CÔNG TRÌNH THU NƯỚC NGẦM GIẾNG KHOAN

Ở phần này được chèn bằng sét viên sấy khô • Ống lọc: để thu nước từ tầng chứa vào trong giếng, cấu tạo là ống khoan lỗ, cắt khe, hoặc cuốn dây,…tùy thuộc cấu tạo tầng chưa nước • Ống lắ

CÔNG TRÌNH THU NƯỚC NGẦM GIẾNG KHOAN

I Khái nhiệm giếng khoan

- Giếng khoan là công trình thu nước ngầm mạch sâu Khi bơm nước ra khỏi giếng với một lưu lượng nào đó, mực nước trong giếng hạ dần Độ sâu khoan giếng phụ thuộc vào độ sâu tầng chứa nước

- Giếng khoan là công trình mỏ hình trụ, có đường kính bé hơn nhiều lần so với chiều sâu

II Phạm vi áp dụng

Là công trình thu nước mạch sâu Độ sâu khoan giếng phụ thuộc vào độ sâu tầng chứa nước, thường nằm trong khoảng từ 20-200m, đôi khi có thể lớn hơn Đường kính giếng 150-600m

Các giếng khoan tay cỡ nhỏ có đường kính từ 32-49mm

III Phân loại:

Có 4 loại giếng khoan thường dùng:

• Giếng khoan hoàn chỉnh khai thác nước ngầm không áp, đáy giếng được khoan đến tầng cản nước đầu tiên

• Giếng khoan không hoàn chỉnh khai thác nước ngầm không áp, đáy giếng nằm cao hơn tầng cản nước

• Giếng khoan hoàn chỉnh khai thác nước ngầm có áp

• Giếng khoan không hoàn chỉnh khai thác nước ngầm có áp

IV Sơ đồ cấu tạo:

Một giếng khoan hoàn chỉnh bao gồm những bộ phận sau:

• Ông vách bảo vệ (tram xi măng tại chỗ): để bảo vệ giếng khỏi bị ô nhiễm từ mặt đất

• Ống vách khai thác: để bảo vệ máy bơm, chống sụt lở giếng và tạo ống dẫn

để dẫn nước lên từ ống lọc Ở phần này được chèn bằng sét viên sấy khô

• Ống lọc: để thu nước từ tầng chứa vào trong giếng, cấu tạo là ống khoan lỗ, cắt khe, hoặc cuốn dây,…tùy thuộc cấu tạo tầng chưa nước

• Ống lắng: là một đoạn ống thép đặc ở phía dưới ống lọc đáy được bịt kín để chứa một phần bùn khoan còn dư sau khi thi công giếng và các vật liệu mịn lọt vào giếng trong quá trình khai thác

• Sỏi chèn: để ngăn cát vào trong giếng trong quá trình khai thác, chèn bằng sỏi thạch anh tròn cạnh, trong phạm vi ống lọc

• Máy bơm và các công trình phụ trên mặt đất

1 Ống vách

Vật liệu ống vách phải đảm bảo thắng được độ kéo và độ nén sinh ra trong quá trình lắp đặt bơm phát triển giếng khoan và suốt thời gian vận hành Độ kéo và độ nén của ống vách phụ thuộc vào vật liệu làm ống, đường kính ống và chiều dày thành ống Ống vách

có thể sử dụng các loại như sau:

• Ống thép đen

• Ống PVC

• Ống vách Acrylonitrile- butadiene- styrene (ABC)

• Ống vách thủy tinh sợi

Các đặc điểm kỹ thuật của ống thép cần phải dựa trên đường kính trong của ống vì đường kính ngoài còn phụ thuộc vào độ dày của thành ống Đường kình trong của ống vách cần phải lớn hơn đường kính ngoài của bơm ít nhất là 50mm Có thể chọn đường kính của ống vách và bơm theo bảng 9.1 (SGK)

Các ống có thể nối với nhau theo các phương pháp sau:

