BÀI GIẢNG ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH CHƯƠNG 5 NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÀ TÍNH TOÁN NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Nước ngầm phreatic:  Là nước dưới đất thành tạo ở tầng chứa nước đầu tiên tính từ mặt đất  Tầng chứa nước này chỉ bị chắn bởi tầng đáy cách nước và không bị chắn ở phía trên nên có thể

Trang 1

CHƯƠNG 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÀ TÍNH TOÁN THẤM NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Môi trường rỗng

Thành tạo

ban đầu

Biến đổi kiến tạo

Khe rỗng do thành tạo ban đầu

Khe rỗng do biến đổi-kiến tạo

Trang 3

Phân loại nước dưới đất:

1 Nước ngầm (phreatic):

 Là nước dưới đất thành tạo ở tầng chứa nước

đầu tiên (tính từ mặt đất)

 Tầng chứa nước này chỉ bị chắn bởi tầng đáy

cách nước và không bị chắn ở phía trên nên có thể thẩm thấu lên trên bề mặt, được gọi là tầng nước ngầm tự do

- Mực nước thay đổi theo mùa và chế độ thủy văn

- Dễ bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt và công

nghiệp

2 Nước sâu:

Nằm sâu bên dưới, qua một tầng cách nước, thường ở giữa 2 tầng cách nước, chia làm 2 dạng:

- Khi tầng chứa nước sâu có thế nằm ngang và không hoàn

toàn bão hòa (ngập nước) gọi là tầng chứa nước không áp

- Khi tầng chứa nước sâu trong địa tầng có thế nằm nghiêng

thì gọi là tầng chứa nước có áp

Khi khoan thăm dò vào tầng nước có áp thì mực nước trong hố khoan sẽ dâng cao lên, có thể trên mặt đất, sao cho bằng cốt cao độ với mực nước nguồn cấp theo nguyên lý bình thông nhau, gọi là nước aztezi

HIỆN TƯỢNG MAO DẪN

 Bề mặt tiếp xúc giữa chất lỏng với thành vật rắn thì mỗi phân tử lỏng đều bị tác dụng một lực do phân tử bên cạnh và với thành, làm ướt, và tạo thành bề khum lõm xuống.

 Một khoảng nước dâng cao hơn mực nước ngầm ổn định gọi là đới mao dẫn.

Trang 5

 Độ dâng cao của đới mao dẫn tuân theo định luật Jurin:

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

5.1 – Khái niệm 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

Trong trường hợp lỗ rỗng của đất đá chứa đầy nước tự do

và nước dịch chuyển do sự chênh lệch áp lực từ nơi có áp lực cao (mực nước cao hơn) đến nơi có áp lực thấp hơn (mực nước thấp hơn) được gọi là sự thấm của nước dưới đất.

Khi tính toán cần giả định dòng nước dưới đất chiếm toàn

bộ các lỗ rỗng tức xem như đất bão hòa và dòng di chuyển đó gọi là tầng nước ngầm (dòng thấm)

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

5.2 – Phân loại nước dưới đất:

 Nước thấu kính: (nước thượng tầng)

Nguồn cung cấp nước chủ yếu là do nước mưa ngấm xuống

Trang 7

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

5.2 – Phân loại nước dưới đất:

 Nước ngầm không áp:

 Nguồn cung cấp nước chủ yếu là nước song, hồ, nước mưa ngấm:

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

5.2 – Phân loại nước dưới đất:

 Nước ngầm có áp (actezi):

Sơ đồ tầng áp lực và sự hình thành giếng phun (actezi) a- miền cung cấp; b- miền tàng trữ; c-miền thoát nước .

Nước áp lực (actezi)

Tầng chứa nước kẹp giữa hai tầng cách nước.

điều kiện để cho đáy hố móng không bị bục là trọng lượng của tầng cách nước phải bằng hoặc lớn hơn áp lực đẩy ngược của nước áp lực:

t   w (h + t)

h

t

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Sơ đồ quan hệ giữa nước mặn và nước nhạt ở bờ biển

1 Mực nước biển; 2 Bề mặt thoáng của nước nhạt; 3 Đường cân bằng giữa nước mặn và nước ngọt

O

H(x;y)

h(x;y) Ranh giới nước mặn và nước ngọt:

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Trang 9

 Tính chất vật lý:

•Tỷ trọng: phụ thuộc muối hòa tan.

•Độ trong suốt: phụ thuộc lượng khoáng hòa tan, hợp chất hóa học, hữu cơ, keo nước…

•Màu của nước: phụ thuộc thành phần hóa học, tạp chất Nước cứng màu nhạt, Fe và H 2 S lục…

•Mùi: vi khuẩn, khí nguồn gốc hóa học vd H 2 S

•Vị: Ca(HCO 3 ) 2 ngọt, NaCl mặn, MgSO4 đắng…

•Tính dẫn điện

GV: TRẦN HÙNG CƯỜNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

5.3 – Các tính chất của nước dưới đất:

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

 Tính chất hóa học:

Các nguyên tố và ion đóng vai trò chủ yếu: Cl - , HCO 3 - ,

SO 4 2- , CO 3 2- , Ca 2+ , Mg 2+ , Na + , K + ,…

a Độ hoạt tính của nước (độ pH):

5.3 – Các tính chất của nước dưới đất:

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Độ pH: H2OH++OH

-Hằng số phân ly:

Như vậy lượng ion trong nước là:

[H+][OH-] = KH2Ox[H2O] = 1,8.10-16x 55,56 = 10-14

pH = - lg[H+]

Ở đây: [H+] – nồng độ của ion H+.

Trung tính: pH=7 Axit: pH<7 Bazo: pH>7

 Tính chất hóa học:

a Độ hoạt tính của nước (độ pH):

b Độ cứng của nước

Độ cứng là tính chất của nước có chứa những hợp chất hòa tan

của Ca2+ và Mg2+.

