Công trình lấy nước và tháo nước của trạm bơm bao gồm: công trình lấy nước, công trình dẫn nước, bể tập trung nước ( lấy nước từ kênh ), ống đẩy, bể tháo.
A. CÔNG TRÌNH LẤY NƯỚC ( CỬA LẤY NƯỚC )
Nhiệm vụ của công trình lấy nước là bảo đảm lấy nước từ nguồn cho phù hợp với biểu đồ dùng nước và không cho bùn cát, rác nổi trôi vào nhà máy bơm, ngoài ra còn bảo đảm chủ động ngừng dòng nước từng phần hoặc toàn bộ trong thơi gian tu sửa, nạo vét hoặc có sự cố bất thường.
Có nhiều cách phân loại công trình lấy nước như sau:
– Phân loại theo mục đích sử dụng: công trình lấy nước tưới, công trình lấy nước cho trạm bơm tiêu, công trình lấy nước để cấp nước cho nông thôn, công trình lấy nước cho công nghiệp ..vv.. Công trình lấy nước cho tưới làm việc theo mùa – thời kỳ tưới. Công trình lấy nước để tiêu có đặc điểm là tháo tự chảy từ mạng lưới tiêu. Công trình lấy nước cho trạm bơm phục vụ nông thôn và công nghiệp yêu cầu chất lượng nước sạch và làm việc liên tục trong cả năm;
– Phân loại công trình lấy nước theo nguồn nước: công trình lấy nước từ sông, công trình lấy nước từ hố, công trình lấy nước từ kênh ;
– Phân loại theo đặc điểm xây dựng công trình lấy nước: công trình lấy nước kết hợp với nhà máy, công trình lấy nước tách riêng nhà máy;
– Phân loại theo đặc tính di động hoặc tĩnh tại của công trình: công trình lấy nước tĩnh tại, công trình lấy nước di động ( bơm thuyền, bơm trên xe … );
– Phân loại theo quan hệ giữa công trình lấy nước và giao động mực nước: công trình lấy nước ngập, công trình lấy nước nửa ngập, công trình lấy nước không ngập ;
– Phân loại theo cách bố trí tương quan với nguồn nước: công trình lấy nước lòng sông ( đặt ở lòng sông hoặc đặt trực tiếp ở hồ tự nhiên, hồ nhân tạo ), công trình lấy nước bờ, công trình lấy nước hố đào ( gàu ).
Khi chọn vị trí công trình lấy nước cần phải tính đến nhưng yêu cầu sau:
+ Số lượng và chất lượng nước trong nguồn phải thoả mãn yêu cầu dùng nước;
+ Bố trí công trình lấy nước không làm trở ngại đến các ngành dùng nước khác, không mâu thuẫn với kế hoạch dùng nước tổng hợp trong tương lai;
+ Cần bố trí gần nơi dùng nước.
Công trình lấy nước là thành phần quan trọng của trạm bơm, bởi vậy thành phần, kết cấu và vị trí đặt của các thành phần cần phải thông qua so sánh kinh tế – kỹ thuật một số phương án hợp lý có xét đến điều kiện tự nhiên và điều kiện khai thác các công trình tương tự và sử dụng tương lai của nguồn để chọn. Cách phân loại công trình lấy nước bờ và lấy nước lòng sông thường được dùng phổ biến nhất.
I. Công trình lấy nước từ sông
Việc xây dựng công trình lấy nước từ sông trước hết không được làm thay đổi một cách căn bản chế độ nguồn nước mà phải đảm bảo cho dòng chảy thuận dòng. Các công trình xây dựng bên bờ hoặc giữa lòng sông không được làm hẹp quá 15 … 20% tiết diện ướt của sông để bảo đảm tàu thuyền đi lại bình thường.
Khi đào phá bờ sông để xây dựng công trình phải tính toán chỉnh trị dòng sông, làm cho chế độ thủy lực ở chỗ lấy nước được tốt hơn, tiết diện và dòng chảy trong lòng sông diễn biến một cách đều đặn.
Lưu lượng lấy từ sông khi không có công trình điều tiết dòng chảy phải ít hơn từ 20 … 25% lưu lượng kiệt của sông. Dòng chảy vào cửa lấy nước làm với hướng dòng chảy sông một góc a < 900 thường 25 … 300, cùng lắm mới lấy 900 ( xem Hình 12 – 1 ).
Vị trí công trình lấy nước nên bố trí ở bờ lõm, tại 1/3 phía dưới của cung cong hoặc càng lắ bô trí trên đoạn sông thẳng. Công trình lấy nước bố trí trên những đoạn sông ổn định yêu cầu không có hiện tượng lắng đọng bùn cát làm lấp cửa lấy nước. Tuyệt đối không bố trí công trình lấy nước ở bãi cát nông. Để đánh giá về ổn định lòng sông ta có thể dựa vào một thông số không thứ nguyên IIy sau đây:
các bộ phận máy bơm thì sẽ kinh tế hơn làm bể lắng cát. Thường để hạn chế bùn cát đáy chảy vào công trình lấy nước người ta đặt các thiết bị tạo dòng chảy ngang nhân tạo, con việc hạn chế bùn cát lờ lửng còn đang gặp nhiều kho khăn. Thực tế cho thấy công việc nạo vét cửa lấy nước và kênh dẫn vào trạm bơm rất tốn công sức và tiền của.
Công trình lấy nước sông có thể chia hai loại: lấy nước bờ và lấy nước lòng sông:
1. Công trình lấy nước bờ
Công trình lấy nước bờ thường gồm: cửa lấy nước ( giếng bờ 1 ) và đoạn nội tiếp (
bảo vệ chống xói cắt với bờ và kè ) ( xem Hình 12 – 1 và Hình 11- 2 ):
Với trạm bơm loại nhỏ và trung bình trang bị máy bơm li tâm trục ngang có S> 0 và biên độ giao động mực nước không quá 10 m thì cửa lấy nước thường đứng tách rời khỏi nhà máy ( Hình 12 – 2,a ). Khi trang bị máy bơm li tâm và hướng trục trục đứng (và đôi khi cả bơm trục ngang có hS nhỏ ) biên độ giao động mực nước trong sông lớn hơn 10 m mà nền nhà máy ổn định thì chọn kiểu công trình lấy nước bờ kết hợp với nhà mày là hợp lý ( Hình 12 – 2,b ).
Nước từ sông qua cửa vào để vào giếng bờ. Thường khi giao động mực nước lớn, để lấy nước trong người ta bố trí nhiều tầng cửa ở các cao trình. Việc chỉ đặt một tầng chỉ dùng khi nước sông tương đối sạch. Trên các cửa của tầng lấy nước đều đặt lưới chắn rác, van trượt phẳng hoặc van điều tiết.
Diện tích lỗ vào cửa lấy nước lấy theo công thức sau:
Trong đó: w – diện tích toàn phần của lỗ cửa, ( m2 ); Qtk – lưu lượng thiết kế của một cửa, ( m3/s ) ; v – vận tốc cho phép qua lỗ, ( m/s ); K – hệ số co hẹp do lưới, ( K > 1 ).
Vận tốc cho phép ở lỗ vào giếng bờ , nếu không tính đến yêu cầu bảo vệ cá và đối với điều kiện lấy nước trung bình và khó thì v = 0,2 … 0,6 m/s; còn đối với nguồn có yêu cầu bảo vệ cá thì lấy v theo quy định của thiết bị bảo vệ cá.
Chiều cao của ngưỡng lỗ lấy nước thấp nhất phải đặt cao hơn mặt đất ít nhất 0,5 m để? tránh bùn cát cuốn vào cửa lấy nước, mép trên của lỗ lấy nước trên cùng phải thấp hơn mức nước thấp nhất một đoạn để tránh rác và vật nổi trôi vào giếng. Vận tốc dòng nước hút vào ống hút có đường kính miếng hút Dv, lấy bằng 0,8 … 1 m/s, miệng vào ống hút đặt cách đáy từ ( 0,8 … 1 ) Dv, độ ngập miệng vào của ống hút thẳng đứng dưới mực nước nhỏ nhất bằng 2 Dv và không nhỏ hơn 0,5 m. Bề rộng mỗi ngăn buồng hút lấy trong giới hạn ( 2 … 2,5 ) Dv, thể tích nước nhỏ nhất ở ngăn buồng hút bằng Vmin = Q.t ( trong đó Q là lưu lượng máy bơm, m3/s; t = 15 … 20 giây ). Cũng từ điều kiện này tính ra chiều dài ngăn buồng hút.
Chiều cao giếng bờ phụ thuộc vào giao động mực nước trong sông và đặc tính của đất. Để ngăn ngừa xói rửa đất nền cần để đáy móng thấp hơn cao trình xói rửa đất 2 m; khi nền yếu cần đóng cử, đáy sông trong vùng cửa lấy nước cần được gia cố bằng đá đổ hoặc các tấm bê tông cốt thép. Phần trên giếng bờ cần nâng cao hơn mực nước lớn nhất cộng với chiều cao sóng và không nhỏ hơn 0,6 m.
Khi công trình lấy nước có nhiều bùn cát và lưu lượng trạm bơm nhỏ hơn 25 m3/s thì công trình lấy nước bờ có thể bằng cách lấy nước kiểu hố đào ( gau ). Gàu là một cái vịnh nhân tạo được tạo thành nhờ các đê bao chìa ra sông (xem hình 12 – 3 )
a – lấy nước tuyến trên; b – lấy nước tuyến dưới không ngập: 1- đê;
2- phần lấy nước; 3- gàu; 4 – kè chặn tuyến trên. c – hố đào lấy nước ngập : 1,3 – kè tuyến trên và tuyến dưới; 2- đáy sâu cục bộ: 4- phần lấy nước của công trình.
Khi lượng bùn cát đáy lớn dùng kiểu hố đào tuyến dưới , để rửa bùn cát lắng đọng nên thiết kế theo kiểu tự rửa. Tốc độ dòng chảy ở hố đào nên lấy trong phạm vi từ 0,05 … 0,3 m/s và không được vượt qua tốc độ dòng chảy trong sông. Khi đáy sông cần có độ ngập 1,5 … 2 m ở giếng bờ và cần tạo một dòng chảy tuần hoàn để tạo độ sâu nhân tạo thì giếng được làm kiểu ngập tự rửa ( Hình 12 – 3,c ). Chiều rộng và chiều dài hố đào cần đủ thỏa mãn lắng đọng bùn cát hoặc tháo vật nổi.
2. Cửa lấy nước lòng sông
Công trình lấy nước lòng sông thường gồm có nút lấy nước đặt trực tiếp trong lòng sông, đường dẫn kín ( tự chảy hoặc xi phông ) nối nút lấy nước với giếng bờ hoặc với bể hở trên bờ. Từ giếng bờ hoặc bể 7 hở nước sẽ được ống hút vào máy bơm. Việc xây dựng cũng như khai thác công trình lấy nước lòng sông phức tạp hơn loại bờ mà tính an toàn của nó lại kém hơn, vì khó quan trắc nút lấy nước và đường dẫn nước dễ bị đọng rác. Do vậy nó được xây dựng với trạm bơm nhỏ và trung bình, đôi khi cũng xây dựng đối với trạm bơm lớn khi điều kiện từ nhiên không cho phép xây dựng cửa lấy nước kiểu bờ.
Hình 12 – 4,a là cửa lấy nước lòng sông loại ngập, loại này nút lấy nước luôn bị ngập dưới mực nước sông . Cửa lấy nước nằm cách xa nhà máy, gọi là cửa lấy nước lòng sông tách riêng. Hình 12 – 4,b là loài cửa lấy nước lòng sông không ngập, nút lấy nước và nhà máy xây kết hợp đặt trong lòng sông và phân cửa lấy nước luôn cao hơn mức nước lớn nhất trong sông. Cửa lấy nước lòng sông kết hợp loại này có giá thành cao, vận hành phức tạp đặc biệt vào mùa lũ. Do vậy nó ít được sử dụng.
Nút lấy nước là phần quan trọng của công trình lấy nước sông, nó không chỉ lấy nước từ sông mà còn gia cố và bảo vệ phần đường dẫn kín ( tự chảy hoặc xi phông ). Nút lấy nước chia ba loại: nút ngập, nửa ngập và nút không ngập.
Hình 12-5 trình bày một số nút lấy nước ngập:
Mép trên nút lấy nước ngập đặt dưới mực nước nhỏ nhất của sông một đoạn sao cho tránh vật trôi va chạm và đủ độ ngập lấy nước, thường lấy 0,5 m. Đây là loại rẻ nhất trong các loại cửa lấy nước lòng sông, tuy vậy loại lấy nước ngập không có khả năng quan trắc sự làm việc của nó và khó làm sạch lưới chắn rác. Lưới chắn rác được cấu tạo bởi những thanh thép dẹp với khoảng cách 30 … 100 mm, đặt nghiêng một góc 1350 so với hướng dòng nước chảy. Tốc độ dòng nước qua lưới từ 0,1 … 0,3 m/s, khi lấy nước có yêu cầu bảo vệ cá thì vận tốc nước không lớn hơn 0,25 m/s. Nút lấy nước buồng xoắn hở ( Hình 12 – 5,s ) bố trí phản đối xứng với trục của buồng nhận nước, do vậy dòng chảy trong đó có chuyển động quay đảm bảo dòng nước chảy đều đến lưới lấy nước.Khi lưu lượng lấy vào dưới 2 … 3 m3/s và mực nước sông lên xuống dưới 3 … 4 m thì nên bố trí công trình lấy nước lòng sông kiểu ngập ( xem Hình 12 – 4,a ) .
2. Nút lấy nước nửa ngập
Nút lấy nước nửa ngập ( Hình 12 – 5*a) về cấu tạo tương tự loại ngập, nhưng nút lấy nước đơn giản hơn và vì đỉnh nút cao hơn mực nước sông nhỏ nhất do vậy dọn rác dễ dàng. Diện tích lỗ nhận nước cũng tính theo công thức ( 12 – 2 ), tốc độ nước qua lưới lấy 0,1 … 0,3 m/s. Nút lấy nước này trang bị lưới chắn rác và rãnh đặt van sữa chữa. Nhược điểm của loại nút lấy nước này là gây khó khăn cho tàu thuyền đi lại và làm thay đổi chế độ dòng sông, kém an toàn khai thác. Do vậy no ít được sử dụng.
nhận nước; 3- lưới chắn rác; 4,6- gian phục vụ và cầu công tác; 5- cầu trục;7- cầu thang
8- của van; 9- ống phun; 10- đá đổ; 11- giếng chìm.
3. Nút lấy nước không ngập
Cửa lấy nước kiểu lòng sông không ngập ( xem Hình 12 – 5*b ) đảm bảo lấy nước an toàn và khai thác thuận lợi hơn loại ngập. Về cấu tạo nó là công trình bê tông có hình lưu luyến dạng khối, như một trụ cầu rộng nhô lên khỏi mực nước lớn nhất. Nhược điểm của loại này là giá thành đắt, bởi vậy khuyên dùng loại này đối với trạm bơm trung bình và lớn, hoặc nếu khi xây dựng công trình lấy nước bờ thì điều kiến tự nhiên khó làm được hoặc xây dựng công trình lấy nước bờ không kinh tế.
Công trình lấy nước không ngập dưới tác động của áp lực thủy tinh và thuỷ động cói tể? không đảm bảo ổn định. Bởi vậy cần tính toán trượt, lật và đẩy nổi đối với nó. Khi xây dựng nút lấy nước không ngập sẽ gây co hẹp lòng dẫn và dẫn đến xói lòng dẫn. Để bảo vệ lòng dẫn khỏi bị xói cần dùng đá đổ hoặc các tấm bê tông để gia cố lòng. Đáy tấm móng cần đặt thấp hơn cao trình xói lở một đoạn 2 m. Khi nền đất yếu cần phải đóng cừ chắn xuống nền. Để lấy nước sạch cần lấy nước nhiều tầng . Kích thước lỗ lấy nước cũng xác định theo công thức 12 – 2 d trên, tốc độ dòng nước chỗ vào lấy 0,1 … 0,3 m/s và đôi khi nhỏ hơn. cửa lấy nước lòng sông không ngập trang bị thiết bị nâng vận chuyển cơ khí . Khi khoảng cách từ bờ đến cửa lấy nước lớn hơn 200 m thì dùng cầu phao, còn khi khoảng cách nhỏ hơn thì xây cầu để đi lại.
II. Công trình lấy nước từ hồ chứa.
Tất cả những điều đã trình bày ở phần công trình lấy nước sông đều áp dụng được cho công trình lấy nước từ hố.
Các hồ chứa nước dùng để tưới bằng bơm thường là các vùng trũng tự nhiên được lợi dụng để trữ nước hoặc các hồ chứa nhân tạo được xây dựng. Khi xây dựng các công trình lấy nước cho trạm bơm ở hồ chứa cần nghiên cứu những vấn đề sau:
– Thời gian bồi lắng hồ chứa, chế độ chuyển động của bùn cát;
– Độ giao động của mực nước trong hồ trong quá trình điều tiết hồ;
– Điều kiện địa chất như: nền móng, chế độ bôi lắng, mức độ xói lở bờ hồ;
– Hướng sóng và độ lớn của sóng, hướng gió thổi …
Công trình lấy nước nên đặt gần hệ thống tưới ở bờ hoặc trên kênh dẫn nếu ở hồ chứa tính toán được thời gian bồi lắng kéo dài và bùn cát lắng đọng ở phía nước đổ vào hồ. Khi lượng bùn cát nhiều nên bố trí công trình lấy nước ở gần đập. Khi mực nước trong hồ lên xuống nhanh nên xét bố trí các công trình lấy nước ở hạ lưu đập, dẫn nước đến nhà máy bơm bằng các ống bê tông cốt thép đặt trong thân đập. Cũng có thể sử dụng đường ống tháo bùn cát đáy của hồ chứa để dẫn nước đến nhà máy , tuy nhiên khi hồ chứa tiến hành tháo bùn cát đáy thì trạm bơm phải ngừng làm việc.
III. Công trình lấy nước trên kênh
Công trình lấy nước trên kênh thường xây kết hợp với nhà máy. Công trình lấy nước vừa là công trình tập trung nước xây liền với nhà máy , các máy bơm hút nước bằng ống hút đặt ngang hay thẳng đứng tùy điều kiện cụ thể. Nhưng trạm bơm nhỏ thì công trình lấy nước thường không xây trụ pin, ống hút lấy nước thẳng từ bể tập trung nước. ở trạm bơm làm việc theo mùa có thể tháo cạn kênh dẫn , để đơn giản đặt van ở miệng vào ống hút để ngăn dòng nước khi cần sửa chữa. Trị số vận tóc cửa vào lấy từ 0,7 … 1,2 m/s, tốc độ qua lưới chắn rác có thể lấy từ 0,5 … 0,7 m/s nhưng lớn hơn tốc độ trong kênh dẫn một ít. Các mép cửa vào làm lượn tròn để dòng chảy vào thuận, mặt cắt cửa vào nên làm hình chữ nhật lượn tròn góc để lợi về thủy lực.
Công trình lấy nước trên kênh được trình bày cụ thể ở mục C ( Bể tập trung nước ).
B. CÔNG TRÌNH DẪN NƯỚC TỚI NHÀ MÁY BƠM
Công trình dẫn nước từ cửa lấy nước đến nhà máy bơm có thể là đường dẫn kín hoặc kênh dẫn hở. Đường dẫn kín thường được dùng dẫn nước từ sông có bãi bồi rộng ngập nước vào mùa lũ và nằm trong đất yếu. Kênh dẫn hở nếu dùng trong điều kiện này sẽ không lợi ví mái dốc dễ bị sạt lở khi mực nước lên xuống nhanh và kênh dễ bị đóng cát trong quá trình khai thác.
I. Đường dẫn kín.
Trong đa số trường hợp đường dẫn kín dẫn nước từ cửa lấy nước lòng sông đến giếng bờ hoặc bể lắng cát. Đường dẫn này có thể là đường ống dẫn tự chảy hoặc xi phông. Để bảo đảm cấp nước an toàn thì số lượng đường dẫn không ít hơn hai. Đường dẫn tự chảy chia ra hai loại: tự chảy không áp và tự chảy có áp:
1. Đường dẫn tự chảy không áp:
Đường dẫn tự chảy không áp được dụng đối với lưu lượng Q > 5 m3/s và giao động mực nước không vượt quá 0,5 m. Mặt cắt ngang của nó có thể hình tròn, chữ nhật hoặc ô van. Đỉnh của trần ống phải cao hơn mực nước trong ống không nhỏ hơn 0,2 m. Ống có thể làm bằng tấm lắp ghép, ống đúc và đặt trên nền với độ dốc dương không đổi.
2. Đường ống tự chảy có áp:
Đường ống tự chảy có áp ( xem Hình 12 – 4,a ) được dùng với lưu lượng và giao động mức nước nguồn bất kỳ. Mặt cắt ngang của nó có thể hình tròn hoặc chữ nhật, làm bằng bê tông cột thép, bằng gang, pôlime … các đường ống đặt trong các rãnh đào và có biện pháp thoát nước, biện pháp chống xói lở. Đường ống chạy dưới nơi có tàu thuyền qua lại phải đặt thấp hơn đáy tầu tư 0,8 … 1,5 m; đặt ở nơi không có tàu thuyền qua lại thì thấp hơn đáy tàu 0,5 m.
3. Đường dẫn xi phông
Đường dẫn xi phông thường áp dụng với công trình dẫn nước quản trong khi điều kiện địa chất và địa chất thủy văn không lợi và cũng không kinh tế cho việc đặt ống tự chảy. Diện tích mặt cắt ngang đường dẫn tự chảy và xi phông xác định theo kết quả tính toán. Vận tốc dòng chảy chọn đảm bảo tránh đóng bùn cát và đảm bảo tổn thất cột nước là nhỏ nhất thường lấy 1 … 2 m/s. Để kiểm tra mặt cắt ống tự chảy không bị bồi lắng, theo A. C. Obrazobski:
Nếu thỏa mãn bất đẳng thức ( 12 – 3 ) thì có thể coi rằng không lắng đọng trong ống. Để xử lý và quan trắc đọng cát trong ống cứ 75 … 100 m đặt một giếng quan trắc.
II. Đường dẫn nựớc hở ( kênh dẫn ).
Loại này thường dùng để dẫn nước từ các nguồn nước mặt như sông, hồ và kênh khi điều kiện địa chất, thủy văn và địa hình thuận lợi. Kênh dẫn được sử dụng với điều kiện: có tính kinh tế, rút ngắn chiều dài ống áp lực, nước có ít bùn cát, tiến hành làm sạch bùn cát trong kênh mà vẫn bảo đảm lấy đủ lưu lượng theo biểu đồ lưu lượng yêu cầu, ổn định bờ của nguồn nước, biển độ giao động mực nước sông nhỏ và giao động chậm. Kênh dẫn có hai loại : không tự điều tiết và tự điều tiết.
1. Kênh không tự điều tiết
Kênh không tự điều tiết có đỉnh kênh thấp dần về nhà máy và song song với đáy kênh ( xem Hình 12 – 6,a ). Để tránh nước tràn qua đỉnh kênh, ờ đầu kênh xây công trình lấy nước và có cửa van và ở cuối kênh xây công trình tràn nước thừa. Công trình này cần làm việc tự động tuân theo sự làm việc của trạm bơm.
2. Kênh tự điều tiết
Đặc điểm của kênh tự điều tiết là cao trình đỉnh kênh không thay đổi suốt chiều dài kênh, do vậy mặt cắt ngang của kênh càng gần nhà máy càng lớn ( xem hình 12 – 6,s ). Do đỉnh kênh nằm ngang nên khi máy bơm không làm việc ( Qk = 0 ) thì không bị tràn ra ngoài, mực nước trong kênh ngang bằng mực nước nguồn, kênh tự điều tiết có khả năng trữ nước. Thiết kế kênh với dòng đều khi Qk = Qmax, lúc này mặt nước trong kênh song song với đáy kênh. Khi lưu lượng trong kênh Qk nhỏ hơn hoặc lớn hơn Qmax thì dòng chảy trong kênh là dòng không đều: khi Qk< Qmax thì đường mặt nước trong kênh là đường nước dâng, ngược lại – đường nước đổ. Đường nước dâng gây nên lắng đọng bùn cát trong kênh, còn dòng nước đổ trong kênh không cho phép vì làm tăng cột nước địa hình của máy bơm dẫn đến làm giảm lưu lượng và tăng xói lở nếu không có lớp bảo vệ lòng kênh. Kênh tự điều tiết có chiều sâu lớn nên chi phí xây dựng lớn, bởi vậy nên chọn hình thức nửa đào nửa đắp. Loài kênh này thường được dùng khi lấy nước từ hồ và từ kênh. Khi khởi động hoặc dưng mày bơm trong kênh sẽ xuất hiện chuyển động sóng và khi trạm bơm lấy nước từ hồ chứa lớn cần phải tính đến một số đặc tính : xuất hiện dòng chảy dọc bờ, biến dạng bờ … Ở phần đầu kênh có thể lắng đọng bùn cát và bị biến dạng.
Mặt cắt ngang của kênh dẫn thường có dạng hình thang, dạng đa giác chỉ dùng khi nền đất yếu. Kích thước mặt cắt ngang xác định qua tính toán. Thường dùng biện pháp bảo vệ lòng kênh sau:
– Dùng đá đổ, tấm bê tông hay bê tông cốt thép để bảo vệ mái kênh dưới tác hại của sóng và vận tốc dòng chảy lớn;
– Dùng vật liệu ác phan và nhựa đường, bê tông khối lớn và tấm bê tông cốt thép để chống thấm nước từ kênh;
– Dùng lớp trát xi măng để giảm độ nhám lòng kênh ( thường dung khi đá cứng ) sử dụng biện pháp nào cần thông qua tính toán kinh tế – kỹ thuật mà quyết định.
Tính toán thuỷ lực kênh dẫn theo dòng đều và kiểm tra điều kiện không xói không
lắng trong kênh.
C. BỂ TẬP TRUNG NƯỚC TRƯỚC NHÀ MÁY BƠM
Hình 12 – 7,a. Sơ đồ bể tập trung nước trước nhà máy bơm.
1- rãnh van sửa chữa; 2- ống hút; 3- buồng hút; 4- lưới chắn rác; 5- bể tập trung nước; 6- kênh dẫn; 7- nhà máy bơm ( chú thích chung cho Hình 12 – 7,a, s ) .
Phần nối tiếp giữa kênh dẫn với nhà máy được mở rộng (mặt bằng ) và đào sâu với độ dốc để bảo đảm ngập miệng vào ống hút gọi là bể tập trung nước trước nhà máy bơm. Bể tập trung nước có quan hệ mật thiết với buồng hút ( hay cửa nhận nước ) của nhà máy và đoạn cuối kênh dẫn.
Trong thực tế buồng tập trung nước được mở rộng đối xứng qua trục và mặt bên làm tường có mái dốc ( xem Hình 12 – 7,a,s ). Để tránh bất lợi do lắng đọng bùn cát trong bể
Trong đó : bB -chiều rộng mỗi buồng hút, lẩy 1,5.Dv < bB< 2.Dv ;
bT- bề dày trụ pin phẩn cách giữa các buồng hút, thường lấy 0,6 m;
n – số buồng hút.
Hình 12 – 8,a là một biện pháp dùng tuyến lấy nước cong để giảm B$p , tuyến cong không dùng được với loại nhà máy xây kết hợp với cửa lấy nước .
Đáy bể tập trung thường có độ dốc thuận i = 0,2. Điều kiện chảy tràn của dòng nước trong bể mờ rộng được cải thiện khi xây đoạn trước của nó có độ dốc ngược ( i < 0 ), như Hình (12 – 8,b ). Khi giảm từ từ độ sâu dòng nước trong đoạn dốc ngược, sẽ làm cho dòng chảy mở rộng hơn. Đoạn dốc ngược thường đặt ở đoạn đầu của bể với chiều dài L1 = 0,8 Lab và độ dốc ngược không lớn hơn 0,1. Việc làm dốc ngược tạo khả năng giảm góc côn trong phạm vi a = 30 … 400 mà vẫn không tăng chiều dài Lab. Đoạn cuối của bể L2= Lab- L1( với L2 không được nhỏ hơn 2 bB) và độ dốc thuận không lớn hơn 0,2. Đáy chỗ cuối của đoạn dốc ngược sẽ cao hơn đáy cuối kênh, bởi vậy với mọi chế độ
Thoả mãn điều kiện ( 12 – 5 ) sẽ tránh được góc gãy quá mức của đáy bể .
Qua thực nghiệm cũng cho kết quả la nếu tỷ số giữa chiều dài tuyến lấy nước với bề rộng kênh : Bop / BK = 6,2 sẽ hình thành khu nước quẩn dưới đáy dòng chảy và khi tỷ số này giảm tới bằng 4 thì khu nước xoáy biến mất. Do vậy cần chọn chiều dài tuyến lấy nước sao cho:
Chiều rộng tuyến lấy nước quá lớn sẽ là nguyên nhân tạo ra dòng chảy cuộn bề mặt, dòng bao quanh trụ pin sẽ tạo nên các phểu nước, nếu lấy chiều dài tự do của trụ pin tính từ miệng vào ống hút trở ra tới đầu trụ bằng 2Dv thì phểu nước cửa vào sẽ mất. Việc xây tường ngực nghiêng hoặc đứng trước cửa vào cùng tạo thuận lợi cho dòng chảy. Trường hợp các ống hút đặt thẳng đứng lấy nước chung một buồng hút ( không có trụ ngăn ) thì khoảng cách giữa các trục ống hút lấy không nhỏ hơn 3Dv nếu như đảm bảo đảm nước đến miệng vào thuận dòng .
Khoảng cách từ lỗ vào ống hút thẳng đứng đến đáy buồng lấy bằng h1 = 0,8 Dv. Chiều dài buồng hút đối với ống xả thẳng đứng đặt sát tường sau được xác định theo điều kiện bố trí cầu công tác, lưới chắn rác và cửa van lấy không nhỏ hơn 3Dv; còn đối với ống hút đặt ngang lỗ vào đặt thẳng đứng trong tường buồng thì lấy không nhỏ hơn 2Dv ( xem Hình 12 – 7,a ).
D. ỐNG ĐẨY ( ỐNG ÁP LỰC )
Ống đẩy trong trạm bơm dùng để chuyển nước có áp từ thấp lên cao, nó là công trình nối máy bơm với bể tháo của trạm. Người ta phân loại đường ống đẩy theo các cách sau:
– Theo vật liệu làm ống: ống thép, ống bê tông cốt thép, ống gang, ống nhựa …;
– Theo cốt nước: ống cột nước thấp ( H < 20 m ), ống cột nước trung bình ( 20 < H < 60 m ) , ống cột nước cao ( H > 60 m );
– Theo cách đặt ống: ống đặt lộ thiên, ống chôn dưới đất.
Trong xây dựng trạm bơm thường hay dùng ống bê tông cốt thép đúc tại chỗ hoặc đúc sẵn có cột nước thấp và ống bằng thép có cột nước cao hơn.
Nội dung các bước thiết kế đường ống đẩy gồm những bước sau:
a – Chọn tuyến đường ống và vị trí đặt các mố đỡ và mố néo;
b – Chọn vật liệu làm ống;
c – Xác định đường kính ống kinh tế và chọn số đường ống ;
d – Tính toán và kiểm tra áp lực nước và trong ống;
e – Thiết kế mố ống và chỗ nối ống, rẽ ống.
I. Lựa chọn tuyến đặt ống, số ống và vật liệu làm ống
1. Chọn tuyến đặt đường ống
Chiều dài đường ống cố gắng chọn ngắn nhất, muốn vậy nên chọn tuyến thẳng, tuy nhiên do bề mặt địa hình thay đổi, nếu chọn tuyến thẳng thì phải đào nhiều, do vậy tuyến ống tập hợp những đoạn nghiêng khác nhau theo độ nghiêng của địa hình ( ngay trên bình đồ cũng vậy ).
Đường ống áp lực hợp lý nhất thường tăng dần độ cao từ nhà máy đến bể tháo để dễ tháo nước khi sữa chữa, tuy nhiên cũng có trường hợp tuyến ống có những đoạn có độ dốc nghịch. Ở những nơi thay đổi độ dốc giữa thuận và nghịch cần lắp lỗ thông khí để tháo khí khi tích nước và vận hành ; ở điểm hạ thấp của chỗ gập ống cần đặt ống tháo để tháo nước khi súc ống. Cần hạn chế số lượng các điểm gập ống và độ dốc giữa các đoạn, không được thay đổi độ dốc quá đột ngột. Những nơi phương đường ống thay đổi phải xây mố néo và dưới đường ống cần xây mố đỡ để đỡ ống khỏi võng.
Độ dốc đặt ống khi khống có bệ néo phải nhỏ hơn góc ma sát trong của đất nền ( anpha ); nghĩa là:
Trong đo: f – hệ số ma sát giữa ống và đất nền ướt;
k – hệ số ổn định trượt, thường lấy k = 1,25 … 1,35.
Đường ống áp lực cần được bảo vệ khỏi bị mưa rào làm xói lở, do vậy dọc tuyến đặt ống cần có rãnh thoát nước. Cần tránh đặt ống ở vùng đất sạt lở để tránh trôi và ống, nếu không tránh được thì phải có biện pháp xử lý. Hào đặt ống cũng cần có độ rộng đủ để lắp ráp đường ống và bậc thang đi dọc theo tuyến ống.
2. Chọn số đường ống.
Khi chiều dài ống nhỏ hơn 100 m thì số lượng ống ( Zô )thường lấy bằng số máy bơm ( ZB ); khi chiều dài ống từ 100 … 300 m thì phải qua tính toán kinh tế – kỹ thuật để xác định số ống; khi chiều dài tuyến ống lớn hơn 300 m thì số ống lấy nhỏ hơn số máy bơm. Nếu trạm bơm cũng cấp nước vào bể hở thì mỗi ống chỉ được nối nhiều nhất với 3 máy, nghĩa là Zô> ZB/3; khi cấp nước cho mạng ống kín thì mỗi ống có thể nối hơn 3 máy bơm.
Trạm bơm có tổng lưu lượng không quá 5 m3/s và hệ thống cho phép cấp nước gián đoạn khi sự cố thì có thể dùng một ống đẩy chung cho cả trạm.
Khoảng trống giữa các đường ống đặt song song thường chừa 0,7 … 2,2 m .
Đối với các trạm bơm tiêu và trạm bơm tưới thì các đường ống bố trí song song không cần phải đặt hệ thống thiết bị đổi nối.
3. Chọn vật liệu làm ống
Chọn vật liệu làm đường ống đẩy dựa trên cơ sở tính toán tĩnh lực với điều kiện làm việc thực tế có thể xảy ra của ống. Cần tính đến tổ hợp áp lực và tải trọng nguy hiểm đối với nó. Thực tế trạm bơm hay dùng ống bê tông cốt thép và ống thép, nhất là đối với ống dẫn nước làm việc với áp lực từ 6 at trở lên phải dùng thép hoặc bê tông cốt thép.
Những đoạn ống đặt dưới đường sắt và đường ô tô, qua khe và chướng ngại vật thì đặt ống trên các cầu đỡ và đặt trong tuy nen.
II. Đường ống bê tông cốt thép
Ống bê tông cốt thép gồm ống lắp ghép và ống đổ liền khối tại chỗ.
Ống lắp ghép được chế tạo sẵn với áp lực dưới 10 at đem đến ghép tại hiện trường. Hình 12 – 9 trình bày cách nối giữa hai đoạn ống. Mối nối được kín nước bởi vòng cao su 4 tiết diện tròn, phần tựa 3 chặn vòng 4. Khớp nối mèm này cho phép dịch chuyển hướng trục của hai đoạn một đoạn 5 mm và quay mốt góc 1,5 độ .
Nối ống bê tông có mặt bích nối với ống gang bằng ống lồng thép ( Hình 12 – 10 ). Ống bê tông cốt thép đúc sẵn có ưu điểm tổn thất thủy lực nhỏ hơn ống thép và gang Ống bê tông cốt thép đổ liền khối được chôn dưới đất. Khi lớp đất trên ống dày đến 2 m thì mặt cắt ngang của ống có đoạn nằm ngang ngắn ( Hình 12 – 11). Thường dùng với
đường kính lớn hơn 1,5 m và chịu áp lực nhỏ hơn 4 … 5 át.
Để giảm ứng suất gây ra do nhiệt độ và nền lún không đều, đường ống được cắt ra thành từng đoạn 25 … 50 m và dùng khớp biến dạng ( Hình 12 – 12 ).
Bề dày của ống bê tông cốt thép đúc liền có thể xác định gần đúng theo công thức:
Trong đó : Do – đường kính trong của ống, cm; Htt – cột nước tính toán, m.
Chiều sâu lớp đất phủ ống lấy ít nhất 0,8 m đối với những nơi co phương tiện vận tải qua lại, còn những khu đất khác thì phủ lớp đất trên ống là ít nhất là 0,5 m.
a- nối bê tông đặt; s- nối mềm: 1- vữa xi măng; 2- bi tum; 3- cao su định hình.
III. Ống đẩy bằng thép.
Ống thép thường dùng ở dạng ống đặt lộ thiên trên mặt đất, nó có khả năng chịu cột nước cao và bền. Ống có thể dùng loại đã đục sẵn hoặc hàn trong nhà máy rồi đem đến hiện trường lắp ghép lại, hoặc hàn ống tại hiện trường. Ống thép trong quá trình vận hành thường bị rỉ. Thời hạn sử dụng và độ bền của nó phụ thuộc nhiều vào mức độ bảo dưỡng chống han rỉ, khi bị hàn rỉ sẽ làm tăng tổn thất cột nước nên chi phí vận hành tăng và giảm tuổi thọ ống.
Ống thép có thể chôn dưới đất với ống được đúc sẵn hoặc hàn và không có mố néo, mố đỡ và khớp nhiệt độ nếu như lực ma sát giữa ống và nền thoả mãn điều kiện (12 – 7). Nếu không thoả mãn điều kiện trên thì ống đặt ngầm cũng giống như ống đặt trên mặt đất đều phải có mố néo, mố đỡ và khớp nhiệt độ. Khớp nhiệt độ đặt giữa hai mố néo, tốt nhất ngay phía sau mố néo trên, không nên chôn khớp nhiệt độ dưới đất vì han rỉ làm hỏng khớp, nếu phải có khớp nhiệt ở ống ngầm thì nên đặt trong hố riêng không bị lấp đất. Ở những chỗ trục ống thay đổi và chỗ ống bị phân nhánh hay đường kính thay đổi cần phải tăng chiều dày vỏ ống.
Khi đường kính ống lớn hơn 2 m, cần chọn hình thức bố trí trên mặt đất. Hình thức đường ống đẩy đặt lộ trên mặt đất có hai loại: đường ống liên tục giữa hai mố néo (không có khớp nhiệt độ ) và đường ống không liên tục giữa hai mố néo ( có đặt khớp nhiệt độ giữa hai mố néo ). Hình thức ống liên tục rất hiếm khi sử dụng, nó được dùng khi đường ống co khuỷu cong hoặc trục ống là trục cong, khi nhiệt độ thay đổi sẽ sinh ứng suất nhiệt trong ống. Hình thức ống không liên tục, nhờ có khớp nhiệt độ đặt trên ống do vậy khi nhiệt độ thay đổi hai đầu đoạn ống chỗ khớp nhiệt được chuyển động tự do nên loại được ứng suất do nhiệt gây ra, và cũng chính vì vậy hình thức đường ống này được sử dụng rộng rãi.
Trên đường ống không liên tục, mố neo ( xem Hình 12 – 13 ) được đặt tại những nơi tim ống thay đổi phương hoặc trên đoạn ống trục ống thẳng nhưng dài hơn 200 m để giữ chặt đường ống không cho dịch chuyển. Cấu tạo mố néo có thể dùng mố kín ( ống được đổ bê tông bao quanh, Hình 12 – 13,a ) hoặc dùng mố néo hờ ( dùng các vòng thép hàn vào ống và chôn các đầu của vòng thép vào bê tông để néo ống, Hình 12 – 13,b ).
Để đỡ đường ống giữa các mố néo khỏi vòng đặt các mố đỡ. Khoảng cách giữa các mố đỡ lấy theo tính toán, thường từ 4 … 7 lần đường kính ống. có các loại mố đỡ như: mố yên ngựa, mố có vòng tựa. Mố đỡ yên ngựa là loại đơn giản nhất ( Hình 12 – 14,a ),
Hình 12 – 14. Các loại mố đỡ đường ống.
được dùng cho ống có đường kính ống nhỏ hơn 1 m, để giám mạ sát tá đặt tẩm thép lót giữa ống và mố. Khi đường ống có đường kính lớn hơn sẽ dùng mố đỡ có vòng tựa tiếp xúc trượt ( với ống có đường kính nhỏ hơn 1,6 m ) và có vòng tựa con lăn ( với đường ống có đường kính lớn hơn 1,6 m, Hình 12 – 14,b ).
Khớp nhiệt độ được bố trí gần mố néo trên giữa hai mố néo để loại bỏ ứng suất do nhiệt độ gây nên trong ống khi nhiệt độ thay đổi.
Các loại kết cấu của đường ống, của các mố néo, mố đỡ và khớp nhiệt độ và nội dung bố trí, tính toán chúng đã được trình bày khá chi tiết trong Giáo trình Trạm Thủy điện, do vậy trong giáo trình này không trình bày trung lặp.
Để tiện cho việc lắp ráp sửa chữa, khoảng cách từ đáy ống đến mặt đất lấy > 0,6 m.
III. Ống gang và ống làm bằng chất dẻo.
Ống gang được chế tạo có đường kính từ 0,6 … 1 m bằng gang xám. Để nối các đoạn ống ta lồng đầu ống loa ra ngoài đầu ống không loe, giữa khe hở cuả chúng đặt các vật chống rò nước làm bằng sợi đáy tẩm nhựa hoặc cao su và được siết chặt nhờ các vòng bít. Ống gang có đường kính từ 65 … 300 mm có chiều dài 2 … 6 m; đường kính từ 400 đến 1 m – dài 5 … 10 m. Ưu điểm của ống gang là chống rỉ tốt hơn ống thép, tuổi thọ cao và tổn thất thủy lực suốt thời gian khai thác không đổi. Nhược điểm là khối lượng lớn và giá thành cao.
Ống làm bằng chất dẻo được chế tạo với đường kính 10 … 630 mm, chịu áp lực tương ứng từ 2,5; 4; 6 at và được nối ống bằng cách hàn. Ưu điểm của ống chất dẻo là không rỉ, tổn thất cột nước nhỏ hơn ống thép 30%, có tính đàn hồi cao nên làm việc trong quá trình quá độ tốt. Nhược điểm là chịu lực kém hơn.
IV. Xác định đường kính kinh tế của ống
Đường kính ống nếu lấy lớn sẽ tăng giá thánh nhưng lại giảm tổn thất nặng lượng nước trong ống; ngược lại, nếu giảm đường kính ống thì giá thành được giảm nhưng lại tăng tổn thất năng lượng. Do vậy để xác định đường kính ống cẩn phải thông quá so sánh phương án vời các đường kính khác nhau theo nguyên tắc thời hạn bù vốn hoặc phí tổn quản lý nhỏ nhất.
Sau đây trình bày cách xác định đường kính ống kinh tế theo nguyên tắc phí tốn quản lí nhỏ nhất:
C = aE + bK ( 12 – 9 )
Ở đây : a – già thành 1 kWh điện lượng tiêu thu;
E – tổng điện lượng hao tổn hàng năm trên 1 m dài ống;
K – vốn đầu tư cho 1 m dài ống;
b – tỷ lệ khấu hao hoàn vốn và sửa chữa tính theo % vốn đầu tư K.
Cách làm: Với mỗi đường kính D ta tính được K và E và vẽ ra hai đường cong biểu diễn quan hệ aE ~ D và bK ~ D, sau đó cộng tung độ tương ứng của hai quan hệ trên ta được đường ( aE + bK ) ~ D, tìm ra được giá trị đường kính kinh tế Dkt ứng với C min.
E. CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC ( BỂ THÁO
I. Công dụng và phân loại bể tháo.
Bể tháo là công trình nối phần cuối ống đẩy với kênh tưới ( đối với trạm bơm tưới ) hoặc nối với sông, hồ ( đối với trạm bơm tiêu ) hoặc các công trình lấy nước dẫn nước đến nơi dùng nước khác ( như cấp nước sinh hoạt, cấp nước công nghiệp ) …
Bể tháo có những yêu cầu sau:
– Bảo đảm dòng chảy vào kênh hoặc nơi lấy nước thuận dòng, tổn thất ít;
– Phân phối và khống chế mực nước, bảo đảm yêu cầu cho các kênh tưới;
– Ngăn được dòng nước chảy ngược về ống đẩy khi đột nhiên dừng máy.
* Về mặt kết cấu bể tháo và biện pháp ngăn dòng chảy ngược khi cắt máy bơm có thể chia bể tháo thành các loại sau:
Bể tháo sử dụng thiết bị cơ khí ngăn dòng ( Hình 12 -16 ; 12-17; 12 -18 );
Bể tháo sử dụng nguyên lý xi phông ( xem Hình 12 – 22 );
Bể tháo có tường tràn ( xem Hình 12 – 26 );
Hình 12 – 17. Sơ đồ bể tháo trang bị van ngược.
1- ống đẩy; 2- van ngược; 3- phần loe cửa ra ống đẩy; 4- giếng làm lặng nước; 5- kênh tháo; 6- ống dẫn khí.
Hình 12 – 19. Sơ đồ bể tháo nối tiếp với kênh tháo.
Bể tháo phân dòng nối tiếp với nhiều kênh dẫn nước khi trạm bơm phụ trách nhiều khu tưới. Bể tháo rẽ dòng nối với một kênh khi điều kiện địa hình không thuận lợi, loại này chỉ dùng với trạm nhỏ có lưu lượng nhỏ hơn 1 m3/s.
* Theo vị trí và cách nối tiếp với nhà máy bơm có thể chia ra hai loại bể tháo: bể tháo xây tách xa nhà máy và bể tháo xây liền ( kết hợp ) với nhà máy. Loại bể tháo kết hợp được dùng với trạm có cột nước thấp, bơm trục đứng và giao động mực nước nguồn thấp hơn miệng ra ống đẩy. Hình thức này phải tính nền móng cẩn thận để bảo đảm lún đều và ổn định khi thi công xong và chú ý đến chống thấm chỗ tiếp giáp giữa bể tháo với tường nhà máy.
II. Bể tháo sử dụng thiết bị đóng mở cơ khí
Bể tháo trang bị thiết bị đóng mở cơ khí nhờ có hình dáng phần chảy đơn giản do vậy tổn thất thủy lực và giá thành rẻ và dễ xây dựng nó có thể dùng với mọi giao động mức nước và lưu lượng. Nhược điểm của nó là rò nước qua khe hở ở các bộ phận chống rò và qua các của van chảy ngược vào ống đẩy.
1. Các loại thiết bị cơ khí để chặn dòng chảy ngược:
Van nắp: Van nắp là một đĩa thép có trục quay nằm ngang phía trên mép cửa ra của đoạn loe ống đẩy ( Hình 12 – 16 và 12 – 20 ). Chu vi cửa ra đặt vòng cao su chống rò nước. Khi khởi động máy bơm, nước đầy ống và đẩy van nắp để vào bể tháo. Khi ngắt bơm, dưới áp lực của cột nước trong bể tháo và trọng lượng bản thân sẽ đóng nắp van lại Để hạn chế và đập giữa nắp với vòng chống rò cũng như để mở van được hoàn toàn
và giảm lực nâng van, khi lỗ cửa ra có đường kính Dr = 0,6 … 1,2 m ta lắp thêm đối trọng, để tốt hơn nửa làm cửa van nắp hình van bướm có bản lề lệch tâm ở miệng ra. Khi dùng van nắp để tránh chân không trong ống khi dừng máy cần đặt ống thông khí từ ống đẩy chỗ trước van, kích thước ống d = ( 1/5 … 1/6 ) đường kính ống đẩy.
Van ngược: được sử dụng khi đường kính lỗ cửa ra của ống đẩy Dr < 1,2m. Van ngược có một cánh quay xung quanh một trục cố định với nắp van, khi máy bơm ngừng làm việc cánh van sẽ đóng kín ngăn không cho dòng nước chảy ngược lại ( Hình 10 – 7,b và 12 – 17 ).
Van phẳng hạ nhanh: Khi ống đẩy có đường kính cửa ra lớn hơn 2 m thì nên dùng loại van phẳng tự động nâng hạ nhanh bằng tời điện ( Hình 12 – 18 ). Loại bể tháo có van phẳng yêu cầu phải có ngăn trống phía trước van do đó làm tăng thêm kích thước chiều dài bể tháo. Mở máy bơm phải đồng bộ với nâng cửa van, việc nâng van bắt đầu khi mực nước ở phân trước van ổn định. Tuy nhiên thường tốc độ kéo van chậm hơn tốc độ dâng mực nước trước van, bởi vậy đỉnh tường ngực 2 phải vượt cao hơn mức nước cao nhất khoảng chừng 0,4 m và là ngưỡng để nước tràn qua khi sự cố cửa van hỏng. Tiết diện lỗ tràn phía trên tường ngực nên lấy bằng 0,7 lần tiết diện ống đẩy.
Ngoài ra bể tháo còn có thể dùng van cùng, dùng loại van này sẽ làm cho khối lượng bể tháo lớn và tăng kích thước bể, do vậy loại này chỉ dùng cho trạm bơm lớn.
2. Tính toán thủy lực bể tháo thẳng dòng
Nhiệm vụ tính toán thủy lực bể tháo là:
– Xác định độ sâu ngập của miệng ra ống đẩy dưới mức nước thấp nhất trong bể;
– Bảo đảm dòng chảy ra khỏi ống đẩy ờ 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.
Hình 12 – 21. Sơ đồ tính toán thủy lực bể tháo thẳng dòng.
Qua thực tế tổng kết cho thấy việc thiết kế bể tháo có một số lời khuyên sau đây:
a – Để tránh sinh các vùng xoáy gây xói lở mái kênh tháo sau bể tháo nên thiết kế phân ra ống đây làm việc đối xứng;
b – Khi bể tháo không có trụ phân chia thì kích thước các xoáy sẽ tăng lên; trụ phân dòng còn giúp cho việc quản lý trạm bơm thuận lợi khi cần ngăn dòng sửa chữa;
c – Mép trên cửa ra ống đẩy đặt dưới mực nước thấp nhất trong bể ít nhất một độ sâu 2
bằng 
thì điều kiện thủy lực trong bể tốt hơn, nhưng đừng sâu quá;
d – Đoạn ống ra có miệng ra hình chữ nhật ( khi tiết diện ra lớn hơn 2 m2 ) hoặc tròn ( khi tiết diện ra nhỏ hơn 2 m2 ); miệng ra hình chữ nhật sẽ làm giảm chiều dài giếng tiêu năng 20 % so với miệng ra tròn.
e – Thềm ra từ giếng tiêu năng có dạng thẳng đứng sẽ giảm được chiều dài của giếng tiêu năng, nhưng tổn thất thủy lực qua bể tháo tăng hơn khi có dạng nghiêng, nên làm mái nghiêng m = 0,5;
g – Đoạn kênh tháo nối tiếp với bể tháo sẽ có vận tốc ở đáy và bờ tăng cao hơn hai lần vận tốc cho phép, do vậy cần phải bảo vệ mái và đáy kênh tháo chống xói lở. Thường lấy độ dài đoạn kênh cần bảo vệ ở ngoài bể tháo một đoạn dài bằng 5 lần độ sâu lớn nhất trong kênh để vận tốc dòng chảy ở trong kênh đều đặn hơn và xấp xỉ vận tốc cho phép.
* 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 sau:
Hoặc có thể tra đồ thị bên cạnh để xác định k.
Các kết quả tra hệ số k ở trên và tính toán xác định chiều dài giếng tiêu năng trên là ứng với miệng ra hình tròn, khi miệng ra hình chữ nhật thì rút bớt 20%.
* Chiều dài đoạn kênh tháo ( sau bể tháo đối xứng ) cần bảo vệ mái và đáy :
III. Bể tháo kiểu xi phông
Tính đặc biệt của kết cấu xi phông là phần cuối đường ống đẩy ( trong mặt phẳng đứng ) có dạng khuỷu cong, khi bơm nước, khuỷu làm việc theo nguyên lý chân không vì vậy mới có tên gọi là xi phông ( xem Hình 12 – 22 ).
Bể tháo xi phông gần đây đã được sử dụng nhiều vì có những ưu điểm sau:
– Không có cửa van và trụ pin ngăn giữa các buồng như những loại khác, do đó giảm được chiều dài bể, nhất là đối với các trạm bơm lớn điều này càng có ý nghĩa;
– Làm việc từ động và bảo đảm an toàn;
– Tổn thất thủy lực tương đối nhỏ.
Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của loài này là thiết kế, thi công có nhiều phức tạp, đòi hỏi chất lượng thi công cao hơn. Đối với bể tháo có giao động mực nước lớn thì xi phông làm việc khó bảo đảm . Điều kiện làm việc của xi phông phụ thuộc vào độ chân không tĩnh lớn nhất trên mức nước bể nhỏ nhất không được qua 6 m và khi máy bơm làm việc không được rời vào vùng làm việc không ổn định của máy bơm.
Bể tháo xi phông có thể dùng cho các trạm bơm : khi đường kính ống đẩy nhỏ hơn 1 mét nên làm xi phông bằng thép mặt cắt tròn ( hình a ), khi ống đẩy có đường kính lớn hơn 1 m nên dùng xi phông bằng bê tông cốt thép mặt cắt tròn hoặc đa giác ( hình s ).
1. Tính toán thủy lực xác định kích thước bể tháo xi phông
Những chỉ dẫn về bố trí và kích thước bể tháo xi phông như sau:
– Mép trên miệng ra của ống xi phông phải đặt ngập dưới mực nước thấp nhất
trong bể một đoạn tối thiểu 
và không nhỏ hơn 0,2 m, trong đó Vmax
là vận tốc lớn nhất chạy ra miệng xi phông ( xem Hình c ơ trên );
– Đỉnh dưới họng xi phông phải cao hơn mực nước lớn nhất một khoảng s = 0,2 … 0,3 m. Khi trong bể có hiện tượng sóng lớn do gió thì có thể lấy lớn hơn;
– Tốc độ trung bình của dòng chảy qua họng xi phông làm bằng thép nhẵn hoặc bằng bê tông cốt thép nhẵn mặt phải lớn hơn trị số 
Trong đó Rh là bán kính thủy lực ở họng xi phông, ( m ). Nếu lấy V < [ V ] mực nước và độ chân không ở họng xi phông sẽ giảm và tổn thất thủy lực sẽ tăng. Đây là một điều kiện để tính toán xác định kích thước họng xi phông;
– Tốc độ lớn nhất của dòng chảy trong xi phông trong điều kiện bình thường nên lấy giới hạn 2,5 m/s, có chú ý đến tốc độ tính toán van pha chân không.
Khi làm đường ống cong ở đỉnh xi phông ( Hình a trên ) có ma sát nhỏ nhất khi lấy:
. Với ống ghép gãy khúc ( Hình b trên ) gồm hai đoạn có góc 450 thì ma sát nhỏ nhất khi 
( r là bán kính cong của đường tim đoạn ống cong, thường lấy
bằng r = ( 1,5 … 1,2 ).h. Ống xi phông bằng bê tông cốt thép khi chuyển từ ống đẩy tròn sang ống xi phông hình chữ nhật, tiết diện chữ nhật có tỷ số giữa chiều cao h và bề rộng b nhỏ hơn 1 ( b/h < 1 ). Để dễ thi công đoạn chuyển tiếp này nên lấy b = D, h = 0,785D và đoạn dài chuyển tiếp từ hình tròn đường kính D sang chữ nhật nên lấy lớn hơn 1,5D.
Một vấn đề cần chú ý khi thi công lắp ráp xi phông là phải bảo đảm đường ống xi phông thật kín, vì nếu không khí lọt vào sẽ làm cho dòng chảy bị rối và tăng tổn thất thủy lực bể tháo. Lượng không khí trong nước càng tăng thì mực nước và độ chân không càng giảm làm cho xi phông làm việc như đập tràn, cột nước bơm tăng lên;
– Tốc độ miệng ra xi phông nên lấy 1 … 1,5 m/s, miệng ra nên làm hình chữ nhật, từ họng xi phông đến miệng ra nên làm loe trên bình đồ với góc loe 10 độ;
– Ống nối với xi phông không nên đặt qua dốc, thường lấy 15 … 18° để khỏi trượt
– Độ dốc nhánh lên và nhánh xuống của xi phông nếu lấy càng dốc thì tùy giảm khối lượng nhưng lại tăng tổn thất thủy lực, thường nhánh lên thoải hơn nhánh xuống. Độ dốc nhánh xuống thường lấy 1:1 hoặc nhỏ hơn;
– Khoảng cách từ miệng ra xi phông đến đây bể tháo theo đường tim nên lấy bằng ( 0,5 … 1,25 ) h ( hoặc D0 ). Để tránh va đập dòng nước rơi xuống đáy nên nối tiếp với đáy một đoạn cong thuận;
– Chiều dài và bề rộng bể tiêu năng của bể tháo xi phông tính toán như bể tháo thông thường đã trình bày ở trên. Chiều dài đoạn kênh tháo cần bảo vệ nên lấy lớn gấp 1,5 … 2 lần bể tháo thông thường vì sự phân bố vận tốc dòng chảy ở đây phức tạp hơn.
2. Các loại van pha chân không và nguyên lý làm việc
Van phá chân không là bộ phận bao đảm cho xi phông cấp nước ( tích chân không ) khi bơm nước và ngắt dòng chảy ngược ( phá chân không ) từ bể tháo về ống đẩy khi ngừng máy, nếu không có van phá chân không sẽ không ngắt được dòng chảy ngược.
Yêu cầu đặt ra đối với van phá chân không:
– Làm việc bảo đảm, bền và thuận lợi;
– Có cấu tạo đơn giản, giá thành hạ;
– Bảo đảm mồi nước nhanh và phá chân không nhanh;
– Tổn thất thủy lực nhỏ nhất;
– Làm việc tự động;
– Đóng kín không cho không khí lọt vào họng xi phông khi đưa nước lên bể tháo
Van phá chân không về nguyên tắc tác động có thể chia ra: loại thủy lực và cơ khí.
Mỗi van đều có lỗ để nạp khí vào xi phông ( khi phá chân không ) và tháo khí ra khỏi ống đẩy ( khi nạp chân không ). Sau đây trình bày hai loại van nói trên.
a – Van thủy lực phá chân không.
Đây là loài van có kết cấu đơn giản, gồm có: một ống trụ 1 và ống dẫn khí 2. Ống dẫn khí 2 một đầu đặt vào giữa mặt cắt họng xi phông và đầu khác nhúng vào trong ống trụ 2. Nguyên tắc hoạt động của van thủy lực phá chân không như ( Hình a ).Van thủy lực phá chân không làm việc theo nguyên tắc sau đây:
– Khi máy bơm làm việc, nước chảy qua ngưỡng xi phông vào bể tháo. Lúc đầu nước dâng quá ngưỡng của họng xi phông đẩy không khí trong xi phông theo ống dẫn không khí 2 vào ống trụ 1 và thoát ra ngoài ống trụ, tiếp theo nước cũng theo ống 2 vào ống trụ làm cho mực nước trong ống trụ dâng lên bịt kín cửa ra của ống 2 ngăn cách họng xi phông với khí trời, bắt đầu quá trình nạp chân không để tăng khả năng tháo nước vào bể tháo.
– Khi ngừng máy bơm, dòng nước chảy ngược từ bể tháo về ống đẩy, mực nước trong ống trụ 1 hạ xuống, đến khi thấp hơn miệng ra ống 2 thì không khí bên ngoài ống trụ 1 theo ống 2 tràn vào họng xi phông, làm cho chân không trong họng xi phông bị phá. Vì mực nước lớn nhất trong bể tháo thấp hơn ngưỡng họng xi phông nên nước không thể chảy ngược về ống đẩy được, dòng chảy ngược bị chặn đựng.
* Các kích thước chủ yếu của van thủy lực này như sau ( xem Hình 12 – 24 ):
+ Tiết diện ống dẫn khí 2 chọn bằng 1,5 % tiết diện họng xi phông và lấy trọn với đường kính d;
+ Tiết diện ống trụ chọn gấp ( 2 … 3 ) d. Ống trụ đặt trên bể gắn vào xi phông.
Đỉnh ống trụ vượt cao hơn mực nước lớn nhất trong bể tháo từ 0,2 … 0,3 m. Đáy ống trụ đặt thấp dưới miệng ra ống dẫn khí một đoạn ( 1 … 2 ) d. Tâm ống dẫn khí ở họng xi phông thấp hơn mép trong đỉnh một đoạn 1,5 d và phải nhô ra đúng mặt cắt II – II.
+ Miệng dưới ống dẫn khí đặt ngang cao trình mực nước thấp nhất của bể tháo
khi tốc độ ở họng xi phông V <1,5 m/s. Khi V > 1,5 m/s đặt miệng dưới ống dẫn khí
b – Van cơ khí phá chân không.
Hình 12 – 25. Sơ đồ van cơ khí phá chân không.
1- cánh, 2- tay quay; 3- đĩa chặn; 4- khuỷu họng xi phông.
Loại này được dùng với mọi giao động mức nước trong bể tháo, nhưng phải tuân theo điều kiện độ chân không tĩnh lớn nhất trong xi phông là 6 m. Loại đơn giản nhất như đã trình bày trên hình. Cánh 1 dưới tác động của dòng chảy: khi chảy thuận ( từ trái sang phải ), cánh 1 bị đẩy sang phải và đóng đĩa chặn 3 ngăn cách giữa xi phông với khí trời; khi có dòng chảy ngược ( từ phải về trái ) , cánh 1 bị đẩy về trái mở đĩa chặn 3 cho không khí vào xi phông và chân không bị phá, làm dừng dòng chảy ngược lại. Loại này chỉ được dùng với xi phông có đường kính nhỏ hơn 1,2 m.
III. Bể tháo có tường tràn
Bể tháo có tường tràn kết cấu đơn giản và an toàn trong vận hành ( Hình 12 – 26 ). Nước từ cửa ra ống đẩy chảy vào bể chứa rồi tràn qua đỉnh ở ba mặt vào bể tập trung rồi chảy ra kênh tháo. Mỗi ống đẩy có riêng một bể chứa do vậy tiện khi sữa chữa.
Sau đây là nội dung tính toán thủy lực xác định kích thước bể tháo có tường tràn .
* Chiều cao lớn nhất của tường tràn bể chứa:
Hbc = Do + ao, ( m ) ;
Trong đó: Do là đường kính miệng ra ống đẩy ;
a o – chiều cao dữ trữ so với mực nước lớn nhất trong kênh, lấy 0,1 m .
* Chiều cao thềm ra bể chứa, tùy thuộc loại đường tràn có chiều cao cố định hay chiều cao thay đổi. Tính với tường tràn cố định:
Hình 12 – 26. Sơ đò tính toán thủy lực bể tháo có tường chắn
* Chiều dài bể chứa theo chỉ dẫn của Viện nghiên cứa Thủy văn – Thủy lợi thuốc Viên hàn lâm Ucơren lấy: Lbc = 4Do , ( m ).
