Chương 5: Nước dưới đất

CHƯƠNG 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT Trong địa chất công trình nghiên cứu nước dưới đất nhằm: 1. Tính toán để khi khai thác nước dưới đất nhằm phục cho các nhu cầu sinh hoạt, phục vụ công nông nghiệp 2. Tính toán lựa chọn các biện pháp để tháo khô hố móng các công trình đặt thấp hơn mực nước dưới đất 3. Tính lượng nước thấm mất của các công trình giữ, dẫn nước và tìm giải pháp khắc phục Nghiên cứu các vấn đề chung về: Nguồn gốc nước dưới đất Các tầng chứa nước, sự hình thành và đặc tính của nó Chất lượng và trữ lượng của nước dưới đất 5.1. Nguồn gốc nước dưới đất5.1.1. Khái niệm: Nước dưới đất: nằm dưới mặt đất gồm tất cả các loại nước nằm trong đá gốc, trong các thành tạo đất mềm rời và trong vỏ phong hóa.  1. Nguồn gốc khí quyển 2. Nguồn gốc trầm tích: 3. Nguồn gốc magma: 4. Nguồn gốc biến chất: Thí dụ khi chuyển thạch cao thành anhydrit tạo thành nước thứ sinh 5.2. Phân loại nước dưới đất theo điều kiện thế nằm Nước trong đới thông khí Nước ngầm Nước áp lực Nước thổ nhưỡng Nước thượng tầng Đới thông khí Đới bão hoà Tầng cách nước Hình 5.1 : Sơ đồ các tầng nước dưới đất Dựa theo điều kiện thế nằm, Klimentov P.P và Ovsinnhicov A.M chia nước dưới đất ra làm 3 loại : Nước trong đới thông khí Nước ngầm Nước áp lực5.2.1. Nước trong đới thông khí:5.2.1.1. Khái niệm đới thông khí 5.2.1.2. Nước thổ nhưỡng a. Khái niệm  b. Đặc điểm nước thổ nhưỡng  c. Ảnh hưởng của nước thổ nhưỡng tới xây dựng Không có giá trị sử dụng nhưng ảnh hưởng lớn đến tính chất vật lý và cơ học đất đá 5.2.1.3. Nước thượng tầnga. Khái niệm  Trong đới thông khí nếu tồn tại thấu kính sét, trên đó phân bố nước gọi là nước thượng tầng.b. Đặc điểm nước thượng tầngc. Ảnh hưởng của nước thượng tầng tới xây dựng - Trong xây dựng hố móng và công trình ngầm, nước gây ngập úng hố móng, gây xói ngầm cát chảy. Ngoài ra trong đới thông khí còn có nước mao dẫn, nước màng mỏng, nước hấp phụ bao quanh bề mặt hạt đất đá. Chúng đều liên quan lượng mưa và thời tiết 5.2.2. Nước ngầm5.2.2.1. Khái niệm: là loại nước trọng lực nằm trong tầng chứa nước thứ nhất (đới bão hòa nước), phân bố trên mặt của lớp đất đá không thấm nước (tấng cách nước) đầu tiên kể từ trên mặt đất xuống. 5.2.2.2. Đặc điểm nước ngầm Không áp Miền cung cấp, phân bố, thoát trùng nhauTrữ lượng không ổn địnhChất lượng: nhiễm bẩn cao bởi nhân tố khí hậu, khí tượng 5.2.2.3. Ảnh hưởng của tầng chứa nước ngầm đến xây dựng Ăn mòn vật liệu xây dựng, nước chảy vào hố móng khi thi công, xảy ra các hiện tượng cát chảy, xói ngầm dưới hố móng công trình, 5.2.3. Nước áp lực5.2.3.1. Khái niệmĐó là nước trọng lực nằm trong tầng chứa nước kẹp giữa 2 tầng cách nước ổn định. , khi khoan vào tầng chứa nước này nước tự phun ra ngoài. 5.2.3.2. Đặc điểm của nước có áp Hình 5.2 : Sơ đồ tầng chứa nước áp lực a. miền cung cấp, b. miền phân bố, c. miền thoát 5.2.3.3. Ảnh hưởng của tầng chứa nước áp lực đến xây dựng Nước có áp có thể gây ra hiện tượng bục đáy hố móng khi thi công, tạo ra áp lực nước ở đáy móng, áp lực lên vỏ áo các công trình ngầm Khi thi công điều kiện để cho đáy hố móng không bị bục là trọng lượng của tầng cách nước ở đáy hố móng phải bằng hoặc lớn hơn áp lực đẩy ngược của nước áp lực, tức là : 5.2.4. Phương pháp xác định hướng của dòng chảyHướng nước chảy thẳng góc với các đường đó theo chiều hạ thấp mực nước (hoặc mực áp lực). Nước chảy từ nơi có áp lực cao sang nơi có áp lực thấp hơn. A 36 B 40 C 34 Hình 5.4: Xác định hướng dòng chảy bằng 3 lỗ khoan Nước dưới đất bị phân ly: H2O  H+ + OH- Trị số pH: :pH = - lg[H+] Nước có phản ứng trung hòa: [H+] = [OH-] = 10-7 pH = -lg10-7 = 7 Căn cứ vào trị số pH chia ra: Nước có tính axit mạnh : pH 9 5.3. Một số đặc tính hoá học nước dưới đất 5.3.1. Độ pH 5.3.2. Độ cứng :Lượng các ion Ca 2+ và ion Mg 2+ có trong nước chính là yếu tố tạo nên độ cứng của nước. Độ cứng tổng cộng  Độ cứng tạm thời  Độ cứng vĩnh cửu  Theo Alenkin, theo độ cứng tổng cộng thì có thể chia nước dưới đất thành 5 loại : Nước rất mềm : Độ cứng tổng cộng 9 mgđl/l (meq/l) 5.3.3. Độ khoáng hoá: là tổng các lượng khoáng chất tìm thấy trong nước.Để xác định độ tổng khoáng hóa, có thể dựa vào lượng cặn khô sau khi cho nước bốc hơi ở nhiệt độ 1050C. Tùy theo độ khoáng hóa, có thể phân nước dưới đất thành các loại sau : Nước siêu nhạt : Độ khoáng hóa 35 g/l 5.3.4. Tính ăn mòn 5.3.4.1 Các dạng ăn mòn của nước dưới đất : Thành phần khoáng trong xi măng portland (xi măng silicat thông thường) gồm có: Silicat tri canxit C3S 3CaO.SiO2 Silicat bicanxit C2S 2CaO.SiO2 Aluminat tri canxit C3A 3CaO.Al2O3 Fero aluminat tetra canxit C4Al.F 4CaO.Al2O3.Fe2O3Thành phần phụ như : CaO, Al2O3, Fe2O3, MgO ở trạng thái tự do.Trong quá trình thủy hóa, ximăng kết hợp với nước tạo ra một số chất mới như Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.31H2O, 2CaO.SiO2.nH2O theo các phản ứng sau : 3CaO.SiO2 + nH2O = Ca(OH)2 + 2CaO.SiO2(n-1)H2O 2CaO.SiO2 + nH2O = 2CaO.SiO2nH2O 3CaO.Al2O3 + 31H2O = 3CaO. Al2O331H2O4CaO.Al2O3.Fe2O3 + nH2O = 3CaO.Al2O331H2O +CaO.Fe2O3mH2O a. Ăn mòn rửa trôiNước hoà tan Ca(OH)2 là thành phần tự do có trong ximăng hoặc do C3S bị thuỷ hoá sinh ra.Sự hoà tan Ca(OH)2 trong nước phụ thuộc vào độ cứng cacbonat, tức là hàm lượng HCO3 có mặt trong nước. Khi hàm lượng HCO3- càng ít thì Ca(OH)2 càng bị hoà tan mạnh, quá trình hoà tan xảy ra theo phản ứng.  Ca(OH)2+ Ca(HCO3)2= 2 CaCO3 + 2H2OCaCO3 sinh ra sau phản ứng sẽ bao phủ lên cấu kiện bêtông và ngăn cản sự hoà tan của Ca(OH)2Mặt khác, trong quá trình thuỷ hoá ximăng, 2CaO.SiO2nH2O mới sinh ra chỉ tồn tại ổn định trong cấu kiện bêtông khi trong nước có nồng độ Ca(OH)2 lớn hơn 1,45g/l. Nếu hàm lượng Ca(OH)2 trong nước ít thì 2CaO.SiO2nH2O bị phân giải theo phản ứng sau:  2CaO.SiO2nH2O → Ca(OH)2+CaO.SiO2mH2O b. Ăn mòn muốiNước dưới đất thường có chứa các thành phần có dạng muối như MgSO2, CaSO4, NaCl, MgCl2. Các muối này sẽ phản ứng với các thành phần khoáng do ximăng thuỷ hoá sinh ra  3CaSO4+3CaO. Al2O331H2O→3CaO. Al2O3 .3CaSO431H2O MgSO2+ Ca(OH)2+ H2O→ CaSO4.2H2O +Mg(OH)2 MgCl2+ Ca(OH)2→ CaCl2+Mg(OH)2c. Ăn mòn axit Nước dưới đất có chứa một số loại axit như HCl, H2SO4…Các axit này có phản ứng như sau: Ca(OH)2 + H2SO4 = Ca(SO4).2H2O Ca(OH)2+ HCl = CaCl2 + 2H2O d. Ăn mòn CO2  Trong nước nếu có chứa nhiều CO2 hoà tan thì khi tác dụng với ximăng sẽ có phản ứng sau: Ca(OH)2 + CO2= CaCO3 +H2O CaCO3 + CO2+ H2O = Ca(HCO3)2 Ca(HCO3)2 là chất dễ bị hoà tan trong nước nên sau phản ứng thì Ca(OH)2 do ximăng thuỷ hoá sinh ra hoặc là thành phần tự do trong ximăng đều hoà tan biến mất và do đó cấu kiện bêtông ngày càng bị rỗng. 5.4. Các loại bản đồ địa chất thuỷ văn chuyên môn5.4.1. Bản đồ thuỷ đẳng caoLà một bản đồ gồm các đường đồng mực của mặt nước ngầm tức là đường nối các điểm trên mặt nước ngầm có cùng độ cao tuyệt đối.Ý nghĩa bản đồ thuỷ đẳng cao Xác định hướng nước ngầm chảy,  Xác định độ dốc của nước ngầm Nếu trên bản đồ có đường đồng mực địa hình thì ta có thể xác định được chiều sâu mực nước ngầm. Là một công cụ giúp ta chọn vị trí bố trí hợp lý các giếng lấy nước hoặc thoát nước Cho biết sự liên hệ giữa nước ngầm và nước mặt. sông Đường thuỷ đẳng cao Đường đồng mức địa hình 5.4.2. Bản đồ thuỷ đẳng áp Là một bản đồ gồm các đường đồng mực của mặt áp lực tức là đường nối các điểm có cùng cột mực áp lựcÝ nghĩa của bản đồ thuỷ đẳng áp Xác định được hướng nước chảy của nước có áp,  Xác định độ dốc mặt áp lực mà người ta gọi là građien áp lực, Nếu trên bản đồ có đường đồng mực địa hình thì ta có thể xác định được chiều sâu mực áp lực,  Là một công cụ giúp ta xác định vị trí bố trí các công trình lấy nướcvà thoát tương tự bản đồ thuỷ đẳng cao.5.4.2. Bản đồ thuỷ sâu Là bản đồ thể hiện độ sâu mực nước ngầm, có ý nghĩa trong công trình xây dựng và khai thác nước dưới đất 5.5. Biểu diễn kết quả phân tích nước dưới đất: trọng lượng ion, đương lượng và phần trăm đương lượng  5.5.1. Dưới dạng trọng lượng ion Đối với nước nhạt và nước lợ: g/l nước hoặc mg/l nước Đối với nước biển và đại dương cũng như các loại muối dưới đất thường biễu diễn theo: g/kg nước, hoặc g/100g nước. Ví dụ kết quả phân tích sau 5.5.2. Dưới dạng đương lượng ion Để tính chuyển từ trọng lượng ion thành đương lượng ion cần phải khối lượng phân tử cho hóa trị của nó Ví dụ: Đượng lượng ion của Canxi = 40,08/2= 20,04 Đương lượng của ion Magie = 24,32/2= 12,16 Mgdl/l = mg/l chia cho đương lượng ion Chú ý: Trong thành phần của nước thì tổng mgdl/l của anion và cation bằng nhau, nhưng trong thực tế phân tích thì không bao giờ chuẩn hoá được kết các ion phân ly, do đó kết quả phân tích thực tế thì tổng trên có thể không bằng nhau. 5.5.3. Dưới dạng % đương lượng ion % đương lượng của anion % đương lượng của anion Đọc tên: Bicacbonac clorua magiê canxi 5.5.4. Dưới dạng công thức Kurlov Tên gọi đối với nước thì đọc đối với các thành phần có hàm lượng lớn hơn 20% đl theo thứ tự từ lớn đến bé, từ các anion dến kation.