2 cách đánh giá độ cứng: (theo meq/l hoặc độ) -Biểu diễn bằng độ Đức:

H=0.1a+0.14b Với H: độ cứng tính theo độ Đức

a: lượng mg CaO trong 1l nước B: lượng mg MgO trong 1l nước

5.3 – Các tính chất của nước dưới đất:

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

-Biểu diễn bằng hàm lượng meq/l của Ca 2+ và Mg 2+

Số mg của một đương lượng là tỷ số nguyên tử lượng (phân tử lượng)

và hóa trị.

Vd: Ca 2+= 40/2=20mg

Mg 2+ =24/2=12mg Hàm lượng meq/l (miligam đương lượng/lít) là tỷ số giữa hàm lượng

mg/l và số mg của đương lượng.

Lưu ý: 1meq/l=2,8 0 Đức

1 0 Đức=0,357 meq/l

Rất mềm <1,5 meq/l <4,20

Mềm 1,5-3 meq/l 4,20-8,40

Hơi cứng 3-6 meq/l 8,50-16,80

Cứng 6-9 meq/l 16,80-25,20

Rất cứng >9 meq/l >25,20

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Trang 11

 Tính chất hóa học:

a Độ hoạt tính của nước (độ pH):

b Độ cứng của nước

c Độ khoáng hóa: (biêu diễn bằng g/l)

Trong nước có tồn tại các thành phần khoáng, để xác định hàm lượng, cần đun sôi nước và lọc lắng cặn để phân tích.

5.3 – Các tính chất của nước dưới đất:

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Các nguyên tố và ion trong nước

Vi nguyên tố (Zn, Br, Mn, Cu, Pb…), siêu nguyên tố (Hg,Au, Rb…)

Ion Cl - : NaCl, nước vị mặn, ion này trội hơn các ion khác trong tầng nước sâu.

Ion HCO 3 - : gặp trong nước nhạt, do hòa tan đá carbonat Liên quan ăn mòn bê tông

Ion SO 4 2- : trong nước tiếp xúc thạch cao, có chứa H 2 S, có vị chát.

Ion Ca 2+ :trội hơn trong ước nông độ khoáng ít.

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Ion Na + : thường có nồng độ cao (10-100g/l) Vùng nước gần mặt đất hàm lượng tăng cao: nhiễm bẩn.

Ion sắt…: có vị kim loại, dễ vẩn đục nước.

Khí trong nước dưới đất: CO 2 , O 2 , H 2 S, CH 4 …CO 2 và H 2 S có độ hòa tan lớn nhất.

Khí CO 2 : có nhiều trong nước axit, CO 3 2- có nhiều trong nước pH>8.5

Khí O 2 : có trong nước uống, hàm lượng giảm dần theo độ sâu.

Khí H 2 S: có trong nước gần đầm hồ và bùn, mùi khó chịu, không dùng ăn uống, tăng tính ăn mòn của nước.

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Công thức Courlov và tên nước

Công thức Courlov tổng quát có dạng:

K - ký hiệu chất khí chứa trong nước (mg/l)

M - tổng khoáng hóa của nước (g/l) (không kể khí)

A - các anion hàm lượng >10% xếp giảm dần và hàm lượng % của chúng.

C - các cation hàm lượng >10% xếp giảm dần và hàm lượng % của chúng.

T - nhiệt độ của nước ở điểm lấy mẫu.

pH - độ pH

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Kết quả thí nghiệm hàm lượng CO2 trong mẫu nước là 87mg/l; độ pH=7,1

Đương lượng:

meq/l= (số mg/l)/ [nguyên tử lượng/hóa trị]

Trang 13

Kết quả phân tích mẫu nước theo ví dụ được biểu diễn như sau:

Gọi tên nước: Tên nước được gọi theo tên các

anion và cation có hàm lượng trên 25% xếp giảm dần Ví dụ trên là: Clorua – Bicarbonat – Natri.

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Số TT

Dấu hiệu ăn mòn của nước môi

trường

Công trình không chịu cột nước ép Công trình

chịu cột nước ép

Môi 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)

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

2 Chỉ số hydro (tính ăn mòn axit), nói chung pH nhỏ hơn

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

(tính ăn mòn amoniac) tính theo mg/l – lớn hơn

7 Lượng chứa kiềm ăn da (tính

ăn mòn kiềm) tính theo mg/l lớn hơn

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

cứu chuyên môn

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

Trang 15

 Theo ví dụ đã nêu: tổng hàm lượng Cl - và SO 4

2-trong khoảng 201-400, hàm lượng HCO 3 - là 3,6meq/l, theo bảng tra: a = 0,17; b = 23 Do đó:

a[Ca 2+ ] + b = 0,17x 24 + 23 = 27<87mg/l Vậy mẫu nước có tính ăn mòn CO 2

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Xác định tính ăn mòn của nước?

 Đánh giá chất lượng nước dùng trong sinh hoạt (tham khảo tài liệu)

 Đánh giá chất lượng nước dùng trong xây dựng:A

Thành phần hóa học của xi măng : C2S; C3S; C3A; C4AF

 Ăn mòn rửa trôi:

Ca(OH)2+ Ca(HCO3)2= 2CaCO3+ 2H2O

Ăn mòn dạng muối:

MgCl2+ Ca(OH)2= CaCl2+ Mg(OH)2

Dạng ăn mòn axit:

Ca(OH)2+ 2HCl = CaCl2+ 2H2O

Dạng ăn mòn cacbonit:

Ca(OH)2+ CO2= CaCO3+ H2O CaCO3+ CO2+ H2O = Ca(HCO3)2

Chương 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT