu tư xây dựng tốn trang thiết bị đồng Từ năm 1970, giới hình thành hồn thiện khái niệm “Hệ thống nước bề mặt bền vững – Sustainable Drainage Systems (SuDS)” SuDS hoạt động dựa ngun lý nước dịng chảy tự nhiên Từ đó, cách tiếp cận cho nước bề mặt thoát chậm, lưu giữ nước giải pháp kỹ thuật để giảm lưu lượng tập trung dịng chảy lên tuyến cống nước [3, 4] Cách tiếp cận coi nước mưa nguồn tài nguyên, đưa trở lại lòng đất để tái sử dụng Các giải pháp kỹ thuật thoát nước bền vững thử nghiệm thành công nhiều thành phố giới, ví dụ Denver – Hoa Kỳ từ năm 1980 [5] 47 Tân, N N., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Ở Việt Nam, hệ thống SuDS bắt đầu đề cập đến từ khoảng năm 2007 [6] nhằm ứng dụng kỹ thuật sinh thái góp phần phịng chống ngập úng, lún sụt nhiễm thành phố Hồ Chí Minh Một số nghiên cứu thực với mục đích đề xuất giải pháp kỹ thuật để giảm thiệt hại ngập úng đô thị gây địa phương khác Đà Nẵng, Hà Nội, Hà Tĩnh [7–9] Các nghiên cứu nêu chủ yếu đề xuất giải pháp, tính toán, đánh giá hiệu giả định, mà chưa đưa chế tạo, ứng dụng thực tế Nhóm tác giả trường Đại học Xây dựng có nghiên cứu thí điểm ứng dụng bê tơng rỗng cơng trình đường phố sân bãi [10, 11] Trong xu hướng triển khai ứng dụng thực tiễn đó, báo trình bày nghiên cứu thiết kế chế tạo dạng cấu kiện có ý nghĩa phục vụ hệ thống SuDS Giải pháp cấu tạo (hình dáng, kích thước, vật liệu) số loại cấu kiện hố trồng bê tơng cốt thép có khả thu nước cho đường phố đô thị Ba loại hố trồng đề xuất thiết kế với kích thước điển hình Một cấu kiện hố trồng dạng đơn không đáy chế tạo để triển khai ứng dụng thí điểm nhằm thực hố giải pháp SuDS Hệ thống thoát nước bề mặt bền vững cho đường phố đô thị 2.1 Các giải pháp kỹ thuật thoát nước bề mặt bền vững cho đường phố Việt Nam Đối với đường phố thị, hệ thống SuDS khơng kiểm sốt dịng chảy nước bề mặt thông qua khả lưu giữ nước tạm thời, làm giảm tải lên tuyến cống nước, từ giảm tượng ngập úng cục đường phố mưa lớn hậu biến đổi khí hậu Đồng thời, hệ thống SuDS mang đến nhiều lợi ích mơi trường, bao gồm: (i) bổ sung nước ngầm nhờ khả lưu giữ nước; (ii) cải thiện chất lượng nước ngầm chất gây ô nhiễm bị lọc qua lớp vật liệu; (iii) tạo cảnh quan thiên nhiên, khơng gian tiện tích cho người Vỉa hè thấm nước Hố trồng thấm lọc Mặt đường thấm nước Lớp móng có độ rỗng kết hợp đường ống nước Hình Minh họa mơ hình SuDS đường phố thị Một số giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao điều kiện Việt Nam nêu ra, là: - Giải pháp bề mặt thấm áp dụng bề mặt đường phố vỉa hè minh họa Hình Bề mặt đường chế tạo vật liệu có tính thấm nước cao bê tông rỗng Vật liệu có độ 48 Tân, N N., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng rỗng lớn, dao động từ 15% đến 35%, hệ thống lỗ rỗng kết nối với kích thước khoảng – mm Tùy thuộc vào thành phần cấp phối vật liệu mà bê tơng rỗng có tốc độ nước khoảng 81 - 730 lít/phút/m2 [12] Đối với kết cấu vỉa hè, bề mặt lát loại gạch tự chèn có tính thấm nước cao, dạng hở để thấm nước vào đất Hơn nữa, lớp móng vỉa hè thiết kế để có độ rỗng cao để tăng khả thoát nước tự nhiên Ở Việt Nam, đề tài nghiên cứu thực nhằm áp dụng vào thực tế giải pháp bề mặt thấm sử dụng bê tơng rỗng nước nhanh, đồng thời sử dụng cốt liệu nghiền tái chế từ q trình phá dỡ cơng trình xây dựng [10] - Giải pháp hố trồng thấm lọc vỉa hè đường phố (Hình 2) Hố trồng truyền thống cải tạo cách sử dụng kết cấu bê tơng đúc sẵn, kết hợp với lớp móng cát, cuội sỏi để tăng khả thấm lọc lưu giữ nước Dạng cấu kiện trồng hoạt động bể thấm lọc sinh học - Giải pháp kênh thực vật cho đường phố dựa nguyên lý sử dụng thảm xanh để lưu giữ, thấm lọc nước Các vị trí đất dự trữ đường phố dải phân cách trồng cây, kết hợp bó vỉa dọc theo hai bên nâng cao để lưu giữ nước xảy mưa - Giải pháp hầm chứa nước mưa xây dựng ngầm phía đường phố Giải pháp địi hỏi chi phí đầu tư lớn phải có quy hoạch đồng bộ, lâu dài dựa kịch tính tốn lưu lượng nước cho thị Khi lượng lớn hố trồng có khả thu thoát nước mưa kết nối với tuyến cống, đồng thời kết cấu đường vỉa hè thiết kế với giải pháp bề mặt thấm, tạo thành hệ thống thoát nước bề mặt bền vững cho đường phố đô thị Nước mưa lưu giữ chỗ, phần thấm lọc tự nhiên vào đất để bổ sung lượng nước ngầm, mặt khác cho phép thoát nước chậm cách điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, tránh tượng ngập úng số điểm cục hệ thống tuyến cống thoát nước 2.2 Giải pháp hố trồng kết hợp thu thoát nước cho đường phố Phương pháp trồng truyền thống áp dụng phổ biến trồng trực tiếp vào hố đào đất vỉa hè dải phân cách Hình minh họa phương pháp trồng hố đào đất vỉa hè đường phố đô thị, đó: (1) lớp đất thực vật có khả thoát nước nhanh, (2) lớp đất trồng để nuôi dưỡng rễ, (3) hướng phát triển rễ cây, (4) ống nước có, (5) lớp đất đầm chặt (6) lớp đất tự nhiên phía vỉa hè Thực tế lớp đất thực vật phía thường ngang với mép bó vỉa Q trình thi cơng trồng cây, lớp đất hố đào bị đầm chặt mức yêu cầu, bị lèn chặt theo thời gian Do đó, dạng hố trồng có tác dụng bảo vệ nuôi dưỡng xanh, tạo mảng xanh cho đường phố đô thị, hiệu lưu giữ nước mưa gần không đáng kể đất trồng thường cao ngang với bó vỉa gốc Để khắc phục nhược điểm thoát nước hố trồng truyền thống, cấu kiện hố trồng kết hợp thu thoát nước mưa đề xuất sử dụng phần hệ thống SuDS cho đường phố thị Hình minh họa dạng hố trồng không đáy thân gỗ Cấu kiện chế tạo kết cấu bê tông bê tơng cốt thép (BTCT), với kích thước thiết kế phụ thuộc vào loại trồng Mặt hố trồng che đậy ghi thép composite có tác dụng bảo vệ gốc chắn rác Lớp đất thực vật hạ thấp so với mặt khoảng tối thiểu từ 20 – 30 cm Khoảng hở tạo phía hố trồng tạo thành không gian chứa nước xảy mưa lớn xuất hiện tượng ngập úng Trên vách hố trồng phía tiếp giáp với đường phố, cửa thu nước bố trí ngang với mặt đường Các vách cịn lại hố trồng thường kín bố trí lỗ mở để rễ phát triển theo phương ngang Cấu kiện khơng có đáy để không cản trở phát triển rễ cọc loại thân gỗ lớn, đồng thời thấm lọc nước 49 Tân, N N., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Ghi bảo vệ Khung bê tông Lớp đất thực vật Cửa thu nước tràn Cửa thu nước Ô hở để rễ phát triển Lớp đất trồng Lớp cốt liệu nhỏ Lớp cốt liệu lớn Ống chảy tràn Lòng đường Vỉa hè Hình Hố trồng kết hợp thu nước mưa Hình Trồng hố đào đất kết hợp bó vỉa vỉa hè thị mưa diễn theo phương đứng để bổ sung nước ngầm Để tăng hiệu