Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Mạng lưới thoát nước mưa & nước thải do tác giả Lê Thị Minh Nga làm chủ biên, cùng sự tham gia góp ý của tập thể giảng viên Bộ môn Cấp thoát nước thuộc Khoa Quản lý Xây dựng và đô thị, Trường Cao đẳng Xây dựng số 1 (Bộ Xây dựng). Giáo trình được ban hành chính thức theo Quyết định số 389ĐT/QĐ-CĐXD1 ngày 30 tháng 09 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Xây dựng số 1. Trong chương trình đào tạo, đây là học phần kỹ thuật chuyên ngành then chốt thuộc khối kiến thức cơ sở và chuyên môn của ngành Công nghệ Kỹ thuật tài nguyên nước, đào tạo ở trình độ Cao đẳng.

Mục tiêu học tập của giáo trình nhằm cung cấp cho người học hệ thống cơ sở lý thuyết và kỹ năng thực hành phục vụ công tác tính toán, thiết kế mạng lưới thoát nước ngoài nhà. Hoàn thành giáo trình, người học có khả năng xác định các tài liệu khảo sát khí tượng thủy văn, mặt bằng quy hoạch; phân tích chức năng, cấu tạo của các hệ thống thoát nước; tính toán lưu lượng và thông số thủy lực cống; lựa chọn vật liệu, kết cấu mối nối và cấu tạo công trình trên mạng lưới; đồng thời nắm vững quy trình kiểm tra, thau rửa, sửa chữa và bảo đảm an toàn trong quản lý vận hành.

Cấu trúc giáo trình được xây dựng theo hệ thống 6 chương, dẫn dắt theo tiến trình kỹ thuật: từ nhận diện hệ thống và sơ đồ thoát nước, tính toán lưu lượng, tính toán thủy lực cống ngoài nhà, lựa chọn vật liệu và công trình phụ trợ, cho đến thiết kế hệ thống thoát nước mưa và tổ chức quản lý kỹ thuật mạng lưới. Điểm đặc sắc của giáo trình là tính thực hành chuẩn mực, tích hợp trực tiếp các bảng biểu định mức, tiêu chuẩn cấp thoát nước hiện hành (như TCXDVN 33:2006), đi kèm hệ thống ví dụ tính toán hoàn chỉnh và 5 đợt bài tập môn học xuyên suốt các giai đoạn thiết kế đồ án.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Giáo trình gồm 6 chương chuyên đề với mạch phát triển kiến thức liên tục:

  • Chương 1: Các hệ thống và sơ đồ thoát nước: Phân loại 3 nhóm nước thải chính (nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất gồm loại bẩn và quy ước sạch, nước mưa). Phân tích cấu tạo, nguyên tắc làm việc, ưu - nhược điểm và phạm vi áp dụng của 5 hệ thống thoát nước: hệ thống cống chung (có và không có giếng tràn nước mưa), hệ thống riêng hoàn toàn, hệ thống riêng không hoàn toàn, hệ thống nửa riêng (sử dụng giếng tách nước mưa) và hệ thống hỗn hợp. Mô tả các bộ phận bên trong nhà, mạng lưới ngoài nhà, trạm bơm, công trình xử lý và cửa xả. Trình bày 5 sơ đồ mạng lưới thoát nước dựa trên địa hình (sơ đồ thẳng góc, cắt ngang, song song, phân vùng, phân ly) và quy định điều kiện tiếp nhận nước thải vào mạng lưới (nồng độ chất lơ lửng và chất nổi $\le 500\text{ mg/l}$, khử độc, khử trùng trước khi xả).
  • Chương 2: Những vấn đề cơ bản về thiết kế hệ thống thoát nước: Phân tích yêu cầu bản đồ quy hoạch mặt bằng (tỷ lệ 1/1000 đến 1/10000, đường đồng mức cách nhau $0,5 - 1\text{m}$); xác định thời hạn và dân số tính toán; tiêu chuẩn thải nước sinh hoạt theo mức độ tiện nghi của ngôi nhà ($60 - 300\text{ l/người.ngđ}$) tham chiếu tiêu chuẩn TCXDVN 33:2006; tiêu chuẩn thải nước phân xưởng nóng ($35\text{ l/người.ca}$), phân xưởng lạnh ($25\text{ l/người.ca}$), tiêu chuẩn nước tắm ($40 - 60\text{ l/người.lần}$); xác định hệ số không điều hòa ngày ($K_{ng}$), giờ ($K_h$) và hệ số không điều hòa chung ($K_c$); công thức tính toán lưu lượng nước thải sinh hoạt khu dân cư, công trình công cộng (trường học, bệnh viện), xí nghiệp công nghiệp; kỹ thuật lập bảng tổng hợp lưu lượng và dựng biểu đồ dao động theo 24 giờ.
  • Chương 3: Tính toán, thiết kế MLTN ngoài nhà: Phân tích trạng thái dòng chảy của nước thải (hỗn hợp chất lỏng đa phân tán bão hòa huyền phù và keo, chuyển động chảy rối tạo xoáy vận chuyển hạt lơ lửng); chế độ dòng chảy thực tế không đều, không ổn định và giả thiết tính toán dòng chảy đều; các dạng tiết diện cống (tiết diện tròn chiếm $90%$); các công thức thủy lực cơ bản Chézy ($v = C\sqrt{R\cdot i}$), công thức Pav-lôp-ski xác định hệ số Sê-di ($C = \frac{1}{n}R^y$); bảng hệ số nhám $n$ theo vật liệu cống; tổn thất cục bộ ($h_{cb} = \xi \frac{v^2}{2g}$); quy định đường kính tối thiểu $D_{min}$ ($150\text{ mm}$ cho tiểu khu, $200\text{ mm}$ cho đường phố đối với nước thải sinh hoạt; $300\text{ mm}$ và $400\text{ mm}$ đối với cống thoát nước mưa/cống chung); độ đầy tối đa $(H/D){max}$; vận tốc tự rửa sạch ($v{trs} \ge 0,7 - 1,15\text{ m/s}$) và vận tốc phá hoại ($4\text{ m/s}$ cho ống phi kim, $8\text{ m/s}$ cho ống kim loại); độ dốc tối thiểu ($I_{min} = 1/D$); nguyên tắc, trình tự vạch tuyến (sơ đồ phân khối, ranh giới phía thấp, xuyên tâm); quy định khoảng cách lắp đặt cống trên mặt cắt ngang đường phố đối với móng nhà và các đường ống ngầm khác; phương pháp tính 4 thành phần lưu lượng phân đoạn ($q_{dđ}, q_{nb}, q_{cq}, q_{ttr}$); xác định độ sâu chôn cống ban đầu $H = h + i(L + l) + (Z_2 - Z_1) + \Delta D$; lập bảng tính toán thủy lực và dựng trắc dọc tuyến cống (tỷ lệ đứng 1:100).
  • Chương 4: Ống dẫn, kênh mương, những công trình trên mạng lưới thoát nước: Yêu cầu đối với ống và kênh mương theo các tiêu chí cơ học, thủy lực, sản xuất, thi công, vận chuyển và quản lý; đặc tính kỹ thuật các loại cống (cống sành, cống bê tông, cống bê tông cốt thép, xi măng amiăng không áp, cống nhựa, ống kim loại chịu áp); cấu tạo mối nối cống sành và mối nối cống bê tông; kết cấu nền và bệ đỡ cống; cấu tạo các công trình phụ trợ trên mạng lưới: giếng thăm, giếng chuyển bậc, cống luồn qua sông hồ, kênh đào và kết cấu cống đặt qua đường sắt, đường ô tô.
  • Chương 5: Thoát nước mưa và hệ thống thoát nước chung: Các thông số khí tượng thủy văn, công thức xác định cường độ mưa, hệ số dòng chảy, thời gian mưa tính toán và công thức tính lưu lượng nước mưa; nguyên tắc và trình tự vạch tuyến mạng lưới thoát nước mưa; tính toán thủy lực cống, kênh mương, rãnh hở, máng dẫn; cấu tạo giếng thu nước mưa, giếng thăm, giếng chuyển bậc và hồ điều hòa lưu lượng nước mưa.
  • Chương 6: Cơ sở kỹ thuật quản lý mạng lưới thoát nước: Tổ chức quản lý kỹ thuật mạng lưới; quy trình kiểm tra bảo vệ đường cống và công trình phụ trợ; kiểm tra chế độ thủy lực; công tác nghiệm thu đưa công trình vào sử dụng; kỹ thuật kiểm tra, thau rửa mạng lưới bằng các phương pháp chuyên dụng; kỹ thuật sửa chữa sự cố cống và quy định an toàn lao động trong môi trường cống ngầm.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Lý thuyết thủy lực cống thoát nước tự chảy: Cơ sở dòng chảy không áp trong đường ống tròn có mặt thoáng, cơ chế vận chuyển chất lơ lửng nhờ xoáy dòng chảy rối, sự phụ thuộc của lưu lượng và vận tốc vào bán kính thủy lực $R$, độ dốc $i$, độ nhám lòng cống $n$ theo mô hình Chézy – Pav-lôp-ski.
  • Nguyên lý cân bằng lưu lượng và dao động thải nước: Khái niệm hệ số không điều hòa ($K_{ng}, K_h, K_c$) theo quy mô dân số và đặc thù sinh hoạt, chế độ làm việc của công trình công cộng và phân xưởng sản xuất công nghiệp.
  • Khung tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật xây dựng: Áp dụng các giới hạn định mức kỹ thuật theo TCXDVN 33:2006, tiêu chuẩn bảo vệ công trình ngầm, tiêu chuẩn môi trường về giới hạn xả thải vào nguồn nước.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Đọc và khai thác bản đồ địa hình phục vụ vạch tuyến cống; phân chia lưu vực thoát nước; lựa chọn sơ đồ vạch tuyến thích hợp (phân khối, ranh giới thấp, xuyên tâm); xác định độ sâu đặt cống ban đầu và bố trí cống đúng khoảng cách an toàn với các công trình lân cận.
  • Kỹ năng phân tích và tính toán (Analytical skills): Tính toán lưu lượng riêng $q_r$, phân tích và tổng hợp lưu lượng nước thải cho từng đoạn cống theo 4 thành phần ($q_{dđ}, q_{nb}, q_{cq}, q_{ttr}$); tra cứu và giải bài toán thủy lực để tìm ra cặp thông số kỹ thuật tối ưu giữa đường kính $D$, độ dốc $i$, vận tốc $v$ và độ đầy $H/D$.
  • Kỹ năng thực hành đồ án (Practical competencies): Thành lập bảng tính toán thủy lực mạng lưới thoát nước hoàn chỉnh; dựng bản vẽ mặt cắt dọc (trắc dọc) kỹ thuật thể hiện chính xác cao độ mặt đất, cao độ đáy cống, mực nước ngầm, vị trí giếng thăm và các thông số thủy lực theo tỷ lệ quy định; lập quy trình quản lý, nghiệm thu và thau rửa mạng lưới.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp tiếp cận sư phạm thực hành kỹ thuật (engineering practice-oriented approach). Nội dung đi tuần tự từ việc làm rõ bản chất vật lý và hiện tượng thủy lực, chuẩn hóa các công thức toán học, đến việc hướng dẫn quy trình tính toán từng bước thông qua hệ thống bảng biểu định hình.

Hệ thống bài tập tính toán và ví dụ mẫu được xây dựng chi tiết trong văn bản giáo trình. Điển hình như ví dụ tính toán lưu lượng và lập bảng thủy lực cho tuyến cống chính $A - TBC$ (với các thông số mật độ dân số $300\text{ người/ha}$, tiêu chuẩn thải nước $200\text{ l/người.ngđ}$, diện tích 16 ha chia làm 4 ô đất, lưu lượng tập trung từ trường học $5\text{ l/s}$, xí nghiệp công nghiệp $20\text{ l/s}$). Các bước giải được trình bày rõ ràng: từ vạch tuyến, tính lưu lượng riêng $q_r = 0,694\text{ l/s.ha}$, phân bổ lưu lượng từng đoạn, xác định độ sâu đặt cống ban đầu tại điểm $A$, đến lập bảng thủy lực và vẽ trắc dọc cống.

Quy trình đánh giá kết quả học tập được gắn chặt với 5 đợt "Bài tập môn học" (tương đương các giai đoạn thực hiện đồ án môn học):

  1. Bài tập môn học lần 1: Xác định lưu lượng nước thải tính toán cho các đoạn cống của mạng lưới.
  2. Bài tập môn học lần 2 và lần 3: Tính toán thủy lực mạng lưới thoát nước ngoài nhà, chọn cách nối cống (nối theo mực nước hoặc nối theo đáy cống) và thiết kế bản vẽ trắc dọc tuyến cống.
  3. Bài tập môn học lần 4: Tính toán lưu lượng nước mưa, tính thủy lực cống/mương thoát nước mưa và bố trí các công trình thu, hồ điều hòa.
  4. Bài tập môn học lần 5: Lập kế hoạch kiểm tra kỹ thuật, quy trình nghiệm thu, thau rửa, sửa chữa và các biện pháp an toàn lao động.

Về phương pháp tự học, người học cần kết hợp việc nghiên cứu lý thuyết trong giáo trình với việc tự giải các bài tập tính toán theo số liệu tự ra của giảng viên, tra cứu độc lập các bảng số liệu thủy lực (bảng hệ số nhám $n$, hệ số cờ-xi $\xi$, hệ số không điều hòa $K_c$, bảng quy định độ đầy $H/D$ và vận tốc $v_{trs}$), từ đó hoàn thiện đồ án môn học theo đúng tiến độ đề ra.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tích hợp tiêu chuẩn ngành: Giáo trình được biên soạn dựa trên hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng Việt Nam, cập nhật số liệu tiêu chuẩn cấp nước đô thị theo định hướng giai đoạn phát triển từ TCXDVN 33:2006, quy định chi tiết định mức dùng nước sinh hoạt cho các loại đô thị từ loại đặc biệt đến loại V và điểm dân cư nông thôn.
  • Chi tiết hóa định mức thải nước công nghiệp và công cộng: Tài liệu cung cấp bảng phân loại tiêu chuẩn thải nước cụ thể cho công nhân phân xưởng nóng ($35\text{ l/người.ca}$), phân xưởng lạnh ($25\text{ l/người.ca}$), tỷ lệ công nhân tắm theo các ngành đặc thù (công nghiệp hóa chất $40%$, chế tạo máy $25%$, thực phẩm $70%$), cùng biểu đồ phân bổ lưu lượng theo từng giờ trong ngày của bệnh viện, trường học và nhà máy.
  • Quy chuẩn hóa khoảng cách an toàn kỹ thuật: Giáo trình nêu rõ các thông số lắp đặt cống ngoài thực địa: khoảng cách mép móng nhà đến cống tự chảy ($\ge 3\text{m}$), cống có áp ($\ge 5\text{m}$); khoảng cách giữa cống thoát nước và ống cấp nước song song ($\ge 1,5 - 3\text{m}$ khi ống cấp đặt cao hơn, $\ge 5\text{m}$ khi cống thoát đặt cao hơn); chiều dài đoạn ống lồng bảo vệ khi giao chéo ($>10\text{m}$ trong đất không thấm nước, $>20\text{m}$ trong đất thấm nước); khoảng cách mép hào thi công đến tim đường sắt ($\ge 4\text{m}$).
  • Gắn kết trực tiếp giữa tính toán thiết kế và quản lý vận hành: Không chỉ dừng lại ở bài toán tính toán lý thuyết, giáo trình dành riêng chương 6 để trang bị kỹ thuật kiểm tra chế độ thủy lực, phương pháp thau rửa, phát hiện rò rỉ, bảo dưỡng công trình và an toàn lao động trong hệ thống cống ngầm.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật tài nguyên nước: Là tài liệu học tập bắt buộc cho sinh viên trình độ Cao đẳng thuộc Khoa Quản lý Xây dựng và đô thị, phục vụ học phần Mạng lưới thoát nước mưa & nước thải và làm đồ án môn học chuyên ngành.
  • Sinh viên các ngành kỹ thuật liên quan: Dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành Xây dựng công trình, Cấp thoát nước, Kỹ thuật hạ tầng đô thị, Quản lý đô thị và Kỹ thuật môi trường tại các trường cao đẳng, đại học kỹ thuật.
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Để tiếp thu tốt nội dung giáo trình, người học cần hoàn thành các học phần: Thủy lực đại cương (nắm vững phương trình Bernoulli, dòng chảy có áp và không áp), Trắc địa (đọc hiểu bản đồ địa hình, đường đồng mức, đo cao độ), Vẽ kỹ thuật xây dựng và Quy hoạch hạ tầng kỹ thuật đô thị.
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm đề cương chuẩn để soạn bài giảng lý thuyết, ra đề bài tập lớn môn học (5 đợt), hướng dẫn và đánh giá đồ án môn học Cấp thoát nước.
  • Cán bộ kỹ thuật và quản lý công trình: Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho kỹ thuật viên, cán bộ quản lý hệ thống thoát nước tại các công ty thoát nước đô thị, ban quản lý dự án hạ tầng trong công tác kiểm tra nghiệm thu, vạch tuyến cống và bảo dưỡng định kỳ hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn phục vụ đào tạo trình độ Cao đẳng cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật tài nguyên nước, đồng thời là tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành Cấp thoát nước, Hạ tầng đô thị và kỹ thuật viên quản lý vận hành mạng lưới thoát nước ngoài nhà.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần có kiến thức cơ sở về Thủy lực công trình (chế độ chảy đều, chảy rối, công thức tính lưu lượng và vận tốc), Trắc địa xây dựng (đọc bản đồ cao độ mặt bằng, đường phân thủy, lưu vực thoát nước) và Vẽ kỹ thuật.

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác?

Giáo trình có tính thực hành cao, không dàn trải lý thuyết hàn lâm mà tập trung vào các bước thiết kế cụ thể: cung cấp bảng tra số liệu đầy đủ ($n, K_c, \xi, v_{trs}$), tích hợp ví dụ tính toán hoàn chỉnh từ vạch tuyến đến dựng bản vẽ trắc dọc và phân kỳ 5 đợt bài tập môn học gắn liền với quy trình làm đồ án thực tế.

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Người học nên đọc kỹ lý thuyết tính toán ở Chương 2 và Chương 3, làm lại từng bước của các ví dụ tính toán mẫu trong giáo trình, sau đó tự áp dụng để hoàn thiện các bài tập môn học từ lần 1 đến lần 5 theo số liệu mặt bằng tự lập hoặc do giảng viên giao.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Giáo trình dẫn chiếu các tiêu chuẩn quy chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXDVN 33:2006), cung cấp hệ thống 7 bảng số liệu kỹ thuật về tiêu chuẩn dùng nước, hệ số không điều hòa, bảng phân bổ lưu lượng 24 giờ, hệ số nhám, hệ số tổn thất cục bộ và bảng mẫu tính thủy lực phục vụ trực tiếp quá trình tính toán.

Kết luận

Giáo trình Mạng lưới thoát nước mưa & nước thải do Trường Cao đẳng Xây dựng số 1 ban hành là tài liệu học tập chuẩn hóa, mang tính thực tế và có giá trị chuyên môn cao đối với ngành Công nghệ Kỹ thuật tài nguyên nước. Nội dung tài liệu cung cấp đầy đủ các cơ sở lý thuyết, định mức kỹ thuật và phương pháp tính toán thiết kế hệ thống thoát nước ngoài nhà.

Tiến trình tiếp cận được đề xuất cho người học gồm: nắm vững các mô hình hệ thống và sơ đồ mạng lưới $\rightarrow$ xác định lưu lượng tính toán $\rightarrow$ thực hiện bài toán thủy lực và dựng trắc dọc tuyến cống $\rightarrow$ nắm bắt cấu tạo công trình và vật liệu cống $\rightarrow$ thiết kế hệ thống thoát nước mưa $\rightarrow$ nghiên cứu công tác quản lý, thau rửa và an toàn kỹ thuật. Trong quá trình học tập, người học nên kết hợp tra cứu các Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam chuyên ngành Cấp thoát nước và ứng dụng các phần mềm vẽ kỹ thuật để nâng cao hiệu quả thực hành đồ án.