Tính toán dao động của trạm bơm long biên bằng phương pháp phần tử hữu hạn

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, luận văn Thạc sĩ chun ngành xây
dựng cơng trình thủy với đề tài “Tính tốn dao động của trạm bơm Long Biên
bằng phương pháp phần tử hữu hạn” tác giả đã hoàn thành luận văn với sự giúp
đỡ nhiệt tình của các thầy cơ giáo trường Đại học Thủy Lợi, đặc biệt là các thầy cô
giáo trong khoa Công trình, bộ mơn Sức bền - Kết cấu.
Tác giả đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo TS. Nguyễn
Ngọc Thắng Bộ môn Sức bền - Kết cấu đã tận tình hướng dẫn, cung cấp nhiều tài
liệu cũng như chỉ bảo tận tình cho tác giả nhiều vấn đề quý báu trong quá trình thực
hiện luận văn này. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và gia đình
đã giúp đỡ, động viên khích lệ để luận văn này được hồn thành.
Q trình làm luận văn là một thời gian tốt để tác giả hệ thống lại các kiến
thức mà mình đã học tập được tại trường và áp dụng những kiến thức mà mình đã
học tập được vào thực tế sản xuất. Thông qua luận văn tác giả cũng biết được nhiều
hơn về việc nghiên cứu và trình bày một đề tài khoa học.
Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu làm luận văn cũng như trình độ cịn hạn
chế nên luận văn khơng tránh khỏi những thiếu sót và tồn tại, tác giả rất mong nhận
được sự đóng góp quý báu của các thầy, các cô và các nhà khoa học cũng như bạn
bè đồng nghiệp. Tác giả rất mong những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát
triển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn để góp phần đưa kiến thức khoa học vào phục
vụ đời sống sản xuất.
Tác giả xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội, tháng 11 năm 2012
Tác giả

Trần Quang Công


BẢN CAM KẾT
Tơi xin cam kết đây là cơng trình khoa học nghiên cứu của riêng cá nhân

Tôi. Kết quả nêu trong luận văn này là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, khơng sao
chép từ cơng trình nghiên cứu khoa học nào khác.
Nếu nội dung luận văn không đúng với cam kết này, Tơi xin hồn tồn chịu
trách nhiệm.
Hà Nội, tháng 11 năm 2012
Tác giả

Trần Quang Công


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TRẠM BƠM TẠI VIỆT NAM .............................3 
1.1. GIỚI THIỆU TRẠM BƠM [3] .........................................................................3 
1.1.1. Vị trí quan trọng của các trạm bơm ..................................................................3 
1.1.2. Hiện trạng quy hoạch của các trạm bơm...........................................................5 
1.1.3. Hiện trạng công trình trạm ................................................................................7 
1.2. CÁC HẠNG MỤC CỦA TRẠM BƠM ............................................................8 
1.2.1. Nhà trạm bơm....................................................................................................8 
1.2.2. Bể hút, bể xả......................................................................................................8 
1.2.3. Hệ thống kênh dẫn, kênh xả..............................................................................8 
1.2.4. Nhà quản lý .......................................................................................................8 
1.2.5. Đường dây điện cao thế và hạ thế .....................................................................9 
1.2.6. Các hạng mục điều tiết và hỗ trợ ......................................................................9 
1.3. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRẠM BƠM..........................................................9 
Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG VÀ DAO ĐỘNG ..............................................................................13 
2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT - BIẾN
DẠNG [5], [7]...........................................................................................................13 
2.1.1. Các phương pháp giải tích ..............................................................................13 
2.1.2. Các phương pháp thực nghiệm .......................................................................20 

2.1.3. Phương pháp số ...............................................................................................20 
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN DAO ĐỘNG [8], [9], [10] ................22 
2.2.1. Khái niệm và phân loại dao động....................................................................22 
2.2.2. Các phương pháp tính tốn dao động..............................................................25 
2.3. GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (PTHH) ...............32 
2.3.1. Khái niệm cơ bản [5], [10] ..............................................................................32 


2.3.2. Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn ......................................33 
2.4. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TÍNH TỐN KẾT CẤU SỬ DỤNG TRONG
LUẬN VĂN [4] ........................................................................................................36 
2.4.1. Giới thiệu phần mềm sử dụng .........................................................................36 
2.4.2. Mơ hình hóa kết cấu sử dụng trong phần mềm...............................................37 
Chương 3. ÁP DỤNG TÍNH TỐN DAO ĐỘNG CHO TRẠM BƠM LONG
BIÊN – HÀ NỘI ......................................................................................................41 
3.1. GIỚI THIỆU TRẠM BƠM LONG BIÊN – HÀ NỘI ..................................41 
3.1.1. Đặc điểm khí hậu ............................................................................................41 
3.1.2. Đặc điểm địa chất............................................................................................43 
3.2. SƠ ĐỒ TÍNH TỐN DAO ĐỘNG TRẠM BƠM LONG BIÊN – HÀ NỘI44 
3.2.1. Sơ đồ tính tốn ................................................................................................44 
3.2.2. Các thơng số đầu vào của mơ hình tính tốn ..................................................44 
3.2.3. Các trường hợp tính tốn.................................................................................45 
3.3. KẾT QUẢ TÍNH TỐN DAO ĐỘNG TRẠM BƠM LONG BIÊN –
HÀ NỘI ....................................................................................................................46 
3.3.1. TH tĩnh: Tải trọng bản thân tấm + bốn máy bơm đặt tĩnh tải. ........................46 
3.3.2. TH1: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 1 hoạt động. ........................48 
3.3.3. TH2: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 2 hoạt động. ........................51 
3.3.4. TH3: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 1 và máy bơm số 2 cùng hoạt
động...........................................................................................................................53 
3.3.5. TH4: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 1 và máy bơm số 3 cùng hoạt

động...........................................................................................................................56 
3.3.6. TH5: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 1 và máy bơm số 4 cùng hoạt
động...........................................................................................................................58 
3.3.7. TH6: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 2 và máy bơm số 3 cùng hoạt
động...........................................................................................................................61 


3.3.8. TH7: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 1, máy bơm số 2 và máy bơm
số 3 cùng hoạt động...................................................................................................63 
3.3.9. TH8: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 1, máy bơm số 2 và máy bơm
số 4 cùng hoạt động...................................................................................................66 
3.3.10. TH9: Trọng lượng bản thân tấm + cả bốn máy bơm cùng hoạt động...........68 
3.4. PHÂN TÍCH VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ TÍNH TỐN .............................76 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................80 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................82 


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng n: nhìn từ phía bể hút ..................9 
Hình 1-2: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng Yên: nhìn từ phía bể xả..................10 
Hình 1-3: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng n: phía bên trong nhà máy.........10 
Hình 1-4: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng Yên: nhà trạm bơm ........................11 
Hình 1-5: Trạm bơm Triều Dương – Tiên Lữ –Tỉnh Hưng n: nhìn từ phía bể xả ...... 11 
Hình 1-6: Trạm bơm Liên Nghĩa – Văn Giang –Tỉnh Hưng Yên: phối cảnh nhà trạm 12 
Hình 1-7: Trạm bơm Kênh Vàng – Lương Tài –Tỉnh Bắc Ninh: nhìn từ phía bể xả ... 12 
Hình 2-1: Các thành phần nội lực của tấm................................................................15 
Hình 2-2: Mơ hình phần tử tấm tứ giác 4 nút ...........................................................38 
Hình 2-3: Hệ tọa độ địa phương của phần tử tấm tứ giác.........................................38 
Hình 2-4: Quy ước nội lực, lực dọc trục và lực cắt...................................................40 
Hình 2-5: Quy ước nội lực mơ men ..........................................................................40 

Hình 3-1: Sơ đồ tính tốn dao động sàn trạm bơm Long Biên .................................44 
Hình 3-2: Biểu đồ mơ men M11 – TH tĩnh...............................................................46 
Hình 3-3: Biểu đồ mơ men M22 – TH tĩnh...............................................................46 
Hình 3-4: Biểu đồ lực cắt V13 – TH tĩnh..................................................................47 
Hình 3-5: Biểu đồ lực cắt V23 – TH tĩnh..................................................................47 
Hình 3-6: Biểu đồ chuyển vị Uz – TH tĩnh ...............................................................48 
Hình 3-7: Biểu đồ mơ men M11 – TH1....................................................................48 
Hình 3-8: Biểu đồ mơ men M22 – TH1....................................................................49 
Hình 3-9: Biểu đồ lực cắt V13 – TH1.......................................................................49 
Hình 3-10: Biểu đồ lực cắt V23 – TH1.....................................................................50 
Hình 3-11: Biểu đồ chuyển vị Uz – TH1...................................................................50 
Hình 3-12: Biểu đồ mơ men M11 – TH2..................................................................51 
Hình 3-13: Biểu đồ mô men M22 – TH2..................................................................51 


Hình 3-14: Biểu đồ lực cắt V13 – TH2.....................................................................52 
Hình 3-15: Biểu đồ lực cắt V23 – TH2.....................................................................52 
Hình 3-16: Biểu đồ chuyển vị Uz – TH2...................................................................53 
Hình 3-17: Biểu đồ mơn men M11 – TH3................................................................53 
Hình 3-18: Biểu đồ mơn men M22 – TH3................................................................54 
Hình 3-19: Biểu đồ lực cắt V13 – TH3.....................................................................54 
Hình 3-20: Biểu đồ lực cắt V23 – TH3.....................................................................55 
Hình 3-21: Biểu đồ chuyển vị Uz – TH3...................................................................55 
Hình 3-22: Biểu đồ mơn men M11 – TH4................................................................56 
Hình 3-23: Biểu đồ mơn men M22 – TH4................................................................56 
Hình 3-24: Biểu đồ lực cắt V13 – TH4.....................................................................57 
Hình 3-25: Biểu đồ lực cắt V23 – TH4.....................................................................57 
Hình 3-26: Biểu đồ chuyển vị Uz – TH4...................................................................58 
Hình 3-27: Biểu đồ mơn men M11 – TH5................................................................58 
Hình 3-28: Biểu đồ mơn men M22 – TH5................................................................59 

Hình 3-29: Biểu đồ lực cắt V13 – TH5....................................................................59 
Hình 3-30: Biểu đồ lực cắt V23 – TH5....................................................................60 
Hình 3-31: Biểu đồ chuyển vị Uz – TH5...................................................................60 
Hình 3-32: Biểu đồ mơn men M11 – TH6................................................................61 
Hình 3-33: Biểu đồ mơn men M22 – TH6................................................................61 
Hình 3-34: Biểu đồ lực cắt V13 – TH6....................................................................62 
Hình 3-35: Biểu đồ lực cắt V23 – TH6....................................................................62 
Hình 3-36: Biểu đồ chuyển vị Uz – TH6...................................................................63 
Hình 3-37: Biểu đồ mơn men M11 – TH7................................................................63 
Hình 3-38: Biểu đồ mơn men M22 – TH7................................................................64 
Hình 3-39: Biểu đồ lực cắt V13 – TH7....................................................................64 
Hình 3-40: Biểu đồ lực cắt V23 – TH7....................................................................65 


Hình 3-41: Biểu đồ chuyển vị Uz – TH7...................................................................65 
Hình 3-42: Biểu đồ mơn men M11 – TH8................................................................66 
Hình 3-43: Biểu đồ mơn men M22 – TH8................................................................66 
Hình 3-44: Biểu đồ lực cắt V13 – TH8.....................................................................67 
Hình 3-45: Biểu đồ lực cắt V23 – TH8.....................................................................67 
Hình 3-46: Biểu đồ chuyển vị Uz – TH8...................................................................68 
Hình 3-47: Biểu đồ mơn men M11 – TH9................................................................68 
Hình 3-48: Biểu đồ mơn men M22 – TH9................................................................69 
Hình 3-49: Biểu đồ lực cắt V13 – TH9.....................................................................69 
Hình 3-50: Biểu đồ lực cắt V23 – TH9.....................................................................70 
Hình 3-51: Biểu đồ chuyển vị Uz – TH9...................................................................70 


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3-1: Nhiệt độ khơng khí trạm Láng (oC)..........................................................42 
Bảng 3-2: Đặc trưng độ ẩm tương đối trên khu vực theo số liệu thống kê của ........42 

trạm khí tượng đại biểu trên khu vực (%).................................................................42 
Bảng 3-3: Lượng mưa tại trạm Láng (mm)...............................................................43 
Bảng 3-4: Tốc độ gió ở Láng (m/s)...........................................................................43 
Bảng 3-5: Bảng tổng hợp kết quả mô men ...............................................................71 
Bảng 3-6: Bảng tổng hợp kết quả lực cắt, ứng suất và chuyển vị.............................72 
Bảng 3-7: Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị của các điểm đặt máy bơm.................73 
Bảng 3-8: Bảng tổng hợp kết quả dạng dao động riêng của sàn đặt máy bơm.........74 
Bảng 3-9: Bảng tổng hợp kết quả nội lực của điểm đặt máy bơm số 1 ....................74 
Bảng 3-10: Bảng tổng hợp kết quả nội lực của điểm đặt máy bơm số 2 ..................75 
Bảng 3-11: Bảng tổng hợp kết quả nội lực của điểm đặt máy bơm số 3 ..................75 
Bảng 3-12: Bảng tổng hợp kết quả nội lực của điểm đặt máy bơm số 4 ..................76 
Bảng 3-13: Bảng tổng hợp kết quả phân tích hiện tượng cộng hưởng .....................77 


1

MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu
Việt Nam là một nước nơng nghiệp mà thuỷ lợi đóng vai trò quan trọng hàng
đầu. Bốn mươi năm qua kể từ năm 1960, ngành thuỷ lợi đã xây dựng được rất nhiều
trạm bơm, cơ bản khép kín khu vực tưới đồng bằng Bắc bộ giải quyết tiêu úng ở
một số vùng trọng điểm.
Trạm bơm được sử dụng với mục đích chính là cung cấp nước và tiêu thốt
nước nói chung; đối với ngành nơng nghiệp và hệ thống thủy nơng thì trạm bơm có
vai trị là cơng trình đầu mối cung cấp nước cho hệ thông thủy lợi để phục vụ cơng
tác tưới tiêu của những diện tích trong lưu vực. Chỉ tính riêng 17 tỉnh, thành phố
khu vực đồng bằng Bắc Bộ và Bắc khu bốn cũ xây dựng được 39 hệ thống cơng
trình thuỷ lợi lớn; 120 hệ thống vừa và nhỏ; 3677 trạm bơm với 10322 máy bơm
các loại từ 540m3/h đến 32000m3/h sản xuất từ nhiều nước: Liên Xô (cũ); Hunggari;
Rumany; Triều Tiên; Pháp và một khối lượng khá lớn bơm Việt Nam tự sản xuất.

Ngoài ra, cịn có hàng nghìn máy bơm nhỏ hoạt động ở khắp nơi trong nước trong
đó cơng suất thiết kế cho tưới là 230.000 KW, cho tiêu 300.000KW (báo cáo công
tác thuỷ lợi 6/99 của Cục quản lý nước và công trình thuỷ lợi).
Hiện nay trong quá trình sử dụng máy bơm và trạm bơm nhiều đề tài nghiên
cứu đã được thực hiện, cải tiến hoàn thiện chế tạo bơm, thiết kế xây dựng trạm
bơm. Nhiều công nghệ mới đã được áp dụng, ngày càng tạo cho ngành những loại
máy bơm thích hợp hơn, hiệu suất cao hơn, kết cấu cơng trình và hệ thống hợp lý
hơn. Do sự phát triển hết sức nhanh chóng làm nảy sinh hàng loạt vấn đề về chế tạo
bơm, quản lý, vận hành, bảo dưỡng máy bơm, kỹ thuật điều hành trạm bơm. Mặt
khác khi đầu tư xây dựng trạm bơm thì chủ đầu tư cần phải đầu tư một khoản kinh
phí khá lớn do vậy ngồi việc xem xét vị trí đặt trạm bơm, nghiên cứu địa chất thủy
văn lưu vực tưới tiêu thì các u cầu về tính tốn kết cấu, ổn định cơng trình, trạng
thái ứng suất biến dạng và dao động của trạm bơm trong quá trình vận hành sử dụng
dưới tác dụng của các loại tải trọng (tải trọng động, tải trọng tĩnh ... ) phải thỏa mãn


2

điều kiện bền, cứng và ổn định đồng thời đảm bảo tính hiệu quả kinh tế cao là rất
cần thiết.
Tuy nhiên hiện nay việc thiết kế trạm bơm của các đơn vị tư vấn thiết kế hầu
như không xét đến bài toán dao động của trạm bơm. Mặt khác trong q trình vận
hành nếu khơng tính tốn sự vận hành hợp lý của các máy có thể xảy ra trường hợp
tần số dao động kích thích của các máy bơm vận hành trùng với tần số dao động
riêng của nhà trạm. Nếu hai tần số dao động này trùng nhau thì hiện tượng cộng
hưởng sẽ xảy ra và gây hư hỏng nghiêm trọng đến máy bơm và nhà trạm.
Đối với trạm bơm căn cứ vào kết cấu móng nhà trạm có thể chia thành hai
loại: nhà trạm móng rời (là loại có móng tách rời khung) và nhà trạm móng liền (là
loại có móng máy và khung nhà liền một khối). Trong khuôn khổ luận văn, trạm
bơm tác giả áp dụng tính tốn thuộc dạng nhà trạm móng rời và tác giả chỉ thực

hiện tính tốn phần móng rời này; coi phần móng đặt máy bơm như một tấm chịu
uốn chữ nhật đẳng hướng.
Do vậy đề tài: “Tính tốn dao động của trạm bơm Long Biên bằng
phương pháp phần tử hữu hạn” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao nhằm giúp
các nhà tư vấn thiết kế, quản lý vận hành sử dụng lựa chọn giải pháp phù hợp khi
đầu tư xây dựng cũng như quản lý vận hành trạm bơm sao cho trạm bơm vừa đảm
bảo vận hành ổn định vừa đem lại hiệu quả kinh tế cao là việc làm hết sức quan
trọng và cấp thiết.
2. Những u cầu đặt ra
Tính tốn trạm bơm chịu tác dụng của tải trọng động từ đó đề xuất cách bố
trí, vận hành máy bơm hợp lý và tối ưu hơn.
3. Những vấn đề cần giải quyết
- Tính tốn, phân tích trạng thái ứng suất biến dạng và dao động của trạm
bơm khi chịu tác dụng của tải trọng động.
- Lựa chọn được phương án tối ưu nhất khi vận hành trạm bơm.


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRẠM BƠM TẠI VIỆT NAM
1.1. GIỚI THIỆU TRẠM BƠM [3]
1.1.1. Vị trí quan trọng của các trạm bơm
Bơm nước phục vụ tưới tiêu trong nông nghiệp được xây dựng và phát triển
ở Việt Nam từ những năm 60 của thế kỷ trước và chủ yếu tập trung đa số ở hai vùng
Đồng bằng bắc bộ và Bắc khu bốn cũ. Những trạm bơm này hiện nay vẫn đang
được sử dụng và phát huy tác dụng.
16 tỉnh và thành phố thuộc đồng bằng Bắc bộ và Bắc khu 4 cũ là những tỉnh
trọng điểm về sản xuất nông nghiệp của miền Bắc nước ta, nhưng lại có địa hình
phức tạp và khí hậu khắc nghiệt, thường xun úng hạn, rất khó khăn cho sản xuất.
Vì vậy ở đây công tác thuỷ lợi đã đặc biệt được chú ý trong đó các trạm bơm điện

thực sự được quan tâm và là biện pháp cơng trình chủ yếu trong việc tưới tiêu nước
cho cây trồng. Nhiều tỉnh gần như 100% dùng bơm để tạo nguồn và đưa nước vào
mặt ruộng; ví dụ: hệ thống thuỷ nơng Bắc Nam Hà năng lực thiết kế tưới là 63.000
ha, trong đó tưới bằng động lực (bơm) là 58.288 ha (tỷ lệ tưới bằng máy bơm là
92,5 %); hệ thống thuỷ nông Bắc Đuống năng lực thiết kế tưới là 50.348 ha và toàn
bộ 50.348 ha được tưới bằng máy bơm (tỷ lệ tưới bằng máy bơm là 100%).
Sản xuất nông nghiệp phát triển, số trạm bơm, máy bơm được xây dựng và
đưa vào sử dụng hàng năm đều tăng lên:
- Trước năm 1965 có 194 trạm bơm bao gồm 642 máy các loại.
- Từ năm 1966 đến 1975 xây dựng và đưa vào sử dụng 507 trạm gồm 1880 máy.
- Từ năm 1976 đến 1985 xây dựng và đưa vào sử dụng 712 trạm gồm 2755 máy.
- Từ năm 1986 đến 1990 xây dựng và đưa vào sử dụng 764 trạm gồm 2156 máy.
- Từ năm 1991 đến 1999 xây dựng và đưa vào sử dụng 2787 trạm gồm 5872 máy.
Cho tới nay, tổng số máy bơm của các tỉnh Đồng bằng sông Hồng và Bắc
khu 4 cũ là 13.305 máy, chưa kể những máy bơm di động và những trạm bơm nhỏ
do dân tự làm, sử dụng trong phạm vi hợp tác xã.


4

Các máy bơm hiện đang sử dụng rất đa dạng về chủng loại, về hình thức kết
cấu (trục đứng, trục ngang, trục xiên …) và về công suất thiết kế; hầu hết những
bơm lớn có cấu tạo phức tạp và có trang bị kỹ thuật tương đối hồn chỉnh nhập của
nước ngoài và sản xuất trong nước đều tập trung ở đây.
Hiệu quả của các cơng trình thuỷ lợi và của các trạm bơm điện nói riêng đối
với sản xuất nông nghiệp ở Đồng bằng bắc bộ và Bắc khu 4 cũ là vô cùng to lớn.
Vùng bắc Nam Hà (nay thuộc hai tỉnh Hà Nam và Nam Định) trước kia do
thường xuyên bị úng hạn nên diện tích gieo cấy vụ chiêm xuân chỉ có khoảng
38.000 ha và năng xuất bình quân chỉ đạt 18 tạ/ha. Vụ mùa gieo cấy 21.000 ha,
năng xuất đạt 16 tạ/ha; tổng sản lượng cả năm bình quân là 104.000 tấn.

Sau khi xây dựng và đưa vào hoạt động 6 trạm bơm điện lớn: Cổ Đam, Cốc
Thành, Vĩnh Trị, Hữu Bị, Nhâm Tràm, Như Trác đã đưa diện tích gieo trồng vụ
chiêm xuân lên 45.000 ha, năng xuất đạt 35 tạ/ha và diện tích gieo trồng vụ mùa lên
44.000 ha, năng xuất là 23 tạ/ha; đưa tổng sản lượng từ 104.000 tấn lên 250.000
tấn, chưa kể trên 10.000 ha cây vụ đông hàng năm.
Hệ thống thuỷ nông sông Nhuệ thuộc địa phận của các tỉnh: Hà Nội, Hà
Nam, có trên 300 trạm bơm điện, bao gồm khoảng 1.600 máy bơm các loại, cùng
với các cơng trình tự chảy đảm bảo tưới, ổn định cho 81.000 ha đất canh tác trong
hệ thống và tiêu (bằng động lực) là 67.273 ha, trên tổng số diện tích phải tiêu là
107.530 ha.
Hệ thống trạm bơm tiêu úng ở Đồng bằng sơng Hồng cùng với các biện pháp
cơng trình khác đã làm cho sản xuất vụ mùa ở đây tương đối ổn định trong điều
kiện thời tiết bình thường.
Qua thực tế vận hành các cơng trình thuỷ lợi phục vụ sản xuất nông nghiệp
cho thấy các trạm bơm điện là loại hình cơng trình thích hợp cho Đồng bằng sông
Hồng và các tỉnh thuộc Bắc khu 4 cũ. Trạm bơm điện cịn có vị trí đặc biệt quan
trọng trong việc chuyển cơ bản vụ mùa sang vụ hè-thu ở những vùng trũng và thấp.


5

1.1.2. Hiện trạng quy hoạch của các trạm bơm
Trước năm 1954 tồn miền Bắc chỉ có một trạm bơm Phù Sa do người Pháp
đầu tư đưa vào sử dụng từ năm 1932. Tồn trạm có 3 máy bơm ly tâm nhãn hiệu
LIMAX, lưu lượng thiết kế cho một máy là 10.800 m³/h để tưới cho khoảng 10.000
ha thuộc địa bàn tỉnh Sơn Tây.
Sau năm 1954 khi miền Bắc được hoàn tồn giải phóng, nhiều cơng trình
thuỷ lợi lớn, vừa và nhỏ được đồng thời nghiên cứu, quy hoạch và xây dựng đưa
vào sử dụng nhanh chóng đáp ứng nhu cầu tưới, tiêu phục vụ sản xuất nông nghiệp
ở các tỉnh Đồng bằng, Trung du và Bắc khu 4.

Thời kỳ đầu và trong thời gian chiến tranh thực sự chúng ta cịn có hạn chế
về nhiều mặt như: nguồn năng lượng, trình độ chế tạo máy và sản xuất phụ tùng…
là những yếu tố quan trọng để xây dựng và phát triển trạm bơm, cho nên chất lượng
máy và phụ tùng sản xuất trong nước còn chưa tốt, việc tuyển chọn kiểu máy, loại
máy, địa điểm xây dựng trạm … còn có những khía cạnh chưa được thoả đáng; có
khơng ít trạm bơm phải đặt rất nhiều máy bơm nhỏ, chỉ vì chưa có máy bơm cơng
xuất lớn.
Ví dụ: trạm bơm Cống Bún (Bắc Giang) xây dựng năm 1978 phải đặt 82
máy 1000 m³/h; trạm bơm Tân Chi xây dựng năm 1974 đặt 67 máy 1000 m³/h; trạm
bơm Sông Chanh (Nam Định), Đặng Xá (Bắc Ninh) xây dựng năm 1985 có đến 34
máy bơm 4000m³/h…
Máy bơm nhãn hiệu 12LTX-40 (900m³/h) có cột nước bơm thiết kế là 9m do
nhà máy chế tạo bơm Hải Dương sản xuất đã nhất loạt phải sử dụng cho các trạm
bơm nội đồng vùng thấp có cột nước bơm yêu cầu chỉ (3 ÷ 4)m như ở Thái Bình,
Hải Hậu, Bình Lục, Vụ Bản (Nam Định). Vì vậy hiệu suất trạm bơm chỉ đạt dưới
60% gây ra lãng phí rất lớn về năng lượng.
Các trạm bơm lại được xây dựng qua nhiều giai đoạn như trong chiến tranh,
trong thời kỳ cịn khó khăn về kinh tế … cũng làm tăng thêm yếu tố chắp vá, thiếu
đồng bộ đối với việc xây dựng các trạm bơm.


6

Đến nay, 16 tỉnh và thành phố thuộc Đồng bằng sơng Hồng và Bắc khu 4 cũ
đã có 4.964 trạm bơm điện, bao gồm 13.305 máy bơm các loại.
Qua quá trình điều tra cho thấy quá trình phát triển mạnh về sản xuất nông
nghiệp cùng với sự xuống cấp của hầu hết các trạm bơm sử dụng từ những năm
1985 trở về trước làm cho năng lực hiện tại của các trạm bơm không đáp ứng đầy
đủ lượng nước tưới, tiêu theo yêu cầu.
Một số vùng bơm chống úng còn chưa cân đối được giữa khả năng của trạm

bơm với lượng nước trong lưu vực cần tiêu dẫn đến chi phí nhiều mà hiệu quả bơm
bị hạn chế.
Một số trạm bơm tiêu ven sơng có nhiều lý do khác nhau đã để cao trình đặt
máy, cao trình bể xả thấp làm ảnh hưởng đến khả năng tiêu trong giai đoạn nước
sông cao (báo động III).
Về việc phát triển nhiều trạm bơm nội đồng không theo quy hoạch chung
cũng là vấn đề cần quan tâm.
Trong những năm gần đây nhất là từ khi thực hiện cơ chế sản xuất theo hộ
gia đình, bơm nội đồng phát triển quá nhiều cả về hình thức cố định lẫn hình thức
tạm thời trong các hệ thống thuỷ nông chủ yếu là ở cuối kênh và ở những vùng cao
cục bộ.
Ví dụ: ở khu vực thuộc hai tỉnh Hà Nam và Nam Định trong tổng số 1.124
máy bơm loại 1000 m³/h có tới 782 máy bơm của hợp tác xã, trong đó số lớn là do
xã tự xây dựng; ở các tỉnh khác cũng có tình hình tương tự.
Phát sinh nhiều trạm bơm nhỏ nội đồng có nhiều lý do khác nhau; tuy có mặt
tích cực là đáp ứng được nhu cầu sản xuất (xét về mặt tưới, tiêu nước) nhưng đồng
thời cũng gây nên sự lãng phí lớn về năng lượng cũng như thiết bị vật tư tiền vốn…
gây nên sự mất cân bằng giữa năng lực tưới tiêu quá lớn ở nội đồng với khả năng
lấy nước hoặc tiêu nước có hạn của đầu mối, làm cho hiệu quả của hệ thống bơm
giảm thấp và chừng mực nào đó đã làm rối loạn khoanh vùng khu tưới, làm quy
hoạch hệ thống bị đảo lộn, diện tích tưới, khu vực tiêu do đó nhiều khi bị chồng
chéo.


7

Tuy nhiên, những trạm bơm nhỏ nội đồng ngoài quy hoạch sẽ được giảm dần
cùng với việc sửa chữa, phục hồi lại năng lực tưới, tiêu của các trạm bơm; với việc
nạo vét đảm bảo mặt cắt và cao trình đáy thiết kế của kênh dẫn, sửa chữa kịp thời
các cơng trình điều tiết trên kênh… và tiếp tục làm các quy hoạch bước sau để mở

rộng diện tích được tưới, khả năng tiêu trong khu vực.
1.1.3. Hiện trạng công trình trạm
Sau khi thực hiện cơng việc điều tra khảo sát về mặt cơng trình các trạm bơm
điện, điểm nổi bật cần quan tâm là nhiều cơng trình bị nứt, dột, thấm và lún.
Các cơng trình xây dựng từ những năm 60 đều có hiện tượng bị lún về phía
bể xả, độ lún nhỏ (3cm) và không đều nhau như các trạm bơm Cổ Đam, Cốc Thành,
Nhâm Tràng, Như Trác ...Trạm bơm La Khê (Hà Tây) bị lún nhiều nhưng đã ổn
định.
Hiện tượng lún đang xẩy ra nặng nề ở một số trạm bơm mới xây dựng như
Gia Viễn, Vân Đình ... Tại trạm bơm Gia Viễn mức chênh giữa nhà máy với gian
sửa chữa đến 0,5m làm gẫy toàn bộ các ống xả và ray cầu trục. Nhiều trạm bơm cũ
và mới xây dựng, bê tông bị bong, rỗ, hở cốt thép, có hiện tượng cốt thép bị ăn mòn,
tường nứt, trần dập gây thấm và dột ngay trong khu vực nhà máy như các trạm bơm
Hiền Lương, Quy Độ, Bạch Tuyết, Ngoại Độ, Quế, Văn Giang ...
Trạm bơm Hồng Vân và một số trạm khác phần cơng trình nhà trạm khơ,
sạch và cịn khá tốt.
Phần do thấm, phần do bạc chắn nước khơng được kín, nên hầu hết các trạm
bơm lắp máy 8000m³/h đều có tầng hầm bị ngập nước, điều này rất trở ngại cho
việc kiểm tra, theo dõi máy trong vận hành.
Một số trạm bơm cũ nhà trạm kết cấu kiểu hình hộp kích thước gian máy q
chật hẹp, mái lợp ngói hoặc tấm lợp khơng có thơng gió...Mùa hè, nhiệt độ trong
nhà trạm lên đến 40°÷42°C như hầu hết các trạm bơm quy mơ nhỏ loại 1000m³/h
và các trạm bơm lắp máy trục đứng nhập của Liên xơ (cũ) nhãn hiệu 20ΠpB-60 có
ở hệ thống Nam-Hưng-Nghi (Nghệ An).


8

Có thể do việc tính tốn thuỷ lực chưa phù hợp, nên kết cấu bể hút kiểu hình
chữ “V” của một số trạm bơm có quy mơ lớn ở tỉnh Hải Dương đã gây ra thiếu

nước bơm ở hai đầu nhà máy, các máy ở đây khi bơm bị rung mạnh do có nhiều bọt
khí trong bánh xe cơng tác.
Các trạm bơm: Gia Viễn, Như Trác ...do tính tốn hệ thống chắn rác chưa
phù hợp thực tế (rác rất nhiều), nên thường rác lấp đầy cửa hút, mức nước chênh
giữa trước và sau lưới chắn rác lên tới trên dưới 1m, các máy bơm làm việc bị rung
mạnh do hiện tượng xâm thực cục bộ, làm giảm đáng kể tuổi thọ của máy.
Một số trạm bơm trục đứng, khi làm việc máy bị rung cịn có thể do ngun
nhân: khi thi cơng buồng hút đã vơ tình đặt chóp hướng dịng khơng đúng tâm của
tổ máy.
1.2. CÁC HẠNG MỤC CỦA TRẠM BƠM
1.2.1. Nhà trạm bơm
Nhà trạm bơm dùng để đặt máy bơm, động cơ, hệ thống tủ điều khiển và các
thiết bị nâng hạ phục vụ công tác sửa chữa vận hành máy móc.
1.2.2. Bể hút, bể xả
-

Bể hút: có dạng gắn liền với nhà trạm và nằm dưới nhà trạm hoặc bên
cạnh.

-

Bể xả: có dạng gắn liền với nhà trạm hoặc tách rời so với nhà trạm.

1.2.3. Hệ thống kênh dẫn, kênh xả
-

Kênh dẫn: dùng để dẫn nước tới buồng hút của trạm bơm.

-

Kênh xả: dùng để dẫn nước từ bể xả tới lưu vực cần tưới hoặc ra sông
tiêu, kênh tiêu.

1.2.4. Nhà quản lý
Gồm hệ thống các nhà, cơng trình phụ trợ phục vụ sinh hoạt cho những
người quản lý, điều hành và vận hành trạm bơm.


9

1.2.5. Đường dây điện cao thế và hạ thế
Dùng để cấp điện cho nhà trạm bơm, dùng cho chiếu sáng và sinh hoạt của
cán bộ, công nhân viên điều hành vận hành trạm bơm.
1.2.6. Các hạng mục điều tiết và hỗ trợ
Hệ thống điều tiết nước, hệ thống vớt rác, các thiết bị quan trắc đo mực nước
bề hút, bể xả ….
1.3. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRẠM BƠM

Hình 1-1: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng Yên: nhìn từ phía bể hút


10

Hình 1-2: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng Yên: nhìn từ phía bể xả

Hình 1-3: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng Yên: phía bên trong nhà máy


11

Hình 1-4: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng Yên: nhà trạm bơm

Hình 1-5: Trạm bơm Triều Dương – Tiên Lữ –Tỉnh Hưng n: nhìn từ phía bể xả


12

Hình 1-6: Trạm bơm Liên Nghĩa – Văn Giang –Tỉnh Hưng Yên: phối cảnh nhà trạm

Hình 1-7: Trạm bơm Kênh Vàng – Lương Tài –Tỉnh Bắc Ninh: nhìn từ phía bể xả


13

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN
TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG VÀ DAO ĐỘNG
2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT - BIẾN
DẠNG [5], [7].
Có rất nhiều phương pháp tính ứng suất biến dạng cho cơng trình, trong đó
có thể kể đến một số phương pháp như sau:
- Phương pháp giải tích: là tìm nghiệm giải tích thỏa mãn các phương trình vi
phân tại mọi điểm trong cơng trình và thỏa mãn các điều kiện biên trên bề mặt, như
phương pháp Sức bền vật liệu, phương pháp Lý thuyết đàn hồi.
- Phương pháp số: là xác định gần đúng giá trị rời rạc của các hàm ẩn tại
điểm bên trong và trên biên của vật thể xét, như phương pháp Phần tử hữu hạn,
phương pháp sai phân hữu hạn.
Ngồi ra cịn có các phương pháp thực nghiệm cũng giúp ta tìm được ứng
suất biến dạng, dựa vào mơ hình tương thích.
Mỗi phương pháp đều có tính ưu nhược điểm. Việc lựa chọn phương pháp
nào là dựa vào u cầu, tính chất, mức độ của bài tốn đặt ra.

2.1.1. Các phương pháp giải tích
2.1.1.1. Phương pháp sức bền vật liệu

- Ưu điểm: Đây là phương pháp tính tốn cơ bản, giúp ta tính tốn ứng suất
biến dạng đơn giản, dễ dàng. Tính được các giá trị σx, σy, τxy tại các điểm đang xét,
từ đó xác định được ứng suất chính và phương chính tại mọi điểm khác nhau.
Thường được sử dụng để tính tốn trong giai đoạn thiết kế sơ bộ đối với cơng trình
cấp III, IV.
- Nhược điểm: Kết quả tính tốn có sai số khá lớn, không phản ánh đúng
trạng thái ứng suất biến dạng cơng trình. Ngun nhân là do khi tính theo Sức bền
vật liệu ta coi cơng trình như một thanh được ngàm chặt vào nền, chịu uốn và kéo
nén đồng thời; giả thiết sự phân bố ứng suất pháp σy trên mặt phẳng nằm ngang là


14

đường thẳng, trị số tại biên được xác định theo công thức nén lệch tâm. Mặt khác,
không thể giải quyết được các bài tốn phức tạp như có biến dạng nền, ứng suất tập
trung, ứng suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt, tính dị hướng, khơng xét được trong giai
đoạn thi cơng.
2.1.1.2. Phương pháp tính theo lý thuyết đàn hồi
- Ưu điểm: Giải quyết được những vấn đề như ứng suất tập trung, ứng suất
tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt mà phương pháp Sức bền vật liệu không giải quyết
được. Tính tốn tương đối đơn giản, áp dụng dễ dàng, độ chính xác cao. Có thể nói
giải theo lý thuyết đàn hồi chính là lời giải trực tiếp từ các phương trình vi phân,
chúng vừa thoả mãn điều kiện liên tục của biến dạng vừa thỏa mãn điều kiện biên.
- Nhược điểm: Phương pháp lý thuyết đàn hồi rất khó thực hiện được với
những trường hợp tải trọng phức tạp như áp lực thấm và đẩy nổi, áp lực bùn cát,
động đất, ảnh hưởng của nền, nền dị hướng... Kết quả tính tốn chưa sát với thực tế
làm việc của vật liệu là không đồng chất, dị hướng. Không xét được ảnh hưởng biến

dạng của nền, các lớp xen kẹp, đứt gẫy, nền có tính dị hướng, khơng tính được trong
giai đoạn thi công, ảnh hưởng động đất, ...
Do trong khn khổ luận văn coi phần móng đặt máy bơm như một tấm
chịu uốn chữ nhật đẳng hướng nên tác giả tập trung đi sâu hơn vào các phương
trình cơ bản của bài tốn tính tốn tấm chịu uốn.
Nếu gọi h là chiều dày của tấm, a là kích thước bé của tấm và Wmax là độ
võng lớn nhất của tấm thì theo định nghĩa tấm được coi là mỏng khi

h 1
≤ và
a 5

Wmax 1
≤ . Với tấm mỏng chịu uốn, ta xét tấm với vật liệu còn làm việc trong giai
h
5

đoạn đàn hồi tuyến tính trên cơ sở sử dụng một số giả thuyết như sau:
- Đoạn thẳng vuông góc với mặt trung bình trước và sau khi biến dạng vẫn
thẳng và vng góc với mặt đàn hồi của tấm. Đây là giả thuyết đoạn thẳng của
Kirchoff. Với giả thuyết này, các lớp mỏng của tấm được coi như không trượt lên
nhau khi biến dạng.


15

- Khi bị uốn mặt trung bình chỉ cong đi chứ khơng co giãn và những điểm ở
mặt trung bình khơng có chuyển vị trong mặt phẳng tấm mà chỉ có độ võng W.
- Các lớp mỏng song song với mặt trung bình khơng tác dụng lẫn nhau theo
phương vng góc với mặt trung bình nên có thể bỏ qua ứng suất pháp σz.

Từ những giả thiết trên, ta có những nhận xét sau:
+ Tấm được coi như gồm những lớp mỏng làm việc trong các trạng thái ứng
suất phẳng, trên mặt phẳng tấm chỉ tồn tại các ứng suất σx, σy, τxy còn σz = τxz = τyz
= 0.
+ Biến dạng trong mặt phẳng tấm tỷ lệ bậc nhất với tọa độ z.
+ Chuyển vị theo phương z tại những điểm trên đoạn thẳng vng góc với
mặt trung bình là không đổi theo chiều dày của tấm và bằng độ võng của mặt trung
bình.
Thay cho ứng suất phân bố trên toàn bộ bề dày h, ta dùng hợp của nó đặt tại
mặt trung bình là nội lực. Nội lực của tấm gồm : lực cắt (Qx và Qy), mô men uốn
(Mx và My) và mô men xoắn (Mxy và Myx) được thể hiện như hình vẽ 2-1.

Hình 2-1: Các thành phần nội lực của tấm


16

Các giá trị nội lực, ứng suất đều có thể tính thơng qua độ võng của mặt trung
bình W(x,y).
Mặt khác do thế năng biến dạng đàn hồi của tấm do lực cắt gây nên rất nhỏ
so với mơ men có thể bỏ qua. Thế năng biến dạng đàn hồi tích lũy trong tấm chỉ do
tác dụng của mô men uốn và mô men xoắn.
Các biểu thức cơ bản của kết cấu tấm chịu uốn như sau :
Các biểu thức của định luật Hooke trong bài tốn ứng suất phẳng có dạng:
εx =

1
(σ x − μσ y )
E

εy =

1
(σ y − μσ x )
E

γ xy =

τ xy
G

=

(2.1)

2(1 + μ )
τ xy
E

hoặc:
σx =

E
(ε x + με y )
(1 − μ 2 )

σy =

E
(ε y + με x )

(1 − μ 2 )

τ xy =

E
γ xy
2(1 + μ )

(2.2)

trong đó:
µ là hệ số poisson.
E là mô đun đàn hồi của tấm đẳng hướng.
Mặt khác từ các giả thuyết Kirchoff, theo lý thuyết đàn hồi ta có:
ε x = −z

∂2w
∂x 2

∂2w
ε y = −z 2
∂y

(2.3)