thấm lọc tự nhiên, phía lớp đất trồng bố trí lớp cốt liệu có độ rỗng lớn, cấu tạo gồm lớp vải địa kỹ thuật, lớp hạt cốt liệu nhỏ (cát, đá dăm hạt nhỏ) lớp hạt cốt liệu lớn (cuội sỏi) Cửa thu nước chảy tràn ống thoát nước kết nối với tuyến cống thoát nước đề xuất áp dụng để tăng hiệu thoát nước xảy mưa với cường độ lớn, vượt khả thấm lọc tự nhiên Trong trình thi cơng trồng cây, độ chặt lớp vật liệu phía phía hố trồng cần kiểm soát Sự đầm chặt mức yêu cầu lớp vật liệu làm giảm hiệu thấm lọc tự nhiên Vỉa hè Mặt đường Mặt đường (a) Hố trồng dạng đơn không đáy (b) Hố trồng kết hợp hố ga vỉa hè (c) Hố trồng kết hợp hố ga phần đường xe chạy Hình Minh họa hố trồng kết hợp thu thoát nước mưa Dựa nguyên lý lưu giữ nước mưa thấm lọc tự nhiên nêu trên, nghiên cứu đề xuất ba loại cấu kiện hố trồng bê tơng cốt thép minh họa Hình 5, cụ thể sau: (a) Hố trồng dạng đơn không đáy: sử dụng để trồng xanh thuộc nhóm thân gỗ cho đường phố đô thị Mặt che đậy ghi bảo vệ gốc Mặt không đáy, dạng hở, tiếp xúc trực tiếp với đất Ba mặt tiếp giáp với vỉa hè vách dạng kín (khơng đục lỗ mở) Mặt tiếp xúc với đường vách có cửa thu nước 50 Tân, N N., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (b) Hố trồng kết hợp hố ga thu nước đặt vỉa hè: tổ hợp cấu kiện hố trồng dạng đơn không đáy hố ga có đáy đặt dọc theo cạnh dài vỉa hè Cao độ mặt hố trồng hố ga Hố ga có nhiệm vụ thu nước chảy vào từ mặt vỉa hè nước chảy tràn từ hố trồng Nước chứa hố ga dẫn chảy vào cống thoát nước đặt vỉa hè đường (c) Hố trồng kết hợp hố ga thu nước đặt đường: tổ hợp cấu kiện hố trồng dạng đơn không đáy hố ga có đáy đặt vng góc với cạnh dài vỉa hè Cao độ mặt hố ga ngang với mặt đường thấp so với hố trồng Hố ga có nhiệm vụ thu nước chảy vào từ mặt đường nước chảy tràn từ hố trồng Nước hố ga dẫn chảy vào cống nước đặt lịng đường Thiết kế cấu kiện hố trồng BTCT có khả thu nước mưa 3.1 Cơ sở thiết kế Việc thiết kế cấu kiện trồng hệ thống SuDS cho đường phố thị tham khảo theo hướng dẫn sổ tay SuDS C753 [3] Hiệp hội CIRIA (Construction Industry Research and Information Association) ban hành năm 2015, tuân theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia cơng trình hạ tầng kỹ thuật thị [13], tiêu chuẩn thiết kế đường đô thị [14], tiêu chuẩn thiết kế thoát nước [15] tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tơng cốt thép [16] Ngồi ra, số địa phương thành phố Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh có quy định cụ thể việc thiết kế hè đường đô thị [17, 18] Đối với đường phố đô thị, loại xanh thường trồng chia thành hai nhóm chính, nhóm thân gỗ nhóm bụi Tùy thuộc vào loại mà kích thước hố đào đất quy định khác Đối với bụi, hố trồng thường có đường kính chiều sâu khoảng 50 cm, đường kính rễ nằm khoảng 30 – 50 cm chiều sâu rễ từ 25 – 45 cm Đối với thân gỗ với hệ thống rễ trần khơng có vầng đất, kích thước hố đào có chiều sâu 70 cm đường kính khoảng 60 – 70 cm Đối với thân gỗ có vầng đất, kích thước hố đào phụ thuộc vào kích thước vầng đất, thơng thường có đường kính 1,0 - 2,6 m chiều sâu 65 – 90 cm Do đó, hố trồng BTCT phải có chiều cao tối thiểu 90 cm, bao gồm khoảng hở thu nước có chiều cao 20 - 30 cm tính từ mặt