Bài giảng Địa chất công trình - Chương 5: Nước dưới đất và ảnh hưởng của NDĐ đến xây dựng công trình

Bài giảng Địa chất công trình - Chương 5: Nước dưới đất và ảnh hưởng của NDĐ đến xây dựng công trình cung cấp cho người học những kiến thức như: Các dạng tồn tại của nước ở trong đất, đá; Các tầng chứa nước dưới đất; Vận động của nước dưới đất; Các ảnh hưởng xấu của nước dưới đất với xây dựng công trình.

Chương 5

NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA

NDĐ ĐẾN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

Nội dung

Các dạng tồn tại của nước ở trong đất, đá

1

Các tầng chứa nước dưới đất

2

Vận động của nước dưới đất

3

Các ảnh hưởng xấu của nước dưới đất với xây dựng công trình

4

TẠI CỦA NƯỚC TRONG ĐẤT ĐÁ

Nước chứa trong lỗ rỗng

và khe nứt của đất đá dưới mặt đất

Mực nước dưới đất

1 Nước ở trạng thái hơi, tồn tại trong các lỗ rỗng,

kẽ nứt trong đới thông khí

2 Nước tự do:

• Nước mao dẫn

• Nước trọng lực

• Nước bất động

3 Nước liên kết vật lý - được hút và giữ lại trong

đất đá nhờ lực hút tĩnh điện và lực hút phân tử

4 Nước liên kết hoá học - tham gia vào thành phần

hạt dưới dạng gốc OH

-5 Nước kết tinh - tham gia vào thành phần hạt dưới

dạng phân tử nước

Nước tự do, nước liên kết vật lý nằm ngoài hạt, bị đẩy ra khỏi đất đá khi nung đến 1050C

Các loại nước này là thành phần gây nên độ ẩm của đất đá

Sự có mặt và lượng chứa của các loại nước này làm thay đổi tính chất xây dựng của đất đá

Nước trọng lực vận động trong đất đá gây nên các hiện tượng địa chất bất lợi cho xây dựng công trình

Nước kết tinh và nước kết hợp hoá học nằm bên

trong hạt, tức là tham gia vào thành phần của hạt

đất đá

Nước kết tinh tham gia dưới dạng phân tử nước, ví

dụ: CaSO4.2H2O, Na2CO3.10H2O, bị đẩy ra khỏi

hạt khi nung đến 250 - 3000C

Nước kết hợp hoá học tham gia vào mạng tinh thể

khoáng vật của đất đá dưới dạng gốc OH-, ví dụ,

Al2(OH)3, Al2(OH)2SiO3, bị đẩy ra khỏi hạt khi

nung 300 đến 13000C Khi đó mạng tinh thể bị phá

hủy hoàn toàn

Chú ý

Đối với xây dựng công trình chúng ta quan tâm đến nước liên kết vật lý, nước tự do

Yêu cầu khi học

Các loại nước tồn tại trong đất đá, vị trí tồn tại

(trong hoặc ngoài hạt) và cách thức tồn tại (lực

hút tĩnh điện và phân tử, trong mạng tinh thể)

Hiểu được loại nước nào ảnh hưởng đến tính

chất của đất, loại nước nào là thành phần độ

ẩm của đất đá, loại nước nào gây nên các hiện

tượng địa chất bất lợi cho xây dựng

Hiểu và nhớ được các mốc nhiệt độ mà các

loại nước bị đẩy ra khỏi đất đá và giải thích

được sự liên quan giữa chúng và các mốc nhiệt

độ đó

DƯỚI ĐẤT

Khái niệm tầng chứa nước và tầng nước dưới đất

 Tầng chứa nước - tầng đất đá chứa nước, có

các tính chất:

• Tính thấm, đặc trưng bởi hệ số thấm

• Tính nhả nước, đặc trưng bởi hệ số nhả nước

• Tính mao dẫn, đặc trưng bởi chiều cao mao dẫn

Đối ngược với tầng chứa nước là tầng cách nước

 Tầng nước dưới đất - tầng phân bố của nước

dưới đất, có các thông số:

• Hệ số thấm, K m/ngđ, m/s

• Hệ số nhả nước,  = V n /V

• Hệ số dẫn nước, T = Km, m 2 /ngđ

• Hệ số truyền mực nước; a = Kh/

Phân biệt đại lượng đặc trưng tính chất của tầng chứa nước và thông số địa

chất thuỷ văn của tầng nước dưới đất

tầng chứa nước tầng cách nước

tầng chứa nước treo

Các tầng chứa nước dưới đất

1 Tầng nước thổ nhưỡng

2 Tầng nước ngầm

3 Nước tầng trên

4 Tầng nước giữa tầng

5 Nước trong hang động karst và đứt

gãy kiến tạo lớn

1 Tầng nước thổ nhưỡng

 Là nước chứa trong tầng đất thổ nhưỡng, phân bố ngay sát mặt đất

 Bản chất là nước mao dẫn

 Trữ lượng không nhiều và chất lượng xấu

 Không khai thác sử dụng, không ảnh hưởng đến xây dựng công trình, ngoại trừ

có thể gây ăn mòn móng

2 Tầng nước ngầm

Là nước trọng lực

Phân bố trên các đáy cách nước liên tục kể từ mặt

đất Tầng chứa nước ngầm có 3 đới là bão hoà, mao

dẫn, thông khí

Động thái thay đổi theo mùa

Được cung cấp do mưa, nước mặt thấm xuống; tiêu

thoát ra các sông hồ, bốc hơi

Miền cung cấp, miền phân bố, miền thoát trùng

nhau

Trữ lượng lớn, chất lượng tốt, là nguồn khai thác sử

dụng; có thể gây bất lợi cho xây dựng công trình

3 Nước tầng trên

Là nước trọng lực chứa trên các thấu kính cách nước cục bộ trong đới thông khí

Động thái thay đổi theo mùa

Được cung cấp do mưa, nước mặt thấm xuống;

tiêu thoát do thấm xuống tầng nước ngầm, bốc hơi

Miền cung cấp, miền phân bố, miền thoát trùng nhau

Trữ lượng nhỏ, chất lượng xấu, không khai thác

sử dụng; có thể gây bất lợi cho xây dựng công trình

4 Nước giữa tầng

Là nước trọng lực, có thể có áp hoặc không áp

Phân bố trong tầng chứa nước kẹp giữa hai

tầng cách nước

Động thái năm

Miền cung cấp, miền phân bố, miền thoát

không trùng nhau

Trữ lượng lớn, chất lượng tốt, là nguồn khai

thác sử dụng; có thể gây bất lợi cho công trình

nếu khai thác quá mức

5 Nước trong hang kast và đứt gãy kiến tạo

Là nước trọng lực phân bố trong các hang và đứt gãy có hình dạng bất định

Vận động không có quy luật nhất định nên được xếp vào chung một loại

Động thái có thể theo mùa hoặc theo ngày

Được cung cấp do mưa, nước mặt thấm xuống;

tiêu thoát ra các sông hồ

Trữ lượng lớn, chất lượng nước trong đứt gãy tốt, trong hang karst là nước cứng, có thể khai thác sử dụng; có thể gây bất lợi cho xây dựng công trình ngầm

tầng nước treo tầng nước ngầm

nước giữa tầng không áp

nước giữa tầng có áp

tầng cách nước

tầng cách nước

tầng cách nước

Sông

phễu karst

mực nước ngầm

Các yêu cầu khi học

Hiểu được tầng đất đá chứa nước, tầng cách nước,

tầng nước dưới đất, các đặc trưng tính chất của

tầng chứa nước, các thông số địa chất thuỷ văn

của tầng nước dưới đất

Phân biệt được thông số địa chất thuỷ văn của

tầng nước dưới đất và đại lượng đặc trưng tính

chất của tầng chứa nước

Đối với mỗi tầng chứa nước phải hiểu:

- Khả năng khai thác - Ảnh hưởng đến XDCT

DƯỚI ĐẤT

1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM LIÊN QUAN ĐẾN THẤM

Sự thấm: Sự di chuyển của nước dưới đất trong các

khe nứt, lỗ hổng ở đới bão hòa của đất đá

Môi trường thấm: các khe nứt, lỗ hổng của đất đá

mà nước thấm qua được

Môi trường thấm đồng nhất

Môi trường thấm không đồng nhất

Đường dòng: là đường mà theo đó nước vận động

Đường dòng có thể song song hoặc không song song

Đường đẳng áp: là họ các đường vuông góc với các

đường dòng Hệ thống các đường đẳng áp và đường

dòng tạo thành lưới thủy động lực học của nước dưới

đất

Dòng thấm phẳng: Các đường dòng song song với nhau và song song với mặt phẳng nào đó

Dòng thấm tầng: Các đường dòng song song với nhau tạo thành một dòng liên kết

• Khi vận tốc không lớn

• Phần lớn nước dưới đất vận động theo quy luật này

Dòng thấm rối: Dòng thấm có các đường dòng rối loại, đứt đoạn, cắt nhau, dòng thấm bị xáo trộn, tính liên kết dòng bị phá hủy

• Khi vận tốc lớn

• Nước trong các khe nứt, hang động lớn có áp lực cột nước cao

Dòng thấm ổn định: Các yếu tố đặc trưng của

dòng thấm (vận tốc, lưu lượng, mực nước,

gradient thủy lực…) không biến đổi theo thời

gian

Dòng thấm không ổn định: Các yếu tố đặc trưng

của dòng thấm biến đổi theo thời gian

Lưu lượng thấm Q: lượng chất lỏng thấm qua

tiết diện ướt của dòng thấm trong một đơn vị thời

gian

Lưu lượng đơn vị q: lưu lượng qua tiết diện có

chiều rộng là đơn vị là 1m

 Áp lực thấm

 Gradient áp lực

 Lưu lượng:

 Đường dòng, đường đẳng thế

 Thấm phẳng, thấm không gian (thấm hội tụ)

g

v z P H

2

2









x

H J







vh q vF Q





a Định luật Darcy

Định luật do nhà bác học người Pháp A.Darcy

tìm ra vào năm 1856, trên cơ sở kết quả nhiều lần

thực nghiệm thấm qua cát.

2 Các định luật thấm

L

ΔHF

(1)

F

L

ΔH

K

Hệ số thấm

L

ΔH

K

F

Q 

Có thể viết lại phương trình (1) như sau : Q = K.F.J (2)

F = F : Tiết diện ướt của dòng thấm

J = : Gradien áp lực Chính là lượng tổn thất

áp lực (cột nước hạ thấp) trên một đơn vị chiều dài dòng thấm.

Từ phương trình (2), suy ra: V = K.J (3) Trong đó : V = tốc độ dòng thấm Nội dung định luật:

“ Tốc độ thấm tỷ lệ bậc nhất với hệ số thấm và gradien áp lực”.

L

H





F Q

Đối với đất sét:

Sự thấm xảy ra khi J≥Jo

(do lực nhớt)

Sự thấm xảy ra theo quy

luật tuyến tính khi J ≥ Jbh

J, Jo: phụ thuộc loại đất

VD: sét cứng : Jo= 20 ÷30

(theo Roza)

 3 o

bh) KJ J

J

K(J

J o 4/3J o

J v

Giới hạn ứng dụng của định luật Darcy

 ĐL Darcy:

 Thấm tầng

 Môi trường thấm đồng nhất: cát đồng nhất, cuội sỏi, đá nứt nẻ

 Đối với đất sét, khi J>Jbh(Jbh=4/3Jo)

 Khi vận tốc thấm cao  chảy rối  không thích hợp ĐL Darcy  Các định luật thấm phi tuyến

b Các định luật thấm phi tuyến

 Công thức xêzi vC d.J

C: Hệ số, phụ thuộc độ nhẵn thành lòng dẫn và một số

điều kiện khác

d: bán kính thủy lực = diện tích tiết diện/chu vi ướt

J: gradient thủy lực

Công thức Xezi - Kraxnoponxki

d C

Công thức Prôni

Thấm tầng J tăng Thấm rối

2

bv

av

a, b: thông số phụ thuộc đặc tính, môi trường lỗ hổng

3.1 Dòng thấm phẳng

• Nước ngầm, đáy cách nước nằm ngang

• Nước ngầm, đáy cách nước nằm nghiêng

• Dòng thấm qua khu đất giữa hai sông có nước mưa cung cấp thường xuyên

• Nước có áp, chiều dày tầng chứa nước không đổi

• Môi trường thấm không đồng nhất

• Tính thấm thay đổi theo chiều dòng thấm

• Tính thấm thay đổi vuông góc chiều dòng thấm

3 Dòng thấm ổn định

Nước ngầm, môi trường thấm đồng nhất, dòng thấm ổn

định, đáy cách nước nằm ngang

L x

h

h h

2 1

q

x

hdh K dx q dx

dh h K q











Nước ngầm, môi trường thấm đồng nhất, dòng thấm ổn định, đáy cách nước nằm ngang

L  h

h

hdh K

dx

q

0

2

1

L h h K q

h h K qL

2 ) (

) 2 (

2 2

2 2













Lấy tích phân

(m 3 /ngày đêm) Tương tự, xét lưu lượng đơn vị từ mặt cắt 1 đến mặt

cắt x

) 2 (

2 2

x

h h K



x

x

l h h K q









1

2 2

2 ) (

Nước ngầm, môi trường thấm đồng nhất, dòng thấm ổn định, đáy cách nước nằm ngang

 Dòng thấm ổn định q1-2  q1-x  const

x

x

l h h K L h h K











1

2 2 2 2

2 ) ( 2

) (

x

L h h h





2 2

Nước ngầm, môi trường thấm đồng nhất, dòng thấm ổn định, đáy cách nước nằm ngang

Phương trình đường cong mực nước dưới đất cho dòng ngầm có đáy cách nước nằm ngang

Đề bài: Người ta khoan 2 lỗ khoan hoàn chỉnh bố trí

dọc theo chiều dòng thấm và trong lớp cát đồng nhất

bão hoà có hệ số thấm K=75 m/ng.đ Dưới lớp cát là

một lớp sét nằm ngang cách nước có cao trình +3m

Mực nước đo được ở LK1 ở độ sâu 5m, LK2 ở độ sâu

8m Hai lỗ khoan cách nhau 1000m, cao trình miệng

LK1 là +12, LK2 là +13m Yêu cầu:

1/ Thiết lập công thức tổng quát tính lưu lượng dòng

thấm?

2/ Với số liệu đã cho, tính lưu lượng của dòng thấm

đó?

Đề bài: Có một lớp cát đồng nhất bão hoà nước

có chiều dày không đổi là 12m kẹp giữa 2 tầng sét không thấm nước nằm ngang Lớp sét không thấm nước phía trên có bề dày 25m Người ta khoan 2 LK quan trắc cách nhau 400m dọc theo chiều dòng thấm và trong lớp cát đó để theo dõi vận động của dòng thấm trong LK1 mực nước ổn định đo được cách miệng LK là 4.5m, tương ứng LK2 là 6.5m

Lớp cát có hệ số thấm K=100m/ng.đ.

Thiết lập công thức tổng quát tính lưu lượng của dòng thấm nói trên?

Với số liệu đã cho, tính lưu lượng của dòng thấm đó?

Tính độ sâu mực nước tại mặt cắt giữa 2 lỗ khoan?

Nước ngầm, đáy cách nước nằm nghiêng

1

2

x L

h1

h

h2

H2

0



Nước ngầm, đáy cách nước nằm nghiêng

dx

dH

J 

KhdH qdx

h dx

dH K q









L  H

H

hdH K dx q

0

2

1

Lấy trung bình chiều dày tầng chứa nước

(m 3 /ngày đêm)

L H H h h K

2 )





Nước ngầm, đáy cách nước nằm nghiêng

2

2

h



H

dH h h K dx q

0

2

1

2 1

2

Lưu lượng đơn vị thấm từ mặt cắt 1 đến mặt cắt x

x x x

x

l H H h h K q













1 1 1

2 ) (

 Dòng thấm ổn định q1-2  q1-x  const

Nước ngầm, đáy cách nước nằm nghiêng

x x x

l H H h h K L H H h h K















1 1 1

2 1 2

2 ) (

2 ) (

 Đáy cách nước nằm ngang, lượng nước mưa ngấm xuống

không đổi, phân bố đều, cường độ thấm w

L

h

h x

K

w

Dòng thấm qua khu đất giữa hai sông có nước mưa cung cấp

thường xuyên

Lưu lượng dòng ngầm tại mặt cắt bất kỳ giữa 2 sông

wxdx dx q

wx q dx dh













1

1

-Khdh -Kh

Từ định luật Darcy

w.x q

qx 1

Dòng thấm qua khu đất giữa hai sông có nước mưa cung cấp thường xuyên

w.x q K.h.J

q   1

Từ định luật Darcy

Lấy tích phân được





 q L dxw L xdx

0 0 1 h

h

dh h K

-2

1

2

L w L q 2 h h K

2 1

2 2 2

1  



Dòng thấm qua khu đất giữa hai sông có nước mưa cung cấp thường xuyên

2 2

)

2 2 1 1

WL L

h h K



Thay q1vào qxđược

Wx WL L

h h K



2 2

)

2 2 1

) 2

( 2

)

2 2

L

h h K



Tại mặt cắt bất kỳ

Dòng thấm qua khu đất giữa hai sông có nước mưa cung cấp thường xuyên

2 2

)

x

h h K

x x L K

W x L h h h

2 2

2    



Tại mặt cắt bất kỳ

Tại đỉnh phân thủy: q x = 0, h x =h max , x =a

0 a 2 w 2.

h h K.









 





L

L K l

2.w h h 2 a

2

2





Mực nước hai sông bằng nhau: h 1 =h 2

 a = L/2 (đỉnh phân thủy nằm chính giữa 2 sông)

+ h 1 > h 2  a < L/2

+ h 1 < h 2 a > L/2

+ a ≤ 0  nước thấm từ sông A sang sông B

  L aa

K w a h h

max    

L h

Chiều cao mực nước tại đỉnh phân thủy: h max

Dòng thấm qua khu đất giữa hai sông có nước mưa cung cấp thường xuyên Nước có áp, chiều dày tầng chứa nước không đổi, đáy cách

nước nằm ngang

L x

q

H

H H

M 1

2

m

Từ định luật Darcy Q = K.F.J

J = -dH/dx

F = Bm

Tích phân 2 vế từ mặt cắt 1 đến mặt cắt 2

) (

dx

dH KmB



dx

dH Km B

Q



KmdH

qdx





 

1 0

H

H

L

dH Km

dx

Nước có áp, chiều dày tầng chứa nước không đổi, đáy cách nước nằm ngang

L H H Km



Lưu lượng từ mặt cắt 1 đến mặt cắt x

x

x x

L H H Km q









1

1 1

) (

Dòng thấm ổn định q = const

x

x

L H H Km L

H H Km











1 1 2

(

Nước có áp, chiều dày tầng chứa nước không đổi, đáy cách nước nằm ngang

x

L H H H





Môi trường thấm không đồng nhất

Tính thấm thay đổi theo chiều dòng thấm





















L

L

L

L









l

L1

h1

h2

L2





- Lớp 1: q 1 = K 1 h 1 J

- Lớp 2: q 2 = K 2 h 2 J

…

- Lớp n: q n = K n h n J Lưu lượng đơn vị trong toàn tầng

Thay tầng chứa nước không đồng nhất bằng tầng chứa nước tương đương đồng nhất có hệ

số thấm K tb

q = K tb hJ

J h K h K h K q

i

i ( 1 2 2 )

1

1   







(1)

(2)

Môi trường thấm không đồng nhất





i i

h h

1

Cân bằng 2 phương trình (1) và (2)











i i

n i i i tb

h

h K K

1 1

Môi trường thấm không đồng nhất

 Tính thấm thay đổi vuông góc chiều dòng thấm

h1

h2

m3 m2

mi

k1 k2 k3 ki

L

m1

m2

mi

H1

H2

L

k1

k2

ki

- Lớp 1:

- Lớp 2:

…

- Lớp n:

Vỡ tớnh liờn tục của dũng thấm nờn tốc độ thấm

qua mỗi lớp như nhau

1

1 1 1 1

m

H K J K

2

2 2 2 2

H K J K

n

n n n n

H K J K

n

H H

H



)

(

2 2 1 1

n

n

K

m K

m K

m v



Mặt khỏc, cú thể thay đổi tầng chứa nước khụng đồng nhất bằng tầng đồng nhất tương đương cú hệ số thấm Ktbvà chiều dày bằng tổng chiều dày cỏc lớp

Từ (1) và (2) suy ra:

tb

K

m v

H









 n

i

n

i i tb

K m

m K

1 1

Dũng thấm đến giếng

Một số khỏi niệm liờn quan đến giếng

Phễu hạ thấp mực nước/ỏp lực

Độ hạ thấp mực nước/ỏp lực

Bỏn kớnh ảnh hưởng

Giếng hoàn chỉnh

Giếng khụng hoàn chỉnh

Giếng đơn

Giếng tỏc dụng tương hỗ

Giếng nước ngầm/giếng nước cú ỏp

r

S

h

hg

Hg H

S

r

R

R S

r

S

r

a/ giếng nước ngầm; b/ giếng nước có áp Hình 2.13 Dòng thấm đến giếng

0

m H

 Giếng đơn hoàn chỉnh

hdh K R dR Q dR dh Rh K





0

2

H

H

R

hdh K

R

dR

0 K H H g

r R

0

2 2

ln

r R H H K



Đối với giếng nước cú ỏp:

HK S

R 2

rm

F2

dr

dh

J

0

ln 2

r R

dh mK



0

ln 2

r R

mKS



1/ Người ta hỳt nước từ một giếng đơn hoàn chỉnh

trong tầng cỏt chứa nước ngầm Tầng cỏt đồng nhất

nằm ngang cú hệ số thấm K=100m/ng.đ, chiều dày

tầng chứa nước là 40m, giếng cú đường kớnh là

270mm Khi hỳt đến động thỏi ổn định, mực nước

ngầm hạ thấp 7.2m.

Thiết lập cụng thức tổng quỏt tớnh lưu lượng ổn định

của giếng núi trờn?

Với cỏc số liệu đó cho, tớnh lưu lượng của giếng đú?

Xỏc định đường hạ thấp mực nước tại vị trớ cỏch

giếng 30m?

Bỏn kớnh ảnh hưởng của giếng tớnh theo cụng thức

R=2.S H K

A

1 2

i

n - 1

n

x x

x

x x

1 2

i

n - 1 n

g 1

1 i

h

H ìn h 2 1 4 N h ó m g iế n g t á c d ụ n g t− ơ n g h ỗ

 Nhúm giếng cú tỏc dụng tương hỗ



  K hdh

r

dr

r

R Q h

1 1 2 2

ln )

1

K r

R Q h

2 2 2 2

ln )

2



Nếu cả hai giống cựng làm việc, theo phương phỏp

cộng tỏc dụng

K r

R Q

h

i i

g2  0

2

ln





oi i

g i

r R h h K Q

ln

) ( 2 2



 Giếng đổ nước

h

h 0

g

h

r R Hình 2.15 Giếng đổ nuớc

Từ định luật Darcy

Q = KFJ

J = -dh/dr

0

2 2 ln

) (

r R h h K



 Giếng hỳt nước ở gần sụng

A

Hình 2.16 Giếng hút nuớc ở gần sông

a

h

R

0 1

2 2

ln

r r h h K

 

0 2

2 2

ln

r r h h K



Cộng tỏc dụng

) ln (ln

0 2 0

1 2

2

r

r r

r K

Q h



2 1

2 2

ln

r r h h K

