Tài liệu Qt tinh toan tk duong ong dan nuoc

QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐƯỜNG ỐNG DẪN NƯỚC Hoàng Minh Thi - Hoàng Đình Việt Công ty Tư vấn 13 (HEC13) I. ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống tưới hiện nay đa phần sử dụng hình thức dẫn nước bằng kênh hở không áp. Đây là một giải pháp truyền thống đảm bảo được việc vận chuyển, phân phối và dẫn nước ổn định với chi phí hợp lý, giá thành thấp và chủ yếu là tưới tự chảy. Tuy nhiên với những dạng địa hình phức tạp, cao hai đầu và trũng ở giữa hay phải đưa nước lên cao với cột nước áp lực lớn thì phương pháp này tỏ ra không hiệu quả. Đặc biệt sẽ gia tăng các công trình trên hệ thống dẫn tới tăng chi phí, và phức tạp trong quản lý vận hành. Việc sử dụng đường ống có áp vào thay thế kênh dẫn không áp đã được sử dụng ở một số công trình, tuy nhiên chưa có một quy trình tính toán cụ thể cho một hệ thống kênh dẫn là đường ống có áp hoàn chỉnh. II. NỘI DUNG CỦA QUY TRÌNH TÍNH TOÁN Thiết kế đường ống cấp nước tưới cần xem xét đầy đủ tính toán kích thước đường kính ống, tính toán thủy lực đường ống, kiểm tra ổn định kết cấu đường ống, mố néo mố đỡ và các công trình trên tuyến ống. Tính toán thủy lực cho đường ống bao gồm việc tính tổn thất thủy lực khi đường ống làm việc ở trạng thái ổn định và tính toán áp lực nước tăng lên hay giảm đi khi xảy ra hiện tượng nước va. Qua đó xác định đường kính thích hợp để tải đủ lưu lượng tưới cũng như đảm bảo yêu cầu kinh tế, vận hành. Để triệt tiêu cột nước áp lực ở cuối ống cũng như đảm bảo an toàn xói lở ở hạ lưu cần thiết kế hệ thống tiêu năng, hình thức và kích thước công trình tiêu năng thông qua tính toán thủy lực tiêu năng cuối ống. Việc tính toán ổn định kết cấu đường ống cần kể đến áp lực do dòng chảy tác động bên trong ống. Các tính toán ổn định kết cấu bao gồm tính toán đường ống, tính toán mố néo, trụ đỡ đường ống và các công trình trên tuyến ống như nhà van, trạm bơm tăng áp, ... Trụ néo đặt tại chỗ ống uốn cong, kích thước xác định thông qua tính toán thiết kế và phải có trọng lượng đủ lớn để giữ cho đường ống ổn định, nếu áp lực quá lớn thì cần có biện pháp gia cố nền. Kiểm tra kết cấu đường ống cần đặc biệt xem xét tại các vị trí qua đường, có cột áp lớn và nền địa chất yếu. Với những đường ống sử dụng các vật liệu như nhựa, ống composite cốt sợi thủy tinh hoặc ống thép thì dựa vào catalog của nhà sản xuất để xem xét đánh giá khả năng chịu lực từ đó lựa chọn đường ống có các cấp áp lực phù hợp để thiết kế. Các tính toán ổn định kết cấu các công trình trên tuyến đường ống như nhà van, trạm bơm tăng áp tính toán theo các tiêu chuẩn quy phạm hiện hành. ∗ Các tính toán thiết kế bao gồm: - Xác định đường kính kinh tế của ống - Tính toán thủy lực: + Tính toán tổn thất xác định đường kính ống. + Tính toán nước va. + Tính toán tiêu năng cuối ống. - Tính toán ổn định kết cấu: + Tính toán ổn định kết cấu đường ống. + Tính toán ổn định kết cấu mố néo, mố đỡ. + Tính toán ổn định kết cấu các công trình trên tuyến ống. 1. Xác định đường kính kinh tế của ống Sử dụng công thức : q = ω.v = π .d 2 4 v→d = 4q πv Xét mối quan hệ giữa d và v qua giá thành xây dựng Gxd và giá thành quản lý Gql bằng đồ thị: - Nếu v tăng thì d giảm: Gxd giảm nhưng ngược lại tổn thất áp lực theo chiều dài và cục bộ tăng lên. Năng lượng bơm nước sẽ tăng lên. Nếu v >2,5m/s sẽ xảy ra hiện tượng sức va thủy lực trong ống mạnh hơn, các mối nối sẽ dễ hỏng hơn do đó Gql sẽ tăng lên. - Nếu giảm v thì d tăng: Gxd tăng nhưng tổn thất áp lực sẽ giảm, năng lượng bơm nước sẽ ít hơn, Gql sẽ giảm. Nhưng nếu giảm v xuống quá thấp thì cặn lắng sẽ đọng lại trong ống. - Qua đó ta thấy cần phải xác định một giá trị v kinh tế nào đó để tránh được cả hai nhược điểm Đường kính ống tại giá trị D = Dkt hay V=Vkt sẽ có trên. Nghĩa là Gql+Gxd là nhỏ tổng chi phí G = Gvh+Gxd là thấp nhất. nhất. Xác định dựa vào đồ thị sau: 2. Tính toán thủy lực 2.1. Tính toán tổn thất, tính toán cột nước đo áp trong đường ống. Tổn thất cột nước toàn bộ (hw) xác định theo công thức: hw = ∑ hd + ∑ hc Trong đó: Σhd: Tổn thất cột nước dọc đường ống (m) Σhc: Tổn thất cột nước cục bộ đường ống (m) 2.2. Tính toán nước va 1425 ε .D (m/s) 1+ E.t Vận tốc truyền sóng va với ống là kim loại: c= 2.L c (Giây) L.v σ = Các đặc trưng của ống: g .Ts .H o a.v 2.g.H o Pha nước va: T= ϕ= Nước va pha giới hạn; trị số áp lực tương đối khi có nước va dương Z1 = ,trị số áp lực tương đối khi có nước va âm Y1 = 2.σ 2.σ 2 −σ 2+σ Nước va pha đầu 2.σ 2.σ Y1 = Z1 = 1 + ϕ .τ d + σ 1 + ϕ .τ d − σ Trị số cột nước áp lực toàn phần khi có nước va dương; H+ = (∇bể -∇0) +Z1.H Trị số cột nước áp lực toàn phần khi có nước va âm; H- = (∇n -∇0) – Y1.H Các biện pháp đề phòng hiện tượng nước va thủy lực khi đóng mở máy bơm đột ngột: - Đặt van thu khí trên đường ống - Đặt van một chiều với việc đóng mở được điều khiển trên ống đẩy - Đặt van hoặc bình khử nước va trên ống đẩy - Xả nước qua bơm theo chiều ngược lại khi bơm quay tự do hay dừng lại hẳn - Bố trí bình khí nén hay tháp làm dịu quá trình nước va. 2.3. Tính toán tiêu năng Biện pháp tiêu năng sau đường ống có áp có thể dùng các hình thức: Tiêu năng kiểu giếng, tiêu năng kiểu tường va đập, tiêu năng kiểu buồng tiêu năng. Tiêu năng kiểu phóng xa. Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể để chọn loại hình tiêu năng phù hợp. Quá trình tính toán áp dụng tiêu chuẩn 14TCN 197:2006 3. Tính toán ổn định kết cấu 3.1. Tính toán ổn định, kết cấu đường ống Tính toán cho một số vị trí ống qua đường điển hình, xác định độ sâu chôn ống nhỏ nhất mà ống có thể chịu được trong giới hạn cho phép. 3.2. Tính toán ổn định kết cấu mố néo - Áp lực nước trong ống - Trọng lượng bản thân ống theo phương đứng và phân bố trên chiều dài ống - Lực dọc trục phía trên và dưới mố néo - Trọng lượng của nước trong ống - Lực ma sát giữa ống và mố đỡ - Lực ma sát giữa nước chảy với thành ống, tác dụng theo phương của trục ống và cùng chiều với dòng chảy - Lực ma sát ở khớp nhiệt kiểu trượt được phát sinh giữa thành ống và vòng lót khi ống co giãn do nhiệt độ thay đổi - Lực ly tâm R' tại đoạn ống cong, được phát sinh khi có dòng chảy - Lực nhiệt độ xảy ra khi ống co giãn 3.3. Tính toán ổn định kết cấu các công trình trên tuyến đường ống 3.3.1. Tính toán kiểm tra ứng suất đáy móng 3.3.2. Kiểm tra ổn định lật 3.3.3. Kiểm tra ổn định trượt 3.3.4. Tính toán cốt thép - Cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn - Cấu kiện bê tông cốt thép chịu kéo đúng tâm - Tính cấu kiện bê tông cốt thép theo sự hình thành khe nứt - Tính cấu kiện bê tông cốt thép theo sự mở rộng khe nứt III. TÍNH ỨNG DỤNG CỦA QUY TRÌNH TÍNH TOÁN Quy trình tính toán này có thể áp dụng để thiết kế hoàn thiện các hình thức dẫn nước tưới bằng đường ống. Các công trình cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, các đường ống dẫn nước trong trạm thủy điện. Hec13 đã áp dụng quy trình tính toán trên để áp dụng cho một số công trình sau: 1. Công trình “Kênh &CTTK Thường Xuân tỉnh Thanh Hóa”. Công trình cấp IV, có nhiệm vụ cấp nước cho 1 308ha lúa và hoa màu . Kênh chính có chiều dài 13,55km trong đó có 12,37km là đường ống cốt sợi thuỷ tinh đường kính từ 0,7 ÷1,2m, còn lại 1,18km là kênh hở. Hệ thống kênh nhánh có tổng chiều dài là 13,7km, trong đó có 7,3km là hở truyển thống; 6,4km sử dụng đường ống HDPE đường kính từ 12,5 ÷ 65cm. Hiện nay đã được chủ đầu tư cơ bản thi công xong. 2. Công trình “Đường ống cấp nước thô từ Yên Mỹ về hồ Đồng Chùa” của khu kinh tế Nghi Sơn huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hoá. Công trình cấp III, có nhiệm vụ dẫn nước an toàn, liên tục từ hồ Yên Mỹ về Hồ Đồng Chùa với công suất 30000m3/ngày-đêm. Tổng chiều dài tuyến đường ống là 21,936km, sử dụng vật liệu chính của đường ống là HDPE DN710, DN630 và ống gang DN600. Hiện nay công trình đã được thi công xong và đưa vào hoạt động. IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Việc sử dụng đường ống dẫn nước trong một số trường hợp có ưu điểm hơn so với kênh. Đặc biệt áp dụng trong trường hợp kênh có địa hình phức tạp hay cần tận dụng cột nước kênh. Tuy nhiên nếu tuyến đường ống dài, cột nước cao và đi qua nhiều dạng địa hình địa chất phức tạp, cộng với việc sử dụng các đường ống vật liệu mới vào thiết kế. Thì quá trình tính toán, thiết kế cần có sự xem xét đánh giá cụ thể về độ nhám, kết cấu v.v... để đảm bảo an toàn cho đường ống. Với trường hợp đường ống vận chuyển cột nước cao lưu lượng lớn ở những địa hình địa chất phức tạp thì việc tính toán ổn định kết cấu đường ống là rất quan trọng và cần có những giải pháp công trình cụ thể để đảm bảo an toàn cho tuyến ống. Tính toán kết cấu đường ống khi phải chịu những tác động từ ngoại lực bên ngoài như đất đắp, xe cộ hay nền đất yếu, đặc biệt tại những vị trí đoạn ống qua đường cần có tính toán cụ thể khi chịu tác động của những tổ hợp lực này. Đối với hệ thống kênh tưới là đường ống do chưa có tiêu chuẩn để xác định hệ số lợi dụng kênh η. Do vậy khi tính toán thiết kế đường ống phải xem xét một cách thận trọng.