Nước dưới đất

Ch­¬ng iIi 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 III. 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: 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 nướcTầng nước khe nứt 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 < 5 có tính axit 5  7 trung tính 7 có tính kiềm 7  9 có tính kiềm 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 < 1.5 mềm 1.5  3 hơi mềm 3  6 cứng 6  9 rất cứng > 9 Độ cứng Tổng lượng muối hòa tan trong nước (g/l) • Phân loại nước theo tổng độ khoáng hóa M (g/l) nhạt < 1 khoáng hóa thấp 1  10 khoáng hóa cao 10  50 mặn > 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- < 0.4mgđl/l CaSiO3 + HCO3- Ca(HCO3)2+ SiO2 Ăn mòn axit: khi pH < 5.2 Ca(OH)2 + HCl CaCl2+ H20 Ca(OH)2 + MgCl2 CaCl2 + Mg(OH)2 Đánh giá chất lượng NDĐ Ăn mòn magiê: lượng Mg2+  1000mg/l Tác dụng ăn mòn bê tông II. Các yếu tố thuỷ động của dòng thấm và các đinh luật thấm cơ bản của dòng ngầm 1. Các yếu tố thuỷ động của dòng thấm a. Tổng cột nước áp lực (chiều cao cột áp): Ph­¬ng tr×nh Bernoulli  H = h + Z “Tổng cột nước áp lực tại một điểm trên dòng thấm bằng cao độ tuyệt đối của mực nước tại điểm đó”. g vZPH 2 2   Z X X2X1 y 1 2 M hHH1 H2 Mặt thuỷ chuẩn k  Các yếu tố thuỷ động của dòng thấm b. Gradient thuỷ lực (I, i, j): Gradien thuû lùc lµ ®é dèc thuû lùc, thÓ hiÖn møc ®é chªnh cét n­íc gi÷a hai ®iÓm, do ®ã nÕu trÞ sè lín th× dßng thÊm m¹nh, ng­îc l¹i trÞ sè nhá th× dßng thÊm yÕu. Khi x vµ y nghÞch biÕn; Khi x vµ y ®ång biÕn; §èi víi dßng thÊm ®Òu dx dy x x y I      0 lim dx dy x x y I      0 lim 12 21 xx HH I    Các yếu tố thuỷ động của dòng thấm c. Lưu lượng thấm Q: lượng nước thấm qua tiết diện ướt của dòng thấm trong một đơn vị thời gian (m3/ngđ). d. Lưu lượng đơn vị (lưu lượng riêng) q: lưu lượng qua tiết diện có chiều rộng 1m (m2/ngđ). Các yếu tố thuỷ động của dòng thấm e. v: vận tốc biểu kiến (vận tốc trung bình) – lượng nước thấm qua một đơn vị diện tích mặt cắt ngang môi trường thấm trong một đơn vị thời gian u: vận tốc thực của nước trong lỗ rỗng, khe nứt của đất đá u, v (m/ngđ) n F F u v r F Q F Q r  u .n v  Các yếu tố thuỷ động của dòng thấm f. Áp lực thuỷ động của dòng ngầm ¸p lùc thuû tÜnh pn = nh ¸p lùc thuû ®éng Gradien thuû lùc I kh«ng cã thø nguyªn, nh­ng trong qu¸ tr×nh dÉn d¾t tÝnh to¸n ®· bá qua chiÒu réng ph©n tè 1m, nªn Pt® cã ®¬n vÞ kN/m2. nntd Il HHP      21 II. CÁC ĐỊNH LUẬT THẤM CƠ BẢN CỦA DÒNG NGẦM 1.Định luật thấm tuyến tính của Darcy; 2.Định luật thấm phi tuyến của Kraxnopolxki. 1. Định luật thấm tuyến tính của Darcy  Darcy làm thí nghiệm thấm với mẫu đất cát H2  H L H1 Q F L ΔHQ F L ΔHkQ L ΔHk F Q  kIv  Định luật Darcy: Vận tốc thấm tỷ lệ bậc nhất với gradien thuỷ lực Hệ số thấm (m/ngđ) kIFQ Định luật thấm tuyến tính của Darcy Đối với đất sét:  Sự thấm xảy ra khi I≥Io (do lực nhớt)  Sự thấm xảy ra theo quy luật tuyến tính khi I ≥ Ibh I, Io : phụ thuộc loại đất. VD: sét cứng Io = 20 ÷30 (theo Roza)  o34bh IIk)I(Iv  k Io 4/3I o I V Đất cát Đất sét 0 Giới hạn ứng dụng của định luật thấm Darcy  Định luật thấm tuyến tính Darcy:  Thấm tầng:  Môi trường thấm đồng nhất: cát đồng nhất, cuội sỏi, đá nứt nẻ  Đối với đất sét, khi I>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 2 1.Iv k I v 0