• Ren ống và măng sông

• Hàn nối ống

• Nối ống bằng miệng bát có hàn phủ

Có thể dùng các thiết bị phụ để thiết kế và lắp đặt các giếng có hiệu suất thủy lực cao Các chi tiết chính là:

• Hướng tâm ống vách

• Nối thu

Thiết bị hướng tâm ống vách làm cho tâm của ống vách thép hàn và ống lọc trùng nhau

Nối thu là các ống hình côn có các đường kính khác nhau Để nâng cao hiệu suất thủy lực, góc côn gần bằng 150 và chiều dài mối nối lớn hơn 10 lần đường kính ống

2.Ống lọc của giếng khoan

2.1.Các yêu cầu đối với ống lọc:

• Có tỉ lệ diện tích lọc lớn

• Ngăn không cho cát từ tầng chứa nước và sỏi chèn trôi lọt vào giếng

• Tổn thất áp lực của dòng chảy vào giếng nhỏ

• Đủ bền về cơ học

• Đủ trống để làm công tác bảo dưỡng định kỳ

• Chống lại sự ăn mòn và bám cặn

2.2 Khi thiết kế ống lọc cần quan tấm đến các vấn đề sau:

• Chiều dài công tác của ống lọc

• Đường kính ống lọc

• Kích cỡ và hình dạng của khe thu nước

• Lưu lượng nước cần thu

• Vấn đề ăn mòn và bám cặn

2.3 Phân loại:

Theo cấu tạo, ống lọc có thể phân ra làm các loại sau:

• Ống khoan lỗ

Là các ống gang, thép hoặc ống thép không rỉ được khoan lỗ Đường kính lỗ từ 10-25mm Ống thép, tỉ lệ diện tích lọc 35%, ống gang 25% Ống có thể gồm 1 đoạn hoặc nhiều đoạn nối lại với nhau

• Ống cắt khe:

Nhóm ống lọc kiểu này bao gồm các loại:

- Ống khe dọc: được chế tạo từ các ống thép, cắt khe hình chữ nhật, gia công trên các máy khía Chiều dài khe từ 20- 200mm, chiều rộng 2,5- 15mm Loại ống này có tổng diện tích khe trống không lớn nhưng tổn thất thủy lực lại tương đối lớn

- Ống lọc có gờ nổi: được chế tạo từ các tấm thép được dập để đục khe tạo nên gờ nổi của từng khe trống, sau đó hàn lại Các khe trống đục theo hàng dọc Loại ống lọc này

có tổng diện tích các khe lớn nhưng có độ bền không cao

- Ống lọc có khe cửa sổ: loại ống lọc này, các khe có kích thước nhỏ, sắp xếp theo hàng ngang Ống có tổng diện tích khe trống lớn, độ bền cơ học cao

• Ống lọc cuốn dây

Là loại ống khoan lỗ hoặc cắt khe, mặt ngoài được cuốn dây liên tục bằng dây đồng hoặc thép không rỉ Dây cuốn có tiết diện tròn (d = 1- 2.5mm)hoặc tiết diện hình nêm, cuốn đỉnh nêm quay vào trong Khoảng cách giữa các vòng dây từ 1-2.5mm Giữa lớp

dây và cốt ống có đặt các dây thép d = 1-2.5mm dọc theo chiều dài ống và cách nhau từ 40- 50mm

• Ống lọc bọc lưới:

Là các ống khoan lỗ hoặc khe dọc bọc lưới, tấm lưới được khâu lại ở chỗ nối Giữa tấm lưới và cốt ống có các dây thép hoặc dây đồng đường kính 4- 6mm quấn vòng quanh ống cốt kiểu lò xo, vòng này cách vòng kia 15- 30mm Tấm lưới đucợ đan bằng dây đồng hoặc dây thép không rỉ Đường kính dây đan lưới 0.25 – 1mm Kích thước mắt lưới a*a = 1*1 – 3*3

2.4.Phạm vi ứng dụng:

Loại ống lọc được lựa chọn phù hợp với cấu tạo của tầng chứa nước:

 Nham thạch cứng, ổn định, khe nứt bé, không đùn cát: không cần đặt ống lọc

 Nham thạch nửa cứng, không ổn định; đá dăm cuội sỏi cỡ hạt từ 10 – 50 mm chiếm trên 50% khối lượng, có thể dùng các loại ống lọc sau:

• Ống khoan lỗ, đường kính lỗ 10 - 25mm

• Ống khe lọc, kích thước khe a* b = 150 – 250 * 10 - 15 mm

• Ống khung xương, kích thước khe 200 * 12 mm

Sỏi, đá dăm, cát to có cỡ hạt từ 1-10 mm Các hạt có kích thước từ 1 – 5mm chiếm trên 50% khối lượng dùng 1 trong các loại ống sau:

• Ống khoan lỗ hoặc khe dọc quấn dây

• ống khe dọc cuốn dây, kích thước khe 50 – 200* 2.5 – 5mm

• Ống lọc có gờ nổi hoặc khe cửa sổ

• Cát thô cỡ hạt 1 – 2mm chiếm trên 50% khối lượng dùng 1 trong các loại ống lọc sau:

• Ống khoan lỗ hoặc khe dọc quấn dây bọc lưới, mắt lưới 1* 1 – 2* 2

• Ống khung xương cuốn dây, khoảng cách giữa các vòng dây từ 1 – 1.5mm

• Cát trung với độ lớn 0.25 – 0.5mm chiếm trên 50% khối lượng: dùng ống lọc bọc vài lớp sỏi

• Cát mịn có cỡ hạt từ 0.1 – 0.25mm chiếm trên 50% khối lượng: dùng ống lọc bọc 2 lớp sỏi

2.5 Tính toán ống lọc:

 Chọn kiểu loại ống lọc: chọn kiểu loại ống lọc tùy thuộc vào cấu tạo tầng chưa nước

 Xác định kích thước ống lọc:

Lưu lượng giếng được xác định bằng công thức

Q = πDLV

Trong đó:

D – đường kính ống lọc, m

L – chiều dài công tác của ống lọc, m

V – vận tốc nước chảy qua ống lọc vào giếng

V = 60

Với K là hệ số thấm của tầng chứa nước, m/ng

Hệ số thấm K được xác định bằng thực nghiệm Khi tính toán sơ bộ có thể lấy theo bảng 9.2 (SGK)

Khi tính toán thường chọn trước chiều dài công tác của ống lọc và xác định đường kính ống theo công thức:

D =

Trong đó:

Q – lưu lượng thiết kế của giếng khoan, m3/ng

L – chiều dài công tác của ống lọc, m

V – vận tốc nước chảy qua ống lọc, m/ng

Dựa vào các giá trị đã tính, chọn đường kính ống lọc theo tiêu chuẩn

V Tính toán thiết kế giếng khoan làm việc riêng lẻ

1 Giếng khoan hoàn chỉnh thu nước có áp

Trước khi tiến hành bơm nước, mực nước trong giếng là mực nước tĩnh, ngang bằng với mặt phẳng áp lực a-a Gọi độ sâu mực nước tĩnh tính đến đáy cách thủy là H

Bơm làm việc, bơm ra khỏi giếng một lưu lượng Q Mức nước trong giếng giảm dần Nước từ tầng chứa bắt đầu chảy vào trong giếng Lúc đó, trong tầng chứa nước bắt đầu có sự phân bố lại áp lực nước ngầm Phần xung quanh giếng có sự giảm áp lực, tạo thành mặt đẳng áp có dạng hình phễu, gọi là mặt cong ảnh hưởng Cắt mặt ảnh hưởng bằng một mặt phẳng vuông góc với mặt đẳng áp và đi qua tâm giếng được đường cong ảnh hưởng ab Khoảng cách từ điểm bắt đầu có sự thay đổi áp lực đến tâm giếng gọi là bán kính ảnh hưởng, ký hiệu là R

Mực nước trong giếng khi bơm làm việc gọi là mực nước động (MNĐ) Hiệu số giữa mực nước tĩnh (MNT) và mực nước động gọi là độ hạ mực nước trong giếng khi bơm trên hình 9 – 15 ký hiệu là S Đây là một đại lượng rất quan trọng khi tính toán giếng khoan Nếu độ hạ mực nước tính ra

- Nhỏ quá là chưa sử dụng hết khả năng cung cấp của tầng chứa nước

- Lớn quá sẽ làm tăng áp lực toàn phần của máy bơm, do đó làm tăng chi phí quản lý

Nếu lớn quá mức là đã sử dụng quá khả năng cung cấp của tầng chứa nước trường hợp này, giếng thường làm việc không ổn định Khi đó cần tăng số lượng giếng lên

Khi bơm làm việc, nếu lưu lượng bơm đi bằng lưu lượng nước từ tầng chứa chảy vào giếng, mực nước động trong giếng sẽ không thay đổi Chuyển động của nước ngầm vào giếng khi đó là chuyển động ổn định Độ hạ mực nước S không thay đổi và lưu lượng khai thác cũng không thay đổi theo thời gian khai thác

Trường hợp ngược lại là chuyển động không ổn định lưu lượng hoặc độ hạ mực nước trong giếng thay đổi theo thời gian khai thác

Việc tính toán giếng khoan ở đây là xác lập mối quan hệ giữa lưu lượng, độ hạ mực nước, bán kính ống lọc với các đặc trưng của tầng chưa nước

1.1 Trường hợp chuyển động ổn định

Lưu lượng giếng xác định theo công thức Đuypuy

Q = KωI Trong đó:

K – hệ số thấm của tầng nước

Diện tích giới hạn phần thu nước vào giếng Với giếng khoan hoàn chỉnh thu nước

có áp diện tích này bằng diện tích xung quanh của hình trụ, chiều cao bằng chiều dày tầng chưa nước m và bán kính x nào đó

ω = 2πxm

I – gradian áp lực

1.2 Trường hợp chuyển động không ổn định

Khi không có sự cân bằng giữa lưu lượng bơm đi và lưu lượng chảy vào giếng, giếng khoan sẽ làm việc không ổn định Trường hợp này có thể sẽ xảy ra một trong hai khả năng

Nếu bơm ra với lưu lượng không đổi thì độ hạ mực nước trong giếng sẽ thay đổi theo thời gian khai thác và được xác định theo công thức

là hàm số mũ tích phân, giá trị của nó phụ thuộc vào giá trị của đối số λ

λ = Với

t – thời gian khai thác nước (ngày)

r – bán kính ống lọc (m)

a – hệ số truyền áp Nó đặc trưng cho tốc độ phân bố lại áp lực nước ngầm khi chuyển động của nước ngầm vào giếng là không ổn định

a=

µ là hệ số phóng thích nước hay còn gọi là hệ số nhả nước đàn hồi

Nếu giữ độ hạ mực nước không đổi theo thời gian khai thác thì lưu lượng bơm sẽ phải thay đổi và được xác định theo công thức:

Q = Trong trường hợp thời gian khai thác nước rất lớn (khi λ ≤ 0.1) thì có thể sử dụng công thức của chuyển động ổn định để tính toán cho chuyển động không ổn định Nhưng

ở đây, bán kính ảnh hưởng R không phải là một đại lượng cố định mà nó tăng dần theo thời gian khai thác và tính theo công thức

R = 1.5

2 Giếng không hoàn chỉnh thu nước có áp:

Nước ngầm có áp chảy vào giếng không hoàn chỉnh với sức cản lớn hơn so với giếng hoàn chỉnh Nếu cùng làm việc ở điều kiện thủy văn giống nhau và cùng thu một lưu lượng như nhau thì độ hạ mực nước trong giếng không hoàn chỉnh sẽ lớn hơn so với giếng hoàn chỉnh

Sk = S + ∆S1

Trong đó:

Sk – độ hạ mực nước trong giếng không hoàn chỉnh

S – độ hạ mực nước trong giếng hoàn chỉnh

∆S1 – độ hạ mực nước trong giếng do tính không hoàn chỉnh của giếng gây ra

Giá trị ∆S1 được xác định theo công thức:

∆S1 = 0.16 Với ξ = 2.3 ( - 1) lg

Với

L – chiều dài công tác của ống lọc

A – hàm số; giá trị của nó được tra theo đồ thị hình 9.17 theo tỉ số L/m

3 Giếng khoan hoàn chỉnh thu nước không áp:

Mực nước ngầm trong tầng chứa nước A- A Khi bơm chưa làm việc, mực nước tĩnh trong giếng, coi như ngang bằng với mức A-A Khi bơm nước ra khỏi giếng với lưu lượng Q, mực nước trong giếng hạ dần xuống Nước ngầm từ tầng chưa nước chảy vào trong giếng Mực nước ở xung quanh giếng cũng hạ dần xuống tạo thành phễu hạ mực nước Mặt tự do của phễu hạ mực nước này cũng gọi là mặt cong ảnh hưởng Mực nước B-B gọi là mực nước động Độ sâu mực nước động tính đến đáy cách thủy là h0 Đường A-B gọi là đường cong ảnh hưởng

3.1 Trường hợp chuyển động ổn định

Lưu lượng giếng được xác định theo công thức Đuypuy

Q = ωV Trong đó

ω -Diện tích giới hạn phần thu nước vào giếng Diện tích này bằng diện tích xung quanh của I hình trụ bán kính x, chiều cao y nào đó

ω= 2xyπ

chiều cao y này là độ sâu mực nước ngầm phía ngoài giếng

V- vận tốc trung bình của dòng thấm chảy đến giếng

V = KI K- hệ số thấm của tầng chưa nước

I- Độ dốc thủy lực

3.2 Trường hợp chuyển động không ổn định

Nếu giếng khoan được khai thác với lưu lượng không đổi thì độ hạ mực nước trong giếng khi bơm được xác định theo công thức

S0 = H0 – Nếu giữ cho độ hạ mực nước không đổi theo thời gian khai thác nước thì lưu lượng bơm được xác định theo công thức:

Q = Ei(- λ) là hàm số mũ tích phân, đối số λ =

Giá trị của Ei(- λ) tra theo bảng 9.3

Nếu thời gian khai thác nước rất lớn, có thể sử dụng công thức của chuyển động ổn định ở trên để tính toán cho trường hợp chuyển động không ổn định nhưng bán kính ảnh hưởng R xác định theo công thức R = 1.5 với:

Với:

K – hệ số thấm của tầng chưa nước (m/ng)

hTB- chiều dày trung bình của tầng chưa nước trong thời gian khai thác (m)

µ - hệ số phóng thích nước

4 Giếng không hoàn chỉnh thu nước không áp:

Tương tự như trường hợp giếng có áp, khi giếng khoan không hoàn chỉnh làm việc trong tầng chứa nước không áp, độ hạ mực nước trong giếng cũng tăng thêm một lượng

∆S0 do tính không hoàn chỉnh của giếng gây nên ∆S0 được tính theo công thức:

∆S0K = h0 -

ở đây:

H0 – độ sâu mực nước tĩnh tính đến đáy cách thủy của tầng chứa nước trước khi bơm S0 – độ hạ mực nước trong giếng hoàn chỉnh xác định theo công thức 9-23 và 9-22 ứng với chuyển động ổn định và không ổn định

ξ – hàm số không thứ nguyên Giá trị của nó được xác định theo công thức 9-17 Trị số A trong công thức tra theo đồ thị 9-17 với:

=

Lt – chiều dài phần thu nước thực tế của giếng

SK

0 – độ hạ mực nước thực tế trong giếng khoan không hoàn chỉnh không áp:

SK

0= S0 + ∆SK

0

VI Tính toán một số thong số cơ bản của giếng khoan

1 Bán kính ảnh hưởng

Trong điều kiện có thể, nên có các lỗ khoan thăm dò và tiến hành bơm thí nghiệm Lúc đó bán kính ảnh hưởng R có thể xác định một cách tương đối đúng theo số liệu của giếng thí nghiệm hoặc giếng khai thác trong điều kiện địa chất thủy văn tương tự với giếng thiết kế theo công thức:?

Trong đó:

R, r, s – bán kính ảnh hưởng, bán kính ống lọc, độ hạ mực nước của giếng thiết kế

RT, rT, sT – bán kính ảnh hưởng, bán kính ống lọc, độ hạ mực nước của giếng thí

nghiệm hoặc giếng đang khai thác

Việc tính toán theo công thức trên gặp một khó khăn là giếng thiết kế còn nhiều thông số chưa được xác định nên phải tính toán theo phương pháp thử dần để có phương

án tốt nhất

Ngoài ra bán kính ảnh hưởng cũng có thể xác định theo công thức thực nghiệm:

- Trong chuyển động ổn định:

R = 10S

S – độ hạ mực nước trong giếng khi bơm, m

K – hệ số thấm của tầng chứa nước, m/ng

- Trong chuyển động không ổn định:

R = 1.5

a- Hệ số truyền áp, /ng

t- thời gian khai thác nước, n

2 Độ hạ mực nước giới hạn

Khi thiết kế và quản lý giếng khoan nhất thiết phải đảm bảo điều kiện

S ≤ Sgh

S- độ hạ mực nước của giếng thiết kế

Sgh- độ hạ mực nước giới hạn của giếng thiết kế

- Với giếng khai thác nước ngầm có áp:

Sgh = H – (0.3÷ 0.5)m - ∆S - ∆Hb

- Với giếng không áp:

Sgh = (0.5 ÷0.7)H - ∆S - ∆Hb

H – chiều sâu mực nước tĩnh tính đến đáy cách thủy khi chưa bơm

m- chiều dày tầng chưa nước có áp

∆S- tổn thất mực nước qua ống lọc

∆Hb- độ sâu đặt bơm dưới mực nước động Độ sâu này có thể lấy từ 2 ÷ 5m

3 Mối quan hệ giữa lưu lượng, độ hạ mực nước và lưu lượng riêng của giếng

- Trường hợp nước ngầm có áp: Mối quan hệ Q = f(S) gần như là bậc nhất Trường hợp này, tỉ lệ giữa lưu lượng và độ hạ mực nước là một đại lượng không đổi hoặc gần như không đổi

Như vậy q chính là lưu lượng tính bình quân trên một đơn vị chiều sâu hạ mực nước

q được gọi là lưu lượng riêng hay lưu lượng đơn vị của giếng

- Trường hợp nước ngầm không áp: Trong tầng chứa nước không áp, khi độ hạ mực nước càng tăng thì chiều dày lớp nước chảy vào giếng càng giảm Vì vậy lưu lượng thu được cũng giảm đi, nghĩa là độ hạ mực nước S tăng nhanh hơn so với độ tăng lưu lượng Q và lưu lượng đơn vị trong trường hợp này là một đại lượng không đổi Độ hạ mực nước càng tăng thì lưu lượng riêng càng giảm Mối quan hệ Q = f(S) là một đường cong Trong thực

tế tầng chứa nước được cấu tạo bởi các phần tử đất, cát, cuội sỏi có hình dạng và kích thước rất khác nhau nên hình dạng của các lỗ hổng mà dòng thấm chuyển động qua cũng muôn hình muôn vẻ Khi bơm nước, các loại tổn thất thủy lực xuất hiện cả trong và ngoài giếng đều tương đối lớn Với cả tầng chứa nước có áp và không áp, mối quan hệ Q = f(S) luôn luôn khác với lý thuyết Vì vậy khi tính toán ngưới ta thường sử dụng các công thức thực nghiệm

Công thức được sử dụng rộng rãi:

α, β- các hệ số được xác định theo số liệu bơm thi nghiệm

Mối quan hệ giữa S và Q có thể đưa được về dạng bậc nhất:

Trong một số trường hợp kết quả tính toán sẽ hợp lý hơn khi sử dụng công thức: