CƠ SỞ THỦY ĐỊA CƠ HỌC CƠ SỞ THỦY ĐỊA CƠ HỌC CHƢƠNG VI VẬN ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA NDĐ ĐẾN CÁC CÔNG TRÌNH LẤY NƢỚC 2 Để lấy nước từ các tầng chứa nước hoặc ép nước vào các tầng chứa nước, người ta thường dù[.]
CƠ SỞ THỦY ĐỊA CƠ HỌC CHƢƠNG VI VẬN ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA NDĐ ĐẾN CÁC CƠNG TRÌNH LẤY NƢỚC Để lấy nước từ tầng chứa nước ép nước vào tầng chứa nước, người ta thường dùng cơng trình tập trung nước thẳng đứng nằm ngang Nhưng cơng trình tập trung nước thẳng đứng gồm lỗ khoan, giếng thăm dò…; cơng trình lấy nước nằm ngang gồm kênh thoát nước, hành lang dẫn nước v.v… Theo mức độ xuyên qua tầng chứa nước, người ta chia cơng trình tập trung nước hồn chỉnh khơng hồn chỉnh Các cơng trình tập trung nước đào xun qua toàn chiều dày tầng chứa nước gọi cơng trình hồn chỉnh, cịn cơng trình đào qua phần tầng chứa nước gọi cơng trình khơng hồn chỉnh Nước đất chảy vào lỗ khoan qua phần tiếp nhận nước – địa chất thủy văn thường gọi ống lọc Đặc điểm vận động nước đất đến công trình tập trung phụ thuộc nhiều vào cách bố trí ống lọc lỗ khoan Vận động ổn định nƣớc dƣới đất đến lỗ khoan hoàn chỉnh Khi hút nước từ lỗ khoan hoàn chỉnh, bề mặt áp lực bề mặt tự gần lỗ khoan có dạng hình phễu (hình phễu hạ thấp) Chúng ta nghiên cứu qui luật hình thành hình phễu hạ thấp tầng chứa nước áp lực có chiều dày khơng đổi, khơng có dịng chảy tự nhiên; dịng chảy gần lỗ khoan dòng hội tụ phẳng Trong dòng hội tụ phẳng, bình diện đường dịng hội tụ (hình V.1) Cịn mặt đẳng áp mặt trụ có tâm nằm trục lỗ khoan (trên bình diện tích Hình V.1 Sơ đồ phễu mặt đẳng áp hình trịn đồng tâm) Khoảng cách từ trục lỗ khoan đến điểm hạ thấp hút từ LK a b- dòng áp lực đường cong hạ thấp trùng với mực nước tĩnh mặt cắt bình đồ gọi bán kính ảnh hưởng R Vận động ổn định nƣớc dƣới đất đến lỗ khoan hoàn chỉnh Theo định luật Đacxi lưu lượng qua tiết diện biểu diễn dạng tổng quát sau Q = kFI (V-1) Khi hút nước từ lỗ khoan hồn tồn chỉnh diện tích tiết diện F dòng nước đất đến lỗ khoan diện tích xung quanh hình trụ bán kính r chiều cao chiều dày tầng chứa nước Đối với nước áp lực (hình V.1a) F = 2mr (V-2) Đối với nước khơng áp (hình V.1c) F = 2rh (V-3) Gradien áp lực (V-1) xác định biểu thức ; dH I dr Hình V.1 Sơ đồ phễu hạ thấp hút từ LK a b- dòng áp lực mặt cắt bình đồ; c- dịng khơng áp Vận động ổn định nƣớc dƣới đất đến lỗ khoan hoàn chỉnh cơng thức (V-1) viết lại dạng sau nước áp lực (V-4) dH dH Q 2kmr dr 2rT Đối với nước không áp dr dh d h2 / Q 2rkh 2rk dr dr (V-5) Từ công thức (V-4) (V-5) thấy rằng, để chuyển từ công thức (V-4) đến công thức (V-5) nên tiến hành thay sau h T k, H (V-6) Hình V.1 Sơ đồ phễu hạ thấp hút từ LK a b- dòng áp lực mặt cắt bình đồ; c- dịng khơng áp Vận động ổn định nƣớc dƣới đất đến lỗ khoan hoàn chỉnh Trên sở lập cơng thức dịng nước áp lực (T không đổi), để nhận công thức dịng nước có mặt thống tự dùng quan hệ (V6) Tách biến số tích phân phương trình (V-4) với cận tích phân r r1 ÷ r2 H H1 ÷ H2, kết nhận Q r2 (V-7) H H1 2r ln r1 Đặc biệt, r1 = r0 (r0 – bán kính lỗ khoan), H1 = H0 (H0 – áp lực vách lỗ khoan) r2 = R (R – bán kính ảnh hưởng bán kính cung cấp), H2 = H có : Hình V.1 Sơ đồ phễu hạ thấp hút từ LK a b- dòng áp lực mặt cắt bình đồ; c- dịng khơng áp Vận động ổn định nƣớc dƣới đất đến lỗ khoan hoàn chỉnh Q R H H0 ln 2T r0 Q R S0 ln 2T r0 (V-8) (V-9) Đối với dịng nước khơng áp có đáy cách nước nằm ngang (hình V.1c) phương trình dịng phẳng hội tụ nhận từ phương trình dòng áp lực nhờ quan hệ (V-6) với H0 = 0,5h2, T thay k Kết Q R 2 (V-10) h h ln k r0 Hình V.1 Sơ đồ phễu hạ thấp hút từ LK a b- dịng áp lực mặt cắt bình đồ; c- dịng khơng áp Vận động ổn định nƣớc dƣới đất đến lỗ khoan hoàn chỉnh Biến đổi (V-10) theo trị số mực nước hạ thấp lỗ khoan hút nước Q R (V-11) 2h S S ln k r0 Bằng cách tương tự nhận công thức trường hợp có lỗ khoan quan sát hai lỗ khoan quan sát hút nước từ lỗ khoan bố trí tầng chứa nước khơng áp Hình V.1 Sơ đồ phễu Khi có lỗ khoan quan sát hạ thấp hút từ LK (V-12) Q r1 a b- dòng áp lực 2 h1 h0 k ln r0 mặt cắt bình đồ; c- dịng không áp Vận động ổn định nƣớc dƣới đất đến lỗ khoan hoàn chỉnh Khi có hai lỗ khoan quan sát Q r2 h h ln k r1 2 (V-13) Khi nghiên cứu vận động nước đất đến lỗ khoan, ngồi khái niệm lưu Hình V.1 Sơ đồ phễu lượng, xác định theo công thức (V- hạ thấp hút từ LK 7) – (V-13), người ta đưa khái niệm tỉ c- dịng khơng áp (1Mực nƣớc tĩnh; 2- Mặt lưu lượng q Tỉ lưu lượng q lỗ khoan áp lực mặt tự do; 3lưu lượng mực nước hạ thấp S đơn Mặt tự dịng khơng áp (theo pt vị Q q (l / s.m) s Duypuy) Vận động ổn định nƣớc dƣới đất đến lỗ khoan hoàn chỉnh Phân tích cơng thức (V-10) chúng, ta thấy hút nước từ tầng chứa nước không áp lực hút nước mạnh mực nước lỗ khoan hoàn chỉnh hạ xuống gần đến đáy h0 = (S = h) Bằng thực tế nghiên cứu phịng thí nghiệm chứng tỏ hút nước mạnh mực nước lỗ khoan đạt đến đáy, mực nước vách lỗ khoan đạt đến đáy mà Hình V.1 Sơ đồ phễu vị trí tạo thành bước nhảy h hạ thấp hút từ LK (xem hình V.1c) c- dịng khơng áp (1Mực nƣớc tĩnh; 2- Mặt Nhiều tài liệu quan sát xác nhận - hút nước với mực nước hạ thấp nhỏ mực áp lực mặt tự do; 3Mặt tự dòng nước vách lỗ khoan lỗ khoan coi khơng áp (theo pt trùng nhau; cịn hút nước mạnh, mực Duypuy) nước hạ thấp hơn, mực nước lỗ khoan luôn hạ thấp so với mực nước vách lỗ khoan 10 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Ranh giới không thấm nƣớc R ln ' Q r0 R2 Q ln 2lr0 Khi tính tốn lấy R = 10 km, r0 = 10cm Ảnh hưởng ranh giới không thấm nước đường thẳng đến lưu lượng lỗ khoan Bảng V-3 l,m 10 50 100 1000 Q’/Q (V-86) 64,8 71,4 74,6 92,6 Từ bảng V-3 thấy tăng khoảng cách từ lỗ khoan đến ranh giới không thấm nước lưu lượng lỗ khoan tăng Hình V.19 Lỗ khoan tầng chứa nƣớc bán vơ hạn với ranh giới không thấm nƣớc đƣờng thẳng 114 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Tầng chứa nƣớc hình nêm Giả thiết có lỗ khoan hút nước nằm đường phân giác tầng chứa nước giới hạn khơng thấm nước tạo thành góc (hình V.20) Trường thấm tầng chứa nước hình nêm tương tự trường thấm hai đường trung tính hệ thống lỗ khoan bố trí chu vi Hình V.20 Lỗ khoan vịng trịn (hình V.15) với số lượng lỗ tầng chứa nƣớc có dạng hình khoan 2 n a nêm R Giá trị sánh lưu lượng lỗ khoan bố trí ln ' r0 tầng chứa nước có dạng hình nêm với lưu lượng Q lỗ khoan hút nước điều kiện Rn Q ln n 1 khác, tầng chứa nước vô hạn, chúng na r0 ta dùng công thức sau (V-97) 115 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Tầng chứa nƣớc hình nêm Giá trị Q’/Q, tính theo cơng thức (V-97) ứng với trường hợp = 1200 = 600 giá trị a khác Kết tính tốn ghi bảng V-4; tính tốn giá trị R r0 lấy thí dụ Bảng V-4 Khoảng cách (m) Q’/Q2 % Khi = 1200 Khi = 600 10 47,6 24,8 100 58,9 35,2 1000 76,4 - Hình V.20 Lỗ khoan tầng chứa nƣớc có dạng hình nêm 116 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Hình V.21 Tầng chứa nƣớc dạng dải với ranh giới không thấm nƣớc 1, 2, 3, 4, 5, – lỗ khoan ảnh Tầng chứa nƣớc dạng dải (hình V.21) Phương trình nghiên cứu vận động nước đến lỗ khoan tầng chứa nước dạng dải có ranh giới không thấm nước dựa sở phân tích lưới thủy động lực dịng thấm đến dãy dài vô hạn lỗ khoan tác dụng lẫn Trường thấm lớp dạng dải lỗ khoan hút nước tương đương với trường thấm hai đường trung bình gần dãy vơ hạn lỗ khoan đồng thời hút nước (hình V.17) 117 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Hình V.21 Tầng chứa nƣớc dạng dải với ranh giới không thấm nƣớc 1, 2, 3, 4, 5, – lỗ khoan ảnh Tầng chứa nƣớc dạng dải (hình V.21) Để tính ảnh hưởng ranh giới (I II) đến lỗ khoan đưa vào lỗ khoan ảo ảnh chiếu đối xứng lỗ khoan thật ranh giới lỗ khoan ảo bị ảnh hưởng ranh giới: lỗ khoan bị ảnh hưởng ranh giới II, lỗ khoan – ranh giới Để thay ảnh hưởng đưa vào lỗ khoan ảo bổ sung 4, ảnh hưởng lỗ khoan ranh giới I lỗ khoan ranh giới II Như hệ thống nhận lỗ khoan không đối xứng ranh giới, lỗ khoan phá huỷ tính đối xứng với ranh giới I, cịn lỗ khoan phá hủy đối xứng ranh giới II 118 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Hình V.21 Tầng chứa nƣớc dạng dải với ranh giới không thấm nƣớc 1, 2, 3, 4, 5, – lỗ khoan ảnh Tầng chứa nƣớc dạng dải (hình V.21) Do đó, lại đưa vào lỗ khoan ảnh lỗ khoãn ranh giới I II Chúng ta thấy đối xứng ranh giới tầng chứa nước Vì vậy, để giải toán cần tiết tục chiếu lỗ khoan ảo vô lần Các lỗ khoan ảo phía ranh giới I cách lỗ khoan thật cách khoảng 2L1, 2L2,…; phía ranh giới II - 2L2, 2L1,… Kết quả, toán vận động nước đất đến lỗ khoan tầng chứa nước dạng dải dẫn đến toán vận động nước tầng chứa nước vô hạn đến dãy lỗ khoan dài vô hạn 119 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Hình V.21 Tầng chứa nƣớc dạng dải với ranh giới không thấm nƣớc 1, 2, 3, 4, 5, – lỗ khoan ảnh Tầng chứa nƣớc dạng dải (hình V.21) Bằng cách tương tự nghiên cứu vận động nước đất đến lỗ khoan tầng chứa nước phức tạp có biên giới cách nước thấm nước với áp lực không đổi 120 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Vận động nƣớc dƣới đất đến cơng trình lấy nƣớc nằm ngang Để tiến hành hạ thấp mực nước khu vực xây dựng để tháo khô đầm lầy,… người ta thường bố trí cơng trình thu nước nằm ngang Sau nghiên cứu số trường hợp thường gặp 5.1 Kênh thoát nƣớc bố trí dọc theo sơng (hình V.22) Khi giải toán cho trước xây dựng kênh nước có dịng tự nhiên với lưu lượng đơn vị q0 không thay đổi sau xây dựng kênh nước Dịng nước đất chảy đến kênh thoát nước chia làm hai đới: đới thứ sơng kênh nước đới thứ hai kênh thoát nước chu vi cung cấp cần phía (với lưu lượng dòng chảy q0); đới dòng chảy có dạng dịng chiều 121 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Vận động nƣớc dƣới đất đến công trình lấy nƣớc nằm ngang Lưu lượng đơn vị q1 dịng từ chu vi cung cấp (sơng) chảy đến kênh thoát nước là: H H0 q1 T L (V-98) Còn đới II, từ ranh giới trên, có lưu lượng dịng tự nhiên qe Hình V.22 Kênh dẫn nước bố trí song song với dịng anước áp lực; b- nước không áp; mực thủy tĩnh; đường cong hạ thấp kênh thoát nước làm việc; đường cong hạ thấp dãy lỗ khoan 122 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Vận động nƣớc dƣới đất đến cơng trình lấy nƣớc nằm ngang Phương trình cân nước kênh có dạng T (H H q q1 qe qe (V-99) L Tương tự, dịng nước khơng áp phương trình (V-99) có dạng sau: h h02 qk qe 2L (V-100) Hình V.22 Kênh dẫn nước bố trí song song với dịng anước áp lực; b- nước khơng áp; mực thủy tĩnh; đường cong hạ thấp kênh thoát nước làm việc; đường cong hạ thấp dãy lỗ khoan 123 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Vận động nƣớc dƣới đất đến cơng trình lấy nƣớc nằm ngang 5.2 Hệ thống kênh thoát nƣớc đồng thời làm việc (hình V.23) Khi hệ thống kênh nước làm việc có nước mưa thấm xuống cung cấp, dòng nước chảy đến mét chiều dài kênh nước hồn chỉnh q = WL (V-101) Đường cong hạ thấp mực nước khu vực hai kênh có dạng Hình V.23 Hệ thống kênh thoát nước a (V-102) W 2 y h k ( L x) x kênh nước hồn chỉnh; b- kênh nước khơng hồn chỉnh 124 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Vận động nƣớc dƣới đất đến cơng trình lấy nƣớc nằm ngang 5.2 Hệ thống kênh thoát nƣớc đồng thời làm việc (hình V.23) L Mực nước ngầm cao vị trí x (x = vị trí đỉnh phân thủy) W W L ha2 h a h k k (V-103) Khi chiều dày cột nước kênh khơng lớn, cơng thức (V-103) có dạng (V-104) W L2 h2 k Hình V.23 Hệ thống kênh nước akênh nước hồn chỉnh; b- kênh nước khơng hồn chỉnh 125 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Vận động nƣớc dƣới đất đến công trình lấy nƣớc nằm ngang 5.2 Hệ thống kênh nƣớc đồng thời làm việc (hình V.23) Nếu biết mực nước hạ thấp Sa khoảng cách hai kênh nước xác định theo cơng thức (V-105) k L 2( H S n ) W Dịng nước chảy đến kênh nước khơng hồn chỉnh chiều dày tầng chứa nước Hình V.23 Hệ thống kênh nước arất lớn xác định theo cơng thức (Vkênh nước hồn 101) chỉnh; b- kênh nước khơng hồn chỉnh 126 Ảnh hƣởng ranh giới đến làm việc lỗ khoan Vận động nƣớc dƣới đất đến cơng trình lấy nƣớc nằm ngang 5.2 Hệ thống kênh thoát nƣớc đồng thời làm việc (hình V.23) Khoảng cách kênh khơng hồn chỉnh tiết diện trịn (hình V.23b) xác định theo công thức WL L L ln ln r W r akH (V-106) 2 2H a L Hình V.23 Hệ thống kênh nước akênh nước hồn chỉnh; b- kênh nước khơng hoàn chỉnh 127 HẾT CHƢƠNG VI 128