Bài giảng Địa chất công trình - Chương 5: Nước dưới đất

Nội dung text: Bài giảng Địa chất công trình - Chương 5: Nước dưới đất

1. 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 cơng và điều kiện làm việc cơng trình: gây ngập hố mĩng, xĩi 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 khơng thấm được gọi là tầng cách nước. Ngồi các lớp đá cứng, các lớp sét cứng, nửa cứng được xem là tầng khơng thấm nước. Chỉ tiêu đặc trưng cho khả năng thốt nước của đất đá là độ thốt nước :  = Vwr / V
2. 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 hĩa học - - Các nguyên tố và ion đĩng vai trị chủ yếu: Cl , HCO3 2- 2- 2+ 2+ + + , SO4 , CO3 , Ca , Mg , Na , K , *Khí trong nước dưới đất
3. * Phản ứng hoạt tính của nước (pH) Nước dưới đất bị phân ly: + - H2O  H + OH Trị số pH: pH = - lg[H+] Nước cĩ phản ứng trung hịa: [H+] = [OH-] = 10-7 pH = -lg10-7 = 7 pH 7 : tính kiềm * Độ cứng: là tính chất của nước cĩ chứa những hợp chất hịa 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 khống hĩa: Tổng số các ion, các phân tử và các hợp chất khác chứa trong nước hợp thành lượng khống hố của nước.
4. Nước dưới đất cĩ thể cĩ tính chất ăn mịn bê tơng. Khả năng hịa tan của nước đối với CaCO3 được xác định trước hết bởi cacbonic ăn mịn cĩ trong nước. Khi cĩ cacbonic tự do, 2- ion CO3 khơng thể cĩ với lượng đáng kể vì nĩ sẽ phản ứng với - cacbonic tạo thành HCO3 2+ - CaCO3 + H2O + CO2 Ca + 2HCO3 2- Cacbonic ở dạng ion CO3 gọi là cacbonic liên kết, cịn ở dạng - HCO3 - cacbonic bán liên kết. Một phần CO2 tự do chứa trong nước tham gia hịa tan CaCO3; cịn 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: CO 2 CO 2 lien ket 2 cân bang 34 5.2.2.Trữ lượng nước dưới đất
5. 5.3. CÁC HÌNH THỨC HỆ THỐNG HĨA 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 cĩ thể biểu diễn dưới dạng đương lượng. Xác định số mg của một đương lượng bằng cách lấy nguyên tử lượng chia cho hố 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. A K.M. .T.pH cơng thức Courlov: C Tên nước được gọi theo tên các anion và cation cĩ hàm lượng trên 25% xếp giảm dần.
6. Ion mg/l mgeq/l % đương lượng Cation Na+ 46 Ca2+ 90 Mg2+ 84 Anion Cl- 70 2- SO4 216 - HCO3 427
7. Ion mg/l mgeq/l % đương lượng Cation Na+ 46 2 14,81 Ca2+ 90 4,5 33,33 Mg2+ 84 7 51,86 13,5 100 Anion Cl- 70 2 14,81 2- SO4 216 4,5 33,33 - HCO3 427 7 51,86 13,5 100
8. HCO (51,9)SO 2 (33,3)Cl (14,8) CO (0,038)M (0,933g) 3 4 T 250.pH(6,8) 2 Mg 2 (51,9)Ca 2 (33,3)Na (14,8) 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
9. Dấu hiệu ăn mịn của nước mơi Cơng trình khơng chịu cột nước ép Cơng trình trường chịu cột nước Mơi trường bao quanh Số ép TT Nơi chứa nước lộ Đất thấm nước yếu Nước bao thiên hoặc đất thấm (K<0,1m/ngày đêm) quanh bê tơng nước trung bình và trong điều mạnh (K 0,1m/ngày kiện bất kỳ đêm) 1 Độ kiềm bicacbonat (tính ăn 1,5 (4o) Khơng qui định 2 (6o) mịn khử kiềm) tính theo mgeq/l hoặc theo độ nhỏ hơn 2 Chỉ số hydro (tính ăn mịn axit), 6,5 5 6,5 nĩi chung pH nhỏ hơn 3 Lượng chứa cacbonit tự do (tính a[Ca2+] + b a[Ca2+] + b + 40 a[Ca2+] + b ăn mịn cacbonit) tính theo mg/l lớn hơn 2- 2- 2- 4 Lượng chứa muối Mg (tính ăn 1000 – [SO4 ] 6000 – [SO4 ] 4000 – [SO4 ] mịn manhê) được đổi ra ion 1000 2000 1000 Mg2+ đo bằng mg/l cĩ tính cả 2- lượng chứa ion SO4 đo bằng mg/l lớn hơn. Lượng chứa ion Mg2+ trong mọi trường hợp lớn hơn
10. 5 Lượng chứa sunfat (tính ăn 300 300 250 mịn sunfat) được tính đổi 150 + 0,15[Cl-] 150 + 0,15[Cl-] 100 + 2- - ra ion SO4 đo bằng mg/l 1000 1000 0,15[Cl ] – khi lượng chứa ion Cl- 1000 nhỏ hơn 1000mg/l - lớn hơn. Lượng chứa sunfat khi lượng chứa ion Cl- lớn hơn 1000mg/l - lớn hơn 2- Lượng chứa ion SO4 trong mọi trường hợp khơng lớn hơn 6 Lượng chứa muối amoniac 1000 1000 1000 (tính ăn mịn amoniac) tính theo mg/l – lớn hơn 7 Lượng chứa kiềm ăn da (tính 50 80 30 ăn mịn kiềm) tính theo mg/l lớn hơn 8 Lượng chứa Clorua sunfat, 10 10 Theo nghiên nitrat và các muối khác cứu cũng như điều kiện khí chuyên hậu nĩng (khi cĩ các bề mơn mặt bay hơi) tính theo mg/l – lớn hơn
11. - - 2- HCO3 Tổng hàm lượng Cl + SO4 (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 4 0.01 16 0.01 17 0.01 17 0.00 17 0.00 17 0.00 17 1.8 5 0.04 17 0.04 18 0.03 17 0.02 18 0.02 18 0.02 18 2.1 6 0.07 19 0.06 19 0.05 18 0.04 18 0.04 18 0.04 18 2.5 7 0.10 21 0.08 20 0.07 19 0.06 18 0.06 18 0.05 18 2.9 8 0.13 23 0.11 21 0.09 19 0.08 18 0.07 18 0.07 18 3.2 9 0.16 25 0.14 22 0.11 20 0.10 19 0.09 18 0.08 18 3.6 10 0.20 27 0.17 23 0.14 21 0.12 19 0.11 18 0.10 18 4.0 11 0.24 29 0.20 24 0.16 22 0.15 20 0.13 19 0.12 19 4.3 12 0.28 32 0.24 26 0.19 23 0.17 21 0.16 20 0.14 20 4.7 13 0.32 34 0.28 27 0.22 24 0.20 22 0.19 21 0.17 21 5.0 14 0.36 36 0.32 29 0.25 26 0.23 23 0.22 22 0.19 22 5.4 15 0.40 38 0.36 30 0.29 27 0.26 24 0.24 23 0.22 23
12. 5.5.CÁC LOẠI NƯỚC DƯỚI ĐẤT 5.5.1. Nguồn gốc sinh thành nước dưới đất, cột nước thủy lực và hướng chảy dịng ngầm Phổ biến và dễ thấy hơn cả là nước nguồn gốc do thấm từ nước mặt. Tầng chứa nước cĩ 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 cĩ mái là một mặt thống tự do thì gọi là tầng nước khơng áp. a b c h H z z Mặt chuẩn
13. Phương trình Bernulli thể hiện tổng năng lượng cho một đơn vị khối lượng tại một điểm bất kỳ của dịng nước dưới đất: v2 P Etm gz 2 w Nếu dịng được xem như khơng cĩ ma sát và khơng chịu nén theo phương vận động thì tổng 3 thành phần là hằng số, hay: v2 P 2 gz const v P 2 w Hoặc: z const 2g g w Cĩ thể bỏ qua thành phần v2/2g, tổng cột nước thủy lực h sẽ là: P h z g w Từ đĩ: h = z + hp Tổng cột nước thủy lực bằng tổng cột nước cao trình và cột nước áp suất.
14. Tổng cột nước h, cột nước cao trình z và cột nước áp suất hp hp h z Trong tính tốn những bài tốn 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 để40 xácB định hướng dịng ngầm là phương pháp tam giác. 39 38 37 A 36 36 D 35 C 34
15. 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 dịng chảy hơn là dịng thấm. Đới thông khí Thấu kính sét Đới bão hòa
16. 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 2 h 1 H - h H - h H biển 3 H h man man nhat H h h nhat man nhat
17. ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH CHƯƠNG 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT Nước áp lực cĩ thể gây bục đáy hố mĩng khi thi cơng. Điều kiện an tồn đáy hố mĩng: t  w (h + t) h t Trang 17