1. CÁC TẦNG CHỨA NƯỚC DƯỚI ĐÂT
1.1. Nguồn gốc hình thành nước dưới đất
Nước dưới đất có thể được hình thành ngay khi thành tạo đất đá, như nước trong các lỗ rỗng của tầng cuội sỏi lòng sông, tầng cát ven biển. Đó là nước nguồn gốc trầm tích
hay nước chôn vùi.
Một số loại nước khác lại được hình thành do hơi nước ngưng tụ trong các khe rỗng của đất đá, gọi là nước nguồn gốc sơ sinh. Thông thường thì hơi nước này có nguồn gốc
khí quyển, nhưng cũng có thể có nguồn gốc macma, nên nước sơ sinh hình thành chủ yếu ở đới thông khí hay ở vùng lân cận các lò macma.
Phổ biến và dễ thấy hơn cả là nước nguồn gốc thấm khi mưa, khi tưới.
Tuy nhiên, nguồn gốc của nước dưới đất chưa phản ảnh được đặc tính của tầng chứa
194
nước, điều đó có ý nghĩa hơn là lịch sử tồn tại của nó. Trong quá trình tồn tại, nước dưới đất bị thay đổi vể thành phần và các đặc tính về động thái, quá trình đó cũng chính là sự hình thành nước dưới đất. Mỗi loại nước dưới đất có một nguồn gốc sinh thành, một lịch sử tồn tại riêng biệt, nó phản ánh qua thành phần và tính chất của nước.
Do thành phần thạch học và cấu trúc địa chất mà có tầng đất đá thấm nước tốt - hình thành tầng chứa nước, lại có tầng đất đá thấm nước yếu - hình thành tần g cách nước. Trên thực tế, việc phân chia tầng cách nước và tầng thấm nước chỉ là tương đối.
Nhiều người quy ước rằng: một tầng gọi là cách nước cho một tầng thấm nước khi độ dẫn của nó nhỏ hơn độ dẫn của tầng kia trên 20 lần:
k,„rnm > 20kymy (4-1)
Trong đó: km, mm - hệ số thấm và bề dày tầng thấm mạnh; ky, my - hệ số thấm và
bể dày tầng thấm yếu.
Tầng chứa nước có mái và tường là hai tầng cách nước thì tồn tại và vận động như nước trong ống áp lực, gọi là
tầng nước áp lực. Ngược lại
tầng chứa nước có mái là một mặt thoáng tự do thì gọi là
tầng nước không áp (hình 4-1).
Ớ các tầng chứa nước không áp, khi đất đá có lỗ rỗng bé thì phía trên mái tầng thấm hình thành đới mao dẫn đi lên;
chiều cao và đặc tính của đới mao dẫn phụ thuộc vào tính thấm nước của đất đá (ta đã xét tới ở chương 2) và thành phần, tính chất của nước. Sự có mặt của đới mao dẫn làm phức tạp thêm điều kiện địa chất thuỷ văn của dòng thấm.
Từ mặt đất đến mái của tầng chứa nước là độ sâu chôn vùi của tầng. Đối với các tầng nước áp lực thì độ sâu chôn vùi thường rất lớn (hình 4-2), còn đối với nước không áp thì rất nhỏ, thậm chí có thể bằng không.
H ì n h 4 -1 : Sơ đồ một tầng chứa nước theo mặt cắt đứng
dọc theo dường dòng
1. Đ áy cách nước (tư ờ n g ); 2. M ặ t thoáng tự do (m á i);
hị, H ! vù lự, H : - C h iều dày và áp lực dòng thấm
tại tiết diện 1 và 2.
H ì n h 4 -2 : Sơ dồ tầng áp lự c và s ự hình thành giếng phun ì . M iền cung cấ p ; 2. M iền phân b ố ; 3. G iếng p h u n ;
Áp lực của tầng nước có áp thường rất lớn, có thể hình thành các giếng phun mạnh (hình 4-2); mặt áp lực thường không phẳng mà cong và thay đổi theo thời gian.
Chiều dày tầng chứa nước là khoảng cách từ mái đến tường. Đối với tầng nước áp lực, chiều dày đó là những trị số không đổi theo thời gian. Đối với tầng nước không áp, chiều dày tầng nước thay đổi theo sự dao động của mái (h trên hình 4-1). Ớ vùng có ảnh hưởng do dao động mực nước, tốc độ dao động của mái tầng chứa nước không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố thuỷ lực của dòng thấm mà còn phụ thuộc vào khả năng thấm và thoát nước của tầng. Chỉ tiêu đặc trưng cho khả năng thoát nước của đất đá là độ thoát nước p:
p V.
V (4-2)
383.00 380.08
387.10 380.50
385.96 380.22
38365 380.20
380.00 380 00
Trong đó: Vnr - thể tích nước có thể thoát ra tự do dưới tác dụng trọng lực trong
thể tích đất đá bão hoà nước là V.
Độ thoát nước p. của một số đất đá có thể thay đổi trong phạm vi hẹp:
- Cuội sỏi sạch Ị I = 0,35 + 0,30 - Đất cát p. = 0,15-ỉ-0,10 - Đất sét pha p, = 0,10 0,01 - Đất sét |ut = 0, nghĩa là thực tế rất khó thoát nước.
Như vậy là ở đất hạt khô, kích thước lỗ rỗng lớn, thì độ thoát nước xấp xỉ độ rỗng n của đất đá. Còn ở đất đá có lỗ rỗng bé thì độ thoát nước xấp xỉ bằng 0. Độ thoát nước p.
là chỉ tiêu cần thiết để xác định trữ lượng tầng chứa nước trong khai thác nước cũng như tháo khô hố móng công trình.
Để thể hiện đặc trưng thuỷ lực của tầng chứa nước, người ta dùng bản đồ mặt áp lực đối với nước áp lực và bản đồ mặt nước đối với nước ngầm (không áp). Cách thức thành lập các loại bản đồ trên đây cũng tương tự như thành lập các loại bản đồ đồng mức địa hình. Đó là bản đồ các đường cùng độ cao của mực áp lực hay mực nước dưới đất, biểu thị bằng màu xanh đậm hay xanh lơ (hình 4-3). Các điểm đo thường tiến hành thông qua các vêt lộ tự nhiên H ì n h 4 -3 : Bản đ ồ cú c đường cùng mực nước ngầm.
(mạch nước) hay các hô khoan tới 1. Đường cùng mực n ư ớ c; 2. Đ ường cùng đ ộ cao
mái của tầng. đ ịa h ìn h ; 3. Vùng sình lầy
383.38 381.50
385.20 383.00
386.42 384.40
387 60 385 22
196
Áp lực và mực nước đo ở các thời điểm khác nhau sẽ khác nhau, bởi vậy việc thành láp các bản đồ này khó khăn và phức tạp.
Từ bản đồ các đường cùng mực áp lực hay mực nước ngầm, có thể xác định dược lưu tuyến và gradien áp lực thấm trung bình.
Nếu ta tiến hành theo dõi sự di chuyển của nước dưới đất thông qua các chất chỉ thị (đánh dấu nước) thả xuống hố khoan như chỉ thị muối, chỉ thị phóng xạ, ta sẽ xác định được tốc độ chuyển dộng thực tế u của nước thấm như sau (hình 4-4):
u = (4-3)
t2 - t,
Trong đó: t| - thời điểm thả chất chỉ thị ở hố khoan 1; t2 - thời điểm xuất hiện chỉ thị ở
hố khoan 2; /,.2 - khoảng cách giữa hai hố khoan nằm trên một lưu tuyến.
H ì n h 4 - 4 : S ơ đ ồ x á c định tốc độ chuyên động của nước dư ới đất theo mặt cắt dọc ì ưu tuyến (hình t r á i); b iểu đ ồ theo d õi chất c h ỉ thị ở hô' khoan (hình p h ả i)
1.2, Các loại tầng chứa nước phân chia theo điều kiện phân bô
Dựa theo điều kiện phân bố, các tầng chứa nước được chia ra 5 loại là: tầng nước thổ nhưỡng, tầng nước trên, tầng nước ngầm, tầng nước áp lực và tầng nước khe nứt.
Mỗi loại tầng chứa nước trên do điều kiện thế nằm và các tính chất thấm của đất đá khác nhau mà có những đặc tính về thuỷ lực và động thái... không giống nhau.
1. Tầng nước thổ nhưỡng được hình thành trong tầng thổ nhưỡng; nước tồn tại dưới
dạng mao dẫn treo, mao dẫn góc lỗ rỗng. Thường tầng nước thổ nhưỡng chỉ tổn tại khi mưa hay mùa mưa. Trong nước thổ nhưỡng có nhiều tạp chất hữu cơ và các quần thể vi sinh vật. Tính chất của nước có liên quan chặt chẽ với thành phần và tính chất thổ nhưỡng, thường bị nhiễm bẩn và có tính chất ăn mòn mạnh, đặc biệt là ăn mòn kim loại và bê tông.
Động thái nước thổ nhưỡng rất không ổn định, phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện khí tượng: chúng thường dao động theo nhiệt độ trong ngày, còn lưu lượng và trữ lượng thì thav đổi theo lượng mưa. Hình thức chuyển vận là truyền màng mỏng và truyền
mao dẫn, vì vậy còn gọi là ngấm. Nguồn bổ sung chủ yếu là mưa, mao dẫn đi lên và ngưng tụ hơi ẩm trong khe rỗng của đất đá.
Nước thổ nhưỡng không có giá trị khai thác sử dụng nhưng có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật lý cơ học của đất đá và có tác dụng điều hoà độ ẩm của đất.
2. Tầng nước trên là tầng chứa nước không áp lực thứ nhất, không kể tầng nước thổ
nhưỡng, phía trên nó không có tầng cách nước. Tầng nước trên chỉ phân bố cục bộ trong đới thông khí; đáy cách nước thường hẹp, là các thấu kính sét. Chiều dày tầng chỉ từ một đến vài ba mét, rất ít khi lớn hơn, còn bể rộng của tầng cũng rất hẹp, chỉ từ vài mét đến vài chục mét.
Nguồn cung cấp là nước mưa, nước mặt ngấm xuống hoặc nước ngầm dâng cao.
Thành phần và tính chất của nước tầng trên thường kém ổn định, thay đổi điều kiện khí tượng thuỷ văn. Nước tầng trên phong phú nhất và có độ khoáng hoá nhỏ nhất về mùa mưa. Mùa khô, nước tầng trên thu hẹp diện phân bố, nhiều trường hợp có thể bị biến mất.
Nước tầng trên dễ nhiễm bẩn, trữ lượng lại nhỏ nên không có giá trị khai thác sử dụng. Trong xây dựng móng và công trình ngầm nước tầng trên thường gây ngập úng hố đào, gây ra hiện tượng xói ngầm, đất chảy. Trong khảo sát địa chất thuỷ văn, nước tầng trên gây phức tạp cho việc phân tích tài liệu quan trắc mực nước (hình 4-5).
Ớ các vùng phân bố nước như ven biển, hải đảo, nước tầng trên thường hình thành các bổn nước nhạt dưới dạng thấu kính không đều (hình 4-6).
H ì n h 4 - 5 : S ơ đ ồ tầng nước trên ( Ị ); tầng nước H ì n h 4 -6 : Sơ đồ mặt cắt một bồn nước nhạt ngẩm ( 2) ; và tầng nước giữa tầng hạ tháp (3 ) ở vùng 'phân b ố nước mặn
Trữ lượng nước bồn không lớn, đặc biệt là khi đất đá có cấu tạo phân tầng, phân lớp ngang. Nước bồn thường bị nhiễm mặn đến một mức độ nào đó, nhất là về mùa khô.
Nhưng do tồn tại ở nơi hiếm nước nhạt, nước bồn có giá trị sử dụng rất cao; ở nhiều vùng, nước bồn là nguồn nước chủ yếu cho sinh hoạt và sản xuất. Việc khai thác nước bồn không hợp lý có thể dẫn tới sự huỷ hoại cả bồn và nhìn chung khó hình thành trở lại được.
198
3. Tầng nước ngầm là tầng nước không áp thứ nhất kẻ từ mặt đất, cũng giống như
nước tầng trên, phía trên nó không có tầng cách nước (nếu có chỉ là tầng cách nước cục bộ), nhưng khác là diện phân bô rộng lớn, phía dưới nó thông thường là các tầng không thâm liên tục, ngăn cách nước ngầm với nước giữa tầng.
Nước ngầm có miền cung cấp và phân bố trùng nhau (hình 4-5). Nguồn cung cấp chú yếu là nước mưa, nước mặt ngấm xuống hoặc nước áp lực từ dưới sâu đi lên.
Chiểu dày tầng nước ngầm thường nhỏ, thay đổi từ vài mét đến trên dưới chục mét, nhưng diện phân bố lại rất lớn, từ vài trăm mét đến vài ngàn mét. Ớ miền núi, địa hình phàn cắt nhiều, độ sâu chôn vùi của nước ngầm rất lớn, có khi tới 50 -ỉ- 70 mét hoặc hơn. Ở đồng bằng nước ngầm ở gần sát mặt đất, nhiều vùng có độ sâu chôn vùi không quá một mét, như ở đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long.
Trên mặt tầng nước ngầm thường hình thành đới mao dẫn đi lên và các vùng nước áp lực cục bộ. Nhìn chung bề mặt tự do của nước ngầm lượn theo bề mặt địa hình.
Động thái nước ngầm thường không ổn định, nhất là các tầng nước ngầm ở gần mặt đất hoặc có liên hệ trực tiếp với sông (hình 4-7).
Do ưu điểm là ở nông, độ khoáng hoá nhỏ... nước ngầm là một nguồn nước tưới đáng chú ý. Trong xây dựng, tầng nước ngầm thường ở vào độ sâu đặt móng công trình, nên nó thường gây trở ngại cho thi công và bảo vệ móng công trình. Ở vùng sườn dốc, mái kênh... nước ngầm dao động gây xói ngầm và sạt lở mái dốc. ở vùng tưới, nước ngầm dâng cao sẽ gây ra lầy lội và muối hoá đất trồng. Bởi vậy, trong quy hoạch xây dựn2 và tưới nước, cần chú ý tới độ sâu chôn vùi và sự thay đổi động thái của tầng nước ngầm do xây dựng công trình và do tưới. Thi công móng nên tranh thủ thời gian mực nước ngầm thấp nhất.
4. Tầng nước áp lực (còn gọi là nước giữa tầng - actezi) hình thành trong tầng thấm
nước kẹp giữa hai tầng cách nước (hình 4-2 và hình 4-8).
Áp lực nước giữa tầng phụ thuộc chủ yếu vào cấu tạo địa chất và địa hình. Các tầng nước áp lực ở sâu, ở thung lũng núi, các nếp võng thường có áp lực lớn, dễ hình thành các mạch nước đi lên, các giếng phun.
Khi các tầng nước áp lực bị chia cắt bởi sông suối và các công trình khai đào có thể hình thành nước giữa tầng hạ thấp (hình 4-5). Nước giữa tầng hạ thấp ít gặp trong
H ì n h 4 -7 : S ơ đồ quan hệ giữa nước ngầm và nước sông a) Nước sông cung cấp cho nước ngầm ; b) N ước ngầm cung cấp cho nước sông; 1 ,2 ,3 ... C a o trình mực nước ngầm
tự nhiên, nhung lại tương đối phổ biến ở vùng xây dựng các công trình ngầm, công trình thuỷ lợi, giao thông.
Miền cung cấp nước giữa tầng thường hẹp và cách xa miền phân bố, nên động thái của nước giữa tầng tương đối ổn định hơn so với nước ngầm; thường có động thái năm hay nhiều năm. Nước giữa tầng khó bị nhiễm bẩn do có tầng cách nước che phủ phía trận, vì vậy có chất lượng nước tương đối tốt. Trong những điều kiện địa chất đặc biệt, nước giữa tầng có nhiệt độ cao, thành phần khoáng hoá nhất định, có khi đó là các loại nước khoáng chữa bệnh như ở vùng Kênh Gà, Vĩnh Hảo...
Tầng nước áp lực Hà Nội ở đồng bằng Bắc Bộ, tầng "Một trăm" ở đồng bằng Nam Bộ có giá trị cung cấp nước rất cao.
Nước áp lực có thể gây ra hiện tượng bục đáy hố móng khi thi công, tạo áp lực nước ở đáy móng, áp lực lên vỏ áo các công trình ngầm.
Khi thi công, điều kiện để cho đáy hố móng không bị bục là trọng lượng của tầng cách nước ở đáy hố móng phải bằng hoặc lớn hơn áp lực đẩy ngược của nước áp lực (hình 4-9), tức là:
Yd m ^ Yn ( h + m ) ( 4 - 4 )
Trong đó: Yd - dung trọng của đất ở tầng không thấm; m - bề dày tầng không thấm
ở đáy móng; Y„ - dung trọng của nước; h - độ cao mực nước áp lực trên đáy hố móng.
Khi lấy Yn = 1, Yci = 2 ta sẽ có:
m > h (4-5)
4
H ì n h 4 -8 : S ơ đ ồ tầng áp lự c hình thành trong cấu tạo đơn nghiêng
1. Tầ n g chứa n ư ớ c; 2,3 . Tầ n g cách n ư ớ c;
4. Vùng cung c ấ p ; 5. M ự c nước áp lự c ; 6. H ố kh o a n ; 7. C h iều ca o áp lự c nước ở h ố kh o a n ; tn - B ể dày tầng chứa n ư ớ c; H() - C a o trình mực nước áp lực tạ i vùng cung c ấ p ; H ị - C a o trình mực nước úp lự c tại h ố khoan
Hk Hk
H ì n h 4 -9 : Đ á y h ố móng đất gần m ái
của tầng nước áp lực.
ì . C á t; 2. Đ ấ t sét
2 0 0