Chương VI THIẾT KÊ MẠNG LƯĨI THỐT NƯĨC Đ Ơ THỊ V I-1 H Ệ THỐNG THOÁT N ớc Người ta thường nói : "nước kẻ thù đường", vỉ thực tế : nước gây sụt lở ta luy nhiều đường miên nút làm tắc ngbẽp giao thông, nước, lũ làm trôi cà cẩu cống, nước làm suy yếu nển đường rối đứt gẫy mặt đường Cũng vậy, việc thiết kế nước cd ý nghĩa sống với đường Nếu thiết kế nước khơng tốt, tính tốn chi li khác vể kết cấu cầu cống, m ặt đường trở thành vô nghĩa Chúng ta quen với khái niệm "tấn suất tính tốn" mưa - lũ thiết kế thoát nước Tức ỉà tùy theo ý nghĩa, cấp hạng cồng tình, việc thiết kế nước đủ bảo đảm đáp ứng cường độ mưa, mức nước lũ với chu kỉ lập lại p = ; 10 ; 50 ; 100 năm Thế thực tế có trường hợp cơng trỉnh thiết kế với p = 50 năm, 10 năm sau mưa lũ phá hỏng Đó diễn biến phức tạp thiên nhiên, thời tiết m người không dễ nắm bắt "điều khiển” Với đường ngồi thị, hệ thống nước có cầu cống thoát nước ngang đường, chi bị chi phối suất p thiên nhiên Với đường đô thị, hệ thống thoát nước cổ đặc điểm : gổm thoát nước ngang dọc phố để thoát nước mưa nước thải đô thị khu dân cư, quan, nhà máy Như có nghỉa bị chi phối không chi tán suất p thiên nhiên mà "tấn suăt P n" người ! Đây tiêu chuẩn kĩ thuật đẩu tiên cần quan tâm điều tra, xác định thiết kế nước thị Nước th ả i đô th ị Nước thài đô thị, tùy theo tính chất nguổn gốc đượcchia thành loại : - Nước thải sinh hoạt : nước tám rửa, vệ sinh từ khu dân cư xả - Nước thài sản xuất : thải sau trình sản xuất Tùy theo sản phẩm, nguyên liệu tiêu thụ, nước thải sàn xuất cò đặc tính khác : mức nhiễm bẩn nhiều, chứa chất độc (kiềm, a-xỉt ) gây ô nhiễm môi trường - Nước mưa rơi xuống khu đô thị Tùy theo nước nhiễm bẩn nhiểu, mà gọi "nước bẩn" hay "nước sạch'1 Với nước tắm rửa đô thị, nước mưa quy ước gọi "nước sạch" H ệ th ố n g th o t nước Hệ thống thoát nước khu dân cư, đô thị định nghĩa tổ hợp cơng trình, thiết bị đầy đủ : mạng lưới ống dẫn, giếng thu, giếng thăm, trạm bơm, trạm xử lí Có loại hệ thống nước : - Hệ thống nước chung : chung nước bẩn nước (hình V I-1) Cd ưu điểm giá thành xây dựng thấp, thích hợp nơi gần sống lớn Đơ thị Việt Nam thường dùng hệ thống 93 Hệ thống thoát nước riêng : Hỉnh VT-2> nước bẩn nước thoát riêng rẽ theo đường ống riêng Thực tế sử dụng khu vực nhà máy có nước thải sản xuất độc hại Khi quy hoạch thiết kế hệ thống nước cho thị, khu phố, tùy đặc điểm địa hình, cấu khu dân cư, nhà máy m kĩ sư quy hoạch đễ hệ thống thoát nước chung, riêng cho hợp lí Quy hoạch đưa mạng lưới cống cao độ khống chế cửa xả nước sơng, hổ, vị trí đặt trạm bơm, trạm xử lí Khi thiết kế tuyến đường thị cải tạo, nội dung thiết kế m ạng lưới nước thường : Thiết kế cẩu, cóng nước ngang đường, tương tự đường ngồi thị Thiết kế cống thoát nước dọc với độ cống, giếng thu, giếng thăm cổ độ dốc, cao độ thích hợp để nước vào cống cđ cửa xả quy định Cống thoát nước dọc đồng thời thu nước thải sinh hoạt từ khu dân cư bên qua nút giếng thu, giếng thám, xem hình II-8 Cđ thu nước theo m ột đường ống nối từ ô sân nhà phía trong, nằm dãy phố (tham khảo đường ống M *7 - M”7 - M7 hình V-6) Thiết kế m ạng lưới cống thoát nước dọc, thường trước hết tính lưu lượng nước mưa nước thải sinh hoạt Thông thường độ cống bảo đảm nước mưa chính, sau đđ tính kiểm tra thêm lưu lượng nước thải sinh hoạt Tuy vậy, cố khu vực (như nhà máy lớn, khu nhà cao tẩng ) bảo đảm lưu lượng nước thải VI-2 TÍNH LƯU LƯỢNG THỐT NƯỚC MƯA N hững th ơn g số khí tượng thủy văn Các thơng số lí học nước mưa : cường độ, thời gian, suất chu ki Để tính tốn lưu lượng nước mưa, thường dùng cường độ giới hạn ứng với thời gian mưa tính tốn theo khu vực điển hình (tỉnh, thành phố ) Cường độ thời gian mưa đo máy mốc thiết bị khí tượng Cách hàng trăm năm người ta đo ống trụ tiết diện 500cm2 (đường kính 25,2cm), cao 2m Hiện nay, dùng may đo mưa tự ghi —' Tra/Tì bơm Cong thổát nươc rrĩưv - Cốngthốt nưócúidisinh hoạt sản xuất 5.G Ìehgthầm Hình VI—2 : Hệ thống nước riêng 94 Cửa xả Thời gian mưa thời gian kéo dài trận mưa, tính phút Cường độ mưa lượng mưa rơi xuống tính đơn vị diện tích đơn vị thời gian Người ta phân biệt cường độ mưa theo chiễu cao lớp nước i theo thể tích q Cường độ m ưa tín h theo lớp nước tỉ số chiều cao lớp nước m ưa h với thời gian m ưa t i = h/t ; mm/phút (V I-1) Cường độ mưa tính theo thể tích lượng mưa tính 1/s.ha q - 166,7.1 ; 1/s.ha (VI-2) Trong đố 166,7 mơ đun chuyển từ cường độ mưa tính theo lớp nước sang cường độ mưa tính theo thể tích Trị số q, t mưa thường co' chu kì lặp lại Trận mưa có q, t lớn lặp lại năm nhiều nãm Chu kì mưa thời gian (tính nãm) lặp lại trận mưa cđ cường độ q thời gian mưa t Chu kì tràn cống thời gian (tính năm) cd trận mưa vượt q cường độ tính tốn (vượt q lưu lượng nước tính tốn) kí hiệu p Việc xác định p thiết kế có ý nghĩa kinh tế kĩ thuật lớn Trị số p nhỏ, giá thành xây dựng thấp hay bị ngập lụt, p lớn giá xây dựng cao lại an toàn vỉ bị ngập lụt Vỉ cần tính chất cơng trình, điều kiện địa hình để chọn p Đối với khu dân cư, thành phố nhỏ p = 0,3 - 1,0 năm Đối với thành phố lớn, khu công nghiệp lớn Đối với khu vực đặc biệt quan trọng p = - năm p = - 10 năm C ường độ m ưa tín h tốn Thời g ia n m ưa tín h tốn Trước tính tốn lưu lượng nước mưa, cẩn lựa chọn cơng thức tính cường độ mưa q Cho đến tổn nhiêu quan điểm khác khó đưa cơng thức phàn ảnh đáy đủ biến động phức tạp mưa q(kM) Để xác định cơng thức cường độ mưa xác phải cd số liệu mưa trạm khí tượng lưu trữ - năm Việt Nam, qua số liệu nhiều năm, địa phương lập quan hệ cường độ mưa thời gian mưa với p = 0,5 - 20 năm, hình VI-3 thí dụ cho địa phương Hình VI-3 : Quan hệ cường độ mưa vã thơi gian mưa 95 B ảng VI- Bảng thống kê cá c thơng số khí hậu n g thức cường độ mưa thành phố Thứ tự 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 96 Tên thành phố Ao Bắc Cạn Bảo Lộc Buôn Ma Thuột Cà Mau Đà Nẵng Hà Giang Hà Nội Hòn Gai Hải Dương Hòa Bình Huế Lào Cai Lai Châu Móng Cái Nam Định Ninh Bình Nha Trang Hài Phịng Plâycu Phan Thiết Quảng Trị Quảng Ngãi Quy Nhơn Sơn La Sơn Tây Tuyên Quang Thái Ngun Thái Bình Thanh Hóa Tuy Hịa Hổ Chí Minh Việt Trì Vinh n Bái 8150 11100 4920 9210 2170 4640 5890 3720 4260 5500 1610 6210 4200 4860 4320 4930 1810 5950 7820 7070 2230 2590 2610 4120 5210 8670 7710 5220 3640 2820 11650 5830 3430 7500 bo 27 30 20 25 10 22 20 16 18 19 / 12 22 16 20 19 19 12 21 28 25 15 16 14 20 19 30 28 19 19 15 32 18 20 29 c m n 0,53 0,58 0,62 0,48 0,52 0,42 0,65 0,42 0,42 0,45 0,55 0,58 0,50 0,46 0,55 0,48 0,55 0,55 0,49 0,55 0,48 0,58 0,55 0,42 0,62 0,55 0,52 0,45 0,53 0,48 0,58 0,55 0,55 0,54 0,16 0,24 0,14 0,18 0,15 0,20 0,13 0,14 0,17 0,18 0,12 0,18 0,22 0,16 0,18 0,16 0,15 0,15 0,16 0,16 0,23 0,12 0,18 0,15 0,17 0,12 0,20 0,16 0,15 0,18 0,18 0,12 0,16 0,24 0,87 0,95 0,85 0,92 0,65 0,79 0,84 0,73 0,78 0,82 0,55 0,84 0,80 0,79 0,79 0,80 0,65 0.82 0,90 0,92 0,62 0,67 0,68 0,80 0,82 0,87 0,85 0,81 0,72 0,72 0,95 0,85 0,69 0,85 Qua kết chỉnh lí số liệu mưa, đưa cơng thức tính cường độ mưa cho thành phố nước ta sau (theo TS Trẩn Hữu Uyển) : A(1 +ClgP) (t + b P m)n q = (VI-3) ’ z/s' Các thông số Aơ, bQ, c, m, n cho bảng VI-1 p (năm) chu kì tràn cống t (phút) thời gian mưa tính tốn Thời gian mưa tính tốn thời gian giọt nước mưa từ điểm xa nhất, lưu vực chảy đến tiết diện tính tốn, cịn gọi thời gian cực hạn (Xem hình VI-4) t = t +t + t (VI-4) t0 - thời gian nước chảy từ điểm xa đến rãnh thoát nước, gọi thời gian tập trung nước bể m ặt Lấy tQ = - 10 phút t - thời gian nước chảy rãnh đến giếng thu nước mưa gần tr = 1,25 IJV' (VI-5) Zr (m) - chiểu dài rãnh PHƯƠNGÁN I PHƯƠNGÁN ũ Vr (m/phút) - tốc độ nước chày rảnh 1,25 - hệ số tính đến khả tăng tốc độ chảy trỉnh mưa tc - thời g ian nước chày cống từ giếng th u đến tiế t diện tín h to án t c = r z c/ v c (V I-6 ) lc (m) - chiểu dài đoạn cống tính tốn Vc (m/phút) - tốc độ nước chảy cống r - hệ số phụ thuộc địa hình r = địa hình phảng r = 1,2 địa hình dốc 3% Vậy công thức (VI-4) viết thành lr zc t = t0 + l , ^ - + r Z ụ r (VI-7) Hình VI-4 : Sơ đồ xác định thời gian mưa tính tốn (cực hạn) Theo sơ đổ hình VI-4, để nước mưa diện tích Fj + F2, theo phương án lưu lượng cực đại m ặt cát I“I qua giếng thu, giếng thăm Thời gian mưa tính tốn t = t0 + t r + t c Theo phương án lưu lượng cực đại II—II qua giếng thu, giếng thăm Thời gian mưa tính toán t = tQ + t Hệ số d òn g chảy ĩp Hệ số dòng chảy rị) xét đến thực tế lượng mưa rơi xuống qb chảy vào mạng lưới phần qc, lại thấm xuống đất bốc : (VI-8) Hệ số dịng chảy phụ thuộc vào tính chất bể mặt phù, địa hình, độ dốc, thời gian mưa Giáo sư p c Belốp đưa công thức thực nghiệm : 97 ự, = z.q°’2.t0,1 (VI-9) Trong đổ : z - hệ số thực nghiệm, đặc trưng cho tính chất m ặt phủ ; q - (1/s.ha), cường độ mưa ; t - (phút), thời gian mưa Nếu diện tích bé m ặt khơng thấm nước 30% cố thể coi không đổi (nghỉa không phụ thuộc vào q t) Trị số z xị) phụ thuộc tính chất bề m ặt phủ cho bàng VI-2 B ảng V I-2 H ệ số dòng chảy loại mặt phủ - Loai m ặt phủ Mái nhà m ặt phủ bàng bê tông át phan Mặt phủ đá dăm Đường lát đá cuội Mặt phủ đá dăm khồng cd vật liệu dính kết Đường sỏi vườn Mặt đất Mặt cỏ z - 0,224 0,145 0,125 0,090 0,064 0,038 v> 0,95 0,60 0,45 0,40 0,30 0,20 0,10 Trong khu thị thường có diện tích thấm khơng thấm nước Sự tạo thành dịng chảy hồn tồn xảy sau mưa thời gian định Với bề m ặt không thấm nước thời gian đđ phút Với m ặt đất 20 - 30 phút TÍnh tốn lưu lượng nước mưa Tính tốn lưu lượng nước mưa đạt hiệu kinh tế - kĩ thuật tốt : - Xác định cường độ mưa tính tốn q phù hợp với điều kiện khí hậu địa phương C(5 cơng trình ; - Xác định hệ số phủ mặt, số dòng chày xp hệ số giảm lưu lượng ; - Phương pháp tính tốn thủy lực tương ứng với dòng chảy thực nước mưa Theo phương pháp cường độ giới hạn p F Gorbatrep : lưu lượng nước mưa tiết diện tính toán đạt giá trị cực đại thời gian mưa thời gian nước chảy từ điểm xa lưu vực nước tới tiết diện tính tốn Cơng thức tính tốn : Q = /i.y.q.Y Q = ụ y ĩ.A (1 + ClgP) (t + b p m)n (VI-10) F (ha) - diện tích lưu vực tính theo đổ m