Chương 5 ht thoat nuoc

Mưa thiết kế Mưa là một hiện tượng ngẫu nhiên, biến đổi theo không gian và thời gian, do đó trước khi thiết kế một hệ thống thoát nước cần phải xác định một mô hình mưa dùng làm đầu vào

5.3 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC THẢI

5.3.1 Lưu lượng nước thải

1 Lưu lượng nước thải từ các tiểu khu

1 Lưu lượng nước thải trong các đoạn ống

5.3.2 Các điều kiện tính toán cống nước thải

5.3.3 Tính toán thủy lực 5.3.4 Tính toán cống nước thải bằng bảng tra

5.1 CÁC TÀI LIỆU CƠ BẢN

5.2 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC MƯA

5.2.1 Mưa thiết kế

1 Cường độ mưa

2 Quá trình mưa

3 Chu kỳ tính toán

5.2.2 Tính toán thủy lực

1 Phương pháp thích hợp

2 Phương pháp cường độ giới hạn

5.2.3 Thiết kế mạng lưới thoát nước

mưa

5.1 CÁC TÀI LIỆU CƠ BẢN

1 Bản đồ địa hình

2 Số liệu địa chất và địa chất thủy văn

3 Các đặc điểm và điều kiện tự nhiên

4 Các đặc điểm kinh tế, xã hội của

khu dân cư dự án

5 Số liệu khí tượng

6 Số liệu thủy văn nguồn nước

5.2.1 Mưa thiết kế

Mưa là một hiện tượng ngẫu nhiên,

biến đổi theo không gian và thời gian,

do đó trước khi thiết kế một hệ thống

thoát nước cần phải xác định một mô

hình mưa dùng làm đầu vào cho các

phần tính toán Mưa thiết kế có thể là

cường độ mưa bình quân hay là quá

trình mưa trong suốt thời gian mưa

Mưa thiết kế được xác định dựa trên

phân tích số liệu đo mưa trong nhiều

năm ở các trạm khí tượng trong khu

vực

1 Cường độ mưa

(mm/h) (5.1a)

(l/s-ha) (5.1b)

Với: Td – Thời gian mưa

P – lớp mưa hay độ sâu mưa

Cường độ mưa phụ thuộc vào: (1) Vị trí khu vực; (2) Chu kỳ xuất hiện lại cơn mưa p; (3) Thời gian mưa Td

5.2 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC MƯA

Ở mỗi khu vực, quan hệ giữa I, Td, p

gọi là IDF (Intensity – duration

-frequency); IDF được diễn tả dưới dạng

biểu đồ hay công thức

Công thức tổng quát :

(mm/h) (5.2)

Td – Thờ i gian kéo dài cơn mưa

(phút)

a, b, c – Phụ thuộc vị trí khu vực và

tần suất p (thông thường c = 1)

Thí dụ khu vực ‘Nhiêu Lộc – Thị Nghè’ ở TP Hồ Chí Minh:

Công thức tính cường độ mưa của Viện

Khí Tượng Thủy Văn, 1979:

q = [(20+b)n.q20.(1+c.lgp)]/(Td+b)n (5.3)

(l/s-ha)

Td – Thời gian mưa (phút),

p – Chu kỳ (năm)

b, c, n, q20 – Phụ thuộc vào khu vực:

Qua các công thức trên cho thấy:

- Cường độ mưa I (hay q) tăng lên khi

chu kỳ lặp lại càng lâu

- Cường độ mưa I giảm (nhưng tổng

lượng mưa tăng lên) khi mưa kéo dài

5.2 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC MƯA

2 Quá trình mưa

Để đánh giá được diễn biến ngập

trong khu vực, cần phải được tính toán

từ quá trình mưa theo thời gian Mô

hình quá trình mưa được xây dựng từ

tài liệu cơn mưa thực tế hay từ quan hệ

IDF nêu trên

Mô hình đường cong gần với quá

trình mưa thực tế nhưng đòi hỏi phải có

các dự đoán tin cậy Mô hình chữ nhật

xem mưa phân bố đều trong suốt thời

gian mưa, cường độ mưa bằng cường

độ mưa bình quân tính theo các công

thức (5.1) hay (5.2) bên trên Mô hình

tam giác có thời gian trước đỉnh là ta,

thông thường: ta = (0,3  0,5)Td

3 Chu kỳ tính toán

Chu kỳ lặp lại cơn mưa p ảnh hưởng

đến cường độ mưa và do đó quyết định

kích thước, khối lượng HT thoát nước

Chọn chu kỳ p theo 3 cách:

(1)Kinh nghiệm

(2)Phân tích rủi ro

(3)Phân tích kinh tế nước

Ứng với chu kỳ p sẽ xác định được

mức đầu tư cho công trình đồng thời

cũng đánh giá được những thiệt hại Rõ

ràng khi chọn p lớn thì mức đầu tư tăng

cao nhưng thiệt hại sẽ giảm đi và

ngược lại

+ Theo TCVN 4449:1987

+ Đối với khu công nghiệp:

5.2 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC MƯA

+ Theo Hiệp Hội Kỹ sư Công

Chánh Mỹ:

5.2.2 Tính toán thủy lực

A Phương pháp thích hợp:

Phương pháp thích hợp (Rational

method) có từ thập niên 1850 ở Ireland

Các giả thiết:

(1) Mưa xảy ra đồng thời và đồng nhất

trên toàn lưu vực (Áp dụng cho lưu vực

< 250 ha)

(2) Cường độ mưa phân bố đều trong

suốt thời gian mưa (mô hình chử nhật)

(3) Thời gian mưa Td lấy bằng thời

gian tập trung nước Tp (Td = Tp)

Tp là thời gian để hạt nước từ vị trí xa nhất trong lưu vực chảy về tới đoạn cống hay đoạn kênh đang tính

Nếu Td < Tp thì chỉ một phần lưu vực góp nước về đoạn cống hay kênh đang tính;

Nếu Td > Tp thì toàn lưu vực đã góp nước về đoạn cống hay kênh đang tính, nhưng lúc đó cường độ mưa lại nhỏ do

đó lưu lượng tới đoạn cống hay kênh chưa phải là lưu lượng lớn nhất

Như vậy lưu lượng lớn nhất sẽ xảy

ra khi T d = T p

5.2 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC MƯA

A Phương pháp thích hợp:

1 Lưu lượng mưa

Lưu lượng lớn nhất do mưa thiết kế

chảy qua đoạn cống hay kênh đang xét:

(m3/s) (5.4)

Trong đó:

Ai – Diện tích tiểu lưu vực thứ i (ha)

Ci – Hệ số dòng chảy của tiểu lưu

vực thứ I

Trên một lưu vực, lượng mưa rơi qmưa

được chia làm 2 thành phần: (a) Lượng

nước thấm qthấm (b) Lượng nước chảy

tràn qtràn:

qmưa = qtràn + qthấm (5.5) Theo định nghĩa:

C = qtràn/qmưa = 1 – qthấm/qmưa (5.6) = 01

A Phương pháp thích hợp:

1 Lưu lượng mưa

Như vậy C tùy thuộc vào qthấm, hay nói

khác đi là tùy thuộc vào tình hình sử

dụng bề mặt lưu vực đó:

5.2 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC MƯA

A Phương pháp thích hợp:

1 Lưu lượng mưa

I – Cường độ mưa (mm/h)

Td – Thời gian mưa (phút), lấy Td = Tp

Tp – Thời gian tập trung nước, thời gian

để hạt nước từ A chảy về tới D:

Tp = tc + ti

ti là – Thời gian nước chảy trong đoạn

cống hay kênh thứ I

(5.7)

(5.8)

A Phương pháp thích hợp:

Li – Chiều dài đoạn cống i (m)

Vi – Vận tốc dòng chảy trong đoạn cống i (m/s)

Qi – Lưu lượng chảy qua đoạn cống i (m3/s)

i – Diện tích mặt cắt ướt đoạn cống

i (m2)

phút (5.9)

(m/s) (5.10)

A Phương pháp thích hợp:

tc – thời gian nước chảy tràn mặt từ

điểm xa nhất trong lưu vực tới

đoạn cống đầu tiên

L – chiều dài (m); i – độ dốc; C – hệ số

dòng chảy; n – hệ số nhám của lưu vực

nơi nước chảy tràn

I – cường độ mưa (mm/h) với thời gian

mưa bằng tc (phút)

(5.11)

A Phương pháp thích hợp:

Để tránh giải lặp có thể lấy tc theo kinh nghiệm sau:

tc = 5 phút : vùng đô thị phát triển cao;

đã bê tông hóa, nhưa hóa bề mặt

tc = 10 - 15 phút : vùng đô thị có địa hình khá bằng phẳng với mật độ dân cư thưa hơn

tc = 20 - 30 phút : vùng dân cư nông thôn; các hố thu nước đặt khá xa; địa hình càng bằng phẳng thì tc càng lớn

(5.12)

5.2 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC MƯA

A Phương pháp thích hợp:

2 Kích thước cống:

Vận tốc nước chảy trong đoạn cống

đang xét được tính theo công thức

Darcy-Weisbach:

Lưu lượng: Q = V. (5.14)

Từ (5.13) và (5.14) sẽ xác định được

kích thước công trình thoát nước

a Đối với cống ngầm chảy có áp:

* Cống tròn có m luồng đường kính D

(5.13)

•Cống hộp có m luồng (axb), với k = a/b:

b Kênh hở hình thang có bề rộng b, chiều sâu nước h, h.số mái dốc m

Kênh hở có mặt cắt lợi nhất về mặt thủy lực:

Chọn trước b hay h sẽ tìm kích thước còn lại bằng cách giải lặp

(m) (5.15)

(m) (5.17a) (m) (5.16)

(m) (5.17b) (m) (5.17c) (m3/s) (5.18)

Ví dụ 1:

Tính toán hệ thống thoát nước mưa

cho lưu vực sau:

Cường độ mưa thiết kế:

I = 7627 / (Td+37) (mm/h) Thời gian nước chảy tràn mặt trong các tiểu khu: tc = 10 phút

Mực nước sông thấp hơn cửa xả D Xác định kích thước hệ thống thoát nước:

a Thoát nước bằng cống tròn BTCT (n=0,014); D = 0,6; 0,8; 1,0, 1,2; 1,5 m

b Thoát nước vừa bằng cống tròn vừa bằng cống hộp axb = 1,8x1,5m

c Thoát nước bằng kênh hở BTCT theo mặt cắt lợi nhất, m=1

5.2 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC MƯA

B Theo TCVN 7957:2008:

2 Kích thước cống:

Lưu lượng tính toán thoát nước mưa của

tuyến cống (l/s):

Q = q.C.F (5.19)

Trong đó:

q – cường độ mưa tính toán (l/s.ha)

C – hệ số dòng chảy

F – diện tích lưu vực mà tuyến cống phuc

vụ (ha)

H/số C phụ thuộc vào loại mặt phủ và chu kỳ

lặp lại trận mưa tính toán P

t – thời gian dòng chảy mưa (phút)

P – chu kỳ lặp lại trận mưa tính toán (năm) A,C,b,n – tham số xác định theo điệu kiện

mưa địa phương, có thể chọn theo phụ lục B

(5.20)

5.3.1 Lưu lượng nước thải tính toán

A Lưu lượng nước thải từ các tiểu

khu:

Mạng lưới thoát nước được tính toán

theo lưu lượng giây lớn nhất gọi là lưu

lượng tính toán của nước thải

Lưu lượng nước thải sinh hoạt tùy thuộc

số dân và tiêu chuẩn thải nước Lưu

lượng nước thải của xí nghiệp công trình

tùy thuộc lượng sản phẩm và tiêu chuẩn

thải nước sản xuất

Tiêu chuẩn thải nước có thể lấy bằng tiêu

chuẩn cấp nước

Lưu lượng tính toán:

Qmax = q0.F.KC (5.21)

* Modul dòng chảy hay lưu lượng đơn vị:

q0 = Pq/86400 (l/s.ha) (5.22)

P – mật độ dân cư trên 1 ha

q – tiêu chuẩn thải nước ngày trung bình

trên người (l/người ngđ)

* F – diện tích các tiểu khu nhà ở (ha)

* KC – hệ số không điều hòa chung

5.3 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC THẢI

5.3.1 Lưu lượng nước thải tính toán

B Lưu lượng nước thải trong các đoạn

cống:

Đoạn cống được hiểu là phụ trách

nhận nước cho 1 tiểu khu, có thể nằm

giữa 2 hố ga chính hay có thêm một số

hố ga trung gian, nhưng trong đoạn

cống thì đường kính cống, độ dốc cống,

… không đổi

Nước chảy trong đoạn cống bao gồm

nước từ các đoạn cống trên truyền

xuống và nước từ tiểu khu chảy ra

Trong đoạn cống AB, gọi A là đầu vào,

B là đầu ra

Lưu lượng nước thải từ tiểu khu ra Qthải phân bố trên suốt chiều dài AB, nhưng để tiện cho việc tính toán thủy lực xem lưu lượng này như chảy ra tập trung ở 2 đầu, đầu A 1 lưu lượng 0,5Qthải và đầu B 1 lưu lượng 0,5Qthải Như vậy lưu lượng chảy trong đoạn cống AB là Q:

Q = Tổng lưu lượng tại đầu vào A = QAi hay Q = 0,5 Qthải + (Q1 + Q2 + …)

Trong đó quy ước Qi chảy vào nút A mang dấu cộng và chảy ra mang dấu trừ

5.3.2 Các điều kiện tính toán cống

nước thải

1 ĐK1: Điều kiện về “Đường kính cống

tối thiểu”

Để có thể nạo vét cống dễ dàng,

đường kính cống D cần phải lớn hơn hay

bằng trị số Dmin như sau:

D  Dmin (5.22)

2 ĐK2: Điều kiện về “Vận tốc không lắng

hay độ cống tối thiểu”

Để hạn chế bùn cát bồi lắng lòng cống, vận tốc nước chảy trong cống V phải lớn hơn hay bằng vận tốc không lắng [Vkl]:

V  [Vkl] (5.23)

Hay độ dốc cống icống phải lớn hơn hay bằng

độ dốc imin như sau:

icống imin (5.24) Trong đó : imin 1/D với D tính theo mm

5.3 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC THẢI

5.3.2 Các điều kiện tính toán cống

nước thải

3 ĐK3: Điều kiện về “Độ đầy tối đa”

Độ đầy được định nghĩa là tỷ số h/D

hay góc ở tâm o :

Trong nước thải có các chất hữu cơ, vô

cơ, vi sinh vật, … trong quá trình vận chuyển các biến đổi sinh hóa xảy ra làm phát sinh các loại khí, như vậy các cống nước thải đều phải dành 1 khoảng không bên trên để thoát các loại khí ra ngoài, không cho phép chảy đầy cống:

h/D  (h/D)max (5.25a) Hay:   max (5.25b) Như vậy tuy các cống nước thải là cống kín nhưng chế độ chảy trong cống là chảy

hở (chảy không áp, chảy có mặt thoáng)

5.3.3 Tính toán thủy lực

Áp dụng phương trình liên tục và công

thức tính tổn thất thủy lực theo

Darcy-Weisbach cho trường hợp cống tròn chảy

không đầy cống, được các kết quả sau:

(1) PT liên tục: Q = .V  Q=(1/8) V.D2.E()

Với: E() = ./180 - sin (5.26)

(2) PT liên tục + CT Darcy-Weisbach:

 Q=(1/8n) i1/2.D8/3.F()

Với: F()=[45/(.)]2/3[./180-sin]5/3 (5.27)

(3) CT Darcy-Weisbach:

 V =(1/n) i1/2 D2/3 G()

Với: G() = [45/(.)]2/3[./180 - sin]2/3

(5.28)

(4) Độ đầy:  h = D H() Với: H() = [1 + ((1+cos)/2)1/2] /2 (5.29) Trong đó:

Q – Lưu lượng nước chảy qua cống (m3/s)

V – Vận tốc nước chảy trong cống (m/s)

D – Đường kính trong của đoạn cống (m)

h – Chiều sâu nước trong đoạn cống (m)

i – Độ dốc thủy lực của đoạn cống Đối với cống nước thải, thường thiết kế chảy đều trong cống, do đó: i  icống

 - Độ đầy trong đoạn cống, tính theo độ (o)

n – Độ nhám thành ống

5.3 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC THẢI

5.3.3 Tính toán thủy lực

Đối với bài toán cống nước thải, thông

thường biết trước Q, n, yêu cầu xác định D

Trình tự xác định đường kính cống như sau:

(1) Chọn độ dốc cống icống

+ Trong TH địa hình mặt đất dốc thuận:

iđh≥imin 0,001 – 0,003, chọn icống = iđh

+ Trong TH địa hình mặt đất bằng phẳng

hay dốc ngược: iđh<imin, chọn icống = imin

để tránh lắng đọng các chất lơ lửng

(2) Sơ bộ chọn D hiện có trên thị trường

đồng thời thỏa mãn ĐK1 (công thức (5.22))

và ĐK2 (công thức (5.24)): D = max(ĐK1,

ĐK2)

(3) Trong công thức (5.27), dùng phương

pháp thử dần để xác định 

(4) Kiểm tra điều kiện ĐK3: max ? Nếu điều kiện này thỏa thì D là đường kính nhỏ nhất đồng thời thỏa mãn cả 3 điều kiện ĐK1, ĐK2, ĐK3 nên sẽ là D chọn Nếu điều kiện trên không thỏa, chọn lại D lớn hơn một bậc

và lặp lại các bước (3), (4), … cho đến khi thoả mãn được ĐK3

(5) Với D và  chọn được ở trên, dùng các công thức (5.28), (5.29) để tính V và h

(6) Kiểm tra thêm điều kiện không lắng (5.23), nếu không thỏa cần tăng độ dốc cống

icống và lặp lại các bước (2), (3), … (7) Kiểm tra thêm điều kiện không xói: V 

[Vkx] ? (với [Vkx] = 8 m/s đối với ống kim loại, [Vkx] = 4 m/s đối với các loại ống phi kim loại), nếu không thỏa cần thay ống có vật liệu tốt hơn

Ví dụ 2:

Chọn đường kính cống nước thải có: Lưu

lượng Q = 0,09 m3/s, độ dốc địa hình

iđh=0,008 Biết ống bằng BTCT (n=0,015) có

các cỡ ống sau: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2

Ví dụ 3:

Chọn đường kính cống nước thải có: Lưu

lượng Q = 0,04 m3/s, độ dốc địa hình

iđh=0,000 (địa hình bằng phẳng) Biết ống

bằng BTCT (n=0,015) có các cỡ ống sau:

0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2

5.3 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC THẢI

5.3.4 Tính toán cống nước thải bằng

bảng tra:

Trong các thí dụ trên để tìm  (và tìm h)

từ F() trong công thức (5.27) phải dùng

phương pháp lặp Để tiện cho việc tính toán,

tài liệu này đã lập các bảng tra sẳn để ‘Chọn

sơ bộ đường kính cống’ (bảng 6-1) theo các

loại ống thường dùng hiện nay ở khu vực

phía Nam là ống nhựa Bình Minh , ống bê

tông cốt thép, … và ‘Bảng tra E(), F(),

G(), H() theo ’ (bảng 6-2)

