Chương 3 — Nước dưới đất¶

Nước dưới đất không thể tách rời khỏi công tác khảo sát địa kỹ thuật. Chương III cung cấp phần lý thuyết tối thiểu về nước dưới đất mà kỹ sư địa kỹ thuật cần, rồi mô tả các loại nước dưới đất chủ yếu.

3.1 Một số khái niệm cơ sở¶

3.1.1 Môi trường rỗng¶

Muốn nói về nước dưới đất, trước hết phải nói về môi trường rỗng — đất hoặc đá mà trong đó nước chuyển động. Mọi loại đất đá đều chứa lỗ rỗng, và chúng hình thành theo hai cách khác nhau:

Khe rỗng giữa hạt — khoảng trống giữa các hạt riêng lẻ, hình thành ngay khi vật liệu được lắng đọng.
Khoáng rỗng kiến tạo — lỗ rỗng hình thành về sau do các quá trình địa chất: khe nứt, dứt gãy, hang hốc, lỗ rễ cây, hang do động vật đào.

Sự phân biệt này quan trọng vì hai hệ lỗ rỗng có hành vi khác nhau và phải được mô tả khác nhau.

3.1.2 Độ uốn lượn¶

Độ uốn lượn mô tả mức độ quanh co của đường dòng thực so với khoảng cách theo đường thẳng — nó làm giảm dòng chảy hiệu dụng qua môi trường.

3.1.3 Mức độ rỗng và các đặc trưng¶

Mức độ rỗng và các thông số đi kèm (hệ số rỗng \(e\), độ rỗng \(n\)) định lượng phần thể tích bị chiếm bởi lỗ rỗng.

Hình: geology-porosity

Hình. Khoảng độ rỗng điển hình của vật liệu rời (đỏ) và đá (xanh). Lưu ý bụi và sét là loại rỗng nhất — nhưng, như hình sau cho thấy, lại kém thấm nhất. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2^nd ed., Hình 14.1.1.

3.1.4 Mức độ thấm¶

Mức độ thấm (tính thấm) là khả năng truyền nước của môi trường. Đây là tính chất quan trọng nhất đối với các bài toán thấm, tiêu thoát nước và cố kết.

Hình: geology-hydraulic-conductivity

Hình. Hệ số thấm \(K\) (m/s) của vật liệu rời (đỏ) và đá (xanh) — trải trên khoảng mười hai bậc độ lớn. Sét rỗng nhưng gần như không thấm, vì hầu hết nước trong sét bị giữ thành nước liên kết trên bề mặt hạt và không thể chảy. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2^nd ed., Hình 14.1.2.

3.1.5 Độ ẩm – Độ bão hoà¶

Độ ẩm và độ bão hoà mô tả phần thể tích lỗ rỗng được nước chiếm chỗ.

Hình: geology-sand-dry-moist-saturated

Hình. Cát khô, cát ẩm và cát bão hoà. Sức căng bề mặt giữa các hạt làm cho cát ẩm là khoẻ nhất trong ba trạng thái; cát bão hoà là yếu nhất, vì nước dưới áp lực đẩy các hạt tách nhau và làm giảm ma sát. Đây chính là cơ chế dẫn tới hoá lỏng (Chương 11). © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2^nd ed., Hình 15.1.4.

3.1.6 Sức căng bề mặt¶

Sức căng bề mặt là lực cho phép nước "tự giữ" trong các lỗ rỗng nhỏ hẹp, và là nguyên nhân vật lý của hiện tượng mao dẫn.

3.1.7 Hiện tượng mao dẫn¶

Mao dẫn nâng nước lên trên mực nước tự do trong các loại đất hạt mịn. Đới mao dẫn không bão hoà theo nghĩa thông thường, nhưng áp lực nước lỗ rỗng âm trong đó làm thay đổi ứng suất hữu hiệu và do đó thay đổi sức kháng — một chủ đề lặp lại trong các bài toán mái dốc và tường chắn.

3.2 Các loại nước dưới đất chủ yếu¶

3.2.1 Nước dưới đất trong trầm tích loại hạt¶

Nước chứa trong hệ lỗ rỗng của cát, sỏi và bụi. Đây là loại tầng chứa nước dễ dự báo nhất và là loại mà định luật Darcy (Chương 10) áp dụng sạch sẽ nhất.

3.2.2 Nước các-tơ¶

Nước trong các kênh hoà tan và hang động trong đá vôi. Tầng chứa nước các-tơ rất không đồng nhất: dòng chảy tập trung trong các kênh dẫn, và cùng một khối đá có thể không thấm chỉ cách một kênh lớn một mét. Nước các-tơ là mối nguy bậc nhất đối với móng, hầm và vai đập ở các vùng đá vôi Việt Nam.

3.2.3 Phân bố nước dưới đất có mức độ thấm đồng nhất¶

Khi môi trường thấm đồng nhất, phân bố nước dưới đất có thể mô tả bằng giải tích — cơ sở cho các tính toán mạng dòng chảy và thấm ở Chương 10.

3.2.4 Tầng chứa nước, tầng cách nước¶

Khối đất đá truyền nước hữu ích gọi là tầng chứa nước; khối không truyền được gọi là tầng cách nước. Tầng chứa nước hở ra mặt đất là không áp; tầng bị một lớp kém thấm hơn phủ lên là có áp — và chính áp lực nước lỗ rỗng trong tầng có áp khiến áp kế đọc được cao hơn cả cao độ của tầng đó.

Hình: geology-aquifers-confining

Hình. Mặt cắt các tầng chứa nước và tầng cách nước, với độ thấm tương đối biểu thị bằng hệ số thấm \(K\) (m/s). Lớp xám (\(K = 10^{-4}\)) cách nước cho tầng vàng (\(K = 10^{-1}\)) nằm dưới; granit ở đáy (\(K = 10^{-10}\)) là tầng cách nước khu vực. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2^nd ed., Hình 14.1.4.

3.3 Thuật ngữ¶

Tiếng Anh	Tiếng Việt (sách dùng)
porous medium	môi trường rỗng
interstitial void	khe rỗng giữa hạt
structural void	khoáng rỗng kiến tạo
tortuosity	độ uốn lượn
void ratio / porosity	hệ số rỗng / độ rỗng
permeability	mức độ thấm (tính thấm)
moisture content	độ ẩm
degree of saturation	độ bão hoà
surface tension	sức căng bề mặt
capillary action	hiện tượng mao dẫn
groundwater	nước dưới đất
karst water	nước các-tơ
aquifer	tầng chứa nước
aquitard / confining layer	tầng cách nước
unconfined / confined	không áp / có áp

3.4 Các điểm then chốt¶

Khe rỗng giữa hạt và khoáng rỗng kiến tạo là hai hệ khác nhau, phải mô tả riêng.
Tính thấm là tính chất chi phối thấm, tiêu thoát nước và cố kết.
Sét rỗng mà không thấm — độ rỗng và tính thấm là hai chuyện khác nhau.
Đới mao dẫn làm thay đổi ứng suất hữu hiệu dù không bão hoà.
Nước các-tơ rất không đồng nhất và là mối nguy lớn ở vùng đá vôi.