ật bầng n - hệ SỐ phân bố mưa rào, đặc trưng cho phân bố mưa ụ = + 0,001 F 98 không lưuvực tính tốn (VT-11) Ví dụ Vl-Ỉ : Tính lưu lượng nước mưa mặt cát I-I theo hình VI-4 Địa điểm cơng trình : thành phố Hổ Chí Minh Diện tích Fj = F2 = 0,60ha, Độ dốc mặt 0,006 Diện tích mặt phủ : mái nhà 32%, mặt đường bê tông at phan 38%, mặt đá dám 8% m ặt lát cỏ 22% Nội dung tính tốn sau : Xác định p : Tùy theo đặc điểm vùng thoát nước mặt, độ dóc Tham khảo bảng VI-3, chọn p = p = 2 Xác định q : Áp dụng công thức (VI-3) Theo bảng V I-1 với thành phố Hổ Chí Minh có Ã0 = 11650, bQ = 32, c = 0,58, m = 0,18, n = 0,95 p = ; P - _ I , r n (1 + 0,581gl) q - 1 & U ( t + < u y *5 _ Ị1 ’ q 11650 (t+32) 0.95 (1 + °’581g2) - 13684 (t+ 2 0'18)0,95 (t + 36,2523)0,s Xác định hệ số dòng chày xịĩ Hệ số phân bó mưa rào ỊẲ Khi cị nhiều dạng m ặt phủ, hệ số dòng chảy xịỉ tính trung bỉnh theo cơng thức sau : xị> + b yị> + * - b+b + ■ (VI“ 12) a, b % diện tích loạim ặt phủ \ị), xịỉ trị số tương ứng với a, b, lấy bàng VI-2 32 X 0,95 + 38 X 0,95 + X 0,30 + 22 X 0,10 ^ 100 - Xác định hệ số phân phối mưa rào ỊẤ 1 ^ " + 0,001 X F ~ + 0,001 X 0,60 - 0,999 T ính lưu lượng Qv Q2 đầu cống dọc Gị, G2 Thòi gian nước mưa tập trung m ặt phủ t Q = phút Để tính t r , tc cần biết Vr , Vc Bước đầu thường giả định Vr , Vc theo kinh nghiệm Sau xác định trị số lưu lượng Q, độ dốc thiết kế cống, cáctrị số Vr , V kiểm tra ngược lại, phù hợp với trị số giả định coi thi dụ này, giả định Vr = 1,4 m/s, Vc = 1,7 m/s Lưulượng Qj Fjgây xácđịnh giếng thăm Gj có tQ va tr chảy l = lr = 80m (lưu vực Fj) tr = l,2 ự v = 1,24.80/1,5 = 57s « phút tj = + = phút Do = 1,20/2 = 0,60 < 20 ha, chọn p = Q, = C ị.ụ rp ĩ 11650 = - - — 0« X 0,999 X 0,71 X 0,60 (6 + 32) • = 156 l/s = Q2.2 Lưu lượng Qj_2 Fj gây ra, xác định giếng thăm G2 có t D, t r t 99 t, = r i / v c Địa hỉnh phẳng, chọn r = t = X 80/1,70 = 94s « phút t2 = + l + = 8phút Q„ = 11650^ 12 (8+32)°' X 0,999 X 0,71 X 0,60 = 149 1/s Lưu lượng Q22 F2 gây G2 chi có t o t r chảy l = Zr = 80m dài lưu vực F„ tính tương tự Q, Q 2-2 = Q, = I 56 Us Vậy lưu lượng Q2 G2 Fj F2 gây : Q2 = Q12 + Q22 = 149 + 156 = 305 l/s = 0,305 m3/s Từ Q2, kiểm tra ngược lại tốc độ nước chảy qua cống lù, nêu ví dụ VI-4 B ản g V I-3 Giá trị p cho vù ng dân cư Đậc điểm vùng nước mưa Địa hình phảng (độ dốc trung tính m ặt đất < 0,006) với diện tích F : - Đến 150 - Lớn 150 Địa hình dốc > 0,006 với F : - Đến 20 - 20 - 50 - 50 - 100 - > 100 năm 0,5 - 1,5 1- 1- 1- 10 VI-3 TÍNH LƯU LƯỢNG THỐT NƯỚC THẨI Cơ sở ch u n g Nđi chung, để thiết kế nước thị, nước mưa hay nước thài phải dựa vào đổ án quy hoạch đô thị Từ đổ nắm quy mô phát triển đô thị từ tới - 10 20 - 25 nầm sau Dân cư tính tốn dùng tính lưu lượng nước thải só người sử dụng nước cuối thời gian dự tính quy hoạch (thường lấy 15 - 25 năm) Khi biết m ật độ dân số M diện tích khu nhà F, tính đuợc dân số N N = M.F Hệ thống thoát nước đạt hiệu kinh tế m ật độ M > 45 - 50 người/ha 100 (VI-13) Tiêu chuẩn nước lượng nước thải trung bình pgày đêm cho người, hay lượng nước thải tính sản phẩm Với khu dân cư thường tính tiêu chuẩn cấp nước //người -ngày đêm (Tùy mức độ tiện nghi, tiêu chuẩn 80 - 180 lít/người-ngày đêm) Đối với xí nghiệp cơng nghiệp, tiêu chuẩn nước 25 - 35 lít/người-ngày đêm Lượng nước tám cho cơng nhân sau ỉàm việc 40 - 60 lít/người với thời gian tám 45 phút Thực tế lưu lượng thoát nước thải sinh hoạt thay đổi theo ngày Ta thường dùng hệ số khơng điều hịa chung Rc, ti số lưu lượng tối đa ngày có lưu lượng lớn nhát lưu lượng trung bình ngày cố lưu lượng trung bình Bảng VT-4 cho trị số Kc theo lưu lượng trưng bình IIs nước thải xả vào hệ thống Các trị số không nằm bảng thi nội suy B ản g V I-4 Hệ số khơng điểu hịa chung nước thải sin h hoạt Lưu lượng trung bình ỉ/s 15 30 50 100 200 300 500 800 1250 lớn Kc 3,1 2,2 1,8 1,7 3,6 1,4 1,35 1,25 1,20 1,15 Tổng lưu lượng nước thải Tổng lưu lượng nước thải khu dân cư tính riêng biệt : - Theo tổng số người thường trú - Tổng số người tạm trú ỏ nhà ga, bến xe, khách sạn - Tổng số người làm việc xí nghiệp, quan Lưu lượng đơn vị tính tốn qG lượng nước thải l!s.ha no M q° = 86400 ’ z/s,ha (VI-14) n0 - tiêu chuẩn thoát nước z/người-ngày đêm ; M - mật độ dân số, người/ha ; 864C0 - số giây ngày đêm (24 giờ) n N K = — - - - c l/s % 86400 ’ T-O -Kc c = qo-F no M _ F Kc 86400 (V I-15) (VI-16) (V I-17) V I-4 TÍNH TỐN THỦY L ự c MẠNG LƯỚI THỐT NƯỚC ĐƠ THỊ Đ ặc điểm ch u y ển động củ a nước th ả i đô th ị Nước thài dơ thị thường có nhiểu cặn lắng khó lấy phức tạp m ất vệ sinh Cặn làng đọng lại cống thường chứa - 8% (theo thể tích) chất hữu với kích thước > lram 92 - 97% cát Trọng lượng riêng cặn 1,4 - 1,6 T/m3 Sơ đổ cấu trúc dòng chảy cống nước xem hình VI-5 Khi cửa xả bị ngập mức nước sơng hổ, dịng chảy trở thành cđ áp khơng cịn khoảng trống Sơ đồ VI-5 cho ta thấy rõ : cặn láng nhiéu dòng chảy bị thu hẹp, giảm tốc độ nước chảy ngày gây nguy ngập úng đường đô thị Đặc trưng chuyển động nước thải cống hệ số Ray-nôn - Re Với cổng trịn độ hồn tồn (h/d = 1), Rc xác định theo công thức sau : Trong đd : V - tốc độ nước cống, m/s ; d - đường kính cống, m ; y - hệ số nhớt nước thải Trạng thái nước chảy cống, kênh mương đô thị cđ thể chảy rối, chày không đẽu, chảy ổn định hoậc không ổn định Nhưng tính tốn,vớitrường hợpco mặt thống, để đơn giản thường coi chảy đều,không áp Tức coi tốc độtrung bình V = const, tiết diện chảy 0) = const, lưu lượng q = const, độ dốc I = i = const, chu vi ướt X = const / Khoảng trổng z Nước thải Căn lắng Hình VI-5 : Sơ dồ cáu trúc dịng chảy Còn trường hợp khác : khu dân cư mở rộng cống cũ khơng đủ nước, cửa xà sơng bị ngập, bùn rác càn dịng chày , dẫn tới tình trạng cống chảy ngập cổ áp Cốc tiế t diện cốn g đặc tín h thủy lực Các loại tiết diện cống thoát nước giới thiệu hỉnh VI-6 Thường dùng cống tròn, vịm, hình thang, hỉnh chữ nhật Kết cấu cổ thể bê tơng cốt thép, vịm gạch, đá hộc xây tùy theo điều kiện địa hình, vật liệu Yêu cầu chung : - Bảo đảm thoát nước tốt, không gây lắng đọng - Đủ sức chịu tải trọng tĩnh động - Giá thành hạ - Tránh dùng nhiểu loại cống khác 102 Dặctính thủy lực tốt tiết diện cống xác định bàng khả thoát nước lớn nh&, khicùng đạt độ dốc diện tích tiết diện ướtbằng Như cống trịn tố t vỉ có bán kính thủy lực R lớn R = (VI-19) o - diện tích tiết diện ướt, m2 ; ' - chu vi ướt (m) Là chu vi tiếp xúc nước thành cống i) Cống tròn Với cống tròn đường kỉnh d, nước chảy đầv nửa hoàn toàn cđ : (1) R = 71 â ! = ^ d = ĩ = _ ° ’2 d _ (V I- ) Vầ đạt giá trị tối đa R = 0,304d độ h/d = 0,813 Dộ đầy, định nghĩa tỉ số h/d với cốngtròn h/H với cống khác Với độ đầy khơng hồn tồn cống trịn, h/d < 1, diện tích ướt C0 y chu vi ướt X tíĩứ theo hỉnh viên phân (khi h* < h) : co = 7ĨY s r (S - 1) + h’ = ip.r (VI-21) (VT-22) - tính radian o ìóc s \ - 0.2 OA 0.6 08 Hình VI-7 : Các thành phàn thủy lực cùa dòng chảy Gọi WQ Kơ mô đun tốc độ mô đun lưu lượng độ đầy h/d = Nếu tính c = — RX Với y không đổi h thay đổi rố ràn g tỉ số K/KQ = qQ W/WQ — V Q, phụ thuộc vào độ nhám kích thước tuyệt đối m ặt cắt Đ ể tính nhanh, người ta tính sân KQ, W0 ứng với độ nhám n thường dùng Bảng VT-5 giới thiệu trị số K , Wo ứng với n = 0,013 Do cống trịn nước tốt, dễ chế tạo hàng loạt vững nên dùng rộng rãi, tới 90% số lượng mạng lưới nưóc B ảng V I-5 Trị số K0 WQ cống tròn với n = 0,013 h= d (m) K0 m3/s w m/s 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 0,595 3,76 11,2 24,0 43,7 71.0 106,5 152.5 208 276 354 447 19,2 25,3 30,5 35,6 40.1 44,3 52,2 56,2 59,7 63,3 12,1 48.5 b) Kênh (cống) hình thang Đặt độ dốc mái ta luy m = cotga, I'.hu vi ướt tính sau (VI-24) X = b = 2hVT + m Diện tích m ặt cắt ướt : co = (b + m.h)h = (b/h + m)h2 Để cổ m ặt cất cđ lợi thủy lực, cấn cđ ảx = dh X (VI-25) bé hay : (VI-26) Với m ặt cắt hình thang, tùy trị số m xác định tỉ lệ /3 = b/h có lợi thủy lực theo bàng VI-6 104 Bảng VI- Bảng trị số /3 = b/h có lợi thủy lực cho tiết diện hình th ang m 0,25 0,50 0,75 Ịi - b/h 2,00 1,562 1,236 1,00 1,00 1,25 1,50 2,00 1,75 2,25 2,50 0,828 0,702 0,606 0,532 0,472 0,424 0,385 Bảng VI-G cho thấy, với m ặt cắt chữ nhật m = 0, = tức cố lợi : b = 2h Bán kính thủy lực m ặt cát hình thang có lợi R = h/2 Cẩn nhắc lại : mật cắt có lợi thủy lực khơng co nghĩa có lợi kinh tế - kỉ thuật, với kênh lớn Nhưng với kênh nhỏ, đào sâu cđ lợi kinh tế - kỉ thuật Cơng thức tín h tốn thúy lực mạng lưới cống Tính tốn ta thường gặp tính lưu lượng Với đường ngồi thị, để tính lưu lượng chày qua cầu cống, ta dựa vào địa hình, đổ xác định thơng số tính tốn diện tích lưu vực, độ dốc lòng suối nêu chương tập I Nđi chung, theo quy trình tính thủy văn hành Quy trình cũ&g có loại : tính cho cống cầu nhỏ cấu lớn Với đường thị, thiết kế iììậìig lưới thịảt nước mưa, liên quan đến diện tích lưu vực đổ vào giếng thu hàm ếch, diện tích nhỏ (thường vài ha) chia thành nhiều mảnh dọc bên đường đô thị Do chịu ảnh hưởng chủ yếu cường độ mưa, đặc điểm bé mặt phủ thể qua tính mục VI-2 Tuy vậy, giai đoạn tính tốn lưu lượng nước mưa mục VI-2, thí dụ V I-1 cd điểm giống tính lưu lượng cầu cống chung : lưu lượng thiên nhfên địa hình tạo thành Điểm khác : với đường ngồi thị, lưu lượng đò chảy qưa cẩu cống Với đường thị, lưu lượng đị tập hợp dẩn lại theo nhiều đoạn cống dọc, theo nhiéu nhánh cống dọc để đổ cửa xả Do đđ, bị chi phối hệ thống thơng số tính tốn : độ dốc lịng cống, đường kính, độ đẩy thay đổi theo đoạn cống, ảnh hưởng lẫn Lưu lượng kiểm tra, khớp nối lại cho hài hịa với tồn hệ thống Cơng thức tính thủy lực mạng lưới cống thị, với giả định dịng chảy thường tính sau : Tính lưu lượng nước cống : Q = co.v • (VI-27 ) Công thức tốc độ, I = i, gọi công thức Sê-di : V = CV R.I = C\fR i (VI-28) Trong đđ : Q - lưu lượng, m3/s ; íI) - diện tích tiết diện ướt, m2 ; V - tốc độ nước chảy, m/s ; R - bán kính thủy lực, m } xem cơng thức VI-20 I - độ dốc thủy lực, lấy độ dốc cống i ; 105 c - hệ số Sê-di Theo công thức Pavlổpki : c = - Ry n (VI-29) Trong : n - hệ số nhám, độ nhám Phụ thuộc vật liệu phương pháp chế tạo cống Xem bảng VI-7 ; y - số mũ, phụ thuộc độnhám, hỉnh dạng kích thước cống y = 2,5ìfn - 0,13 - 0,75(Vn - Khi d< 4.000mm n = 0,013 y = 0,1) (VI-30) 1/6 Bảng V I-7 Hệ số nhám n n cồng thức (VI-29) Loại cống (kênh) Cống Kênh - : Sành Bê tông bê tông cốt thép Xi măng axniăng Gang Thép : Gạch Đá có trá t vữa xi măng 0,013 0,014 0,012 0,013 0,012 0,015 0,017 Các trị số bảng VI-7 tương ứng với điêu kiện sản xuất hồn chỉnh,nếu sản xuất thủ cơng trị số độ nhám lớn nhiều, v í dụ loạicống gang ta sàn xuất khuôn cát, n = 0,02 0,03 Gọi w mô đun lưu tốc (hoặc đặc tính lưu tốc) i = w = CVR (VI-31) Công thức Sê-đi (VI-28) viết thành : V= (VI-32) Gọi K mô đun lưu lượng (hoặc đặc tính lưu lượng K = co C fR = 1) (VI-33) Công thức (VI-27) viết thành : Q = cư c m = KVĨ (VI-34) Công thức (VI-28), (VI-34) phương trình dịng chảy kênh hở (hoặc cống ngấm cđ khoảng trống) Đối với trường hợp thường gặp kênh (cống) hình thang, phương trình (VI-34) nêu lên mối quan hệ lưu lượng Q bề rộng đáy b, chiều sâu nước h, độdốc mái kênh (m = cotg a), độ dốc đáy i, độ nhám lòng kênh n 106 Q = f(b, h, m, n, i) (VI-35) /ới thoát nước thị, ta thường gặp tốn sau : i) Đã biết lưu lượng (qua tính tốn nêu mục VI-2, VI-3, ví dụ V I-1), xác định mặt cát kênh (cống) )) Với m ạng lưới kênh (cống) cổ, tức có m ặt cát hình học, lưu vực thay đổi, (nhí cải tạo mở rộng khu dân cư), giải phương trình (VI-35) gổm biến số biết 5, lại biến số lấy làm ẩn số :) Kiểm tra, xác định tình trạng ngập nước thị cửa xả nước sông bị ngập, lưu lượng vượt khả thoát nước cống cổ (và nhiêu lí khác nữa) Với tối này, chế độ chảy cống ngầm trở thành cò áp Ta phải tính cao độ nước dâng, thời giai ngập nước Bài tốn phức tạp /ới tốn b), tìm h biết Q, b, m, n, i việc phức tạp nên phải giải phiững pháp thử dẩn Ta cho trị số hj, h2, h3 tính trị số co, c , R tương ứng, vẽ Hểu đổ K - h (hình VI-8) Mặt khác tính KQ = Q/VT Trên biểu đổ từ Kơ tìm trị số hQ tương ứng trị số ta cấn tìm ;í dụ VI-2 : Cho kênh thoát nước b = 4m, độ sâu h = 2m, m = 1,5, độ dốc i = 0,0002 Đâ} kênh đất, sạch, thẳng, tra bàng xác định độ nhám n = 0,025 Tính lưu lượng Q kênh tSc độ nước V rinh toán sau : co = (b X 4- mh)h = ( 4- 1,5 2)2 = 14m X = b + 2hV + m = + * X 2V1 + 1,52 = 11,2m = I'25m c = - R> n ; theo công thức (VI-30) y = 2,5]fĩĩ - 0,13 - 0,75(Vn - 0,1) = 2,5VÕÕ25 - 0,13 - 0,75(^0^25 - 0,1) = 0,2215 c = ^2 x 1'2Ef“ i “ 42'03 7ậy K = w C][R = 14 X 42,03/1^25 = 658 m3/s Q = k VT = 658V0,0002 = 9,3 m3/s V = CVRĨ = 42.03V1.25 X 0,0002 =0,66rn/s ĩí dụ VI-3 :Cũng với kênh trên, phải thoát với lưu lượng 15 m3/s, độ sâu h tốc (ộ nước V ? "rước hết tính : 107 Tính thử dần giả định trị số h, theo bảng VI-8 sau B ảng V I-8 c0, (m2) 15,015 16,060 17,135 18,240 19,375 20,540 h, (m) 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 R (m) 1,30 1,35 1,39 1,44 1,49 1,54 X, (m) 11,572 11,932 12,293 12,653 13,014 13,375 c 42,39 42,74 43,03 43,36 43,69 44,01 K 725,7 797,5 869,3 949,1 1031,3 1121,8 Vẽ biểu đổ K h hình VT-8, ứng với K = 1060,7 m3/s ta xác định h = 2,5°5m Tổc độ nước V tính theo h = 2,5m V =CVrT = 43,69 V1,49 X 0,0002 = 0,75 m js Như mức nước kênh thoát nước với Q = 15 m3/s, so với Q = 9,3 m3/s nâng cao 2,55 - 2,00 = 0,55m Do nước dâng, nước theo cống từ khu dân cư đổ cửa xả bên bờ kênh bị cản chậm lại dâng cao giếng thu hàm ếch, gây ngập úng Vấn để xem xét ví dụ VI-5 Ví dụ VI-4 : Xác định đường kính cống trị n th o t nước m ưa ví dụ V I - 1, có Q = 0,309 m 3/s, độ dốc i = 0,006, n = 0,013 Yêu cầu th iế t kế cho độ đầy a = h/d < 0,8 Dựa vào biểu đổ hình VI -7, với a = h/d = 0,80, ta tra qQ = 1,00; q = K = Q /V Ĩ Vậy K0 = K/qo = Q 0,305 qo VI X V õ^õẽ 3,943 Mặt khác theo (VI-33) chảy đầy ta cđ Kd 1/6 1/2 (!) Trong đđ, với cống tròn Rơ = d/4 = 0,25d Tương ứng : c = ị ■K = õ ^ Ĩ X 0;25,/6d1/6 = 61,054d1/6 108 BL = Ư2 a> = j2 7T cĩ = 0,7854d 1/2 3,943 = 0,7854d2 X 61,054d1/6 X = 23,9759ds'3 8/3 500mm cửa xả kênh, sơng nước chảy qua đô thị Do tổn thất cục gây tượng dềnh nước, làm lắng đọng bùn rác, lâu ngày cđ thể làm tác cống a) SI CJ b) ef MNN V ,— SI 777^77777777777777777, ChcTthuhẹp đột ngột Cửa xả Hình VI-9 : Một số dạng tồn thát cục 109 Sơ đổ tổn th ất cục chỗ thu hẹp đột ngột cửa thể hình V I-9 Cột nước tổn th ất cục tính theo cơng thức : , V2 h‘ - * 2g YI-36) ặ - hệ số tổn th ất cục Xem bảng VI-9 V (m/s) - tốc độ dòng chảy m ặt cắt sau chỗ tổn thất, theo chiều nước chảy, g = 9,8m/s2 - gia tốc trọng trường Tại cửa xả nơi mở rộng đột ngột, tính cột nước theo định luật Booc-đa : (V, - v 2y 2g (VI-37) Áp dụng công thức (VI-37) cđ thể kết hợp tính tốn với đo đạc thực tế (như đo tốc độ v sông cổ nhiều cửa xả nước mùa ngập lụt) Hệ số tổn th ất cục Ệ tính cho trường hợp thu hẹp đột ngột (hình VI-9a) C0\ (VI-38) ỉ,„ = °.°5 ( - S ) Trường hợp cửa xả : t.- (VI-39) (1 -5 )* Trong đổ cư , Q, diện tích m ặt cắt Khi p lớn so với co thỉ = B ản g V I-9 T rị số Ệ Vị trí gây tổn th ất cục ề Cửa thu nước vào kênh mương Cửa thu nước vào ống gờ nhọn Cửa thu nước vào ống mực nước Van khđa mức độ hở + Hoàn toàn + 3/4 + 1/2 - Van ngược chiều - Khuỷu ống 90°’ lOO-lOOOmm 0,1 0,5 1,0 - 0,5 0,26 2,06 0,39 - 0,5 Ví dụ VI-5 : Tính tốn tổn th ất nước dểnh với sơ đổ cống hình VI-10 Trên sở tính tốn ví dụ V I-1, VĨ-2, VI-3, VI-4 Coi cống 0500, ự>750 đặt theo nguyên tắc độ đầy h/d = 0,8 (đường nét đứt) mực nước thiết kế (MNTK) = 5,02m cao độ cửa xả, tương ứng độ đẩy 0,8 cống 0750 Tại Gv Ệ = 0,50, V1 = 1,75 m/s Tổn thất cột nước : 110 7.00 6.68 7.18 Đ 6.28 5.80 5.85 5.25 Đc 5.70 5.40 5.22 5.02 72 4.42 ty Hình VI-10 : Mặt cất dọc cống theo ví dụ VI-5 0,50 X 1,75 = 0,08 m X 9,8 Tú G,, I = 0,50, V, = 1,57 m/s, có : Õ72 h '’ = ° ’60 * ĩ ĩ t s “ ° '06m Tỉn th ất cửa xả, Ệ = 1, V = 0,75 m/s (Tương ứng với kênh Q = 15 m3/s) V2 0,752 = hdm = £ 77- = x o n o ~ 0,03m 13 dm 2g x ,8 Eh mởrộng khu dân cư, mức nước dâng lên : hl4 = 0,55m , (MNTT = 5,02m 4- 0,55m = 5,57m) Vìy tổn th ất cột nước tồn : h, = htl + ht2 + Viy cao độnước dénh từ cao h,3 + ht4 = 0,72m độ thiết kế 5,02m : hd = 5,02 + 0,72 = 5,74m (nính hd đơn giản, coi mức nước dénh cột nước tổn thất) Cao độ ngập đến đỉnh cống 0750 G2 cống 0500 Gj hở chiểu cao : h ’ = 6,28 - 0,08 - 5,74 = 0,46m (nrị số 0,08 bễ dày thành cống) Niư vậy, nguyên lí thoát nước cho lưu vực Fj, F2 lúc chày theo xi phông đoạnG - Cx 5 Đường kính tối th iểu độ đầy tối đa Người ta quy định đường kính tối thiểu tùy theo loại nước thải, phạm vi sử dụng để tránh bị tắc cống, giảm bớt chi phí quản lí Xem bảng V I-10 Với cống thoát nước mưa ự>300 (thường bê tông M200 không cốt thép) để nối từ giếng thu hàm ếch sang giếng thăm Với cống dọc tổn loại 0500,