Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình phát triển đô thị, việc thiết kế và xây dựng hệ thống hạ tầng kỹ thuật đồng bộ đóng vai trò then chốt nhằm đảm bảo điều kiện sống cho cư dân và bảo vệ môi trường. Đề tài "Báo cáo Đồ án Cấp Thoát Nước" được thực hiện bởi sinh viên Lương Đức Thịnh (MSSV: 2014595), dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Hoàng Linh tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (năm 2024), tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật mạng lưới cấp nước sinh hoạt - chữa cháy và mạng lưới thoát nước mưa cho một tiểu khu dân cư đô thị.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được xác định cụ thể theo các nội dung chính:

  1. Tính toán nhu cầu sử dụng nước chi tiết cho các đối tượng trong tiểu khu dân cư (nước sinh hoạt, dịch vụ đô thị, tưới cây, rửa đường và dự phòng rò rỉ, thất thoát).
  2. Thiết kế, vạch tuyến mạng lưới đường ống cấp nước và trạm bơm cấp II; đề xuất các phương án vận hành máy bơm và tính toán dung tích bể chứa nước ngầm.
  3. Mô phỏng thủy lực mạng lưới cấp nước bằng phần mềm chuyên dụng EPANET ở các chế độ dùng nước khác nhau (giờ dùng nước cao điểm không có cháy và có cháy kết hợp).
  4. Vạch tuyến và tính toán thủy lực hệ thống mạng lưới cống thoát nước mưa tự chảy, bố trí các công trình thu nước và công trình phụ trợ trên mạng lưới.

Phạm vi nghiên cứu của đồ án áp dụng cho một khu dân cư có mã đề thiết kế III/2/6/5, với tổng diện tích đất xây dựng công trình là $139.360\text{ m}^2$ và quy mô dân số tính toán là $16.409$ người, bao gồm 3 loại hình công trình chính: biệt thự ($10 \times 20\text{ m}^2$), nhà phố liên kế ($5 \times 20\text{ m}^2$) và nhà chung cư cao tầng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Văn bản quy chuẩn và tiêu chuẩn áp dụng

Quá trình tính toán và thiết kế trong đồ án tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn, quy chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam:

  • TCXDVN 33:2006: Cấp nước – Mạng lưới đường ống và công trình – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCVN 2622:1995: Phòng cháy, chống cháy cho nhà và công trình – Yêu cầu thiết kế.
  • QCXDVN 01:2008/BXD: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về Quy hoạch xây dựng.
  • TCVN 6151-2:2002 (ISO 4422:1996): Hệ thống ống bằng chất dẻo dùng để cấp nước – Poly(vinyl clorua) không hóa dẻo (uPVC).
  • TCVN 7957:2008: Thoát nước – Mạng lưới và công trình bên ngoài – Tiêu chuẩn thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán

Đồ án áp dụng kết hợp các phương pháp tính toán giải tích truyền thống và mô phỏng số trên máy tính:

  • Phương pháp tính toán nhu cầu dùng nước và thủy lực mạng lưới cấp nước: Xác định lưu lượng tiêu thụ theo tiêu chuẩn dùng nước của từng đối tượng; sử dụng công thức đường kính kinh tế $D = \sqrt{4Q / (\pi v)}$ và phương trình tổn thất thủy lực Hazen-Williams trên phần mềm EPANET để kiểm tra áp lực tự do, cột áp và phân bố vận tốc dòng chảy trong ống.
  • Phương pháp cường độ mưa giới hạn (Rational Method): Dùng để tính toán lưu lượng thoát nước mưa cực đại $Q = k \cdot C \cdot I \cdot A$, trong đó thời gian tập trung nước mưa được xác định từ thời gian chảy tràn bề mặt và thời gian chảy trong cống.
  • Nguồn dữ liệu thiết kế: Bản đồ mặt bằng phân khu chức năng, phân chia lưu vực thoát nước, số liệu đặc trưng tiểu khu từ mã đề bài và bảng thông số vật liệu ống uPVC, ống cống bê tông cốt thép (BTCT).

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Thiết kế mạng lưới và trạm bơm cấp nước

  • Quy hoạch tuyến ống cấp nước: Mạng lưới được thiết kế dạng mạch vòng kết hợp mạch nhánh, bao trùm toàn bộ các đối tượng tiêu thụ. Mạng lưới gồm ít nhất 2 tuyến truyền dẫn chính đặt song song cấp nước từ hai phía. Chiều sâu đặt ống và khoảng cách an toàn với các công trình ngầm khác (cáp điện $\ge 0,5\text{ m}$, cống thoát nước $\ge 0,4\text{ m}$) được đảm bảo theo quy định.
  • Vật liệu ống: Sử dụng ống nhựa cứng uPVC theo tiêu chuẩn TCVN 6151-2:2002 với các cấp áp lực từ PN4 đến PN16, đường kính ngoài từ DN20 đến DN630.
  • Mô phỏng thủy lực trên EPANET:
    • Khai báo nút (Junction), đường ống (Pipe), bể chứa (Reservoir), máy bơm (Pump).
    • Thiết lập thuộc tính tổn thất theo công thức Hazen-Williams với hệ số nhám $C = 140$.
    • Khai báo hệ số biến thiên dùng nước theo giờ (Pattern) cho toàn khu ("ALL") và hệ số Pattern riêng cho trường hợp chữa cháy trong 3 giờ cao điểm (từ 8h đến 11h).
    • Vị trí trạm bơm cấp II đặt tại phía Tây Nam khu đất, cung cấp nước trực tiếp vào mạng lưới không qua đài nước.

Thiết kế hệ thống mạng lưới thoát nước mưa

  • Nguyên tắc vạch tuyến: Tận dụng tối đa độ dốc địa hình tự nhiên để thoát nước tự chảy về phía thấp nhất của lưu vực; tuyến cống chính bố trí dọc theo các đường tụ thủy và trục giao thông chính.
  • Cấu tạo công trình thoát nước mưa:
    • Cống ngầm BTCT tiết diện tròn (đường kính $D = 0,3\text{ m} \div 2,0\text{ m}$) nhằm đạt bán kính thủy lực tối ưu.
    • Giếng thăm (hố ga) bố trí tại các vị trí đổi hướng, đổi dốc, thay đổi tiết diện cống hoặc trên các đoạn cống thẳng với khoảng cách từ $20\text{ m}$ đến $100\text{ m}$ tùy theo đường kính cống.
    • Giếng thu nước mưa bố trí ven rãnh vỉa hè với khoảng cách $50\text{ m} \div 80\text{ m}$ tùy theo độ dốc dọc đường, chiều sâu hố thu cặn $0,5\text{ m}$.

Nội dung chính theo từng phần

Phần mở đầu: Các thông số thiết kế ban đầu

Phần mở đầu xác lập toàn bộ dữ liệu nền tảng phục vụ tính toán cho tiểu khu đô thị theo mã đề III/2/6/5. Các chỉ tiêu quy hoạch và tiêu chuẩn dùng nước được tổng hợp chi tiết:

Loại hình công trình Kích thước lô đất / Đơn vị Số tầng Mật độ xây dựng (%) Mật độ phân bố dân cư (người/$100\text{ m}^2$ sàn) Tiêu chuẩn cấp nước $q_{tc}$ (l/người-ngđ)
Biệt thự $10 \times 20\text{ m}^2$ 2 60 4 280
Nhà phố $5 \times 20\text{ m}^2$ 3 75 6 230
Chung cư Đơn nguyên 6 50 7 180

Dựa trên quy mô dân số $N = 16.409$ người, đồ án xác định hệ số không điều hòa ngày lớn nhất $K_{ng-max} = 1,2$ và hệ số không điều hòa giờ lớn nhất $K_{h-max} = 1,5$ (với $\alpha = 1,2$; $\beta = 1,25$). Cột áp tự do yêu cầu cho ngôi nhà cao nhất (nhà 3 tầng phổ biến làm mốc khống chế) được tính toán theo công thức: $$H_{ct} = 10 + 4(n - 1) = 10 + 4(3 - 1) = 18\text{ m}$$

Đối với hệ thống thoát nước, các thông số khí tượng gồm công thức tính cường độ mưa $I = \frac{6520 \cdot a}{t + 36,7}$ với hệ số $a = 1,3$, thời gian tập trung nước bề mặt $t_m = 10\text{ phút}$.

Phần 1: Cấp nước

Phần này giải quyết toàn bộ các bài toán kỹ thuật từ xác định phụ tải nước đến tính toán thủy lực chi tiết và so sánh phương án:

  1. Xác định nhu cầu dùng nước và công suất trạm bơm:

    • Lưu lượng nước sinh hoạt ngày lớn nhất: $Q_{sh-ngày,max} = 4.001,518\text{ m}^3/\text{ngđ}$.
    • Lưu lượng nước sinh hoạt giờ lớn nhất: $Q_{sh-h,max} = 460,192\text{ m}^3/\text{h}$.
    • Lưu lượng nước tưới đường, vỉa hè ($q = 0,5\text{ l/m}^2$, từ 8h–16h): $Q_{t-đường} = 84,805\text{ m}^3/\text{ngđ}$ ($0,0106\text{ m}^3/\text{h}$).
    • Lưu lượng nước tưới cây xanh ($q = 4,0\text{ l/m}^2$, từ 5h–8h và 16h–19h): $Q_{t-cây} = 201,600\text{ m}^3/\text{ngđ}$ ($0,0336\text{ m}^3/\text{h}$).
    • Nhu cầu dịch vụ công cộng đô thị: $Q_{dvdt} = 10% Q_{sh-ngày,max} = 400,152\text{ m}^3/\text{ngđ}$.
    • Kể đến hệ số thất thoát $a = 1,1$ và nước dùng nội bộ trạm xử lý $b = 1,05$, công suất trạm bơm cấp II là: $$Q_{tb} = (4001,518 + 400,152 + 201,600 + 84,805) \times 1,1 \times 1,05 = 5.414,726\text{ m}^3/\text{ngđ}$$

  2. Dung tích bể chứa nước ngầm: Dung tích toàn phần của bể chứa $W_{bc} = W_{đh} + W_{cc} + W_{bt}$.

    • Nước chữa cháy dự trữ cho 2 đám cháy đồng thời ($q_{cc} = 15\text{ l/s/đám cháy}$) trong 3 giờ: $$W_{cc} = \frac{2 \times 15 \times 3 \times 3600}{1000} = 324\text{ m}^3$$
    • Dung tích bản thân trạm xử lý: $W_{bt} = 7% Q_{tb} = 379\text{ m}^3$.
    • Dung tích điều hòa $W_{đh}$ phụ thuộc vào chế độ làm việc của từng phương án bơm.

  3. Mô phỏng thủy lực và phân tích hai phương án bơm:

    • Phương án 1 (Trạm bơm 2 máy bơm): 1 bơm hoạt động liên tục 24/24h, 1 bơm hoạt động 18h (từ 5h đến 22h). Lưu lượng mỗi bơm $128,92\text{ m}^3/\text{h}$, công suất động cơ $32,521\text{ kW}$. Dung tích điều hòa $W_{đh} = 663,9\text{ m}^3 \rightarrow W_{bc} = 1.367\text{ m}^3$.
    • Phương án 2 (Trạm bơm 3 máy bơm): 1 bơm chạy 24/24h, 1 bơm chạy 18h (4h–22h), 1 bơm chạy 10h (7h–12h và 14h–19h). Lưu lượng mỗi bơm $104,129\text{ m}^3/\text{h}$, công suất động cơ $26,267\text{ kW}$. Dung tích điều hòa $W_{đh} = 296\text{ m}^3 \rightarrow W_{bc} = 1.000\text{ m}^3$.

Phần 2: Thoát nước mưa

Nội dung phần này trình bày cấu tạo, nguyên tắc vạch tuyến và phương pháp tính toán thủy lực cho mạng lưới thoát nước mưa:

  • Cơ sở tính toán lưu lượng mưa: Áp dụng phương pháp thích hợp với giả định mưa xảy ra đồng thời và đồng nhất trên toàn lưu vực. Lưu lượng tính toán cho từng đoạn cống $Q = k \cdot C \cdot I \cdot A$, với hệ số dòng chảy $C$ tra theo Bảng 5 của TCVN 7957:2008.
  • Thời gian tập trung nước: $T_p = t_m + \sum \Delta t_i$, trong đó thời gian nước chảy trong cống $\Delta t_i = L_i / (60 V_i)$, với vận tốc dòng chảy $V_i = Q_i / \omega_i$.
  • Quy định kỹ thuật tuyến cống: Độ dốc cống $i_{cống}$ bám sát độ dốc địa hình $i_{đh}$; độ sâu chôn cống tối thiểu tính đến đỉnh cống là $0,7\text{ m}$ đối với khu vực có xe cơ giới và $0,3\text{ m}$ đối với khu vực không có xe cơ giới; góc nối giữa các tuyến cống không nhỏ hơn $90^\circ$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả so sánh hai phương án cấp nước

Đồ án đã mô phỏng chi tiết chế độ làm việc của mạng lưới trên EPANET, cung cấp bảng số liệu so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa hai phương án:

Thông số kỹ thuật & kinh tế Phương án 1 (2 Bơm) Phương án 2 (3 Bơm)
Lưu lượng mỗi bơm $Q$ ($\text{m}^3/\text{h}$) 130,00 104,30
Cột áp định mức $H$ ($\text{m}$) 18,00 18,00
Chủng loại máy bơm đề xuất Ebara 3D 65-200/22 (30 HP) CNP ZS80-65-200/22
Công suất động cơ mỗi bơm ($\text{kW}$) 22,37 22,37
Chế độ vận hành trong ngày (giờ) Bơm 1: 24h; Bơm 2: 18h Bơm 1: 24h; Bơm 2: 18h; Bơm 3: 10h
Cột áp tự do thấp nhất (giờ cao điểm không cháy) $20,76\text{ m}$ ($> 18\text{ m}$) $21,47\text{ m}$ ($> 18\text{ m}$)
Cột áp tự do thấp nhất (giờ cao điểm có cháy) $14,55\text{ m}$ ($> 10\text{ m}$) $14,88\text{ m}$ ($> 10\text{ m}$)
Dung tích bể chứa nước ngầm $W_{bc}$ ($\text{m}^3$) 1.367 1.000
Phân bố vận tốc ống ($v < 0,15\text{ m/s}$) 25% tổng chiều dài 45% tổng chiều dài
Vận tốc lớn nhất trong mạng lưới ($\text{m/s}$) 0,72 0,56

Đề xuất và giải pháp lựa chọn

Cả hai phương án đều đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về áp lực tự do tại các nút tiêu thụ ($H \ge 18\text{ m}$) và áp lực chữa cháy tại nút bất lợi nhất ($H_{cc} \ge 10\text{ m}$), không cần bổ sung thêm bơm chữa cháy chuyên dụng cho giờ cao điểm. Tác giả đề xuất lựa chọn Phương án 2 vì các lý do:

  1. Chế độ cấp nước của trạm bơm 3 máy bám sát biểu đồ tiêu thụ nước thực tế của khu dân cư hơn.
  2. Giảm đáng kể dung tích điều hòa của bể chứa ngầm (từ $1.367\text{ m}^3$ xuống còn $1.000\text{ m}^3$), giúp tiết kiệm chi phí xây dựng công trình ngầm và giảm chi phí đầu tư mua sắm bơm ban đầu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong đồ án, một số hạn chế và hướng phát triển kỹ thuật gồm:

  • Giả định về nguồn cấp: Đồ án giả định nguồn cấp nước (trạm bơm cấp I hoặc mạng lưới thành phố) có áp lực và lưu lượng ổn định vô tận, chưa xét đến sự dao động áp lực thực tế theo chu kỳ ngày đêm từ mạng lưới truyền dẫn bên ngoài.
  • Phạm vi hệ thống thoát nước: Báo cáo mới chỉ tập trung tính toán mạng lưới thoát nước mưa và các nguyên tắc cấu tạo công trình thu - xả, chưa bao gồm phần tính toán chi tiết mạng lưới thoát nước thải sinh hoạt riêng biệt cũng như công trình xử lý nước thải cục bộ.
  • Tác động thủy triều và ngập úng: Tính toán thủy lực thoát nước mưa chưa tích hợp bài toán ảnh hưởng của mực nước triều cường tại cửa xả đối với khả năng tự chảy của hệ thống cống.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu thực hành kỹ thuật có giá trị đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Kỹ thuật Cấp Thoát Nước, Kỹ thuật và Quản lý Nước Đô thị đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế hạ tầng kỹ thuật đô thị tham khảo quy trình phối hợp giữa tính toán lý thuyết theo tiêu chuẩn TCXDVN 33:2006, TCVN 7957:2008 và thiết lập mô hình tính toán trên EPANET.
  • Các nội dung đáng tham khảo bao gồm: phương pháp lập bảng cân bằng nước theo giờ, thuật toán xác định dung tích điều hòa của bể chứa ngầm theo chế độ làm việc của máy bơm, và cách thức khai báo hệ số Pattern cho trường hợp cháy kết hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy mô dân số và nhu cầu cấp nước sinh hoạt của khu dân cư trong đồ án được xác định là bao nhiêu?

Quy mô dân số tính toán của khu dân cư là $16.409$ người (phân bổ tại các khu biệt thự, nhà phố và chung cư). Lưu lượng nước sinh hoạt ngày lớn nhất đạt $Q_{sh-ngày,max} = 4.001,518\text{ m}^3/\text{ngđ}$, và tổng công suất tính toán của trạm bơm cấp nước (bao gồm tưới cây, rửa đường, dịch vụ công cộng và thất thoát) là $5.414,726\text{ m}^3/\text{ngđ}$.

2. Yêu cầu áp lực tự do tối thiểu tại các nút tiêu thụ trong mạng lưới cấp nước được khống chế như thế nào?

Cột áp tự do tối thiểu trong điều kiện dùng nước bình thường là $18\text{ m}$ (tính toán cho nhà 3 tầng theo công thức $H_{ct} = 10 + 4(n - 1)$). Trong trường hợp xảy ra cháy vào giờ cao điểm, áp lực tự do tại các nút có cháy phải đạt tối thiểu $10\text{ m}$ theo TCVN 33:2006.

3. Vì sao tác giả lựa chọn Phương án 2 (trạm bơm 3 máy) thay vì Phương án 1 (2 máy)?

Mặc dù Phương án 2 có chi phí điện năng vận hành cao hơn, nhưng phương án này giúp chế độ bơm bám sát nhu cầu dùng nước thực tế theo giờ, đồng thời làm giảm dung tích bể chứa nước ngầm cần xây dựng từ $1.367\text{ m}^3$ xuống còn $1.000\text{ m}^3$, mang lại hiệu quả cân bằng về chi phí đầu tư xây dựng.

4. Công thức và thông số nào được dùng để tính toán lưu lượng thoát nước mưa?

Lưu lượng thoát nước mưa được tính theo phương pháp cường độ cực đại $Q = k \cdot C \cdot I \cdot A$, với cường độ mưa $I = \frac{6520 \cdot a}{t + 36,7}$ ($\text{mm/h}$), hệ số $a = 1,3$, thời gian tập trung nước mặt $t_m = 10\text{ phút}$ và hệ số dòng chảy $C$ xác định theo TCVN 7957:2008.

5. Tiêu chuẩn bố trí giếng thăm và độ sâu chôn cống thoát nước mưa được quy định ra sao?

Khoảng cách giữa các giếng thăm dao động từ $20\text{ m} \div 30\text{ m}$ (đối với $D = 150 \div 300\text{ mm}$) đến $100\text{ m}$ (đối với $D > 1000\text{ mm}$). Độ sâu chôn cống tối thiểu tính đến đỉnh cống là $0,7\text{ m}$ tại khu vực có xe cơ giới qua lại và $0,3\text{ m}$ tại khu vực không có xe cơ giới.

Kết luận

Báo cáo Đồ án Cấp Thoát Nước của sinh viên Lương Đức Thịnh đã hoàn thành toàn diện các nội dung tính toán thiết kế kỹ thuật cho tiểu khu dân cư đô thị quy mô 16.409 dân. Đề tài đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng thủy lực trên EPANET, so sánh và lựa chọn phương án trạm bơm 3 máy kết hợp bể chứa nước ngầm $1.000\text{ m}^3$ nhằm tối ưu hóa chế độ cấp nước và áp lực tự do. Đồng thời, đồ án đã xác lập mạng lưới cống thoát nước mưa tự chảy hoàn chỉnh, tuân thủ các quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành.