Kiến trúc - Xây dựng - Chương 5: Nước dưới đất

CHƯƠNG 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT Nước dưới đất là nước tự do chứa trong lỗ rỗng và khe nứt của đất đá. Khi chuyển động trong các lỗ rỗng, nước dưới đất sẽ gây trở ngại cho việc thi công và điều kiện làm việc công trình: gây ngập hố móng, xói ngầm, cáy chảy,... 5.1. CÁC TÍNH CHẤT CHỨA NƯỚC CỦA ĐẤT ĐÁ Độ chứa nước của đất đá là độ ẩm (W). Hệ tầng đất đá bở rời hoặc nứt nẻ chứa đầy nước trọng lực được gọi là tầng chứa nước hoặc lớp chứa nước. Hệ tầng đất đá thấm nước yếu hoặc không thấm được gọi là tầng cách nước. Ngoài các lớp đá cứng, các lớp sét cứng, nửa cứng được xem là tầng không thấm nước. Chỉ tiêu đặc trưng cho khả năng thoát nước của đất đá là độ thoát nước :  = Vwr / V Đối với đất sét thì   0; đối với đất cát, cuội sỏi thì   n (độ rỗng). 5.2. CHẤT LƯỢNG VÀ TRỮ LƯỢNG CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT 5.2.1.Chất lượng nước dưới đất 5.2.1.1.Tính chất vật lý 5.2.1.2.Tính chất hóa học Các nguyên tố và ion đóng vai trò chủ yếu: Cl-, HCO3- , SO42-, CO32-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, *Khí trong nước dưới đất * Phản ứng hoạt tính của nước (pH) 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 pH < 7 : tính axit pH > 7 : tính kiềm * Độ cứng: là tính chất của nước có chứa những hợp chất hòa tan của Ca2+ và Mg2+. - Độ cứng cacbonat chỉ tính cho HCO3- Độ cứng được biểu diễn bằng meq hoặc độ Đức (1meq=2,8 độ Đức) Độ khoáng hóa: Tổng số các ion, các phân tử và các hợp chất khác chứa trong nước hợp thành lượng khoáng hoá của nước. Nước dưới đất có thể có tính chất ăn mòn bê tông. Khả năng hòa tan của nước đối với CaCO3 được xác định trước hết bởi cacbonic ăn mòn có trong nước. Khi có cacbonic tự do, ion CO32- không thể có với lượng đáng kể vì nó sẽ phản ứng với cacbonic tạo thành HCO3- CaCO3 + H2O + CO2  Ca2+ + 2HCO3- Cacbonic ở dạng ion CO32- gọi là cacbonic liên kết, còn ở dạng HCO3- - cacbonic bán liên kết. Một phần CO2 tự do chứa trong nước tham gia hòa tan CaCO3; còn phần kia gọi là CO2 cân bằng thì ở lại trong dung dịch và duy trì bicacbonat canxi trong dung dịch. Lượng cacbonic cân bằng xác định theo phương trình:   34 2 ketlien 2 bangcân 2 COCO  5.2.2.Trữ lượng nước dưới đất 5.3. CÁC HÌNH THỨC HỆ THỐNG HÓA KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NƯỚC - Ion là dạng cơ bản biểu diễn kết quả phân tích nước. Các ion này tác dụng tương hỗ với nhau theo các tỷ số đương lượng nhất định vì vậy các kết quả phân tích có thể biểu diễn dưới dạng đương lượng. Xác định số mg của một đương lượng bằng cách lấy nguyên tử lượng chia cho hoá trị. Hàm lượng các ion trong nước thường được biểu diễn dưới dạng mg/l. Xác định số meq/l bằng cách lấy số mg/l chia cho số mg của một đương lượng. công thức Courlov: pHTC AMK .... Tên nước được gọi theo tên các anion và cation có hàm lượng trên 25% xếp giảm dần. Ion mg/l mgeq/l % đương lượng Cation Na+ Ca2+ Mg2+ 46 90 84 Anion Cl- SO42- HCO3- 70 216 427 Ion mg/l mgeq/l % đương lượng Cation Na+ Ca2+ Mg2+ 46 90 84 2 4,5 7 14,81 33,33 51,86 13,5 100 Anion Cl- SO42- HCO3- 70 216 427 2 4,5 7 14,81 33,33 51,86 13,5 100 5.4. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC ĐỐI VỚI XÂY DỰNG 5.4.1. Đánh giá chất lượng nước dùng trong sinh hoạt 5.4.2. Đánh giá chất lượng nước dùng trong xây dựng )8,6(.25 )8,14()3,33()9,51( )8,14()3,33()9,51( )933,0()038,0( 022 2 43 2 pHTNaCaMg ClSOHCO gMCO    Số TT Dấu hiệu ăn mòn của nước môi trường Công trình không chịu cột nước ép Công trình chịu cột nước épMôi trường bao quanh Nơi chứa nước lộ thiên hoặc đất thấm nước trung bình và mạnh (K0,1m/ngày đêm) Đất thấm nước yếu (K<0,1m/ngày đêm) Nước bao quanh bê tông trong điều kiện bất kỳ 1 Độ kiềm bicacbonat (tính ăn mòn khử kiềm) tính theo mgeq/l hoặc theo độ nhỏ hơn 1,5 (4o) Không qui định 2 (6o) 2 Chỉ số hydro (tính ăn mòn axit), nói chung pH nhỏ hơn 6,5 5 6,5 3 Lượng chứa cacbonit tự do (tính ăn mòn cacbonit) tính theo mg/l lớn hơn a[Ca2+] + b a[Ca2+] + b + 40 a[Ca2+] + b 4 Lượng chứa muối Mg (tính ăn mòn manhê) được đổi ra ion Mg2+ đo bằng mg/l có tính cả lượng chứa ion SO42- đo bằng mg/l lớn hơn. Lượng chứa ion Mg2+ trong mọi trường hợp lớn hơn 1000 – [SO42-] 1000 6000 – [SO42-] 2000 4000 – [SO42-] 1000 5 Lượng chứa sunfat (tính ăn mòn sunfat) được tính đổi ra ion SO42- đo bằng mg/l – khi lượng chứa ion Cl- nhỏ hơn 1000mg/l - lớn hơn. Lượng chứa sunfat khi lượng chứa ion Cl- lớn hơn 1000mg/l - lớn hơn Lượng chứa ion SO42- trong mọi trường hợp không lớn hơn 300 150 + 0,15[Cl-] 1000 300 150 + 0,15[Cl-] 1000 250 100 + 0,15[Cl-] 1000 6 Lượng chứa muối amoniac (tính ăn mòn amoniac) tính theo mg/l – lớn hơn 1000 1000 1000 7 Lượng chứa kiềm ăn da (tính ăn mòn kiềm) tính theo mg/l lớn hơn 50 80 30 8 Lượng chứa Clorua sunfat, nitrat và các muối khác cũng như điều kiện khí hậu nóng (khi có các bề mặt bay hơi) tính theo mg/l – lớn hơn 10 10 Theo nghiên cứu chuyên môn HCO3- Tổng hàm lượng Cl- + SO42- (mg/l) mgeq/l độ 0 - 200 201 - 400 401 - 600 601 - 800 801 - 1000 > 1000 a b a b a b a b a b a b 1.4 1.8 2.1 2.5 2.9 3.2 3.6 4.0 4.3 4.7 5.0 5.4 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0.01 0.04 0.07 0.10 0.13 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0.40 16 17 19 21 23 25 27 29 32 34 36 38 0.01 0.04 0.06 0.08 0.11 0.14 0.17 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 17 18 19 20 21 22 23 24 26 27 29 30 0.01 0.03 0.05 0.07 0.09 0.11 0.14 0.16 0.19 0.22 0.25 0.29 17 17 18 19 19 20 21 22 23 24 26 27 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.15 0.17 0.20 0.23 0.26 17 18 18 18 18 19 19 20 21 22 23 24 0.00 0.02 0.04 0.06 0.07 0.09 0.11 0.13 0.16 0.19 0.22 0.24 17 18 18 18 18 18 18 19 20 21 22 23 0.00 0.02 0.04 0.05 0.07 0.08 0.10 0.12 0.14 0.17 0.19 0.22 17 18 18 18 18 18 18 19 20 21 22 23 5.5.CÁC LOẠI NƯỚC DƯỚI ĐẤT 5.5.1. Nguồn gốc sinh thành nước dưới đất, cột nước thủy lực và hướng chảy dòng ngầm Phổ biến và dễ thấy hơn cả là nước nguồn gốc do thấm từ nước mặt. Tầng chứa nước có mái và tường là hai tầng cách nước thì tồn tại và vận động như nước trong ống áp lực, gọi là tầng nước áp lực. Ngược lại, tầng chứa nước có mái là một mặt thoáng tự do thì gọi là tầng nước không áp. h z Maët chuaån H z a cb Phương trình Bernulli thể hiện tổng năng lượng cho một đơn vị khối lượng tại một điểm bất kỳ của dòng nước dưới đất: w tm PgzvE   2 2 Nếu dòng được xem như không có ma sát và không chịu nén theo phương vận động thì tổng 3 thành phần là hằng số, hay: constPgzv w  2 2 const g Pz g v w  2 2 wg Pzh   Hoặc: Có thể bỏ qua thành phần v2/2g, tổng cột nước thủy lực h sẽ là: Từ đó: h = z + hp Tổng cột nước thủy lực bằng tổng cột nước cao trình và cột nước áp suất. Tổng cột nước h, cột nước cao trình z và cột nước áp suất hp hp z h Trong tính toán những bài toán thấm, để thuận tiện, người ta hay so sánh với một mặt chuẩn thường lấy là đáy cách nước và xem như giá trị z = 0. Phương pháp đơn giản nhất để xác định hướng dòng ngầm là phương pháp tam giác. A D C B 34 36 40 38 37 36 35 39 5.5.2. Các tầng chứa nước phân chia theo điều kiện phân bố 1.Nước thổ nhưỡng 2.Nước thấu kính (tầng nước trên) 3. Nước đụn cát 4. Nước ngầm 5. Nước áp lực (actezi) 6 . Nước nằm trong khe nứt của đá cứng: Do điều kiện khe hở lớn mà nước khe nứt vận động nhanh, thường ở dạng chảy rối và mang đặc tính của dòng chảy hơn là dòng thấm. Thaáu kính seùt Ñôùi baõo hoøa Ñôùi thoâng khí Lấy điểm A ở độ sâu H - h dưới mực nước biển. Áp lực thủy tĩnh tại điểm A sẽ bằng: PA = (H – h)mặn.g Ở điểm B trong lục địa trên đường ranh giới giữa nước mặn và nước nhạt cũng ở độ cao H - h. Áp lực thủy tĩnh do nước nhạt gây ra sẽ bằng: PB = (H – h)nhạt.g + hnhạt.g H - h H h H - h 1 2 3 bieån nhatman nhat nhatman man hhH hH         t   w (h + t) ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH CHƯƠNG 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT Trang 17 h t Nước áp lực có thể gây bục đáy hố móng khi thi công. Điều kiện an toàn đáy hố móng: