(Luận văn thạc sĩ file word) Xác định trạng thái ứng suất biến dạng của trạm bơm chìm theo mô hình không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn

LỜI CẢM ƠN
Qua một thời gian nghiên cứu và thực hiện dưới sự giúp đỡ chỉ bảo nhiệt tình
của giáo viên hướng dẫn và các thầy cô giáo tác giả đã hoàn thành luận văn tốt
nghiệp với đề tài:
“Xác định trạng thái ứng suất – biến dạng của trạm bơm chìm theo mơ
hình khơng gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn”
Tác giả đặc biệt xin bày tỏ lòng cảm ơn tới thầy giáo Giáo sư, Tiến sĩ Phạm
Ngọc Khánh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tác giả nhiều vấn đề quý báu trong
nghiên cứu khoa học nói chung cũng như trong bản thân luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Cơng trình,
bộ mơn Sức bền - Kết cấu, phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học trường Đại học
Thuỷ Lợi đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả về các tài liệu, thông tin khoa học kỹ
thuật và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận văn.
Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, ban lãnh đạo
Cơng ty Cổ phần tư vấn xây dựng Nông nghiệp và Phát triển nông thôn và Công ty
TNHH một thành viên Đầu tư phát triển Thủy Lợi Sông Nhuệ nơi tác giả công tác,
các đồng nghiệp và bạn bè đã động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn
thành luận văn.
Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu cũng như trình độ cịn hạn chế nên luận
văn khơng thể tránh khỏi những tồn tại và thiếu sót, tác giả rất mong nhận được mọi
ý kiến đóng góp, trao đổi chân thành của các thầy cô và các quý vị quan tâm. Tác
giả rất mong những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát triển ở mức độ nghiên
cứu sâu hơn góp phần đưa những kiến thức khoa học vào phục vụ sản xuất.
Hà Nội, tháng 5 năm 2015
Tác giả

Bùi Anh Tuấn


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Bùi Anh Tuấn, tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của

riêng tơi. Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa
được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào.
Hà Nội, tháng 5 năm 2015
Tác giả

Bùi Anh Tuấn


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................................. 3
1.1. Tổng quan về trạm bơm hiện nay........................................................................ 3
1.2. Tổng quan về trạm bơm chìm............................................................................. 6
1.3. Một số vấn đề thường gặp phải khi thiết kế trạm bơm...................................... 16
1.4. Ưu, nhược điểm của các loại trạm bơm............................................................ 17
1.4.1. Các trạm bơm truyền thống.......................................................................... 17
1.4.2. Các trạm bơm chìm....................................................................................... 17
CHƯƠNG 2:CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT
– BIẾN DẠNG CỦA TRẠM BƠM CHÌM............................................................... 19
2.1. Các phương pháp nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng..........................19
2.1.1. Các phương pháp nghiên cứu....................................................................... 19
2.1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn...................................................................... 19
2.2. Phân tích ứng suất – biến dạng của cơng trình bằng phương pháp phần tử hữu
hạn .......................................................................................................................... 22
2.2.1. Cơ sở lý thuyết.............................................................................................. 22
2.2.2. Tính kết cấu theo mơ hình tương thích.........................................................23
2.3. Phân tích và lựa chọn mơ hình nền cho bài tốn............................................... 29
2.3.1. Khái niệm về mơ hình nền............................................................................ 29
2.3.2. Mơ hinh nền biến dạng cục bộ (mơ hình nền Winkler)................................. 30
2.3.3. Mơ hình nền nửa khơng gian biến dạng tuyến tính....................................... 32

2.3.4. Mơ hình lớp khơng gian biến dạng tổng thể................................................. 35
2.4. Giới thiệu phần mềm Ansys.............................................................................. 35
2.4.1. Lịch sử phát triển.......................................................................................... 35
2.4.2. Khả năng của phần mềm Ansys.................................................................... 36
2.4.3. Các bước giải bài toán bằng phần mềm Ansys............................................. 37
CHƯƠNG 3:ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN TRẠNG THÁI ỨNG
SUẤT – BIẾN DẠNG CỦA TRẠM BƠM CHÌM............................................... 38


3.1. Giới thiệu chung về cơng trình trạm bơm Xóm Cát, huyện Ứng Hòa, thành phố
Hà Nội..................................................................................................................... 38
3.1.1. Mục tiêu đầu tư của dự án............................................................................. 38
3.1.2. Quy mô và nhiệm vụ của dự án.................................................................... 38
3.1.3. Các chỉ tiêu và thông số kỹ thuật chủ yếu..................................................... 38
3.1.4. Vị trí địa lý và đặc điểm địa hình vùng dự án............................................... 41
3.1.5. Đặc điểm địa chất vùng dự án....................................................................... 41
3.2. Sử dụng phần mềm Ansys để tính tốn trạng thái ứng suất – biến dạng của trạm
bơm Xóm Cát..........................................................................................................44
3.2.1. Bản vẽ thiết kế cắt dọc và mặt bằng nhà trạm............................................... 44
3.2.2. Mơ hình tính tốn......................................................................................... 46
3.2.3. Điều kiện đầu vào của bài tốn..................................................................... 48
3.2.4. Trường hợp tính tốn.................................................................................... 53
3.2.5. Kết quả tính tốn........................................................................................... 54
3.3. Phân tích và nhận xét kết quả tính tốn............................................................. 61
3.3.1. Kết quả tính tốn........................................................................................... 61
3.3.2. Nhận xét........................................................................................................ 61
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................... 62
1. Kết luận.............................................................................................................. 62
2. Kiến nghị............................................................................................................ 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 65

