2.10.1. Thí nghiệm hút n−ớc trong hố khoan
Hút n−ớc 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 ph−ơng pháp hút n−ớc thí nghiệm từ một lỗ khoan đơn độc. Ph−ơng pháp này có độ chính xác không cao do xác định bán kính ảnh h−ởng và trị số hạ thấp mực n−ớc không chính xác.
∗ Hút chùm: Để xác định quan hệ thủy lực giữa các tầng chứa n−ớc, 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 n−ớc 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 n−ớc.
Ph−ơng pháp hút chùm có độ chính xác cao và tin cậy do có kết quả đo mực n−ớc ở các lỗ khoan quan trắc.
∗ Hút nhóm: Ph−ơng pháp hút n−ớc đồng thời từ một số hố khoan có ảnh h−ởng 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 n−ớc để xác định hệ số ảnh h−ởng hoặc hệ số giảm l−u 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 n−ớc, ép n−ớc
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 n−ớc qua môi tr−ờng đất đá. Dựa vào các thông số địa chất thuỷ văn có thể tính toán ổn định lún theo thời gian, xác định l−ợng n−ớc ngầm chảy vào hố móng, công trình ngầm hay các công tr−ờng 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 nh− l−u l−ợng 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 n−ớc từ hồ chứa sang thung lũng sông bên cạnh hay thấm qua đáy và vai đập.
1. Đổ n−ớc trong hố đào
Thí nghiệm đổ n−ớc trong hố đào nhằm mục đích xác định hệ số thấm của đất đá tầng phủ. Thí nghiệm này th−ờng đ−ợc thực hiện ở độ sâu nhỏ.
Thí nghiệm đổ n−ớc trong hố đào th−ờng đ−ợc 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 tr−ờng 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 n−ớc trong hố đào có thể đ−ợc tiến hành theo 2 ph−ơng 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 n−ớc theo ph−ơng pháp A.K.Bônđ−rev nh− hình 16 1- Thùng đựng n−ớc
2- Van khoá vòi n−ớc 3- ống dẫn n−ớc 4- Th−ớc đo mực n−ớc 5- Hố thí nghiệm
- Thùng đựng n−ớc có dung tích khoảng 50l, đ−ợc sử dụng để cấp n−ớc khi tiến hành thí nghiệm.
- ống dẫn n−ớc đ−ợc làm bằng cao su đ−a n−ớc từ thùng đựng n−ớc 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 n−ớc ổn định trong hố thí nghiệm đ−ợc đo bằng th−ớc đo đặt sẵn trong hố.
Để tiến hành thí nghiệm, cần đào hố có kích th−ớc 1,0x1,5m đến độ sâu thí nghiệm. Tại đáy hố, đào một hố nhỏ đ−ờng kính 40- 50cm, sâu 15- 20cm. Lắp đặt thiết bị nh− sơ đồ thí nghiệm. Thí nghiệm đ−ợc tiến hành bằng cách mở vòi (2) cho n−ớc chảy vào hố nhỏ đến độ cao cột n−ớc 10cm. Dùng đồng hồ bấm để theo dõi thời gian đổ n−ớc thí nghiệm. Khi đổ n−ớc, luôn giữ cho mực n−ớc thí nghiệm không đổi. Xác định l−u l−ợng n−ớc đổ trong khoảng thời gian 1’, 5’ hay 10’ một lần, tuỳ theo tốc độ thấm của n−ớc cho đến khi l−u l−ợng n−ớc tiêu hao ổn định trong quá trình thí nghiệm. Hệ số thấm của đất xác định theo công thức định luật Đacxi:
k =
I F
Q
. (43) Trong đó: Q- l−u l−ợng n−ớc thấm khi l−ợng n−ớc 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 ph−ơng pháp thí nghiệm này là đơn giản, dễ thực hiện. Nh−ợc điểm là thời gian thí nghiệm kéo dài (đối với đất cát mịn và cát pha, thời gian thí nghiệm th−ờng từ 5 đến 10 giờ, còn đối với các loại đất nh− 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.
Ph−ơng pháp thí nghiệm A.K.Bônđ−rev th−ờng đ−ợc sử dụng trong đất đồng nhất có chiều dày lớn từ 4 đến 6m, mực n−ớc ngầm nằm sâu hơn 5m.
b.Ph−ơng pháp N.X. Nexterôv
Sơ đồ thí nghiệm đổ n−ớc theo ph−ơng pháp N.X. Nexterôv nh− hình 17 Hình 16: Sơ đồ thí nghiệm đổ n−ớc
trong hố đào theo ph−ơng pháp Bônđ−ev
1 2
3 4
50
1- Bình đổ n−ớc 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 th−ớc 1,0x1,5m đến độ sâu lớp đất cần thí nghiệm. Đóng 2 vòng kim loại có đ−ờng 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 n−ớc 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 l−u l−ợng n−ớc tiêu hao trong các thời gian khác nhau, tuỳ theo loại đất đá nh− ph−ơng pháp A.K.Bônđ−rev.
Sau khi l−ợng n−ớc tiêu hao ổn định, đo l−ợng n−ớc thấm trong khoảng thời gian theo dõi, ta xác định đ−ợc l−u l−ợng n−ớc 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 Q k + = (44) Trong đó: Q- l−u l−ợng n−ớc thấm khi l−ợng n−ớc 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 n−ớc trong vòng kim loại thấm hết hay múc n−ớc 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 n−ớc, 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 n−ớc 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 ph−ơng pháp A.K.Bônđ−rôv, kết quả thí nghiệm có độ chính xác cao. Nh−ợc điểm của ph−ơng 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 tr−ờng hợp cần xác định hệ số thấm của đất đá (đặc biệt là đất rời) ở d−ới sâu khi khảo sát địa chất công trình, có thể tiến hành đổ n−ớc trong hố khoan.
Hình 17: Sơ đồ thí nghiệm đổ n−ớc trong hố đào theo ph−ơng pháp N.X. Nexterôv
1 1
2 3 5
51
∗ Tr−ờng hợp đất đá không có n−ớc: Sơ đồ thí nghiệm nh− hình 18.
hc- Cột n−ớc trong hố khoan l- Chiều dài ống lọc
z- Khoảng cách tới tầng cách n−ớc Yêu cầu z > hc, l > hc
Thí nghiệm th−ờng đ−ợc 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 n−ớc, mực n−ớc luôn đ−ợc khống chế trong phạm vi ống lọc.
Khi thí nghiệm xác định l−ợng n−ớc tiêu hao theo thời gian và l−ợng n−ớc 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- cột n−ớc trong hố khoan. Hệ số thấm đ−ợc xác định theo công thức: k = 0,423 c c c r h h Q 2 lg (46) ∗ Tr−ờng hợp đất đá có n−ớc: Sơ đồ thí nghiệm nh− hình 19 1- Thùng đựng n−ớc
2- Van điều chỉnh l−u l−ợng 3- Vật đối trọng của phao
4- Máng hứng n−ớc vào hố khoan 5- Phao đo mực n−ớc
6- Mực n−ớc tĩnh
Thí nghiệm đổ n−ớc hố khoan trong điều kiện đất đá có n−ớc đ−ợc thực hiện nh− sơ đồ hình 2.15. Trong quá trình đổ n−ớc, mực n−ớc trong hố khoan luôn đ−ợc giữ ổn định, không đổi, theo dõi l−ợng n−ớc tiêu hao theo thời gian và xác định l−ợng n−ớc tiêu hao ổn định.
Hệ số thấm của đất đ−ợc xác định theo công thức hút n−ớc 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 n−ớc hố
khoan trong đất đá không có n−ớc
z l h c Hình 19: Sơ đồ thí nghiệm đổ n−ớc hố khoan trong đất đá có n−ớc 1 2 3 4 5 H hc R 6
52
khoan đối với tr−ờng hợp n−ớc 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- l−u l−ợng n−ớc ổn định khi thí nghiệm (m3/ngđ); R- bán kính ảnh h−ởng (m).
Có thể xác định bán kính ảnh h−ởng theo nhiều cách khác nhau. Để tiện sử dụng hơn cả, trong tr−ờng hợp thí nghiệm có thể xác định bán kính ảnh h−ởng theo công thức kinh nghiệm.
3. ép n−ớc trong hố khoan
Mục đích của thí nghiệm ép n−ớc trong hố khoan nhằm xác định tính thấm, khả năng hấp thụ n−ớc của đất đá, từ đó đánh giá mức độ nứt nẻ hay cactơ hoá của đá. Thí nghiệm ép n−ớc trong hố khoan th−ờng 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 phép hiểu rõ đặc tr−ng thấm n−ớc, 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 n−ớc là cơ sở để thiết kế, đánh giá chất l−ợng 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 n−ớc vào các đoạn đất đá đã đ−ợc cách ly với các chế độ áp lực định tr−ớc, từ đó xác định l−ợng l−u l−ợng mất n−ớc đơn vị của từng đoạn ép. Thí nghiệm ép n−ớc có thể đ−ợc tiến hành đến l−u l−ợng ổn định hoặc không ổn định, có hay không có hố khoan quan trắc. Trong thực tế th−ờng ép n−ớc theo chế độ ổn định và không có hố khoan quan trắc (ép n−ớc theo chế độ không ổn định chỉ đ−ợc thực hiện khi đất đá nứt nẻ mạnh và không có n−ớc). Chiều dài đoạn ép tiêu chuẩn th−ờng là 5m. Trong tr−ờng hợp đất đá có độ thấm n−ớc kém (l−u l−ợng mất n−ớc đơn vị q ≤ 0,1(l/phmm)) thì chiều dài đoạn ép có thể lấy đến 10- 15m. Tr−ờng hợp đất đá có độ thấm n−ớc lớn, điều kiện cấp n−ớc khó khăn thì có thể ép với chiều dài đoạn ép 3m. Để dễ so sánh mức độ mất n−ớc trên từng đoạn khác nhau và ở các vùng khác nhau, nên lấy đoạn ép thống nhất theo tiêu chuẩn.
Tr−ớc khi đ−a 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 n−ớc thì chứng tỏ nút đã bị rò (tr−ờng 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 n−ớc 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 (t−ơng ứng với 5, 10, 15 mét cột n−ớc (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 h−ởng 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. Tr−ờng hợp các khe nứt của đất đá bị lấp nhét nhiều thì có thể ép n−ớc theo trình tự cấp áp lực từ cao đến thấp. Khi ép n−ớc thí nghiệm để thiết kế xây dựng công trình đập thuỷ lợi, th−ờng 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 đ−ợc tiến hành cho đến khi l−u l−ợng ép n−ớc ổn định. L−u l−ợng ép n−ớc đ−ợc xem là ổn định nếu không thay đổi sau 1- 2 giờ. Trong quá trình thí nghiệm cứ 5- 10 phút đo l−u l−ợng một lần.
Hiện nay, ở n−ớc ta đã áp dụng khá phổ biến ph−ơng pháp ép n−ớc nghiệm của M. Lyujôn. Theo ph−ơng pháp này, n−ớc đ−ợc ép vào trong hố khoan trên đoạn ép dài 5m