đến lớp đất thực vật chiều cao lớp đất ni minh họa Hình Tiết diện ngang (chiều dài × chiều rộng) hố trồng BTCT xác định dựa đường kính vầng đất cây, phù hợp với số kích thước điển hình [17, 18] thường sử dụng thực tế trồng hố đào đất kết hợp với bó vỉa (Hình 3), 1,2 × 1,2 m, 1,4 × 1,4 m 1,6 × 1,6 m 3.2 Phương pháp thiết kế a Thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép Cấu kiện hố trồng bê tông cốt thép phải thiết kế để đảm bảo khả chịu lực trình cẩu lắp, vận chuyển từ nơi sản xuất đến vị trí trồng cây, thi cơng lắp đặt giai đoạn làm việc Để đơn giản hóa việc thiết kế, cấu kiện tính tốn giống sơ đồ làm việc kết cấu bể nước ngầm đất Nghiên cứu đề xuất sử dụng loại hố trồng không đáy mặt hở, nên việc thiết kế tính toán cho vách trạng thái giới hạn độ bền Các loại tải trọng tác dụng lên vách cấu kiện hố trồng bao gồm: tải trọng thân, áp lực ngang nước, áp lực ngang đất hoạt tải người, vật tư, thiết bị, xe cộ, đặt tạm thời dài hạn 51 Tân, N N., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hw Tải trọng tiêu chuẩn áp lực ngang nước, ký hiệu qw , tính tốn theo cơng thức (1), với Hw chiều cao cột nước lấy chiều cao hố trồng trường hợp ngập nước, γw trọng lượng riêng nước 10 kN/m3 Tải trọng tính tốn xác định tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số độ tin cậy nw lấy 1,1 Sơ đồ tính tốn vách cấu kiện chịu tải trọng ngang nước họa Hình qw (1) qw = Hw γw Hình Sơ đồ tải trọng ngang áp lực nước g H H qe2 H qe1 qe2 -qe1 qe1 ) Hình Sơ đồ phân bố tải trọng áp lực ngang đất hoạt tải Hình minh họa sơ đồ phân bố tải trọng tiêu chuẩn áp lực ngang đất hoạt tải mặt đất tác dụng lên mặt vách Các tải trọng đỉnh chân vách, ký hiệu qe1 qe2 , xác định theo công thức (2) (3), γ trọng lượng riêng đất, q s hoạt tải, h0 chiều cao lớp đất mặt hố (nếu có), H chiều cao cấu kiện Ka hệ số áp lực chủ động tính cơng thức (4) với ϕ góc nội ma sát đất Hệ số độ tin cậy ne tải trọng tiêu chuẩn lấy 1,15 qe1 = Ka (γh0 + q s ) (2) qe2 = Ka γ (h0 + H) + Ka q s ϕ Ka = tan2 45◦ − (3) (4) Nội lực vách tính tốn cấu kiện chịu uốn, bao gồm mô men uốn chân vách, mô men uốn lớn nhất, lực cắt đỉnh chân vách Dựa nội lực tính tốn để lựa chọn cốt thép dọc xác định khả chịu lực Thực tế, hố trồng làm việc nhiều trạng thái khác từ giai đoạn thi công đến sử dụng vách chịu đồng thời mô men uốn dương mô men uốn âm nên kiến nghị đặt hai lớp lưới thép b Thiết kế thấm ba chiều Khi trời mưa, hố trồng thực chức lưu giữ nước làm việc bể thấm lọc sinh học Do đó, lớp đất bên hố trồng phải thiết kế để làm việc hệ thống thấm ba chiều Nếu hố trồng có chiều cao hạn chế, lớp đất thường bao gồm lớp đất 52 A Tân, N N., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng thực vật bề mặt lớp đất ni tơi xốp phía đến chiều sâu đáy hố Nếu hố trồng có chiều cao lớn hơn, bố trí thêm lớp cuội sỏi có độ rỗng cao phía lớp đất nuôi để tăng hiệu thấm lọc Đối với kiện mưa định chảy vào hệ thống thấm có kích thước cụ thể, phương trình thủy lực giải để xác định mực nước lớn Hố trồng hệ thống thấm thẳng đứng, nên mực nước lớn hmax xác định theo công thức (5), với D (giờ) thời gian mưa với chu kỳ lặp lại yêu cầu khu vực thiết kế hmax = a e(−bD) − a= (5) AD Ab −i P Pq (6) Pq nAb (7) b= Hệ số a tính tốn theo cơng thức (6), Ab (m2 ) diện tích đáy hệ thống thấm, AD (m2 ) diện tích bề mặt nước, P (m) chu vi đáy hệ thống thấm, i (m/giờ) cường độ mưa thiết kế với chu kỳ lặp lại u cầu, q hệ số thấm tính tốn lấy tốc độ thấm đo thí nghiệm thấm trường chia cho hệ số an toàn Đối với hệ thống thấm ba chiều, hệ số an toàn lấy 1,5 Bảng Độ rỗng lấp đầy vật liệu Hệ số b tính tốn theo cơng thức (7), n độ rỗng lấp đầy vật liệu thấm Vật liệu Độ rỗng (n) xác định từ thí nghiệm sử dụng giá trị hướng dẫn Bảng Nếu giá Vải địa kỹ thuật 0,9 – 0,95 Đá dăm, cuội sỏi tiêu chuẩn 0,3 – 0,4 trị độ rỗng lấp đầy lớn 0,3 vật liệu phải Cát cấp phối đá dăm, cuội sỏi 0,2 – 0,3 kiểm tra để đạt yêu cầu thiết kế Lưu ý rằng, giá trị sử dụng hố trồng khơng bố trí lỗ mở vách Trong trường hợp, hố trồng thiết kế lỗ mở vách làm tăng hiệu nước theo phương ngang, phải sử dụng giá trị độ rỗng hiệu dụng [3] c Kiểm tra thời gian tháo cạn Các phương trình thủy lực tính đến lưu giữ thấm lọc nước bề mặt Nếu tốc độ thấm lọc thấp hệ thống thấm khơng tháo cạn trước kiện mưa xảy Để giảm thiểu nguy ngập úng kiện mưa tiếp theo, hệ thống thấm phải có khả tháo cạn nửa mực nước thời gian hợp lý Thông thường, thời gian để tháo cạn nửa mực nước quy định nhỏ 24 Nếu thời gian thiết kế dài (lớn 24 giờ), hệ thống nước phải có khả chứa nước lớn Khi thiết kế, thời gian tháo cạn hệ thống thấm định dựa khả hệ thống thoát nước hậu kiện mưa liên tiếp xảy ra, với phê duyệt quan quản lý thoát nước địa phương Thời gian tháo cạn nửa mực nước hệ thống thấm ba chiều, ký hiệu T 1/2 (giờ), xác định theo công thức (8) Nếu thời gian T 1/2 quy định nhỏ 24 giờ, hệ số thấm q (m/giờ) chấp nhận thỏa mãn bất đẳng thức (9) T 1/2 Ab h + max P nAb loge = qP hmax Ab + P 53 (8) Tân, N N., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Ab h + max P nAb q> loge 24P hmax Ab + P (9) 3.3 Đề xuất số mẫu thiết kế điển hình cho hố trồng Nghiên cứu đề xuất số mẫu thiết kế điển hình cho loại hố trình bày mục 2.2, sử dụng vật liệu bê tông thông thường có cấp độ bền B30 (tương đương mác M400) cốt thép với tính chất học Bảng Tĩnh tải bao gồm trọng lượng vật liệu hoạt tải sử dụng để tính tốn thiết kế tổng hợp Bảng Bảng Các tính chất học vật liệu thép sử dụng Đường kính Mác thép Cường độ giới hạn chảy fy (MPa) Cường độ chịu kéo tính tốn R s (MPa) Cường độ chịu nén tính tốn R sc (MPa) Cường độ chịu cắt tính tốn R sw (MPa) φ < 10 mm φ > 10 mm Thép hình, thép CB240-T CB300-V CCT34 240 300 220 225 280 210 225 280 210 175 225 120 Bảng Tải trọng hệ số vượt tải sử dụng tính tốn Loại tải trọng Vật liệu/vật tư Tải trọng tiêu chuẩn Hệ số vượt tải Tĩnh tải Bê tông cốt thép Nước Đất đắp (cát) 25 kN/m3 10 kN/m3 20 kN/m3 1,10 1,10 1,15 Hoạt tải Tải xe cộ kN/m2 1,15 a Hố trồng dạng đơn không đáy Cấu kiện hố trồng dạng đơn không đáy thiết kế cho ba mẫu điển hình với kích thước (chiều dài × chiều rộng × chiều cao) sau: 1200 × 1200 × 900 mm, 1400 × 1400 × 1100 mm 1600 × 1600 × 1200 mm Các kích thước chi tiết cấu tạo cốt thép loại cấu kiện giới thiệu Hình b Hố trồng kết hợp hố ga thu nước đặt vỉa hè Loại cấu kiện tổ hợp hố trồng dạng đơn không đáy hố ga thu nước có đáy, có chung vách Trong nghiên cứu này, hố ga chọn tiết diện ngang 1400 × 1400 mm, chiều cao chọn với hố trồng đặt cao độ vỉa hè Ba mẫu điển hình loại cấu kiện thiết kế với kích thước tổng thể (chiều dài × chiều rộng × chiều cao) là: 2500 × 1400 × 900 mm, 2700 × 1400 × 1100 mm 2900 × 1600 × 1200 mm Hình giới thiệu cấu tạo chi tiết cấu kiện điển hình có kích thước trung bình 54 Tân, N N., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng 1 (a) Mặt cấu kiện (b) Mặt đứng có cửa thu nước Ø6 Ø6 (c) Mặt cắt - (d) Mặt cắt - Hình Cấu tạo chi tiết hố trồng dạng đơn không đáy D400 1 (a) Mặt cấu kiện (b) Mặt đứng có cửa thu nước a80 a80 a80 (c) Mặt đáy cấu kiện (d) Mặt cắt - Hình Cấu tạo chi tiết hố trồng kết hợp hố ga thu nước vỉa hè 55 Tân, N N., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng c Hố trồng kết hợp hố ga thu nước đặt đường Loại cấu kiện tổ hợp hố trồng dạng đơn không đáy đặt vỉa hè hố ga thu nước đặt đường Hai phần cấu kiện chung vách giữa, chênh lệnh cao độ mặt chênh lệch vỉa hè mặt đường Hố ga thu nước có tiết diện ngang chọn 1400 × 1400 mm chiều cao thay đổi phụ thuộc vào chiều cao hố trồng Ba mẫu điển hình thiết kế có kích thước tổng thể (chiều dài × chiều rộng × chiều cao) là: 2500 × 1400 × 900 mm, 2700 × 1400 × 1100 mm 2900 × 1600 × 1200 mm Hình 10 giới thiệu cấu tạo chi tiết cấu kiện điển hình có kích thước lớn số mẫu thiết kế D400 2 a80 1 a80 a80 (a) Mặt cấu kiện (b) Mặt cắt - a80 a80 a80 a80 a80 a80 (c) Mặt đáy cấu kiện (d) Mặt cắt - Hình 10 Cấu tạo chi tiết hố trồng kết hợp hố ga thu nước đường Chế tạo ứng dụng cấu kiện hố trồng có khả thu nước mưa 4.1 Vật liệu sử dụng Trong nghiên cứu này, kết cấu thử nghiệm chế tạo vật liệu bê tông cấp độ bền thiết kế B30 lưới thép tròn trơn có đường kính danh nghĩa φ6 Thành phần cấp phối bê tông giới thiệu Bảng 4, bao gồm cốt liệu lớn có đường kính lớn dmax = 20 mm, cốt liệu nhỏ cát sông tự nhiên, xi măng Pooc-lăng PCB40 nước Trong trình đổ bê tơng, mẫu thử hình lập Bảng Thành phần cấp phối vật liệu bê tông Xi măng (kg/m3 ) Cát vàng (kg/m3 ) Đá dăm (kg/m3 ) Nước (lít/m3 ) Tỷ lệ N/X 477 596 1250 185 0,39 56 Tân, N N., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng phương có kích thước 150 × 150 × 150 mm chế tạo, để thực thí nghiệm nén xác định cường độ chịu nén bê tông 28 ngày tuổi theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3118:1993 [19] Các kết thí nghiệm nén tổ mẫu bê tông giới thiệu Bảng 5, đặc trưng tham số sau: P ph (kN) lực phá hoại mẫu thử; Rn (MPa) cường độ chịu nén mẫu; Rtb n (MPa) giá trị cường độ chịu nén trung bình đặc trưng cho tổ mẫu; s (MPa) độ lệch chuẩn cv (%) hệ số biến động cường độ chịu nén Trong phịng thí nghiệm, cường độ chịu nén trung bình bê tơng 41,5 MPa, với hệ số biến động nhỏ cv = 2,9%, đạt yêu cầu cường độ chịu nén so với thiết kế Bảng Cường độ chịu nén bê tông 28 ngày tuổi Mẫu thử P ph (kN) Rn (MPa) Rtb n (MPa) s (MPa) cv (%) M1 M2 M3 920,5 965,7 917,2 40,9 42,9 40,8 41,5 1,2 2,9 4.2 Chế tạo kết cấu thử nghiệm Trong phịng thí nghiệm, cấu kiện hố trồng dạng đơn không đáy chế tạo thử nghiệm bê tơng cốt thép Kết cấu thử nghiệm có kích thước tổng thể L × B × H = 1200 × 1200 × 900 mm (Hình 8) Chiều dày vách tương ứng với bốn cạnh h = 10 cm đồng tất mặt cắt ngang Đối với vách tiếp giáp với đường phố, bố trí cửa thu nước có kích thước 150 × 900 mm Mỗi vách cấu tạo hai lớp lưới thép φ6a80 đặt cách 70 mm Chiều dày lớp bê tông bảo vệ 15 mm Hình 11 giới thiệu số hình ảnh thực tế trình chế tạo kết cấu thử nghiệm (a) Chế tạo cốt pha (b) Gia công cốt thép (c) Đổ bê tơng Hình 11 Chế tạo kết cấu thử nghiệm hố trồng dạng đơn không đáy 4.3 Ứng dụng kết cấu thử nghiệm vào thực tế Kết cấu thử nghiệm vận chuyển từ Phòng thí nghiệm kiểm định cơng trình - Đại học Xây dựng đến Cơ sở thực nghiệm Trường tỉnh Hà Nam, để tiến hành lắp đặt trồng thân gỗ vào phía hố trồng Việc lắp đặt kết cấu trồng cần tuân theo yêu cầu sau để đảm bảo hiệu thu thoát nước: - Cao độ kết cấu trồng với cao độ vỉa hè; 57 Tân, N N., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng - Cửa thu nước kết cấu trồng đặt với mặt đường, thấp cao độ mặt đường để đón nước mưa từ mặt đường chảy vào; - Cao độ lớp đất trồng phía cách mặt từ 20 đến 30 cm, thấp mặt đường để đảm bảo khả thu chứa nước mưa Lớp đất phía đóng vai trị mơi trường sống cho trồng, đồng thời làm việc hệ thống thấm lọc tự nhiên để nước mưa thấm từ từ vào lòng đất Do đó, thực việc trồng cây, nên tránh việc đầm chặt đất vượt yêu cầu, dẫn đến giảm khả thấm nước Trong trường hợp cường độ mưa lớn, vượt hệ số thấm lớp đất này, nước mưa dẫn vào ống thu nước chảy tràn Hình 12 giới thiệu hình ảnh thực tế việc lắp đặt trồng vào cấu kiện thử nghiệm (a) Lắp đặt hố trồng trường (b) Cấu kiện thử nghiệm sau trồng Hình 12 Ứng dụng thực tế kết cấu trồng có khả thu nước Khoang hở có chiều cao 30 cm phía hố trồng cho phép lưu giữ thể tích nước mưa tối thiểu 300 lít, kết hợp với khả thấm lọc lớp đất phía làm tăng hiệu thu nước Trên đường phố thị, khoảng cách xanh – 10 m Với giả thiết khoảng cách thường - m/cây, km đường phố lắp đặt 250 cấu kiện hố trồng vỉa hè hai bên đường Khi sử dụng hố trồng kết hợp hố ga thu nước, thể tích lưu giữ nước tăng lên đáng kể Những hố ga khơng kết nối với tuyến cống nước mà cịn góp phần lắng đọng chất gây ô nhiễm, bùn thải dòng chảy nước bề mặt Kết luận Hiện tượng ngập úng đường phố xảy thường xun thị nước ta, địi hỏi phải ứng dụng giải pháp thoát nước bền vững, trọng việc thu, thấm nước chỗ, thay dồn nước nhanh vào hệ thống cống Dựa nguyên lý hệ thống thoát nước bề mặt bền vững (SuDS), nghiên cứu đề xuất áp dụng cấu kiện hố trồng thấm lọc thay cho phương pháp trồng truyền thống Ba loại cấu kiện bê tông cốt thép thiết kế, là: hố trồng dạng đơn khơng đáy, hố trồng kết hợp hố ga vỉa hè, hố trồng kết hợp hố ga đường Mỗi loại cấu kiện tính tốn khả chịu lực, khả lưu giữ nước mưa thời gian tháo cạn với ba mẫu kích thước điển hình để trồng thân gỗ đường phố Trong nghiên cứu này, cấu kiện hố trồng dạng đơn không đáy bê tơng cốt thép có kích thước hình hộp 1200 × 1200 × 900 mm chế tạo để ứng dụng thử nghiệm vào thực tế Thực tế cho thấy cấu kiện hố trồng vừa môi trường sống xanh hoạt động bể thấm lọc sinh học cho phép lưu giữ thấm lọc nước mưa 58 Tân, N N., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Lời cảm ơn Tác giả chân thành cảm ơn hỗ trợ tài Bộ Xây dựng cho nghiên cứu khuôn khổ đề tài mã số RD 15-17 Tài liệu tham khảo [1] Điệp, V H., Uyên, N T N., Hoài, Đ T T., Phú, N H., Hương, Đ T (2019) Xác định lưu lượng tính tốn quy hoạch mạng lưới nước mưa thị có ảnh hưởng biến đổi khí hậu Tạp chí Khoa học Kiến trúc Xây dựng, (35):106–116 [2] Hoàng, C V (2019) Quy hoạch quản lý xây dựng cao độ thoát nước mưa hướng tới phát triển thị bền vững Tạp chí Khoa học Kiến trúc Xây dựng, (35):36–40 [3] Woods Ballard, B., Wilson, S., Udale-Clarke, H., Illman, S., Scott, T., Ashley, R., Kellagher, R (2015) The SuDS Manual C753, CIRIA, London [4] Illman, S., Wilson, S (2017) Guidance on the construction of SuDS C768, CIRIA, London [5] Marritz, L (2014) Denver’s 16th street mall: custom suspended pavement system turns 32 [6] Cảnh, Đ (2007) Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật sinh thái xây dựng hệ thống tiêu nước thị bền vững (SuDS), góp phần phịng chống ngập úng, lún sụt nhiễm TP Hồ Chí Minh Đề tài NCKH cấp Thành phố [7] Vy, N H (2012) Đề xuất giải pháp thoát nước bền vững cho thành phố Đà Nẵng – Nghiên cứu áp dụng cho lưu vực Thạc Gián, Vĩnh Trung, Đà Nẵng Luận văn thạc sỹ, Đại học Đà Nẵng [8] Thắng, P T (2014) Đánh giá hiệu giảm ngập úng việc áp dụng giải pháp thu trữ nước mưa cho Trường Đại học Thủy lợi Tạp chí Khoa học Thủy lợi Môi trường, (45):63–68 [9] Phương, N V., Nam, T H., Hải, P T., Cẩn, K V., Ngọc, N T (2019) Nghiên cứu giải pháp thiết kế thoát nước mưa đường phố theo hướng bền vững Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)ĐHXD, 13(2V):73–85 [10] Minh, P Q., cs (2016-2020) Nghiên cứu chế tạo, ứng dụng bê tơng rỗng nước nhanh kết cấu rỗng thu chứa nước cơng trình hạ tầng kỹ thuật nhằm giảm thiểu úng ngập mưa, điều tiết nước thị thích ứng với biến đổi khí hậu Đề tài KHCN cấp quốc gia, mã số: BĐKH 07/16-20 [11] Dong, N V., Hanh, P H., Tuan, N V., Minh, P Q., Phuong, N V (2020) The effect of mineral admixture on the properties of the binder towards using in making pervious concrete Lecture Notes in Civil Engineering, Springer, 367–372 [12] ACI 552R-10 (2010) Report on pervious concrete ACI Committee 522 [13] QCVN 07:2010/BXD Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia cơng trình hạ tầng kỹ thuật thị [14] Đạo, N Q., Phương, N V (2007) Một số nội dung quan trọng đề cập tiêu chuẩn “Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đường đô thị - TCXDVN 104-2007” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (KHCNXD) - ĐHXD, 1(1):144–149 [15] TCVN 7957:2008 Thoát nước - Mạng lưới cơng trình bên ngồi - Tiêu chuẩn thiết kế [16] TCVN 5574:2018 Thiết kế kết cấu bê tông bê tông cốt thép [17] Uỷ ban Nhân dân TP Hà Nội (2014) Quyết định việc Ban hành thiết kế mẫu hè đường đô thị địa bàn TP Hà Nội Quyết định số 4340/QĐ-UBND ngày 20/08/2014 [18] Sở Giao thơng vận tải TP Hồ Chí Minh (2009) Quyết định việc ban hành Quy định thực công tác đầu tư, cải tạo, nâng cấp, chỉnh trang, quản lý vỉa hè tăng mảng xanh, xanh đường phố địa bàn TP Hồ Chí Minh Quyết định số 1762/QĐ-SGTVT ngày 18/06/2009 [19] TCVN 3118:1993 Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ nén 59