2.1.3. Phõn loại dũng thấm 2.1.3.1. Theo trạng thỏi chảy
• Dũng thấm chảy tầng
Trong quỏ trỡnh vận động, cỏc đường dũng song song với nhau.
Cột nước ỏp lực Cột nước vận tốc Cột nước thế
27 • Dũng thấm chảy rối
Trong quỏ trỡnh vận động, cỏc đường dũng xoắn vào nhau, thường xảy ra khi vận tốc thấm quỏ lớn.
2.1.3.2. Theo yếu tố thời gian
• Dũng thấm ổn định
Dũng thấm được coi là ổn định khi cỏc đặc trưng của dũng thấm như lưu lượng Q, vận tốc dũng thấm v, ỏp suất thủy động P, Gradient J...khụng phụ thuộc thời gian mà chỉ phụ thuộc vào cỏc tọa độ khụng gian. Cỏc đường dũng cũng khụng
đổi theo thời gian và trựng với quỹđạo chuyển động của chất điểm. • Dũng thấm khụng ổn định
Dũng thấm được coi là khụng ổn định khi cỏc yếu tố đặc trưng của dũng thấm khụng những phụ thuộc vào tọa độ khụng gian mà cũn phụ thuộc vào thời gian. Khi dũng thấm chuyển động khụng ổn định, ở mỗi điểm trong dũng thấm, vector tốc độ thay đổi theo thời gian, nờn cỏc đường dũng cũng thay đổi theo thời gian. Cỏc đường dũng này cho biết hướng và cỏc trị số của tốc độ ở những điểm khỏc nhau trờn nú tại một thời điểm cho trước (t1). Cũn quỹđạo vận động của chất
điểm là đường cong di chuyển của chất điểm ở những thời điểm khỏc nhau.
Do đú khi chuyển động khụng ổn định đường dũng khụng trựng với đường quỹđạo.
2.1.3.3. Theo đặc điểm, tớnh chất của biờn trờn miền thấm
• Dũng thấm cú ỏp
Khi biờn trờn của dũng thấm bị chặn bởi đỏy cỏc cụng trỡnh, tầng phủ khụng thấm nước hoặc thấm nước rất yếu, dũng thấm bị giới hạn là dũng thấm cú ỏp. Tại cỏc điểm khỏc nhau trờn mặt giới hạn, ỏp lực nước thấm khỏc nhau và lớn hơn ỏp lực khớ trời (ỏp suất ở biờn trờn của miền đất thấm lớn hơn ỏp suất khớ quyển). Thấm qua đỏy cụng trỡnh thủy lợi, qua tầng cỏt dưới đờ thụng nước trực tiếp với sụng thuộc loại dũng thấm cú ỏp.
28
Khi biờn trờn của miền thấm là mặt bóo hũa hoặc mặt đất thỡ dũng thấm khụng bị giới hạn và là dũng thấm khụng ỏp. Giao tuyến của mặt phẳng thẳng đứng với mặt bóo hũa tạo nờn đường bóo hũa. Trờn mặt bóo hũa ỏp lực nước thấm bằng ỏp lực khớ trời (ỏp suất trờn mặt bóo hũa bằng ỏp suất khớ quyển). Trong trường hợp dũng thấm ổn định thỡ đường bóo hũa chớnh là đường dũng đầu tiờn thấm qua đờ, qua thõn đập đất thấm qua bờ kờnh, thấm vũng quanh bờ cỏc cụng trỡnh thủy lợi… là cỏc dũng thấm khụng ỏp.
2.1.3.4. Theo tớnh chất khụng gian của miền thấm
• Dũng thấm một hướng
Cỏc quy luật vận động dọc theo cỏc quỹđạo của dũng thấm hoàn toàn giống nhau. Ở đú trờn tiết diện cú phương vuụng gúc với phương của vector tốc độ thấm, tại tất cả cỏc điểm khụng những cú chiều song song mà cũn cú độ dài bằng nhau.
• Dũng thấm hai hướng
Khi nước vận động trong mụi trường lỗ hổng mà tất cả cỏc vector tốc độ của chất điểm đều vận động song song với một mặt phẳng cho trước ta sẽ cú dũng thấm hai chiều.
Dũng thấm phẳng: thấm trong tầng chứa cú kớch thước theo mặt cắt ngang rất lớn nhưng theo chiều dày (phương đứng) khụng lớn. Biến dạng của dũng chủ
yếu xảy ra trong mặt bằng cũn trờn mặt thẳng đứng dũng chảy cú tớnh chất song song.
Hiện tượng thấm qua thõn đờ, đập đất cú chiều dài lớn là vớ dụđiển hỡnh cho dũng thấm thẳng đứng.
• Dũng thấm khụng gian
Khi nước dưới đất vận động trong mụi trường là lỗ hổng mà cỏc đường dũng khụng song song với bất kỳ mặt phẳng cho trước nào thỡ vận động đú gọi là dũng thấm khụng gian ba chiều. Để xỏc định cỏc yếu tố dũng chảy cần dựng đến tọa độ
khụng gian. Trong thực tế cụng trỡnh thủy cụng, dũng thấm trong thõn đập cú chiều dài đập ngắn, dũng thấm vũng quanh vai đập, dũng thấm tiếp xỳc tại những nơi tiếp xỳc giữa đập đất và cụng trỡnh bờ tụng là vớ dụ về dũng thấm ba hướng.
29
2.1.4. Phõn loại mụi trường thấm 2.1.4.1. Theo tớnh chất của mụi trường
Theo tớnh chất của mụi trường thấm, cú dũng thấm trong mụi trường đồng nhất, khụng đồng nhất, đẳng hướng, khụng đẳng hướng[19]. Mụi trường thấm cú thể được xỏc định là tổ hợp của hai tớnh chất đồng nhất và đẳng hướng. Vớ dụ mụi trường thấm đồng nhất đẳng hướng, đồng nhất khụng đẳng hướng, khụng đồng nhất đẳng hướng, khụng đồng nhất khụng đẳng hướng.
2.1.4.2. Theo đối tượng nghiờn cứu thấm
• Thấm qua cụng trỡnh thủy lợi
Thấm qua bản thõn cụng trỡnh như thõn đờ, đập đất, thấm dưới nền, thấm vũng quanh bờ[21]. Trong thiết kế, quản lý vận hành cỏc cụng trỡnh, loại thấm này
được đặc biệt chỳ ý và hoạt động của nú cú thể làm giảm thậm chớ làm mất ổn định mỏi dốc, mất ổn định cụng trỡnh… Chỉ trờn cơ sở xỏc định được cỏc yếu tố đặc trưng của dũng thấm thỡ mới cú thể quyết định được hỡnh thức và kết cấu cụng trỡnh.
• Thấm trong mụi trường đất đỏ tự nhiờn
Nghiờn cứu thấm trong mụi trường đất đỏ tự nhiờn nhằm đỏnh giỏ, dự bỏo quy luật của nước ngầm, lỳn bề mặt và trượt lởđất.
2.1.4.3. Theo tớnh chất bóo hũa của mụi trường
• Dũng thấm trong đất bóo hũa
Dũng thấm trong đất bóo hũa đó được nghiờn cứu từ thế kỷ 19, cụng trỡnh nghiờn cứu đầu tiờn về vấn đề này phải kểđến định luật thấm Darcy năm 1856.
• Dũng thấm trong đất khụng bóo hũa
Dũng thấm trong đất khụng bóo hũa được nhiều nhà khoa học quan tõm nghiờn cứu trong nhiều thế kỷ qua (Buckingham 1907, Richard 1931, Dorey 1940…). Khoảng 20 năm trở lại đõy, những nghiờn cứu về đất khụng bóo hũa thu
được những thành tựđỏng kể như việc nghiờn cứu của Freeze 1971, Papagiannakis và D. G Fredlund 1984 đó chỉ rừ cú một dũng nước thấm liờn tục giữa đất bóo hũa và khụng bóo hũa.
30
2.1.5. Định luật thấm cơ bản
2.1.5.1. Định luật thấm tuyến tớnh (định luật Darcy)[4]
Năm 1856, Darcy – một kỹ sư người Phỏp đó làm thớ nghiệm để nghiờn cứu quỏ trỡnh thấm ở trong đất và rỳt ra định luật: lưu lượng của dũng thấm trong một
đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với chờnh lệch cột nước, tiết diện dũng thấm và tỷ lệ
nghịch với chiều dài dũng thấm: kJF F l h k Q= Δ = (2.6) Trong đú, k – hệ số thấm của đất, m/ngày đờm Δh – chờnh lệch cột nước, m l – chiều dài dũng thấm, m J – độ dốc thủy lực (gradient thấm) F – tiết diện ướt của dũng thấm, m2
2.1.5.2. Cỏc định luật thấm phi tuyến
Khi vận tốc dũng thấm lớn xảy ra trạng thỏi thấm rối, quan hệ giữa vận tốc thấm và gradient ỏp lực thấm khụng cũn tuyến tớnh nữa. Khi đú sự vận động của nước khụng cũn tuõn theo định luật Darcy, mà tuõn theo định luật thấm phi tuyến. Giới hạn quỏ độ từ chảy tầng qua chảy rối cú thể dựa vào quan hệ giữa lực quỏn tớnh và lực ma sỏt. Bởi vỡ, số Reynolds được đặc trưng bằng tỷ số giữa lực quỏn tớnh và lực ma sỏt cho nờn những nhà nghiờn cứu về giới hạn này đều dựa vào số Reynolds.
Viện sĩ N. N. Pavlovxki là người đầu tiờn đề ra việc dựng trị số Reynolds để
xỏc định giới hạn ứng dụng định luật Darcy và theo N. N. Pavlovxki, định luật Darcy thỏa món trong trường hợp khi:
R = 7 ữ 9
Trong đú, R – số Reynolds tớnh theo cụng thức của N. N. Pavlovxki: ν ) 23 , 0 75 , 0 ( + = e vd Re (2.7) Trong đú,
31 v- lưu tốc thấm; d – đường kớnh hiệu dụng của hạt đất; ν - hệ số nhớt động học; e – hệ số rỗng của đất. • Cụng thức Chezy
Quy luật vận động của dũng thấm rối được thể hiện bằng cụng thức Chezy như sau: dJ C v= (2.8) Trong đú: C – hệ số phụ thuộc vào độ nhẵn của thành lũng dẫn;
d – bỏn kớnh thủy lực, bằng diện tớch tiết diện chia cho chu vi ướt, cm; J – độ dốc thủy lực.
• Cụng thức Chezy – Kraxnoponxki
Kraxnoponxki A. A đề nghị đưa vào cụng thức Chezy hệ số kk =C d , khi
đú cụng thức được gọi là cụng thức Chezy – Kraxnoponxki và cú dạng: 2 / 1 J k v = k (2.9) • Cụng thức Smơrờke
Smơrờke cho rằng trong điều kiện tự nhiờn cú thể cú dạng vận động quỏ độ
giữa chảy rối và chảy tầng, được biểu diễn bởi cụng thức sau: n sJ k v= 1/ (2.10) Trong đú: ks – hệ số thấm, về trị số khụng bằng hệ số thấm của định luật thấm đường thẳng và lũy thừa bậc hai; n trong khoảng 1 ữ 2.
• Cụng thức Proni
Sự chuyển đổi từ thấm tầng sang thấm rối là một sự chuyển đổi từ từ khi tăng dần gradient thủy lực. Vỡ vậy, cụng thức Proni thể hiện quy luật thấm một cỏch tổng quỏt hơn:
32
Trong đú: a, b – thụng số phụ thuộc vào đặc tớnh của mụi trường lỗ rỗng.
2.2. Phương phỏp giải bài toỏn thấm
Bài toỏn thấm là một trong những bài toỏn địa kỹ thuật rất phức tạp. Hiện nay, bài toỏn thấm cú thể được giải bằng phương phỏp giải tớch, phương phỏp sử
dụng lưới thấm và phương phỏp mụ hỡnh. Khi giải bài toỏn thấm cần phõn tớch kỹ đặc điểm, tớnh chất của mụi trường thấm, trạng thỏi vận động của dũng thấm để lựa chọn phương phỏp phõn tớch phự hợp, đảm bảo độ tin cậy.