địa chất công trình chương 6

tài liệu uy tín được biên soạn bởi giảng viên đại học Bách Khoa TPHCM, thuận lợi cho qua trình tự học, nghiên cứu bổ sung kiến thức bộ môn địa chất công trình, bộ môn dầu khí, bộ môn cầu đường xây dựng dân dụng, Tài liệu được kiểm duyệt bởi giảng viên, phòng đào tạo trường đại học bách khoa, lưu hành nội bộ

CHƯƠNG 6.

QUY LUẬT VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC

DƯỚI ĐẤT

Do sự chênh lệch áp lực, nước dưới đất

chuyển động không ngừng trong các lỗ

rỗng, khe nứt của đất đá hình thành dòng

thấm

6.1 CƠ SỞ ĐỘNG LỰC HỌC VÀ QUY LUẬT THẤM

 Giả thiết: dòng nước dưới đất chiếm toàn bộ tầng chứa nước,

bao gồm tất cả khe hổng và phần cốt (cứng) của môi trường

Như vậy, dòng vận động thực tế của nước dưới đất chỉ theo các khe hổng được thay bằng dòng “giả định”, chiếm tất cả

tầng chứa nước và gọi là dòng thấm

 Cai loại chuyển động của dòng thấm: chảy tầng và chảy rối

Trong đất chủ yếu là chảy tầng.

Sơ đồ thấm nước trong đất và dụng cụ thí nghiệm thấm.

Sơ đồ thấm nước trong đất và dụng cụ thí nghiệm thấm

h K

h K

Q – lưu lượng dòng thấm (l/s,

m 3 /ngày đêm), là lượng nước thấm

qua một tiết diện nào đó trong một

đơn vị thời gian.

K - hệ số thấm cuả đất (cm/s, m/ ngày

đêm).

Gradient thủy lực là tỷ số giữa độ

chênh cột áp và chiều dài đường

thấm.

A - tiết diện dòng thấm;

L - chiều dài dòng thấm.

i L

Trong đá nứt nẻ mạnh, lỗ rỗng karst, vận động của nước dưới đất đôi khi mang đặc tính chảy rối và có thể tuân theo biểu thức sau: v = K i

−

=

3 0 0 0

3 3

4

i

i i i i

K v

v=K.i

v=K(i-4/3 io) i=(v/K)(1+ α v)

Một số định luật thấm

* Ứng suất sinh ra khi nước chuyển động trong đất

tác dụng lên hạt đất gọi là ứng suất thủy động:

w w

K

v i

s th

e

i

γ

γ γ

(

1

6.2 QUY LUẬT VẬN ĐỘNG CỦA DÒNG THẤM PHẲNG ỔN ĐỊNH

Việc tính toán nhằm xác định lưu lượng đơn vị q, mực nước ngầm hoặc áp lực tại một tiết diện bất kỳ.

Lưu lượng đơn vị là lưu lượng dòng thấm có bề dày bằng bề dày tầng chứa nước và bề rộng là 1m.

Trường hợp tầng chứa nước không áp, đáy cách nước nằm ngang

Theo sư phụ Darcy, q=KiA:

m dx

dh Kh

dx

2

2 1 2

1

K x

x

q − = − −

Do đó:

Trường hợp tầng chứa nước không áp, đáy cách nước nằm ngang

Thay các giá trị:

Vì đây là dòng thấm ổn định

nên lưu lượng đơn vị q tại

mọi tiết diện bằng nhau, dễ

K

q

2

2 2

2

1 −

=

x L

h

h h

hx

2 2

2 1

2 1

−

−

=

Trường hợp tầng chứa nước có áp, đáy cách nước

nằm ngang có bề dày không đổi

Theo sư phụ Darcy, Q=KiA:

Chuyển vế và lấy tích phân từ

tiết diện (1) sang tiết diện (2):

dx

q

( x1 x2 ) KM (H1 H2 )

Trường hợp tầng chứa nước không áp, đáy cách

nước nằm ngang

Thay các giá trị:

Vì đây là dòng thấm ổn định

nên lưu lượng đơn vị q tại

mọi tiết diện bằng nhau, dễ

Khi nước thấm song song với các mặt phân lớp

 Sử dụng giá trị hệ số thấm tương đương

h h

h

h K h

K h

K K

++

+

++

2 2 1

1

Khi nước vận động theo phương vuông góc với mặt lớp

 Sử dụng giá trị hệ số thấm tương đương

n tb

K

h K

h K

h

h h

h K

+ +

+

+ +

1

2 1

6.3 QUY LUẬT VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT ĐẾN CÁC HỐ KHOAN BƠM NƯỚC

Khi bơm hút nước, mực nước xung quang giếng sẽ hạ thấp, tạo

R 10 =

hK S

Vận động ổn định của nước dưới đất đến hố khoan nước ngầm hoàn chỉnh

Vận động ổn định của nước dưới đất đến hố khoan nước ngầm hoàn chỉnh

 Cũng lại theo sư phụ Darcy: Q = K.i.A.

h h

K Q

Vận động ổn định của nước Artesia đến hố khoan bơm nước hoàn chỉnh

Vận động ổn định của nước dưới đất đến hố khoan nước ngầm hoàn chỉnh

 Darcy bảo rằng rất dễ nhớ: Q = K.i.A.

 Theo sơ đồ thấm: A = 2 π.r.M

dr

dH

i =

Như vậy, phương trình đạo hàm:

Chuyển vế và lấy tích phân theo điều kiện biên:

Lưu lượng bơm hút ổn định:

Và

dr

dH KMr

H H

KM Q

ln

6.4 QUY LUẬT VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT ĐẾN CHÙM HỐ KHOAN BƠM NƯỚC

a h>0,5m

b

h đất H H.γ w < h s .γ

Mục đích – hạ mực nước trong hố đào.

Sơ đồ vận động của nước dưới đất đến các hố khoan bơm nước đồng thời

1

' 1

2 1

ln

ln2

ln

ln

Q r

R KM

Q

S S

S A A A

−+

−

=+

π π

Nếu ở tất cả các hố khoan khi bơm đồng thời với các lưu lượng bằng nhau Q 1 ’ = Q 2 ’, …= Q n ’ = Qo , thì các bán kính ảnh hưởng sẽ xấp xỉ nhau R 1 = R 2 = …= R n =

R KM

Q r

R KM

ln

ln2

' 2

2

' 2 1

r n

R

KMS Q

ln

1 ln

2 '

2 1

Q

n

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 tròn và điểm hạ thấp áp lực là tâm vòng tròn đó:

0 0

0

lnln

2'

r R

KMS Q

2 0 2

ln

'

r R

h H

K

HK 2

HK

5

HK 4

HK 3

6.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ THẤM CỦA ĐẤT ĐÁ

 Hệ số thấm từ kết quả thí nghiệm được tính theo công thức:

l

S

H

S H

H t

l A

a K

−

×

×

a – tiết diện ống đo áp

A – tiết diện mẫu đất

l – chiều cao mẫu đất

t – thời gian thí nghiệm

H – Chiều cao cột nước

S – Độ chêch lệch cột nước

sau thời gian thí nghiệm

t=t1-t2.

Phương pháp Necterov (đổ nước hố đào)

 Hệ số thấm của lớp đất được tính theo công thức sau:

) (

.

H z

H F

z

Q K

=

H – Chiều dày lớp nước trên

đáy hố đào (=10cm).

Q – lưu lượng nước đổ.

F – diện tích tiết diện của

vòng kim loại bên trong.

Hk – chiều cao mao dẫn (có

thể xác định theo bảng tra).

z – Chiều sâu nước thấm.

 Thí nghiệm thấm hiện trường như bơm hút từ giếng đơn hay chùm giếng có thể xác định từ các công thức cơ bản nhờ các giếng quan trắc bổ sung.