Chương IV Nước dưới đất

Ch­¬ng iv NƯỚC DƯỚI ĐẤT I. Khái niệm cơ bản về nước dưới đất III. Tính toán cho các dòng thấm NDĐ II. Các định luật thấm cơ bản của dòng ngầm IV. Tính toán cho dòng thấm chảy công trình lấy nước tập trung V. Kiểm tra ổn định đáy móng trong trường hợp nước áp lực CHƯƠNG IV. NƯỚC DƯỚI ĐẤT Nước đại dương Băng nước Nước dưới đất Nước hồ, sông, suối, không khí, độ ẩm đất Thủy quyển Nước dưới đất Nước hồ, hồ chứa Nước bốc hơi Nước sông Nước ngọt trên Trái đất Nước chứa trong lỗ rỗng và khe nứt của đất đá dưới mặt đất Khái niệm: Mực nước dưới đất I. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NDĐ 1. Nguồn gốc hình thành NDĐ Nguồn gốc do thấm (ngấm) từ nước mưa, nước mặt, tưới … Nguồn gốc chôn vùi (trầm tích) hình thành ngay từ khi thành tạo đất đá. Nguồn gốc ngưng tụ (sơ sinh) do hơi nước ngưng tụ trong các lỗ rỗng, khe nứt của đất đá. Tầng chứa nước là tầng đất đá chứa nước, thấm nước và giữ được nước: đá nứt nẻ, đất cuội sỏi, đất cát. Tầng cách nước là tầng đất đá không hoặc ít thấm nước: đá liền khối, đất sét, đất sét pha. Khái niệm về tầng chứa nước và tầng cách nước Tầng nước không áp nằm gần mặt đất, có mặt thoáng tự do và có đáy là tầng cách nước. Tầng nước áp lực nằm giữa 2 tầng cách nước. 2. Các tầng chứa nước dưới đất Tầng nước thổ nhưỡng (1) Tầng nước trên (nước treo) (2) Tầng nước ngầm (3) Tầng nước áp lực (4) Tầng nước khe nứt, nước karst (5) a. Nước thổ nhưỡng Hình thành và tồn tại trong tầng thổ nhưỡng Nguồn cung cấp: do hơi nước từ khí quyển, mao dẫn từ dưới lên Dạng nước mao dẫn Chứa nhiều tạp chất, nhiễm bẩn Động thái không ổn định Điều hòa độ ẩm của đất Có thể ăn mòn kết cấu công trình tầng chứa nước tầng cách nước tầng chứa nước treo b. Tầng nước trên (nước treo) Phân bố trên đáy cách nước cục bộ Nguồn cung cấp: nước mưa, nước mặt thấm xuống hoặc nước ngầm dâng lên Trữ lượng nhỏ Động thái không ổn định, phụ thuộc dòng ngấm, đáy cách nước Dễ nhiễm bẩn, gây khó khăn cho thi công Cung cấp nước sinh hoạt (ở vùng bị nhiễm mặn) c. Nước ngầm Nằm trên tầng cách nước liên tục đầu tiên từ trên xuống Nguồn cung cấp: Nước mưa, nước mặt thấm xuống hoặc từ dưới sâu đi lên theo khe nứt. Miền cung cấp và phân bố trùng nhau. Động thái dao động mạnh Dễ nhiễm bẩn Trữ lượng lớn, phân bố rộng Có thể khai thác sử dụng nhưng cần xử lý Gây khó khăn cho thi công: Nước ngầm có mặt thoáng tự do Nằm trong tầng chứa nước bị kẹp bởi 2 tầng cách nước Nguồn cung cấp: nước mưa, nước mặt ngấm xuống. Miền cung cấp và phân bố xa nhau. d. Tầng nước áp lực Động thái ổn định, ít nhiễm bẩn Dễ gây bục hố móng công trình Trữ lượng lớn, sử dụng tốt làm nước sinh hoạt Tầng nước treo Tầng nước ngầm Tầng nước áp lực Tầng cách nước Tầng cách nước Tầng nước khe nứt Sự hình thành tầng nước áp lực Suối hố sụt phễu karst mực nước ngầm e. Tầng nước khe nứt và nước karst Nằm trong các khe nứt của đá Động thái biến động, trữ lượng thường lớn Phụ thuộc nguồn gốc, kích thước khe nứt Độ chứa nước phụ thuộc nguồn cấp và mức độ, đặc điểm khe nứt Thành phần hóa học biến đổi Nước trong các khe nứt Nằm trong các sông suối ngầm, hang động Karst Động thái, mực nước dao động mạnh Thành phần hóa học đa dạng Là nguồn cung cấp nước phong phú cho miền núi Dễ bị nhiễm bẩn Gây trở ngại khi XD, khai mỏ Nước Karst Ion Cl- dạng NaCl Ion CO32-, HCO3- do hòa tan đá carbonat 2 HCO3-  CO32- + CO2 +H2O 3. Thành phần hoá học của NDĐ Thành phần Ion Ion SO42- dạng H2SO4, CaSO4 do hòa tan đá sunfat Các Ion kim loại kiềm Na+, K+ thường đi kèm Cl- hàm lượng cao  dấu hiệu nhiễm bẩn Thành phần ion hàm lượng cao  nước chát Ion kim loại kiềm thổ Ca2+, Mg2+ do hòa tan các đá giàu canxit, dolomit CaCO3 + CO2 +H2O  Ca2+ + 2HCO3- MgCO3 + CO2 +H2O  Mg2+ + 2HCO3- Thành phần ion làm nước cứng Ion H+ do phân li axit H2O  H+ + OH- làm nước có tính axit Thành phần ion Ion NH4+, Fe2+, Fe3+ Độ pH là nồng độ ion H+ trong nước pH = -lg[H+] Phân loại nước theo trị số pH có tính axit mạnh 9 Độ pH Tổng hàm lượng các ion Ca2+, Mg2+ trong nước Độ cứng tạm thời = tổng hàm lượng Ca2+, Mg2+ kết tủa khi đun sôi Độ cứng vĩnh cửu = tổng hàm lượng Ca2+, Mg2+ không kết tủa khi đun sôi Phân loại nước theo độ cứng (mgđl) rất mềm 9 Độ cứng Tổng lượng muối hòa tan trong nước (g/l) Phân loại nước theo tổng độ khoáng hóa M (g/l) nhạt 50 Độ khoáng hóa (M) Biểu thị thành phần hóa học nước CO2(g/l) M (g/l) ToC Các anion có hàm lượng >10% mgđl Các cation có hàm lượng >10% mgđl xếp theo thứ tự giảm dần xếp theo thứ tự giảm dần Công thức Kurlov Ăn mòn carbonic: lượng CO2 tự do > 80mg/l CaSiO3 + CO2 + H2O  Ca(HCO3)2+ SiO2 CaSiO3 + SO42-  CaSO4.2H2O + SiO2 Đánh giá chất lượng NDĐ Ăn mòn sulfat: lượng SO42- > 250mg/l Tác dụng ăn mòn bê tông Ăn mòn bicarbonat: lượng HCO3- Ibh (Ibh=4/3Io) Khi vận tốc thấm cao  chảy rối  DL Darcy không thích hợp  định luật thấm phi tuyến 2. Định luật thấm phi tuyến Định luật thấm phi tuyến của Kraxnopolxki I v 0 III. TÍNH TOÁN CHO CÁC DÒNG THẤM NDĐ CÁC BÀI TOÁN CỤ THỂ 1. Nước không áp, đáy cách nước nằm ngang, dòng thấm ổn định h1 hx h2 x1 x2 l1-2 2 1 x 0 x x h l1-x 1. Nước không áp, đáy cách nước nằm ngang, dòng thấm ổn định Tại tiết diện bất kỳ F = H.B Q = k.B.hx.I I=-dh/dx q = -khxdh/dx q.dx = -k.hx.dh 1. Nước không áp, đáy cách nước nằm ngang, dòng thấm ổn định Tích phân từ mặt cắt 1 đến mặt cắt 2 Q, K: hằng số Q/B=q 1. Nước không áp, đáy cách nước nằm ngang, dòng thấm ổn định Lưu lượng đơn vị từ mặt cắt 1 đến mặt cắt 2 Lưu lượng đơn vị từ mặt cắt 1 đến mặt cắt x Dòng thấm ổn định 1. Nước không áp, đáy cách nước nằm ngang, dòng thấm ổn định Dòng thấm ổn định phương trình đường cong mực nước dưới đất cho dòng ngầm có đáy cách nước nằm ngang I.2 Nước ngầm, môi trường đồng nhất, đáy cách nước nằm nghiêng, dòng thấm ổn định h1 h2 x1 x2 l1-2 2 1 x 0 x x H l1-x H1 h y H2 I.2 Nước ngầm, môi trường đồng nhất, đáy cách nước nằm nghiêng, dòng thấm ổn định Tính lưu lượng Tích phân 2 vế từ mặt cắt 1 đến mặt cắt 2 I.2 Nước ngầm, môi trường đồng nhất, đáy cách nước nằm nghiêng, dòng thấm ổn định Giải phương trình tích phân I.2 Nước ngầm, môi trường đồng nhất, đáy cách nước nằm nghiêng, dòng thấm ổn định Lưu lượng đơn vị từ mặt cắt 1 đến mặt cắt 2 Lưu lượng đơn vị từ mặt cắt 1 đến mặt cắt x Dòng thấm ổn định q1-2=q1-x Từ h1, h2, độ nghiêng đáy cách nước, tính được Hx I.3 Nước có áp, môi trường đồng nhất, đáy cách nước nằm ngang, dòng thấm ổn định x1 x2 l1-2 2 1 x 0 x x H l1-x H1 Hx H2 m I.3 Nước có áp, môi trường đồng nhất, đáy cách nước nằm ngang, dòng thấm ổn định Tính lưu lượng Q = K.B.m.J (theo Darcy) Tích phân 2 vế từ mặt cắt 1 đến mặt cắt 2 I.3 Nước có áp, môi trường đồng nhất, đáy cách nước nằm ngang, dòng thấm ổn định q, K, m, B: hằng số I.3 Nước có áp, môi trường đồng nhất, đáy cách nước nằm ngang, dòng thấm ổn định Lưu lượng đơn vị từ mặt cắt 1 đến mặt cắt x Dòng thấm ổn định q1-2=q1-x Từ H1, H2, x, tính được Hx II. Môi trường thấm không đồng nhất Đối với nước ngầm Khi dòng thấm song song với mặt phân lớp Khi dòng thấm vuông góc với mặt phân lớp III. Một số bài toán ứng dụng Dòng thấm vào kênh Sự dâng cao mực nước ngầm ổn định Dòng thấm qua khu đất giữa 2 sông khi có nước mưa cung cấp thường xuyên III.1. Dòng ngầm thấm vào kênh Kênh đào hoàn chỉnh: Đáy kênh đào tới đáy cách nuớc Kênh đào không hoàn chỉnh: Đáy kênh đào không tới đáy cách nước III.1.a Dòng ngầm thấm vào kênh hoàn chỉnh Sơ đồ H H1 R 1 2 Lưu lượng từ 2 phía vào kênh III.1.a Dòng ngầm thấm vào kênh hoàn chỉnh Tính lưu lượng từ một phía vào kênh Tích phân 2 vế từ mặt cắt 1 đến mặt cắt 2 III.1.a Dòng ngầm thấm vào kênh hoàn chỉnh Q, K, m, B: hằng số III.1.a Dòng ngầm thấm vào kênh hoàn chỉnh Lưu lượng và lưu lượng đơn vị từ hai phía vào kênh Lưu lượng thấm vào một đoạn kênh có chiều dài L III.1.b Dòng ngầm thấm vào kênh không hoàn chỉnh Dòng thấm vào kênh chỉ có tác động đến độ sâu Ho Thực nghiệm: Ho = 1.3(S+d) R 1 2 III.1.b Dòng ngầm thấm vào kênh không hoàn chỉnh Lưu lượng từ một phía vào kênh Tích phân 2 vế từ mặt cắt 1 đến mặt cắt 2 III.1.b Dòng ngầm thấm vào kênh không hoàn chỉnh Q, K, m, B: hằng số Lưu lượng thấm vào một đoạn kênh có chiều dài L III.2 Sự dâng cao mực nước ngầm ổn định Khi xây dựng công trình dâng nước, khi nước sông dâng vào mùa lũ nước ngầm dâng theo Bài toán: xác định mức nước ngầm thay đổi hs h1 ? III.2 Sự dâng cao mực nước ngầm ổn định Theo PT Duypuy, khi nước sông chưa dâng Khi nước sông dâng zs Lưu lượng không đổi q1=q2 III.2 Sự dâng cao mực nước ngầm ổn định Biến đổi, xác định được z1 Công thức đơn giản tính z1 cho trường hợp vách sông dốc đứng III.3 Dòng thấm trong khu đất giữa 2 sông Đáy cách nước nằm ngang, lượng nước mưa ngấm xuống không đổi, phân bố đều, cường độ thấm w III.3 Dòng thấm trong khu đất giữa 2 sông Theo PT Duypuy, tại mặt cắt x Theo hình vẽ, tại mặt cắt x III.3 Dòng thấm trong khu đất giữa 2 sông Biến đổi, tích phân hai vế từ mặt cắt 1 đến mặt cắt x (*) III.3 Dòng thấm trong khu đất giữa 2 sông Tương tự, tích phân hai vế từ mặt cắt 1 đến mặt cắt 2 Khi không mưa: w=0 thì qx tính theo phương trình Duypuy (**) (***) III.3 Dòng thấm trong khu đất giữa 2 sông Thay (**) vào (*), ta có III.3 Dòng thấm trong khu đất giữa 2 sông Tại đỉnh phân thủy: qx = 0, hx=hmax , x =a Mực nước hai sông bằng nhau: h1=h2  a = l/2 (đỉnh phân thủy nằm chính giữa 2 sông) h1 > h2  a l/2 a ≤ 0  nước thấm từ sông A sang sông B Chiều cao mực nước tại đỉnh phân thủy: hmax 4 TÍNH TOÁN CHO DÒNG THẤM TỚI GIẾNG Lý thuyết và bài toán ứng dụng I. Một số khái niệm giếng khai thác nước Giếng hoàn chỉnh Giếng không hoàn chỉnh Giếng nước ngầm không áp Giếng nước có áp Phễu hạ thấp mực nước Bán kính ảnh hưởng Giếng hoàn chỉnh không áp Giếng không hoàn chỉnh không áp Giếng hoàn chỉnh có áp Giếng không hoàn chỉnh có áp I. Một số khái niệm giếng khai thác nước Các cách tính bán kính ảnh hưởng Giếng nước ngầm không áp, thấm ổn định Giếng nước có áp, thấm ổn định Trong đó: S: trị số hạ thấp mực nước H: Bề dày tầng chứa nước K: Hệ số thấm II. Dòng thấm tới giếng đơn hoàn chỉnh Giếng nước ngầm Giếng nước có áp Giếng đổ nước, ép nước Giếng hút nước ở gần nguồn nước II. Dòng thấm tới giếng đơn hoàn chỉnh 1. Giếng nước ngầm Theo ĐL Darcy Q=K.J.F Tại tiết diện X cách tâm giếng khoảng x J = dh/dx F = 2xhx K = const r x hx x h H II. Dòng thấm tới giếng đơn hoàn chỉnh 1. Giếng nước ngầm (tiếp) Theo ĐL Darcy Q=K.J.F r H II. Dòng thấm tới giếng đơn hoàn chỉnh 1. Giếng nước ngầm (tiếp) Tích phân 2 vế từ MC vách giếng (r,h) đến MC bán kính ảnh hưởng (R,H) r H II. Dòng thấm tới giếng đơn hoàn chỉnh 1. Giếng nước ngầm (tiếp) Tại vị trí x (r<x<R) r H II. Dòng thấm tới giếng đơn hoàn chỉnh 2. Giếng nước có áp Theo ĐL Darcy Q=K.J.F Tích phân 2 vế từ MC vách giếng (r,h) đến MC bán kính ảnh hưởng (R,H) m h H II. Dòng thấm tới giếng đơn hoàn chỉnh 2. Giếng nước có áp (tiếp) Tiếp tục biến đổi Tại vị trí x m h H x hx x h III. Giếng đổ nước, ép nước H H Giếng nước ngầm hoàn chỉnh Giếng nước có áp hoàn chỉnh m III. Giếng đổ nước, ép nước 1. Giếng đổ nước, ép nước – giếng không áp Theo Darcy Q = K.J.F Tích phân 2 vế từ mc vách giếng 1 (r,hg) đến mặt cắt 2 (R,H) H III. Giếng đổ nước, ép nước1. Giếng đổ nước, ép nước – giếng không áp (tiếp) Tiếp tục biến đổi H Biết Q, H, R  Hệ số thấm K III. Giếng đổ nước, ép nước2. Giếng đổ nước, ép nước – giếng có áp Tương tự H m IV. Giếng hút nước ở gần nguồn nước H s h a IV. Nhóm giếng tác dụng tương hỗ Câu hỏi kiểm tra? Khái niệm về tầng chứa nước và tầng cách nước. Có mấy loại tầng chứa nước Sự hình thành tầng nước có áp như thế nào? Những đặc điểm cơ bản. Những yếu tố thủy động của dòng thấm: Chiều cao cột áp, gradien thủy lực, lưu lượng thấm, lưu lượng đơn vị, vận tốc thấm, áp lực thủy động … Trình bày định luật thấm tuyến tính Darcy và những giới hạn cơ bản.