Hệ thống cấp nước (Tái bản): Phần 2

Chia sẻ: Nguyert Nguyert | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:121

Thêm vào BST

Báo xấu

97
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp phần 1, phần 2 của tài liệu Hệ thống cấp nước (Tái bản) sẽ tiếp tục cung cấp cho người đọc các kiến thức về: Tính toán thiết kế mạng lưới cấp nước, công trình dẫn nước từ nguồn đến mạng lưới, đường ống, phụ tùng và thiết bị trên mạng lưới cấp nước,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Hệ thống cấp nước (Tái bản): Phần 2

Chương 5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠNG LƯỚI CÂP NƯỚC 5.1. ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA MẠNG LƯỚI s ử DỤNG TRONG TÍNH TOÁN Nghiên cứu đặc điểm hình học của mạng lưới cho phép ta thiết lập mối quan hệ cần thiết giữa các thành phần cơ bản để tính toán và đánh giá các chỉ tiêu quan trọng của mạng lưới. Có thể nêu lên những đặc điểm sau: - Mạng lưới là một mô hình liên tục hữu hạn, gồm các nút và các đoạn ống nối các nút với nhau. Trong đó, mỗi một nút được nối với nút bất kỳ khác bằng nhiều đoạn ống khác nhau. - Có những đoạn ống nối các nút mà khi bỏ nó sẽ làm mất đi tính liên tục của mô hình gọi là những đoạn ống liên kết, ví dụ đoạn 7.13 trên hình 5.1. - Các nút khi bỏ đi sẽ dẫn đến sự phá huỷ tính chất liên tục của mô hình gọi là các khớp động (ví dụ nút 8 trên hình 5.1). - Đa số mạng lưới cấp nước là mặt phẳng, tức là các đoạn ống chỉ gặp nhau tại các nút. Mô hình này có thể là mạng lưới cụt hoặc mạng lưới vòng. 15,__________14 ĩ 8 13 4 5 6 12 11 1 2 3 9 10 Hình 5.1 ở mạng lưới cụt, hai nút bất kỳ chỉ có thể liên kết với nhau bằng một đoạn ống xác định. Tất cả các đoạn ống đều là các đoạn liên kết. Tất cả các nút trừ nút cuối đều là các khớp động. 75
Ở mạng lưới vòng, hai nút bất kỳ nối với nhau bằng hai hay nhiều đoạn ống khác nhau và tạo thành vòng kín (ví dụ nút 4 và 2 trên hình 5.1 có thể liên hệ với nhau bằng các đoạn ống 4 - 5 , 5 - 2 và 4 - 1, 1 -2). Một vòng không bị cắt bởi bất kỳ một cạnh nào thì gọi là vòng cơ bản (vòng đơn), ví dụ vòng 2-3-Ó-5 (hình 5.1). Nếu gọi p là số đoạn ống, n là số nút, m là số vòng của mạng lưới, thì đối với mạng lưới phảng cụt và vòng đều thoả mãn phương trình: p = m + n - 1 hay n = p - m + 1 (5.1) -Trên thực tế người ta cũng còn gặp mạng lưới không gian, nghĩa là mạng lưới không có vị trí trên cùng mặt phẳng. Ví dụ, một số tuyến ống cấp nước được bố trí đi theo cầu vượt trên phố, phía dưới lại có các đường ống khác.. Đối với mạng lưới không gian mối quan hệ giữa số đoạn ống p và số nút m được biểu thị bởi phương trình: p - m + 1= V (5.2) Trong đó: V - số vòng của mạng lưới không gian (v < n). 5.2. XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG NƯỚC TÍNH TOÁN Tính toán mạng lưới giới hạn ở việc xác định kích thước của các đoạn ống chính và các tuyến ống nối nhằm đảm bảo vận chuyển nước an toàn tới các khu vực của đô thị. Tuy nhiên để triển khai tính toán thì đầu tiên phải biết được lưu lượng nước chảy trong các đoạn ống. Lưu lượng đó phụ thuộc rất nhiều vào việc trích (lấy) nước vào các tuyến ống phân phối và dịch vụ. Trên thực tế việc lấy nước từ mạng lưới đường ống chính và ống nối vào các tuyến ống phân phối và dịch vụ rất phức tạp. Trên từng đoạn ống số lượng điểm, vị trí và lưu lượng lấy nước rất khác nhau. Xét trên một đoạn ống A và B trên hình 5.2, có rất nhiều vị trí nối ống nhánh vào các ngôi nhà với những lưu lượng khác nhau (qlf q2, q3...). Cảnh tượng lấy nước tương tự như thế này cũng xẩy ra đối với tất cả các đoạn ống khác của mạng lưới phân phối. Ngoài việc cung cấp nước cho các ống nhánh vào nhà, còn có một số ống phân phối cũng đấu vào đoạn ống (đường nét đứt). Như vậy, trên đoạn ống có hai lưu lượng tập trung: Lưu lượng của các đoạn ống dẫn nước vào nhà (qj, q2, q3...) tại các điểm a và lưu lượng với số lượng nước lớn (Q) tại các điểm b nối vói các ống phân phối. Khi thiết kế mạng lưới cấp nước, ta không thể tính toán với sơ đồ cấp nước quá phức tạp như thế, mà có thể sử dụng sơ đồ tính toán gần đúng đơn giản hơn được xây dựng trên hai giả thiết sau: - Các điểm lấy nước với lưu lượng tương đối lớn được coi là các điểm lấy nước tập trung với lưu lượng tập trung. Các điểm lấy nước với lưu lượng nhỏ được coi là điểm lấy nước dọc đường phân bố đều với lưu lượng dọc đường bằng nhau trên đoạn ống. 76
