Luận văn tốt nghiệp: Mạng lưới thoát nước mưa - TS. Lưu Xuân Lộc

Trang 1 Chương 5: MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC MƯA A/ THIẾT KẾ MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC MƯA THEO PHƯƠNG PHÁP THÍCH HỢP -Mục đích của các dự án thoát nước mưa là nhằm đạt được yêu cầu nền thành phố k

Chương 5: MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC MƯA

A/ THIẾT KẾ MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC MƯA THEO PHƯƠNG PHÁP THÍCH HỢP

-Mục đích của các dự án thoát nước mưa là nhằm đạt được yêu cầu nền thành phố không bị ngập nước, để đạt được yêu cầu đó, phải có sự kết hợp giữa thoát nước đô thị và quy hoạch chiều cao đô thị

-Do mức độ nhiễm bẩn của nước mưa thấp (so với các loại nứơc thải khác) nên không cần qua trạm xử lý trước khi thải vào nguồn Vì vậy ta xây dựng một mạng lưới thoát mưa riêng cho khu vực với yêu cầu chuyển lượng mưa ra sông , rạch nhanh nhất

Vạch tuyến thoát nước mưa

- Mạng lưới thoát nước mưa bố trí theo nguyên tắc tự chảy, vị trí nào có độ sâu chôn cống lớn phải bố trí bơm đưa lên cao và sau đó cho tự chảy

- Hệ thống cống góp chính phụ thuộc vào lưu vực thoát nước Lưu vực thoát nước là phần diện tích mà nước thải sẽ chảy tập trung vào cống góp chính

- Trình tự vạch tuyến:

+ Phân chia lưu vực thoát nước

+ Xác định vị trí trạm làm sạch, và xả nước vào nguồn

+ Vạch tuyên cống góp chính, cống góp lưu vực

- Các cống thoát nước mưa đều đặt dọc theo các tuyến đường nội bộ

- Các tuyến cống cấp II là trục thoát nước chính của lưu vực do đó cần bố trí dọc theo các trục giao thông chính

- Cao độ mặt đường phải thấp hơn cao độ nền đường xây dựng

- Hướng san nền xây dựng phải nghiêng về phía lòng đường với độ dốc tối thiểu 0.004 để tạo thuận lợi cho dòng chảy trên mặt

- Trên mặt cắt ngang đường phải có hai mái, độ dốc hướng ngang mặt đường là 0.02 để cho dòng chảy tập trung về rảnh hai bên đường

- Trên mặt cắt dọc khi độ dốc của mặt đường nhỏ hơn 0.003 thì rảnh hai bên đường vẫn tạo ra độ dốc 0.004 dạng răng cưa để tập trung nước về các giếng thu, từ đó đưa nước xuống cống bên dưới

- Không để nước mưa dồn tụ vào các ngã giao nhau của đường phố

- Khoảng cách tối đa của các giếng thu:

- Độ dốc dọc đường phố: idh < 0.004 ⇒ L ≤ 50m/giếng

= 0.004÷0.006 ⇒ L ≤ 60m/giếng

= 0.006÷0.01 ⇒ L ≤ 70m/giếng

109

IV.5-Tính toán mạng lưới thoát nước mưa

5.2 Xác định các thông số thiết kế ban đầu

5.2.1 Hệ số dòng chảy :

Lượng mưa rơi xuống chỉ chảy vào cống thoát nước một phần, phần còn lại thấm xuống đất, hoặc đọng lại trên mặt đất Tỷ lệ giữa lượng nước mưa chảy trong cống và lượng mưa rơi gọi là hệ số dòng chảy

Hệ số dòng chảy phụ thuộc vào tính chất mặt phủ, mật độ xây dựng, độ dốc mặt đất trong tính toán, lấy hệ số dòng chảy theo bảng sau :

Bảng 5.1 : Hệ số dòng chảy theo dạng bề mặt

5.2.2 Độ dốc cống

Độ dốc cống được chọn trong khoảng : imin ≤ i tínhtoán

- imin : chọn theo công thức

D

imin = 1 (D : mm)

5.2.3 Diện tích các tiểu lưu vực

Tuyến số 1:

Bảng 5.2 Diện tích và tích số A.C của các tiểu lưu vực

Diện tích(ha) STT Cống Nút LK SL NV CC TB Đường CV TM CLB Tổng S CA

Tuyến số 2:

Diện tích STT Cống Nút LK SL NV BT Đường CV CLB

Tổng

Tuyến số 3:

Diện tích

Tổng

111

5.3 Tính toán thủy lực mạng lưới thoát nước mưa

5.3.1 Các công thức tính toán :

a Lưu lượng nước mưa

• Lưu lượng nước mưa chảy qua cống theo phương pháp thích hợp: mưa xẩy ra đồng thời và đồng nhất trên toàn lưu vực; cường độ mưa phân bố đều trong suốt thời

gian mưa; cường độ mưa lấy bằng thời gian tập trung nước

Qi = I *

360

*

∑Ci Ai

(m3/s) (5.1)

- Ci : Hệ số dòng chảy của khu vực i: trên một lưu vực, lưu lượng mưa rơi qmưa

được chia làm hai phần: một phần thấm xuống đất qthấm, một phần chảy tràn trên bề mặt để xuống cống, kênh qtràn

qmưa = qthấm+ qtràn.

Theo định nghĩa: C =

mua tham mua

tran

q

q q

q

−

Như vậy: C tùy thuộc vào tình hình sử dụng bề mặt lưu vực đó

- Ai : diện tích khu vực i- (ha)

b Các công thức thủy lực

• Đường kính ống tính toán: Được xác định trên cơ sở chế độ chảy đầy cống không áp

1.Cống tròn có m luồng đường kính D:

8 / 3

21 , 3

















=

C

i tt

I

i m

Q n

2 Cống hộp có m luồng (axb), với k =

b

a

3 / 5

3 / 2

]

1

* 587 1

k

k i

m

nQ + (5.3)

n : Hệ số nhám của ống ( n = 0.015)

i i : độ dốc của cống thứ i (%)

=> Chọn đường kính ống có trên thị trường D i (m)

• Cường độ mưa tính toán (mm/h)

I = 6250

(t+36.7) (5.4)

Trong đó:

t: Thời gian nước chảy từ điểm xa nhất đến hố ga của cống đang xét

t = tm + ∇t (phút):

tm= 10 phút : Thời gian nước chảy về giếng thăm

• Thời gian nước chảy trong cống i ( phút )

∇ti =

Vi

Li

*

60 (phút) (5.6) Trong đó:

Li : chiều dài cống i (m)

Vi : vận tốc nước chảy trong cống i (m/s): Vi = 4Qi2

D

π (m/s) (5.7) D: đường kính ống đã chọn (m)

5.3.2 Tính toán thủy lực cống thoát nước mưa :

Các giá trị tính toán được trình bày trong bảng, trong đó :

- Cột ( 2 ) : Tên đoạn cống

- Cột ( 3 ) : Nút nhận nước mưa

- Cột ( 4 ) : Độ dốc itt được chon sao cho itt ≥ imin

- Cột ( 5 ) : Chiều dài đoạn cống

- Cột ( 6 ) : Thời gian nước chảy đến mặt cắt đang xét

- Cột ( 7 ) : Cường độ mưa được tính theo công thức (5.4)

- Cột ( 8 ) : Tổng A.C (giá trị cộng dồn ), đã xác định ở trên

- Cột ( 9 ) : Lưu lượng tính toán

- Cột ( 10 ) : Đường kính tính toán Dtt (chảy đầy ), tính theo công thức (5.2)

- Cột ( 11 ) : Đường kính chọn (Dựa vào đường kính có thực tế trên thi trường)

- Cột ( 12 ) : Diện tích ướt, tính trong trường hợp chảy đầy cống( mặt cắt hình tròn)

- Cột ( 13 ) : Vận tốc chảy trong cống được tính theo công thức(5.7)

- Cột ( 14 ) : Thời gian chảy trong đoạn công thứ I được tính theo công thức (5.6)

- Cột ( 15 ) : Độ dốc imin (imin =1/Dc)

- Cột ( 21 ) : thời gian nước chảy trong cống, tính theo công thức (5.5)

- Cột ( 22 ), ( 23 ) : thời gian tập trung nước

Kết quả tính toán

113

TUYẾN 1

i mim

Chiều dài

I mm/h

CA

CIA

m3/s D m

Dchon

m

W

TUYẾN 2

i mim

Chiều dài

I mm/h

CA

CIA

m3/s D m

Dchon

m

W

5 8-G 8 0.002 195 10 139.615 1.561 0.605 0.830 0.8 0.502 1.205 2.697 0.0013

TUYẾN 3

i mim

Chiều dài

I mm/h

CA

CIA

m3/s D m

Dchon

m

W

115

Bảng tính khối lượng đào đắp

Đoạn

cống L (m) EL 1 (m) EL 2 (m) D(m) i tt EL 1,đc (m)EL 2,đc (m) h 1 (m) h 2 (m) h tb (m) b(m) W đào (m 3 ) W đắp (m 3 )

TUYẾN SỐ 1

TUYẾN SỐ2

TUYEÁN SOÁ3

117

Các gía trị trong bảng tính:

- Cột ( 1 ) : Tên đoạn cống

- Cột ( 2 ) : Chiều dài đoạn cống

- Cột ( 3 ) , ( 4 ) : Cao trình mặt đất tại vị trí đầu và cuối cống

- Cột ( 6 ) : Độ dốc itt được chon sao cho itt ≥ imin

- Cột ( 7 ), (8) : Cao trình đáy cống tại vị trí đầu và cuối cống, được tính theo công thức :

Độ sâu chông cống ban đầu chọn: 0.6 (m)

Đoạn cống đầu tiên : 1 i

EL =EL -(D +0.6)

1,đc

Đoạn cống kế tiếp : *

1 ,

đc đc

Trong đó:

EL1,EL2 :Cao trình mạt đất tại đầu và cuối ống

EL1*,đc, EL2*đc :Cao trình đý cống tại mặt cắt đầu và cuối cống kế tiếp

- Cột ( 9 ),(10) : Độ sâu tính từ mặt đất tới đáy cống tại mặt cắt đầu và cuối cống

Chiều sâu đạt cống tại mặt cắt đầu: h1=EL1-EL1*,đc

Chiều sâu đặt cống tại mặt cắt cuối: h2=EL2-EL2*,đc

- Cột ( 12) : Bề rộng đáy hố móng chôn cống

- Cột ( 13) ,(14): Khối lượng đất đào , được tính theo công thức

Hố đào để đặt cống có kích thước:

+ Chiều sâu chôn cống: htb=(h1+h2)/2 + Chiều sâu chôn cống ban đầu: 0.6 (m) + Bề rộng đáy : bi =Di+0.6

+ Hệ số mái dốc : m=0.5

Vđào=∑L ×h ×(b +mh ) (m ) Trong đó:

+ Li :Chiều dài đoạn cống thứ i + Di :Đường kính đoạn cống thứ i

i i ( )

đắp

+ Hệ số k xết đén sự rơi vải và tơi xốp của đất k=1.2

B ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH EPASWMM

Khi thiết kế mạng lưới thoát nước mưa theo phương pháp thích hợp, ta chỉ xác định được giá trị lớn nhất của dòng chảy ra khỏi lưu vực, do đã giả thiết là mưa rơi phân bố đều trên toàn bộ lưu vực kéo dài trong khoảng thời gian chính bằng thời gian tập trung nước của lưu vực Mặt khác, phương pháp thích hợp cũng không kể đến các ảnh hưởng của điều kiện biên như ảnh hưởng của thủy triều, cường độ mưa thay đổi theo thời gian, đồng thời cũng không có khả năng khảo sát sự thay đổi lưu lượng trong các đoạn cống từ lúc bắt đầu mưa đến khi kết thúc mưa

Để có thể khảo sát sự làm việc của mạng lưới thoát nước mưa đã thiết kế theo phương pháp thích hợp ở phần trên khi có sự ảnh hưởng của thủy triều, cường độ mưa thay đổi theo thời gian, cũng như khảo sát sự thay đổi lưu lượng trong các đoạn cống

trong suốt quá trình mưa và kéo dài sau đó nếu cần , ta sẽ sử dụng chương trình

EpaSWMM V5.006a

5.4 Các số liệu ban đầu

Với mục đích là kiểm tra lại mạng lưới thoát nước mưa theo phương pháp thích hợp đã thiết kế ở trên nên các thông số ban đầu về nút tập trung nước, tiểu lưu vực, các đoạn cống và đường kính, cao trình đỉnh cống, đáy cống sẽ được lấy từ các thông số đã tính toán ở phần trên theo phương pháp thích hợp

5.4.1 TIểu lưu vực ( Subcatchment ) & Nút tập trung nước ( Junction )

- Các tiểu lưu vực tập trung nước về các nút được thể hiện trong hình 5.1, các giá trị nằm trong các tiểu lưu vực là diện tích

- Tỷ lệ % diện tích không thấm (% Imperv ) của các tiểu lưu vực được lấy bằng giá trị C ( hệ số dòng chảy trong bảng 5.1 )

- Bề rộng lưu vực ( Width ): là giá trị bằng diện tích lưu vực chia cho chiều dài dòng chảy max Chiều dài dòng chảy max là chiều dài của hướng nước chảy từ điểm xa nhất đến điểm thoát nước của lưu vực

- % độ dốc trung bình ( % Slope)

119

5.4.2 Cao trình đáy hố ga ( Invert Elevation ) & Chiều sâu hố ga ( Max Depth)

Cao trình đáy hố ga và chiều sâu hố ga được trình bày trong bảng 5.4, trong đó:

- Cột ( 1 ), ( 2 ) : tên đoạn cống & đường kính ( m )

- Cột ( 3 ), ( 4 ) : cao trình đáy cống tại các hố ga ( lấy giá trị từ mạng lưới thiết kế theo phương pháp thích hợp )

- Cột ( 5 ), ( 6 ) : cao trình đáy hố ga ( Invert El )

= cao trình đáy cống – 0,2m ( phần lắng cặn )

- Cột ( 7), (8) : chiều sâu hố ga ( Max Depth ) (m)

= cao trình mặt đất tự nhiên – cao trinh đáy hố ga

Bảng 5.4 Cao trình đáy hố ga và chiều sâu hố ga

Đoạn cống D EL 1,đc EL 2,đc EL 1,dc -0.2 EL 2,dc -0.2 h1 h2

TUYẾN 1

A-B 1.5 -0.184 -0.602 -0.384 -0.802 2.884 3.302

TUYẾN 2

TUYẾN3

5.4.3 Conduit

- Cống bằng bêtông , hệ nhám n = 0,015

- Đường kính cống ( Max Depth ) : lấy theo giá trị từ mạng lưới thiết kế theo phương pháp thích hợp

- Inlet Offset, Outlet Offset : chiều cao từ đáy cống đến đáy hố ga của đầu vào và

121

Bảng 5.5 Giá trị Inlet Offset, Outlet Offset của các đoạn cống

Đoạn cống D(m) Inlet Outlet Đoạn cống D(m) Inlet Outlet

5.4.4 Cường độ mưa

- Cường độ mưa thiết kế tính theo chu kỳ 2năm ( khai báo Time Series

Nhận xét kết quả tính toán

a Biểu đồ quan hệ Total Inflow – Outlow, cường độ mưa – Outlow

- Từ lúc bắt đầu mưa là 15h đến đỉnh mưa là 15h30, tổng lưu lượng tạo thành lớn hơn lưu lượng thoát ra, do nước mưa rơi trên các tiểu lưu vực ở vi trí xa cửa xả phải mất một khoảng thời gian để tập trung nước về các hố ga và chảy trong cống để đến cửa xả Lượng nước thoát ra cửa xả lúc này chỉ là luợng nước thoát của các tiểu lưu vực có vị trí nằm gần cửa xả nên có thời gian nước chảy trong cống nhỏ, do đó thời gian nước chảy đến cửa xả nhanh

- Thời gian nước bắt đầu thoát ra cửa xả là 15h6’ trễ hơn lúc bắt đầu mưa 6’

- Từ 15h30 đến lúc hết mưa (18h) tổng lưu lượng tạo thành nhỏ hơn lưu lượng thoát ra, do lượng nước mưa thoát ra lúc này bao gồm cả lượng nước đã rơi trên các lưu vực nằm về vị trí xa cửa xả trước đó chảy về đến cửa xả, và lượng nước rơi trên các lưu vực gần cửa xả

- Lưu lượng tạo thành do mưa max = 4,51 m3/s (lúc 15h30) lớn hơn lưu lượng thoát ra max = 4.2m3/s (lúc 15h34), nguyên nhân cũng giống như trên, là do thời gian tập trung nước của các tiểu lưu vực về đến cửa xả là khác nhau, dẫn đến có sự phân bố lại lưu lượng thoát ra cửa xả so với lưu lượng mưa rơi xuống

b So sánh lưu lượng thoát ra theo phương pháp thích hợp (đã thiết kế ở phần trên) và theo mô hình SWMM

123

Bảng 5.6 Bảng so sánh lưu lượng thoát ra so sánh tại đoạn cống cuối ( đoạn E-XA1)

Qmax ( m3/s) lúc bắt đầu mưa Thời gian kể từ Theo phương pháp thích hợp 6.453 22phút 6giây

- Sự khác nhau về lưu lượng là do cường độ mưa khi thiết kế theo phương pháp thích hợp được giả thiết là không đổi, phân bố đều trên toàn bộ lưu vực và kéo dài trong khoảng thời gian bằng thời gian tập trung nước, giá trị nhận được là giá trị lớn nhất Còn cường độ mưa trong mô hình SWMM tuy cũng phân bố đều trên toàn bộ lưu vực, nhưng cường độ thì thay đổi từ lúc bắt đầu đến khi kết thúc Do đó lưu lượng tạo thành khác nhau

5.4.5 Một số kết quả tính toán:

- Lưu lượng các ống tại thời điểm thoát nước nhiều nhất

- Lưu lượng tuyến cống (A1-A,A-B,B-C,C-D,D-E,E-XA1)

125

Vận tốc tuyến cống (A1-A,A-B,B-C,C-D,D-E,E-XA1)

Vận tốc các tuyến cống tại thời điểm thoát nước nhiều nhất

Do địa hình bằng phẳng độ dốc tương đối đều giữa các đoạn cống nên vận tôc chênh lệch giữa các đoạn cống không lơn