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 dùng 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 mực nước nguồn bất kỳ. Mặt cắt ngang của nó có thể hình tròn hoặc chữ nhật, làm bằng bê tông cốt 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 từ 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 quan trọng 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 đọng 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:

ρ≤0,11(1−sCgv−−√)4,3v3gsD( 12 - 3 )

Trong đó: ρlà hàm lượng bùn cát của nước sông, kg/m3 , s- độ thô thủy lực trung

bình của bùn cát, m/s ; v - vận tốc tính toán của dòng nước trong ống, m/s ; D - đường kính ống, m ; C - hệ số sê di ; g - gia tốc trọng trường , m/s2.

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.

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, biên độ giao động mực nước sông nhỏ và giao động chậm. Kênh dẫn có hai loại : không tự điều tiết và tự đièu 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, ở 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.

Hình 7

Hình 12 - 6. Sơ đồ kênh tự và không tự điều tiết.

a - kênh không tự điều tiết ;  - kênh tự điều tiết.

1- nguồn nước; 2- kênh; 3- nhà máy bơm; 4- ống hút; 5- tràn ; 6- cửa lấy nước;

a - a: đáy kênh; b - b và d - d: đường mặt nước khi Qmax và khi Q = 0; c-c : bờ kênh.

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, ) .

Do đỉnh kênh nằm ngang nên khi máy bơm không làm việc ( Qk = 0 ) thì nước 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. Loại kênh nầy thường được dùng khi lấy nước từ hồ và từ kênh. Khi khởi động hoặc dừng máy 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 dùng khi đá cứng )

Sử dụng biện pháp nào cần thông qua tính toán kinh tế - kỹ thuật mà quyết định.

Tính toán thủy lực kênh dẫn theo dòng đều và kiểm tra điều kiện không xói không lắng trong kênh.

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 lổ 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 không có bệ néo phải nhỏ hơn góc ma sát trong của đất nền (  ); nghĩa là:

tg > m = tg = f/k( 12 - 7 )

Trong đó: 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 vỡ 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 ( ZỐ )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 cung 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.

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 một góc 1,50 .

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

Hình 11

Hình 12 - 9. Nối hai đoạn ống bê tông cốt thép .

1,2- phần mở rộng của đầu ống; 3- phần tựa; 4- vòng chống rò nước.

Hình 12

Hình 12 -10. Kết cấu ống lồng thép.

Hình 13

Hình 12 - 11. Mặt cắt ống bê tông cốt thép đổ liền khối.

1- thân ống; 2,3- lọc ngược; 4- ồng bê tông amian ; 5- lớp lót bằng bê tông thô.

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:

d=5+0,08.Do+0,2.Htt,( cm )( 12 - 8 )

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 có phương tiện vận tải qua lại, còn những khu đất khác thì phủ lớp đất trên ống là ít nhất là 0,5 m.

Hình 14

Hình 12 - 12. Khớp biến dạng.

a- nối bê tông đặt; - nối mềm: 1- vữa xi măng; 2- bi tum; 3- cao su định hình.

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 đúc 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 han 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 thỏa mãn điều kiện (12 - 7). Nếu không thỏa 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 có 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 néo ( 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 hở ( dùng các vòng thép hàn vào ống và chôn các đầu của vòng thép vào bê tông để néo ống, Hình 12 - 13,b ).

Hình 15

Hình 12 - 13. Mố néo kín và mố néo hở

Để đở đường ống giữa các mố néo khỏi võng 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 16

Hình 12 - 14. Các loại mố đỡ đường ống.

được dùng cho ống có đường kính ống nhỏ hơn 1 m, để giảm ma sát ta đặt tấm 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 nầy không trình bày trùng lặp.

Để tiện cho việc lắp ráp sữa chữa, khoảng cách từ đáy ống đến mặt đất lấy  0,6 m.

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 loe ra ngoài đầu ống không loe, giữa khe hở của chúng đặt các vật chống rò nước làm bằng sợi đay 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 dẽo 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 dẽo 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.

Đường kính ống nếu lấy lớn sẽ tăng giá thành nhưng lại giảm tổn thất năng 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 cần phải thông qua so sánh phương án với 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 tổn quản lí nhỏ nhất:

C = aE + bK( 12 - 9 )

Ở đây : a - giá thành 1 kWh điện lượng tiêu thụ;

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 sữa chữa tính theo % vốn đầu tư K.

Tổng chi phí điện lượng E tính theo công suất sau:

E=∫0T9,81.htthtbQdt=9,81k.htb∫0TQ3dt( 12 - 10 )

Trong công thức:

Q - lưu lượng của đường ống từng thời gian;

htt - tổn thất cột nước trên 1 m đường ống;

k - đặc tính lưu lượng đơn vị;

T - thời gian làm việc của ống đẩy trong năm;

htb=hb.hdc.htd.hmlà hiệu suất trạm bơm gồm: hiệu suất máy bơm, hiệu suất động cơ điện, hiệu suất truyền động và hiệu suất lưới ( hiệu suất lưới tính từ tủ phân phối đến động cơ điện, thường lấy hm= 0,98 ... 1 ).

Để đơn giản tính toán dựa vào biểu đồ lưu lượng nước dùng dạng bậc thang đưa biểu thức dưới dấu tích phân thành: ∫0TQ3dt=q3tb.T,đưa về sai phân ta có:

qtb=∑ni=1(Q3iti)∑ni=1ti−−−−−−−−√3vậy E = 9,81nhtbq3tbT

Để xác định đường kính kinh tế của ống theo nguyên tắc phí quản lý nhỏ nhất thường dùng phương pháp đồ giải như Hình 12 - 15 sau:

Cmin=(aE+bK)min

Hình 17

Hình 12 - 15. Đồ giải xác địng đường kính ống kinh tế.

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 Dktứng với Cmin.

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 ( Hình12 -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 18

Hình 12 - 16. Sơ đồ bể tháo trang bị van nắp.

1- ống đẩy; 2- ống thông khí; 3- van nắp; 4- rãnh đặt sữa chữa; 5- cầu công tác;

6- giếng làm lặng nước; 7- kênh tháo.

Hình 19

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 20

Hình 12 - 18.Sơ đồ bể tháo trang bị van phẳng đóng nhanh.

1- ống đẩy; 2- ngưỡng lỗ tràn; 3- tời điện; 4- cầu trục; 5,6- van sữa chữa và van chính.

Hình 21

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 lọai 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.

Bể tháo trang bị thiết bị đóng mở cơ khí nhờ có hình dạng 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 mực nước và lưu lượng. Nhược điểm của nó là rò nước qua khe hở ở các bộ phận chống rò và qua các cửa 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 va đập giữa nắp với vòng chống rò cũng như để mở van được hoàn toàn

Hình 22

Hình 12 - 20. Sơ đồ van nắp có đối trọng.

1- đoạn loe cửa ra; 2- đĩa; 3- bản lề; 4- đối trọng; 5- ống thông khí.

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 nữa 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 phần 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 mực 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 cung, dùng lọai 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 mực nước thấp nhất trong bể;

- Bảo đảm dòng chảy ra khỏi ống đẩy ở 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 23

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 phần ra ống đẩy 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 sữa chữa;

c - Mép trên cửa ra ống đẩy đặt dưới mực nước thấp nhất trong bể ít nhất một độ sâu bằng ( 3 ... 4 ) V2ra2gthì 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 lỡ. 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:

hng.min=(3L4)V2ra2g, ( m ) và phải  0,1 m.

Trong công thức: Vra=4Qp.D20, ( m/s ), thường trong khoảng từ 1,5 ... 2 m/s

D0 = ( 1,1 ... 1,2 ) D - đường kính cửa ra ống, D- đường kính ống, ( m ).

* Độ sâu nhỏ nhất trong giếng tiêu năng của bể tháo tính theo công thức sau:

Hgi.min=D0+hgi.min+p, ( m )

Trong đó p là khoảng cách từ mép dưới miệng ra ống đẩy đến đáy bể. Tùy theo cấu

tạo nắp ống đẩy của bể tháo, khi có vật chống rò thì lấy p = 0,2 ... 0,3 m.

* Chiều cao thềm ra của giếng tiêu năng được tính theo công thức:

ht=Hgi.min−hkmin, ( m )

Trong đó hkminlà độ sâu nhỏ nhất trong kênh, ( m ).

* Độ sâu lớn nhất của giếng tiêu năng:

Hgi.max=ht+hk.max, ( m )

Trong đó: hk.maxlà độ sâu lớn nhất trong kênh, ( m ).

* Độ ngập sâu lớn nhất của mép trên miệng ra ống xả:

hng.max=Hgi.max−D0−p, ( m )

* Chiều cao phía trong tường bể tháo là:

Hb=Hgi.max+a, ( m )

Trong đó : a là độ cao an toàn, lấy theo bảng sau:

* Chiều dài giếng tiêu năng tính theo công thức sau:

Lb=k.hng.max, ( m )

Trong đó : k là hệ số phụ thuộc vào dạng của thềm ra khỏi giếng tiêu năng, hình dạng tiết diện miệng ra ống đẩy, hình dạng và chiều cao của thềm, lấy theo bảng 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 :

Lk=(4...5)hk.max, ( m ).

* Khoảng cách giữa các tâm miệng ra ống đẩy:

B=D0+2b+d, ( m )

Trong đó : b - khoảng cachs từ mép ống đẩy đến trụ pin, lấy như sau:

loại van tự đóng nhanh b = 0;

loại van nắp cánh bướm b = 0,5 m;

loại nắp ống đẩy có chốt bản lề phía trên b = 0,3 ... 0,4 m.

d - chiều dày trụ pin ở bể tháo lấy từ 0,6 ... 0,8 m;

n - số lượng đường ống đẩy nối với bể tháo.

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 nầy càng có ý nghĩa;

- Làm việc tự động và bảo đảm an toàn;

- Tổn thất thủy lực tương đối nhỏ.

Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của loại 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 mực nước bể nhỏ nhất không được quá 6 m và khi máy bơm làm việc không được rơi 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  ).

Hình 24

Hình 12 - 22. Các sơ đồ bể tháo xi phông.

a, - xi phông tiết diện tròn và xi phông tiết diện chữ nhật: 1- ống đẩy; 2,5 - nhánh lên

và nhánh xuống; 3- nắp để đặt van phá chân không; 4- họng xi phông; 6- đoạn ra.

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 a = ( 2 ... 3 ) V2max2gvà không nhỏ hơn 0,2 m, trong đó Vmaxlà vận tốc lớn nhất chảy ra miệng xi phông ( xem Hình c ở trên );

- Đỉnh dưới họng xi phông phải cao hơn mực nước lớn nhất một khoảng  = 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 [ V ] =3,4 Rh−−−−√, ( m/s ). Trong đó Rhlà 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 phá chân không.

Khi làm đường ống cong ở đỉnh xi phông ( Hình a trên ) có ma sát nhỏ nhất khi lấy:

r2h=r1h+0,6. Với ống ghép gãy khúc ( Hình b trên ) gồm hai đoạn có góc 450 thì ma sát nhỏ nhất khi rh= 1,5 ( 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 100;

- Ống nối với xi phông không nên đặt quá dốc, thường lấy 15 ... 180để khỏi trượt

- Độ dốc nhánh lên và nhánh xuống của xi phông nếu lấy càng dốc thì tuy 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 đáy 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. Chiề̀u 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 phá chân không và nguyên lý làm việc

Van phá chân không là bộ phận bảo 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.

Hình 25

Hình 12 - 23. Các sơ đồ van thủy lực phá chân không.

1- ống đo áp, 2 - ống dẫn khí ;3- ống nối.

Đây là loại 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 qua 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 đứng.

* 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 tròn với đường kính d;

+ Tiết diện ống trụ chọn gấp ( 2 ... 3 ) d. Ống trụ đặt trên bệ 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 cao hơn mực nước thấp nhất trong bể tháo một đoạn bằng 0,5 V2ra2g.

Hình 26

Hình 12 - 24. Sơ đồ tính toán van thủy lực phá chân không.

* Xác định mực nước trong ống trụ ( Hình 12 - 24 )̣:

Viết phương trình Becnully cho hai mặt cắt II - II ( tại họng xi phông ) và III - III (tại cửa ra ống đẩy) cho hai trường hợp chảy thuận và chảy ngược:

- Trường hợp chảy thuận để xác định độ dâng nước thuận Zth:

Z2−Hck+V2h.th2g=V232g+hw.th( * )

Mực nước trong ống trụ sẽ dâng lên một độ cao Zthtrên mực nước lớn nhất của bể :

Zth=Z2−Hch+kth.V2h.th2g