Chi tiết lĩnh vực

Các thuộc tính thủy lực quan trọng của đất - nước dưới đất_Phần 1

( 14-05-2019 - 03:27 PM ) - Lượt xem: 320

Các tính chất thủy lực của vật liệu đất và nước dưới đất phụ thuộc vào một số các thuộc tính thủy lực quan trọng dưới đây. Tài liệu được dịch từ sách "The Handbook of Groundwater Engineering" hiệu chỉnh bởi Jacques Delleur, 1999.

 

Độ rỗng - Porosity

Độ ẩm - Moisture content

Lực mao dẫn - Capillarity

Lực tĩnh điện và trạng thái của nước trong lỗ rỗng - Electrostatic forces attraction and states of water in pores

Hệ số nén của nước - Compressibility of water

Hệ số nén vật liệu đất đá - Compressibility of soild earth materials

Cột áp thủy tĩnh - Hydraulic head

Độ lưu trữ - Storage

Tính thấm nội tại - Intrinsic permeability

Độ nhớt - Viscosity

Độ dốc thủy lực - Hydraulic gradient

Hệ số dẫn thủy lực trong môi trường bão hòa - Hydraulic conductivity of saturated media

Hệ số dẫn thủy lực trong môi trường không bão hòa - Hydraulic conductivity of unsaturated media

Bất đẳng hướng và không đồng nhất - Anisotropy and heterogeneity

 

Độ rỗng - Porosity

 

Độ rỗng (n) được định nghĩa là tỷ số thể tích lỗ rỗng của mẫu đất đá (Vp) với tổng thể tích của cả phần rỗng và phần hạt rắn.

Khi một mẫu đá được hình thành bởi sự kết tủa, sự tan chảy của đá lửa, sự bất ổn định từ trầm tích hoặc khi đất được hình thành bởi sự phong hóa của vật liệu đá, thực thể mới sẽ chứa một độ rỗng nhất định được gọi là độ rỗng sơ cấp (primary porosity). Độ rỗng này sau đó có thể bị giảm đi bởi chất kết dính từ các kết tủa từ sự tuần hoàn của nước ngầm, hoặc từ nén lún kèm theo chôn lấp bởi các trầm tích sau này. Tuy nhiên, cấu trúc hoặc khoang dung dịch hình thành trong đất đá,… sau này có thể hình thành và được gọi là độ rỗng thứ cấp (secondary porosity). Do đó, tổng độ rỗng của mẫu đất đá sẽ là tổng của độ rỗng sơ cấp và thứ cấp.

Nếu tất cả các lỗ rỗng trong đá không được kết nối, chỉ một phần nhất định của lỗ rỗng sẽ cho phép nước đi qua, và phần này được gọi là độ rỗng hữu hiệu (hay độ rỗng hiệu quả). Một ví dụ là đá bọt có thể nổi trong nước vì tổng độ rỗng rất cao và vì nó chứa quá nhiều khí nên khối riêng của nó nhỏ hơn nước. Có thể mất vài ngày để có thể chìm trong nước vì độ rỗng hữu hiệu thấp đến nước không thể dễ dàng đi qua nó. Sỏi thô có thể có độ rỗng chỉ khoảng 25%, nhưng thực tế độ rỗng đó sẽ có hiệu quả. Do đó, sỏi là một chất dẫn nước tuyệt vời.

Độ rỗng của đá hoặc đất được xác định chủ yếu bởi sự sắp xếp của các hạt và tính đồng nhất của phân bố kích thước hạt. Độ rỗng lý tưởng lớn nhất có thể đạt được trong một vật liệu có hạt hình cầu đồng nhất là 47,65%; cấu trúc hình khối (Hình 1A). Độ rỗng ít nhất có thể đạt được với cùng một loại hạt được tìm thấy trong cấu trúc hình thoi với giá trị 25,95% (Hình 1B).

Hình 1: (A) Cấu trúc hình vuông; (B) Cấu trúc hình thoi

Đây là những trạng thái lý tưởng vì không có trầm tích tự nhiên hoặc đá có chứa các hạt hình cầu cũng như các hạt có kích thước đồng đều. Nếu các hạt nhỏ nằm trong khoảng trống giữa các hạt lớn, độ rỗng sẽ giảm xuống dưới mức đó đối với các hạt lớn. Điều này được thể hiện bằng hệ số đồng nhất (Cu) là thước đo mức độ hạt được sắp xếp tốt hay kém như thế nào,

(1)

Trong đó D60 là đường kính mà hạt mịn hơn chiếm 60%, và D10 (đường kính hiệu quả) là đường kính mà hạt mịn hơn chiếm 10%.

Nếu Cu < 4, mẫu được xem là sắp xếp tốt, nếu Cu > 6, sắp xếp kém và có độ rỗng nhỏ hơn so với mẫu kia.

 

Độ ẩm - Moisture content

 

Độ ẩm (W) có thể được xác định và biểu diễn thông qua trọng lượng hoặc thể tích

  • Đối với trọng lượng
(2)

Trong đó:  mw khối lượng nước chứa trong mẫu và md tổng khối lượng đất khô của mẫu (hoặc tổng khối lượng nước và đất của mẫu).

  • Đối với thể tích
(3)


Trong đó:  Vw thể tích nước trong mẫu, Vt tổng thể tích mẫu .

Độ ẩm có mối quan hệ chặt chẽ với độ bão hòa, tức là tỷ số thể tích chứa nước và thể tích lỗ rỗng. Mẫu không bão hòa tức là lỗ rỗng có chứa không khí.

 

Lực mao dẫn - Capillarity

 

Lực mao dẫn đóng vai trò chính trong sự chuyển động của nước thông qua các vật liệu không bão hòa. Nước bị thu hút bởi các hạt rắn bằng cách kết dính. Ví dụ quen thuộc của nước dâng lên trong ống hút soda cũng là một ví dụ điển hình cho sự tăng mao dẫn, hc, trong một ống nhỏ có bán kính, r, (Hình 2) và mức tăng được tính như sau

(4)

Trong đó  σ sức căng bề mặt của nước,  γw khối lượng riêng của nước; α = 0  đối với nước.

Lực mao dẫn tăng khoảng vài mm đối với đất hạt thô, nhưng có thể tăng 3 đến 4 m đối với đất sét ( Davis & DeWiest, 1966; Lohman, 1972).

Hình 2: Tăng mao dẫn trong ống (Phỏng theo Lohman, S. W. 1972. Groundwater Hydraulics, U. S. Geological Survey Prof. Paper 708, US. Goverment Printing Office, Washington, DC.).

 

Lực tĩnh điện và trạng thái của nước trong lỗ rỗng – Electrostatic forces of attraction and States of water in pores

 

Lực mao dẫn được gây ra bởi sự kết hợp của hai lực: (1) lực hút phân tử, chịu trách nhiệm cho nước bám vào bề mặt hạt đất hoặc đá, và (2) sức căng bề mặt, do sự gắn kết của các phân tử nước với nhau khi nước tiếp xúc với không khí. Trong các hệ thống bão hòa, lực đầu tiên được cân bằng theo mọi hướng và do đó, bị loại bỏ, và sức căng bề mặt cũng được cân bằng.

Trong một loại đá hoặc đất chưa bão hòa, nếu nước được phép thoát ra dưới lực hấp dẫn, sẽ không mất hết nước bằng lực này (Hình 3). Thay vào đó, một số nước sẽ được giữ trong lỗ rỗng bởi các lực trên. Nước thoát được gọi là nước hấp dẫn (hay nước trọng lực) và nước được giữ lại là nước mao quản (Todd, 1980).

Hình 3: Thoát nước trong môi trường lỗ rỗng

Thông thường, ban đầu đất khô gần bề mặt sẽ thu hút và giữ nước hút ẩm nếu độ ẩm không khí tăng đáng kể. Chỉ sau khi độ hút ẩm vượt quá hệ số hút ẩm (hàm lượng nước tối đa có thể được hút ẩm) thì bất kỳ nước bổ sung nào từ lượng mưa hoặc nước tưới sẽ thấm qua đất.

 

Hệ số nén của nước – compressibility of water

 

Nước có thể chịu nén rất thấp. Ở điều kiện nhiệt độ và khối lượng không đổi, Domenico và Schwartz (1990) xác định độ nén đẳng nhiệt của nước như sau:

(5)

Trong đó: βw hệ số nén của chất lỏng, Kw modulus của nước, Vw thể tích nước, và P là áp suất. Tại 250 C, βw = 4.8 x 10-10 m2/N

 

Hệ số nén vật liệu đất đá – compressibility of solid earth materials

 

Khả năng chịu nén của đất đá chứa nước tại một điểm bị ảnh hưởng bởi cả ứng suất bên ngoài lẫn bên trong và áp lực của nước trong các lỗ rỗng. Phương trình cân bằng ứng suất được viết như sau:

σt = σe + Pp

(6)

Trong đó: σt là tổng ứng suất thẳng đứng tác động xuống điểm đang xét và bao gồm áp lực đè lên của các khối đất đá bên trên và nước cũng như các tòa nhà, cây cối trên bề mặt.

σe ứng suất hữu hiệu (hoặc ứng suất kháng) từ cấu trúc hạt đất

Pp áp suất của nước trong lỗ rỗng.

Bất kỳ sự gia tăng trong tổng ứng suất thẳng đứng phải được cân bằng với vế bên phải của phương trình; điều này xảy ra khi chiều sâu tăng bởi vì tổng ứng suất thẳng đứng tự nhiên tăng tỷ lệ thuận với chiều sâu. Nếu có một giếng bơm, khai thác nước sẽ làm giảm đột ngột áp suất nước lỗ rỗng và độ rỗng, đồng thời tăng ứng suất hữu hiệu dưới cùng ứng suất tổng. Kết quả đất sẽ bị nén lún. Nếu nước được bổ cập vào giếng, điều ngược lại sẽ xảy ra.

Sự mở rộng và nén của đất đá tại một nhiệt độ nhất định và giả sử hạt đất không chịu nén, có thể được định lượng bằng biểu thức của Domenico và Schwartz (1990):

(7)

Trong đó:

Kb: môđun nén của đất đá (the rock bulk modulus of compression)

βp: hệ số nén theo phương thẳng đứng  (the verical compressibility)

 

Cột áp thủy tĩnh - Hydraulic head

 

Cột áp thủy tĩnh (Hydraulic head) tại một điểm trong một hệ thống tầng chứa nước được diễn tả như sau,

h = Z + P/ρg

(8)

Trong đó:

Z là cao trình điểm đang xét (elevation head) hoặc khoảng cách của điểm tham chiếu trên mặt phẳng chuẩn (thường thì mặt phẳng chuẩn là mặt thủy chuẩn)

P là áp suất chất lỏng tại điểm đang xét tác động bởi cột nước bên trên

ρg là trọng lượng riêng của nước (hay ký hiệu đơn giản hơn là γ)

h = Z + ψ

ψ  còn gọi là cột áp (pressure head).

Hình 4: Cột áp thủy tĩnh

Tại sao chọn solar system
THÁI DƯƠNG HỆ là một Công ty được thành lập với đội ngũ cán bộ có trình độ chuyên môn cao và tâm huyết; cùng với một số cố vấn kỹ thuật là

>> Xem thêm

Hồ sơ năng lực
Hồ sơ năng lực giúp khách hàng nắm bắt về Thái Dương Hệ một cách nhanh chóng.Cung cấp đầy đủ, chi tiết, và dễ hiểu về doanh nghiệp, ngành nghề, kinh nghiệm, sản phẩm…giúp khách hàng có cái nhìn bao quát

>> Xem thêm

Hình ảnh hoạt động