CHƯƠNG 6: CƠ SỞ ĐỘNG LỰC NƯỚC DƯỚI ĐẤT 6.1: Khái niệm về sự vận động nước dưới đất trong đất đá Sự vận động của nước trong môi trường lổ hổng hoặc khe nứt gọi là thấm Không những phụ thuộc vào hình dạng, kích thước của lổ hổng, khe nứt (tính chất của môi trường rỗng) mà còn phụ thuộc trọng lượng đơn vị, độ nhớt động học của nước . Với mức năng lượng thấp thì chất lỏng sẽ chuyển động chảy tầng, khi đó, các tia đường dòng song song Khi vận tốc dòng thấm tăng lên, dòng thấm có động năng đáng kể, nội lực do vận động có ảnh hưởng mạnh hơn các lực nhớt và các hạt chất lỏng bắt đầu xô đẩy nhau hỗn loạn, kết quả là có dòng chảy rối, khi đó, các tia đường dòng cuốn vào nhau và không còn song song nữa 6.2. Những định luật cơ bản về sự vận động của nước dưới đất 6.2.1 Vận tốc thấm, vận tốc thực Vận tốc thấm thực thường lớn hơn so với vận tốc theo lý thuyết của dòng chảy trong môi trường chất lỏng trong ống. 6.2.2. Định luật Đacxi 6.2.2.1. Thí nghiệm Đacxi 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. Sơ đồ thí nghiệm được thể hiện ở hình vẽ 6-1 Lưu lượng của dòng thấm Q qua ống cát tỷ lệ thuận với độ chênh cao của cột áp lực ∆ H, tỷ lệ thuận với tiết diện của dòng thấm trong ống cát ∆ F, tỷ lệ nghịch với chiều dài dòng thấm trong ống cát ∆ L. L FH KQ ∆ ∆∆ = . ∆ H ∆ L a Đá thấm B K ống tràn b Mẫu đất Hình : sơ đồ dụng cụ thí nghiệm thấm 6.1 Có thể viết lại phương trình (6-1) là : Q = K.F.I (6-2) Trong đó : F = ∆F : Tiết diện ướt của dòng thấm. I = : Gradien áp lực. Chính là lượng tổn thất áp lực (cột nước hạ thấp) trên một đơn vị chiều dài dòng thấm. Hay có thể viết lại phương trình (6-2 ) thành phương trình như sau V = K.I (6-3) Trong đó : V = : Vận tốc của dòng thấm 6.2.2.2. Nội dung định luật “Vận tốc thấm tỷ lệ thuận bậc một với gradiên áp lực”. L H ∆ ∆ F Q V=KI 6.2.2.3. Giới hạn của định luật Số Reynolds liên hệ 4 yếu tố xác định khi nào dòng thấm chảy tầng hay rối. Sự khởi đầu chảy rối của nước dưới đất khi giá trị khi R thay đổi trong phạm vi từ 60 – 600 . Tuy nhiên thực nghiệm cho thấy là định luật Đacxy chỉ có giá trị khi lực nhớt thống trị. Các điều kiện này chiếm ưu thế khi số Reynolds nhỏ hơn 5- 10. Điều này có nghĩa là định luật chỉ áp dụng cho nước chuyển động khá chậm. µ ρ dv R = 6.2.3. Các công thức thấm phi tuyến tính 6.2.3.1. Công thức Xeri- Kraxnoponxki : (6-5) 6.2.3.3. Công thức Proni (Dupuit) I = av + bv 2 (6-6) Khi vận tốc thấm nhỏ, giá trị bv 2 << av, hay khi đó giá trị I tiến dần đến giá trị aV (bỏ qua bV 2 ) hay phương trình (6-6 ) có dang : I = aV hay V = = kI (với k = 1/a), khi đó công thức quay trở lại định luật Darcy. + Khi vận tốc lớn thì bv 2 >>av, hay khi đó giá trị I tiến đến dần đến giá trị bv 2 (bỏ qua av) Lúc đó phương trình có dạng I = bv 2 là một phương trình bậc 2 IKv = 6.2.4. Thấm trong đất loại sét Với đất loại sét, định luật thấm được biểu diễn theo biểu thức sau:               +−= 3 00 0 33 4 I II IIKv v i i o 4/3 i o v=K.i v=K(i-4/3 i o ) i=(v/K)(1+ α v) 6.3. Vận động ổn định của nước dưới đất trong các lớp đất đá đồng nhất, đáy cách nước nằm ngang Các yếu tố dòng thấm không thay đổi theo thời gian gọi là vận động ổn định 1. Q: lưu lượng 2. V: theo định luật đacxy V = KI. 3. H: đối với nước không áp là mực nước. Đối với nước có áp là mực áp lực 4. I: gradien áp lực H 1 =h 1 H 2 1 2 MNN 1 2 m H 1 H 2 MAL dx dH I −= Lớp đất đá đồng nhất nếu hệ số thấm K=const 1. Xác định lưu lượng Q của dòng thấm. 2. Vẽ đường cong hạ thấp mực nước (nước không áp) hoặc đường cong áp lực (nước có áp). 6.3.1. Đối với nước không áp 6.3.1.1.Xác định lưu lượng Q của dòng thấm Ta biết Q = V.F , với F = h.B Theo định luật Đacxy : V = K.I Suy ra: Q = K.I.F hay Q = K.I.h.B Nếu ta gọi q là lưu lượng đơn vị thì q = K.I.h Khi đó gradien áp lực I sẽ là: I = -dh/dx 1 2 dx dh hKq −= ∫ ∫ −= 2 1 2 1 x x h h dhhKdxq ( ) 2 2 1 2 2 12 hh Kxxq − −=− L hh KBBqQ 2 2 2 1 2 − == Thay giá trị hình vẽ vào ta có ⇒ ⇒ ( ) L hhK q 2 2 2 2 1 − = Khi đó lưu lượng của dòng thấm là: (6.10), (6.11), (6.9), [...]... tầng chứa nước không đồng nhất khi nước thấm vuông góc với mặt lớp * Nhận xét: Qua nghiên cứu các trường hợp ta thấy - Hệ số thấm trung bình Ktb khi nước thấm song song với mặt lớp bao giờ cũng lớn hơn khi nước thấm vuông góc với mặt lớp 6.5 Vận động của nước dưới đất đến các công trình thu nước thẳng đứng 6.5.1 Khái niệm Các công trình được sử dụng hút nước từ dưới lên gọi là các công trình thu nước Ví... công trình thu nước thẳng đứng Ví dụ giếng, lỗ khoan Lỗ khoan hoàn chỉnh Lỗ khoan không hoàn chỉnh 6.5.2 Vận động của nước dưới đất đến lỗ khoan hoàn chỉnh 6.5.2.1 Sơ đồ vận động Trong đó: ro: bán kính lỗ khoan So: chỉ số hạ thấp mực nước tại vách lỗ khoan trung tâm ho: bề dày cột nước sát vách lỗ khoan he: bề dày tầng chứa nước r1: Khoảng cách từ trục lỗ khoan đến vị trí có chiều cao mực nước là h1 R:... mực áp lực (6.18) q = q1-x = qx-2 lưu lượng đơn vị tại mặt cắt x là: q1− x H1 − H x = K m x (6.19) H1 − H 2 H1 − H x = K m Từ (6.16) và (6.18) và (6.19) suy ra K m x L phương trình đường cong hạ thấp mực áp lực H x = H1 − ( H 1 − H 2 ).x L (6.20) (6.21) 6.4 Vận động ổn định của nước dưới đất trong các lớp đất đá không đồng nhất, đáy cách nước nằm ngang 6.4.1 Xác định hệ số thấm trung bình khi nước thấm... he: bề dày tầng chứa nước r1: Khoảng cách từ trục lỗ khoan đến vị trí có chiều cao mực nước là h1 R: bán kính ảnh hưởng Hình 6 .6: Sơ đồ vận động nước đến hố khoan nước ngầm hoàn chỉnh 6.5.2.2 Phương trình vi phân của dòng thấm * Trường hợp nước không áp Khi hút nước thì nước vận động đến lỗ khoan theo những tiết diện hình trụ tròn, F = 2.π h.r Theo định luật Đacxy lưu lượng qua tiết diện bất kỳ F có thể... :Là hút nước có một lỗ khoan hút nước và có 1, 2, …n lỗ khoan quan sát mực nước nằm trong bán kính ảnh hưởng R để xét ảnh hưởng của mực nước a Trường hợp nước có áp dH Q = 2.π r.T dr R dr ⇒ Q = 2.π T dH r H e dr Q∫ = 2.π T ∫ dH r r0 H0 ⇒ Q.( ln R − ln r0 ) = 2.π T ( H e − H 0 ) (6.32) ⇒ He − H0 = Q R ln 2πT r0 ⇒ Q = 2.π T He − H0 R ln r0 (6.33) Đối với R có thể xác định theo tài liệu hút nước hoặc... Thay tầng chứa nước không đồng nhất bằng tầng chứa nước tương đương đồng nhất có hệ số thấm là Ktb n q = K tb ∑ hi I (6.22) i =1 Từ (6.21) và (6.22) suy ra: Hệ số thấm trung bình của tầng chứa nước khi nước vận động song song với mặt lớp: n K tb = ∑ k h i =1 n i i ∑h i =1 i k1 h1 + k 2 h2 + + k n hn = h1 + h2 + + hn (6.23) 6.4.2 Khi nước thấm vuông góc với mặt lớp Giả sử ta có tầng chứa nước gồm hai... tương đương bán kính x0 F x0 = π F: diện tích hình chữ nhật bố trí giếng 6.5.4 Vận động của nước dưới đất đến giếng khoan không hoàn chỉnh hkh Qkh = αQhc α= hhc 6.5.4.1 Giếng hút nước là một điểm Dòng thấm có dạng cầu, đường dòng là những đường thẳng hướng tâm, còn mặt cùng áp lực là những mặt cầu có tâm là điểm hút nước Tại một mặt cầu cách tâm một đoạn r, diện tích ω = 4πr 2 gradien thấm dH I= dr... chứa nước không đồng nhất bằng một tầng chứa nước tương đương có hệ số thấm trung bình Ktb thì lưu lượng đơn vị (6.27) của tầng chứa nước là q1− 2 h 21 − h 2 2 = ktb 2( L1 + L2 ) Do vận động ổn định nên lưu lượng đơn vị không đổi trong suốt quá trình vận động, tức là: (6.28) q-1-2 = q1-x = qx-2 Từ (6.26) (6.27) và (6.28) : ktb = L1 + L2  L1 L2   +  k k2   1  (6.28) Giả sử ta có tầng chứa nước. .. nước có áp F = 2.π m.r Theo định luật Đacxy lưu lượnag qua tiết diện bất kỳ F có thể biểu diễn ở dạng tổng quát như sau: dH I= Q = K.F.I , với dx suy ra dH dH Q = 2.π K m.r = 2.π r.T dr dr (6.31) với T = Km Từ (6.30) và (6.31) cho thấy: Hai phương trình đồng dạng khi thay T=K và h2 H= 2 6.5.2.3 Hút nước đơn Hút nước đơn :Là hút nước chỉ có một lỗ khoan hút nước không có các lỗ khoan quan sát Hút nước. .. r (6.48) Khi r → ∞ thì H = He nên C = He và độ giảm áp lực S của dòng thấm hình cầu được xác định theo Q S = He − H = 4πKr (6.49) Vậy lưu lượng của giếng hình cầu có bán kính r0 là: Q = 4πKr0 S0 (6.50) Ở đây, S0 độ giảm mực nước trong giếng so với áp lực He của tầng chứa nước 6.5.4.2 Giếng hút nước là một đường Khi đó, ở một phân tố giếng hút nước dài dr0 cách trung tâm giếng một đoạn z0 sẽ có lưu . CHƯƠNG 6: CƠ SỞ ĐỘNG LỰC NƯỚC DƯỚI ĐẤT 6.1: Khái niệm về sự vận động nước dưới đất trong đất đá Sự vận động của nước trong môi trường. chỉnh 6.5.2. Vận động của nước dưới đất đến lỗ khoan hoàn chỉnh 6.5.2.1. Sơ đồ vận động Hình 6 .6: Sơ đồ vận động nước đến hố khoan nước ngầm hoàn chỉnh Trong