NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung nghiên cứu của luận văn được thể hiện trong các chương sau: Chương 1: Mở đầu Chương 2: Khái quát về thoát nước đô thị Chương 3: Hệ thống thoát nước và tình
KHÁI QUÁT VỀ THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THOÁT NƯỚC
2.1.1 Sơ đồ tổng thể của hệ thống thoát nước Đối với nước thải thì hệ thống thoát nước bắt đầu từ các thiết bị vệ sinh trong nhà rồi tiếp đến mạng lưới cống dẫn của đô thị, cuối cùng đến trạm xử lý nước thải Sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn vệ sinh môi trường, nước được xả vào môi trường tự nhiên (môi trường tiếp nhận) Như vậy hệ thống thoát nước thải là một hệ thống kín Trong mạng lưới thoát nước thải nói chung là dòng chảy trọng lực (tự chảy) nhưng vì lý do thi công nên thường phải có trạm bơm và đường ống áp lực để giảm bớt độ sau đặt cống
Theo phân cấp quản lý, mạng lưới thoát nước được chia thành hai loại: bên trong công trình và bên ngoài Mạng lưới thoát nước bên ngoài, hay còn gọi là mạng lưới thoát nước đô thị, bắt đầu từ giếng thu trên mặt đường hoặc sân vườn và dẫn đến cửa xả vào môi trường tiếp nhận Hệ thống thoát nước mưa chủ yếu hoạt động theo cơ chế tự chảy, với một số trường hợp đặc biệt sử dụng trạm bơm Để giảm kích thước công trình và ô nhiễm môi trường, mạng lưới thoát nước mưa có thể bao gồm các hồ điều hòa, và một phần nước mưa có thể được tách ra để xử lý.
Khi nước thải và nước mưa được kết hợp trong một hệ thống duy nhất, hệ thống này cần phải tích hợp các thành phần và tính chất của cả hai loại nước.
2.1.2 Các kiểu sơ đồ mạng lưới thoát nước
Các sơ đồ thoát nước thường gặp trong thực tế có thể chia thành các loại sau:
Các cống góp lưu vực được thiết kế vuông góc với hướng dòng chảy của nguồn nước, thường áp dụng trong địa hình có độ dốc đổ ra sông hoặc hồ Chúng chủ yếu được sử dụng để thoát nước thải sản xuất quy ước là sạch và nước mưa, cho phép xả thẳng vào nguồn mà không cần qua xử lý.
Các cống góp thoát nước lưu vực được thiết kế theo hướng vuông góc với dòng chảy của nguồn nước, nhằm tập trung về cống góp chính Thường thì các cống này được đặt song song với nguồn (sông) để dẫn nước thải đến công trình xử lý.
Phạm vi thoát nước được chia thành nhiều khu vực, đặc biệt là ở những đô thị có địa hình dốc lớn Nước thải từ vùng cao được dẫn tự chảy, trong khi nước thải từ vùng thấp cần sử dụng trạm bơm để chuyển tiếp lên trạm xử lý Mỗi khu vực có sơ đồ thoát nước riêng, thường áp dụng sơ đồ phân vùng khi địa hình có độ dốc lớn hoặc không đều, nhằm đảm bảo việc thoát nước hiệu quả cho toàn bộ đô thị.
2.1.2.4 S ơ đồ thoát n ướ c không t ậ p trung
Sử dụng trong các đô thị lớn hoặc những khu vực có địa hình phức tạp, đặc biệt là những đô thị phát triển theo hình tròn, sơ đồ này bao gồm nhiều trạm xử lý độc lập.
2.1.3 Các kiểu hệ thống thoát nước thải và nước mưa
Tùy thuộc vào phương thức thu gom, vận chuyển, mục đích yêu cầu xử lý và sử dụng nước thải, có thể phân biệt các hệ thống khác nhau.
2.1.3.1 H ệ th ố ng thoát n ướ c chung
Hệ thống xử lý nước thải bao gồm tất cả các loại nước như nước mưa và nước thải sinh hoạt, được dẫn đến trạm xử lý hoặc xả ra nguồn tiếp nhận Để giảm kích thước cống và lưu lượng nước mưa đến trạm bơm, người ta thường xây dựng các giếng tràn tách nước mưa tại các điểm cuối của đoạn cống góp nhánh và đầu các cống góp chính, nhằm xả phần lớn lượng nước mưa trong những trận mưa lớn ra nguồn nước gần đó.
2.1.3.2 H ệ th ố ng thoát n ướ c riêng
Hệ thống này bao gồm hai hoặc nhiều mạng lưới: một mạng lưới chuyên vận chuyển nước thải bẩn cần xử lý trước khi xả vào nguồn tiếp nhận, và một mạng lưới khác dành cho nước thải được coi là sạch, như nước mưa, có thể xả trực tiếp vào nguồn tiếp nhận.
Trường hợp mỗi loại nước thải được vận chuyển trong hệ thống thoát nước riêng gọi là hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn
Hệ thống cống ngầm chỉ vận chuyển nước thải sinh hoạt và nước thải bẩn, trong khi nước thải sản xuất được coi là sạch và nước mưa được dẫn qua mương rãnh lộ thiên, đổ trực tiếp vào nguồn tiếp nhận Đây được gọi là hệ thống riêng không hoàn toàn, thường xuất hiện trong giai đoạn trung gian của quá trình xây dựng hệ thống riêng hoàn toàn.
2.1.3.3 H ệ th ố ng thoát n ướ c n ử a riêng
Hệ thống giếng tràn tách nước mưa được xây dựng tại các điểm giao nhau giữa hai mạng lưới độc lập Khi lưu lượng nước mưa ít, nước sẽ chảy vào mạng lưới nước thải sinh hoạt và được dẫn đến trạm xử lý Ngược lại, trong trường hợp lưu lượng nước mưa lớn, nước mưa tương đối sạch sẽ tràn qua giếng tách và được xả ra nguồn tiếp nhận.
Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống thoát nước nửa riêng a) Hệ thống thoát nước; b) Giếng tràn tách nước mưa
1- Mạng lưới thoát nước sinh hoạt; 2- Mạng lưới thoát nước mưa;
3- Ống áp lực; 4- Cống xả nước đã xử lý; 5- Giếng tràn tách nước;
6- Ống xả nước mưa; 7- Biên giới đô thị; 8- Trạm bơm chính;
9- Trạm xử lý nước thải; 10- Xí nghiệp công nghiệp
2.1.4 Cao độ san nền trong thiết kế thoát nước
Dựa trên điều kiện địa hình và kinh tế, việc áp dụng lý luận mới là cần thiết để đảm bảo an toàn cho các công trình đô thị trong việc chống lũ, đồng thời duy trì tính thẩm mỹ Các biện pháp phòng chống lũ như đập nước, đê ngăn, kênh thoát nước và hồ điều hòa cần được tích hợp chặt chẽ với hệ thống phòng lũ của lưu vực sông để đảm bảo tính bền vững Trong quá trình này, các số liệu về địa chất thủy văn, địa chất công trình và khí tượng thủy văn đóng vai trò cực kỳ quan trọng.
2.1.4.1 Quan h ệ gi ữ a quy ho ạ ch san n ề n v ớ i thoát n ướ c m ư a
Mỗi đô thị và khu vực có yêu cầu riêng về chống úng ngập và xử lý nước thải Đối với đô thị vùng đồng bằng, nếu cao độ san nền thấp hơn mực nước trung bình của sông, việc thoát nước sẽ gặp khó khăn Lũ lụt ở sông thường dâng chậm, kéo dài và có lưu lượng lớn Các đô thị ven sông hồ thường xây đê phòng lũ, trong khi ở thượng lưu, biện pháp tích nước và phân lũ kết hợp với điều tiết là chủ yếu Đô thị vùng đồng bằng ven biển thường chịu ảnh hưởng của thủy triều, với một số nơi xây đê biển và hồ điều hòa Đối với đô thị vùng đồi núi, việc thoát nước chủ yếu phụ thuộc vào lượng mưa và lưu lượng từ thượng nguồn, không bị ảnh hưởng bởi điều kiện cửa ra của hệ thống thoát nước.
Trong quy hoạch hệ thống thoát nước, việc kiểm soát cao độ các khu vực đô thị là rất quan trọng để tránh sự không đồng nhất giữa các ngành Thường thì, các khu xây dựng mới có nền cao hơn khu xây dựng trước, gây cản trở cho việc thoát nước của khu vực trước đó Ngoài ra, khi cải tạo các tuyến giao thông, việc nâng cao nền so với khu dân cư cũng tạo ra các ô trũng, ảnh hưởng đến khả năng thoát nước.
THOÁT NƯỚC MƯA VÀ THOÁT NƯỚC CHUNG
2.2.1 Mưa và sự hình thành dòng chảy
2.2.1.1 Nh ữ ng thông s ố khí t ượ ng th ủ y v ă n
Cường độ mưa đặc trưng cho lượng nước mưa rơi xuống trong một đơn vị thời gian trên một đơn diện tích
Người ta phân biệt cường độ mưa theo chiều cao lớp nước mưa I (mm/ph) và cường độ mưa theo thể tích q (l/s.ha)
*) Thời gian mưa tính toán
Thời gian mưa tính toán là thời gian kéo dài của trận mưa, được tính bằng giờ hay phút, thường được đo bằng máy đo tự ghi
*) Tần suất mưa P (%) và chu kỳ làm tràn cống Pt (năm)
Tần suất mưa P% là số lần lặp lại của các trận mưa có cùng thời gian và cường độ Nếu các trận mưa có cùng thời gian nhưng khác nhau về cường độ, tần suất sẽ khác nhau Tần suất mưa được xác định bằng cách
Chu kỳ mưa được định nghĩa là thời gian lặp lại của một trận mưa có cùng cường độ và thời gian, và nó có giá trị bằng nghịch đảo của tần suất Trong đó, m là số lần xuất hiện và n là số năm quan trắc.
Chu kỳ tràn cống Pt là khoảng thời gian tính bằng năm, thể hiện tần suất xảy ra của những trận mưa có cường độ vượt quá mức tính toán, dẫn đến việc cống thoát không thể đáp ứng được lưu lượng nước.
Lượng mưa rơi xuống chỉ chảy vào cống thoát một phần, còn có thể thấm vào đất, bốc hơi hoặc đọng lại trên mặt đất
Tỉ lệ giữa lượng nước mưa chảy trong cống và lượng nước mưa thực rơi gọi là hệ số dòng chảy φ
2.2.1.2 Thi ế t k ế h ệ th ố ng thoát n ướ c m ư a
*) Các giai đoạn thiết kế
- Thu thập tài liệu cơ sở cho thiết kê
- Phân chia lưu vực thoát nước dựa vào bản đồ quy hoạch, chiều cao (căn cứ vào cao độ thiết kế), hướng dốc và xác định đường phân thủy
- Vạch tuyến cống thoát nước mưa và bố trí các công trình kỹ thuật trên
- Tính toán thủy văn và thủy lực cống thoát nước mưa
- Thiết kế trắc dọc tuyến cống và thiết kế chi tiết cấu tạo, kết cấu các công trình
- Dự tính vật liệu và tính toán giá thành xây dựng
*) Tài liệu cơ sở thiết kế
- Bản đồ quy hoạch kiến trúc khu vực
- Bản đồ quy hoạch chiều cao khu vực thiết kế có cao độ, hướng dốc và trị số dốc
- Các số liệu về khí tượng thủy văn, địa chất thủy văn, địa chất công trình
- Các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, định mức tiêu chuẩn
*) Nguyên tắc vạch tuyến thoát nước mưa
Vạch tuyến thoát nước mưa dựa vào địa hình tự nhiên và san nền để đảm bảo nước chảy tự nhiên Chỉ khi cần thiết mới xây dựng cống có áp và trạm bơm Mục tiêu là hướng cống theo chiều dốc địa hình với chiều dài ngắn nhất, phục vụ diện tích lớn nhất.
Cần tránh để cống thoát nước mưa giao cắt với các công trình như đường xe lửa, đường ống và đường dây kỹ thuật Nếu không thể tránh khỏi việc giao cắt, cống thoát nước phải được lắp đặt vuông góc với các công trình này.
Chiều rộng của giải đất cho cống thoát nước mưa dọc theo đường phố phụ thuộc vào cách bố trí các công trình hai bên Khoảng cách giữa hai cống dẫn nên là khoảng 2m Đối với những con đường rộng hơn 30m, nên thiết kế hai tuyến cống thoát nước mưa ở hai bên để giảm chiều dài các nhánh nối qua đường.
Khoảng cách vệ sinh từ cống thoát nước mưa tới các công trình khác lấy theo quy định
*) Tính toán cống thoát nước mưa
Tính toán cống thoát nước mưa bao gồm hai bước chính: tính toán thủy văn để xác định dòng chảy và tính toán thủy lực để xác định kích thước, độ dốc cống Để xác định kích thước cống, có hai phương pháp dựa trên dòng chảy đều và dòng chảy không ổn định Phương pháp dòng chảy đều sử dụng công thức Manning để tính toán các thông số kích thước lòng dẫn, trong khi phương pháp dòng chảy không ổn định áp dụng hệ phương trình Sant-Venant ở dạng đầy đủ.
- Xác định kích thước cống theo quan niệm dòng chảy đều:
Sau khi xác định được lưu lượng cần tiêu, việc thiết kế kích thước đường dẫn tính theo công thức:
Q: Lưu lượng cần tiêu (m 3 /s) v: vận tốc trung bình (m/s) w: diện tích mặt cắt ướt (m 2 ) n: hệ số nhám
R: bán kính thủy lực I: độ dốc
Phương pháp này thường được sử dụng khi hệ thống thoát nước không có hồ điều hòa Trong trường hợp khu vực có hồ điều hòa, cần xem xét tác động của mực nước hồ.
- Xác định kích thước cống, kênh theo quan niệm dòng chảy không ổn định
Phương trình liên tục: dA dQ 0 dt dx
Phương trình động lực học:
f 2 2 0 dQ dA dA dH q A S v v g A dt dt dx dx
A: diện tích mặt cắt ngang (m 2 )
H: Cột nước áp lực tại mặt cắt đang xét (m)
Sf: Độ dốc ma sát (độ dốc mặt nước)
Hệ phương trình được giải theo phương pháp sai phân bằng sơ đồ hiện hoặc ẩn tùy theo từng loại công trình
Khác với phương pháp sử dụng dòng chảy đều, phương pháp giải theo quan niệm dòng chảy không ổn định có ưu điểm:
+ Phản ánh mối quan hệ tác động giữa các điều kiện ra vào và tác động của các thành phần thoát nước nội tại
+ Nhìn nhận dòng chảy tính toán đúng bản chất của quy luật tự nhiên
*) Các chỉ tiêu kỹ thuật cần chú ý khi thiết kế hệ thống thoát nước mưa tự chảy
Chiều sâu tối đa của nước mưa chảy trong kênh ở khu vực dân cư là 1m, với phần thành máng cao hơn mực nước từ 0,2 đến 0,4m Tốc độ chảy tối thiểu khi kênh đầy hoàn toàn là từ 0,6 đến 1 m/s Nếu chu kỳ tràn cống Pt lớn hơn 0,5, tốc độ tối thiểu cho phép có thể giảm xuống 0,6 m/s Tốc độ chảy tối đa được xác định dựa trên loại đất và vật liệu gia cố, trong khi độ dốc tối thiểu của cống và kênh mương cũng cần được tuân thủ.
+) Đối với cống nhánh nối vào giếng thu nước mưa i = 0,015 và có thể giảm xuống tới 0,008
+) Đối với cống đặt trong khu vực tiểu khu khi d = 250 – 300 mm, lấy tương ứng bằng 0,01
Đối với cống ngoài phố có đường kính d = 300mm và độ dốc i = 0,004, đường kính tối thiểu của cống ngoài đường phố là 300mm, trong khi cống nhánh và cống tiểu khu có đường kính tối thiểu là 250mm Chiều rộng tối thiểu của mương máng là 0,3m và chiều cao tối thiểu là 0,4m, với độ nghiêng của thành máng được xác định theo quy định Độ dốc tối thiểu của mương máng hở cũng cần được tuân thủ.
+) Rãnh ở phần đường có lớp phủ bằng bê tông atphan: 0,003
+) Rãnh ở phần đường có lớp phủ bằng đá dăm: 0,004
+) Rãnh ở phần đường có lớp phủ bằng đá cuội: 0,005
+) Các mương rãnh riêng biệt: 0,003
2.2.2 Đặc điểm các công trình trên hệ thống thoát nước mưa
2.2.2.1 C ố ng và kênh m ươ ng
Đối với cống nhỏ và trung bình có đường kính dưới 1200mm, việc chọn tiết diện tròn là hợp lý nhất về mặt thủy lực và kết cấu Nên sử dụng cống sản xuất bằng phương pháp ly tâm với chiều dài khoảng 4m để giảm thiểu số lượng mối nối, trong đó mối nối tối ưu là gioăng cao su Bên trong ống cần đảm bảo độ nhám cho phép để không ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển nước theo tính toán.
Khi thiết kế cống lớn, việc chọn tiết diện tròn có thể dẫn đến việc ống được đặt quá sâu Ngược lại, nếu chọn kiểu cống hộp với chiều cao nhỏ, cấu trúc tấm đan nắp cống sẽ trở nên tốn kém.
Có thể chọn tiết diện có hình nửa elip hoặc hình vòm vừa đảm bảo thoát được nước lớn lại đảm bảo chiều cao hợp lý
Khi cải tạo kênh mương thành cống kín, nên chọn kiểu tiết diện cho phép người quản lý đi lại và kết hợp với các công trình kỹ thuật khác Kiểu tiết diện này không chỉ hợp lý về mặt thủy lực mà còn về kết cấu Tuy nhiên, kiểu tiết diện cuối chỉ nên áp dụng khi không có tải trọng bên trên.
Trong trường hợp kênh mương hở, việc gia cố cả bờ và đáy là rất cần thiết Hiện nay, chúng ta thường chỉ chú trọng đến việc gia cố bờ mà ít quan tâm đến đáy Tuy nhiên, gia cố đáy đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường dòng chảy và tạo điều kiện thuận lợi cho việc nạo vét bùn.
Hình 2.3 Kênh mương thoát nước mưa
2.2.2.2 Rãnh và m ươ ng máng
Rãnh và mương máng là các công trình thiết yếu để vận chuyển nước mưa, thường có tiết diện hình thang, chữ nhật, vuông, tam giác hoặc bán nguyệt Chúng có chế độ thủy lực tốt, dễ dàng trong việc quản lý và nạo vét, đồng thời có chi phí xây dựng thấp.