2.1.1 Sơ lược quỏ trỡnh phỏt triển
Với tỏc phõ̉m nổi tiếng “Vờ̀ cỏc lớp vỏ của Trỏi đất” – 1750, Lomonosov đó đặt cơ sở đầu tiờn để phỏt triển khoa học vờ̀ sự vận đụ̣ng của nước dưới đất.
Hiợ̀n tượng thấm củ a nước dưới đất trong mụi trường lỗ hổng được Darcy nghiờn cứu từ năm 1856. Trờn cơ sở thực nghiợ̀m Darcy đó xỏc định quy luật thấm của nước trong mụi trường lỗ hổng, đó là định luật thấm đường thẳng.
Lý thuyết suy rụ̣ng vờ̀ sự vận đụ̣ng của nước dưới đất xuất hiợ̀n vào năm 1898, sau khi N .E.Jucovxky cụng bố tỏc phõ̉m “Nghiờn cứu lý thuyết vận đụ̣ng của nước ngầm” . ễng đó đưa ra khỏi niợ̀m lực cản , lực khối lượng khi thấm và lần đầu tiờn ụng đó đư a ra phương trỡnh vi phõn vờ̀ sự vận đụ̣ng của nước dưới đất . Chớnh Jucovxki đó đặt cơ sở khoa học để tiếp tục phỏt triển lý thuyết thấm.
Năm 1922 N.N.Pavlovxki đó đờ̀ nghị dựng phương phỏp điợ̀n – thủy đụ̣ng lực tương tự để xỏc định cỏc thụng số của dòng thấm mà cho đến nay nó vẫn là mụ̣t trong những phương phỏp hiợ̀n đại nhất ỏp dụng cho bóo hòa đất.
Những vấn đờ̀ vờ̀ lý thuyết vận đụ̣ng khụng ổn định đó được
Boussinesq nghiờn cứu đầu tiờn (1904). Phương trỡnh vi phõn vận đụ̣ng khụng ổn định do ụng thành lập cho đến ngày nay vẫn được coi như là phương trỡnh vi phõn cơ bản của vận đụ̣ng khụng ổn định của nước dưới đất.
Ngày nay lý thuyết thấm vẫn khụng ngừng phỏt triển và được ứng dụng vào nhiờ̀u chuyờn ngành khỏc nhau.
2.1.2 Tầm quan trọng của lý thuyết thấm
“Sự vận đụ̣ng của chất lỏng trong mụi trường lỗ hổng gọi là thấm” -
-18-
định nghĩa này chỉ cho ta biết sơ lược đối tượng nghiờn cứu mà khụng ch o khỏi niợ̀m vật lý của hiợ̀n tượng thấm.
Lý thuyết vờ̀ sự vận đụ̣ng của chất lỏng (nước, dầu mỏ, hơi nước…) trong đất, đỏ nứt nẻ hoặc trong mụi trường xốp nói chung , gọi là lý thuyết thấm. Viợ̀c nghiờn cứu vận đụ̣ng của c hất lỏng trong mụi trường đất , đỏ có ý nghĩa quan trọng trong thực tế như : khai thỏc nước ngầm , khai thỏc dầu mỏ , rửa mặn bằng tiờu nước , tổn thất nước do thấm , nước mưa, nước tưới thấm vào mặt đất, thấm qua nờ̀n cỏc cụng trỡnh ngăn nước…
Đặc biợ̀t trong cụng trỡnh thủy lợi , lý thuyết thấm có vai trò quan trọng như cần xỏc định cỏc đặc trưng của dòng thấm qua đập đất , qua đờ quai thi cụng hố móng , thấm vào hố móng , thấm dưới đỏy cụng trỡnh bờ tụng, thấm vòng qua vai đập , thấm vòng quanh bờ… Trong thiết kế cụng trỡnh thủy lợi phải tớnh toỏn xỏc định cỏc đặc trưng của dòng thấm như ỏp lực thấm , lưu lượng thấm, Gradient... nghĩa là giải quyết xong bài toỏn thấm, khi đó mới đủ điờ̀u kiợ̀n để đỏnh giỏ ổn định và đụ̣ bờ̀n của cụng trỡnh.
Nụ̣i dung trong luận văn này sẽ đờ̀ cập đến sự phỏt triển và ứng dụng lý thuyết thấm trong cụng trỡnh thủy lợi mà đối tượng chủ yếu là thấm qua đậ p đất.
2.1.3 Cỏc phương phỏp giải bài toỏn thấm
a. Phương phỏp cơ học chất lỏng
Phương phỏp cơ học chất lỏng dựng cụng cụ toỏn học để xỏc định những trưng của dòng thấm như lưu lượng , lưu tốc, gradient, ỏp lực, đường bóo hòa tại bất kỳ mụ̣ t vị trớ nào trong mụi trường thấm . Do khi tớnh toỏn khụng đưa vào nhiờ̀u những giả thiết cho nờn phương phỏp này cho kết quả chớnh xỏc.
Tuy vậy phương phỏp này chỉ sử dụng được trong trường hợp bài toỏn có sơ đồ đơn giản . Khi gặp những sơ đồ phức tạp (điờ̀u kiợ̀n ban đầu và điờ̀u
-19-
kiợ̀n biờn phức tạp) thỡ cỏch giải này gặp nhiờ̀u khó khăn vờ̀ mặt toỏn học và trong nhiờ̀u trường hợp gần như bế tắc. Do vậy trong thực tế thiết kế tớnh toỏn thấm, phương phỏp này ứng dụng rất hạn chế.
b. Phương phỏp thủy lực
Kể từ khi cụng bố định luật thấm cơ bản Darcy đến khoảng cuối thập niờn 80 của thế kỷ 20, phương phỏp thủy lực trong lý thuyết thấm phỏt triển mạnh và đạt đến những thành tựu to lớn , đó ứng dụng giải quyết được nhiờ̀u bài toỏn thấm trong cụng trỡnh thủy lợi , khai thỏc nước ngầm và cỏc bài toỏn thấm ổn định khỏc.
Phương phỏp thủy lực giới hạn nghiờn cứu dòng thấm biến đổi chậm , thỏa món tiờ̀n đờ̀ Duy -puy, khi xem tất cả cỏc đường dòng có đường cong nhỏ, song song với nhau, dẫn đến gradient thủy lực J = const. Khi miờ̀n thấm có thiết bị thoỏt nước , cần sử dụng giả thiết Cozeny , mặt khỏc cần sơ đồ hóa cao đụ̣ mặt cắt tớnh toỏn.
Phương phỏp thủy lực cho lời giải cỏc thụng số dòng thấm như dưới dạng biểu thức toỏn đơn giản dễ tớnh toỏn ngay cả đối với bài toỏn phức tạp trong thực tế. Đụ̣ chớnh xỏc của phương phỏp thủy lực đủ đỏp ứng yờu cầu kỹ thuật và thường thiờn vờ̀ an toàn , do đó phương phỏp này được phổ biến và ứng dụng rụ̣ng rói nhất trong thực tế.
c. Phương phỏp thực nghiệm
Trong lý thuyết thấm, phương phỏp thực nghiợ̀m đóng vai trò quan trọng. Điờ̀u này dễ nhận thấy vỡ xuất phỏt từ thực nghiợ̀m, Darcy đó khỏi quỏt rỳt ra định luật thấm cơ bản, bờn cạnh đó, nhiờ̀u thực nghiợ̀m đó là cơ sở để xõy dựng lý thuyết thấm. Trong quỏ trỡnh nghiờn cứu, với nhiờ̀u trường hợp điờ̀u kiợ̀n biờn của bài toỏn khỏ phức tạp, viợ̀c tỡm lời giải bằng cỏc phương phỏp lý thuyết khụng đơn giản thỡ phương phỏp thực nghiợ̀m lại tỏ ra chiếm ưu thế hơn.
-20-
Cỏc hỡnh thức thớ nghiợ̀m bằng phương phỏp thực nghiợ̀m:
- Thớ nghiợ̀m trờn mụ hỡnh vật lý: đõy là mụ hỡnh được làm bằng vật liợ̀u ở dòng thấm thực tế. Giữa chỳng có sự tương tự vờ̀ mặt hỡnh học, vờ̀ vận đụ̣ng của chất lỏng thấm. Mụ hỡnh có lắp đặt cỏc thiết bị tạo ra cỏc điờ̀u kiợ̀n biờn để đo cụ̣t nước ỏp lực bờn trong mụ hỡnh. Hỡnh thức thớ nghiợ̀m này có nhược điểm vờ̀ kỹ thuật là cồng kờ̀nh, khó chế tạo mụ hỡnh, khó khống chế được tớnh khụng đồng nhất của mụ hỡnh. Ưu điểm là có khả năng nghiờn cứu trực tiếp bản chất của cỏc quỏ trỡnh thấm. Khả năng này cho phộp tiến hành lập mụ hỡnh trong trường hợp còn chưa rõ cỏch mụ tả toỏn học của quỏ trỡnh.
- Thớ nghiợ̀m thấm khe hẹp Hele-shaw: trong mỏng khe hẹp, dòng thấm được mụ hỡnh hóa bằng dòng chảy tầng của chất lỏng nhớt trong khe hở nhỏ hẹp. Tuy nhiờn vỡ khó khăn vờ̀ phương phỏp và kỹ thuật nờn mỏng khe hẹp khụng được phổ biến rụ̣ng rói.
- Lập mụ hỡnh quỏ trỡnh theo phương phỏp tương tự điợ̀n thủy đụ̣ng: đõy là mụ̣t mụ hỡnh toỏn học, là phương phỏp mụ phỏng dòng thấm thực tế bằng mụ̣t quỏ trỡnh vật lý nào đó khỏc quỏ trỡnh thấm mà giữa chỳng có sự tương tự vờ̀ toỏn học, ở đõy chớnh là sự tương tự giữa hiợ̀n tượng chuyển đụ̣ng của dòng thấm với sự chuyển dụ̣ng của dòng điợ̀n. Thớ nghiợ̀m này cũng có nhược điểm dó là: nếu mụ hỡnh làm bằng giấy dẫn điợ̀n thỡ cỏc giấy có điợ̀n trở tiờu chuõ̉n khó có thể đảm bảo giữ được tỷ lợ̀ chớnh xỏc; trờn mụ hỡnh dung dịch chất điợ̀n phõn tuy khắc được hạn chế của mụ hỡnh giấy dẫn điợ̀n thỡ mắc phải sai số trong quỏ trỡnh thớ nghiợ̀m xảy ra hiợ̀n tượng điợ̀n phõn. Hiợ̀n nay, để khắc phục hiợ̀n tượng điợ̀n phõn, người ta đó có sự tự đụ̣ng hóa trong thớ nghiợ̀m bằng cỏc thiết bị đo hiợ̀n đại sao cho quỏ trỡnh thớ nghiợ̀m diễn ra nhanh
-21-
chóng rỳt ngắn được thời gian đo đạc. Mụ hỡnh này có thể ứng dụng rụ̣ng rói cho nhiờ̀u bài toỏn thấm khỏc nhau.
- Ngoài ra còn rất nhiờ̀u thớ nghiợ̀m thấm khỏc đó được sử dụng để xỏc định hợ̀ số thấm cho từng loại vật liợ̀u, xỏc định hợ̀ số dung tớch trọng lực, hợ̀ số thoỏt nước…
d. Phương phỏp vẽ lưới thấm
Phương phỏp vẽ lưới thấm có thể thực hiợ̀n cho mụi trường đồng nhất và bất đẳng hướng, tuy nhiờn viợ̀c vẽ lưới thấm phức tạp nờn ớt sử dụng, thường sử dụng cỏc mụ hỡnh số để giải quyết.
e. Phương phỏp mụ hỡnh số
Mụ hỡnh số được ứng dụng cho nhiờ̀u cụng trỡnh khoa học kỹ thuật. Sự phỏt triển của phương phỏp số, đặc biợ̀t là sự phỏt triển rất mạnh mẽ.