Hỡnh 2-19: Sơ đồ tớnh toỏn giếng khụng hoàn chỉnh
Hỡnh 2-23: Sơ đồ khối giải bài toỏn bằng phần mềm Modflow
2 2 1 1 2 2 3 3 0 1 2 3 ln ln ln ... n ln n n Q x Q x Q x Q x H h k r k r k r k r π π π π − = + + + + (2.28) Trong đú: H0 – Chiều cao mực nước tại A (m);
h – Chiều cao mực nước trong cỏc giếng (m); Nếu cỏc giếng cú cựng bỏn kớnh và lưu lượng thỡ:
1 2 3 ... n r = = = = =r r r r và Q1 Q2 Q3 ...Qn Q n = = = = với 1 n i i i Q Q nQ = =∑ = (n – là số giếng) Do đú, ta cú: 2 2 0 Q (ln 1 2 3... n ln r) H h x x x x n nk π − = − (2.29) Giả sử điểm A thỏa món điều kiện: x1 = R1; x2 = R2; x3 = R3; ....; xn = Rn. Với (R1, R2, R3,...,Rn là bỏn kớnh ảnh hưởng của cỏc giếng). H0 = H – Độ cao mực nước tĩnh trước khi hỳt: 2 2 1 2 3 (ln ... n ln r) Q H h R R R R n nk π − = − (2.30) Lấy (2.30) – (2.29) ta được: 2 2 0 Q (ln 1 2 3... n ln 1x x ....x )2 3 n H H R R R R x nk π − = − (2.31)
Trường hợp đặc biệt là cỏc giếng đều cỏch trung tõm của vựng hạ thấp MNN (điểm A) thỡ: x1 = x2 = x3 = ....= xn = x0 và R1 = R2 = R3 = ...= Rn = R = 2S HK
mnn ban đầu
MNN ổn định sau khi hạ thấp
Giếng hút nước hạ thấp mực nước ngầm
tầng không thấm a
Suy ra: 2 2 0 Q (ln ln x )0 H H R k π − = − Và 2 2 2 2 0 0 0 0 ln R ln x ln H H H H Q k k R x π − π − = = − (2.32) Ta cú: H0 = H – S
Vậy lưu lượng thấm chảy vào hố múng hoàn chỉnh được xỏc định theo cụng thức: 0 (2 ) ln H S S Q k R x π − = (2.33)
2.5.1.2. Tớnh toỏn hệ thụng giếng khụng hoàn chỉnh
Trong thực tế, lỳc tầng thấm rất dày, đỏy giếng khụng ăn sõu vào tầng khụng thấm nước (hỡnh 2.19) thỡ nước cung cấp cho giếng vừa qua thành bờn của giếng vừa qua đỏy giếng.
Khoảng cỏch từ đỏy giếng đến tầng khụng thấm nước lớn, trong tầng thấm nước cú vựng trờn là tham gia vào việc cung cấp nước cho giếng. Vựng đú gọi là vựng hoạt động và giếng tiờu nước như vậy là giếng khụng hoàn chỉnh.
Việc tớnh toỏn chớnh xỏc lượng nước thấm vào giếng khụng hoàn chỉnh là một vấn đề rất khú cả về lý thuyết cũng như thực nghiệm.
Theo phương phỏp đỳng dần, ta phõn lượng nước thấm vào cỏc giếng khụng hoàn chỉnh ra làm 2 phần Q’ và Q’’. Phần nước khụng cao ỏp Q’ giới hạn phớa trờn bằng đường thấm và giới hạn phớa dưới bằng mặt phẳng ở cao trỡnh đỏy giếng. Phần nước cao ỏp Q’’ được giới hạn phớa trờn là cao trỡnh mặt đỏy giếng, cũn phớa dưới là lớp đất khụng thấm hoặc là đường giới hạn của vựng ảnh hưởng. [7]
Theo [6]: Q = Q’ + Q’’ = 0 0 0 0 0 2S (2 ) ln ln 2 t H S S k K R x R x t x x π − +π + + − (2.34)
Hỡnh 2.19. Sơ đồ tớnh toỏn giếng khụng hoàn chỉnh
Với R=2S HK và x0 F
π
= ; F – Là diện tớch hố múng (2.35)
Hỡnh 2.20. Sơ đồ tớnh toỏn hệ thống giếng khụng hoàn chỉnh
Nếu chiều dày lớp đất chứa nước dưới đỏy giếng rất lớn thỡ phải xỏc định vựng ảnh hưởng, nghĩa là một vựng cú chiều sõu bằng chiều dày lớp đất cú khả năng cung cấp nước cho giếng. Trị số Ta được lấy theo bảng 2.2 sau:
Z Q
A mnn thiên nhiên
Đường bão hòa
i = 0 A Q'' (x0-t/2) mnn ban đầu MNN ổn định sau khi hạ thấp
Giếng hút nước hạ thấp mực nước ngầm
Bảng 2.2. Trị số Taphụ thuộc vào S và H 0 S H 0,2 0,3 0,5 0,8 1,0 a T H 1,3 1,6 1,7 1,85 2,00
2.5.2. Sử dụng phần mềm Modflow tớnh toỏn hạ thấp mực nước ngầm 2.5.2.1. Tổng quan
Khi thiết kế HMNN bảo vệ mỏi và nền một hố múng khụng phải chỉ cú một (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
giếng mà là nhiều giếng, cú thể bố trớ thành một hàng hoặc nhiều hàng giếng làm việc đồng thời thỡ sự ảnh hưởng của chỳng với nhau là yếu tố yờu cầu cần được xột đến. Đặc biệt khi hệ thống giếng này gồm nhiều loại giếng khỏc nhau, cú lưu lượng bơm khỏc nhau, đặt ở độ sõu khỏc nhau, hoặc do địa chất ở xung quanh cỏc giếng này khỏc nhau và nguồn bổ sung lượng nước ngầm khỏc nhau nờn lưu lượng thấm vào cỏc giếng khỏc nhau, …làm cho cỏc yếu tố đầu vào của việc tớnh toỏn phức tạp hơn thỡ việc tớnh toỏn theo truyền thống sẽ gặp nhiều khú khăn, sai số sẽ lớn.
Khi thiết kế HMNN đũi hỏi phải đưa ra nhiều phương ỏn lựa chọn thiết bị HMNN, bố trớ hệ thống giếng khỏc nhau, … để tớnh toỏn so sỏnh về kinh tế và kỹ thuật để lựa chọn phương ỏn tối ưu. Do đú, cỏn bộ thiết kế sẽ mất nhiều thời gian và cụng sức để tớnh toỏn.
Như vậy, việc ứng dụng cụng nghệ tin học bằng cỏc phần mềm chạy trong mụi trường Windows để tớnh toỏn thiết kế HMNN là điều cần thiết để giảm cụng sức, thời gian và tăng độ tin cậy.
Nổi trội trong cỏc phần mềm hiện đại ngày nay là phần mềm thương mại Visual Modflow của Canada sản xuất. Phiờn bản mới nhất là 4.2.0.151 sản xuất năm 2006 chạy trong mụi trường Windows XP, cú giao diện thõn thiệt và sự hỗ trợ rất lớn về đồ họa cho phộp người sử dụng cú thể mụ phỏng mụ hỡnh tớnh toỏn dạng 2D hoặc 3D.
Cỏc thụng số mụ hỡnh đầu vào và kết quả tớnh toỏn đều được thể hiện bằng hỡnh ảnh 2D hoặc 3D giỳp người tớnh toỏn kiểm tra, đỏnh giỏ ngay được việc làm từng bước và kết quả sau vài giõy rất trực quan sinh động.
Chớnh vỡ vậy, người thiết kế cú thể chỉ trong thời gian ngắn cú thể tớnh toỏn so sỏnh nhiều phương ỏn khỏc nhau để lựa chọn một phương ỏn tối ưu.
Bờn cạnh đú, để việc tớnh toỏn bằng phần mềm Modflow cho kết quả thực sự tin cậy thỡ người tớnh toỏn phải mụ hỡnh húa được nhiều yếu tố đầu vào ảnh hưởng đến MNN khu vực cụng trỡnh và phải đặt hệ thống HMNN trong một mụi trường tự nhiờn chung càng rộng càng tốt.
Phần mềm VisualModflow được cỏc chuyờn gia trờn thế giới và ở Việt Nam đỏnh giỏ là một chương trỡnh hoàn chỉnh nhất, đỏp ứng khả năng mụ phỏng mụi trường 3 chiều của dũng chảy nước dưới đất và di chuyển cỏc chất ụ nhiễm dựa trờn cơ sở dũng thấm khụng ổn định. Nú được tổng hợp của cỏc chương trỡnh MODFLOW, MODPATH, MT3D, và PEST. Giao diện và cấu trỳc menu cho phộp dễ dàng định phạm vi, đơn vị và xỏc định cỏc đặc điểm về điều kiện biờn, chạy mụ hỡnh, kiểm định mụ hỡnh và thể hiện cỏc kết quả với cỏc đường đẳng ỏp, đồ thị, miền cựng màu. Mạng lưới, thụng số đưa vào và kết quả cú thể hiện trờn mặt cắt hay trờn bề mặt bất kỳ lỳc nào trong khi xõy dựng mụ hỡnh hay khi biểu diễn cỏc kết quả. VisualModflow là phần mềm mạnh, cú đủ tớnh năng cần cho mụ hỡnh dũng chảy nước ngầm 3 chiều và di chuyển của chất nhiễm bẩn.
Cụng ty Waterloo Hydrogeologic phỏt triển phần mềm VisualModflow từ năm 1989 và được sử dụng ở 90 nước trờn thế giới. Phiờn bản VisualModflow Ver 1.0 phỏt hành vào thỏng 8/1994 và trở thành mụ hỡnh chuẩn về nước dưới đất và mụi trường.
Tại Việt Nam phần mềm này đó được biết đến và bước đầu ứng dụng từ năm 1998. Hiện nay nú được sử dụng gần như chớnh thức ở một số cơ quan nghiờn cứu và quản lý tài nguyờn nước dưới đất.
Phần mềm VisualModflow (Ver 4.2.0.151) được tung ra thị trường đầu năm 2007 cú cỏc tớnh năng cơ bản gồm cú cỏc chức năng chớnh Input, Run và Output.
Ngoài ra cũn cú hệ thống Setup và Help.
2.5.2.2. Phương trỡnh toỏn học
Phương trỡnh tổng quỏt biểu diễn chuyển động của nước ngầm như sau:
xx h yy h zz h W s h K K K S x x y y z z t ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ − = ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ (2.36)
Trong đú: Kxx, Kyy, Kzz – Là hệ số thấm theo cỏc hướng x, y, z (z là chiều thẳng đứng).
h – Mực nước dưới đất tại vị trớ (x, y, z) ở thời điểm t. Ss – Hệ số nhả nước đơn vị (l/m).
Với Ss = Ss(x,y,z); Kxx = Kxx(x,y,z); Kyy = Kyy(x,y,z); Kzz = Kzz(x,y,z) – Là cỏc hàm phụ thuộc vào vị trớ khụng gian x,y,z.
Phương trỡnh (2.36) mụ tả dũng ngầm trong điều kiện khụng cõn bằng cho mụi trường khụng đồng nhất và dị hướng.
2.5.2.3. Phương phỏp giải
Để giải phương trỡnh (2.36) người ta phải tỡm hàm số h(x,y,z,t) thỏa món (2.36) và thỏa món cỏc điều kiện biờn. Sự biến động của giỏ trị h theo thời gian sẽ xỏc định bản chất của dũng chảy, từ đú cú thể tớnh được trữ lượng của tầng chứa nước cũng như tớnh toỏn cỏc hướng của dũng chảy.
Việc tỡm lời giải giải tớch h(x,y,z,t) cho phương trỡnh (2.36) thường là rất khú. Trờn thực tế, thường phương trỡnh (2.36) khụng thể giải bằng phương phỏp giải tớch. Do vậy, người ta buộc giải bằng phương phỏp gần đỳng. Một trong cỏc phương phỏp giải gần đỳng được ỏp dụng ở bài toỏn này là phương phỏp sai phõn hữu hạn hay phõn chia cỏc ụ liờn tục thành cỏc ụ khụng gian hay cũn gọi quỏ trỡnh rời rạc húa.
Bằng cỏch này người ta đưa phương trỡnh đạo hàm riờng (2.36) về một hệ phương trỡnh tuyến tớnh. Số lượng phương trỡnh trong hệ bằng số cỏc ụ lưới chia x, y, z, t.
Nếu chia ụ càng nhỏ thỡ kết quả thu được từ lời giải sai phõn càng gần với lời giải đỳng của phương trỡnh (2.36), nhưng khối lượng tớnh toỏn sẽ nhiều lờn gấp bội, nờn người ta phải tỡm cỏch chọn ra độ lớn thớch hợp cho ụ.
Hỡnh 2.21. Sơ đồ húa hệ thống địa chất thủy văn khu vực nghiờn cứu
Hỡnh 2.21 mụ tả quỏ trỡnh rời rạc húa khụng gian. Khụng gian nghiờn cứu được phõn thành cỏc lớp chứa nước theo phương thẳng đứng z. Mỗi lớp chứa nước lại được chia thành cỏc ụ nhỏ hơn. Vựng hoạt động của nước dưới đất trong mỗi tầng chứa nước sẽ được đỏnh dấu là ụ trong miền tớnh. Những ụ thuộc vựng khụng cú nước hoặc nước khụng thể thấm qua thỡ được đỏnh dấu là “ụ ngoài miền tớnh”.
Trờn cơ sở cõn bằng ụ lưới (i, j, k) và cỏc nguồn theo bước thời gian tm-1 đến tm chỳng ta cú được hệ phương trỡnh sai phõn tổng quỏt sau:
, 1, , , , , 1, , , , 1 , , i,j 1/2, i,j 1/2, , 1, i 1/2 , 1, , , , i 1/2 , , , i, , 1/2 , , i, , 1/2 , , 1 , , i,j,k R ( ) R ( ) C ( ) C ( ) V ( ) V ( ) m m i j k i j k i j k i j k i j k m i j k m m m m k k i j k j k i j k i j k m m m m m m j k i j k j k i j k j k i j k i j k i C h h C h h C h h C h h C h h C h h P h Q − + − − + + − − + − + + − + − + − + − + − + − + + 1 , ,j k Ssi j k, , ( r cj i υk)(hi j km, , hi j km, ,− ) / (tm tm1) − = ∆ ∆ ∆ − − (2.37)
Với CR, CC, CV – Độ dẫn thủy lực của lớp chứa nước tại ụ (i, j, k). P – Lưu lượng trao đổi đơn vị của hệ thống.
Q – Tổng lượng trao đổi của hệ thống với bờn ngoài. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
∆rj, ∆cj, ∆vj – Khoảng sai phõn theo phương x,y,z.
Ss – Hệ số nhả nước và tm, tm-1là hai bước thời gian kề cận nhau.
Hệ phương trỡnh (3.14) được giải bằng phương phỏp lặp, người ta tiến hành chia nhỏ khoảng thời gian (tm, tm-1), kết quả nhận được là lời giải gần đỳng của hệ phương trỡnh.
Khi t tăng lờn thỡ h sẽ thay đổi. Khi h đạt được sự ổn định (∆ht < ∆hcp) thỡ mực nước đạt được sự cõn bằng động và tại đõy kết thỳc quỏ trỡnh tớnh toỏn.
hm-1 =
hm-1,n Cốt cao mực nước tính được cho bước thời gian m-1 Kết thúc tính toán cho bước thời gian m-1 Bắt đầu tính toán cho bước thời gian m
hm,0
hm,1
hm,n-1
hm,n
Kết thúc tính toán cho bước thời gian m Bắt đầu tính toán cho bước thời gian m+1
hm+1 = hm+1,n
Cốt cao mực nước tính được cho bước thời gian m+1
Nếu dao động
| hm,n – hm,n-1 | nhỏ hơn giá trị chênh lệch cho phép thì quá trình tính toán được coi là hoàn tất ở đây
2.5.2.4. Điều kiện biờn trong mụ hỡnh Modflow
- Bài toỏn thấm ổn định của cỏc tầng chứa nước, MNN ổn định.
- Lưu lượng bơm của giếng ứng với MNN hạ ổn định
- Bài toỏn khụng gian 3 chiều (3D) giới hạn khoảng cỏch cỏc giếng là đủ nhỏ
Cú 3 loại điều kiện biờn chớnh như sau:
- Điều kiện biờn loại 1 là ỏp lực được xỏc định trước, h = const cũn gọi là điều kiện biờn Dirichlet).
- Điều kiện biờn loại 2 là lưu lượng được xỏc định trước Q = const (điều kiện biờn Neuman).
- Điều kiện biờn loại 3 là lưu lượng trờn biờn phụ thuộc vào sự thay đổi của ỏp lực, Q = f(∆Η)(cũn gọi là điều kiện Cauchy hoặc biờn hỗn hợp). Trong tự nhiờn những biờn này được mụ phỏng là sụng, biển, kờnh thoỏt, mạch lộ, tường chắn, đỏ gốc,
m-1
Thay vào hàm h(x,y,z,t)
Sai m = m+1 h tm -h tm tm-1 < = t h ∆ Đúng Dừng t=t
Xây dựng mô hình mô phỏng nền, địa chất thủy
Bắt đầu
văn (Kx, Ky, Kz, MNN, nguồn bổ sung nước...)
` (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
thời gian hút nước của hệ thống giếng
nhập lưu lượng hút nước đơn vị của mỗi giếng, Đặt các giếng (vị trí, chiều sâu) lên mô hình,
Đặt các giếng quan trắc (vị trí, chiều sâu) lên mô hình, nhập mực nước ban đầu trong mỗi giếng,
các phần tử khối trong không gian
Thay vào phương trình 2.37
∆hcp h
; t=tm
Đúng Sai
In kết quả dạng số liệu và đồ họa
Hỡnh 2.23. Sơ đồ khối giải bài toỏn bằng phần mềm Visual Modflow
bốc thoỏt hơi, thấm xuyờn, lỗ khoan hỳt nước hoặc ộp nước.
2.5.2.5. Sơ đồ khối chạy phần mềm Modflow
a. Cỏch chia phần tử
- Lưới phần tử hỡnh tam giỏc vuụng và hỡnh chữ nhật.
- Kớch thước phần tử chữ nhật (0,5 x 0,5) m và cạnh tam giỏc vuụng là 0,5m
b. Sơ đồ khối chạy phần mềm Modflow như (hỡnh 2.23)
2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Khi tớnh toỏn thiết kế hệ thống giếng hạ thấp MNN, cần sử dụng phương trỡnh vi phõn liờn tục của dũng ngầm, điều kiện ban đầu và điều kiện biờn, để giải cỏc bài toỏn nước ngầm trong cỏc tầng chứa nước theo phương phỏp sai phõn hữu hạn. Sự biến động của giỏ trị cột nước theo thời gian sẽ xỏc định bản chất của dũng chảy, từ đú cú thể tớnh được trữ lượng của tầng chứa nước cũng như tớnh toỏn cỏc hướng của dũng chảy.
Từ cơ sở lý thuyết của dũng thấm đến giếng khoan, tỏc giả sẽ ỏp dụng cho bài toỏn thiết kế hạ thấp MNN chảy vào hố múng bằng hệ thống giếng với dũng thấm ổn định và khụng ổn định của tầng chứa nước đồng nhất, khụng đồng nhất, tầng chứa nước cú ỏp, khụng cú ỏp để xỏc định được điều kiện cỏc biờn của bài toỏn hạ thấp MNN trong hố múng.
Để cú cơ sở tớnh toỏn lựa chọn được cỏc thụng số hợp lý, đó xõy dựng sơ đồ tớnh toỏn, xỏc định cỏc thụng số địa chất thủy văn cơ bản, xỏc định khoảng cỏch đặt cỏc giếng khoan, kết cấu giếng khoan, đường kớnh giếng khoan,... với giếng đơn, một hàng giếng hay nhiều hàng giếng từ đú bố trớ được hàng giếng xung quanh hố múng. Để giải bài toỏn hạ thấp MNN với cỏc biờn cấp nước khỏc nhau cần xõy dựng mụ hỡnh toỏn và xỏc định điều kiện biờn phự hợp với thực tế thi cụng.
Trong chương này giới thiệu cỏc biện phỏp tiờu nước hố múng, tỏc giả thu thập từ cỏc tư liệu giỏo trỡnh, cỏc nhà khoa học, nhà thiết kế, nhà thi cụng, thực tế và cỏc tư liệu liờn quan khỏc....
CHƯƠNG 3
VẬN DỤNG KẾT QUẢ NGHIấN CỨU ĐỂ TÍNH TOÁN BẢO VỆ THÀNH VÁCH HỐ MểNG CHO CỐNG + ĐẬP VIỆT YấN TỈNH QUẢNG TRỊ 3.1. Áp dụng tớnh toỏn thiết kế HMNN cho cống + Đập Việt Yờn - Quảng Trị
3.1.1. Giới thiệu chung về cụng trỡnh
Cống – Đập ngăn mặn Việt Yờn Nằm chắn ngang sụng Vĩnh Định, thuộc địa hỡnh vựng đồng bằng ven biển cú địa hỡnh bằng phẳng . Cụng trỡnh này đó được xõy dựng từ những năm 1969. Sau ngày hũa bỡnh lập lại (1978) cụng trỡnh này được nhà