Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài tốt nghiệp kỹ sư “Thiết kế cải tạo nâng cấp trạm bơm chuyền Cẩm Yên trên tuyến kênh chính của hệ thống thuỷ nông Phù Sa – Hà Tây” được thực hiện tại Bộ môn Công trình, Khoa Công nghiệp Phát triển Nông thôn, Trường Đại học Lâm nghiệp. Nghiên cứu xuất phát từ thực trạng suy giảm năng lực cấp nước tưới tiêu nông nghiệp tại khu vực huyện Thạch Thất, tỉnh Hà Tây (cũ), trong bối cảnh hạ tầng thủy lợi toàn quốc có khoảng 2.000 trạm bơm phần lớn đã xây dựng từ lâu, thiết bị cũ kỹ và hiệu suất thấp.

Tại hệ thống thủy nông Phù Sa – Hà Tây, trạm bơm Phù Sa có công suất lớn nhất (xây dựng từ thời Pháp thuộc). Dọc tuyến kênh chính Đồng Mô (một nhánh của kênh chính Phù Sa), hệ thống ba trạm bơm chuyền tiếp sức gồm Cẩm Yên, Phú Thụ và Săn – Thạch Thất đã được hình thành. Việc hình thành hệ thống bơm chuyền này bắt nguồn từ sự suy giảm lưu lượng cấp nước tự chảy từ hồ Đồng Mô, do nguồn nước hồ phải phân bổ phục vụ cho dự án Làng Văn hóa các Dân tộc Việt Nam và sân golf. Trong cụm ba trạm bơm chuyền, trạm bơm Cẩm Yên giữ vị trí trạm đầu mối quan trọng nhất, đảm nhiệm nhiệm vụ tiếp nguồn chính cho kênh Đồng Mô.

Thực trạng kỹ thuật của trạm bơm Cẩm Yên tại thời điểm nghiên cứu gặp nhiều hư hỏng nghiêm trọng:

  • Trạm vận hành tổ hợp 05 máy bơm ly tâm, trong đó 01 máy hỏng nặng hoàn toàn không thể hoạt động.
  • Động cơ điện chủ yếu sản xuất từ trước năm 1980, tiêu hao điện năng lớn, suy giảm công suất, khi vận hành xuất hiện hiện tượng sát cốt và vỡ bi; hệ thống dây dẫn bọc cách điện bị lão hóa, mục nát, gây rò rỉ điện năng và mất an toàn kết nối tủ điện.
  • Máy bơm thiếu tính đồng bộ, cánh quạt bị ăn mòn và vỡ doa; đường ống hút và ống đẩy bằng thép không đáp ứng đủ tiết diện so với công suất thiết kế.
  • Bể hút và kênh dẫn lấy nước trực tiếp từ sông Tích thường xuyên bị bồi lắng lượng bùn cát lớn sau mùa lũ, gây khó khăn cho công tác nạo vét; ngược lại vào mùa khô, mực nước sông Tích xuống rất thấp khiến trạm không thể bơm đủ nước.
  • Bể tháo xuất hiện sạt trượt và bồi lắng cục bộ.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm:

  1. Tính toán, thiết kế cải tạo và nâng cấp đồng bộ trạm bơm Cẩm Yên (tổ máy, nhà máy, bể hút, bể xả, kênh dẫn, kênh tháo và công trình dâng nước phụ trợ) nhằm bảo đảm lưu lượng và cột nước cấp tưới chủ động cho hơn 2.000 ha đất canh tác nông nghiệp.
  2. Hoàn thành đồ án khóa luận tốt nghiệp kỹ sư chuyên ngành công trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cụm công trình đầu mối trạm bơm chuyền Cẩm Yên, bao gồm thiết bị cơ điện (máy bơm, động cơ, hệ thống cấp điện) và cụm công trình thủy công (nhà trạm, bể hút, bể xả, kênh dẫn, kênh tháo, đập tràn và kè bảo vệ bờ sông Tích).
  • Phạm vi không gian: Địa bàn xã Cẩm Yên, huyện Thạch Thất, tỉnh Hà Tây (phía Bắc giáp huyện Phúc Thọ; phía Đông giáp xã Đại Đồng; phía Nam giáp xã Lại Thượng; phía Tây giáp thành phố Sơn Tây). Toàn bộ vùng phục vụ tưới tính toán có diện tích 2.470 ha (trong đó diện tích làm ải tập trung 1.729 ha, tưới dưỡng 741 ha), phân bố trên 3 loại địa hình chân ruộng: chân cao 567,5 ha (cao trình 6,2 ÷ 7,0 m), chân trung bình 1.430 ha (cao trình 5,1 ÷ 5,9 m) và chân thấp 472,5 ha (cao trình 4,2 ÷ 5,0 m).
  • Phạm vi thời gian và tài liệu khảo sát: Số liệu khí tượng thủy văn đo đạc nhiều năm (lượng mưa cực đại ghi nhận năm 1971); số liệu địa chất, địa hình khu vực do Công ty Tư vấn Xây dựng Thủy lợi Phù Sa khảo sát; số liệu dân sinh kinh tế xã Cẩm Yên thu thập đến năm 2006 (dân số 4.200 người, tỷ lệ tăng tự nhiên 1,2%, 75% lao động nông nghiệp, sản lượng quy thóc 3.600 tấn/năm tương đương 850 kg/người/năm, tăng trưởng kinh tế 7,8%/năm).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Khung lý thuyết và công thức tính toán

Nghiên cứu áp dụng các nguyên lý thủy lực công trình thủy lợi, cơ học đất và kết cấu bê tông cốt thép chuyên ngành:

  • Tính toán nhu cầu nước và lưu lượng trạm bơm: Dựa trên công thức cân bằng nước mặt ruộng cho thời kỳ làm ải ($Q_a = \frac{F_a \cdot m_a}{t_a \cdot T_a \cdot 3600}$) và thời kỳ tưới dưỡng ($Q_d = \frac{q \cdot F_d}{1000}$), tính toán lưu lượng thiết kế qua hệ số sử dụng kênh mương cốt thép ($\eta_k = 0,8$), hiệu suất máy bơm ($\eta_m = 0,85$), hệ số lưu lượng gia cường ($k = 1,20$) và lưu lượng kiểm tra điều kiện không bồi lắng ($Q_{min}$).
  • Tính toán cột nước: Xác định cột nước địa hình bình quân ($h_{dhbq} = Z_{bx} - Z_{bh}$), cột nước kiểm tra cực đại ($H_{ktmax}$) và cực tiểu ($H_{ktmin}$), kết hợp tổn thất thủy lực đường ống sơ bộ ($\Sigma h_t = 1,55\text{ m}$).
  • Lý thuyết khí thực và điều kiện hút: Xác định cao trình đặt máy bơm hướng trục đứng ($Z_{đm} = Z_{bh}^{min} + [h_s]$) theo công thức kinh nghiệm tính độ dự trữ khí thực của Tom ($[\Delta h] = K \cdot \Delta h_{th}$) và công thức thực nghiệm của Viện Nghiên cứu Thủy lực Liên Xô cũ tính hệ số khí thực tới hạn ($\delta_{th} = 2,05 \cdot 10^{-4} \cdot n_s^{4/3}$).
  • Quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật: Đối chiếu tính chất cơ lý của 3 lớp đất nền tại hiện trường với Tiêu chuẩn XD 45-70[90] để đánh giá độ ổn định chịu lực; áp dụng lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn (công trình thủy lợi cấp IV và V, bê tông mác M200, cốt thép nhóm AI).
  • Thủy lực đập tràn và kênh hở: Áp dụng phương trình dòng chảy đều trong kênh hình thang, hàm quan hệ bán kính thủy lực $f(R_{ln})$, công thức lưu tốc không lắng ($V_{kl} = B \cdot Q^{0,2}$), công thức tháo lưu lượng đập tràn ngưỡng rộng đáy phẳng ($Q = m \cdot b \cdot \sqrt{2g} \cdot H_0^{3/2}$).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp kế thừa và phân tích tài liệu thứ cấp: Thu thập và xử lý chuỗi số liệu đo đạc khí tượng thủy văn, bản đồ địa hình tỷ lệ 1:5.000, số liệu trắc dọc, trắc ngang lòng sông Tích và các bảng thí nghiệm cơ lý đất.
  • Phương pháp so sánh chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật: Lập và đối chiếu các phương án bố trí tổ máy (5 máy bơm công suất lớn so với 7 máy bơm công suất vừa), đánh giá mức độ thừa/thiếu lưu lượng ($\Delta Q$), chi phí xây dựng mặt bằng nhà trạm và chi phí quản lý vận hành.
  • Phương pháp giải tích kỹ thuật: Tính toán thủy lực chi tiết các hạng mục kênh tháo, kênh dẫn, bể hút, bể xả, đập tràn; giải bài toán cơ học kết cấu khung phẳng, bản dầm và móng máy dưới tác động của các tổ hợp tải trọng tĩnh và động.

Nguồn dữ liệu sử dụng

  • Bình đồ khu tưới tỷ lệ 1:5.000 và hồ sơ thiết kế kênh mương hiện trạng trạm Cẩm Yên.
  • Tài liệu khảo sát địa chất công trình và thủy văn sông Tích từ Công ty Tư vấn Xây dựng Thủy lợi Phù Sa.
  • Số liệu thống kê dân sinh – kinh tế – xã hội xã Cẩm Yên năm 2006.
  • Catalogue thông số kỹ thuật các dòng máy bơm trục đứng của Nhà máy Chế tạo Bơm Hải Dương.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật trạm bơm

1. Bố trí tổng thể và lựa chọn tổ máy

Cụm công trình đầu mối được bố trí theo dây chuyền: Nước sông Tích qua đập dâng -> Kênh dẫn -> Bể hút -> Nhà máy bơm móng tách rời -> Ống đẩy thép -> Bể xả -> Kênh tháo dẫn vào kênh chính Đồng Mô. Tác giả đã thiết lập bảng so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa 2 phương án tổ máy:

Chỉ tiêu kỹ thuật - kinh tế Phương án 1 (Được chọn) Phương án 2
Số lượng tổ máy 07 máy bơm 05 máy bơm
Ký hiệu máy bơm HTĐ 1500-5 HTĐ 2300-7
Lưu lượng 1 máy ($Q$) $0,44\text{ m}^3/\text{s}$ ($1.584\text{ m}^3/\text{h}$) $0,61\text{ m}^3/\text{s}$ ($2.196\text{ m}^3/\text{h}$)
Cột nước thiết kế ($H$) $5,65\text{ m}$ (dải làm việc 5 m) $6,0 \div 8,0\text{ m}$
Tốc độ quay trục ($n$) $980\text{ vòng/phút}$ $730\text{ vòng/phút}$
Công suất động cơ định mức ($N_H$) $33\text{ kW}$ $75\text{ kW}$
Đường kính ống hút / xả $D_h = 630\text{ mm}$ / $D_x = 500\text{ mm}$ $D_h = 834\text{ mm}$ / $D_x = 580\text{ mm}$
Độ chênh lưu lượng thừa thiếu ($\Delta Q$) Thấp, bám sát biểu đồ tưới thực tế Cao, tổn thất năng lượng khi non tải
Hiệu quả kinh tế - vận hành Vốn hợp lý, linh hoạt đóng mở máy Vốn thiết bị lớn, khó điều tiết nhỏ

Hệ thống điện cấp nguồn được thiết kế với máy biến áp chính và phụ, cấp điện cho 7 động cơ 33 kW thông qua hệ thống tủ phân phối hạ áp, áttômát tổng, khởi động từ, rơle nhiệt, biến dòng, vôn kế và ampe kế kiểm soát phụ tải.

2. Kích thước hình học và kết cấu nhà máy bơm

Nhà máy bơm thuộc công trình cấp IV, áp dụng kiểu móng tách rời:

  • Kích thước mặt bằng: Chiều rộng phủ bì $B_b = 4,8\text{ m}$; chiều dài toàn bộ $L = 18,0\text{ m}$ (gồm 7 gian máy, mỗi gian $L_{1g} = 1,8\text{ m}$, cộng gian sửa chữa lắp ráp $L_{sc} = 4,2\text{ m}$ và tường hồi).
  • Chiều cao công trình: Tầng động cơ cao $H_1 = 4,2\text{ m}$; tầng hai (phòng quản lý, tủ điện) cao $H_2 = 4,4\text{ m}$.
  • Hệ kết cấu chịu lực: Cột bê tông cốt thép tiết diện hình hộp gồm phần dưới vai cột ($0,4 \times 0,5\text{ m}$) và phần trên vai đỡ ($0,35 \times 0,4\text{ m}$) đỡ dầm cầu trục chữ T sức nâng dưới 5 tấn. Móng tường gạch cao $0,73\text{ m}$, rộng $0,8\text{ m}$. Bệ móng máy đổ bê tông cốt thép M200 dày $50\text{ cm}$, kích thước mặt bệ $1,2 \times 2,2\text{ m}$, đặt tách rời móng tường để triệt tiêu chấn động.
  • Ống đẩy: Gồm 7 tuyến ống thép đường kính kinh tế $D_{od} = 0,5\text{ m}$, tương ứng vận tốc dòng chảy kinh tế $V_{kt} = 1,5\text{ m/s}$.

3. Công trình phụ trợ: Bể hút, bể xả, kênh dẫn, kênh tháo và đập tràn

  • Bể hút: Nối tiếp kênh dẫn với góc mở rộng tường cánh $\alpha = 45^\circ$, độ dốc mái $m = 1,5$. Chiều rộng phần tập trung nước $B_t = 12,0\text{ m}$, bề rộng đáy kênh dẫn $b_k = 3,6\text{ m}$, cho tỷ số $B_t / b_k = 3,3 \le 4,0$ (triệt tiêu hoàn toàn vùng nước quẩn và xoáy mặt trước miệng hút). Đáy bể có đoạn dốc chuyển tiếp độ dốc $i = 0,2$ dài $1,65\text{ m}$.
  • Bể xả: Chiều rộng bể $B = 9,6\text{ m}$; chiều sâu bể $H = 2,4\text{ m}$ (cao trình đỉnh bể $+11,4\text{ m}$, đáy bể $+9,0\text{ m}$). Miệng xả bố trí cao trình $+10,64\text{ m}$, trang bị nắp đậy ngăn dòng chảy ngược khi dừng bơm.
  • Kênh dẫn và kênh tháo: Mặt cắt hình thang đối xứng, đáy rộng $b = 3,6\text{ m}$, mực nước thiết kế $h_{tk} = 1,17\text{ m}$, hệ số mái dốc $m = 1,5$, độ dốc đáy $i = 0,0002$, hệ số nhám $n = 0,03$. Vận tốc thiết kế lớn nhất $V_{max} = 0,54\text{ m/s}$ (không gây xói), vận tốc nhỏ nhất $V_{min} = 0,28\text{ m/s}$ (lớn hơn vận tốc không lắng $V_{kl} = 0,25\text{ m/s}$). Cao trình đỉnh bờ kênh tháo $+9,0\text{ m}$, bờ rộng $2,0\text{ m}$.
  • Đập tràn và kè bờ sông Tích: Đập tràn dâng nước xây bằng đá hộc trên sông Tích ngay sau cửa lấy nước, cao trình ngưỡng $+6,1\text{ m}$, bề rộng dòng tràn $B = 1,8\text{ m}$, lưu lượng đơn vị $q = 50\text{ m}^3/\text{s.m}$, thân đập trát đất sét chống thấm dày $0,3 \div 0,4\text{ m}$ có lớp bảo vệ $0,2 \div 0,7\text{ m}$. Công trình giúp nâng mực nước bể hút thêm $1,5 \div 2,0\text{ m}$ trong mùa kiệt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Những vấn đề chung và tài liệu thiết kế

Chương này tổng kết toàn bộ điều kiện tự nhiên, hiện trạng công trình và cơ sở tài liệu của khu vực Cẩm Yên:

  • Địa hình - địa chất: Vùng bán sơn địa, địa hình nghiêng từ Tây sang Đông. Nền đất gồm 3 lớp rõ rệt: Lớp 1 (đất thịt nặng nâu, sạn sỏi 5 ÷ 10%, dày 0,4 ÷ 0,7 m, dung trọng khô $1,48\text{ g/cm}^3$, góc ma sát trong $\varphi = 13^\circ$, lực dính $c = 0,20\text{ kg/cm}^2$, môđun biến dạng $E = 38\text{ kg/cm}^2$); Lớp 2 (sét nặng vàng đỏ dẻo cứng, dày 2,3 ÷ 3,5 m); Lớp 3 (sạn sỏi thạch anh đường kính 2 ÷ 50 mm, dày trên 8 m, trạng thái chặt). Đất nền đạt chỉ tiêu ổn định xây dựng theo tiêu chuẩn XD 45-70[90].
  • Khí hậu thủy văn: Lượng mưa trung bình năm $1.760 \div 1.830\text{ mm}$ (80% tập trung mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10), lượng bốc hơi trung bình $695\text{ mm/năm}$. Gió chủ đạo Đông Nam ($2 \div 4,5\text{ m/s}$, bão $32 \div 48\text{ m/s}$), mùa đông chịu ảnh hưởng gió mùa Đông Bắc.
  • Tình trạng hư hỏng: Khảo sát chi tiết sự suy thoái của 5 tổ máy cũ, tình trạng sát cốt động cơ, mục nát hệ thống dây điện, cánh bơm gãy vỡ, hiện tượng bồi lắng bùn cát sông Tích tại kênh dẫn và tụt mực nước bể hút vào mùa khô.

Chương 2: Thiết kế kỹ thuật trạm bơm

Chương này thực hiện toàn bộ các phép tính toán công nghệ và lựa chọn thiết bị cơ điện:

  • Xác định các cấp lưu lượng: Lưu lượng yêu cầu làm ải $Q_a = 1,31\text{ m}^3/\text{s}$, tưới dưỡng $Q_d = 0,78\text{ m}^3/\text{s}$, tổng lưu lượng yêu cầu $Q_{y/c} = 2,09\text{ m}^3/\text{s}$. Qua hệ số kênh mương và hiệu suất máy, tính ra lưu lượng thiết kế $Q_{tk} = 3,07\text{ m}^3/\text{s}$, lưu lượng gia cường $Q_{gc} = 3,68\text{ m}^3/\text{s}$, lưu lượng nhỏ nhất chống bồi lắng $Q_{min} = 1,12\text{ m}^3/\text{s}$.
  • Xác định các cấp cột nước: Mực nước bể xả thiết kế $+10,198\text{ m}$, bể hút $+6,1\text{ m}$; cột nước địa hình bình quân $4,098\text{ m}$; tổn thất đường ống $\Sigma h_t = 1,55\text{ m}$; cột nước kiểm tra lớn nhất $H_{ktmax} = 7,75\text{ m}$ (khi bể hút cạn kiệt $+4,2\text{ m}$ và bể xả dâng cao $+10,4\text{ m}$); cột nước kiểm tra nhỏ nhất $H_{ktmin} = 0,8\text{ m}$.
  • Lựa chọn máy bơm và động cơ: Chọn 7 tổ máy bơm trục đứng HTĐ 1500-5 ($Q = 0,44\text{ m}^3/\text{s}$, $H = 5\text{ m}$) do Nhà máy Bơm Hải Dương chế tạo. Động cơ điện truyền động có công suất định mức $N_H = 33\text{ kW}$, đáp ứng an toàn công suất trục lớn nhất tính toán $N_{max} = 26,23\text{ kW}$.
  • Cao trình đặt máy và an toàn khí thực: Tính toán độ cao hút cho phép $[h_s] = 9,69\text{ m}$, chọn cao trình đặt máy thiết kế $Z_{đm} = 13,9\text{ m}$. Kiểm tra điều kiện làm việc bất thường cho thấy máy an toàn tuyệt đối ở cột nước nhỏ nhất $H_{min} = 0,8\text{ m}$, nhưng không an toàn về khí thực khi làm việc ở cột nước lớn nhất $H_{max} = 7,75\text{ m}$ ($Z'{đm} < Z{đm}$).

Chương 3: Thiết kế nhà máy bơm

Chương này xác định giải pháp kiến trúc và kích thước hình học chi tiết của gian máy:

  • Phân tích ưu nhược điểm 3 loại hình nhà trạm (khối tảng, kiểu buồng, móng tách rời) và quyết định lựa chọn kiểu móng tách rời phù hợp quy mô công trình cấp IV trên nền đất tự nhiên ổn định.
  • Bố trí 7 máy bơm thành 1 hàng dọc theo chiều dài nhà máy, khoảng cách giữa mép vỏ động cơ đến thiết bị xung quanh $1,0 \div 1,5\text{ m}$, cách tường hồi $1,0\text{ m}$.
  • Xác định kích thước phủ bì công trình ($B_b = 4,8\text{ m}$; $L = 18,0\text{ m}$; chiều cao tầng 1 $H_1 = 4,2\text{ m}$, tầng 2 $H_2 = 4,4\text{ m}$).
  • Thiết kế chi tiết bệ máy kích thước $1,2 \times 2,2\text{ m}$, dầm cầu trục chữ T, cột hộp bê tông cốt thép có vai, 6 cửa sổ thông gió ($0,8 \times 1,2\text{ m}$), cửa chính ($1,0 \times 2,0\text{ m}$) và hệ thống đường ống đẩy thép $D_{od} = 0,5\text{ m}$.

Chương 4: Thiết kế bể hút, bể xả, kênh và các công trình phụ trợ

Chương này tính toán thủy lực cụm công trình nối tiếp và công trình điều tiết:

  • Bể hút: Thiết kế đoạn loe góc $45^\circ$, bề rộng tập trung nước $B_t = 12\text{ m}$, dốc đáy chuyển tiếp $i = 0,2$ dài $1,65\text{ m}$, kiểm tra tiêu chuẩn xoáy ngầm và nước quẩn đạt yêu cầu thủy lực.
  • Bể xả: Xác định chiều rộng $B = 9,6\text{ m}$, chiều sâu $H = 2,4\text{ m}$, đáy bể cao trình $+9,0\text{ m}$, đỉnh bể $+11,4\text{ m}$, miệng ống xả cao trình $+10,64\text{ m}$ có nắp van ngăn chảy ngược.
  • Kênh tháo và kênh dẫn: Tính toán thủy lực kênh hình thang đáy rộng $b = 3,6\text{ m}$, sâu $h = 1,17\text{ m}$, mái dốc $m = 1,5$, độ dốc $i = 0,0002$. Độ sâu dâng nước lớn nhất $h_{max} = 1,24\text{ m}$ ứng với $Q_{gc}$, nhỏ nhất $h_{min} = 0,83\text{ m}$ ứng với $Q_{min}$. Bờ kênh tháo cao $+9,0\text{ m}$, bề rộng đỉnh bờ $2,0\text{ m}$.
  • Đập tràn và kè bờ sông Tích: Thiết kế đập tràn bằng đá hộc dâng nước cao trình $+6,1\text{ m}$, rộng $1,8\text{ m}$, hệ số lưu lượng $m = 0,32$, khả năng tháo tràn $1,49\text{ m}^3/\text{s}$, kết hợp đắp đất sét chống thấm thân đập dày $0,3 \div 0,4\text{ m}$.

Chương 5: Tính toán kết cấu và ổn định nhà máy bơm

Chương này thực hiện tính toán cơ học kết cấu chịu lực cho các bộ phận chính của nhà máy:

  • Số liệu vật liệu: Bê tông mác M200 (cường độ chịu nén tính toán $R_n = 90\text{ kg/cm}^2$, trọng lượng riêng $\gamma = 2,5\text{ T/m}^3$), cốt thép nhóm AI (cường độ tính toán $R_a = 2.100\text{ kg/cm}^2$). Các hệ số độ tin cậy và điều kiện làm việc: $n = 1,1$; $k_n = 1,1$; $m_a = 1,1$; $m_b = 1,15$; hệ số tải động $k = 1,3$.
  • Bản mái nhà trạm: Bản bê tông cốt thép dày $10\text{ cm}$, lớp chống thấm dày $30\text{ cm}$, nhịp tính toán $4,8\text{ m}$, mômen uốn cực đại $M_{max} = 1,73\text{ T.m}$. Diện tích cốt thép yêu cầu $F_a = 11,39\text{ cm}^2$, bố trí 3 thanh $\phi 22$ trên 1 mét dài.
  • Bệ móng máy bơm: Kích thước bệ $2,2 \times 1,2 \times 0,6\text{ m}$, chịu tải trọng máy bơm $P = 3,62\text{ T}$ và trọng lượng bản thân $2,96\text{ T}$. Mômen uốn tính toán yêu cầu cốt thép $F_a = 5,9\text{ cm}^2$, bố trí 4 thanh $\phi 14$ trên 1 mét dài.
  • Khung ngang nhà máy: Khung bê tông cốt thép nhịp $4,8\text{ m}$, chiều cao cột $3,8\text{ m}$, tiết diện cột $0,3 \times 0,4\text{ m}$, dầm ngang $0,25 \times 0,35\text{ m}$. Chịu tải trọng mái phân bố $1,15\text{ T/m}$, tải trọng dầm $0,24\text{ T/m}$, tải trọng tập trung $3,52\text{ T}$. Nội lực tổng hợp chân cột đạt lực nén $\Sigma N_A = \Sigma N_D = 5,1\text{ T}$, mômen uốn chân cột $\Sigma M_A = 1,72\text{ T.m}$, mômen dầm $M_{max} = 12,06\text{ T.m}$.

(Ghi chú: Theo đề cương công bố tại phần mở đầu, đồ án gồm 7 chương; trong đó Chương 6: Tính toán giá thành và Chương 7: Kết luận, tồn tại, kiến nghị thuộc phần tổng kết dự toán và đánh giá kinh tế).

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật cụ thể

  • Xác lập đầy đủ hệ thống thông số thủy lực cấp nước cho khu tưới 2.470 ha: lưu lượng thiết kế $Q_{tk} = 3,07\text{ m}^3/\text{s}$, lưu lượng gia cường $Q_{gc} = 3,68\text{ m}^3/\text{s}$, lưu lượng kiểm tra bồi lắng $Q_{min} = 1,12\text{ m}^3/\text{s}$.
  • Lựa chọn giải pháp kỹ thuật tối ưu thay thế toàn bộ 5 tổ máy cũ hỏng bằng 7 tổ máy bơm trục đứng HTĐ 1500-5 kết hợp động cơ điện 33 kW, giảm thiểu độ chênh thừa thiếu lưu lượng $\Delta Q$ theo mùa vụ.
  • Thiết kế hoàn chỉnh tổ hợp công trình ngầm và nổi: nhà máy móng tách rời ($4,8 \times 18,0\text{ m}$), bể hút hình loa góc $45^\circ$ ($B_t = 12\text{ m}$), bể xả chống chảy ngược ($9,6 \times 2,4\text{ m}$), tuyến kênh dẫn và kênh tháo kiên cố ($b = 3,6\text{ m}$; $h = 1,17\text{ m}$).
  • Tính toán thành công giải pháp công trình đập tràn dâng nước bằng đá hộc kết hợp lõi sét trên sông Tích, nâng cao mực nước bể hút từ $1,5 \div 2,0\text{ m}$ để duy trì khả năng lấy nước trong mùa kiệt.
  • Kiểm toán an toàn kết cấu bê tông cốt thép cho bản mái (3 thanh $\phi 22$/m), bệ móng máy (4 thanh $\phi 14$/m) và khung chịu lực nhà trạm theo tiêu chuẩn xây dựng.

2. Giải pháp và kiến nghị đề xuất của tác giả

  • Đề xuất loại bỏ phương án chỉ đại tu chắp vá hoặc phương án dùng 5 máy bơm công suất lớn (HTĐ 2300-7) do tiêu tốn năng lượng khi non tải; kiên quyết thay mới đồng bộ 7 tổ máy trục đứng cột nước thấp.
  • Kiến nghị thực hiện đồng thời việc cải tạo cơ điện bên trong nhà trạm với việc xây dựng đập tràn dâng nước trên sông Tích; nếu không có đập tràn thì trạm bơm không thể lấy đủ nước vào mùa khô dù máy bơm có thay mới.
  • Kiến nghị từng bước kiên cố hóa bê tông toàn bộ hệ thống kênh mương nội đồng từ đầu mối trạm bơm đến mặt ruộng nhằm duy trì hệ số lợi dụng kênh mương $\eta_k = 0,8$.

3. Đóng góp kỹ thuật so với hiện trạng cũ

  • Khắc phục triệt để tình trạng thiếu hụt nguồn nước tưới thứ cấp cho kênh chính Đồng Mô khi hồ chứa Đồng Mô bị cắt giảm xả tự chảy để chia sẻ nguồn nước cho các mục đích văn hóa, thể thao.
  • Chuyển đổi mô hình máy bơm từ bơm ly tâm nằm ngang thế hệ cũ (thường xuyên phải mồi nước, hiệu suất thấp, hay hỏng hóc) sang dòng máy bơm trục đứng HTĐ 1500-5 đặt chìm, không cần mồi nước, giảm chi phí nhân công vận hành và diện tích mặt bằng xây dựng.
  • Giải quyết bài toán bùn cát bồi lắng và hiện tượng xoáy ngầm tại bể hút thông qua việc tính toán chuẩn hóa tỷ số hình học $B_t / b_k = 3,3$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế về an toàn khí thực ở cột nước cực đại: Kết quả kiểm tra điều kiện làm việc bất thường tại Chương 2 cho thấy khi mực nước sông Tích xuống thấp nhất ($+4,2\text{ m}$) đồng thời mực nước bể xả dâng cao nhất ($+10,4\text{ m}$), trạm bơm phải làm việc với cột nước lớn nhất $H_{max} = 7,75\text{ m}$. Khi đó $Z'{đm} < Z{đm}$, máy bơm làm việc không an toàn và có nguy cơ phát sinh hiện tượng khí thực gây rung giật và xâm thực cánh bơm.
  • Hạn chế về bồi lắng sông Tích: Mặc dù bể hút đã được thiết kế triệt tiêu dòng quẩn đáy, nhưng do kênh dẫn lấy nước trực tiếp từ nguồn sông tự nhiên có hàm lượng phù sa cao sau mùa lũ, trạm bơm vẫn bắt buộc phải duy trì công tác nạo vét cơ giới định kỳ hàng năm.
  • Hướng mở tiếp theo: Cần thiết lập quy trình điều tiết vận hành đóng ngắt máy bơm nghiêm ngặt trong điều kiện bất thường (khống chế không cho máy vận hành khi cột nước vượt quá giới hạn an toàn); bổ sung các nghiên cứu chi tiết về dự toán kinh tế tổng mức đầu tư (nội dung Chương 6) và xây dựng phương án quan trắc biến dạng công trình trong giai đoạn vận hành khai thác lâu dài.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng tham khảo: Sinh viên, học viên cao học và kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Công trình Thủy lợi, Công trình Thủy nông, Xây dựng Thủy công (thuộc Trường Đại học Thủy lợi, Đại học Lâm nghiệp, Đại học Nông nghiệp, Đại học Bách khoa...).
  • Nội dung giá trị chuyên môn:
    • Cung cấp trọn vẹn quy trình tính toán thủy lực trạm bơm chuyền tiếp sức vùng đồng bằng và bán sơn địa: từ tính toán nhu cầu nước mặt ruộng, lưu lượng làm ải, lưu lượng tưới dưỡng, đến xác định tổn thất và lựa chọn máy bơm trục đứng.
    • Bộ số liệu tính toán chi tiết về kích thước hình học bể hút, bể xả, kênh dẫn, kênh tháo và phương pháp kiểm tra điều kiện xoáy ngầm, lắng cát.
    • Bản vẽ tính toán kết cấu bê tông cốt thép hoàn chỉnh cho nhà máy bơm móng tách rời cấp IV và công trình đập tràn bằng đá hộc dâng nước cục bộ trên sông.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống tưới Cẩm Yên lại bị thiếu nước nghiêm trọng dẫn đến việc phải thiết kế cải tạo trạm bơm?

Nguyên nhân do nguồn cung cấp nước tự chảy từ hồ Đồng Mô cho hệ thống thủy nông Phù Sa – Hà Tây bị suy giảm mạnh vì phải chia sẻ nguồn nước phục vụ cho khu Làng Văn hóa các Dân tộc Việt Nam và sân golf. Đồng thời, trạm bơm đầu mối Cẩm Yên vốn có 5 máy bơm ly tâm thì 1 máy đã hỏng hoàn toàn, động cơ sản xuất trước 1980 bị sát cốt vỡ bi, bể hút kênh dẫn bị bồi lắng và mực nước sông Tích mùa khô tụt thấp khiến trạm không thể bơm đủ nước tiếp nguồn cho kênh chính Đồng Mô.

2. Tác giả căn cứ vào những tiêu chí nào để chọn phương án 7 máy bơm HTĐ 1500-5 thay vì 5 máy bơm HTĐ 2300-7?

Tác giả căn cứ vào biểu đồ thừa thiếu lưu lượng ($\Delta Q$) và hiệu quả kinh tế - kỹ thuật. Phương án 7 máy bơm HTĐ 1500-5 ($Q = 0,44\text{ m}^3/\text{s}$, động cơ 33 kW) có lượng $\Delta Q$ thừa thiếu ít hơn so với nhu cầu tưới thực tế của đồng ruộng, giúp vận hành linh hoạt theo từng thời kỳ làm ải hoặc tưới dưỡng, tránh lãng phí điện năng khi chạy non tải so với phương án 5 máy công suất lớn ($Q = 0,61\text{ m}^3/\text{s}$, động cơ 75 kW).

3. Công trình phụ trợ nào được đề xuất để giải quyết tình trạng mực nước sông Tích xuống thấp tại bể hút vào mùa khô?

Tác giả đề xuất xây dựng một đập tràn dâng nước bằng đá hộc trên sông Tích kết hợp xây kè hai bờ hạ lưu ngay sau cửa lấy nước. Đập có cao trình ngưỡng $+6,1\text{ m}$, rộng $1,8\text{ m}$, thân đập trát đất sét chống thấm dày $0,3 \div 0,4\text{ m}$. Công trình này giúp nâng cao mực nước tại bể hút thêm từ $1,5 \div 2,0\text{ m}$, bảo đảm độ ngập sâu miệng hút của máy bơm trong mùa khô kiệt.

4. Kết quả kiểm tra an toàn khí thực của máy bơm HTĐ 1500-5 ở các chế độ làm việc bất thường cho thấy điều gì?

Máy bơm được kiểm tra ở hai chế độ cột nước bất thường:

  • Với cột nước nhỏ nhất ($H_{min} = 0,8\text{ m}$): Máy làm việc an toàn.
  • Với cột nước lớn nhất ($H_{max} = 7,75\text{ m}$ xuất hiện khi mực nước sông Tích cạn nhất $+4,2\text{ m}$ và bể xả dâng cao $+10,4\text{ m}$): Cao trình đặt máy tính toán lại $Z'{đm}$ nhỏ hơn cao trình đặt máy thiết kế $Z{đm}$, kết luận máy bơm làm việc không an toàn và có nguy cơ phát sinh khí thực.

5. Kết cấu nhà máy bơm Cẩm Yên được lựa chọn theo hình thức nào và bệ móng máy có đặc điểm gì?

Nhà máy bơm được thiết kế theo kiểu móng tách rời (công trình cấp IV). Đặc điểm kết cấu là móng tường nhà bằng gạch (rộng $0,8\text{ m}$, cao $0,73\text{ m}$) tách rời hoàn toàn với móng bệ máy bơm bằng bê tông cốt thép M200 (kích thước $1,2 \times 2,2\text{ m}$, dày $50\text{ cm}$) nhằm ngăn chặn hiện tượng rung chấn từ tổ máy bơm truyền sang kết cấu tường và khung nhà trạm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết bài toán kỹ thuật cải tạo và nâng cấp toàn diện trạm bơm chuyền Cẩm Yên trên hệ thống thủy nông Phù Sa – Hà Tây, đảm bảo năng lực cấp nước tưới cho 2.470 ha đất nông nghiệp. Tác giả đã hoàn thiện hệ thống tính toán thủy lực đồng bộ từ việc chọn 7 tổ máy bơm trục đứng HTĐ 1500-5 công suất 33 kW, thiết kế nhà trạm móng tách rời, bể hút, bể xả, kênh dẫn, kênh tháo đến công trình đập tràn dâng nước sông Tích. Các cấu kiện bê tông cốt thép chịu lực chính của nhà máy được kiểm toán đầy đủ theo tiêu chuẩn xây dựng hiện hành, tạo lập nguồn tài liệu thiết kế có độ tin cậy và giá trị thực tiễn cao cho chuyên ngành công trình thủy lợi.