Phần tính toán thiết kế phân ra làm 2

trường hợp: (1) Địa hình nằm ngang hay dốc

ngược (2) Địa hình dốc thuận

A Địa hình nằm ngang hay dốc ngược

Trong trường hợp này 2 thông số cần xác định là D và icống. Nên chọn icống nhỏ nhất có thể được để giảm chiều sâu đặt cống ở các đoạn cuối Trình tự tính toán như sau:

1 Số liệu ban đầu đã biết: Q, n (theo loại đường ống được dùng) và địa hình dọc tuyến ống

2 Từ Q, tra cột [2] và [3] của bảng 6-1 tìm được Dt và Dd (Dt và Dd là đường kính trên và đường kính dưới có trong bảng và đồng thời hiện có trên thị trường tương ứng với 2 giá trị lưu lượng mà Q nằm trong khoảng) Ở đây có

2 cách chọn D:

A Địa hình nằm ngang hay dốc ngược

a- Chọn D = Dt : Chế độ chảy trong cống

sẽ có: V  [Vkl], nhưng  < max Độ dốc

icống sẽ nhỏ nhất, nhưng D hơi lớn

- Từ (5.26): E() = 8 Q /([Vkl].D2)

Tra bảng 6-2 , F(), G(), H()

- Từ (5.27): i = [(8n.Q) / (D8/3.F())]2

- Từ (5.28): Tính V

- Từ (5.29): Tính h

b- Chọn D = Dd : Chế độ chảy trong cống

sẽ có: max , nhưng V > [Vkl] D sẽ nhỏ

nhất, nhưng icống hơi lớn (khối lượng hố

móng lớn)

- Từ (5.27): i = [(8n.Q) / (D8/3.F(max))]2

- Từ (5.28): Tính V

- Từ (5.29): Tính h

Ví dụ 4:

Cho Q = 0,12 m3/s của 1 cống dẫn nước thải ngoài đường, ống bằng BTCT (n = 0,014) có D = 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,5m Chọn D và icống thích hợp nhất

Ví dụ 5:

Cho Q = 0,05 m3/s của 1 cống nước thải ngoài đường có địa hình khá bằng phẳng, dùng ống nhựa Bình Minh (n = 0,009) Chọn

D và i thích hợp nhất

5.3 TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC THẢI

A Địa hình dốc thuận (i đh i min )

Trong trường hợp này lấy icống iđịa hình ,

đường ống đặt song song với mặt đất tự

nhiên Thông số cần xác định là D Trường

hợp địa hình quá dốc cần kiểm tra thêm

điều kiện không xói của vật liệu làm ống

1 Số liệu ban đầu đã biết: Q, n (theo loại

đường ống được dùng) và địa hình dọc

tuyến ống

2 Chọn icống iđịa hình Tính 8nQ/ i1/2 Tra

cột [2] và [4] của bảng 6-1 chọn D = Dt

3 Từ (5.27), tính F() = 8n.Q /(i1/2.D8/3)

4 Tra bảng 6-2 tìm , G(), H()

5 Từ (5.28) và (5.29) tính V và h

Ví dụ 6:

Cho Q = 0,08 m3/s của 1 cống nước thải ngoài đường, dùng ống BTCT (n = 0,014) có

D = 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2m, địa hình khá dốc: iđịa hình = 0,008 Chọn D thích hợp Biết [Vkx] = 4 m/s

Ví dụ 7:

Cho Q = 0,45 m3/s của 1 cống nước thải ngoài đường, dùng ống BTCT (n = 0,014) có

D = 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2m, địa hình khá dốc: iđịa hình = 0,025 Chọn D thích hợp Biết [Vkx] = 4 m/s