BÀI GIẢNG: ĐỊA KỸ THUẬT VÀ ĐỊA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT BÀI GIẢNG ĐỊA KỸ THUẬT VÀ ĐỊA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Trịnh Minh Thụ, Hoàng Việt Hùng Bùi Văn Trường NĂM 2012 MỤC LỤC: CHƯƠNG THẤM TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ KHẢ NĂNG LAN TRUYỀN CHẤT Ô NHIỄM 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Vấn đề Địa chất thủy văn Error! Bookmark not defined 1.3 Phân tích yếu tố thấm mơi trường đất 13 1.4 Điều kiện dòng chảy ngầm 23 1.5 Vận chuyển lan truyền khối đất 30 1.6 Các chất lỏng nước đất 44 CHƯƠNG CÁC VẤN ĐỀ ĐỊA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 60 2.1 Giới thiệu chung 60 2.2 Các dạng ô nhiễm đất 61 2.3 Nguồn gây ô nhiễm đất 63 2.4 Cơ chế phóng thích chất nhiễm 65 2.5 Đánh giá điểm ô nhiễm 73 2.6 Phương pháp, thiết bị khảo sát, đánh giá ô nhiễm 76 2.7 Kỹ thuật xử lý trường bị ô nhiễm 83 CHƯƠNG ĐỒ ÁN THIẾT KẾ GIẢM THIỂU Ô NHIỄMERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 3.1 Đánh giá chung 116 3.2 Phân tích số liệu địa chất địa chất thủy văn 116 3.3 Ứng dụng phần mềm CTRAN/W 117 LỜI GIỚI THIỆU Bài giảng “Địa kỹ thuật Địa kỹ thuật môi trường” cung cấp kiến thức đặc tính thấm nước, khả năng, quy luật vận chuyển lan truyền ô nhiễm, dạng nguồn gây ô nhiễm, nguyên lý kỹ thuật xử lý ô nhiễm nhằm giúp cho học viên cao học chuyên ngành Địa kỹ thuật nhận thức nhiễm mơi trường đất, tính tốn, dự báo giải pháp giảm thiểu ô nhiễm đất Nội dung giảng gồm chương : Chương 1: Thấm môi trường đất khả lan truyền ô nhiễm Giới thiệu kiến thức địa chất thủy văn, bao gồm dạng tồn nước đất, đới thủy động lực, hình thành thành phần hóa học, đặc điểm tầng chứa nước vận động nước đất; phân tích yếu tố thấm mơi trường đất bão hịa khơng bão hịa; điều kiện dịng chảy ngầm; cấu vận chuyển lan truyền khối đất; chế vận chuyển chất lỏng nước Chương 2: Các vấn đề địa kỹ thuật mơi trường Chương trình bày đặc điểm, tính chất dạng, nguồn gây nhiễm; phương thức phóng thích ô nhiễm; nội dung, phương pháp, thiết bị khảo sát đánh giá ô nhiễm đất nguyên lý, kỹ thuật xử lý trường bị ô nhiễm Chương 3: Đồ án thiết kế giảm thiểu ô nhiễm Đề cập nội dung cần phân tích, đánh giá thiết kế giảm thiểu nhiễm; nội dung phân tích đánh giá số liệu địa chất, địa chất thủy văn; ứng dụng phương pháp số để phân tích, dự báo lan truyền ô nhiễm đất Bài giảng biên soạn sở sách “Địa kỹ thuật môi trường” tác giả Nguyễn Uyên biên dịch sách “Geotechnical Engineering Principles and Pratisces” Donald P.Coduto Do nguồn tài liệu hạn chế lần biên soạn cho lớp cao học nên giảng chắn khơng tránh khỏi thiết sót Chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp nhà khoa học đồng nghiệp Trường Đại học Thủy lợi Bộ môn Địa kỹ thuật Chương THẤM TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ KHẢ NĂNG LAN TRUYỀN Ô NHIỄM 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Trong môi trường đất đá, nước hợp phần có vai trị quan trọng việc vận chuyển, lan truyền chất ô nhiễm Do vấn đề điều kiện địa chất thủy văn bao gồm phân bố không gian, thành phần, tính chất tầng chứa nước, thấm nước yếu, trạng thái tồn tại,… đặc biệt tính thấm chế độ thủy động lực dòng chảy yếu tố quan trọng định khả năng, phương thức, tốc độ vận chuyển, lan truyền chất ô nhiễm q trình biến đổi hóa, lí, sinh học chúng Đó vấn đề cần để hiểu chất ô nhiễm vận chuyển, lan truyền mặt đất Quá trình vận chuyển, lan truyền khối tham gia vào việc tiêu thụ hay sản sinh khối môi trường lỗ rỗng tuân theo ngun lí bảo tồn khối lượng Tuy nhiên, phương thức vận chuyển, chất nhiễm hịa tan nước có quan hệ chặt chẽ với dịng thấm nước lỗ rỗng chất nhiễm khơng hịa tan, bị khống chế cấu, quy mơ lỗ rỗng yếu tố bên Vậy, cấu vận chuyển, lan truyền khối đất nào; di chuyển, quan hệ với nước lỗ rỗng tương tác lẫn chất ô nhiễm sao, vấn đề cần để hiểu chất trình vận chuyển, lan truyền chất ô nhiễm Chất ô nhiễm dạng chất lỏng nước (NAPL - nonaqueous-phase liquid) trộn lẫn với nước hịa tan nước lan truyền khối qua mặt phân cách Mặc dù tính hịa tan thấp với lượng nhỏ NAPL hịa tan nước sinh hoạt có tác động tổn hại đến sức khỏe người làm cho nguồn nước đất bị ô nhiễm kéo dài Điều cho thấy cần thiết phải nghiên cứu tốc độ vận chuyển NAPL mặt đất Về nguyên lí vận chuyển lưu trữ NAPL đất tương tự với ngun lí cho dịng khơng bão hịa Lượng tương đối pha đất lúc cân bị khống chế nguyên lí mao dẫn, nguyên lí khống chế hành vi đất khơng bão hịa Các nguyên lí cho phép phân tích, luận giải trình vận chuyển lan truyền khối NAPL Chương chủ yếu nghiên cứu số nội dung vấn đề nêu 1.2 VẤN ĐỀ ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 1.2.1 CÁC DẠNG NƯỚC TỒN TẠI TRONG ĐẤT ĐÁ Nước đất đá tồn dạng : nước, nước liên kết vật lý, nước mao dẫn, nước trọng lực, nước trạng thái rắn, nước mạng tinh thể khoáng vật Nước trạng thái Nước trạng thái tồn lỗ hổng khe nứt rỗng Hơi nước dễ di chuyển, chúng vận động từ nơi có áp lực lớn đến nơi có áp lực nhỏ, từ nơi có độ ẩm lớn đến nơi có độ ẩm nhỏ hơn, vận động từ khí vào lỗ rỗng đất ngược lại Nước liên kết vật lý Nước liên kết vật lý bị giữ bề mặt hạt cứng lực liên kết lớn trọng lực, vận động chậm chạp nhiều so với nước tự - Nước liên kết chặt (nước hấp phụ) thành lạo hấp phụ phân tử nước bề mặt hạt, tạo thành lớp mỏng sát bé mặt hạt - Nước liên kết yếu (nước màng mỏng) phân bố lớp nước liên kết chặt mối liên kết phân tử Lực liên kết phân tử nước bể mặt hạt yếu nhiều Nước liên kết yếu tồn đất đá độ ẩm đất đá lớn độ ẩm hấp phụ lớn Nước mao dẫn Nước mao dẫn nước chứa lỗ hổng khe rãnh mao dẫn, chủ yếu tác dụng lực mao dẫn phát sinh phần tiếp xúc nước với khơng khí đất đá Nước trọng lực Nước trọng lực (nước lỏng) thành tạo đất đá độ ẩm chúng lớn độ ẩm phân tử tối đa hay lỗ hổng đất đá bão hoà nước Vận động nước trọng lực diễn chủ yếu tác dụng trọng lực gradien áp lực Nước trọng lực gọi nước tự có khả truyền áp lực thủy tĩnh Khi vận động đất đá nước trạng thái lỏng có tác dụng khác lên chúng Nó phá hủy học, hoà tan rữa lũa đất đá Nước lỏng thành tạo phần vỏ đất Vận động nước lỏng đất đá chia làm dạng: ngấm thấm Khi nước vận động đất đá mà phần lỗ rỗng chứa đầy nước nước vận động qua lỗ rỗng thơi vận động chúng gọi ngấm Quá trình thấm xảy diện rộng với dòng thấm lớn; lúc tất lỗ rỗng tầng đất đá bão hoà nước nước thấm tác dụng áp lực mao dẫn, građien áp lực trọng lực 5 Nước trạng thái rắn Nước trạng thái rắn nhiệt độ thấp 0° nước trọng lực phần nước liên kết đóng băng biến thành nước trạng thái rắn Nước liên kết hoá học Nước liên kết hoá học tham gia vào mạng tinh thể khoáng vật dạng ion OH- H O+ Nó tách khỏi mạng tinh thể nung nóng khống vật đến nhiệt độ từ 300°C - 1.300°C mạng tinh thể hoàn toàn bị phá hủy Nước kết tinh Nước kết tinh nước nằm mạng tinh thể khoáng vật dạng phân tử nước H nhóm phân tử nước Nó tách khỏi khống vật nung nóng chúng đến nhiệt độ từ 250°C - 300°C 1.2.2 CÁC ĐỚI THỦY ĐỘNG LỰC NƯỚC DƯỚI ĐẤT Phần vỏ đất chia làm hai đới chính: đới thơng khí đới bão hồ Trong đới thơng khí nước tồn dạng hơi, liền kết vật lý, liên kết hố học Trong đới bão hồ lỗ rỗng, khe rãnh đất đá chứa đầy nước trọng lực Giữa hai đới thường tồn đới nước mao dẫn Theo cường độ điều kiện trao đổi nước, chia làm đới thủy động lực (bảng 1.1) : - Đới trao đổi nước mãnh liệt phân bố phần vỏ đất, chúng liên chặt chẽ với nước mặt Đới phân bố đến độ sâu xâm thực thung lũng sơng lớn Chiều dày dao động khoảng 100 ÷ l.000m lớn Đới đặc trưng vận tốc thấm nước tương đối lớn Vận tốc thực từ 1mét đến hàng trăm mét năm), hệ số trao đổi nước (tỉ số lượng nước chảy qua bồn chứa nước đất sau năm với loàn lượng nước chứa bồn đó) dao động khỏang 0,1 - - Đới trao đổi nước chậm chạp thường sâu gốc thoát nước địa phương tầng phức hệ chứa nước Chiều sâu giới hạn đới xác định chiều sâu xâm thực bổn biển Đới đặc trưng vận tốc thấm nhỏ nhiều so với đới Hệ số trao đổi nước thay đổi khoảng rộng từ 1.10-2 - 1.10-9 - Đới trao đổi nước chậm chạp chiếm phần sâu hệ chứa nước có áp (sâu - 3km) Vận tốc thấm thực thường khoảng vài phần chục đến vài % cm năm, hệ số trao đổi nước thường khổng vượt 1.10-9 Đới đặc trưng nhiệt độ áp suất cao Bảng 1.1 Phân đới nước vỏ đất Vận tốc thấm >1m/năm < lm/năm Hệ số trao đổi nước Môi trường tồn Nhiệt độ Thành phần hố học 0,01 ÷ Oxi hoá < 25°C Đa dạng l.l0-2 - 1.l0-9 Ơxi hố - khử 10 ÷ 40°C Đa dạng Đới trao đổi nước chậm Vài chục đến vài phần trăm cm/năm < 1.10-9 Khử ơxi 40 ÷ 150°C Clorua Độ khống hóa Nhạt, mặn ÷ 50g/l 50 ÷ 500g/1 Đặc trưng Đới trao đổi nước Đới trao đổi nước mãnh liệt chậm 1.2.3 SỰ HÌNH THÀNH THÀNH PHẦN HỐ HỌC NƯỚC DƯỚI ĐẤT Thành phần hố học nước đất hình thành trình xảy phức tạp, q trình có ảnh hưởng định là: Q trình rữa lũa hồ tan Rữa lũa q trình chuyển vào dung dịch ngun tố từ khống vật đất đá mà không phá hủy mạng tinh thể chúng Hồ tan q trình đưa vào dung dịch nguyên tố khoáng vật làm mạng tinh thể chúng bị phá hủy Nước đất có khả hồ tan, rữa lũa hàng trăm chất khác chất hoà tan tổng hợp Quá trình tạo hỗn hợp nước Sự hỗn hợp loại nước có thành phần khác thường phổ biến tự nhiên Nó tạo nên hỗn hợp nước phức tạp Sự hỗn hợp nước tạo nên thành phần hoá học hỗn hợp thường xảy với trình trầm đọng muối cacbonat canxi, magiê, sắt, thạch cao Quá trình lắng đọng muối Q trình xảy trình hỗn hợp muối hay điều kiện nhiệt động thay đổi Sự lắng đọng muối xảy làm giảm nồng độ muối hoà tan nước làm thay đổi thành phần hoá học nước Q trình đặc nước Sự đặc nước trình làm tăng lượng chất dễ hoà tan nước nước bị bốc hơi, phát tán hay đóng băng Q trình đặc nước đất trình bốc thường phổ biến điều kiện khí hậu khơ mực nước ngầm nằm không sâu (nhỏ 3m) Khi nước bốc hơi, muối hoà tan nước giữ lại đất đá nước đất làm tăng độ muối đất đá nước Sự tăng độ khống hố nước ngầm nằm khơng sâu xảy phát tán thực vật Quá trình khuếch tán Khuếch tán q trình dịch chuyển vật chất từ mơi trường có nồng độ cao đến nơi thấp Sự khuếch tán trorg điều kiện tự nhiên dẫn đến trình làm đồng nồng độ thành phần hoá học nước đất Quá trình trao đổi cation Sự trao đổi cation có liên quan đến khả hấp phụ hoá lý đất đá phân tán hạt mịn (sét, sét) với đường kính hạt nhỏ 0,02 mm Q trình trao đổi cation có ý nghĩa quan trọng trầm tích loại sét sét tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố trao đổi, xảy loại nước có nguồn gốc khác nhau, làm thay đổi mãnh liệt thành phần hoá học nước đất Các trình vi sinh vật Các q trình có ý nghĩa to lớn biến đổi thành phần hoá học nước đất Vi sinh vật tồn tại, hoạt động điều kiện khác nhau, nước đới thơng khí tầng chứa nước sâu hàng nghìn mét Chúng hoạt động mơi trường ơxi hố mơi trường khử Trong điều kiện ơxi hố loại vi khuẩn có vai trò quan trọng Còn điều kiện khử vi khuẩn khí hoạt động Kết q trình ơxy hố khử vi sinh vật làm cho thành phần nước đất bị biến đổi 1.2.4 CÁC TẦNG CHỨA NƯỚC DƯỚI ĐẤT Nước đới thơng khí (nước thượng tầng) Nước đất nằm đới thơng khí (nước thượng tầng) tầng nước phân bố sát mặt đất Loại nước chịu tác động mãnh liệt điều kiện thủy văn, khí tượng Nước thượng tầng thành tạo tất loại đất đá dạng khác Dưới số dạng phổ biến - Nước lầy : Theo H.D Đubac, nước lầy xem vũng nước mà nước khơng hết xem khu đất chứa gần 90% nước Nước lầy có hình dạng tàng trữ đặc biệt, mặt liên hệ mật thiết với nước mặt nước mưa, mặt khác xem khối thống với dạng nước thượng tầng khác nước ngầm - Nước thổ nhưỡng : bao gồm tất dạng nước tổn thổ nhưỡng (lớp vỏ đất) Trong nước thổ nhưỡng có lượng lớn vật chất hữu vi sinh vật Nước thổ nhưỡng chủ yếu nước mưa thấm xuống cung cấp Ngoài ra, nước thổ nhưỡng nước ngưng tụ lại nước mao dẫn dâng cung cấp (khi nước ngầm nông) Nước thổ nhưỡng phần lớn bị tiêu hao bốc phát tán - Nước thấu kính cách nước, thấm nước yếu : nước ngấm từ mặt đất vào đất đá đới thông khí gặp thấu kính đất đá cách nước thấm nước yếu bị giữ lại tạo thành lớp nước có bề dày khơng lớn thấu kính Mực nước, thành phần hoá học trữ lượng nước phụ thuộc vào lượng mưa, nước thải, nước rò rỉ thấm xuống thành phần hạt, độ dày, kích thước đất đá chứa nước thấu kính cách nước Kích thước độ dày nhỏ, điều kiện cung cấp nước cục bộ, không ổn định mà lượng nước thấu kính thường động thái thay đổi mãnh liệt Đặc biệt phân bố gần mặt đất thường bị nhiễm bẩn Tầng chứa nước ngầm có mặt thống tự Nước ngầm có mặt thoáng tự nước trọng lực tự do, tầng chứa nước thường xuyên thứ tính từ mặt đất Phía trên, nước ngầm khơng bị lớp cách nước che phủ khơng chiếm tồn bề dày vỉa đất đá thấm nước nên bề mặt nước ngầm mặt thống có áp lực áp lực khí tầng chứa nước ngầm gọi tầng nước khơng có áp lực (hình 1.1) Hình 1.1 Sơ đồ tầng chứa nước ngầm Đất đá thấm nước; Đất đá chứa nước; Đất đá cách nước; Mực nước; Hướng nước chảy; Mưa Miền cung cấp cho nước ngầm thường trùng với miền phân bố Nước ngầm liên hệ với nước mưa, nước mặt nước thượng tầng Sự phân bố nước ngầm phụ thuộc vào điều kiện địa lý tự nhiên, địa hình, địa mạo địa chất khu vực Động thái nước ngầm chịu ảnh hưởng trực tiếp nhân tố khí tượng, đặc trưng dao động mực nước, lưu lượng thành phấn hóa học theo mùa Tầng chứa tầng không áp Nước tầng không áp loại nước tàng trữ tầng chứa nước tầng cách nước có mực nước thấp mái cách nước, tầng đất đá chứa nước khơng hồn tồn hão hồ nước (hình 1.2) Hình 1.2 Sơ đồ tầng chứa nước tầng không áp Cát; Cát chứa nước; Sét; Mực nước không áp Do điều kiện nằm mà nước tầng không áp vừa có số tính chất nước ngầm vừa có số tính chất nước áp Miền cung cấp miền khơng trùng Chúng cung cấp hởi nước mưa, nước mặt qua miền cung cấp nước tầng chứa nước khác qua “ ô cửa sổ” qua mái, đáy thấm nước yếu Do có mái cách nước nên chúng bị nhân tố khí tượng, nhân tạo, tác động so với nước ngầm Tầng chứa tầng có áp Nước tầng có áp nước đất nằm tầng chứa nước (hoặc phức hệ chứa nước) tầng cách nước hay tương đối cách nước có cột nước áp lực khoan hay đào vào tầng chứa nước mực nước dâng lên mái cách nước Nước tầng có áp thường nằm sâu nước ngầm hai lớp cách nước tương đối cách nước liên tục; Miền cung cấp, miền phân bố, miền chúng khơng trùng (hình 1.3); Khi khoan vào tầng chứa nước tầng có áp nước dâng lên cao mái cách nước; Động thái nước tầng có áp ổn định so với động thái nước ngầm; nhân tố thủy văn, khí tượng ảnh hưởng đến động thái chúng Do có lớp cách nước chúng bị nhiễm bẩn so với nước ngầm 10 Hình 1.3 Sơ đồ tầng chứa nước tầng có áp Nước đất đá nứt nẻ Nước đất tồn khe nứt đá gốc cứng nút nẻ gọi nước khe nứt Nước khe nứt nước ngầm, nước vỉa khơng áp có áp, áp lực nước gây nên áp lực thủy tĩnh nước khe nứt giao nhau, số nơi, áp lực khí lên từ sâu, số nơi khác áp lực nước sinh núi lửa trẻ hoạt động Chúng thành tạo nước mưa phần nước mặt ngấm xuống cung cấp Nước khe nứt thường vận động tuân theo qui luật chảy tầng Nước castơ Nước chứa hình thái castơ ngầm gọi nước castơ Điều kiện địa chất thủy văn khối castơ, nói chung giống điều kiện vốn có đất đá thấm nước khác, nước đất khối castơ, đặc biệt tầng có số đặc tính riêng Nước castơ chịu tác dụng nhân tố ngẫu nhiên động thái (mưa rào, lũ, tuyết tan) đồng thời phản ứng với tác động nhanh Động thái chúng dao động theo mùa, hàng năm nhiều năm nhân tố Tính hút nước tốt khối castơ tạo nên điều kiện thuận lợi để nước mưa, nước mặt ngấm xuống, tạo thành hồn nước castơ lớn 1.2.5 VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT Sự vận động nước trọng lực môi trường lỗ rỗng đất đá gọi thấm Môi trường thấm bao gồm lỗ rỗng khe nứt có kích thước khác liên hệ chặt chẽ với Khác với vận động nước đường ống, kênh hở thấm môi trường lỗ rỗng phụ thuộc vào kích thước lổ rỗng, khe nứt mà cịn phụ thuộc vào hình dạng, 11 liên hệ chúng với đặc trưng tốc độ bé trình vận động Vận động nước đất đá ổn định không ổn định Vận động ổn định đặc trưng ổn định yếu tố dòng thấm (tốc độ, lưu lượng, mực nước, građien thủy lực ) theo thời gian Trong vận động không ổn định yếu tố dòng thấm thay đổi theo thòi gian Sự thay đổi thường nhân tố tự nhiên nhân tạo gây nên Vận động nước đất tạo nên dòng chảy chúng Dòng chảy nước đất đặc trưng yếu tố sau: - Đường dịng chảy đường mà theo nước vận động Đường dịng chảy đường song song với khơng (hình 1.4) - Đường đồng áp vng góc với đường dịng chảy Đối với nước ngầm đường đồng áp biểu thị đường thủy đẳng cao, nước áp đường thủy đẳng áp Dịng chảy tia hội lụ (hình 1.4b) phân ly (hình 1.4c) Hình 1.4 Sơ đồ dòng chảy nước đất Đường đồng áp; Đường dòng cháy, a: Dòng chày phẳng; b Dòng chảy tỏa tia; c Dòng hội tụ Vận động nước đất đất đá chảy tầng chảy rối Khi chảy tầng tia riêng biệt nước vận động với tốc độ không lớn song song với nhau, tạo thành dòng liên kết Khi chảy rối nước vận động với tốc độ lớn, nhiều chỗ dòng chảy bị xáo trộn lung tung tính liên kết dịng bị phá hủy Phần lớn trường hợp nước đất vận động đất đá theo qui luật chảy tầng 12 1.3 PHÂN TÍCH YẾU TỐ THẤM TRONG MƠI TRƯỜNG ĐẤT 1.3.1 Sự hình thành dịng thấm trạng thái lượng nước đất Dòng nước thấm đất hình thành biến đổi lượng (thế động năng) nước từ vị trí đến vị trí khác Thế phụ thuộc vị trí trạng thái nước so với mặt chuẩn động liên hệ với chuyển động nước Tuy nhiên, vận tốc dòng nước thấm đất khơng đủ lớn nên lượng sản sinh dịng thấm đất chủ yếu biến đổi tổng từ vị trí đến vị trí Thế tổng nước đất Ψ xác định biểu thức: ψ = ψg + ψp + ψo Trong đó: (1-1) ψ g – trọng lực (do chênh lệch cao trình); ψ p – áp lực (do chênh lệch áp lực); ψ o – thẩm thấu (do khác thành phần hóa học nước) - Thế trọng lực ψ g (hình 1.5) khơng phụ thuộc điều kiện áp lực nước đất đất có bão hịa hay khơng mà phụ thuộc vào cao trình tương đối z1 khối nước mặt chuẩn, xác định biểu thức: ψ g = γwz1 Trong đó: (1-2) γw - trọng lượng đơn vị nước Hình 1.5: Các trọng lực áp lực - Thế áp lực ψ p phụ thuộc vào điểm xem xét đất áp lực thủy tĩnh lớn hay nhỏ áp lực khí (hình 1.5) Giá trị ψ p dương điểm xem xét phía bề mặt nước tự thường coi ngập ψp = γwz2 (1-3) Trong đó: z – chênh lệch cao trình điểm xét mực nước ngầm Khi áp lực điểm xem xét thấp áp lực khí quyển, lượng cần để vận chuyển thể tích đơn vị nước từ điều kiện khí xem xét ngun lí mao dẫn (hình 1.6) Thế trường hợp xem mao dẫn hay hút ẩm Thế trường hợp xem mao dẫn hay hút ẩm 13 ψp = 2σ Rm (1-4) Trong đó: σ - sức căng bề mặt nước; R m – bán kính cong mặt khum Rm = Rc cosα (1-5) Hình 1.6: Cân áp lực ống mao quản Thay (3-5) vào (3-4), ta có: ψp = 2σ cosα Rc (1-6) Tuy có hạn chế xét đến chất đất thành phần, cấu trúc đất, , song nguyên lí mao dẫn cho ta hiểu yếu tố tạo âm hiệu dụng xem xét trường hợp lỗ rỗng đất chất lỏng nước, khơng khí chiếm chỗ (bẫy chất lỏng), Khi áp lực khí trạng thái chuẩn (khí quyển) khác áp lực khí đất điểm xét, khác từ áp lực (gọi khí) phải tăng thêm cho áp lực dương âm - Thế thẩm thấu phụ thuộc vào nồng độ chất hòa tan nhiệt độ, với dung dịch pha lỗng tính gần (Slatyer, 1967): ψ o = MCT Trong đó: M – nồng độ molarcuar hạt hòa tan; T- nhiệt độ tuyệt đối; C- số tổng quát (8,32 x 107 egr/mol độ) 1.3.2 Các định luật thấm đất bão hòa Khi nghiên cứu, phân tích đặc trưng dịng thấm, có khác lớn đất bão hịa khơng bão hịa Trong đất bão hịa, thường giả thiết dịng thấm chiếm tồn khoảng trống lỗ rỗng (trừ đất sét đầm chặt đất hạt mịn khác có khoảng rỗng dẫn nước) Cịn đất khơng bão hịa có khoảng rỗng nước chiếm chỗ có tham gia dịng nước thấm Do cần nghiên cứu tách biệt dòng thấm bão hịa khơng bão hịa a Định luật Poiseuille định luật Darcy Với giả thiết khối đất đồng có ống mao quản song song không nối tiếp cho phép sử dụng kiến thức thủy lực dịng chảy ống để tìm hiểu, phân tích đặc trưng dịng thấm - Định luật Poiseuille Khi xem xét dòng thấm qua ống mao quản đơn (hình 1.7) độ chênh áp lực ∆P hai đầu ống (lực truyền động cho dòng thấm để chống lại ma sát độ nhớt η nước) cho phép xác lập phương trình quan hệ lưu lượng qua ống mao quản độ chênh áp lực ∆P, chiều dài ống L bán kính R ống theo định luật Poiseuille: 14  πR  ΔPR   πR  ΔP    =   q r =     4Lη   8η  L  (1-7) Hình 1.7: Dịng thấm qua ống mao quản đơn Phương trình (3-13) viết lại theo diện tích tiết diện A t ống:  R  ΔP   q t =  (A t )  8η  L  (1-8) Vận tốc “trung bình” dịng thấm Vt ống mao quản : Vt = q t  R  ΔP   =  A t  8η  L  (1-9) Số hạng thứ vế phải phương trình (1-9) coi số biểu thị tỉ lệ vận tốc dòng thấm gadien áp lực (∆P/L) ống mao quản - Định luật thấm Darcy Khi lí tưởng hóa hệ đất bó ống mao quản song song phân tích trên, vận tốc dịng thấm đất biểu thị tỉ lệ với độ chênh gradien áp lực Điều Henry Darcy (1856) tìm thực nghiệm Lưu lượng q dòng thấm tỉ lệ tuyến tính với độ chênh áp lực :  ΔP  q = k A  L  Trong đó: (1-10) A – diện tích tiết diện mẫu; K – số tỉ lệ Phương trình (1-10) Darcy biểu thức sử dụng phổ biến để biểu thị đặc trưng dòng thấm đất Quan hệ tuyến tính lưu lượng gradien thủy lực không phù hợp gradien thấp hay cao (Swartzendruker, 1962; Bear, 1972) Tuy nhiên, đa số trường hợp quan trọng dòng nước ngầm điều kiện khơng xảy Với dịng thấm chảy tầng dùng định luật Darcy cho loại đất 15 1.3.3 Hệ số thấm Từ phương trình (1-9) (1-10) cho thấy số k chứa đựng ảnh hưởng cấu trúc đất (biểu thị bán kính lỗ rỗng) tính nhớt chất lỏng đến lưu lượng thấm, gọi hệ số thấm Giá trị hệ số thấm k biến đổi phạm vi rộng từ 102 cm/s cho sỏi đến 10-10 cm/s cho đất sét Lưu lượng q tích vận tốc dịng thấm với diện tích tiết diện: q = VA (1-11) Vận tốc dòng thấm đất V tính theo:  ΔP  V = k   L  (1-12) Khi nước vận động đất đá chúng chảy qua lỗ rỗng Diện tích lỗ rỗng ứng với tiết diện ngang đất đá A.n (n - độ lỗ rỗng) Vì tốc độ thực dịng thấm là: Va = V n (1-13) Khi nghiên cứu vận chuyển chất ô nhiễm cần phân biệt V vận tốc thực Va Hệ số thấm xác định cách thông thường quan sát lưu lượng qua hệ đất gradien áp lực ∆P/L sử dụng (1-10) Các phương trình cách gián tiếp Phương trình trực tiếp xác định hệ số thấm theo Kozeny (1927) Carman (1956) cho thấy liên hệ số thấm đất dạng hạt với hình dạng lỗ rỗng chúng :   e   k = C s    ηSo  + e  (1-14) Casagrande đề nghị biểu thức đơn giản thực tế tính k theo e cho đất cát: k(e) = 1,4k 0,85 e2 (1-15) Trong đó: k 0,85 – hệ số thấm hệ sỗ rỗng 0,85 Đối với đất hạt thô cát, hệ số rỗng phụ thuộc vào kích cỡ đại diện hạt đất Hazen (1911) đưa biểu thức : k (cm/s) = C D102 Trong đó: (1-16) D 10 – kích cỡ hiệu quả, cm; C – số tỉ lệ, biến đổ từ 90 đến 120 Do yếu tố phụ thêm chủ yếu ảnh hưởng cấu trúc đất, phương trình sử dụng hạn chế cho đất sét Hệ số thấm k thông số gộp chung chứa đựng tính chất chất lỏng (chủ yếu độ nhớt) hình dạng khoảng rỗng Thuận lợi tách hiệu thông số chất lỏng môi trường Ví dụ, quan tâm riêng ảnh hưởng hình dạng khoảng rỗng đến hệ số thấm chất lỏng cho Thường dùng hệ số thấm “thực” hay “tuyệt đối” để hệ số thấm liên quan tính chất mơi trường Khi loại trừ độ nhớt chất lỏng lỗ rỗng từ phương trình (1-14), hệ số thấm thực biểu theo: 16 C k a =  2s  So  e     + e  (1-17) Phương trình (1-17) chứa thơng số đất so sánh với (1-14), rút ra: k= ka η (1-18) Với chất lỏng cho thường biết biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ chuyển đổi hệ số thấm tiêu chuẩn 200C (700F) với k nhiệt độ t quan hệ: k 20 η a = kt η 20 (1-19) Sự phân bố cỡ hạt, dung trọng đặc biệt cấu trúc đất có ảnh hưởng lớn đến tính thấm đất Đất có kích cỡ hạt nhỏ thường có khoảng rỗng nhỏ có tính thấp thấp Tương tự, dung trọng đất tăng dầm chặt hay cố kết làm giảm khoảng rỗng k nhỏ Hình 1.8 cho thấy ảnh hưởng cỡ hạt dung trọng đến hệ số thấm Hình 1.8: Các kết thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng loại đất (biểu thị cỡ hạt hệ số rỗng (biểu thị dung trọng đất) đến hệ số thấm (theo Lambe Whitman, 1969) 17 1.3.4 Tính thấm đất sét đầm chặt Đất sét đầm chặt có vai trị quan trọng cơng trình chứa chất thải, song cấu trúc đất khơng khống chế tính chất hóa lí đất mà kiểu chuẩn bị đất Điều cho thấy, cần có phân tích đầy đủ tính thấm loại đất Một số nghiên cứu cho thấy hệ số rỗng đất đầm chặt khơng yếu tố khống chế tính thấm Với hệ số rỗng cho vi cấu trúc khơng phải Do dự đốn tính thấm đất sét đầm chặt theo biến đổi cấu trúc đất khố khăn Sự phức tạp hành vi thấm đất sét đầm chặt minh họa hình 1.9 Ta thấy tính thấm biến đổi độ lớn vài bậc bốn đất sét chuẩn bị gần điều kiện độ ẩm đất đầm chặt dung trọng khô lớn Kết nghiên cứu cho thấy, có nhóm yếu tố có ảnh hưởng lớn đến tính thấm đất sét đầm chặt : Các biến liên quan đến việc chuẩn bị đất sét đầm chặt Hóa học thấm Các phương pháp thí nghiệm Hình 1.9: Khả biến đổi hệ số thấm đất sét đầm chặt Ảnh hưởng biến đầm chặt đến vi cấu trúc k đất sét đầm chặt Mitchell et al (1965) nghiên cứu thấy hình 1.10 Hình cho biết là, nói chung giảm từ hai đến ba lần độ thấm cấu trúc đất chuyển từ phía khơ đến phía ướt độ thấm tốt Tính thấm thấp xảy phía ướt độ ẩm tốt nhất, vượt có khả hồi phục phần Đó sở cho quy trình kĩ thuật thời chuẩn bị đất sét đầm chặt phía ướt độ ẩm tốt xây dựng lớp sét lót cho bãi chứa chất thải 18 Các nghiên cứu gần xác lập ảnh hưởng biến loại lượng đầm chặt kích cỡ cục đất dùng q trình đầm chặt Có thể tham khảo mơ tả chi tiết vấn đề Day Daniel (1985) Daniel (1987) mơ hình chùm Olsen Hình 1.10: Biến đổi hệ số thấm theo độ ẩm đất chế bị lượng đầm chặt (theo Mitchell et al 1965) Sự giảm kích thước cục đất loại trừ lỗ rỗng cục cho lỗ rỗng vi kết cấu nhỏ dẫn đến khả thấm nhỏ (Benson Daniel, 1990) Khơng giống trường hợp cát, hóa học thẩm thấu (ngồi tính chất vật lí độ nhớt) ảnh hưởng tính thấm đất sét đầm chặt Đó hóa bề mặt mà hạt sét biểu tương tác với chất lỏng lỗ rỗng giai đoạn chế bị giai đoạn thấm Lý thuyết lớp kép khuếch tán sở để rút kết luận tổng quát hóa thẩm thấu biến đổi vi cấu trúc đất sét đầm chặt Dựa thẩm thấu xúc tiến cấu trúc kết bơng hay phân tán, có khả dự đốn định tính ảnh hưởng đến tính thấm Các yếu tố làm giảm bề dày lớp kép hay chiều dài Debye, tạo kết cấu kết bơng Nói chung, kết cấu kết bơng làm tăng tính thấm cịn kết cấu phân tán làm giảm tính thấm Dựa ảnh hưởng thành phần chất lỏng lỗ rỗng đến bề dày lớp kép khuếch tán, đốn biến đổi giống tính thấm Xu hướng biến đổi tính thấm biến đổi thơng số chất lỏng lỗ rỗng phổ biến thấy bảng 1.2 Các ảnh hưởng số chất ô nhiễm thực, đa dạng đến cấu trúc đất k chưa thiết lập cần tiếp tục nghiên cứu Theo Daniel (1989), khả thấm trường thường lớn 10 đến 1000 lần phương pháp phòng 19 Bảng 1.2 Các xu hướng biến đổi tính thấm tăng cao thơng số chất lỏng lỗ rỗng phổ biến Các thông số tăng pH Nồng độ chất diện phân Hóa trị cation Kích thước cation Hằng số chất điện môi Xu hướng bề dày lớp kép khuếch tán (1/K) Tăng Giảm Giảm Tăng Tăng Cấu trúc đất tạo Phân tán Kết Kết bơng Phân tán Phân tán Xu hướng tính thấm Giảm Tăng Tăng Giảm Giảm 1.3.5 Các nguyên lí đặc trưng dịng thấm đất khơng bão hịa a Các ngun lí dịng thấm đất khơng bão hòa Với xử lý đất bão hòa, chấp nhận khái niệm ống mao quản để đặc trưng cho dịng thấm khơng bão hịa Chú ý tới cấu truyền động, tức áp lực – gọi hút dính xem xét đới khơng bão hịa Với ống mao quản đơn, hút dính tỉ lệ nghịch với bán kính ống Quan hệ nghịch hình 1.11 cho thấy lỗ rỗng khối đất lí tưởng hóa ống mao quản, nước lỗ rỗng nhỏ hút dính cao lỗ rỗng lớn Điều có nghĩa đất bão hịa bắt đầu chuyển sang khơng bão hịa, lỗ rỗng lớn nước trước tiên sau lỗ rỗng nhỏ Do vậy, độ ẩm thể tích θ trạng thái khơng bão hịa đất cho phản ánh trạng thái lượng hay hút dính nước Sự phụ thuộc nội độ ẩm thể hút dính yếu tố quan trọng làm cho dịng khơng bão hịa khó mơ tả đặc trưng dịng bão hịa Khi thể tích nước số độ rỗng huy động kết độ chênh áp lực tác dụng đới bão hòa, trường hợp đới khơng bão hịa độ ẩm biến đổi liên tục với áp lực Hình 1.11: Quan hệ nghịch hút dính bán kính ống mao quản 20