Giáo án Thoát nước dân dụng và công nghiệp - Chương 3: Tính toán thuỷ lực cống thoát nước - Dương Thanh Lượng
Chương 3. TÍNH TOÁN THUỶ LỰC CỐNG THOÁT NƯỚC
(6 tiết: 4LT+2ĐA
III-1. ĐẶC ĐIỂM CHUYỂN ĐỘNG CỦA NƯỚC THẢI
TRONG CỐNG THOÁT NƯỚC
Thường có cặn và cặn dễ bị lắng đọng, lấy cặn khó khăn, mất VS, tốn kém. Thiết
kế cần đảm bảo tránh cho cặn lắng đọng.
Trong cặn thường có khoảng:
38% chất hữu cơ d1mm,
9297% tạp chất khoáng dtb=1mm, trong đó cát 7090%
cặn =1,4 T/m3 (chưa nén)
cặn =1,6 T/m3 (nén)
Nước ta chưa đánh giá được do các HTTN chưa hoàn chỉnh
Chất hữu cơ không hoà tan có thể chuyển động dễ dàng, còn tạp chất không hoà
tan (chủ yếu là cát) khó vận chuyển, có thể lắng, làm giảm khả năng chuyển tải,
thậm chí làm tắc cống hoàn toàn.
- Nếu lượng chất không tan nhỏ hơn hoặc bằng khả năng chuyển tải của dòng
chảy thì cặn không bị lắng, hoặc đã rơi xuống vẫn có khả năng bị cuốn đi
dưới dạng làn sóng.
- Nếu lượng chất không tan vượt khả năng chuyển tải của dòng chảy thì cặn bị
lắng. Hiện tượng này tiếp tục cho tới khi lượng cặn cân bằng với khả năng
chuyển tải.
Sơ đồ cấu trúc dòng chảy
1. Khoảng trống
2. Nước thải
3. Cặn lắng
Tổn thất thuỷ lực trong cống:
ht=b.vm
Trong đó:
b - Hệ số, phụ thuộc hình dạng, kích tước, độ nhám của thành cống và t/c của
Dương Thanh Lượng. Bài giảng môn học Thoát nước - Chương 3
3-1
nước thải
m - số mũ; chảy tầng m=1, chảy rối m=1,752.
III-2. CÁC TIẾT DIỆN CỐNG VÀ ĐẶC TÍNH THUỶ LỰC
Có nhiều loại tiết diện cống. Việc lựa chọn loại tiết diện cống phải đạt được các
yêu cầu:
- Khả năng chuyển tải lớn nhất
- Chịu lực tốt
- Giá thành xây dựng nhỏ
- Thuận tiện trong quản lý (cọ rửa, sửa chữa..)
Một số loại tiết diện thường gặp:
Các loại tiết diện cống
a) Tròn
b) Vòm
c) Bệt
e) Hình thang
f) Nửa tròn
g) Hình trứng
d) Chữ nhật
Cùng một độ dốc và diện tích tiết diện thì cống tròn có R lớn nhất nên khả năng
chuyển LL tốt nhất. 90% chiều dài cống dùng cống tròn.
***** (1)
Với cống tròn:
Chảy đầy: R=0,25d; =d2/4; =d
Không đầy: R=R'.d; ='.d2;
Tối đa:
R=0,304d khi h=0,813d
Dương Thanh Lượng. Bài giảng môn học Thoát nước - Chương 3
3-2
Cống tròn chịu lực tốt nhất, sản xuất hoàn thiện nhất, vì vậy nó được sử dụng tới
90% trong xây dựng cống thoát nước.
Để đơn giản tính toán cống tròn, người ta dùng các hệ số A, B và lập đồ thị tra A,
B theo độ đầy h/d.
A=Qkhông đầy/Qđầy
B=vkhông đầy/vđầy
Qkhông đầy=A.K. i
vkhông đầy=B.W. i
Trong đó: W, K là tốc độ đặc trưng và lưu
lượng đặc trưng.
h/d=0,95
h/d=0,813 v=vmax
Q=Qmax (A=1,087)
(B=1,16)
III-3. CÔNG THỨC TÍNH TOÁN THUỶ LỰC
Cần xác định d, i thoả mãn yêu cầu về độ đầy, tốc độ.... Dùng các công thức:
Q=.v
v=C. R i
(Chezy)
1
1
C= R 6
(Manning)
n
1
C= Ry
n
(Pavlovski)
y=2,5 n 0,130,75 R ( n 0,1) (Pavlovski)
v2
i=
(Darcy - Weisbach)
4R 2g
e
a2
1
2lg
(Federov)
13,68R Re
v.d
Re=
Trong đó:
- Hệ số ma sát dọc đường
e - Độ nhám trương đương, cm
a2 - Hệ số, phụ thuộc độ nhám thành ống và th/phần chất lơ lửng trong NT
(, e, a2 tra bảng)
- Hệ số động học nhớt.
Dương Thanh Lượng. Bài giảng môn học Thoát nước - Chương 3
3-3
Tùy theo công thức tính tổn thất dọc đường được sử dụng, hệ số nhám đối với
ống mới được lấy theo bảng dưới đây:
Bảng. Hệ số nhám của một số loại cống
Hazen-
Williams
Darcy-Weisbach
Manning's
n
Vật liệu làm ống
e (millifeet)
Gang
130 - 140
120 -140
120
0,85
1,0 - 10
0,5
0,012 - 0,015
Bê tông
0,012 - 0,017
0,015 - 0,017
0,011 - 0,015
0,015 - 0,017
0,013 - 0,015
Sắt tráng kẽm
Chất dẻo
Thép
140 - 150
140 - 150
110
0,005
0,15
Gốm tráng men
Ghi chú: 1 foot = 0,3048 m
III-4. TỔN THẤT CỤC BỘ CÔNG THOÁT NƯỚC
Công thức chung
v2
hc=
2g
(Xem các bảng tra thuỷ lực)
III-5. ĐƯỜNG KÍNH TỐI THIỂU VÀ ĐỘ ĐẦY TỐI ĐA
1. Đường kính tối thiểu
Dmin=150 mm đ/v mạng trong sân nhà
Dmin=200 mm đ/v mạng tiểu khu và đường phố
Dmin=150 mm đ/v mạng thoát nước mưa
2. Độ đầy tối đa
Không cho chảy đầy cống vì lý do chính là cần khoảng trống để thông hơi cho
mạng lưới (mặt khác, về thuỷ lực, ngay khi đạt LL tối đa cũng không choán đầy
cống).
Nguyên lý thông hơi mạng thoát nước: nhờ vào chênh lệch áp suất giữa điểm ra
ổng thông hơi trong các nhà cao tầng và khe hở ở nắp tấm đan hố ga trên mạng
ngoài phố (xem hình vẽ).
Dương Thanh Lượng. Bài giảng môn học Thoát nước - Chương 3
3-4
Bảng. Độ đầy tối đa
Đối với HTTN thải
Sinh hoạt Sản xuất
HTTN mưa và
HTTN chung
Đường kính, mm
h/d=
0,70
0,80
0,85
1,00
h/d=
0,60
0,70
0,75
0,80
d= 150300
350450
500800
900
h/d=1
***** (2)
III-6. VẬN TỐC VÀ ĐỘ DỐC
Vận tốc là hàm số của độ dốc thủy lực và bán kính thuỷ lực. Vận tốc phân bố
không đều trên mặt cắt ướt. Trong thuỷ lực dùng vận tốc trung bình mặt cắt.
Khống chế: vkl≤ v ≤vkx
1. Vận tốc không xói cho phép
Được quy định như sau
- Đ/v cống kim loại:
vkx = 8,0 m/s
- Đ/v cống không kim loại: vkx = 4,0 m/s
- Đ/v kênh đất: Tra bảng, phụ thuộc đường kính hạt và độ sâu h.
2. Vận tốc không lắng cho phép
Để không lắng thì:
Uy W
Trong đó:
W - Tốc độ chìm lắng của các hạt trong điều kiện tĩnh
Uy - Tốc độ lơ lửng do mạch động đứng tạo nên, coi Uy~v: Uy=.v
.v W
Áp dụng đ/v hạt có kích thước lớn nhất:
Wmax
Wmax
maxv Wmax
v
vkl
αmax
αmax
Theo số liệu thực tế: max=0,065.i1/4
Dương Thanh Lượng. Bài giảng môn học Thoát nước - Chương 3
3-5
Wmax
0,065.i1/ 4
vkl=
Mặt khác hạt rắn lắng xuống không chỉ vì lý do kích thước quá lớn mà còn do
nồng độ của chúng trong nước thải quá cao. Cho nên cần bổ sung điều kiện:
0<k
Trong đó:
0 - Nồng độ chất lơ lửng trong nước thải
k - Nồng độ phân giới của chất lơ lửng trong dòng chảy
Trong thực tế tính toán MLTN, người ta quy ước tốc độ tối thiểu (để vvkl) áp
dụng cho các loại cống như bảng:
Bảng. Tốc độ tối thiểu
Cống với đường kính d, mm
150250
Tốc độ tối thiểu vtt, m/s
0,7
0,8
300400
0,9
450500
0,95
1,25
600800
9001200 và lớn hơn
Đối với NT đã qua lắng trong thì tốc độ tối thiểu giảm xuống vtt=0,4 m/s.
Đối với cống luồn (điu-ke): vtt=1,0 m/s.
Nếu tăng v chống lắng đọng tốt, chiều sâu chôn cống tăng giá thành xây
dựng tăng đáng kể. Trong những trường hợp này thường căn cứ vào vtt.
Trong thực hành, nếu không có đủ số liệu có thể sử dụng CT của GS Federov:
vkl=1,57. n R , với n=3,5+0,5R
Trong đó R là bán kính thuỷ lực, m.
3. Độ dốc tối thiểu
Là độ dốc mà khi tăng Q đạt mức độ đầy tối đa thì tốc độ dòng chảy đạt tốc độ
không lắng. Có thể xác định theo công thức kinh nghiệm:
1
imin=
d
Dương Thanh Lượng. Bài giảng môn học Thoát nước - Chương 3
3-6
Trong đó d là đường kính cống, mm.
imin cũng có thể lấy theo bảng:
Bảng. Độ dốc tối thiểu
d, mm
150
200
300
400
imin (10-3)
d, mm
700
800
900
1000
1200
imin (10-3)
7
5
3
2,5
2
1,4
1,2
1,1
1
500
0,5
600
1,7
Việc chọn theo độ dốc tối thiểu theo bảng này chỉ hạn chế cho những trường hợp
cá biệt. Nói chung phải chọn xuất phát từ yêu cầu tốc độ nói trên.
Nếu thay tốc độ v trong công thức Darcy-Weisbach thì có thể tính được imin
***** (3)
Ví dụ: Xác định imin của cống bê tông d=400 mmm, với độ đầy 0,5
Giải:
Sử dụng công thức của GS Federov:
vkl=1,57. n R =1,57.3,53 0,1=0,82 m/s
Trong đó:
R=0,25d=0,250,4=0,1 m
n=3,5+0,5R=3,5+0,50,1=3,53
Sử dụng công thức Federov:
e
a2
1
0,2
100
2lg
= 2lg
=5,68
13,68R Re
13,680,1 282624
Trong đó:
e=2 mm;
a2=100
4.R.v 41082
Re=
=
=232.624 (chú ý trong CT này đơn vị dùng cm)
0,0142
1
=
=0,031
5,682
0,822
v2kl
0,031
imin=
=
=0,0027
4R 2g 40,1 29,81
Dương Thanh Lượng. Bài giảng môn học Thoát nước - Chương 3
3-7
III-7. TÍNH TOÁN CỐNG THOÁT NƯỚC
Từ 2 công thức Q=.v và v=C. R i . Mới chỉ biết Q, còn v, , i chưa biết, do
đó không thể giải được ngay mà phải tính toán thử dần. Có thể thực hiện tính
toán thuỷ lực theo 1 trong 2 cách sau:
Cách 1. Người ta đã lập các bảng tính, biểu đồ, toán đồ (xem các toán đồ của
Pavlovski, Manning... trong giáo trình). Cách tính này rất tiện, nhanh, giảm các
lần nội suy nên giảm nhẹ khối lượng tính toán đáng kể.
Cách 2. Ngày nay có máy tính, có thể lập trình và tìm ra kết quả tính toán nhanh
hơn nhiều. Có thể thực hiện theo sơ đồ khối sau:
BEGIN
Nhập số liệu: Q0; n
i:=i0; :=0; d:=d0
Thay đổi i:=i1; :=1; d:=d1
h:=d
:=2.acos(1 2h /d) ;
d2
d
:=
( sin) ; := ; R:=
;
8
2
1
y:=2,5 n 0,130,75 R ( n 0,1); C:= Ry ;
n
1
[Vkl]:=1,57R 3,50,5R ; v:=C. R i ; Q:=.v
s
QQ0
đ
END
Hình. Sơ đồ khối tính toán thuỷ lực cống tròn
***** (4)
Dương Thanh Lượng. Bài giảng môn học Thoát nước - Chương 3
3-8
III.8. BẢNG SỐ, TOÁN ĐỒ VÀ ĐỒ GIẢI ĐỂ TÍNH TOÁN THỦY LỰC
MẠNG LƯỚI
(Giải thích cách tra bảng trong giáo trình)
***** (5)
Dương Thanh Lượng. Bài giảng môn học Thoát nước - Chương 3
3-9
9 trang
26/04/2022
7520
Bạn đang xem tài liệu "Giáo án Thoát nước dân dụng và công nghiệp - Chương 3: Tính toán thuỷ lực cống thoát nước - Dương Thanh Lượng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_an_thoat_nuoc_dan_dung_va_cong_nghiep_chuong_3_tinh_toa.pdf