- Trong quá trình làm việc của mạng lưới, lưu lượng nước lấy ra từ các điểm dọc đường thay đổi theo cùng một tỉ lệ như biểu đồ dùng nước và sẽ khác nhau đối với từng thời điểm tính toán riêng biệt. 1 ds qa 'k * ị i Ịh i a ịb a t a ib 1 a Ị a a I a 1i-------- : Ii *q8 i ' rq2 ỉ ’ rqs Ị Q Hình 5.2 Từ hai giả thiết trên, có thể xác định được lưu lượng nước lấy ra trên một đơn vị chiều dài (lm) đoạn ống gọi là lưu lượng đơn vị dọc đường: q d v = SL (//S‘m) (53) Trong đó: qđv- lưu lượng dọc đường đơn vị (//s.m); (Ghi chú: qđv có thể tính chung cho cả đô thị hoặc tính riêng cho từng khu vực nếu mật độ dân số và tiêu chuẩn dùng nước khác nhau). £L - tổng chiều dài tính toán của các đoạn ống mạng lưới cấp nước (m). Các đoạn ống chỉ cấp nước cho một phía thì chiều dài tính toán lấy bằng một nửa chiều dài thực tế. (Ghi chú: trong tổng chiều dài này loại trừ những đoạn ống chỉ làm nhiệm vụ vận chuyển như các đoạn ống đi qua khu đất trống, công viên, cầu, quảng trường,...) Qdd - tổng lượng nước dọc đường của toàn mạng lưới, Qdd = Qvào - Qttr m (5.4) (Ở đây: Qvào- tổng lưu lượng tiêu thụ của mạng lưới (//s); Qttr - tổng lượng nước lấy ra từ các điểm lấy nước tập trung trên mạng lưới (//s)). Trong thực tế, người ta cũng còn tính qđv theo diện tích cần cấp nước theo công thức: Ws-m2) (5-5) Lưu lượng dọc đường tính toán trên từng đoạn ống xác định như sau: (ldđi=(lđv lj(//s.) (5.6) 77
qddi qđvFi (//s.) (5.7) Trong đó: /j - chiều dài của đoạn ống tính toán (m); Fj - diện tích đoạn ống phục vụ (m2). Từ giả thiết 2, có thể xác định lưu lượng nước dọc đường đơn vị tại một thời điểm bất kỳ theo lưu lượng đơn vị dọc đường của một thời điểm tính toán đặc trưng đã biết. Ví dụ trong giờ dùng nước lớn nhất, lưu lượng tiêu thụ của mạng lưới là Qvào(i)» trong đó lưu lượng nước lấy tại các điểm lấy nước tập trung là £Qttr(1); trong giờ vận chuyển nước lớn nhất, lưu lượng tiêu thụ của mạng lưới Qvào (2), trong đó lưu lượng lấy ra tại các điểm lấy nước tập trung là £ Q ttr( 2)- Khi đó lưu lượng đơn vị dọc đường của trường hợp vận chuyển nước lớn nhất có thể tính theo lưu lượng đơn vị dọc đường của trường hợp giờ dùng nước lớn nhất theo công thức: qđvdd(2) f-qdvdd(l) (//s.m) (5.8) Trong đó: qdv.dd(l)- lưu lượng đơn vị dọc đường của trường hợp dùng nước lớn nhất (1/s.m); qdv dd(2) - lưu lượng dơn vị dọc đường của trường hợp vận chuyển nước lớn nhất (//s.m); f - Hệ số xác định theo cồng thức: f —Q và°(2) ^ Q ttr(2 ) (5.9) Q v à o (l) ^ Q ttr (l) Dựa vào cách làm tương tự, có thể xác định được lưu lượng dọc đường và lưu lượng của các đoạn ống trong mạng lưới cho các trường hợp tính toán đặc trưng. - Trường hợp chỉ có lưu lượng tập trung ở cuối, thì đoạn ống có lưu lượng không đổi và lưu lượng tính toán qtt bằng lưu lượng tập trung. - Trường họp đoạn ống có lấy nước dọc dường, thì lưu lượng chảy thay đổi dần từ đầu đến cuối. Tại điểm đầu của đoạn ống lưu lượng chảy vào là toàn bộ lưu lượng gồm lưu taạng chuyển qua đoạn ống tới các đoạn ống phía sau và lưu lượng dọc đường phân bố đề» theo chiều dài. Vì lưu lượng dọc đường được lấy ra đều đặn theo chiều dài, nên tại ạpểi đoạn ống lưu lượng còn là lưu lượng chuyển qua. Từ đó có thể xác định lưu lượng tỉHMÊIaán của đoạn ống theo công thúc sau: qtt= qcq + aqdd (//s) (5.10) iểđéỉ - hỊR4»Ợftg dọc đường của đoạn ống (//s); chuyển qua đoạn ống (//s); à&ti&phân bố lưu lượng dọc đường. 78-
Hệ số phân phối lưu lượng a phụ thuộc vào tỉ sô' q C(|/ q dd và sô' điểm lấy nước dọc đường. Tỉ sô' qtq/qdd nhỏ thì hệ sô' a nhỏ. Hệ sô' a giao động trong khoảng 0,5 -í- 0,58 (những đoạn ở phần đầu mạng lưới hộ sô' oc nhỏ, những đoạn ở phần cuối mạng lưới hệ sô' a lớn). Trong thực tế, để đơn giản tính toán, người ta lấy a - 0,5 và chia đều các lưu lượng phân phối dọc đường ở đoạn ống về hai nút đầu và cuối của đoạn ống. Lưu lượng của mỗi nút bất kỳ sẽ bằng một nửa tổng sô' lưu lượng dọc đường của các đoạn ống đấu vào nút đó: 1 n ^nút —T *1dil ’ (5.11) i=l Từ công thức 5.11, ta có lưu lượng tính toán của đoạn ống, ví dụ đoạn A - B sẽ bằng tổng của ba đại lượng (xem hình 5.3): - Lưu lượng của các đoạn ống đấu vào nút cuối(qcq(A.B)); - Lưu lượng tập trung lấy ra ở nút cuối (qttr(B)); - Lưu lượng nút của nút cuối (qn(B)). Nghĩa là: Hình 5.3. q» (A-B) = qcq(A-B)+ q«r(B)+ 4n(B) (5.12) Như vậy, tại mỗi nút tập trung một sô' lưu lượng cô' định, thì sẽ có sơ đồ lấy nước mà tất cả các lưu lượng đều lấy ra tại các nút. Người ta cho rằng trong sơ đồ tính toán lấy nước từ mạng lưới, tất cả các loại lấy nước tương tự đều không phụ thuộc vào sự thay đổi của áp lực trong mạng lưới và tất cả áp lực nút được coi là cô' định đối với từng trường họp tính toán. Tuy nhiên trong sơ đồ tính toán mạng lưới còn có một sô' điểm lấy nước không cô' định với lưu lượng tương đối lớn có thể phụ thuộc vào áp lực như đài nước và bể chứa nước áp lực. 5.3. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC ỐNG Từ công thức lưu lượng không đổi: q = cov và công thức xác định diện tích tiết diện của ống tròn: d2 co = 7t— 4 Trong đó: q - lưu lượng tính toán của ống (m3/s); 79
0) - diện tích mặt cắt ướt của ống (m2); V - vận tốc nước chảy trong ống (m/s); d - đường kính của ống (m). Ta có thể xác định được đường kính của ống theo công thức: d= (5.15) Từ công thức (5.15) ta thấy, đường kính ống phụ thuộc vào lưu lượng và vận tốc nước chảy trong ống. Như vậy, để xác định được đường kính ống thì ngoài lưu lượng tính toán (thường đã được xác định) chúng ta cần biết thêm vận tốc nước chảy. Rõ ràng, nếu lưu lượng đã được xác định thì đường kính ống chỉ có thể được xác định khi biết giá ưị của vận tốc. Tuy nhiên, vận tốc không thể chọn tuỳ ý, bởi vì một sự thay đổi vận tốc sẽ ảnh hưởng trực tiếp tói các chỉ tiêu kinh tế của hệ thống. Nếu tăng vận tốc nước chảy trong ống, thì giảm được đường kính của ống và do đó giảm được giá thành xây dựng. Nhưng với trường hợp ngược lại, tổn thất áp lực trong ống tăng lên, dẫn đến tăng chi phí điện năng để bơm nước và tăng thất thoát nước. Mối quan hệ giữa công suất của máy bơm và áp lực bơm xác định theo công thức (5.16). N = QH/102r| (KW) (5.16) Trong đó: Q - lưu lượng nước bơm (m3/s); H - áp lực bơm (m); T) - hiệu suất của máy bơm. Từ công thức (5.16), khi H tăng thì N tăng. Vì vậy, phải chọn vận tốc sao cho tổng chi phí xây dựng và quản lý là nhỏ nhất, vận tốc đó gọi là vận tốc kinh tế (Vkt). Hàng năm chi phí về điện năng cho trạm bơm chiếm tỉ lệ lớn trong tổng số giá thành quản lý mạng lưới. Gọi Gxd là giá thành xây dựng mạng lưới, Gqi là giá thành quản lý mạng lưới theo thời gian tính toán khai thác. Khi đó, tổng chi phí vốn đầu tư trong thời hạn tính toán t sẽ là: G = Gxd + t.Gql (5.17) Lập biểu đồ quan hệ giữa G và V để biểu diễn giá trị Gxd và t.GqI theo vận tốc nước chảy trong ống. Sau cộng biểu đồ, ta được kết quả tổng chi phí G (xem hình 5.4). Đồ thị tổng hợp G đạt cực tiểu tại giá trị Gmin và v kt, đây là giá trị vận tốc kinh tế nhất cho tổng giá thành chi đầu tư nhỏ nhất. Trong một mạng lưới, việc xác định vận tốc kinh tế rất khó khăn phức tạp. Bởi vì vận tốc kinh tế của một đoạn ống không chỉ phụ thuộc vào lưu lượng tính toán của bản thân nó mà còn phụ thuộc vào lưu lượng, hình thù mạng lưới và vị trí của đoạn ống trên mạng 80
lưới. Cho nên trong thực kế thiết kế, để đơn giản hoá người ta thường lấy theo giá trị của vận tốc trung bình, là các giá trị dao dộng chung quanh vận tốc kinh tế nhất và lấy theo các tài liệu đúc kết từ kinh nghiệm thực tế (xem bảng 5.1). H ì n h 5 .4 . B iể u đ ồ q u a n h ệ g iữ a G v à V . Bảng 5.1. Vận tốc kinh tê trung bình Đường kính ống Vận tốc kinh tế trung Đường kính ống Vận tốc kinh tế D (m m ) bình (m /s) D(m m ) trung bình (m /s) 100 0 ,1 5 - 0 ,8 6 350 0 ,4 7 - 1 ,5 8 150 0 ,2 8 - 1 ,1 5 400 0 ,5 - 1 ,7 8 2 00 0 ,3 8 -1 ,1 5 450 0 , 6 - 1,94 250 0 ,3 8 - 1 ,4 8 500 0 ,7 - 2 ,1 3 00 0,41 - 1,52 >600 0,9 5 - 2,6 Đường kính ống được chọn theo vận tốc kinh tế nhất sẽ là đường kính kinh tế nhất, có thể xác định theo công thức gần đúng sau: Dkt = Ex.q3x (mm) (5.18) Trong đó: q - lưu lượng tính toán của đoạn ống (//s); E - nhân tố kinh tế phụ thuộc vào G. Trong điều kiện bình thường 3 = 0,5 -M; X - chỉ số mũ. Trong điều kiện ống làm việc bình thường X = 0,14. Từ công thức 5.18, để dễ dàng thành lập Dkl, ta thành lập biểu đồ xác định Dkt theo lưu lượng tính toán của đoạn ống và nhân tố kinh tế (xem hình 5.5). 81
5 6 7 8 9 10 12 14 1618 20 25 30 35 45 5060 70 80 100 110 200 250 350 500 700 1000 H ì n h 5 . 5 . B iể u đ ồ x á c đ ịn h D kt th e o q ít Khi chọn Dkt theo biểu đồ thường gặp phải những giá trị của Dkt không theo đúng kích thước qui chuẩn hiện hành ghi trong bảng 5.1, thì cần làm tròn đến đường kính qui chuẩn gần nhất với nó. Đường kính kinh tế cũng có thể xác định theo “Bảng lưu lượng giới hạn” do GS. Mosnin thiết lập. Nguyên tắc thành lập “Bảng lưu lượng giới hạn” là thành lập một mối quan hệ giữa giâ thành chung (G) với lưu lượng (q) khi đường kính ống đã qui định, ứng với mỗi cỡ đường kính hàm số G = f(q) có dạng như ở hình 5.6. H ì n h 5 .6 . B iể u đ ồ q u a n h ệ g iữ a G v à q Từ biểu đồ trên, ta thấy những giá trị q tương ứng với các điểm an, an+i , an+2 là các lưu lượng kinh tế nhất (qktnh) đối với các cỡ đường kính Dn , Dn+1 , Dn+2 tương ứng. Còn 82
những giá trị lưu lượng (qgh) tương ứng với các điểm b và c là lưu lượng giới hạn của hai cỡ đường kính Dn - Dn+1 và Dn+r Dn+2. Tức là, nếu lưu lượng tính toán nhỏ hơn giá trị lưu lượng giới hạn, ta chọn cỡ đường kính nhỏ hơn. Trong trường hợp ví dụ, nếu lưu lượng tính toán của đoạn ông nhỏ hơn qgh (b) thì đường kính lựa chọn là Dn, còn nếu lưu lượng tính toán nhỏ hơn lưu lượng qgh(c) thì đường kính lựa chọn là Dn+2. Lưu lượng giới hạn của hai cỡ đường kính Dn và Dn+1 có thể xác định theo công thức của Mosnin sau đây: (5.19) Trong đó: E - nhân tố kinh tế; a - hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm ống; m - hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm ống và vận tốc nước chảy trong ôhg; qgh tính theo công thức 5.19 là lưu lượng giới hạn trên (qmax) của cỡ đường kính Dn và là lưu lượng dưới (qmin) của cỡ đường kính Dn+1 (tức là qghJ). Tương tự, chúng ta có thể xác định được giá trị lưu lượng giới hạn qghI1 đối với hai cỡ đường kính qui chuẩn kề nhau Dn+1 và Dn+2. Như vậy, qghl và qghI1 là giá trị lưu lượng giới hạn dưới và lưu lượng giới hạn trên của cỡ đường kính Dn+1. Tức là các giá trị lưu lượng nằm trong khoảng từ qghI đến qghII sẽ có lợi cả đối với cỡ đường kính Dn+1. Để tiện cho việc tính toán ngưới ta đã lập bảng tính toán sẵn để xác định qgh đối ống thép và ống gang ứng với nhân tố kinh tế tổn tại các cỡ đường kính ống tương ứng. Cần lưu ý là chỉ xác định đường ống kinh tế theo lưu lượng tính toán trong các trường hợp tính toán đặc trưng (đối với sơ đồ mạng lưới có dài đặt ở đâu mạng lưới: dùng nước lớn nhất; đối sơ đồ mạng lưới có đài đặt ở cuối mạng lưới: dùng nước lớn nhất và vận chuyển nước lớn nhất). Còn trường hợp khi có cháy xẩy ra thì cho phép đường ống làm việc với lưu lượng lớn hơn trong tình trạng không kinh tế, bởi vì thời gian xẩy ra đám cháy không lâu. Tuy nhiên, vận tốc nước chảy trong ống phải nhỏ hơn vận tốc giới hạn (v < 2,5 3,0m/s) để đảm bảo độ bền của ống. 5.4. XÁC ĐỊNH T ổN THẤT THUỶ Lực TRONG ĐƯỜNG ỐNG DẪN NƯỚC Trong đường ống dẫn nước xẩy ra hai loại tổn thất áp lực: theo chiều dài (hay còn gọi là dọc đường) do ma sát thành ống gây nên và cục bộ ở những chỗ dòng nước thay đổi hình dạng (cút, tê, thập, van khoá v.v...). Tổn thất cục bộ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ so với tổn thất theo chiều dài, ví dụ: 83
- Đối với trường hợp dùng nước lớn nhất, tổn thất cục bộ chiếm 10 đến 15% tổn thất theo chiều dài - Đối với trường hợp dùng nước lớn nhất có cháy xẩy ra, tổn thất cục bộ chiếm đến 10% tổn thất theo chiều dài - Đối với trường hợp vận chuyển nước lớn nhất, thì tuỳ thuộc vào vị trí đài ở trên mạng lưới mà có những tính toán cụ thể. Trong tính toán thường người ta bỏ qua tổn thất áp lực cục bộ. Tổn thất áp lực dọc đường tỉ lệ với chiều dài, đường kính ống, lưu lượng, vận tốc nước chảy và độ nhám mặt trong thành ống, có thể xác định theo công thức: h = X - — = - ^ ^ j . l = il, m (5.20) d 2g 7ĩ2gd5 hay h = k ^ ị ./ = s.q2, m (5.21) d5 Hoặc: h = sy.q1= £ . q (5.22) Trong đó: / - chiều dài ống dẫn (m); d - đường kính ống dẫn (m); V - vận tốc nước chảy trong ống dẫn (m/s); q - lưu lượng nước chảy trong ống dẫn (m3/s); m - chỉ số mũ thường được xác định bằng thực nghiệm, phụ thuộc vào vật liệu làm ống và vận tốc nước chảy trong ống. Đối với ống bằng kim loại m = 5,3; g - gia tốc trọng tường, g = 9,81 m/s2; X và k - hệ số sức kháng thuỷ lực phụ thuộc vào chế độ thuỷ lực của dòng chảy và đựơc xác định theo các công thức thực nghiệm. Các hệ sô' này đối với các loại ống khác nhau thì khác nhau; So - sức kháng đơn vị của ống, So = k/dm. Hệ số sức kháng thuỷ lực X trong công thức (5.20) có thể suy ra từ công thức (5.23): 1 2,51 k -21g (5.23) ■ \fx Rfì.j x 3,71 .d Trong đó: Ro - số Reynolds, Ro=— ; . V (ở đây: p - độ nhớt động học của nước tại nhiệt độ nghiên cứu, m2/s.) 84
Từ công thức (5.20), có thể rút ra công thức xác định tổn thất áp lực đơn vị: . lv 2 1= (5.24) 2gd Tôn thất áp lực đơn vị cũng có thê xác định theo công thức Hazen Williams như sau: / \ 1,852 4-1,167 J = 6,824 (5.25) V^nh J Trong đó: V - vận tốc trung bình của dòng chảy trong ống, xác định theo cồng thức: V = 0,849.Cnh.R0,63.J'0,54 Cnh - hệ số tổn thất áp lực. Ghi chú: Trong các công thức (5.24); (5.25) thì ký hiệu i tương đương với J. Ngoài ra, tổn thất áp lực đơn vị cũng có thể xác định theo công thức của Manning: J = 6,35(n.v)2d3 (5.26) Trong đó: n - hệ số sức kháng. Các giá trị trung bình của hệ số n đối với các loại vật liệu Ống có thể lấy như sau: ống PVC-GRP: n = 0,009 + 0,013; ống gang mạ: n = 0,010 -í- 0,013; ống gang có quét lớp chống gỉ: n = 0,015; ống bê tông: n = 0,012 -1- 0,015; ống thép mạ: n = 0,012; V - vận tốc trung bình của dòng chảy trong ống (m/s); d - đường kính trong của ống (m). Theo nghiên cứu của F.A.Sevelov thì các ống kim loại cũ làm việc trong khu vực bình phương sức cản, với V > 1,2 m/s, khi đó hệ số k và X, S() chỉ phụ thuộc vào đường kính ống và độ nhám mặt trong của thành ống. Bảng 5.3 giới thiệu sức kháng đơn vị So đối với ống gang và ống thép khi làm việc trong khu vực bình phương sức cản. Bảng 5.3. Trị số sức cản đơn vị s 0 đối với ống cấp nước bằng gang và thép với v > l,2m/s (Q tính bằng m3/s) Đường kính qui ước d(mm) Ống gang Ống thép 100 311,7 172,9 125 96,72 76,36 150 37,11 30,65 175 20,79 85
200 8,092 6,959 250 2,528 2,187 300 0,9485 0,8466 350 0,4363 0,3731 400 0,2189 0,1859 450 0,1186 0,09928 500 0,06778 0,05784 600 0,2596 0,02262 700 0,01154 0,01098 800 0,005669 0,005514 900 0,003047 0,002962 1000 0,001750 0,001699 1200 0,0006625 0,0006543 1400 0,0002916 1500 0,0002023 1600 0,0001437 Trong khu vực quá độ, các ống kim loại cũ làm việc với V < l,2m/s, hệ số sức kháng k phụ thuộc vào V hay nói cách khác là phụ thuộc vào q, Đối với các ống kim loại mới luôn làm việc trong khu vực quá độ (trước khi xuất hiện khu vực bình phương sức cản) với vận tốc v < l,2m/s. Trong khu vực này k và X, So phụ thuộc vào đường kính ống, độ nhám mặt trong thành ống và số Reynolds. Hiện nay trong lĩnh vực cấp nước trên thế giới đang sử dụng rộng rãi loại ống gang dẻo. loại ống này có nhiều ưu điểm hơn so với loại ống gang xám thông thường bởi nó có tính đàn hồi, có khả năng chống va đập mạnh và có thể kéo dãn được. Mặt trong của thành ống được tráng một lớp vữa ximăng để bảo vệ ống khỏi những tác động của môi trường nước. Các ống chất dẻo, ống thuỷ tinh làm việc trong “vùng thuỷ tĩnh nhẵn”, các hệ số k, X và S() chỉ phụ thuộc vào đường kính ống và số Reynolds, không phụ thuộc vào độ nhám bên trong thành ống. Tổn thất áp lực đơn vị đối với ống nhựa cũng như ống gang dẻo có thể xác định theo các công thức đã giới thiệu ở trên hoặc theo bảng tính toán thủy lực của tài liệu tham khảo [5], Tổn thất thuỷ lực đơn vị của ống nhựa còn có thể xác định theo công thức của F.A. Sevelov: *= và ¡ = 0,000685^555 (5.27) 86
Trong thực tế, các ống kim loại mới rất nhanh chóng trở thành ống cũ, nên khi thiết kê mạng lưới cấp nước, chúng ta cần tính toán tổn thất áp lực theo công thức đối với ống cũ. Hiện nay ở nước ta vẫn tính toán ống gang, ống thép làm việc trong khu vực bình phương sức cản khi V > l,2m/s theo các công thức thực nghiệm của F. A. Sevelov: V2 i = 0,00107—TỴ; (5.28) d’ 0,021 ^c 0,001736 . . ; 0,001736 hay i = .~ 5 j (5.29) v à s ° = dP Trong đó: d - đường kính ống (m); V - vận tốc nước chảy trong ống (m/s); q - lưu lượng nước chảy trong ống (m/s). Khi ống làm việc trong khu quá độ v< l,2m/s thì: 1= 0,000912 V2 (1 + 0,867 v>,3 (5.30) dư 1 0,0197 (. . 0,867 v>.3 X- .0,3 1+ - (5.31) Đối với ống bê tông cốt thép có thể sử dụng công thức cho ống kim loại cũ. Để tiện cho việc tính toán người ta đã lập sẵn các bảng tính toán thuỷ lực. Theo các bảng này, khi biết lưu lượng và đường kính ống chúng ta có thể biết được vận tốc kinh tế trung bình và tổn thất áp lực đơn vị [5]. Ống gang, thép sản xuất trong nước theo phương pháp không hiện đại và chưa có qui chuẩn thống nhất cho mọi nơi... Do vậy việc sử dụng các công thức và bảng tính toán của Nga sẽ gây nên những sai sót nhất định, đòi hỏi chúng ta phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng nên những công thức tính toán cho phù hợp với điều kiện Việt Nam. Chính vì thế, qui phạm TC-33-68 của ta đề nghị bổ sung thêm hệ số k cho công thức tổn thất áp lực, cụ thể đối với ống thép k = 1,1, đối với ống gang k = 1,1 = 1,2 (trị số lớn áp dụng cho ống có d < 300mm). Khi đó công thức 5.21 viết thành: h = k ^ v- - ì (5.32) d 2g Trong đó: k - hệ số kể đến đặc điểm khí hậu, nguồn nước, điều kiện cục bộ của địa phương. 87
Trong thực tế tính toán mạng lưới cấp nước, để xác định tổn thất áp lực trong ống thường sử dụng công thức (5.22), cụ thể: h = s.q2 Trong đó: s - sức kháng của ống, s = Sq.ỉ ; / - chiều dài ống (m); So - sưc kháng đơn vị xác định theo công thức: S0 = k/dm. Khi ống làm việc trong khu bình phương sức cản, sức kháng đơn vị So không phụ thuộc vận tốc hay lưu lượng mà chỉ phụ thuộc vào đường kính và độ nhám mặt trong thành ống và biểu thị bằng các hệ số k và X. Khi ống làm việc trong khu vực quá độ, hệ số sứ kháng k phụ thuộc vào vận tốc (lưu lượng), khi đó: h = S'.qp = S 0./.qP (5.33) Trong đó: p - chỉ số mũ của lưu lượng, p = 1,75 -ỉ- 2; So- sức kháng đơn vị (cũng như ở trong khu vực bình phương sức cản) phụ thuộc vào đường kính và độ nhám mặt trong thành ống. Giữa hai trạng thái làm việc ở trên có liên quan với nhau, để cho tiện khi ống làm việc trong khu vực quá độ, tổn thất áp lực có thể xác định theo công thức của ống làm việc trong khu bình phương có bổ sung thêm hệ số hiệu chỉnh vận tốc ôị : 5j =0,852 1+ 0,867Ỵ’3 hay h = Sq.1. ỗị.q2 (5.34) V , Hệ số s, có thể xác định theo bảng tính sẵn 5.4. Bảng 5.4. Hệ số hiệu chỉnh ôj đối với ống gang và ống thép v(m/s) 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 s, 1,41 1,33 1,28 1,24 1,20 1,175 1,15 1,13 1,115 v(m/s) 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 1 1,1 >1,2 s, 1,10 1,085 1,07 1,06 1,05 1,04 1,03 1,015 1,0 Đối với Ống chất dẻo, thì sức kháng đơn vị sẽ được xác định theo công thức: c _ 0,00111 y 0,226^5,226 (5.35) Trong đó: So - sức kháng đơn vị tra theo bảng tính toán thuỷ lực của F.A. Sevelov với V = lm/s và hệ số hiệu chỉnh vân tốc s2(khi V -ệ l,0m/s, xác định ở bảng 8 và 9 của [5]. 88
Ngoài ra, tốn thất áp lực trong đường ống chất dẻo cũng có thể xác định bằng các bảng tính toán thuỷ lực theo công thức của Colebrook - White, Hazen-Willians (bảng 8 của tài liệu tham khảo [5]. Đối với ống bê tông cốt thép, tốn thất áp lực có thể tính toán theo công thức của ống kim loại cũ hay ống gang dẻo có tráng lóíp vữa ximăng ở mặt trong. Theo tiêu chuẩn mới của Liên bang Nga thì tổn thất thuỷ lực trên một đơn vị chiều dài của đường ống (được gọi là độ dốc thuỷ lực) i có tính cả trở kháng mối nối xác định theo công thức: i = (A,/d).(v2/2g) = (A]/2g).[A0 + C/v)7dm+I].v2 Trong đó: X - hệ số trở kháng thuỷ lực, xác định theo công thức: X = Aj(Ao + Bod/Re)7dm= A,(A0 + c/v)7dm; d - đường kính trong của ống, m; v - vận tốc nước chảy trung bình trong ống, m/s; g - gia tốc trọng trường, m/s2; Re = vd/v - trị số Renon; B() = CRe/vd; V - hệ số nhót động học của chất lỏng, m2/s. Giá trị chỉ số mũ m và hệ số A0, A ị và c đối với ống thép, ống gang, ống BTCT, ống nhựa và ống thuỷ tinh lấy theo bảng 5-2. Bảng 5.2: Chỉ số m, các hệ số A0, Aj và c TT Loại ống m A 1,2 m/s 0,30 1 21,0 1,070 0 4 Ống bê tông cốt thép nén rung 0,19 1 15,74 0,802 3,51 5 Ống bê tông cốt thép quay li tâm 0,19 1 13,85 0,706 3,51 6 Ống thép và ống gang có lớp bảo vệ bên 0,19 1 11,0 0,561 3,51 trong bằng nhựa hay xi măng polime, phủ bằng phương pháp quay li tâm 89
7 Ống thép và ống gang có lớp bảo vệ bên 0,19 1 13,85 0,706 3,51 trong bằng xi măng cát, phủ bằng phương pháp quay li tâm 8 Ống nhựa 0,226 0 13,44 0,685 1 9 Ống thuỷ tinh 0,226 0 14,61 0,745 1 Ghi chú: 1. Trị sô' c đưa ra với V = 1,3-106m2/s; 2. Những giá trị trong bảng tương ứng với công nghệ chế tạo hiện đại. Nếu các giá trị bảo hành A(), Aị, c của nhà sản xuất khác với các giá trị dẫn ra ở trong bảng thì chúng phải được chỉ ra trong các cataloghoặc trong tiêu chí kỹ thuật sản xuất ống. Trở kháng thuỷ lực của các mối nôí cần xác định theo sổ tay, trở kháng thuỷ lực của các phụ tùng theo hồ sơ của nhà sản xuất. Khi không đủ số liệu về mối nối và phụ tùng lắp đặt trên đường ống, tổn thất ẩp lực cục bộ đó cho phép lấy bằng 10 - 20 % so với tổn thất theo chiều dài trên đoạn ống. Khi tính toán kinh tế kỹ thuật và thực hiện tính toán thuỷ lực mạng lưới truyền dẫn và phân phối nước trên máy tính điện tử, tổn thất áp lực trong dường ống xác định theo công thức: H = u = K.q"/dp./ (m) Trong đó: q - lưu lượng tính toán, //s; d - đường kính bên trong của ống, m; i - độ dốc thuỷ lực; / - chiều dài đoạn ống. Trị số của hê số K và các chỉ số mũ n và p lấy theo bảng 5.3. Bảng 5.3 TT Loại ống 100K p n 1 Ống thép mới không có lớp bảo vệ bẻn trong hoặc có lớp phủ bitum 1,790 5,1 1,9 2 Ống thép mới không có lớp bảo vệ bên trong hoặc có lóp phủ bitum 1,790 5,1 1,9 3 Ống thép mới và ống gang cũ không có lóp bảo vẹ bên trong hoặc 1,735 5,3 2 có lớp phủ bitum: V < 1,2 m/s V > 1,2 m/s 4 Ống bê tông cốt thép nén rung 1,688 4,89 1,85 5 Ống bê tông cốt thép quay li tâm 1,486 4,89 1,85 6 Ống thép và ống gang có lớp bảo vệ bên trong bằng nhựa hay 1,180 4,89 1,85 xi măng polime, phủ bằng phương pháp quay li tâm 7 Ông thép và ống gang có lớp bảo vệ bên trong bằng xi măng cát, 1,486 4,89 1,85 phủ bằng phương pháp quay li tâm 8 Ống nhựa 1,052 4,774 1,774 9 Ống thuỷ tinh 1,144 4,774 1,774 90
Ngoài ra khi tính toán thuỷ lực đơn giản cho các đoạn ống độc lập có thể dùng các bảng tính thuỷ lực hoặc các biểu đồ lập sẩn, tuỳ thuộc vào kích cỡ cũng như vật liệu ống và các thông số khác. 5.5. THU THẬP TÀI LIỆU VÀ NỘI DUNG THIẾT KẾ MẠNG LUỚI Để thực hiện tính toán thiết kế mạng lưới cấp nước được thuận lợi và đạt chất lượng cao, cần thu thập đầy đủ các tài liệu sau đây: 1. Bản đồ địa hình đô thị sẽ thiết kế hệ thống cấp nước. Trên cơ sở đó thể hiển rõ ràng các vị trí sông, hồ, đồi núi, sự phân bố địa hình mặt đất tự nhiên (thường bằng các đường đồng mức). 2. Bản đồ qui hoạch xây dựng của đô thị, trên đó thể hiện rõ các khu chức năng: khu dân cư, khu công nghiệp hay các xí nghiệp độc lập, khu trung tâm, khu công viên cây xanh, nhà ga, kho tàng, các tuyến đường sắt cũng như mạng lưới đường giao thông đô thị. Trong một số trường hợp hai bản đồ địa hình và qui hoạch xây dựng đô thị được ghép làm một. 3. Tài liệu về qui hoạch đô thị như: mật độ dân số, số tầng nhà xây dựng trong khu vực, kế hoạch phân đợt xây dựng, mức độ trang thiết bị vệ sinh cho các khu dân cư. 4. Tài liệu về yêu cầu dùng nước, tiêu chuẩn và chế độ dùng nước sinh hoạt của các khu dân cư. Yêu cầu về số lượng, chất lượng, áp lực và chế độ tiêu thụ nước của các xí nghiệp công nghiệp cũng như các đối tượng dùng nước lớn khác trong đô thị hay vùng lân cận. 5. Sơ đồ bố trí các hệ thống kỹ thuật ngầm khác ở trong đô thị như thoát nước bẩn, thoát nước mưa, cấp điện, điện thoại, lưới điện chiếu sáng v.v.. .Để giải quyết tốt vấn đề này đòi hỏi phải có sự hợp tác của các cơ quan hữu quan để có giải pháp thực tế bố trí họp lý nhất, tránh lãng phí trong xây dựng, quản lý. 6. Tài liệu về địa chất, địa chất thuỷ văn, mặt cắt sông hồ ở những noi đường ống đặt qua và các tài liệu khác có liên quan Trên cơ sở các tài liệu đã thu thập được, tiến hành thiết kế mạng lưới theo cáẹ bước và nội dung sau: - Vạch tuyến mạng lưới cấp nước. Xác định vị trí các tuyến ống trên mặt bằng bản đổ qui hoạch đô thị sao cho hợp lý nhất, nhằm cung cấp nước đầy đủ và liên tục đến mọi đối tượng dùng nước. - Lập sơ đồ phân bố lưu lượng cho mạng lưới. Xác định lưu lượng nước tính toán cho các đoan ống. Tính toán thuỷ lực mạng lưới. Chọn đường kính ống, xác định tổn thất thuỷ lực trên từng đoạn ống và toàn bộ mạng lưới. Trên cơ sở đó xác định chiều cao đài nước và áp lực công tác của máy bơm cấp II. 91
- Tính toán thiết kế các công trình trên mạng lưới cấp nước. - Bố trí đường ống cấp nước trên mặt cắt đường phố. thành lập mặt cắt dọc của tuyến ống thiết kế. 5.6. TÍNH TOÁN MẠNG LƯỚI VÒNG 5.6.1. Cơ sở tính toán Trong mạng lưới vòng, nước chuyển đến một điểm bất kỳ có thể từ hai hay nhiều hướng khác nhau. Do đó, khó có thể xác định chính xác được ngay lưu lượng chảy ở trong các đoạn mạng lưới. Từ đó mà kích thước ống và tổn thất áp lực cũng chưa thể xác định chính xác được. Trong thực tế, để tính toán thuỷ lực mạng lưới vòng người ta buộc phải chấp nhận phương án tính toán gần đúng trên cơ sở thiết lập hai loại phương trình sau đây: - Phương trình loại I: Tại mỗi nút của mạng lưới, tổng số các lưu lượng chảy đến nút bằng tổng số các lưu lượng chảy ra khỏi nút, kể cả lưu lượng tập trung. Nếu qui ước chiều của lưu lượng chảy đến nút bằng dấu (+), lưu lượng chảy ra khỏi nút bằng dấu (-), thì tại mỗi nút sẽ có phương trình: Eqnút = 0 (5.36) Trong đó: qnut- lưu lượng nút (lưu lượng liên quan tới một nút), m3/s; Nếu ký hiệu số nút của mạng lưới là n thì số phương trình (5.36) bằng số nút của mạng lưới bớt đi một đơn vị, tức là có (n-1) phương trình. - Phương trình loại II: Trong một vòng, tổn thất áp lực từ điểm đầu đến điểm cuối tính theo hai hướng: cùng (mang dấu +) và ngược chiều kim đồng hồ (mang dấu -), phải bằng nhau. Đối với mỗi vòng ta có phương trình dạng: 2hvòng = 0 (5.37) Mạng lưới có m vòng, sẽ thiết lập được m phương trình. Phương trình loại II biểu diễn quan hệ giữa đường kính và lưu lượng các đoạn ống, bởi vì h = s’qp hay h = (k /đm).qp./ (m) với p khác 2. Trong khu vực bình phương sức cản: h = sq2 hay h = k.q2/dm)/, nghĩa là có phương trình I S q p = I (kqp/dm)/ = 0 hoặc Isq 2 = I (k.q2/dm)/ = 0. Để tính toán mạng lưới cấp nước, trước tiên phải sơ bộ phân phối lưu lượng tính toán cho từng đoạn ống trên mạng lưới sao cho thỏa mãn điều kiện của phương trình loại I: 2 qnút = 0- Sau đó, xác định đường kính ống theo vận tốc kinh tế trung bình. Từ đó, điều chỉnh dần lưu lượng ở mỗi đoạn ống thoả mãn phương trình loại I, đổng thời thỏa mãn điều kiện của phương trình loại II: Ehvòng = 0. 92
5.6.2. Phân bố lưu lượng Như đã nói ở trên, sau khi qui hoạch mạng lưới tức là đã có sơ đồ mạng lưới, trị số và vị trí lưu lượng lấy ra tại các điểm dùng nước trên mạng lưới, chúng ta có thể đưa ra các phương án phân phối lưu lượng nước chảy trong các đoạn ống (đối với mạng lưới vòng đây là nhiệm vụ vô cùng quan trọng). Khi phân phối lưu lượng nước chảy trong các đoạn ống cần phải thỏa mãn các điều kiện cân bằng lưu lượng “Tại mỗi nút của mạng lưói, tổng số các lưu lượng chảy đến nút phải bằng tổng số các lưu lượng chảy ra khỏi mỗi nút đó và đảm bảo đưa nước tới các đối tượng dùng nước theo con đường ngắn nhất” (phương trình 5.36). Để đảm bảo nước cung cấp cho các đối tượng dùng nước đuực ổn định và tin cậy, ngoài việc hình thù cấp nước là mạng vòng, thì các tuyến ống của mạng lưới còn phải có khả năng thay thế được cho nhau khi có sự cố xẩy ra ở một trong các tuyến chính. Phân bố lưu lượng vào mạng lưới cần đều cho các tuyến chính (nếu có thể được). Các tuyến ống nối và tuyến ống cấp II làm nhiệm vụ liên hệ và điều hoà lưu lượng cho các tuyến ống chính khi có sự cố xẩy ra. Khi làm việc bình thường các tuyến ống nối ít tham gia vào việc vận chuyển nước, mà chủ yếu phục vụ để đảm bảo cung cấp nước cho các khu vực và phân phối cho các đối tượng dùng nước. 5.6.3. Trình tự tính toán thuỷ lực Trình tự tính toán mạng lưới vòng theo các bước sau đây: - Bước ỉ : Vạch tuyến mạng lưới theo nguyên tắc đã nêu ở mục 4.3 Chương 4, đánh số nút và xác định chiều dài của từng đoạn ống. Sơ bộ vạch hướng nước chảy bắt đầu từ các nguồn cấp nước. - Bước 2: Tính toán lưu lượng dọc đường đơn vị (qđv), lưu lượng dọc đường của từng đoạn ống (qdd) và qui về lưu lượng nút (qnút). - Bước 3: Sơ bộ phân bố lưu lượng nước tính toán trên từng đoạn ống thoả mãn phương trình Xq„ú, = 0. - Bước 4: Trên cơ sở lưu lượng đã phân bố sơ bộ cho từng đoạn ống, tra bảng tính toán thuỷ lực để xác định đường kính ống theo vận tốc kinh tế trung bình. - Bước 5 ■Tính tổn thất áp lực trên mỗi đoạn ống của mạng lưới theo công thức h = Sq2= Sf>/.õ1q2, sau đó kiểm tra lại tổn thất áp lực trong mỗi vòng theo phương trình loại 2Xòng = 0. - Bước 6: Điều chỉnh mạng lưới vòng. Thông thường khi tính toán theo lưu lượng phân bố sơ bộ, sẽ cho kết quả tổn thất áp lực trong mỗi vòng £hvòng khác không. Để đạt được £hvòng = 0 phải điều chỉnh nhiều lần mạng lưới. 93
5.6.4. Cơ sở lý thuyết điều chỉnh mạng lưới Nhiệm vụ của tính toán điều chỉnh mạng lưới là xác định lưu lượng đúng cho các đoạn ống của mạng lưới khi đã biết đường kính của chúng, đổng thời xác định áp lực cần thiết của các điểm dùng nước, lưu lượng và áp lực công tác của tất cả cạc trạm cấp nước và dùng nước không cố định trong mạng lưới. Khi tính toán mạng lưới các số liệu đã biết là: - Đường kính (chọn theo lưu lượng phân phối sơ bộ q|’_k ), chiều dài và tổn thất của các đoạn trong mạng lưới. - Vị trí và trị số lưu lượng lấy ra tại các điểm dùng nước cố định (tại các nút) trong mạng lưới. - Đặc tính Q-H của tất cả các điểm cấp nước và dùng nước cố định, cũng như cao trình mặt đất của tất cả các nút trong hệ thống. Nghiên cứu trường họp tổng quát của mạng lưới vòng có: p đoạn ống, m nút, n vòng và e điểm cấp nước và dùng nước không cố định. Theo ý nghĩa vật lý thì nhiệm vụ tính toán chỉ có thể giải quyết được khi đã xác định được lưu lượng cấp vào mạng lưới (Qv) bằng máy bơm cố định. Do đó lưu lượng đi qua tất cả các đoạn ống của mạng lưới cũng hoàn toàn được xác định. Các đại lượng chưa biết khi tính toán là: - Lưu lượng (q¡.k) và tổn thất áp lực (hj.k) trên tất cả các đoạn ống của mạng lưới. - Lưu lượng của các điểm cấp nước và dùng nước không cố định. - Cột áp tại tất cả các nút của mạng lưới. Như vây, nếu như tất các các lưu lượng nêu trên sẽ tìm được thì có thể dễ dàng xác định được tổn thất áp lực và cột áp tại tất cả các nút. Đối với hệ thống đang xét, số lưu lượng chưa biết cần phải tìm là p+e. Để xác định những lưu lượng chưa biết này, cần xác lập hệ phương bao gồm: 1. m phương trình cân bằng lưu lượng nút cho tất cả các nút theo (5.36): 2q¡-k + Qi = 0 2. n phương trình cân bằng áp lực vòng cho tất cả các vòng theo (5.37): 2Si-t qf-k = 0 3. e phương trình liên hệ giưa các điểm cấp nước và dùng nước không cố định có dạng tổng quát là: F(Q)i -(p(Q)k = (Ih)i.k (5.38) Trong đó: i, k - tên gọi thứ tự các nút tương ứng của các điểm cấp nước và dùng nước không cố định; 94