Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi CHƯƠNG LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ THẤM *** A KHÁI LUẬN §8.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN I Tầm quan trọng lý thuyết nước thấm II Các trạng thái nước đất III Đặc tính đất thấm nước §8.2 ĐỊNH LUẬT THẤM DARCY I Mơ hình thấm: II Định luật thấm III Hệ số thấm đất: B CHUYỂN ĐỘNG CỦA DỊNG THẤM TRÊN TẦNG KHƠNG THẤM NƯỚC §8.3 CHUYỂN ĐỘNG ĐỀU CỦA DỊNG THẤM §8.4 CƠNG THỨC DUYPUY §8.5 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH KHƠNG ĐỀU THAY ĐỔI DẦN CỦA DỊNG THẤM §8.6 CÁC DẠNG ĐƯỜNG BÃO HỒ TRONG CHUYỂN ĐỘNG KHƠNG ĐỀU CỦA DÒNG THẤM C CHUYỂN ĐỘNG CỦA DÒNG THẤM VÀO GIẾNG VÀ HẦM TẬP TRUNG NƯỚC §8.7 CÁC LOẠI GIẾNG NƯỚC NGẦM I Giếng nước phun II Giếng nước ngầm D THẤM QUA ĐẬP ĐẤT TRÊN NỀN KHÔNG THẤM E THẤM DƯỚI CƠNG TRÌNH THỦY LỢI I Đặt vấn đề thấm có áp II Phương trình vi phân dòng thấm III Điều kiện biên IV Hàm dòng - Lưới chuyển động thủy động lực học Hàm dòng Lưới chuyển động thủy động lực học Bài giảng thủy lực cơng trình Trang 115 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi §8.7 PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG TỰ ĐIỆN - THUỶ ĐỘNG LỰC HỌC (TTĐ-TĐ) I Nguyên lý tương tự II Sơ đồ thí nghiệm dụng cụ Phần cung cấp điện Mạch đo Mơ hình điện Bài giảng thủy lực cơng trình Trang 116 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi CHƯƠNG LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ THẤM Groundwater modelling A KHÁI LUẬN §8.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN I Tầm quan trọng lý thuyết nước thấm Sự chuyển động chất lỏng môi trường đất, đá nứt nẻ môi trừơng xốp nói chung, gọi thấm Khi xây dựng cơng trình thủy lợi thường xuất hiện tượng thấm đất thấm đáy, thấm vịng quanh cơng trình; thấm đến hố móng thi cơng, tính thấm có tầm quan trọng đặc biệt khâu khơng thể thiếu thiết kế cơng trình thủy lợi Nhiệm vụ việc tính thấm nhằm xác định đặc trưng chung cục dòng thấm: a) Xác định áp lực cột nước thấm vị trí khác vùng thấm b) Xác định trị số gradient vận tốc dòng thấm cơng trình đất, cơng trình đoạn nối tiếp cơng trình với bờ c) Xác định vị trí đường bão hịa (đối với thấm khơng áp) d) Xác định lưu lượng thấm II Các trạng thái nước đất Nước mơi trường có lỗ hổng nhiều trạng thái khác nhau: Nước thể khí Nước thể bám chặt Nước thể màng mỏng Nước mao dẫn Nước trọng lực hay nước thấm III Đặc tính đất thấm nước Đất chia làm hai loại: Đất đồng chất: Tính chất thấm điểm Đất khơng đồng chất: Tính chất thấm phụ thuộc vào vị trí điểm Đất đồng chất lại chia làm hai loại: Đất đẳng hướng: Tính chất thấm khơng phụ thuộc vào phương chuyển động dịng thấm Đất khơng đẳng hướng: Tính chất thấm lại phụ thuộc vào phương chuyển động dòng thấm Sau ta nghiên cứu trường hợp thấm đơn giản loại đất đồng nhất, đẳng hướng tầng đất phẳng khơng thấm nước Bài giảng thủy lực cơng trình Trang 117 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ mơn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi §8.2 ĐỊNH LUẬT THẤM DARCY I Mơ hình thấm: Chuyển động chất điểm nước riêng biệt dòng thấm phức tạp Vì lúc nghiên cứu vấn đề thấm, cần lập sơ đồ tượng đơn giản hố, nghĩa lập nên "mơ hình thấm" cách thay chuyển động thực phức tạp dòng thấm chuyển động giả định đơn giản Mơ hình thí nghiệm: Q Thiết bị gồm ống hình trụ A, có số lỗ để lắp a ống đo áp p vào Nước theo ống a vào hình trụ giữ cao trình không đổi nhờ ống tràn b Cách đáy b khoảng định có đặt lưới Đất chứa đầy ống hình 1 trụ đến độ cao cho trước h Giữa lưới đáy hình trụ đặt ống tháo nước có khố A hình K để tháo nước thấm qua đất Nước chảy khỏi ống tập trung vào bình B Ta giữ cho chuyển động nước thấm qua cột đất ống hình trụ ổn H1 định cách giữ cho mực nước ống hình trụ khơng đổi, nghĩa đảm bảo cho lượng nước ống a cung cấp cho cột đất vừa hay lớn lượng nước đưa ngồi qua khố K Ta thấy mưc nước ống đo áp cao trình khác nhau, ống đo áp thấp mực nước ống cao trình thấp Chứng tỏ nước chuyển động lỗ hổng đất có tổn thất cột nước Sự chuyển động chất điểm nước qua lỗ hổng đất phức tạp, xét đến tồn dịng chảy ta thấy có “phương chảy chính“ dịng chảy, phương thẳng đứng Sau ta xét đến phương chảy giả thiết dịng thấm chuyển động liên tục làm đầy tất mặt cắt ngang lớp đất thấm, nghĩa thấm qua cốt đất nữa.Tuy nhiên, kết thu cho dòng thấm (V,Q,hw) - Lưu tốc thấm u = dQ Vận tốc thấm trung bình v = Q dω ω - Lưu tốc thấm v lưu tốc giả định, khác với lưu tốc thực v’ - Nếu diện tích thấm ω định, diện tích tổng cộng lỗ hổng ω' thì: Lưu tốc trung bình thực tế lỗ hổng: v’ > v) ω' v= p.v’ với p < p = : Độ rỗng, với ω' - diện tích lỗ hổng, ω - diện tích thấm qua ω đất II Định luật thấm Năm 1852-1855 Darcy tiến hành nhiều thí nghiệm đất cát (Hình trên) đưa định luật thấm, gọi định luật Đacxi h Qua quan sát tượng thấm ta thấy: Q = f ( k, ω , J ) với J = w Như vậy: Q = l H − H1 k ω J, k phụ thuộc loại đất gọi hệ số thấm; hW = H1- H2 → J = - l Bài giảng thủy lực cơng trình Trang 118 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi ∆H , nên phát biểu: ∆l “Lưu tốc thấm tỉ lệ bậc với gradien thuỷ lực hay tổn thất hw tỉ lệ bậc với lưu tốc thấm“ ⇒ Chuyển động tuân theo định luật Darcy dòng thấm chuyển động trạng thái chảy tầng Đối với cát hạt, sỏi → thấm theo luật phi Darcy Hay viết: v = k.J = -k III Hệ số thấm đất Đặc trưng cho tính thấm nước đất = f(hình dạng, kích thước hạt đất, thành phần nham thạch, điều kiện t0 ) Hạt đất lớn, hệ số thấm lớn Ngược lại đất có nhiều hạt nhỏ hệ số thấm nhỏ Do độ nhớt nước phụ thuộc vào nhiệt độ nên nhiệt độ tăng hệ số thấm lớn Do hệ số thấm chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khác nên việc xác định xác hệ số thấm có nhiều khó khăn Người ta xác định hệ số thấm theo nhiều cách sau: - Công thức thực nghiệm (dùng để ước lượng tính tốn, cơng trình nhỏ), - Thí nghiệm mẫu phịng thí nghiệm, - Thí nghiệm trường Bài giảng thủy lực cơng trình Trang 119 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi B CHUYỂN ĐỘNG CỦA DỊNG THẤM TRÊN TẦNG KHƠNG THẤM NƯỚC §8.3 CHUYỂN ĐỘNG ĐỀU CỦA DÒNG THẤM Do chuyển động thực chất lỏng lỗ hổng đất phức tạp, nên lúc nghiên cứu chuyển động dòng thấm, người ta phải thay chuyển động thực chuyển động chất lỏng môi trường liên tục Ta xét chuyển động ổn định tầng không thấm nước nằm nghiêng có độ dốc đáy i=sin α G G dH S dS Mặt chuẩn Các đường dòng song song, đường bão hồ, áp suất áp suất khí trời pa Cột nước đo áp điểm mặt cắt (1-1) so với mặt phẳng so sánh (0-0) p là: H = z + γ Tại mặt cắt 2-2 cách 1-1 khoảng ds, độ cao đo áp giảm lượng dH dH = i = const (8.1) Độ dốc thủy lực: J = dS Vậy lưu tốc thấm điểm dòng thấm ổn định có trị số ổn định: u = v =k.J =k.i Lưu lượng dòng thấm chảy là: Q = kiωo Trong đó: ωo - Diện tích mặt cắt ướt dòng thấm Bài giảng thủy lực cơng trình Trang 120 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi §8.4 CƠNG THỨC DUYPUY Xét dịng ổn định khơng thay đổi dần Hai mặt cắt (1-1) (2-2) thẳng góc với dịng ngun tố cách khoảng ds Gọi cột nước đo áp mặt cắt 1-1 H cột nước đo áp mặt cắt 2-2 H - dH Khi đó: Độ dốc thủy lực dòng nguyên tố: J dH == const dS bé dH dS dH dH H d ω = -k ω = k ω.J Q= ∫ dQ = -k ∫ dS ω ω dS dH Q Mặt chuẩn v= = -k = k.J Vậy: v = k.J ω dS Bài giảng thủy lực cơng trình Trang 121 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi §8.6 CÁC DẠNG ĐƯỜNG BÃO HỊA TRONG CHUYỂN ĐỘNG KHƠNG ĐỀU CỦA DỊNG THẤM Cũng trên, ta xét ba trường hợp sau: Trường hợp 1: Độ dốc đáy thuận (i > 0) Trong khu vực dng nước thấm (hnh 18-5) vẽ đường bêo hoă trường hợp chảy (N-N), ta hai vùng: N Vùng (a) h > h0 vùng (b) h < h0 Viết phương trnh (18-33) dạng mới: dh ⎛ ⎞ i>0 s (18-39) = i⎜1 − ⎟ ds ⎜ η ⎟ ⎝ ⎠ (18-39) Trong vng a: h > h0 nín ω > ω0 , η > 1; từ phương trnh ta thấy dh/ds > 0, nghĩa lă độ sâu dng thấm tăng dần theo hướng chảy đường nước dâng dh - Khi h → h0 th η → 1vă → Như đường bêo hoă phần trín lấy đường ds (N-N) làm đường tiệm cận dh - Khi h → ∞ th η → ∞ vă → i Như đường bêo hoă phần lấy ds đường nằm ngang làm đường tiệm cận (hnh 18-5) dh Trong vng b: h < h0 từ phương trnh (18-39) ta thấy: < tức độ sâu ds dng chảy giảm dần theo hướng chảy đường nước hạ dh - Khi h → h0 từ (18-39) ta thấy → Như đường bêo hoă phần trín lấy ds đường (N-N) làm đường tiệm cận dh - Khi h → 0, từ phương trnh (18-39) ta c → −∞ h = tiếp tuyến ds đường bêo hoă thẳng gc với trục s, nín r đường bêo hoă có dạng lồi Trường hợp 2: Đáy nằm ngang (i = 0) Trong trường hợp khái niệm “độ sâu chảy đều” không cn ý nghĩa vật lý nữa, ta có vùng tương tự với vùng (b) trường hợp trước Q dh =Từ phương trnh (18-34) ta c < kω ds s i=0 Như độ sâu dng chảy giảm dần theo hướng chảy đường bêo hoă lă đường nước hạ dh → −∞ h = tiếp tuyến đường bêo hoă thẳng gc Khi h → th ω → vă ds với tầng khng thấm, đường bêo hoă có dạng lồi Bài giảng thủy lực cơng trình Trang 122 N Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi Trường hợp 3: Độ dốc đáy nghịch (i < 0) Cũng trường hợp i = có vùng Để nghiên cứu đường bảo hoà ta viết phương trnh (18-38) dạng mới: s ⎛ 1⎞ dh (18-40) = −i' ⎜1 + ⎟ ⎜ ζ⎟ ds ⎝ ⎠ dh i H Ha < H a) Ha > H: k (H − T ) h + 0,5.r0 2T − h Lưu lượng xác định: Q = 1,365 R T T lg r0 Trong đó: T khoảng cách từ mực nước giếng đến tầng không thấm b) Ha < H: Thay H T Ha T ' biểu thức k H a − T' h + 0,5.r0 2T'− h Q = 1,365 R T' T' lg r0 Trị số Ha chọn theo kinh nghiệm thực nghiệm ( Bài giảng thủy lực cơng trình