CƠ SỞ THỦY ĐỊA CƠ HỌC CƠ SỞ THỦY ĐỊA CƠ HỌC CHƢƠNG VII VẬN ĐỘNG KHÔNG ỔN ĐỊNH CỦA NƢỚC DƢỚI ĐẤT Vận động không ổn định của nước dưới đất phát sinh do điều kiện cung cấp và thoát nước thay đổi Sự tha[.]
CƠ SỞ THỦY ĐỊA CƠ HỌC CHƢƠNG VII VẬN ĐỘNG KHÔNG ỔN ĐỊNH CỦA NƢỚC DƢỚI ĐẤT Vận động không ổn định nước đất phát sinh điều kiện cung cấp thoát nước thay đổi Sự thay đổi điều kiện cung cấp thoát nước nước đất nguyên nhân tự nhiên nhân tạo Nhưng nguyên nhân tự nhiên mưa khơng diện tích cung cấp tầng chứa nước, dao động mực nước sông v.v… Những nguyên nhân nhân tạo bao gồm: hút nước từ lỗ khoan, mực nước sông dâng cao xây đập hồ chứa nước, tưới khu vực trồng trọt, tháo khô đầm lầy v.v… Vận động không ổn định nước đất biểu thay đổi mực nước, mực nước thay đổi làm cho gradien áp lực, tốc độ thấm lưu lượng dòng nước đất thay đổi theo thời gian Sau nghiên cứu vận động không ổn định nước đất tầng chứa nước vận động không ổn định nước đất đến lỗ khoan Phƣơng trình Buxinet (Boussinesq J) dịng phẳng chiều Phương trình Buxinet phương trình vi phân vận động khơng ổn định nước đất Phương trình chứng minh chương II có dạng sau H W H h x x k k t (VII.1) Khi tầng chứa nước nằm ngang áp lực H lấy chiều dầy tầng chứa nước h phương trình (VI-1) viết lại dạng sau h W h (VII.1a) h x x k k t Phương trình Buxinet phương trình vi phân phi tuyến tính (khơng đường thẳng), phương trình chưa có lời giải xác Để giải phương trình Buxinet người ta tiến hành đường thẳng hóa (tuyến tính hóa) cách đưa vào khái niệm “chiều dày trung bình” tầng chứa nước Sau nghiên cứu số phương pháp tuyến tính hóa phương trình Buxinet Phƣơng trình Buxinet (Boussinesq J) dòng phẳng chiều Phƣơng trình Buxinet Chiều dầy tầng chứa nước h đứng dấu ngoặc phần bên trái phương trình (VI-1a) thay chiều dày trung bình htb đưa ngồi dấu vi phân, phương trình (VI-1a) viết lại dạng sau h W h (VII.2) x T a t đây, hệ số truyền mực nước 2h h x a t khtb Khi Q = (VII.3) Phương trình (VI-3) tương tự phương trình Furie, phổ biến lý thuyết dẫn nhiệt; gọi hệ số truyền mực nước (hệ số dẫn mực nước) biểu diễn khả truyền thay đổi mực nước nước không áp Phƣơng trình Buxinet (Boussinesq J) dịng phẳng chiều Phương trình (VI-3) dùng để nghiên cứu vận động không ổn định nước đất với bề mặt áp lực Chúng ta nghiên cứu đặc điểm đường cong hạ thấp nước đất có bề mặt tự do, tầng chứa nước đồng nhất, dùng phương pháp tuyến tính hóa Buxinet Phƣơng trình Buxinet (Boussinesq J) dòng phẳng chiều Để thực mục đích đó, giả thiết vận động không ổn định chuyển thành vận động ổn định W = Trong trường hợp phương trình (VI-3) có dạng sau (VII.4) h 2h t 0; x 0 Giải phương trình tìm H = Ax + B (VII-5) Từ phương trình (VI-5) thấy tính tốn lấy chiều dầy tầng chứa nước chiều dầy trung bình, đường cong hạ thấp đường thẳng Để phù hợp với điều kiện tự nhiên nên dùng phương pháp khác để tuyến tính hóa phương trình Buxinet Phƣơng trình Buxinet (Boussinesq J) dòng phẳng chiều Phƣơng trình Bagrơv – Verigin Bagrơv N.A (1939) sau Verigin N.N đề nghị phương pháp khác để tuyến tính hóa phương trình Buxinet Nội dung phương pháp sau Trước tiên nhân hai vế phương trình (VI-1a) với h sau biến đổi nhận Dùng ký hiệu 2 h h Whtb 2 khtb x t h2 khtb Whtb U ;a ;b (VII-6) Phƣơng trình Buxinet (Boussinesq J) dòng phẳng chiều Phƣơng trình Bagrơv – Verigin Chúng ta viết lại phương trình (VI-6) dạng sau 2U U a b t x (VII-7) Chúng ta xem xét đường cong hạ thấp có dạng tuyến tính hóa phương trình Buxinet theo phương pháp Bagrôv – Verigin Cũng tương tự trường hợp trên, giả thiết vận động không ổn định chuyển thành vận động ổn định Khi vận động ổn định U , phương trình t (VI-7) có dạng 2U (VII-8) a x b 0 Phƣơng trình Buxinet (Boussinesq J) dịng phẳng chiều Phƣơng trình Bagrơv – Verigin Giải phương trình (VI-8), sau biến đổi, kết nhận h Wh (VII-9) x C D 2k I W k Đưa vào phương trình (V-9) ký hiệu ; B = 2C; E = 2D; từ phương trình (VI-9) nhận phương trình đường cong hạ thấp có dạng sau h2 = Ax2 + Bx + E (VII-10) Hàm số (VI-10) ham số hữu tỉ Từ lý thuyết hàm số rõ ràng A > đồ thị nhận đường hypecbon Còn A < đồ thị hàm số (VI-10) đường elip Vị trí số a W k nhỏ không, đồ thị hàm số (VI.10) có dạng đường elip, đặc trưng cho đường cong hạ thấp mực nước dịng nước ngầm miền hai sơng có nước ngấm từ xuống cung cấp a Phƣơng trình Buxinet (Boussinesq J) dịng phẳng chiều Phƣơng trình Bagrơv – Verigin Khi khơng có nước ngấm tứ xuống cung cấp (W = 0), phương trình đường cong hạ thấp mực nước có dạng h2 = Bx + E (VII-11) Phương trình đường cong hạ thấp (VI-11) đường parabon, tương tự đường cong hạ thấp mực nước hình thành nước khơng áp vận động ổn định với đáy cách nước nằm ngang Vì tuyến tính hóa phương trình Buxinet theo phương pháp Bagrơv Verigin gần với thực tế so với phương pháp Buxinet Sextacơv V.M (1961) tiến hành phân tích phương pháp tuyến tính hóa phương trình Buxinet đến kết luận: môi trường hai lớp, với hệ số thấm lớp lớp lớp khác nhiều, đường cong hạ thấp mực nước gần với đường thẳng, tuyến tính hóa phương trình Buxinet trường hợp hợp cho kết tốt Tác dụng lỗ khoan vận động khơng ổn định Nếu dịng điểm tác dụng liên tục, trị số hạ thấp mực nước nguyên tố dòng điểm làm việc gây theo cơng thức (VI-104) có dạng sau r *2 t (VI-115) qd e a (t ) dS d 4km t Bằng cách tích phân phương trình theo chu vi theo diện tích bố trí cơng trình thu nước nhận cơng thức tính tốn mực nước hạ thấp S sức cản thủy lực R Lời giải tương tự hệ thống suy rộng lỗ khoan tìm trực tiếp cách giải phương trình vi phân vận động khơng ổn định Tác dụng lỗ khoan vận động không ổn định Lưu lượng khơng đổi đơn vị diện tích chiều dài chu vi bố trí lỗ khoan Chính gọi hệ thống suy rộng lỗ khoan Chính gọi hệ thống suy rộng lỗ khoan “hệ thống dòng đường phân bố đều” “hệ thống dòng diện tích phân bố đều” Trị số mực nước hạ thấp hệ thống suy rộng lỗ khoan gây thực tế nhỏ mực nước hạ thấp lỗ khoan, khơng xét đến đới biến dạng lớn bề mặt hạ thấp gần lỗ khoan Nhưng dùng phương pháp sức cản thấm trị số hạ thấp mực nước bổ sung lỗ khoan xác định riêng Khi mực nước hạ thấp tồn phần lỗ khoan S biểu diễn tổng (VI-116) S S S LK đây, S - trị số mực nước hạ thấp tác dụng hệ thống suy rộng; SLK - trị số hạ thấp mực nước bổ sung lỗ khoan Tác dụng lỗ khoan vận động không ổn định Tương ứng, sức cản không thứ nguyên toàn phần R biểu diễn biểu thức sau (VI-117) R R RLK đây, trị số R - đặc trưng cho sức cản bên ngoài; phụ thuộc vào kích thước khu vực bố trí lỗ khoan tác dụng lẫn nhau, điều kiện biên giới tầng chứa nước, hệ số truyền áp, thời gian hút nước từ lỗ khoan Trị số RLK sức cản bổ sung, phụ thuộc vào bố trí lỗ khoan hệ thống; gọi sức cản bên Dưới đây, dẫn số kết toán hệ thống suy rộng lỗ khoan tầng chứa nước vô hạn tầng chứa nước hữu hạn Tác dụng lỗ khoan vận động không ổn định Tầng chứa nƣớc vô hạn Mực nước hạ thấp lỗ khoan trung tâm hệ thống xác định theo cơng thức (VI-116), S xác định sau Qt Rd (VI-118) S 4km ln R0 đây, Qt - tổng lưu lượng lỗ khoan; Rd – bán kính cung cấp dẫn dùng; R0 – bán kính “giếng khoan” Rd 1,5 at Trị số bán kính cung cấp dẫn dùng tính theo cơng thức sau Bán kính giếng lớn phụ thuộc vào hệ thống bố trí lỗ khoan, xác định theo công thức sau Bôtsever R0 0,2l dãy đường thẳng R0 0,1p hệ thống diện tích R0 R hệ thống vòng tròn Tác dụng lỗ khoan vận động không ổn định (trong công thức l - chiều dài dãy lỗ khoan; p – chu vi diện tích bố trí lỗ khoan hệ thống diện tích; R – bán kính vịng trịn lỗ khoan bố trí theo hệ thống vịng) Thường tính tốn S theo cơng thức (VI-118) at 2,5 - dãy đường thẳng R0 at 4 R0 - hệ thống diện tích at 3,5 R02 - hệ thống vòng tròn Trong trường hợp nhỏ trị số nói trên, việc tính tốn trị số mực nước hạ thấp nên tiến hành theo đồ thị Botsever (1963) Tác dụng lỗ khoan vận động không ổn định Trị số hạ thấp mực nước bổ sung SLK xác định theo công thức sau Q R (VI-119) S LK ln 2km r0 đây, R- bán kính dẫn dùng miền ảnh hưởng lỗ khoan xác định theo công thức hệ thống đường thẳng hệ thống vòng R 2 tròn; F R , 47 hệ thống diện tích, - khoảng cách lỗ khoan; F- diện tích bố trí lỗ khoan (hình VI.10a) Tác dụng lỗ khoan vận động không ổn định Các tầng chứa nƣớc hữu hạn Trị số mực nước hạ thấp tầng chứa nước bán vô hạn tầng chứa nước giới hạn ranh giới (song song cắt nhau) xác định theo cơng thức (VI.116) Trong biểu thức S thay đổi Trị số S xác định theo công thức sau Tầng chứa nước với chu vi cung cấp nước đường thẳng (hình VI.10b) Q z0 S ln (VI-120) 2km R0 Tầng chứa nước bán vô hạn với chu vi khơng thấm nước đường thẳng (hình VI.10c) Q 1,13at (VI-121) S ln 2km R0 Tác dụng lỗ khoan vận động không ổn định Tầng chứa nước với hai ranh giới thấm nước song song (hình VI.10d) S Q ln 2km 0,64 z sin z1 z (VI-122) R0 Tầng chứa nuớc với hai ranh giới không thấm nước song song (hình VI.10c) Q 7.1 at 0,16 z S ln ln z 2km z R0 sin z2 (VI-123) Hình VI.10 Sơ đồ bố trí cơng trình thu nước điều kiện khác Tác dụng lỗ khoan vận động không ổn định Tầng chứa nước giới hạn hai ranh giới: ranh giới khơng thấm nước, cịn ranh giới ranh giới cấp nước (hình VI.10g) S Q ln 2km 1,27 zctg z1 2z (VI-124) Tầng chứa nước giới hạn hai ranh giới cung cấp nước cắt (hình Vi.10h) (VI-125) Q 1 S 2km R0 ln R0 3 Hình VI.10 Sơ đồ bố trí cơng trình thu nước điều kiện khác Tác dụng lỗ khoan vận động không ổn định Tầng chứa nước giới hạn hai chu vi không thấm nước cắt (hình VI.10i) S Q ln km 2,25at R0 1 2 3 (VI-126) Tầng chứa nước giới hạn hai ranh giới cắt nhau, ranh giới cung cấp nước ranh giới không thấm nước (hình VI.10k) Q 13 (VI-127) S ln 2km R0 2 Hình VI.10 Sơ đồ bố trí cơng trình thu nước điều kiện khác Tác dụng lỗ khoan vận động không ổn định Các giá trị 1, 2, 3 xác định theo công thức sau 1 = 2z1 2 = 2z2 (VI-128) 3 2 z1 2 2 z2 2 Tầng chứa nước với chu vi cung cấp hình trịn (hình VI.10m) Q RK (VI-129) S ln 2km R0 Hình VI.10 Sơ đồ bố trí cơng trình thu nước điều kiện khác Tác dụng lỗ khoan vận động không ổn định 10 Tầng chứa nước với chu vi khơng thấm nước vịng trịn (hình VI.10n) Q Rk 2at ln S 0,75 (VI-130) 2km R0 RK Khi t lớn cơng thức biến đổi sau Q 2at (VI-131) S 2km RK2 Hình VI.10 Sơ đồ bố trí cơng trình thu nước điều kiện khác Tác dụng lỗ khoan vận động không ổn định Tất công thức nêu tầng chứa nước hữu hạn áp dụng lỗ khoan rìa hệ thống cách ranh giới gần tầng chứa nước đoạn lớn 2,5 R0 - hệ thống đường thẳng; lớn R0 - hệ thống vòng; lớn 1,6 R0 - hệ thống diện tích; Hình VI.10 Sơ đồ bố trí cơng trình thu nước điều kiện khác Tác dụng lỗ khoan vận động không ổn định Ngồi ra, nên ý cơng thức (VI-120) – (VI-127) sau khoảng thời gian tính từ bắt đầu hút nước; thời gian xác định cơng thức sau 2 t > 2,5 a = 2z0 – tầng chứa nước bán vô hạn; = 2(z0 +z) – tầng chứa nước giới hạn hai ranh giới song song = 3 – tầng chứa nước giới hạn hai ranh giới cắt nhau; đây, 3 xác định theo công thức (VI-128) HẾT CHƢƠNG VII