Hút nước thí nghiệm để xác định các thông số địa chất thủy văn cho kết quả tin cậy và đ−ợc sử dụng rộng rãi nhất trong điều tra cung cấp n−ớc. Tuỳ theo cách bố trí thí nghiệm ng−ời ta chia ra các loại hút n−ớc thí nghiệm khác nhau.
∗ Hút đơn: Đây là phương pháp hút nước thí nghiệm từ một lỗ khoan đơn độc.
Phương pháp này có độ chính xác không cao do xác định bán kính ảnh hưởng và trị số hạ thấp mực n−ớc không chính xác.
∗ Hút chùm: Để xác định quan hệ thủy lực giữa các tầng chứa nước, có thể tiến hành hút n−ớc thí nghiệm ở chùm các hố khoan, gồm một hố khoan hút n−ớc gọi là hố khoan trung tâm và quan sát sự dao động mực nước ở các hố khoan quan sát. Các hố khoan quan sát đ−ợc bố trí khoan vào các tầng chứa n−ớc khác nhau theo các tia vuông góc với nhau qua hố khoan trung tâm (mỗi tia th−ờng có từ 2- 3 hố khoan quan sát) trong phạm vi bán kính ảnh h−ởng. Các hố khoan quan sát th−ờng khoan với đ−ờng kính nhỏ hơn. Quan trắc trong tầng nào thì bố trí ống lọc ở tầng đó và phải cách ly với tầng chứa n−ớc khác. Khoảng cách giữa hố khoan quan trắc và hố khoan trung tâm có thể dao động tùy thuộc vào đặc điểm thủy lực của tầng chứa nước.
Phương pháp hút chùm có độ chính xác cao và tin cậy do có kết quả đo mực nước ở các lỗ khoan quan trắc.
∗ Hút nhóm: Phương pháp hút nước đồng thời từ một số hố khoan có ảnh hưởng qua lại với nhau (nhóm hố khoan giao thoa). Ph−ơng pháp hút nhóm chủ yếu đ−ợc sử dụng khi điều tra cung cấp nước để xác định hệ số ảnh hưởng hoặc hệ số giảm lưu l−ợng do tác dụng giao thoa của các lỗ khoan gây nên. Tuỳ theo mục đích thí nghiệm trong quá trình điều tra cung cấp n−ớc, ng−ời ta lại chia ra: Hút thử; hút thí nghiệm và hút khai thác thử.
2.10.2. Thí nghiệm đổ nước, ép nước
Khi thiết kế xây dựng nhiều công trình, đòi hỏi phải xác định tính thấm của đất
đá, chiều dày đới thấm để từ đó đánh giá mức độ thấm nước qua môi trường đất đá.
Dựa vào các thông số địa chất thuỷ văn có thể tính toán ổn định lún theo thời gian, xác
định lượng nước ngầm chảy vào hố móng, công trình ngầm hay các công trường khai thác, …. Đặc biệt, khi thiết kế các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, việc xác định các thông số địa chất thuỷ văn là không thể thiếu. Từ các thông số như lưu lượng hấp thụ
đơn vị, hệ số thấm, … cho phép đánh giá mức độ nứt nẻ của đất đá và tính toán l−ợng thấm mất nước từ hồ chứa sang thung lũng sông bên cạnh hay thấm qua đáy và vai đập.
1. Đổ nước trong hố đào
Thí nghiệm đổ nước trong hố đào nhằm mục đích xác định hệ số thấm của đất đá
tầng phủ. Thí nghiệm này thường được thực hiện ở độ sâu nhỏ.
Thí nghiệm đổ nước trong hố đào thường được áp dụng khi khảo sát địa chất công trình cho thiết kế các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, các công trình ngầm , khai thác mỏ hoặc trong các trường hợp cần có các thông số địa chất thuỷ văn tin cậy để tính lún theo thời gian phục vụ cho các giải pháp địa kỹ thuật.
Hiện nay, thí nghiệm đổ nước trong hố đào có thể được tiến hành theo 2 phương pháp phổ biến là ph−ơng pháp A.K.Bônđ−rev và N.X. Nexterôv.
49 a. Ph−ơng pháp A.K. Bônđ−rev
Sơ đồ thí nghiệm đổ nước theo phương pháp A.K.Bônđưrev như hình 16 1- Thùng đựng nước
2- Van khoá vòi n−ớc 3- èng dÉn n−íc 4- Th−íc ®o mùc n−íc 5- Hố thí nghiệm
- Thùng đựng nước có dung tích khoảng 50l, được sử dụng để cấp nước khi tiến hành thí nghiệm.
- ống dẫn nước được làm bằng cao su đưa nước từ thùng đựng nước tới hố thí nghiệm. L−ợng n−ớc cấp khi thí nghiệm đ−ợc điều tiết bằng van.
- Hố thí nghiệm đào ở đáy hố đào. Mực nước ổn định trong hố thí nghiệm được đo bằng thước đo đặt sẵn trong hố.
Để tiến hành thí nghiệm, cần đào hố có kích thước 1,0x1,5m đến độ sâu thí nghiệm. Tại đáy hố, đào một hố nhỏ đường kính 40- 50cm, sâu 15- 20cm. Lắp đặt thiết bị như sơ đồ thí nghiệm. Thí nghiệm được tiến hành bằng cách mở vòi (2) cho nước chảy vào hố nhỏ đến độ cao cột nước 10cm. Dựng đồng hồ bấm để theo dừi thời gian
đổ nước thí nghiệm. Khi đổ nước, luôn giữ cho mực nước thí nghiệm không đổi. Xác
định lưu lượng nước đổ trong khoảng thời gian 1’, 5’ hay 10’ một lần, tuỳ theo tốc độ thấm của nước cho đến khi lưu lượng nước tiêu hao ổn định trong quá trình thí nghiệm.
Hệ số thấm của đất xác định theo công thức định luật Đacxi:
k = FI Q
. (43) Trong đó: Q- lưu lượng nước thấm khi lượng nước tiêu hao ổn định trong quá
trình thí nghiệm, xác định trên đồ thị Q = f(t);
F- diện tích tiết diện đáy hố thí nghiệm;
I- građian áp lực của dòng thấm (bằng tỷ số giữa chênh lệch áp lực thấm với chiều dài đ−ờng thấm).
Ưu điểm của phương pháp thí nghiệm này là đơn giản, dễ thực hiện. Nhược điểm là thời gian thí nghiệm kéo dài (đối với đất cát mịn và cát pha, thời gian thí nghiệm thường từ 5 đến 10 giờ, còn đối với các loại đất như sét, sét pha, thời gian thí nghiệm còn lâu hơn, có thể tới vài ngày), kết quả thí nghiệm kém chính xác do dòng thấm có khả năng thấm loang ra xung quanh.
Phương pháp thí nghiệm A.K.Bônđưrev thường được sử dụng trong đất đồng nhất có chiều dày lớn từ 4 đến 6m, mực nước ngầm nằm sâu hơn 5m.
b. Ph−ơng pháp N.X. Nexterôv
Sơ đồ thí nghiệm đổ nước theo phương pháp N.X. Nexterôv như hình 17 Hình 16: Sơ đồ thí nghiệm đổ nước
trong hố đào theo phương pháp Bônđưev
1 2
3 4
5
50
1- Bình đổ nước Mariôt 2- Vòng kim loại ngoài 3- Vòng kim loại trong 4- Th−ớc đo n−ớc trong bình 5- Giá đỡ bình Mariôt
Khi thí nghiệm, đào hố có kích thước 1,0x1,5m đến độ sâu lớp đất cần thí nghiệm.
Đóng 2 vòng kim loại có đường kính khác nhau xuống đáy hố đào theo vị trí đồng tâm (vòng ngoài có đ−ờng kính 500mm, cao 250mm, vòng trong có đ−ờng kính 250mm, cao 200mm). Tiến hành thí nghiệm bằng cách dùng 2 bình nước đổ (bình Mariôt) vào trong và giữa 2 vòng kim loại với mực n−ớc khống chế trong thời gian thí nghiệm là 10cm. Xác định lưu lượng nước tiêu hao trong các thời gian khác nhau, tuỳ theo loại
đất đá như phương pháp A.K.Bônđưrev.
Sau khi lượng nước tiêu hao ổn định, đo lượng nước thấm trong khoảng thời gian theo dừi, ta xỏc định được lưu lượng nước thấm ổn định.
Kết thúc thí nghiệm, từ các số liệu thu đ−ợc, vẽ đồ thị quan hệ Q = f(t). Hệ số thấm k đ−ợc xác định theo công thức định luật Đacxi:
) (
. l h F
l k Q
= + (44) Trong đó: Q- lưu lượng nước thấm khi lượng nước tiêu hao ổn định trong quá
trình thí nghiệm, xác định trên đồ thị Q = f(t);
F- diện tích vòng tiết diện vòng trong;
l- chiều dày đới thấm (chiều dài thấm) trong đất;
h- chiều cao cột n−ớc thí nghiệm, h = 10cm.
Có thể xác định chiều dày đới thấm nh− sau: Sau khi kết thúc thí nghiệm, chờ nước trong vòng kim loại thấm hết hay múc nước bớt đi, khoan hay đào vào giữa đáy vòng thí nghiệm để lấy mẫu đất xác định độ ẩm, xác định chiều dày đới thấm nước, khoảng cách lấy các mẫu đất 15 cm. Thời gian lấy mẫu không quá 5 phút đối với đất loại cát, và 15 phút đối với đất loại sét kể từ khi ngừng thí nghiệm.
Vì thời gian đổ nước khá lâu nên chiều dài thấm l lớn, l >> h, do đó l/(h+l) ≈ 1.
Nh− vậy, có thể xác định hệ số thấm với công thức đơn giản: k = Q/F. (45) Ph−ơng pháp N.X.Nexterôv có −u điểm là khắc phục đ−ợc hiện t−ợng thấm loang của phương pháp A.K.Bônđưrôv, kết quả thí nghiệm có độ chính xác cao. Nhược điểm của phương pháp này là lắp đặt thiết bị phức tạp, phải khoan xác định chiều sâu thấm, thời gian thí nghiệm kéo dài. Tuy nhiên, đây vẫn là ph−ơng pháp đ−ợc sử dụng khá
rộng rãi để xác định hệ số thấm trong các loại đất đá của tầng phủ.
2. Đổ n−ớc trong hố khoan
Trong trường hợp cần xác định hệ số thấm của đất đá (đặc biệt là đất rời) ở dưới sâu khi khảo sát địa chất công trình, có thể tiến hành đổ nước trong hố khoan.
Hình 17: Sơ đồ thí nghiệm đổ nước trong hố đào theo phương pháp N.X. Nexterôv
1 1
3 2
5 4
51
∗ Trường hợp đất đá không có nước: Sơ đồ thí nghiệm như hình 18.
hc- Cét n−íc trong hè khoan l- Chiều dài ống lọc
z- Khoảng cách tới tầng cách n−ớc Yêu cầu z > hc, l > hc
Thí nghiệm thường được thực hiện theo sơ đồ của Nasberg trong hố khoan không hoàn chỉnh. Thí nghiệm ở điều kiện thấm không áp nên trong quá trình đổ nước, mực n−ớc luôn đ−ợc khống chế trong phạm vi ống lọc.
Khi thí nghiệm xác định lượng nước tiêu hao theo thời gian và lượng nước thấm ổn định. Điều kiện thí nghiệm phải thoả mãn:
12,5 <
c c
r h < 50
Trong đó: rc - bán kính ống lọc, khi rc = 50 ữ 100mm thì hc = 5 ữ 10m;
hc- cét n−íc trong hè khoan.
Hệ số thấm đ−ợc xác định theo công thức:
k = 0,423
c c
c r
h h Q 2
lg (46) ∗ Trường hợp đất đá có nước: Sơ đồ thí nghiệm như hình 19
1- Thùng đựng nước
2- Van điều chỉnh lưu lượng 3- Vật đối trọng của phao
4- Máng hứng n−ớc vào hố khoan 5- Phao ®o mùc n−íc
6- Mực n−ớc tĩnh
Thí nghiệm đổ nước hố khoan trong điều kiện đất đá có nước được thực hiện như
sơ đồ hình 2.15. Trong quá trình đổ nước, mực nước trong hố khoan luôn được giữ ổn
định, khụng đổi, theo dừi lượng nước tiờu hao theo thời gian và xỏc định lượng nước tiêu hao ổn định.
Hệ số thấm của đất được xác định theo công thức hút nước thí nghiệm bằng cách thay trị số hạ thấp mực n−ớc bằng trị số dâng cao mực n−ớc.
áp dụng công thức tính hệ số thấm theo công thức vận động ổn định trong hố Hình 18: Sơ đồ thí nghiệm đổ nước hố
khoan trong đất đá không có nước
z l hc
Hình 19: Sơ đồ thí nghiệm
đổ nước hố khoan trong đất đá có nước
1 2 3
4
5 hc H
R
6
52
khoan đối với trường hợp nước không áp theo Đuypi:
k =
o
o r
R H
h
Q .lg ) (
. 733 , 0
2
2 − (47) Trong đó: k- hệ số thấm của đất đá (m/ng);
ho- chiều cao mực n−ớc thí nghiệm (m);
H- chiều cao mực n−ớc tĩnh (m);
ro- bán kính hố khoan thí nghiệm (m);
Q- lưu lượng nước ổn định khi thí nghiệm (m3/ngđ);
R- bán kính ảnh h−ởng (m).
Có thể xác định bán kính ảnh hưởng theo nhiều cách khác nhau. Để tiện sử dụng hơn cả, trong trường hợp thí nghiệm có thể xác định bán kính ảnh hưởng theo công thức kinh nghiệm.
3. Ðp n−íc trong hè khoan
Mục đích của thí nghiệm ép nước trong hố khoan nhằm xác định tính thấm, khả
năng hấp thụ nước của đất đá, từ đó đánh giá mức độ nứt nẻ hay cactơ hoá của đá.
Thí nghiệm ép nước trong hố khoan thường tiến hành trong đá gốc nứt nẻ, có chứa hoặc không chứa n−ớc. Kết quả thí nghiệm ép n−ớc trong các hố khoan đ−ợc bố trí theo tuyến hay diện cho phộp hiểu rừ đặc trưng thấm nước, mức độ nứt nẻ hoặc cactơ
hoá của đá gốc theo chiều sâu, theo tuyến mặt cắt hay trên toàn bộ diện tích nghiên cứu. Tài liệu thí nghiệm ép nước là cơ sở để thiết kế, đánh giá chất lượng các giải pháp xử lý chống thấm hay gia cố, cải tạo đất đá, lựa chọn vị trí xây dựng, bố trí các hạng mục công trình nh− tuyến đập, tuyến tràn, hầm dẫn n−ớc, … của công trình thuỷ công.
Bản chất của ph−ơng pháp thí nghiệm này là cách ly từng đoạn hố khoan bằng các nút bịt chuyên môn, sau đó ép nước vào các đoạn đất đá đã được cách ly với các chế độ
áp lực định trước, từ đó xác định lượng lưu lượng mất nước đơn vị của từng đoạn ép.
Thí nghiệm ép nước có thể được tiến hành đến lưu lượng ổn định hoặc không ổn
định, có hay không có hố khoan quan trắc. Trong thực tế thường ép nước theo chế độ ổn định và không có hố khoan quan trắc (ép nước theo chế độ không ổn định chỉ được thực hiện khi đất đá nứt nẻ mạnh và không có nước). Chiều dài đoạn ép tiêu chuẩn thường là 5m. Trong trường hợp đất đá có độ thấm nước kém (lưu lượng mất nước đơn vị q ≤ 0,1(l/phmm)) thì chiều dài đoạn ép có thể lấy đến 10- 15m. Trường hợp đất đá
có độ thấm nước lớn, điều kiện cấp nước khó khăn thì có thể ép với chiều dài đoạn ép 3m. Để dễ so sánh mức độ mất nước trên từng đoạn khác nhau và ở các vùng khác nhau, nên lấy đoạn ép thống nhất theo tiêu chuẩn.
Trước khi đưa bộ nút bịt vào hố khoan để thí nghiệm, cần xác định lại chiều sâu hố khoan và phân chia đoạn thí nghiệm ép, đo mực n−ớc tĩnh. Thả bộ dụng cụ ép xuống hố khoan, dùng tay quay để ép chặt nút vào thành hố khoan đúng vị trí. Yêu cầu nút bịt phải đ−ợc ép lại 10- 20% chiều dày ban đầu. Kiểm tra độ kín của nút bịt bằng cách dùng kích nâng toàn bộ hệ thống nút lên, khi không có sự dịch chuyển thì nút đã
bám chặt vào thành hố khoan, ép n−ớc với cấp áp lực từ 2- 3atm vào hố khoan với thời gian 5- 10 phút, theo dõi mực n−ớc trong khoảng trống giữa thành hố khoan và ống ép của nút bịt, nếu xuất hiện mực nước thì chứng tỏ nút đã bị rò (trường hợp ép trong tầng chứa n−ớc thì có thể kiểm tra bằng cách thả chất chỉ thị màu vào khoảng trống trong thành hố khoan và hút nước qua ống ép của nút). Sau khi kiểm tra độ kín của nút đạt yêu cầu thì bắt đầu tiến hành thí nghiệm theo quy trình đã xác định.
53
ở mỗi đoạn ép, thí nghiệm th−ờng đ−ợc tiến hành với 3 cấp: 0,5; 1,0 và 1,5atm (tương ứng với 5, 10, 15 mét cột nước (mcn)) theo trình tự từ cấp áp lực thấp đến cấp áp lực cao. Nếu cấp áp lực thí nghiệm thấp nhất nhỏ hơn 0,5atm thì đới ảnh hưởng của thí nghiệm ép sẽ không đủ lớn để đánh giá khả năng nứt nẻ của đá xung quanh hố khoan,
đòi hỏi phải bố trí mạng hố khoan thí nghiệm dày hơn, chi phí tốn kém. Ng−ợc lại, nếu
áp lực ép quá lớn thì có thể gây phá hoại đất đá thành hố khoan. Trường hợp các khe nứt của đất đá bị lấp nhét nhiều thì có thể ép nước theo trình tự cấp áp lực từ cao đến thấp. Khi ép nước thí nghiệm để thiết kế xây dựng công trình đập thuỷ lợi, thường ép với 7 cấp áp lực theo trình tự: 5, 10, 15, H, 15, 10, 5mcn (H là áp lực ép t−ơng đ−ơng với 1,5- 2 lần chiều cao cột n−ớc thiết kế).
ở mỗi cấp áp lực, thí nghiệm được tiến hành cho đến khi lưu lượng ép nước ổn
định. Lưu lượng ép nước được xem là ổn định nếu không thay đổi sau 1- 2 giờ. Trong quá trình thí nghiệm cứ 5- 10 phút đo lưu lượng một lần.
Hiện nay, ở nước ta đã áp dụng khá phổ biến phương pháp ép nước nghiệm của M.
Lyujôn. Theo ph−ơng pháp này, n−ớc đ−ợc ép vào trong hố khoan trên đoạn ép dài 5m với cột n−ớc 100m và giữ nguyên liên tục trong vòng 10 phút. Đơn vị đo l−ợng hấp thụ n−ớc là Lyujôn (là l−ợng hấp thụ n−ớc trong 1phút trên 1m chiều dài đoạn ép với cột n−ớc 100m đ−ợc giữ nguyên trong thời gian 10 phút). Tr−ờng hợp áp lực thí nghiệm không đạt được 100mcn thì lượng hấp thụ nước tương ứng với nó được xác định bằng cách ngoại suy tuyến tính theo đồ thị quan hệ giữa lưu lượng và cột áp thí nghiệm.
Quá trình thí nghiệm ép n−ớc trong hố khoan có thể thực hiện theo nhiều ph−ơng pháp (sơ đồ) khác nhau.
a. ép n−ớc phân đoạn từ trên xuống (hình 20):
1- Nút bịt đoạn ép
2- Đoạn ép 1
2 l1= 5m
l2= 5m
l3= 5m Theo phương pháp này, khoan hết đoạn ép đầu tiên từ trên xuống (l1), đặt nút bịt
vào đầu trên của đoạn ép l1 và ép nước vào đoạn đó. ép nước xong kéo bộ nút lên và trám xi măng vào đoạn l1. Sau khi xi măng đông cứng, khoan qua l1 và sâu vào trong đá
đoạn l2, đặt nút bịt ở vị trí xi măng đã trám cuối đoạn l1 và ép nước vào đoạn l2. Tiến hành ép nước từng đoạn như vậy cho đến chiều sâu thí nghiệm theo yêu cầu của thiết kế.
Ưu điểm của ph−ơng pháp ép phân đoạn từ trên xuống là tiết kiệm chiều sâu khoan, không phải khoan thừa, l−ợng n−ớc cung cấp cho thí nghiệm không lớn, hạn chế đ−ợc l−ợng n−ớc thấm quanh nút bịt.
Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp này là năng suất thí nghiệm thấp, giá thành cao do công tác khoan và ép nước thí nghiệm phải chờ nhau, khó xác định vị trí đặt nút khi chuyển đoạn ép, không thể ép kiểm tra lại đoạn đã ép vì đã bị trám xi măng.
Hình 20 Sơ đồ thí nghiệm ép n−ớc phân đoạn từ trên xuống