Bài giảng Địa chất công trình - Chương 6: Một số quy luật vận động của nước dưới đất

Nội dung text: Bài giảng Địa chất công trình - Chương 6: Một số quy luật vận động của nước dưới đất

1. CHƯƠNG 6 MỘT SỐ QUY LUẬT VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT 6.1. CƠ SỞ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SỰ THẤM VÀ MỘT SỐ QUY LUẬT THẤM Giả thiết rằng: dịng nước dưới đất chiếm tồn bộ tầng chứa nước, bao gồm tất cả khe hổng và phần cốt (cứng) của mơi trường. Như vậy, dịng vận động thực tế của nước dưới đất chỉ theo các khe hổng được thay bằng dịng giả định, chiếm tất cả tầng chứa nước và gọi là dịng thấm. 6.1.1.Quy luật dịng chảy trong ống dr h 1 h 2 ro ro L dv
2. Biểu đồ cĩ dạng parabol và n 2 2 n 2 v i ro r vmax i ro Lưu lượng dịng chảy trong ống: 4 4 ro i q 2 rvdr w 4 ro o 8 6.1.2.Định luật thấm đường thẳng (Darcy) h Q K A L h h L h 2 h 1 L Q Q=K.i.A
3. 6.1.3.Định luật thấm phi tuyến Trong đá nứt nẻ mạnh, lỗ rỗng cacstơ, vận động của nước dưới đất đơi khi mang đặc tính chảy rối vàcĩ thể tuân theo biểu thức sau: v K i Cơng thức Proni: i = av + bv2 Với đất loại sét, định luật thấm được biểu diễn theo biểu thức sau: 3 4 i0 i0 v K i i0 3 3 i Ở đây io - Gradient áp lực ban đầu v i=(v/K)(1+ v) v=K.i v=K(i-4/3 io ) i io 4/3 io
4. * Ứng suất sinh ra khi nước chuyển động trong đất tác dụng lên hạt đất gọi là ứng suất thủy động: v J i.  w K w Gradient thủy lực khi bắt đầu phát sinh hiện tượng đẩy trơi đất gọi là gradient thủy lực tới hạn, ký hiệu ith:  s 1 ith (1 e) w 6.2.Quy luật vận động của dịng chảy phẳng Việc tính tốn nhằm xác định lưu lượng đơn vị q, mực nước ngầm hoặc áp lực tại một tiết diện bất kỳ. 6.2.1.Tính tốn cho dịng thấm ổn định của nước dưới đất 6.2.1.1.Trường hợp tầng chứa nước khơng áp a) Đáy cách nước nằm ngang Xét lưu lượng đơn vị (lưu lượng của dịng thấm cĩ bề rộng là 1m):
5. 1 2 dh q Kh dx x1 h1 q dx K hdh x2 h2 K 2 2 q x1 x2 h1 h2 Thay các giá trị theo hình vẽ: 2 K h2 h2 q 1 2 2L Vì đây là dịng thấm ổn định nên q tại mọi tiết diện bằng nhau dễ dàng rút ra được phương trình đường mực nước: h2 h2 h h2 1 2 x x 1 L
6. 6.2.1.2.Trường hợp tầng chứa nước cĩ áp (nước artesia) a) ĐáyH cách nước nằm ngang dH q KM H 1 H 2 dx H x x2 H1 M q dx KM dH x x H x 1 L 1 2 x 2 x q x1 x2 KM H1 H 2 Thay các giá trị theo hình vẽ: H1 H 2 H1 H 2 H H x q KM và x 1 L L
7. 6.2.1.3.Trường hợp tầng chứa nước gồm hai lớp đất cĩ hệ thấm khác nhau và cĩ đáy cách nước nằm ngang 2 a) Hai lớp1 đất nằm song song với phương dịng thấm K 2 h 1 h 2 H H 1 2 M K 1 x 1 L x 2 Xem như: ở trên - nước khơng áp, cịn ở phần dưới - nước dưới đất vận động như nước cĩ áp lực: x2 H 2 h2 dH dh q dx K M dH K hdh q q1 q2 K1M K2h 1 2 x h dx dx 1 H1 1 H H h2 h2 q K M 1 2 K 1 2 1 L 2 2L
8. b) Tầng1 chứa nước cĩ hệ số thấm thay đổi theo phương vận động s - Ở lớp 1: 2 h2 h2 hs h K K2 1 s 1 1 q1 K1 h 2 2L1 - Ở lớp 2: L1 L 2 2 2 hs h2 q2 K2 2L2 2 2 L1 h1 hs 2q Từ đĩ: K1 2 2 L2 hs h2 2q K2
9. Cộng hai vế của hai phương trình: L L h2 h2 2q 1 2 1 2 K K h2 h2 1 2 q 1 2 L1 L2 2 K1 K2 2 2 2 L h h Chiều cao mực nước tại tiết diện s là: h h 1 1 2 s 1 L L 1 2 K1 K1 K2 Tương tự đối với tầng chứa nước cĩ áp: M H1 H 2 L1 H1 H 2 q H s H1  K L L 1 L1 L2 1 2 K1 K2 K1 K2
10. 6.2.1.4.Vận động ổn định của nước dưới đất trong lớp khơng đồng nhất * Khi nước thấm song song với các mặt phân lớp: n q  qi K1h1 K2h2 Knhn .i i 1 Thay tầng chứa nước khơng đồng nhất bằng tầng chứa nước tương đương đồng nhất cĩ hệ số thấm là Ktb q = Ktb.h. i Hệ số thấm trung bình của tầng chứa nước khi nước vận động song song với mặt lớp: K1h1 K2h2 Knhn Ktb h1 h2 hn
11. * Khi nước vận động theo phương vuơng gĩc với mặt lớp: H1 H2 K h1 H 1 H3 H K n 2 h2 h K3 3 Kn hn h h h K 1 2 n tb h h h 1 2 n K1 K2 Kn
12. 6.3. QUY LUẬT VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT ĐẾN CÁC HỐ KHOAN BƠM NƯỚC Một giếng khoan cĩ cấu tạo gồm những bộ phận cơ bản sau:Ống chống, ống khai thác, ống lọc, máy bơm Khi bơm hút nước, mực nước xung quang giếng sẽ hạ thấp, tạo thành một hình phễu hạ thấp. Khoảng các từ giếng khoan đến hết đường cong hạ thấp gọi là bán kính ảnh hưởng R. Bán kính ảnh hưởng (R) khơng thay đổi khi dịng thấm ổn định (khi máy bơm hoạt động với lưu lượng Q ổn định trong khoảng thời gian 3 ngày) và thay đổi khi dịng thấm khơng ổn định. Bán kính ảnh hưởng phụ thuộc vào các yếu tố sau: thời gian hút nước, hệ số thấm, độ hạ thấp mực nước.
13. Trường hợp nước cĩ áp: R 10S K Trường hợp nước khơng áp: R (1,95 2).S HK - Hố khoan bơm nước hồn chỉnh nếu ống lọc đặt hết trong tầng chứa nước, nếu khoan khơng hết chiều dày tầng chứa nước thì là hố khoan bơm nước khơng hồn chỉnh. 6.3.1.Vận động ổn định của nước dưới đất đến hố khoan nước ngầm hồn chỉnh a. Sơ đồ vận động của nước đến hố khoan rhk s h hhk R
14. rhk s h h hhk R r
15. Sử dụng định luật thấm tuyến tính: Q = K.i.A Khi bơm nước từ hố khoan hồn chỉnh thì diện tích nước thấm qua là diện tích xung quanh của một hình trụ cĩ bán kính đáy là r và chiều cao là h. A = 2 .r.h dh Độ dốc thủy lực tại tiết diện nước thấm qua là: i dr Thay vào phương trình ta thu được: hdh Q 2 Kr Thay vào phương trình và lấy tích phân: dr R dr h Q 2 K hdh K h2 h2 r Q hk rhk hhk R ln rhk
16. 6.3.2.Vận động ổn định của nước Artesia đến hố khoan bơm nước hồn chỉnh Q = K.i.A dH r i hk A 2 rM dr s dH H Q 2 KMr dr Hhk M R dr H Q 2 KM dH R r rhk hhk 2 KM H h Q hk R ln rhk
17. rhk s H H Hhk M R r
18. 6.4. QUY LUẬT VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT ĐẾN CHÙM HỐ KHOAN BƠM NƯỚC 6.4.1.Mục đích nghiên cứu a h>0,5m b H < hđất. H hđất
19. 6.4.2.Sơ đồ vận động của nước dưới đất đến các hố khoan bơm nước đồng thời HK 1 r 1 A r 2 HK 2 SA-1 S1 SA-2 M L Áp lực hạ thấp ở điểm A như sau: SA = SA-1 + SA-2 Mực áp lực hạ thấp tại điểm A do các hố khoan 1 và 2 bơm đồng thời với các lưu lượng Q1’ và Q2’được tính như sau: SA SA 1 SA 2 Q' Q' 1 lnR lnr 2 lnR lnr 2 KM 1 1 2 KM 2 2
20. Với n hố khoan bơm nước: Q' Q' S 1 ln R ln r 2 ln R ln r A 2 KM 1 1 2 KM 2 2 Q' n ln R ln r 2 KM n n Nếu ở tất cả các hố khoan khi bơm đồng thời với các lưu lượng bằng nhau Q1’ = Q2’, = Qn’, thì các bán kính ảnh hưởng sẽ xấp xỉ nhau R1 = R2 = = Rn = R0 1 Q' S  nln R ln r .r r A 2 KM n 0 1 2 n Hay: Q '  1 S A ln R 0 ln r1.r2 rn 2 KM n Tổng lưu lượng của tất cả các hố khoan bơm đồng thời: 2 KMS Q' A  1 ln R ln r .r r 0 n 1 2 n
21. Trong trường hợp nếu các khoảng cách từ điểm cần hạ thấp áp lực A đến các hố khoan bằng nhau, nghĩa là các hố khoan bơm nước bố trí trên đường trịn và điểm hạ thấp áp lực là tâm vịng trịn đĩ ta cĩ: 2 KMS Q' 0  ln R0 ln r0 Khi bơm nước ở các hố khoan bơm đồng thời trong tầng chứa nước ngầm, một cách tương tự ta cũng cĩ: K H 2 h2 Q' 0  R HK1 HK2 ln 0 r0 ro HK3 So HK5 Ro HK4
22. 6.5.CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ THẤM CỦA ĐẤT ĐÁ Hệ số thấm là chỉ tiêu tính tốn cơ bản để giải các bài tốn địa chất thủy văn, đánh giá về lượng sự vận động của nước dưới đất. 6.5.1.Các phương pháp xác định hệ số thấm K trong phịng thí nghiệm - Dụng cụ thấm với gradient khơng đổi (dụng cụ TIME) Q K A.i
23. b) Ống G.N. Kamenxki: S l H H K ln l t H S
24. c) Đối với đất loại sét thường sử dụng dụng cụ thí nghiệm cột nước giảm dần  l H S K 1 ln H 2 t H S l 6.5.2.Các phương pháp xác định hệ số thấm K hiện trường a) Phương pháp đổ nước hố đào Q.Z K F(H K Z H )