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Sơ đồ bố trí hệ thống các cơng trình trạm bơm.........................................4
Hình 1.2: Hình ảnh trạm bơm Vân Đình....................................................................5
Hình 1.3: Máy được lắp đặt trong trạm bơm Vân Đình.............................................5
Hình 1.4: Máy được lắp đặt trong trạm bơm Ngoại Độ 2..........................................6
Hình 1. 5 Máy bơm chìm kiểu giếng.......................................................................11
Hình 1. 6: Máy bơm chìm trục ngang......................................................................11
Hình 1. 7: Máy bơm chìm trục đứng.......................................................................12
Hình 1. 8: Lát cắt máy bơm chìm trục đứng............................................................12
Hình 1.9: Sơ đồ tổ máy bơm chìm lắp tự do có trục dẫn hướng..............................12
Hình 1. 10: Sơ đồ tổ máy bơm chìm lắp trong ống..................................................12
Hình 1.11: Hình ảnh lắp đặt máy bơm của trạm bơm chìm Belmont – Australia......13
Hình 1.12: Hình ảnh trạm bơm chìm.......................................................................13
Hình 1.13: Hình ảnh phối cảnh trạm bơm Phú Mỹ – Bắc Ninh...............................14
Hình 1.14: Bản vẽ cắt dọc thiết kế trạm bơm Phú Mỹ – Bắc Ninh..........................14
Hình 1.15: Hình ảnh phối cảnh trạm bơm Hồng Ngun – Hà Nội........................15
Hình 1.16: Bản vẽ cắt dọc thiết kế trạm bơm Hoàng Nguyên – Hà Nội..................15
Hình 2. 1: Sơ đồ giải bài tốn kết cấu theo phương pháp PTHH.............................28
Hình 2. 2: Mơ hình nền............................................................................................29
Hình 2. 3: Mơ hình nền Winkler..............................................................................30
Hình 2. 4: Biến dạng của nền Winkler và thực tế....................................................31
Hình 2. 5: Phân bố ứng suất với móng tuyệt đối cứng.............................................32
Hình 2. 6: khi dầm tách khỏi nền.............................................................................32
Hình 2. 7: Hình dạng lún của nền là đường cong Hypecbol....................................33
Hình 2. 8: Hình dạng lún của nền là đường cong hàm số Logarit............................34
Hình 2. 9: Thiếu xót của Mơ hình nền nửa khơng gian biến dạng tuyến tính.........34
Hình 3. 1: Bản vẽ thiết kế cắt dọc nhà trạm.............................................................44
Hình 3. 2: Mặt bằng nhà trạm..................................................................................45

...................................................................................................................................46


Hình 3. 3: Mơ hình khơng gian 3 chiều trạm bơm Xóm Cát....................................46
Hình 3. 4: Mơ hình khơng gian 3 chiều trạm bơm Xóm Cát....................................47
Hình 3. 5: Mơ hình tính tốn và chia lưới phần tử...................................................48
Hình 3.6: Phần tử solid187......................................................................................50
Hình 3.7: Phần tử link180........................................................................................51
Hình 3.8: Điều kiện biên đối xứng..........................................................................52
Hình 3.9: Chuyển vị theo phương Ux (m)................................................................54
Hình 3.10: Chuyển vị theo phương Uy (m)..............................................................55
Hình 3.11: Chuyển vị theo phương Uz(m)...............................................................55
Hình 3. 12: Chuyển vị tổng U (m)...........................................................................56
Hình 3. 13: Ứng suất Sx (T/m2)................................................................................56
Hình 3. 14: Ứng suất Sy (T/m2)................................................................................57
Hình 3. 15: Ứng suất Sz (T/m2)................................................................................57
Hình 3. 16: Ứng suất chính S1 (T/m2)......................................................................58
Hình 3. 17: Ứng suất chính S3 (T/m2)......................................................................58
Hình 3. 18: Chuyển vị theo phương Ux (m).............................................................59
Hình 3. 19: Chuyển vị theo phương Uy (m).............................................................59
Hình 3. 20: Chuyển vị theo phương Uz (m).............................................................60
Hình 3.21: Chuyển vị tổng U (m)............................................................................60
Hình 3.22: Ứng suất kéo chính và nén chính S1, S3(T/m2).......................................61


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tài nguyên nước là thành phần chủ yếu của môi trường sống, quyết định sự

thành công trong các chiến lược quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế, xã hội, đảm
bảo quốc phòng an ninh quốc gia. Hiện nay dưới tác động của hiện tượng biến đổi
khí hậu tồn cầu và tác động khai thác của con người nguồn tài nguyên thiên nhiên
quý hiếm và quan trọng này đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm và cạn kiệt.
Một trong các biện pháp khắc phục vấn đề trên là xây dựng những hệ thống
cơng trình thuỷ lợi hợp lý nhằm điều tiết, bảo tồn và phát triển nguồn tài nguyên
quý giá này. Trên thực tế đã xuất hiện các cơng trình như các cống điều tiết; cống
lấy nước; trạm bơm, đập…nhằm phục vụ mục đích trên. Nhưng để xây dựng được
những cơng trình thuỷ lợi có quy mơ lớn chúng ta cần nghiên cứu đầy đủ các yếu tố
ảnh hưởng đến sự bền vững và ổn định của cơng trình để có những cơ sở lý luận
vững chắc, từ đó giúp cho con người thiết kế, xây dựng được những cơng trình an
tồn, hiệu quả.
Ngày nay, các cơng trình thủy lợi khơng chỉ đảm bảo mục tiêu an toàn và hiệu
quả mà còn phải quan tâm hơn đến vấn đề thẩm mỹ nhất là đối với các cơng trình
đầu mối như hồ đập, thủy điện, trạm bơm, cầu cống,... Ở vùng đồng bằng sơng
Hồng thì cơng trình đầu mối trạm bơm tưới, tiêu ngày càng phát triển mạnh, nhiều
cơng trình được xây dựng với quy mô lớn và vấn đề thẩm mỹ của cơng trình đang
dần được quan tâm, các cơng trình này khơng chỉ là một cơng trình thủy lợi thơng
thường mà nó cịn là địa điểm tham quan du lịch, chính vì vậy mà các cơng trình
như trạm bơm chìm đã ra đời. Tuy nhiên việc nghiên cứu về trạm bơm chìm cịn
khá ít dẫn đến gặp nhiều khó khăn khi thiết kế, xây dựng cơng trình.
Đề tài: “Xác định trạng thái ứng suất – biến dạng của trạm bơm chìm theo
mơ hình khơng gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn” có ý nghĩa khoa học
và thực tiễn trong chiến lược phát triển ngành thủy lợi và thúc đẩy q trình cơng
nghiệp hóa, hiện đại hóa nền nơng nghiệp nước nhà.


2. Mục đích của đề tài
Xác định trạng thái ứng suất – biến dạng của trạm bơm chìm, qua đó đánh giá
được tác động của các bộ phận cơng trình lên nhau. Dùng làm tài liệu tham khảo khi

thiết kế trạm bơm chìm
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Tiếp cận trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các tổ chức, cá nhân khoa học hay
các phương tiện thông tin đại chúng để nắm được tổng quan về trạm bơm chìm và
các phương pháp tính tốn.
Từ đó nhận thấy rằng khi thiết kế trạm bơm chìm các phương pháp tính hiện
nay cịn tương đối đơn giản, thường là chỉ xét bài toán phẳng. Việc chỉ xét bài toán
phẳng chưa thể đánh giá được hết tác động của các bộ phận cơng trình với nhau nên
thường gây lãng phí về mặt kinh tế. Vì vậy với đề tài “ Xác định trạng thái ứng suất
– biến dạng của trạm bơm chìm theo mơ hình khơng gian bằng phương pháp phần
tử hữu hạn” tác giả sẽ giải quyết được các nhược điểm vừa nêu trên.
Thu thập, phân tích đánh giá các tài liệu liên quan, các quy phạm hướng dẫn
tính tốn kết cấu từ đó đưa ra phương pháp nghiên cứu tính tốn trạng thái ứng suất
của trạm bơm chìm.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với đúc rút kinh nghiệm thực tế,
dựa trên chỉ dẫn tính tốn của các quy trình quy phạm, sử dụng mơ hình tốn và các
phần mềm ứng dụng.
4. Kết quả dự kiến đạt được
Nắm vững phương pháp tính tốn ứng suất - biến dạng của trạm bơm chìm
bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Đưa ra kết quả nghiên cứu về trạng thái ứng suất - biến dạng của trạm bơm
chìm; đánh giá được tác động của các bộ phận trạm bơm chìm với nhau


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về trạm bơm hiện nay
Nước có vai trị khơng thể thiếu đối với cuộc sống của con người, mà sự
phân bố của nước không đồng đều trên bề mặt trái đất nên muốn sử dụng nước con
người ln phải tìm cách khai thác. Ở nước ta, từ đời xưa do yêu cầu cấp thiết của
sản xuất và đời sống , ông cha ta đã biết dùng các dụng cụ đơn giản để đưa nước lên

đồng ruộng, đó là các loại gầu sịng, gầu giai, guồng, xe nước...
Ngồi các cơng cụ tưới tạp đơn giản như trên thì trong thời kỳ Pháp thuộc
một số nơi cũng đã dùng máy bơm nước để tưới ruộng. Ta có thể kể đến trạm bơm
Sơn Tây bắt đầu xây dựng từ năm 1928 đến năm 1932 hoàn thành, lắp 3 máy bơm
ly tâm trục đứng chạy bằng động cơ dầu, lưu lượng vào khoảng 9m3/s, ngoài ra nằm
rải rác ở các huyện Nam Đàn, Hưng Nguyên tỉnh Nghệ An và Lâm Thao, Sơn
Cương, Vĩnh Phúc cũng có các trạm bơm từ 1 đến 4 máy nhưng đều chạy bằng
động cơ dầu. Sau Cách mạng Tháng 8, nhiều trạm bơm được xây dựng và khơi phục
lại, các máy móc mới đều nhập từ Liên Xô (trừ trạm bơm Sơn Tây).
Ngày nay máy bơm và các cơng trình trạm bơm được dùng rất rộng rãi trong
đời sống và các ngành kinh tế quốc dân. Trong công nghiệp, máy bơm được dùng
để cung cấp nước cho các lò cao, hầm mỏ, nhà máy... bơm dầu trong công nghiệp
khai thác dầu mỏ... Trong kỹ nghệ chế tạo máy bay, trong nhà máy điện nguyên tử
và ngay cả kỹ nghệ chế tạo tên lửu vũ trụ cũng có dùng các loại máy bơm. Trong
đời sống máy bơm dùng cấp nước sạch cho nhu cầu ăn uống của con người, gia
súc... Riêng việc dùng máy bơm để bơm tưới và tiêu úng phục vụ nông nghiệp là rất
phổ biến và có tầm quan trọng rất lớn.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã cho ra đời những máy bơm rất
hiện đại, có khả năng bơm hàng vạn m 3 chất lỏng trong một giờ và cơng suất động
cơ tiêu thụ tới hàng nghìn kW, cùng với đó là sự tự động hóa rất cao. Ở Nga đã chế
tạo được những máy bơm có lưu lượng Q = 40 m 3/s, công suất động cơ N = 14.300
kW và có dự án chế tạo động cơ điện kéo máy bơm với công suất N = 200.000 kW.


Một hệ thống cơng trình của trạm bơm thường bao gồm các bộ phận như
hình1.1, tùy thuộc vào vị trí, địa hình, nhiệm vụ... của từng hệ thống mà sẽ có hay
khơng có một bộ phận nào đó:

Hình 1. 1: Sơ đồ bố trí hệ thống các cơng trình trạm bơm
1 - Cơng trình lấy nước

4 - Bể tập trung nước
7 - Bể tháo

2 - Cơng trình dẫn nước
5 - Nhà máy bơm
8 - Kênh tháo

3 - Bể lắng cát
6 - Ống đẩy
9 - Cơng trình nhận nước

Cơng dụng của các bộ phận như sau:
- Cơng trình cửa lấy nước 1, lấy nước từ nguồn (lấy từ sông, hồ, kênh dẫn...);
- Cơng trình dẫn nước 2, có nhiệm vụ đưa nước từ cửa lấy nước về bể tập
trung nước trước nhà máy bơm. Cơng trình dẫn nước có thể là kênh dẫn, đường ống
dẫn hoặc xi phơng. Trên cơng trình dẫn có thể có bể lắng cát 3, nếu có luận chứng
thỏa đáng;
- Bể tập trung nước 4 nằm trước nhà máy bơm, nó có nhiệm vụ nối tiếp
đường dẫn với cơng trình nhận nước (Bể hút) của nhà máy sao cho thuận dịng;
- Cơng trình nhận nước 9 (Bể hút) lấy nước từ bể tập trung và cung cấp nước
cho ống hút hoặc ống tự chảy vào máy bơm;
- Nhà máy bơm 5, đây là nơi đặt các tổ máy bơm và các thiết bị phụ cơ điện;
- Đường ống áp lực (ống đẩy) 6, đưa nước từ máy bơm lên cơng trình tháo 7;
- Cơng trình tháo 7 (Bể xả) nhận nước từ ống đẩy, làm ổn định mực nước,
phân phối nước cho kênh dẫn 8 hoặc công trình nhận nước.


* Một số hình ảnh trạm bơm trong nước hiện nay:
- Trạm bơm Vân Đình- Hà Nội: Thuộc huyện Ứng Hòa, thành phố Hà Nội.
Trạm bơm gồm 28 tổ máy bơm hỗn lưu trục đứng, lưu lượng mỗi tổ máy là 8.000

m3/h.

Hình 1.2: Hình ảnh trạm bơm Vân Đình

Hình 1.3: Máy được lắp đặt trong trạm bơm Vân Đình


- Trạm bơm Ngoại Độ 2: Thuộc huyện Ứng Hòa, thành phố Hà Nội. Trạm
bơm gồm 05 tổ máy bơm hỗn lưu trục đứng, lưu lượng mỗi tổ máy là 22.000 m3/h.

Hình 1.4: Máy được lắp đặt trong trạm bơm Ngoại Độ 2
1.2. Tổng quan về trạm bơm chìm
Ta biết hiện nay trạm bơm chìm đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực trong cuộc sống như:
- Thiết bị xử lý nước thải cho Thành phố, cho các khu dân cư, nhà cao tầng,
khách sạn và các khu công nghiệp; cho các khu xử lý rác thải cứng: Loại bơm
chuyên dùng là CP, cùng với các máy xục khí, máy khuấy...
- Nông nghiệp thuỷ lợi: phục vụ lấy nước tưới - tiêu, rất cơ động khi áp dụng
tại các sơng ngịi nơi có độ chênh lớn về mức nước giữa mùa mưa và mùa khô.
- Bơm dùng cho các cơng trình biển, dàn khoan dầu, các cảng biển; lấy nước
biển vào trong các đầm, trại nuôi trồng thuỷ sản và các khu công nghiệp sản xuất


muối do bơm được chế tạo bằng vật liệu đặc biệt có các lớp áo bảo vệ để chống lại
sự ăn mòn cao trong nước mặn, trục và bánh xe công tác được làm bằng thép không
rỉ.
- Lấy nước thô từ sông, suối, hồ cho các nhà máy xử lý nước sạch, cấp nước
sinh hoạt và cấp nước cho các khu vui chơi giải trí.
- Điều tiết lũ với các trạm bơm tiêu có cơng suất lớn.
- Tháo khơ hố móng tại các cơng trường xây dựng cầu đường, xây dựng nhà

máy. Tháo khô ụ sửa chữa tàu biển. Hút bùn trong đường hầm tuy-nen, nạo vét,
khơi thông luồng lạch tại các cảng sông, biển.
- Công tác tháo khô tại các mỏ khống sản lộ thiên và hầm lị.
Nhiều hãng trên thế giới đã đầu tư nghiên cứu sâu về nâng cao tuổi thọ, độ
bền, khả năng làm việc theo nguyên lý tự động hóa của thiết bị cũng như nâng cao
chất lượng thủy lực phần dẫn dòng của bơm chìm, nghiên cứu các kết cấu mới
nhằm tăng cơng suất của mỗi tổ máy bơm N = 10.000KW, cột áp H = 600-800 m,
lưu lượng Q = 40.000m3/h. Lý thuyết tính tốn thiết kế máy bơm chìm đã đạt được
nhiều thành tựu lớn, đặc biệt, về phần tính tốn kết cấu các loại trạm bơm chìm kiểu
ly tâm, dịng chéo và hướng trục (kể cả trục ngang và trục đứng) với cấu tạo gối đỡ
chịu lực, hệ thống làm kín cơ giới, bơi trơn và làm mát. Lý thuyết tính tốn đang
được hồn thiện và phát triển. Nói chung lý thuyết tính tốn phần dẫn dịng máy
bơm chìm khơng có gì q khác biệt so với tính tốn dẫn dịng các bơm cánh dẫn
thông thường. Tuy nhiên, do đặc điểm đặt chìm trong mơi trường chất lỏng (có thể
là nước sạch, chất lỏng thải, hóa chất, nước bùn cát... với nhiệt độ khác nhau) hay
trong điều kiện thực tế khác nhau như bơm từ các giếng khoan sâu vài trăm mét
(bơm giếng sâu), bơm nước phục vụ làm mát ở các nhà máy điện nguyên tử, bơm
chìm phục vụ cho cơng tác khai thác dầu khí... sẽ địi hỏi các phương pháp tính tốn
đặc biệt khác nhau với những lưu ý đặc thù.
Các bơm chìm phục vụ cho nơng nghiệp và thốt nước thải loại bình thường
(độ xít thấp, kích thước các vật cứng trong nước thải không quá lớn...) sẽ cho phép


sử dụng loại bơm chìm kiểu cánh dẫn truyền thống và phần tính tốn lý thuyết sẽ
đơn giản hơn nhiều so với bơm chìm phục vụ các mục đích đặc biệt đã nêu.
Các nước ASEAN và Châu Á đã có nhiều liên doanh, liên kết với các Hãng
bơm lớn trên thế giới trong nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các kiểu bơm chìm với
các loại cơng suất khác nhau và đạt kết quả tốt. Rút kinh nghiệm ở các nước công
nghiệp phát triển, các nước ASEAN và Châu Á cũng sử dụng rất rộng rãi các máy
bơm chìm, đầu tư cho nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các loại bơm chìm phục vụ

nội tiêu và xuất khẩu đạt hiểu quả cao. Nguyên nhân dẫn đến tình hình trên là do
tính ưu việt của trạm bơm chìm: cơng trình trạm đơn giản, rất phù hợp với các vùng
có sự thay đổi mực nước nhiều, nhanh, đột ngột và đặc biệt là khơng gây tiếng ồn.
Ngồi ra, bơm chìm cho phép sử dụng với mức độ tự động hóa cao rất thuận lợi khi
lực lượng lao động ít.
Tại Việt Nam, máy bơm chìm cơng suất lớn, cột áp cao ở dạng bơm giếng
sâu cấp nước cho các khu dân cư phục vụ đời sống dân sinh hoặc các nhà máy, xí
nghiệp đã được sử dụng ở Việt Nam từ những năm 1960-1970. Các máy bơm chìm
kiểu giếng sâu lưu lượng nhở, cột áp cao thường nhập ở nước ngoài (Nga, Bungary,
Cộng hịa Séc...). Cho đến nay, máy bơm chìm sử dụng ở Việt Nam phục vụ tưới
tiêu trong nông nghiệp cịn q ít (chưa q 100 tổ máy các loại) với cơng suất N =
10-320KW. Ngun nhân chính dẫn đến tình trạng trên là do giá thành các bơm
chìm quá cao trong khi giá trị sản phẩm nông nghiệp thấp, nguồn vốn ngân sách
Nhà nước lại hạn chế. Ngoài ra, bản thân các nhà quản lý, những người khai thác
máy bơm và trạm bơm chưa được chuẩn bị đầy đủ kiến thức cho việc tiếp nhận loại
máy bơm này nhằm đạt hiệu quả cao. Bộ Nông nghiệp và Phát triển nơng thơn đã
bắt đầu chú ý nhập các bơm chìm kiểu ly tâm, dịng chéo và hướng trục một cấp
cơng suất lớn Nmax = 320KW, lưu lượng lớn Qmax = 16.000 m3/h phục vụ tưới tiêu
trong nông nghiệp từ các nước: Thụy Điển, Đức, Ấn Độ, Hàn Quốc,

Sau một số

năm đưa vào sử dụng trong thực tế, có thể rút ra một số kết luận về máy bơm chìm:
các máy bơm chìn làm việc tốt, ổn định; cơng trình trạm rất đơn giản, đặc biệt phù
hợp và hiệu quả đối với vùng sơng hồ có sự thay đổi mực nước nhiều và nhanh đột


ngột. Kinh nghiệm cũng chỉ rõ chất lượng máy của mỗi nước có khác nhau. Các
thiết bị máy bơm chìm của Thủy Điển, Hungary, Đức được đánh giá cao còn các
máy bơm chìm của Hàn Quốc có kết cấu đơn giản hơn nhưng cần chú ý đến một số

nhược điểm khi sử dụng.
Tuy vậy, những năm qua cũng thấy rõ nhiều vấn đề tồn tại đối với ngành chế
tạo máy bơm. Bơm chìm cơng suất lớn, lưu lượng lớn phục vụ nơng nghiệp và thốt
nước thải cịn q mới mẻ đối với Việt Nam, kể cả cán bộ kỹ thuật chuyên ngành
máy thủy khí đến cán bộ quản lý, lắp đặt và sử dụng hay công nhân vận hành, sửa
chữa,... Hầu như chưa có tài liệu kỹ thuật nào về bơm chìm chính thức được cơng
bố và phổ biến một cách bài bản có tính pháp quy, mặc dù số lượng và chủng loại
máy bơm chìm được nhập khẩu và sử dụng ở Việt Nam là rất đáng kể (hàng ngàn tổ
máy các loại). Nhiều công ty khai thác nước ngầm chủ yếu chỉ quan tâm đến tính
tốn lựa chọn các bơm giếng sâu và nhập khẩu máy của nước ngồi.
Bộ Nơng nghiệp và phát triển nơng thơn đã giao cho Tổng công ty cơ điện
nông nhiệp và thủy lợi nghiên cứu và chịu trách nhiệm lắp đặt hầu hết các tổ máy
bơm chìm có cơng suất lớn (Nmax=320 KW, Qmax = 16.000 m3/h) do Bộ nhập khẩu
của nước ngoài phục vụ tưới tiêu trong nông nghiệp. Tổng công ty đã hoàn thành tốt
nhiệm vụ nghiên cứu tài liệu về bơm chìm, động cơ chìm và các thiết bị điều khiển
kèm theo; đã nghiên cứu các quy trình cơng nghệ lắp đặt máy bơm chìm cỡ lớn và
trực tiếp tiến hành lắp đặt bơm chìm đạt kết quả tốt. Tổng công ty cũng nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo các phụ tùng nhằm bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế các chi tiết bơm
chìm nhập ngoại bị hư hỏng nhằm đảm bảo cho tất cả các máy bơm hoạt động bình
thường khơng cấn sự can thiệo của chuyên gia nước ngoài.
Hiện nay, trong nông nghiệp đang sử dụng các máy bơm hướng trục, ly tâm
và dòng chéo kiểu trục ngang, trục đứng và trục đặt nghiêng với các thông số công
suất động cơ điện rất phổ biến (N = 0,15 - 650KW, số vòng quay n = 300 2900v/phút).
Với các máy bơm chìm và động cơ chìm được thiết kế và chế tạo trong nước
chắc chắn sẽ hạ giá thành sản phẩm tổ máy và cho phép chủ động cung cấp thiết bị,


phụ tùng thay thế. Đây là giải pháp tối ưu nhất để áp dụng rộng rãi các máy bơm
chìm vào sản xuất phục vụ nông nghiệp cũng như các ngành kinh tế khác. Ngoài ra,
đây cũng là biện pháp cần thiết phát huy nội lực Việt nam, góp phần làm giảm kinh

phí nhập khẩu, tăng ngoại tệ xuất khẩu, nhanh chóng hịa nhập vàp AFTA trong thời
gian tới, đặc biệt là tham gia vào việc thực hiện các Dự án xây lắp các trạm bơm
chìm theo nguồn vốn của Ngân hàng thế giới WB2, ADB và ODA.
Vừa qua, Trung tâm nghiên cứu, tư vấn cơ điện và xây dựng (REMECO)
thuộc Tổng công ty Cơ điện xây dựng Nông nghiệp và Thủy lợi (AGRIMECO) đã
được Bộ Khoa học và Công nghệ giao cho thực hiện 02 đề tài nghiên cứu khoa học
cấp Nhà nước theo Nghị định thư với nước ngoài về "Hợp tác nghiên cứu chế tạo
máy bơm chìm cơng suất lớn phục vụ tưới tiêu trong nông nghiệp" (năm 20012002) và "Hợp tác nghiên cứu chế tạo động cơ điện chìm N = 37 KW lắp với máy
bơm chìm cho nông nghiệp" (năm 2003-2004), 02 dự án sản xuất thử nghiệm cấp
Nhà nước về thiết kế, chế tạo các máy bơm chìm kiểu ly tâm, hỗn lưu và hướng trục
kể cả chế tạo động cơ điện chìm cơng suất N  75 KW cũng như thiết kế, xây dựng
các trạm lắp máy bơm chìm. Hàng loạt máy bơm chìm đã được chế tạo và áp dụng
vào sản xuất đạt kết quả tốt.
Tóm lại, máy bơm chìm là thiết bị cơ điện thuộc loại công nghệ cao đã được
sử dụng với số lượng khơng nhỏ và đang có nhu cầu rất lớn đối với nhiều ngành,
đặc biệt đối với nông nghiệp và thốt nước thải. Tuy nhiên, có thể khẳng định rằng,
về lĩnh vực máy bơm chìm, Việt Nam đã bị tụt hậu khá xa so với các nước trong
khu vực (Singapor, Thái Lan, Malayxia, Indônêxia) về hiểu biết chuyên sâu trong lý
thuyết tính tốn thiết kế, cơng nghệ chế tạo, quy trình cơng nghệ về lắp đặt, vận
hành khai thác quản lý và sửa chữa máy bơm chìm, các kiến thức về kết cấu các loại
máy bơm chìm và các kiểu cơng trình trạm lắp đặt máy bơm chìm, có q ít các tài
liệu thơng tin, các tài liệu kỹ thuật; chưa quan tâm đầy đủ đến công tác bồi dưỡng
đào tạo chuyên ngành về bơm và trạm lắp bơm chìm đối với các cán bộ kỹ thuật,
quản lý, công nhân lành nghề về chế tạo, lắp đặt, sửa chữa bơm chìm.


* Một vài hình ảnh về máy bơm chìm và sơ đồ trạm bơm chìm:

Hình 1. 5 Máy bơm chìm kiểu giếng

Hình 1. 6: Máy bơm chìm trục ngang


Hình 1. 7: Máy bơm chìm trục đứng

Hình 1.9: Sơ đồ tổ máy bơm chìm
lắp tự do có trục dẫn hướng

Hình 1. 8: Lát cắt máy bơm chìm trục đứng

Hình 1. 10: Sơ đồ tổ máy bơm chìm
lắp trong ống


* Một vài hình ảnh về trạm bơm chìm:
- Trạm bơm nông nghiệp tại
Belmont – Australia: Trạm bơm gồm
06 tổ máy bơm chìm trục đứng ký hiệu
Amacan P 1200-870/25010 UAG1 do
Tập đoàn AMACAN của Đức sản
xuất. Lưu lượng mỗi tổ máy

là

2,5m3/s, cột nước bơm 8,0m, động cơ
cơng suất 250kw.

Hình 1.12: Hình ảnh trạm bơm
chìm Belmont – Australia

Hình 1.11: Hình ảnh lắp đặt máy bơm của
trạm bơm chìm Belmont – Australia


- Trạm bơm Phú Mỹ – Bắc Ninh: Thuộc huyện Thuận Thành, tỉnh Bắc Ninh
cơng trình đang được đầu tư xây dựng. Trạm bơm gồm 05 tổ máy bơm chìm trục
đứng. Lưu lượng mỗi tổ máy là 9.500 m3/h, cột nước bơm 7,15m.

Hình 1.13: Hình ảnh phối cảnh trạm bơm Phú Mỹ – Bắc Ninh

Hình 1.14: Bản vẽ cắt dọc thiết kế trạm bơm Phú Mỹ – Bắc Ninh


- Trạm bơm Hoàng Nguyên – Hà Nội: Thuộc huyện Phú Xuyên, thành phố Hà
Nội. Trạm bơm gồm 03 tổ máy bơm chìm trục đứng. Lưu lượng mỗi tổ máy là
2.165 m3/h.

Hình 1.15: Hình ảnh phối cảnh trạm bơm Hồng Nguyờn H Ni

2

5
3

4

3

5

4

5

1
5

5
ký hiệu địa chất

2

1

2

3

2

3
4

4

3

4

5

5

Hỡnh 1.16: Bn v cắt dọc thiết kế trạm bơm Hoàng Nguyên – Hà Nội


1.3. Một số vấn đề thường gặp phải khi thiết kế trạm bơm
- Cửa lấy nước bị bồi thường gặp ở trạm bơm lấy nước ven sông.
- Trạm bơm đặt xa sơng lấy nước gây tốn kém kinh phí để nạo vét kênh dẫn.
- Cửa lấy nước bị treo (mực nước bể hút quá thấp).
- Trạm bơm bị xói lở, bị treo.
- Ảnh hưởng do nền móng cơng trình
- Những nguyên nhân gây ra:
+ Điều tra, thu thập thiếu tài liệu về thủy văn cơng trình.
+ Tính tốn sai chế độ thủy lực dòng chảy.
+ Thiên nhiên diễn biến ngày càng phức tạp không theo quy luật, luồng lạch
dẫn nước thay đổi theo thời gian.
+ Khi thiết kế các trạm bơm khơng tính lún, khi xảy ra lún mới tính kiểm tra
hoặc chỉ tính lún của trạm bơm khơng tính lún của bể hút, bể xả. Gian tủ điện, gian
điều hành là những bộ phận không xử lý nền hoặc xử lý nền chỉ bằng đệm cát nhất
là các trạm bơm có địa chất rất xấu khơng xử lý nền triệt để.
+ Chưa tính đến ảnh hưởng của lớp đất đắp sau tường bên của bể xả.
+ Không xử lý bằng cùng một biện pháp tương xứng hoặc do sự cố kết của
phần đất tiếp xúc với bộ phận công trình làm phát sinh lực nén tác động vào cơng
trình.
+ Thiết kế biện pháp tiêu nước hố móng khơng thích hợp.
+ Thi cơng biện pháp tiêu nước hố móng khơng tốt, làm hỏng sự cố kết của đất
nền cơng trình.
+ Thi công biện pháp xử lý nền chưa đảm bảo chất lượng và không theo đúng
đồ án thiết, độ chối chưa đạt độ chối thiết kế.

1.4. Ưu, nhược điểm của các loại trạm bơm

1.4.1. Các trạm bơm truyền thống
- Ưu điểm:
+ Máy bơm truyền thống được sản xuất trong nước, vận hành thông dụng,
bảo dưỡng đơn giản;
+ Chi phí thiết bị rẻ hơn so với bơm chìm.
- Nhược điểm:
+ Khối lượng xây dựng nhà trạm lớn, kết cấu phức tạp (bao gồm tầng hút,
tầng bơm, tầng động cơ) và kém ổn định trên nền địa chất yếu;
+ Chi phí xây dựng tốn kém do phải xây dựng tầng bố trí động cơ, tủ điện,
cầu trục;
+ Đặc biệt, không gian kiến trúc khu đầu mối chật hẹp, xây dựng trạm bơm
mới đồ sộ bên cạnh trạm bơm cũ và giống nhau về kiến trúc là không phù hợp cảnh
quan;

1.4.2. Các trạm bơm chìm
- Ưu điểm:
+ Kết cấu nhà trạm chỉ có 01 tầng bơm nên gọn nhẹ và có tính ổn định cao
hơn trên nền địa chất yếu, đặc biệt tạo được mặt bằng không gian kiến trúc cho khu
vực đầu mối. Diện tích dành xây dựng nhà trạm nhỏ (hoặc khơng có), cho nên kinh
phí xây dựng và lắp đặt cho loại bơm chìm giảm đáng kể: vì bơm được thả chìm
xuống nước, khơng cần nhà trạm, chủ yếu chỉ là xây bể hút, dẫn đến tiết kiệm khá
nhiều tiền vốn đầu tư cho xây lắp (khoảng 40-60% so với các trạm bơm trục ngang,
trục đứng lắp đặt khơ thơng thường khác).
+ Trạm bơm chìm không cần các thiết bị phụ trợ như van, đồng hồ đo áp lực
đường ống, hệ thống đường ống đẩy phức tạp.

+ Bơm chìm được phát huy khả năng làm việc tốt nhất khi đặt tại các nơi có
mực nước dao động lớn giữa hai mùa lũ và mùa kiệt. Khi mùa lũ đến, mực nước
sông, hồ dâng lên cao, không cần phải di chuyển động cơ điện như các loại bơm
trục ngang hoặc trục đứng khác.
+ Tiết kiệm điện năng tiêu thụ: vì mơi trường nước xung quanh đã làm mát
máy bơm, động cơ của máy bơm được nối với bánh xe công tác bằng một trục ngắn,
nên hiệu suất của máy bơm cao, có thể tiết kiệm được từ 30 - 45 % điện năng tiêu
thụ so với các loại bơm thông thường khác.
+ Tuổi thọ của máy bơm chìm cao, vì trục ngắn, khơng có hiện tượng rung,
lắc và hơn nữa độ đồng tâm hồn tồn chính xác giữa trục động cơ, trục truyền và
bánh xe công tác dẫn đến các vòng bi của máy bơm bền, thời gian sử dụng vịng bi
thơng thường là 10.000 giờ tới 15.000 giờ. Ví dụ, một trạm bơm tưới, hay lấy nước
thơ vận hành khoảng 1.500 tới 2.000 giờ/năm thì sau khoảng 7 - 8 năm mới phải
thay vòng bi.
+ Dễ lắp đặt và vận hành, công tác bảo dưỡng đơn giản, thời gian bảo dưỡng
máy định kỳ thường 2 - 3 năm một lần, do vậy cũng tiết kiệm được khoảng 75 %
chi phí trong cơng tác quản lý (tiết kiệm thời gian do máy móc hiện đại, hệ số an
toàn của trạm bơm cao), vận hành, thao tác đơn giản, giảm số công nhân vận hành dẫn đến tiết kiệm nhân công.
+ Khi vận hành máy bơm không phải mồi nước. Bơm được phép chạy 24/24
giờ liên tục vì là bơm chìm trong nước nên được làm mát bởi chính mơi trường
nước. Khi bơm chạy khơng gây ra tiếng ồn.
+ Rất an tồn trong các cơng trình trọng điểm, mang tính quốc gia.
- Nhược điểm
+ Giá thiết bị thay thế khá cao so với các dòng bơm khác sản xuất trong nước.
+ Bảo dưỡng địi hỏi cơng nhân phải có trình độ tay nghề cao.


CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT
– BIẾN DẠNG CỦA TRẠM BƠM CHÌM

2.1. Các phương pháp nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng

2.1.1. Các phương pháp nghiên cứu
Có rất nhiều phương pháp nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của
cơng trình trên nền đất. Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng. Việc
áp dụng là dựa vào yêu cầu, tính chất, mức độ của bài toán đặt ra.
Các phương pháp tính tốn hiện hành bao gồm:
+ Phương pháp giải tích
+ Phương pháp số
+ Phương pháp thực nghiệm
Do nội dung của đề tài là nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của
cơng trình theo mơ hình khơng gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn (một trong
những phương pháp của phương pháp số), phương pháp này đã có nhiều phần mềm
ưu việt ứng dụng để giải quyết nên tác giả xin trình bày nội dung của phương pháp
phần tử hữu hạn.

2.1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn
2.1.2.1. Nội dung phương pháp phần tử hữu hạn [9]
Phương pháp phần tử hữu hạn ra đời vào cuối những năm 1950 nhưng rất ít
được sử dụng vì cơng cụ tốn học cịn chưa phát triển. Vào cuối những năm 1960,
phương pháp này đặc biệt phát triển nhờ vào sự phát triển nhanh chóng và dử dụng
rộng rãi của máy tính điện tử. Đến nay có thể nói rằng phương pháp phần tử hữu
hạn được coi là phương pháp có hiệu quả nhất để giải các bài tốn cơ học vật rắn
nói riêng và các bài tốn cơ học mơi trường liên tục nói chung như các bài tốn thủy
khí lực học, bài toán về từ trường và điện trường..v.v..
Một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp phần tử hữu hạn là dễ