90
Chơng 5
tính toán công trình khai thác nớc ngầm
Nớc ngầm có dạng chung nhất là nằm ở dới đất. Để có thể sử dụng nớc ngầm cho
các mục đích nh tới, cấp nớc cho sinh hoạt, cho công nghiệp, cho chăn nuôi... cần phải
có các công trình khai thác nớc ngầm.
Dựa vào tình hình cụ thể của mỗi khu vực nh điều kiện khí hậu, địa hình, điều kiện
địa chất và địa chất thủy văn... để tính toán thiết kế công trình khai thác nớc ngầm thích
hợp nhằm triệt để tận dụng nguồn nớc ngầm để thoả mãn tối đa các yêu cầu về nớc, đồng
thời vẫn phải đảm bảo các yêu cầu về môi trờng về cân bằng tự nhiên trong khu vực đó. Vì
vậy, việc thiết kế công trình khai thác nớc ngầm có một ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất lớn, nó
còn chứa đựng ý nghĩa xã hội đặc biệt trong những vùng mà nguồn nớc mặt khan hiếm.
5.1. Các công trình khai thác nớc ngầm
Tuỳ vào từng loại nớc ngầm khác nhau nh nớc ngầm tầng nông, nớc ngầm tầng
sâu, nớc ngầm hang động, nớc ngầm không áp, nớc ngầm có áp và các điều kiện về địa
chất, địa chất thủy văn nh cấu tạo địa tầng, động thái, trữ lợng nớc ngầm mà có các loại
công trình khai thác nớc ngầm khác nhau:
- Công trình khai thác nớc ngầm theo chiều đứng.
- Công trình khai thác nớc ngầm theo chiều ngang.
5.1.1. Công trình khai thác nớc ngầm theo chiều đứng
Công trình khai thác nớc ngầm theo chiều đứng thờng gặp ba loại sau:
- Giếng thùng (giếng hở)
- Giếng ống
- Giếng hỗn hợp
Những giếng này có tác dụng tập trung nớc ngầm rồi kết hợp với máy bơm cao áp
bơm nớc lên để sử dụng.
1. Giếng thùng
- Miệng giếng
- Thân giếng
- Bộ phận nớc vào
Miệng giếng thờng kết hợp bố trí vị trí đặt máy bơm cao áp
Thân giếng đợc cấu tạo bằng ống thép hoặc ống bê tông
Bộ phận nớc vào thờng đợc bố trí trên thân giếng tại những vị trí có tầng trữ
nớc, đợc cấu tạo có khả năng lọc nớc từ tầng trữ nớc vào giếng.
3. Giếng hỗn hợp
Giếng hỗn hợp là loại giếng kết hợp giữa giếng thùng và giếng ống có tác dụng khai
thác nớc ngầm tầng nông và cả nớc ngầm tầng sâu. Ngoài ra, còn có tác dụng giảm cột
nớc hút của máy bơm khi cần thiết và giảm khối lợng xây dựng.
Máy bơm
Miện
g giếng
Thân giếng
Bộ phận nớc vào
92
Hình 5.2 - Giếng ống
Hình 5.3 - Giếng hỗn hợp
Máy bơm
Nhìn chung khi xây dựng các giếng khai thác nớc ngầm, nớc từ tầng trữ nớc sẽ
chảy vào giếng, mực nớc trong giếng khi cha bơm bằng mực nớc tĩnh ở tầng trữ nớc
bão hoà nớc (mực nớc ngầm). Khi bắt đầu bơm nớc, mực nớc trong giếng sẽ hạ xuống
tạo ra một sự chênh lệch về mực nớc giữa mực nớc ngầm và mực nớc trong giếng, nớc
từ tầng trữ nớc xung quanh bắt đầu chảy vào trong giếng. Tất cả quá trình đó đều tuân theo
những nguyên lý thủy lực nhất định.
Để tính toán lu lợng có khả năng cung cấp của giếng, sự thay đổi của mực nớc
ngầm nhằm thiết kế công trình khai thác nớc ngầm trong những điều kiện địa chất thủy
văn nhất định, chúng ta phải nghiên cứu quy luật thủy lực của dòng chảy nớc ngầm vào
giếng.
5.2.1. Một số khái niệm cơ bản
1. Mực nớc tĩnh
Mực nớc trong giếng trớc khi bơm đợc gọi là mực nớc tĩnh. Nhìn chung, mực
nớc tĩnh bằng mực nớc ngầm (Water table), trừ trờng hợp giếng phun (Artesim) mực
nớc trong giếng có thể cao hơn mực nớc ngầm.
á
p suất của mực nớc tĩnh bằng áp suất
khí trời. Thờng dùng chiều sâu từ mặt đất đến mực nớc trong giếng để thể hiện mực nớc
tĩnh.
2. Mặt áp lực
Mặt áp lực là mặt có chiều cao bằng với mực nớc trong ống đo áp. Chiều cao h là
chiều cao dâng nớc so với một mặt chuẩn nào đó bằng áp suất tại điểm nằm trên mặt chuẩn
P chia cho trọng lợng riêng của nớc W:
W
P
h
=
3. Mực nớc bơm
9. Giếng ống (Tube well)
Giếng ống đợc cấu tạo bởi các đờng ống cắm vào lòng đất xuyên qua các tầng địa
chất trữ nớc và tầng địa chất không trữ nớc. Các ống kín xung quanh đợc đặt trong tầng
không trữ nớc. Tại các tầng trữ nớc bố trí bộ phận nớc vào là những lỗ, khe hở ở thành
ống. Tuy nhiên, có những giếng bộ phận nớc vào chỉ đặt ở đáy giếng (cavity well), nớc từ
tầng trữ nớc vào giếng chỉ đi qua đáy giếng.
10. Các điểm lọc nớc
Tại các vùng đồng bằng, tầng trữ nớc thờng là cát sỏi sạn nằm ở gần mặt đất, ngời
ta bố trí những ống ngắn. Trên thân ống bố trí chủ yếu là bộ phận nớc vào, phần thân giếng
(ống kín xung quanh) không đáng kể. Những giếng kiểu này ngời ta gọi là những điểm
lọc nớc.
5.2.2. Tính toán lu lợng của giếng có khả năng khai thác
Lý thuyết của Dacxy đã thiết lập nguyên lý cơ bản của chuyển động nớc ngầm. Dựa
trên nguyên lý này Dupuite - nhà thủy lực học ngời Pháp đã nghiên cứu các quy luật tổn
thất đầu nớc và thành lập công thức tính toán lu lợng nớc chảy vào giếng từ tầng trữ
nớc. Trong quá trình nghiên cứu, phân tích ông đã dựa trên một số giả thiết sau đây:
Độ dốc thủy lực của đờng áp lực là không đổi tại tất cả các điểm nằm trong vùng
ảnh hởng.
Độ dốc thủy lực tại một điểm nào đó của đờng mực nớc ngầm (hoặc đờng áp lực
đối với giếng có áp) chính bằng độ dốc mặt nớc tại điểm đó.
Dựa trên các cơ sở và giả thiết đó Dupuit đã phân ra một số trờng hợp tính toán
á
p dụng công thức:
Q = a
x
V = a
x
KJ (5.1)
Trong đó:
Q: Lu lợng chảy vào giếng
V: Tốc độ thấm
V = KJ
R
x
h
0
h +
h
dx
H
x
h
Q
h
97
K: Hệ số thấm
J: Độ dốc thủy lực
a
Q
2
hH
x
dx
K2
Q
hdh
2
0
2
R
r
H
h
0
=
=
( )
r
R
ln
hHK
thì độ hạ thấp của mực nớc ngầm trở nên không đáng kể. Ông quan sát thấy rằng sự bổ
sung thêm vào nớc ngầm từ nớc ma hoặc nớc tới trên mặt đất có xu hớng cân bằng
với lợng nớc đợc bơm khỏi giếng. Vì thế nó sẽ giữ cho bán kính ảnh hởng R gần nh
một hằng số.
Lý thuyết của Dupuite - Thiem đa ra hết sức quan trọng trong tính toán thủy lực
giếng.
98
Để tính toán các đặc trng thủy lực của tầng trữ nớc, công thức (5.2) đợc biến đổi và
đợc sử dụng trong điều kiện dòng chảy là ổn định.
Hình 5.6 - Sơ đồ tính toán theo độ hạ thấp mực nớc
Nếu lấy công thức (5.1)':
hdh
xK2
Qdx
=
Tích phân trong khoảng cách từ x
1
đến x
2
và từ h
1
đến h
2
, ta có:
( )
=
1
11
=
R
x
H
x
h
Q
h
2
r
x
1
x
2
S
S
2
S
1
99
H2
S
S'S
2
2
22
=
(5.4)
T = KH: Đợc coi nh khả năng chuyển nớc của tầng trữ nớc (m
2
/s)
()
21
1
2
'S'S2
x
x
lnQ
T
= (5.5)
Công thức (5.5) có thể sử dụng để ớc tính giá trị khả năng chuyển nớc và hệ số thấm
của tầng trữ nớc. Trong trờng hợp độ hạ thấp là nhỏ so với chiều dầy tầng bão hoà nớc
của tầng trữ nớc. Nói một cách khác, vì chiều dầy tầng trữ nớc không đổi rất ít xuất hiện
trong thực tế.
2. Tính lu lợng giếng với dòng chảy ổn định trờng hợp tầng trữ nớc
bị giới hạn
Hình 5.7 - Sơ đồ tính toán thuỷ lực dòng ổn định trong tầng trữ nớc
R
x
x
S
Kb2
Q
dh
= (5.6)
Tích phân phơng trình (5.6) với các điều kiện biên của giếng:
=
R
r
H
h
x
dx
Kb2
Q
dh
0r
R
ln
Kb2
Q
hH
0
sau đây:
Cách thứ nhất:
Quan sát độ hạ thấp trên các ống đo áp hoặc giếng quan sát vẽ biểu đồ trên giấy logarit
giữa thời gian và độ hạ thấp với:
101
- Trục hoành biểu thị thời gian với số đo theo cách chia logarit.
- Trục tung biểu thị độ hạ thấp với số đo theo cách chia đờng thẳng bình thờng.
Đờng cong quan hệ giữa thời gian và độ hạ thấp đợc quan sát và vẽ ở những thời gian
sau cùng. Đờng cong với những ống đo áp khác nhau sẽ
chạy song song và khoảng cách
giữa chúng là không đổi. Nh vậy có nghĩa là độ dốc thủy lực không thay đổi và có thể coi
dòng chảy trong tầng trữ nớc chảy với chế độ dòng ổn định. Các giá trị độ hạ thấp S
1
, S
2
đợc quan sát tại các ống đo áp có khoảng cách tới tâm giếng x
1
, x
2
tơng ứng.
Chúng ta có:
1
2
12
x
x
ln
hhKb2
Q
=
(5.8)
S
1
= H - h
1
h
1
= H - S
1
S
2
= H - h
2
h
2
= H - S
2
Thay vào công thức (5.8) ta có:
x
x
ln
SST2
Q
=
với T = Kb
T = K b: Đợc gọi là khả năng chuyển nớc của tầng trữ nớc bị giới hạn.
Thay các giá trị quan sát đợc vào công thức (5.9) chúng ta sẽ xác định đợc giá trị T,
K và b. Quan sát với nhiều cặp ống đo áp khác nhau chúng ta sẽ có nhiều giá trị T. Trị số
bình quân của các kết quả sẽ là giá trị gần với thực tế. Khi biết đợc khả năng chuyển nớc
T, ta có thể tính toán toán đợc hệ số thấm K hoặc chiều dầy tầng trữ nớc b nếu khảo sát
đợc một trong ba trị số đó.
Cách thứ hai:
Trên giấy bán logarit, vẽ đờng quan hệ giữa độ hạ thấp tại các ống đo áp và khoảng
cách tơng ứng của chúng tới tâm giếng.
- Trục tung biểu thị độ hạ thấp với tỷ lệ đờng thẳng.
- Trục hoành biểu thị khoảng cách tại các điểm đo áp tới tâm giếng chia theo tỷ lệ
logarit.
102
Nếu chọn các ống đo áp có khoảng cách gấp nhau 10 lần ta sẽ có công thức:
()
3,2
ST2
Q
Tần
g không trữ nớc
Tầng không trữ nớc
Mặt áp lực ban đầu103
- Tầng trữ nớc bị giới hạn.
- Dòng chảy trong tầng trữ nớc vào giếng chảy với trạng thái chảy không ổn định.
- Sự thay đổi của độ hạ thấp không đáng kể theo thời gian đồng thời gradien thủy lực
cũng không đổi theo thời gian.
- Sự chuyển động của nớc thoát ra từ tầng trữ nớc là tức thời với độ hạ thấp của đầu
nớc.
- Đờng kính của giếng là rất nhỏ nh vậy lợng trữ nớc trong giếng còn nh bỏ qua.
Năm 1940, Jacob đa ra phơng trình vi phân của dòng chảy không ổn định trong tầng
trữ nớc chảy hớng tâm và coi nh không có sự rò rỉ theo chiều đứng hớng nh sau:
Dòng chảy qua thể tích khống chế trong toạ độ cực
Lợng nớc đi vào trong thể tích khống chế là:
rT
x
h
r
(5.11)
(5.12)
Lợng nớc còn lại trong thể tích khống chế là:
+
2
rrrr
+
=
x
x
h
TxxxT
x
h
x
rr
(5.13)
Lợng nớc này theo phơng trình cân bằng nớc phải bằng
t
(5.14)
Trờng hợp môi trờng là đồng nhất, ta có:
t
h
Tx
h
x
1
x
h
2
2
=
+
(5.15)
Phân tố tính toán
x
x +
0
và khi bắt đầu bơm t
0.
Và
T2
Q
x
h
xlim
0x
=
Điều kiện ban đầu:
h
(x,0)
= h
0
với t
Sx
u
2
= và đợc biểu thị: - E
i
(-u)
Công thức (5.12) đợc áp dụng để tính toán thủy lực của giếng đứng khai thác nớc
ngầm và đợc coi là công thức của Theis.
Mực thủy áp
Tần
g chứa nớc
Q
105
Tích phân trên có thể đợc khai triển thành chuỗi hội tụ:
()
[]
uE
T4
Q
hhS
i0
==
S: Độ hạ thấp mực nớc ngầm
W(u): Hàm số giếng với tầng trữ nớc bị giới hạn, đẳng hớng, không bị rò rỉ thất
toát theo chiều đứng và giếng đợc đào xuyên qua toàn bộ tầng trữ nớc với các điều kiện
của dòng chảy là hằng số.
Trong công thức của Theis hệ số trữ nớc S và khả năng chuyển nớc T không thể xác
định một cách trực tiếp đợc vì nó cũng xuất hiện trong agument của phơng trình nh
một ớc số của một tích phân mũ. Có rất nhiều phơng pháp giải tích phân mũ này để xác
định các đặc trng thủy lực của tầng trữ nớc..., một số phơng pháp giải tơng đối phổ
biến sau đây:
- Phơng pháp đờng cong mẫu
- Phơng pháp của Jacop
- Phơng pháp phục hồi Theis
- Phơng pháp Kriz
Theis đa ra cách giải phơng trình tích phân trên bằng phơng pháp đờng cong mẫu
nhằm xác định các đặc trng thuỷ lực của tầng trữ nớc có giới hạn theo các bớc nh sau:
1. Chuẩn bị đờng cong mẫu (hình 5.10) của hàm số giếng Theis trên giấy logarit hai
chiều, (quan hệ W(u) u hoặc W(u) 1/u)
2. Vẽ quan hệ giữa S t/x
2
trên giấy logarit hai chiều có cùng tỉ lệ với đờng cong mẫu
W(u) u. Sau đó đặt chập quan hệ S t/ x
2
lên đờng cong mẫu sao cho hai quan hệ trùng
với nhau và các trục toạ độ song song từng đôi một (hình 5.11)
3. Chọn một điểm A nào đó trên đờng quan hệ S t/ x
2
(tốt nhất chọn điểm A đó có các
toạ độ W(u) = 1 và 1/u =10 để tính toán cho đơn giản). Từ điểm A dóng vào các trục toạ độ
tơng ứng ta tìm đợc các giá trị W(u), 1/u, S và t/ x
2
H×nh 5.11- Ph−¬ng ph¸p chËp ®−êng cong S
∼
t/x
2
vµ ®−êng cong W(u)
∼
1/ u
W (u)
10
210
110
010
-110
-210
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
1/u
§−êng W(u) ~ u
§−êng W(u) ~ 1/u
x = 30 m
x = 90 m
x = 220 m
10
-1
10
0
10
1
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
t/x
2
10
0 10
-1 10
-2
S
107
S': Độ hạ thấp sẽ phải xuất hiện trong bài toán coi là tầng trữ nớc bị giới hạn
tơng đơng
h
0
: Đầu nớc trớc khi bơm
Thực tế cho thấy nếu
25,0
h
S
0
thì hệ số trữ nớc gần nh là hằng số. Với sự hiệu
chỉnh này phơng pháp tính toán đặc trng thuỷ lực cho tầng trữ nớc có giới hạn sẽ đợc
dùng để giải quyết bài toán trong trờng hợp tầng trữ nớc không bị giới hạn.
Kriz đã đa ra cách giải bằng đồ thị bài toán đối với tầng trữ nớc không bị giới hạn
bằng cách giải phơng trình dòng không ổn định sau:
t
h
K
'S
x
h
x
1
x
h
2
2
0
=
và
tKh4
'Sx
0
2
=
Hình 5.12 - Đờng cong mẫu trong bài toán thuỷ lực tầng trữ nớc không giới hạn
Các đờng quan hệ đợc vẽ cho các giá trị khác nhau của trị số C:
2
0
Kh2
Q
C
= (5.22)
Khi chúng ta có một tập hợp các số liệu để vẽ đờng quan hệ giữa
0
h
h
= và logarit
của giá trị
t
x
2
, chồng các hình vẽ này lên đờng cong mẫu không thứ nguyên của tầng trữ
nớc không giới hạn có trục tung trùng các giá trị trùng với giá trị
0
8
9
10
12
14
17
20
23.10
2
2
0
Kh2
Q
C
=
Copyright: Tài liệu đại học ©