Công tác thí nghiệm chiếm một khối lƣợng lớn và có ý nghĩa quan trọng trong công tác điều tra địa chất thủy văn.
Thí nghiệm ngoài trời bao gồm: thí nghiệm hút nƣớc, thí nghiệm ép nƣớc, thí nghiệm đổ nƣớc vào hố khoan và hố đào. Tùy theo mục đích và giai đoạn nghiên cứu mà tiến hành các loại thí nghiệm khác nhau.
Những số liệu thu thập đƣợc từ những phƣơng pháp thí nghiệm này phản ánh tƣơng đối đúng đắn trạng thái tự nhiên của tầng chứa nƣớc và điều kiện làm việc của công trình nên đáng tin cậy hơn cả. Tuy nhiên cũng có nhƣợc điểm là khối lƣợng công tác lớn và đòi hỏi nhiều mặt công tác phục vụ phức tạp.
Giai đoạn tìm kiếm và thăm dò sơ bộ thì hút nƣớc thí nghiệm ở lỗ khoan đơn, còn giai đoạn thăm dò tỷ mỷ thì hút nƣớc thí nghiệm ở chùm hố khoan.
5.4.2. Thiết kế hút nƣớc thí nghiệm
Thí nghiệm hút nƣớc nhằm giải quyết các vấn đề sau:
- Xác định hệ số thấm K của các thành tạo chứa nƣớc.
- Xác định lƣu lƣợng của hố khoan và quan hệ giữa lƣu lƣợng và trị số hạ thấp mực nƣớc, Q =f(S).
- Xác định bán kính ảnh hƣởng R khi thí nghiệm.
- Xác định mối quan hệ thủy lực giữa các tầng chứa nƣớc, giữa nƣớc dƣới đất với nƣớc mặt.
- Xác định trị số dẫn áp (a) hay dẫn mực nƣớc (ay)
- Làm sáng tỏ khả năng hạ thấp mực nƣớc nhân tạo khi xây dựng các công trình hay tháo khô mỏ.
5.4.2.1. Chọn số lƣợng và vị trí công trình hút nƣớc thí nghiệm * Chọn số lƣợng:
Chọn số luợng công trình hút nƣớc phụ thuộc vào mục đích hút nƣớc, mức độ tỷ mỷ của công tác thăm dò. Thƣờng có hai kiểu hút nƣớc thí nghiệm là hút nƣớc ở hố khoan đơn và hút nƣớc ở chùng hố khoan.
Hút nước hố khoan đơn chủ yếu nhằm xác định hệ số thấm của đá cứng nứt nẻ, cuội, cát hạt thô và cát hạt vừa. Nghĩa là trong những loại đất đá có bƣớc nhảy mực nƣớc không lớn lắm.
( Bước ngảy mực nước là hiệu số giữa mực nước trong lỗ khoan với mực nước ngoài ống lọc. nó được tạo nên do lực cản sinh ra từ sự vận động của nước đến ống lọc).
Hút nước ở chùm hố khoan nhằm phản ánh đầy đủ nhất đặc điểm cấu tạo địa chất, điều kiện địa chất thủy văn của từng tầng chứa nƣớc. Chùm hố khoan thí nghiệm gồm một hố khoan trung tâm để hút nƣớc và một số hố khoan quan sát bố trí thành những tia. Tùy theo điều kiện tự nhiên và yêu cầu thí nghiệm mà số lƣợng các tia có thể từ một đến bốn.
Khi tính chất thấm của đất đá rất phức tạp và yêu cầu phải tính hệ số thấm của đất đá và bán kính ảnh hƣởng theo những phƣơng khác nhau, ngƣời ta bố trí chùm hố khoan theo sơ đồ 4 tia. Trong đó một tia theo hƣớng dòng chảy, một tia theo hƣớng ngƣợc với hƣớng dòng chảy, 2 tia còn lại thẳng góc với hai tia trên. Sơ đồ hai tia thƣờng dùng khi hút nƣớc trong những trƣờng hợp sau:
- Trong các đá cứng đã biết rõ phƣơng của các khe nứt. Trong trƣờng hợp này 1 tia bố trí theo phƣơng của khe nứt chủ yếu và 1 tia thẳng góc với tia trên.
- Trong các đá có cấu tạo không đồng nhất. Khi chùm thí nghiệm bố trí gần các dòng nƣớc mặt thì một tia song song với hƣớng chảy của dòng
Sơ đồ một tia thƣờng áp dụng trong trƣờng hợp nghiên cứu mức độ phong phú nƣớc của một tầng chứa nƣớc nào đó (chỉ cần xác định Q và q) hay khi xác định hệ số thấm của một tầng chứa nƣớc ở các khoáng sàng có ích. Khi đó cần bố trí theo hƣớng dòng chảy.
Trong trƣờng hợp cần thiết ta có thể bố trí một hố khoan vách cách hố khoan trung tâm khoảng 0,5-1 m.
Khoảng cách giữa các hố khoan quan sát đến hố khoan trung tâm phụ thuộc vào thành phần thạch học, tính chất thủy lực của tầng chứa nƣớc, loại hố khoan hút nƣớc và quan sát (hoàn chỉnh hay không hoàn chỉnh)
* Chọn vị trí công trình hút nƣớc thí nghiệm
- Nơi thí nghiệm có điều kiện địa chất thủy văn đặc trƣng nhất, nhiều đơn vị chứa nƣớc, phong phú nƣớc, nơi có thân quặng,..
- Nơi thí nghiệm có điều kiện địa chất phức tạp
- Nơi thí nghiệm có đáy cách nƣớc của tầng chứa nƣớc nghiêng ít, điều kiện thoát nƣớc tốt, hút nƣớc dễ dàng, nếu thật không cần thiết không nên bố trí hố khoan thí nghiệm ở gần đồng nƣớc mặt.
- Nơi thí nghiệm thuận tiện về giao thông.
5.4.2.2. Chọn số lần và trị số hạ thấp mực nƣớc.
Số lần hạ thấp mực nƣớc và trị số hạ thấp mực nƣớc phụ thuộc vào mục đích thí nghiệm và thành phần thạch học của đất đá chứa nƣớc.
Số lần hạ thấp mực nước: Thƣờng tiến hành từ 2 đến 3 lần hạ thấp mực nƣớc: - Trƣờng hợp xác định chính xác hệ số thấm K thì chỉ cần tiến hành 2 lần
hạ thấp mực nƣớc, trong đó lần hạ thấp mực nƣớc thứ 2 dùng để kiểm tra kết quả hút nƣớc.
- Trƣờng hợp để xác định hệ số thấm K và quan hệ giữa lƣu lƣợng với trị số hạ thấp mực nƣớc thì thƣờng tiến hành 3 lần hạ thấp mực nƣớc, đôi khi 4 lần hạ thấp mực nƣớc.
- Khi hút nƣớc để xác định mức độ phong phú nƣớc của tầng chứa nƣớc chỉ cần hút một lần với trị số mực nƣớc hạ thấp lớn nhất (Smax) và phải trong một thời gian dài.
Trị số hạ thấp mực nước:
Trị số hạ thấp mực nƣớc chủ yếu phụ thuộc vào thiết bị máy bơm hiện có, phụ thuộc vào yêu cầu của thí nghiệm.
Thƣờng trị số mực nƣớc hạ thấp nhỏ nhất (Smin) ở hố khoan trung tâm không đƣợc nhỏ hơn 1m đến 0,1-0,15H, còn trị số hạ thấp mực nƣớc lớn nhất từ 3m đến 0,3-0,45H (H: chiều cao cột nƣớc trong hố khoan).
Trường hợp chùm hố khoan hoàn chỉnh: tùy theo thành phần thạch học mà đề nghị các trị số hạ thấp mực nƣớc khác nhau:
- Trong các loại cát pha sét mà hệ số thấm ƣớc lƣợng khoảng 1-5m/ ngày thì Smin không đƣợc nhỏ hơn 2 m, còn những lần hạ thấp mực nƣớc tiếp theo lớn hơn lần hạ thấp trƣớc 2-2,5m
- Trong cát hạt nhỏ, hạt trung và đá cứng nứt nẻ yếu có K khoảng 5- 20m/ngày thì Smin >1,5m, còn những lần hạ thấp tiếp theo tăng thêm 1,5-2m.
- Trong cát sỏi và đá cứng nứt nẻ mạnh có K khoảng 20m/ngày thì Smin >1m, còn những lần hạ thấp tiếp theo tăng thêm 1-1,5m
Trường hợp hố khoan không hoàn chỉnh:
Nếu ống lọc ngập thì giống trong thí nghiệm ở chùm hố khoan hoàn chỉnh. Thƣờng trị số mực nƣớc hạ thấp lớn nhất ở trong hố khoan thí nghiệm không
Trƣờng hợp ống lọc không ngập thì trị số mực nƣớc hạ thấp lớn nhất không đƣợc lớn hơn 0,51 hoặc không đƣợc lớn hơn 1/3 l0 (l0: chiều dài từ mực nƣớc tĩnh đến đáy ống lọc).
Trƣờng hợp hút nƣớc ở những hố khoan nhằm mục đích tháo khô mỏ thì Smax thƣờng lấy H/2
Trong thực tế ngƣời ta thƣờng tìm trị số mực nƣớc lớn nhất rồi sau đó chia 3 để tìm trị số mực nƣớc hạ thấp nhỏ nhất còn trị số mực nƣớc trung bình lấy bằng 2/3 trị số hạ thấp mực nƣớc lớn nhất.
Khi hút nƣớc thí nghiệm trong đá cứng nứt nẻ và cát hạt thô nên hút từ trị số mực nƣớc hạ thấp lớn nhất trƣớc sau đó chuyển sang trị số hạ thấp mực nƣớc trung bình rồi nhỏ nhất. Làm nhƣ vậy mới rửa sạch những chất lấp nhét trong các khe nứt và lỗ hổng của đất đá nên đánh giá quan hệ giữa Q và S sẽ hính xác hơn. Khi thí nghiệm trong cát hạt nhỏ và trung bình nên nên tiến hành ngƣợc lại trình tự trên. Làm nhƣ vậy để tạo nên lớp lọc tự nhiên ở xung quanh ống lọc và tránh đƣợc hiện tƣợng tắc ống lọc. Trình tự này chỉ áp dụng khi các hố khoan thí nghiệm mà vách hố khoan không bị các vật chất lấp nhét và khi không cần rửa hố khoan.
Còn trong trƣờng hợp cần rửa hố khoan thì dù hút nƣớc trong bất kỳ loại cát nào vẫn phải bắt đầu hút nƣớc từ trị hố hạ thấp mực nƣớc lớn nhất sau đó đến các trị số nhở hơn.
5.4.2.3. Chọn phƣơng pháp thí nghiệm
Tùy thuộc vào mục đích, giai đoạn, mức độ chính xác trong công tác điều tra địa chất thủy văn mà chọn phƣơng pháp phù hợp, có 3 phƣơng pháp sau:
* Phƣơng pháp hút nƣớc thí nghiệm tổng hợp:
Khoan một lỗ khoan qua tất cả các thành tạo chứa nƣớc và coi nhƣ là một tầng chứa nƣớc thống nhất. Rồi tiến hành hút nƣớc với 3 đợt hạ thấp mực nƣớc
* Phƣơng pháp thí nghiệm tổng hợp phân tầng:
Khoan một hố khoan qua tất cả các thành tạo chứa nƣớc, coi nhƣ là một tầng chứa nƣớc tổng hợp rồi sau đó hút nƣớc tổng hợp. Hút xong thành tạo chứa nƣớc nào rồi bịt kín sau đó tiếp tục hút nƣớc tổng hợp và tiến hành nhƣ vậy cho đến hết.
* Phƣơng pháp thí nghiệm phân tầng:
Khoan qua một thành tạo chứa nƣớc sau đó tiến hành hút nƣớc với 3 lần hạ thấp mực nƣớc, sau đó cách ly và hút thí nghiệm ở thành tạo chứa nƣớc tiếp theo, làm nhƣ vậy cho đến hết.
5.4.2.4. Thời gian hút nƣớc thí nghiệm
Thời gian kéo dài hút nƣớc thí nghiệm phụ thuộc vào loại và nhiệm vụ hút nƣớc, tính chất thủy lực, mức độ phong phú, độ dẫn nƣớc của tầng chứa nƣớc, độ hạ thấp mực nƣớc. Ví dụ: đối với nƣớc không áp, thành tạo có tính thấm nƣớc yếu thì thời gian cần để đạt trạng thái ổn định sẽ dài hơn so với nƣớc có áp, thành tạo có tính thấm mạnh.
Quá trình hút nƣớc chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn rửa lỗ khoan và giai
đoạn hút nƣớc thí nghiệm.
* Giai đoạn rửa lỗ khoan sẽ kết thúc khi nƣớc hút ra hoàn toàn sạch. Thời gian kéo dài của giai đoạn này thƣờng 68giờ
* Giai đoạn hút nƣớc thí nghiệm:
Ứng với mỗi lần hạ thấp mực nƣớc, thời gian hút nƣớc thí nghiệm phải kéo dài cho đến khi lƣu lƣợng hút ra và mực nƣớc động trong hố khoan ổn định thƣờng kéo dài không ít hơn 8 tiếng.
Lƣu lƣợng hút ra đƣợc coi nhƣ ổn định nếu nhƣ lƣu lƣợng đó không đƣợc sai số quá 10% so với lƣu lƣợng trung bình. Còn mực nƣớc động coi nhƣ ổn định nếu
nhƣ trị số mực nƣớc động trong hố khoan quan sát và hố khoan thí nghiệm không đƣợc thay đổi quá 1-2cm trong thời gian hết một lần hạ thấp mực nƣớc. Một yêu cầu quan trọng là trong quá trình hút nƣớc thí nghiệm phải liên tục, khi thời gian ngừng nghỉ quá 1 giờ yêu cầu phải hút lại.
5.4.2.5. Chọn máy bơm và thiết bị
Yêu cầu:
- Máy móc thiết bị phải gọn nhẹ.
- Máy có thể làm việc liên tục trong thời gian dài. - Lƣu lƣợng nƣớc hút lên ổn định và dễ điều chỉnh. Chọn máy bơm:
- khi mực nƣớc tĩnh nông (không quá 6 m) thì có thể dùng máy bơm ly tâm trục ngang.
- Trƣờng hợp tầng chứa nghèo nƣớc (Q<2l/s) thì dùng máy bơm pistong cần
- Khi tầng chứa có mức độ phong phú cao thi có thể dùng máy bơm Erơlip.
5.4.3. Tiến hành hút nƣớc thí nghiệm
Trƣớc khi hút nƣớc thí nghiệm phải bơm rửa hố khoan thật sạch, theo dõi mực nƣớc hồi phục và xác định mực nƣớc tĩnh, sau đó kiểm tra lại thiết bị và bắt đầu hút nƣớc thí nghiệm. Khi hút nƣớc thí nghiệm phải theo dõi các vấn đề sau: 5.4.3.1. Theo dõi mực nƣớc:
- Máy giờ đầu của hút nƣớc thí nghiệm cứ 10-15’ phải đo mực nƣớc một lần. Sau đó cứ 30’hay 1h đo mực nƣớc một lần và tiếp tục nhƣ vậy cho đến khi mực nƣớc ổn định. Sau khi ngừng hút nƣớc phải đo ngay mực nƣớc phục hồi. Lúc đầu cứ 5-10’ đo một lần sau đó cứ 30’ hay 1h đo một lần và cứ nhƣ vậy cho đến khi mực nƣớc hoàn toàn phục hồi.
- Ở các hố khoan quan sát thƣờng 30’ đo một lần. 5.4.3.2. Theo dõi lƣu lƣợng:
- Phải đo lƣu lƣợng từ khi bắt đầu hút nƣớc cho đến khi kết thúc. Thời gian đo lƣu lƣợng trùng với thời gian đo mực nƣớc
5.4.3.3. Theo dõi nhiệt độ nƣớc và không khí: cứ 30’ đo một lần.
5.4.3.4. Lấy mẫu nƣớc trong quá trình hút nƣớc: ứng với mỗi lần hạ thấp mực nƣớc lấy ít nhất hai mẫu. Khi kết thúc hút nƣớc thí nghiệm ta lấy mẫu nƣớc để phân tích toàn phần.
5.4.3.5. Chỉnh lý tài liệu hút nƣớc thí nghiệm ở ngoài thực địa: rất quan trọng vì giúp ta theo dõi các bƣớc tiến hành công tác có đúng không, kịp thời phát hiện những thiếu sót trong khi hút nƣớc và những sai lầm khi quan sát. Cần chú ý các vấn đề sau:
- tính cao trình mực nƣớc tĩnh, mực nƣớc động trong các hố khoan hút nƣớc và các hố khoan quan sát. Để đƣa những số liệu này lên mặt cắt những hố khoan thí nghiệm.
- Tính lƣu lƣợng nƣớc hút ra. - Lập các bảng và đồ thì sau:
+ Đồ thị quan hệ giữa lƣu lƣợng và mực nƣớc hạ thấp trong hố khoan thí nghiệm.
+ Đồ thị quan hệ giữa mực nƣớc hạ thấp trong các hố khoan quan sát và lƣu lƣợng trong hố khoan trung tâm.
5.4.3.6. Chỉnh lý tài liệu hút nƣớc thí nghiệm ở trong phòng. Bao gồm:
- Chỉnh lý tài liệu nguyên thủy và lập biểu đồ tổng hợp kết quả hút nƣớc. - Xác định miền cung cấp của hố khoan
- Tính toán các thông số địa chất thủy văn (K, R, ay, a, Km, , ...) - Xác định quy luật vận động của nƣớc dƣới đất
- Lập đƣờng cong lƣu lƣợng để đánh giá độ phong phú nƣớc của hố khoan.
* Chỉnh lý tài liệu nguyên thủy gồm kiểm tra sổ hút nƣớc thí nghiệm, cốt cao vị trí ống lọc trong hố khoan, cốt cao vách và trụ lớp chứa nƣớc, cốt cao mực nƣớc tĩnh và mực nƣớc động, lƣu lƣợng hút ra. Sau đó lập biểu đồ tổng hợp hút nƣớc thí nghiệm gồm các nội dung sau:
- Bình đồ trình bày vị trí hố khoan hay chùm hố khoan, khoảng cách giữa các hố khoan trong chùm hố khoan hay khoảng cách từ hố khoan đơn đến khối nƣớc mặt, hƣớng vận động dòng ngầm và đƣờng dẫn nƣớc hút ra. Tỷ lệ bình đồ 1:500- 1:2000.
- Mặt cắt địa chất –kỹ thuật hố khoan tỷ lệ 1:50-1:500. Trên mặt cắt biểu thị cốt cao mặt đất, cốt cao mực nƣớc tĩnh và mực nƣớc động, đƣờng cong hạ thấp mực nƣớc ứng với tất cả các lần hạ thấp mực nƣớc, cốt cao vách và trụ lớp chứa nƣớc nghiên cứu, các bộ phận của ống lọc.
- Đặc điểm kỹ thuật của thiết bị hút nƣớc: trình bày kiểu ống lọc, năng xuất máy bơm, các kiểu dụng cụ đo lƣu lƣợng và mực nƣớc.
- Đồ thị dao động mực nƣớc và lƣu lƣợng. Trục hoành biểu thị thời gian quan sát với 1mm tƣơng đƣơng 0,5 hay 1 giờ. Trục tung biểu thị lƣu lƣợng và mực nƣớc. - Đồ thị phụ thuộc giữa lƣu lƣợng và mực nƣớc hạ thấp Q =f(S) hay đồ thị giữa lƣu lƣợng đơn vị với trị số hạ thấp mực nƣớc q=f(S). Nếu là chùm hố khoan thì lập cho cả hố khoan trung tâm và hố khoan quan sát. Trục hoành biểu thị trị số S và trục tung biểu thị trị số Q hay q.
Có thể dựa vào các đồ thị trên để đánh gí mức độ chính xác của hút nƣớc thí nghiệm:
+ Khi Q =f(S) là một đƣờng thẳng (đƣờng I) thì chứng tỏ hút nƣớc thí nghiệm đúng đắn và có thể rút ra dự đoán đặc điểm thủy lực tầng chứa nhƣ sau: