Xác định cao trình hợp lý đáy cống xả trạm bơm tiêu nước ra sông Đuống

Cao trình hợp lý đáy cống xả trạm bơm tiêu nước: hướng dẫn kỹ thuật chi tiết về tính toán, thiết kế và tối ưu hóa hệ thống tiêu nước.

• Tác giả: Trịnh Thị Hương
• Đề tài: Xác định cao trình hợp lý của đáy cống xả trạm bơm tiêu nước ra sông đuống
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ

Tóm tắt

I. Tổng quan về cao trình đáy cống xả trạm bơm tiêu

Cao trình đáy cống xả là thông số kỹ thuật quan trọng bậc nhất trong thiết kế trạm bơm tiêu nước. Thông số này quyết định trực tiếp đến hiệu suất vận hành, khả năng thoát nước và tuổi thọ công trình. Trạm bơm tiêu nước ra sông Đuống đóng vai trò then chốt trong hệ thống thoát nước của thành phố Hà Nội. Khi mưa lớn xảy ra, trạm bơm phải hoạt động hết công suất để tiêu úng cho vùng đồng bằng phía Bắc. Đáy cống xả đặt quá cao sẽ gây cản trở dòng chảy, tạo phản áp lực lên máy bơm. Ngược lại, đặt quá thấp sẽ gây nguy hiểm khi mực nước sông dâng cao. Việc xác định cao trình hợp lý cần dựa trên dữ liệu thủy văn dài hạn, đặc biệt là số liệu mực nước sông Đuống tại trạm Thượng Cát. Phương pháp tính toán phải xem xét đồng thời nhiều yếu tố: lưu lượng thiết kế, mực nước thượng lưu, hạ lưu và điều kiện địa hình khu vực.

1.1. Vai trò của cống xả trong hệ thống trạm bơm

Cống xả là bộ phận cuối cùng trong chuỗi dẫn nước của trạm bơm. Bộ phận này nối liền bể xả với nguồn tiếp nhận, thường là sông hoặc kênh lớn. Cống xả thực hiện hai chức năng chính: dẫn nước đã bơm ra sông và ngăn nước sông tràn ngược vào trạm. Khi máy bơm hoạt động, nước từ bể hút được đẩy qua thân bơm vào bể xả, sau đó thoát ra sông qua cống xả. Khi trạm ngừng hoạt động, cống xả phải đóng kín để ngăn nước sông dâng cao tràn ngược. Thiết kế cao trình đáy cống xả ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số thoát nước và hiệu quả tiêu úng của toàn bộ trạm bơm.

1.2. Đặc điểm sông Đuống và điều kiện thủy văn

Sông Đuống là phụ lưu quan trọng của sông Hồng, chảy qua địa phận Hà Nội. Mực nước sông Đuống biến động mạnh theo mùa, chênh lệch lớn giữa mùa mưa và mùa khô. Trạm thủy văn Thượng Cát ghi nhận dữ liệu từ năm 1984, cung cấp chuỗi số liệu dài hạn phục vụ tính toán thiết kế. Theo số liệu thống kê, mực nước cực đại một ngày đạt trên 1000 cm vào mùa mưa bão. Mực nước trung bình năm dao động quanh mức 600-700 cm. Biên độ dao động mực nước lớn đặt ra thách thức lớn cho việc xác định cao trình đáy cống xả hợp lý cho các trạm bơm tiêu ven sông.

II. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cao trình đáy cống

Nhiều yếu tố kỹ thuật tác động đến việc xác định cao trình đáy cống xả. Yếu tố đầu tiên là mực nước thiết kế thượng lưu và hạ lưu của cống. Mực nước hạ lưu phụ thuộc vào chế độ thủy văn sông Đuống, được xác định từ chuỗi số liệu dài hạn tại trạm Thượng Cát. Mực nước thượng lưu liên quan đến cao trình nước trong bể xả khi bơm hoạt động. Yếu tố thứ hai là lưu lượng thiết kế của trạm bơm. Trạm bơm Phù Đổng sử dụng bốn máy bơm trục đứng loại 8000 m3/h mỗi máy. Tổng lưu lượng thiết kế đạt 32000 m3/h đòi hỏi tiết diện cống xả đủ lớn. Yếu tố thứ ba là tổn thất nước qua cống, bao gồm ma sát thành cống và cục bộ tại các mối nối. Yếu tố thứ tư là điều kiện địa hình tự nhiên, bao gồm cao trình nền đất và khả năng chịu lực của địa chất. Tất cả yếu tố này cần được phân tích đồng thời để tìm ra giải pháp tối ưu.

2.1. Tác động của mực nước sông Đuống mùa mưa lũ

Mùa mưa lũ từ tháng Sáu đến tháng Mười, mực nước sông Đuống dâng cao đột ngột. Số liệu tại trạm Thượng Cát cho thấy đỉnh lũ có thể vượt mức 1000 cm. Khi mực nước hạ lưu cao hơn cao trình đáy cống xả, dòng thoát nước bị cản trở nghiêm trọng. Áp lực ngược từ sông có thể đẩy nước tràn ngược vào bể xả. Hiện tượng này gọi là phản áp, gây mất hiệu suất bơm và nguy cơ hư hỏng thiết kế. Do đó, cao trình đáy cống xả phải được đặt cao hơn mực nước lũ thiết kế một khoảng an toàn nhất định. Khoảng an toàn này thường lấy bằng 0,5 đến 1,0 m tùy cấp công trình.

2.2. Ảnh hưởng của lưu lượng bơm và tổn thất áp suất

Lưu lượng bơm quyết định vận tốc dòng chảy trong cống xả. Vận tốc cao tạo tổn thất ma sát lớn, làm giảm áp suất hiệu dụng tại miệng xả. Công thức Darcy-Weisbach được sử dụng để tính toán tổn thất dọc theo chiều dài cống. Ngoài ra, tại các vị trí cua, co ngang và cửa xả còn phát sinh tổn thất cục bộ. Tổng tổn thất áp suất này làm tăng cao trình nước trong bể xả so với mực nước sông. Khi thiết kế, kỹ sư phải đảm bảo cao trình đáy cống đủ thấp để dòng nước thoát tự do dưới mọi chế độ vận hành. Đồng thời, cao trình này không được thấp hơn mức an toàn chống ngập ngược.

III. Phương pháp xác định cao trình đáy cống xả hợp lý

Phương pháp xác định cao trình đáy cống xả dựa trên nguyên lý cân bằng thủy lực. Bước thứ nhất là thu thập và xử lý dữ liệu thủy văn. Số liệu mực nước sông Đuống tại trạm Thượng Cát từ năm 1984 đến 2015 được phân tích để xác định các trị số thiết kế: mực nước cực đại một ngày, mực nước trung bình năm ngày cực đại và mực nước cực tiểu. Bước thứ hai là thiết lập phương trình năng lượng toàn phần từ bể xả ra sông. Phương trình này cân bằng giữa cao trình nước bể xả, tổn thất trong cống và mực nước sông hạ lưu. Bước thứ ba là tính toán cao trình đáy cống dựa trên điều kiện dòng chảy tự do. Đáy cống phải đặt thấp hơn mực nước bể xả thiết kế nhưng cao hơn mực nước lũ sông cộng với khoảng an toàn. Bước cuối cùng là kiểm tra bằng mô hình hệ thống động. Mô hình này mô phỏng quá trình vận hành trong các kịch bản khác nhau để xác nhận tính hợp lý của phương án thiết kế.

3.1. Xác định mực nước bể tháo thiết kế

Mực nước bể tháo thiết kế được xác định dựa trên cao trình đáy bể xả và mực nước dâng khi bơm hoạt động. Công thức tính toán sử dụng nguyên lý Bernoulli, xét dòng chảy không ổn định trong bể xả. Khi bốn máy bơm cùng hoạt động, lưu lượng đổ vào bể xả đạt cực đại. Mực nước trong bể dâng lên tạo chênh lệch áp suất đẩy nước qua cống xả ra sông. Mực nước bể tháo thiết kế phải đảm bảo dòng chảy thoát liên tục, không gây ngập tràn bờ bể. Giá trị này thường được lấy bằng cao trình đỉnh bể xả trừ đi khoảng dự trữ an toàn 0,3-0,5 m.

3.2. Kiểm tra điều kiện vận hành bằng mô hình hệ thống

Mô hình hệ thống động được xây dựng để kiểm tra điều kiện vận hành của trạm bơm. Mô hình sử dụng lý thuyết hệ thống, trong đó trạm bơm được mô tả như hệ động với các biến trạng thái và biến vào ra. Các biến trạng thái bao gồm mực nước bể hút, bể xả và lưu lượng qua từng máy bơm. Biến vào là mực nước sông Đuống và lưu lượng nước mưa cần tiêu. Mô hình cho phép mô phỏng quá trình vận hành theo thời gian thực. Kết quả mô phỏng xác nhận rằng cao trình đáy cống xả đã chọn đảm bảo thoát nước hiệu quả trong mọi kịch bản vận hành, kể cả trường hợp lũ cực đại.

IV. Kết luận và ứng dụng cho trạm bơm Phù Đổng

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng cao trình đáy cống xả hợp lý cho trạm bơm Phù Đổng cần đáp ứng đồng thời hai điều kiện. Điều kiện thứ nhất là đảm bảo dòng chảy tự do thoát ra sông Đuống khi bơm hoạt động ở chế độ tối đa. Điều kiện thứ hai là ngăn nước sông tràn ngược vào trạm khi mực nước sông dâng cao trong mùa lũ. Giá trị cao trình đáy cống xả được xác định bằng phương pháp cân bằng thủy lực kết hợp kiểm tra mô hình hệ thống. Ứng dụng thực tế tại trạm bơm Phù Đổng cho thấy kết quả tính toán phù hợp với điều kiện thực tế. Kế hoạch cải tạo nâng cấp trạm bơm Phù Đổng bao gồm xây dựng mới nhà máy bơm, bể hút, bể xả, kênh xả và cống xả. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế cao trình đáy cống xả tại các trạm bơm tiêu ven sông tương tự.

4.1. Kết quả xác định cao trình đáy cống cho trạm Phù Đổng

Trạm bơm Phù Đổng được thiết kế với bốn máy bơm trục đứng loại 8000 m3/h. Dữ liệu thủy văn từ trạm Thượng Cát giai đoạn 1984-2015 được sử dụng làm đầu vào tính toán. Kết quả cho thấy cao trình đáy cống xả hợp lý nằm trong khoảng cho phép đảm bảo thoát nước hiệu quả. Giá trị này cao hơn mực nước lũ thiết kế của sông Đuống một khoảng an toàn 0,8 m. Khi vận hành thực tế, dòng nước thoát ra sông trơn tru, không xảy ra hiện tượng phản áp. Mực nước bể tháo thiết kế đạt yêu cầu, không gây ngập tràn khu vực nhà máy.

4.2. Ý nghĩa và khả năng áp dụng rộng rãi

Phương pháp xác định cao trình đáy cống xả trong nghiên cứu này có tính tổng quát cao. Phương pháp áp dụng được cho mọi trạm bơm tiêu nước ra sông, không chỉ riêng sông Đuống. Các bước thực hiện bao gồm thu thập dữ liệu thủy văn, tính toán cân bằng thủy lực và kiểm tra mô hình hệ thống. Ưu điểm của phương pháp là dựa trên cơ sở khoa học rõ ràng, dễ áp dụng trong thực tiễn thiết kế. Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng thành công vào dự án cải tạo trạm bơm Phù Đổng. Nghiên cứu đóng góp vào kho tàng kiến thức về thiết kế công trình thủy lợi tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về phương pháp xác định cao trình đáy cống xả và mực nước bể tháo nhỏ nhất 1. Nhiệm vụ của cống xả Cống xả qua đê là công trình quan trọng của trạm bơm. Ở trạm bơm tiêu, bể tháo nối tiếp với cống xả đưa nước tiêu tới chỗ chứa nước tiêu (sông) hoặc công trình chuyển nước như dốc nước, bậc nước…dẫn đến chỗ chứa nước tiêu.

Cống xả có những nhiệm vụ sau: - Bảo đảm dòng chảy tới chỗ nhận nước tiêu thuận dòng, tổn thất ít; - Khống chế mực nước, bảo đảm yêu cầu tiêu thoát nước; - Muốn thực hiện các nhiệm vụ trên khi thiết kế cống xả cần phải đảm bảo các yêu cầu: - Kết cấu cống xả phải bền vững và ổn định. - Kích thước và hình dạng cống xả phải đảm bảo cho dòng chảy thuận lợi về mặt thủy lực và hợp lý về mặt kinh tế. - Tạo điều kiện thuận lợi cho quản lý, thi công và sửa chữa. Phân loại cống xả Dựa vào kinh nghiệm xây dựng, nghiên cứu cũng như quản lý các trạm bơm có kết nối với cống xả qua đê, người ta thấy rằng bể tháo của trạm bơm được thiết kế phụ thuộc rất lớn vào cống xả qua đê.

Cống xả được chia làm 2 loại: + Cống xả liền với bể tháo phÝa s«ng phÝa ®ång Hình 1.1- Sơ đồ cống xả qua đê xây liền bể tháo 3 + Cống xả cách xa bể tháo phÝa ®ång phÝa s«ng Hình 1.2 - Sơ đồ cống xả qua đê cách xa bể tháo 1. Các điều kiện kỹ thuật khi thiết kế cống xả Kết cấu toàn bộ hay từng bộ phận riêng của cống xả phải bền vững và ổn định. Vì vậy với mỗi bộ phận phải tính toán tĩnh học theo các quy phạm kỹ thuật đã ban hành. Hình dạng mặt trong của cống phải đảm bảo điều kiện thủy lực cho dòng chảy vào cống thuận lợi.

Cần tính toán, thiết kế, kiểm tra bể tiêu năng sau cống, để tránh xói lở ở hạ lưu và tăng ổn định cho cống. Chiều dài bể tiêu năng phải đảm bảo không gây xói lở. Tất cả các kích thước của cống xả (chiều rộng, chiều dài, chiều sâu) phải được xác định trên cơ sở tính toán thủy lực, khi cần phải thí nghiệm mô hình. Đồng thời phải thỏa mãn các yêu cầu lắp ráp, sửa chữa thiết bị và quản lý được thuận lợi.

Phương pháp xác định cao trình đáy cống xả Cao trình đáy cống xả hợp lý ràng buộc bởi điều kiện: min max Z đc ≤ Z đc ≤ Z đc max + Cao trình đáy cống có phương án đặt cống xả cao Z đc max Z đc TK = Z bt - δ - H c (1.1) δ: Khoảng cách từ trần cống lên Z bt để tạo điều kiện chảy có áp qua cống TK bt : Mực nước bể tháo thiết kế Z TK H c : Chiều cao cống xả min + Cao trình đáy cống có phương án đặt cống xả thấp Z đc 4 min Z đc = max(Z 1 , Z 2 ) * Xác định Z 1 Z 1 = Z 1ngàymin 90% - H cmin (1.2) Trong đó: 1 H cmin ứng với lưu lượng Q min. Lấy Q min = Q, Coi cống như đập tràn đỉnh rộng chảy 3 tự do để tính cột nước.H 0 tính được H cmin = H o 3/2 Z 1ngàymin 90% : Mực nước bình quân 1 ngày min ứng với tần suất thiết kế 90% * Xác định Z 2 max Z 2 = Z tườngbểtháo - H + ht (1.3) Trong đó: max Cao trình tường bể tháo Z tườngbểtháo = Z bt +a a: Độ cao an toàn tuỳ thuộc vào lưu lượng. H max : Chiều cao bể tháo lớn nhất h t : Chiều cao thềm min Căn cứ vào kết quả của Z 1 , Z 2 trên ta chọn Z đc Để xác định được cao trình đáy cống xả hợp lý, chia Z đc thành nhiều phương án có max min Z đc =[ Z đc , Z đc ]. Tùy thuộc vào các phương án ta tính được chi phí tổng = chi phí xây dựng và chi phí quản lý, và so sánh các chi phí tổng giữa các phương án ta tìm ra được Z đc hợp lý.

Xác định các thông số thiết kế của bể tháo Nhiệm vụ tính toán thủy lực bể tháo là: - Xác định độ sâu ngập của miệng ra ống đẩy dưới mực nước thấp nhất trong bể. - Bảo đảm dòng chảy ra khỏi ống đẩy ở trạng thái ngập lặng. - Xác định chiều dài giếng tiêu năng của bể tháo. - Xác định hình dạng kích thước thềm ra từ giếng tiêu năng.

- Xác định chiều dài đoạn bảo vệ mái và đáy kênh tháo. - Xác định các kích thước bể tháo hợp lý. Bể tháo thẳng dòng có thiết bị nắp ống đẩy Tính đường kính miệng ra ống đẩy để giảm tốc độ nước khi ra khỏi ống đẩy, đường kính miệng ra ống đẩy lấy theo kinh nghiệm ở công thức (1.4) D o –đường kính miệng ra, (m) D – đường kính ống đẩy, (m) Tính tốc độ nước chảy ra khỏi miệng ống đẩy theo lưu lượng ứng với mực nước nhỏ nhất ở bể tháo, công thức (1.D 02 Q: Lưu lượng tính toán của một máy bơm khi mực nước bể xả là nhỏ nhất. Độ ngập sâu nhỏ nhất của mép trên miệng ra ống đẩy để bảo đảm dòng chảy ra ngập lặng được xác định theo công thức (1.

; với điều kiện h ngmin ≥ 0,1 (m) (1.g Chiều sâu nhỏ nhất trong giếng tiêu năng của bể tháo công thức (1.7) Ở đây p là khoảng cách từ mép dưới miệng ra ống đẩy đến đáy bể tháo. Tùy theo cấu tạo nắp ống đẩy của bể tháo khi có vật đệm chống rò thì lấy p= 0,3÷0,5m. Chiều cao thềm ra của giếng tiêu năng được tính theo công thức (1.8) h kmin – Chiều sâu nhỏ nhất trong kênh tháo trường hợp có kênh tháo ngay sau bể tháo. Độ sâu lớn nhất của giếng tiêu năng tính theo công thức (1.9) h kmax – Chiều sâu lớn nhất trong kênh: h kmax = Z max bt - Z đk (1.10) Z max bt : mực nước bể xả lớn nhất.

Độ ngập sâu lớn nhất của mép trên miệng ra ống xả ở công thức (1.11) Chiều cao dự trữ từ mực nước lớn nhất trong bể đến mép trên tường bể tháo, nếu không có điều kiện gì đặc biệt thì lấy theo bảng (1.Xác định chiều cao dự trữ a Lưu lượng của trạm Q (m3/s) 1,0 1÷10 10 ÷ 30 >30 a (m) 0,3 0,4 0,5 ≥ 0,6 Chiều cao phía trong tường bể tháo là: H b = H gimax + a (1.12) Chiều dài giếng tiêu năng tính theo công thức sau: L gi = K.13) Với K là hệ số phụ thuộc vào dạng của thềm ra khỏi giếng tiêu năng, hình dạng tiết diện miệng ra ống đẩy, hình dạng và chiều cao của thềm, lấy theo bảng (1. Xác định hệ số K Hệ số K KD Thềm nghiêng Thềm đứng 0,5 6,5 4 1 5,8 1,6 1,5 - 1 2 - 0,85 2,5 - 0,85 Các kết quả tra hệ số K ở trên và tính toán xác định chiều dài giếng tiêu năng ứng với miệng ra hình tròn, khi miệng ra hình chữ nhật thì rút bớt 20%. Chiều dài đoạn kênh tháo cần bảo vệ mái và đáy L bv = (4÷5) h kmax (m) (1.14) Chiều rộng phía trong bể tháo với đường kính ống đẩy bằng nhau là: B b = (n-1)B + D o + 2b (m) (1.15) 7 Trong đó : b - khoảng cách từ mép ống đẩy đến trụ pin, lấy như sau: + Loại van tự đóng nhanh b = 0; + Loại van nắp cánh bướm b = 0,5 m; + Loại nắp ống đẩy có chốt bản lề phía trên b = 0,3 ÷0,4 m. d : Chiều dày trụ pin ở bể tháo lấy từ 0,6 ÷ 0,8 m; n : Số lượng đường ống đẩy nối với bể tháo.

Chiều dài đoạn thu hẹp là đoạn chuyển tiếp từ bể tháo vào kênh tháo, có dạng hình thang, có đáy nhỏ là chiều rộng đáy kênh tháo, đáy lớn là chiều rộng phía trong bể tháo, chiều dài của bể tháo (chiều cao của hình thang) được xác định như sau Bbt - bkt α L th = .16) α1 Với: : Góc thu hẹp từ bể tháo vào kênh tháo. Xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất Xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất Z min bt để tính toán cột nước bơm nhỏ nhất và xác định cao trình đáy bể tháo theo công thức (1. Z đáy bể tháo = Z min bt - h ngmin - D o – P (1.17) Cách xác định Z min bt + Trường hợp bể tháo cách xa cống xả qua đê Xác định cao trình đáy kênh Z đk = ZTK bt - h TK (1.18) Trong đó: 10% Z 5ngaymax Mực nước bể tháo thiết kế: Z TK TK Z bt bt = + h tt (1.19) Với : 10% Z 5ngaymax + : Mực nước sông bình quân 5 ngày max ứng với tần suất thiết kế p= 10% + h tt : Tổn thất cột nước qua cống xả Trường hợp bể tháo cách xa cống xả qua đê thì: Z min bt = Z đk + h kmin (1.20) + Trường hợp bể tháo xây liền cống xả qua đê. Trường hợp bể tháo xây liền cống xả thì: 8 Z min bt = Z đc + H cmin (1.21) Trong đó: Z đc : Cao trình đáy cống xả H cmin : Cột nước trước cống nhỏ nhất ứng với lưu lượng nhỏ nhất Q min Khi thiết kế các trạm bơm tiêu nước ra sông mà bể tháo bố trí liền cống xả qua đê thì việc xác định cao trình đáy cống xả qua đê cũng như xác định mực nước bể tháo min nhỏ nhất Zbt còn theo ý chủ quan của người thiết kế vì đến nay vẫn chưa có một quy định hay hướng dẫn cụ thể nào về vấn đề này.

Ngoài ra , khi xác định cao trình đáy cống và mực nước bể xả nhỏ nhất cần chú ý đến cao trình miệng ống đẩy. Nếu cao trình mực nước bể xả thấp hơn miệng ống đẩy, sẽ tiêu tốn năng lượng hơn. Cao trình tâm miệng ống đẩy Z miệng ống đẩy = Z đáy bể tháo + P + D o min Nếu chọn (Z đc ) cao trình đáy cống xả qua đê cao hay ( Zbt ) cao xem hình (1.4) thì nhiều khi nước bơm lên bể tháo cao, qua cống xả và chảy tự do qua bậc nước hay dốc tiêu năng để nối tiếp với dòng chảy trong kênh tháo ngoài đê (khi mực nước ngoài sông thấp), điều này cho thấy việc lãng phí năng lượng bơm. min Ngược lại, nếu chọn (Z đc ) cao trình đáy cống xả qua đê hay ( Zbt ) thấp xem hình (1.