Nghiên cứu khả năng thu nước của ống lọc và bê tông rỗng dùng trong giếng khai thác nước ngầm bằng mô hình thí nghiệm Vật lý

2962(6) 6.2020
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ 
Đặt vấn đề 
Dải cồn cát ven biển thuộc 4 tỉnh khu vực Bắc Trung 
Bộ (Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị) có tổng 
chiều dài khoảng 271,9 km, diện lộ 443,7 km2, thường phân 
bố song song với đường bờ biển hiện tại và bị phân cắt bởi 
mạng lưới sông suối trong vùng thành 11 dải cồn cát. Thành 
phần thạch học của tầng chứa nước trong các dải cồn cát chủ 
yếu là cát hạt mịn đến vừa thuộc thành tạo biển gió (mvQ), 
chiều dày của tầng chứa nước thay đổi từ 3,0-15,0 m. Nước 
trong các thấu kính nước nhạt là nguồn cung cấp chủ yếu 
phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất cho nhân dân sinh 
sống trên và lân cận khu vực cồn cát. Tổng lưu lượng khai 
thác vào khoảng 41.601,7 m3/ngày đêm, trong đó lưu lượng 
phục vụ sinh hoạt là 25.940,8 m3/ngày đêm, phục vụ sản 
xuất là 15.660,9 m3/ngày đêm [1]. 
Các mô hình khai thác nước ngầm theo phương thắng 
đứng như giếng đào, giếng khoan đơn, hành lang giếng là 
các mô hình chủ yếu đang khai thác nước ngầm trong các 
dải cồn cát ven biển miền Trung. Các mô hình này đôi khi 
hoặc không đáp ứng đủ nhu cầu cấp nước hoặc khai thác 
quá mức làm hạ thấp mực nước ngầm và dịch chuyển biên 
mặn làm nhiễm mặn đới nước ngọt. Quy mô khai thác chủ 
yếu là hộ gia đình nên việc quản lý khai thác về trữ lượng và 
chất lượng cũng gặp khó khăn. 
Để đáp ứng nhu cầu dùng nước ngày một tăng và giảm 
thiểu tác động đến tầng chứa nước, một số công nghệ khai 
thác nước ngầm theo phương ngang đã được nghiên cứu và 
áp dụng vào thực tế. Hệ thống thu nước ngầm theo phương 
ngang (TNNN) thường được áp dụng tại các khu vực có 
chiều dày tầng chứa nước mỏng, mực nước ngầm nằm 
nông. Phân tích các ưu điểm của hệ thống TNNN và phạm 
vi ứng dụng đã được trình bày trong nghiên cứu của Hunt và 
cs (2002) [2]. Hệ thống TNNN có ưu điểm là thu được lưu 
lượng lớn khi bố trí khai thác ở khu vực cồn cát. 
Hệ thống thu nước trong cồn cát ngày càng trở nên phổ 
biến. Tại Hoa Kỳ, hệ thống TNNN phổ biến ở Louisville, 
Kentucky và ở Sonoma County, California; tại Hàn Quốc có 
mô hình giếng tia cấp nước ven sông Năk Dong, thành phố 
Chang Won; tại Nhật Bản có nhà máy nước Kinuta, khu vực 
Tokyo Metropolitan, thành phố Tokyo. Tại Việt Nam cũng 
đã có các nghiên cứu tương tự, như mô hình khai thác nước 
ngầm trong cồn cát ven sông Trường Giang, tỉnh Quảng 
Nam [3]. Nghiên cứu sự biến thiên của cột nước thấm dọc 
theo ống lọc nằm ngang bằng mô hình vật lý đã được trình 
bày trong kết quả nghiên cứu của Chen và cs (2003) [4]. 
Nghiên cứu sự hạ thấp mực nước xung quanh một ống lọc 
nằm ngang trong tầng chứa nước không áp được trình bày 
trong nghiên cứu của Hongbin Zhan (2002) [5]. Phân tích 
tốc độ dòng chảy của nước thông qua một một ống thu nước 
nằm ngang dưới đáy sông lần đầu tiên được trình bày bởi 
Hantush và Papadopulus (1962) [6]. Nghiên cứu sự vận 
động của nước dưới đất bao gồm lưu lượng và vận tốc dòng 
chảy đến một ống lọc nằm ngang có đường kính 30 mm và 
Nghiên cứu khả năng thu nước của ống lọc và bê tông rỗng 
dùng trong giếng khai thác nước ngầm 
bằng mô hình thí nghiệm vật lý 
Vũ Bá Thao*, Nguyễn Thành Công, Nguyễn Huy Vượng
Viện Thủy công, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
Ngày nhận bài 4/5/2020; ngày chuyển phản biện 6/5/2020; ngày nhận phản biện 5/6/2020; ngày chấp nhận đăng 8/6/2020
Tóm tắt:
Bài bào trình bày kết quả thí nghiệm mô hình vật lý về khả năng thu nước của ống lọc và bê tông rỗng dùng trong 
giếng tia và giếng đào thu nước thành bên để khai thác nước ngầm. Thí nghiệm mô hình nhằm xác định các tương 
quan giữa thành phần cấp phối, hệ số thấm, cột nước, độ chặt, độ dốc đặt ống với khả năng thu nước của các loại kết 
cấu ống lọc khác nhau. Kết quả thí nghiệm tìm ra khả năng thu nước của ống lọc và bê tông rỗng lần lượt là 2,162-
12,238 l/ph/m và từ 0,0053-0,0227 l/ph/cm2. Kết cấu thu nước nằm ngang bằng ống lọc hoặc bê tông rỗng có thể dùng 
trong các loại giếng đứng để khai thác nước ngầm trong môi trường trầm tích biển gió.
Từ khóa: cồn cát, kết cấu thu nước, tầng chứa nước, thu nước nằm ngang.
Chỉ số phân loại: 2.1
*Tác giả liên hệ: Email: vubathao@gmail.com
3062(6) 6.2020
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ
chiều dài 2,6 m đã được trình bày trong nghiên cứu của Kim 
và cs (2012) [7]. Ảnh hưởng của môi trường địa chất đến 
ống lọc thu nước nằm ngang và giếng gom nước đã được 
Mohamed và Rushton (2006) [8] nghiên cứu và công bố. 
Tại châu Âu, thiết kế và xây dựng hệ thống thu nước dưới 
đất có nghiên cứu của Grischek và cs (2002) [9]. 
Tại khu vực dải cồn cát ven biển Bắc Trung Bộ chưa có 
công bố khoa học về các tương quan giữa các yếu tố địa chất 
thủy văn như: thành phần hạt, độ chặt, hệ số thấm, cột nước 
thấm... và kết cấu ống lọc như: độ mở, tỷ lệ khe hở và đường 
kính, độ dốc của ống lọc. Nghiên cứu này sử dụng mô hình 
vật lý để thí nghiệm xác định các tương quan giữa các thông 
số địa chất thủy văn đặc trưng của tầng chứa nước với khả 
năng thu nước của các kết cấu thu nước ngầm khác nhau.
Mô hình thí nghiệm
Giếng tia
Kết cấu mô hình giếng tia (hình 1) thường bao gồm: 
1. Kết cấu thu nước (các tia thu nước); 2. Giếng tập trung 
nước; 3. Máy bơm nước. Số lượng tia phụ thuộc vào lưu 
lượng khai thác, khả năng thu nước của tia và trữ lượng khai 
thác cho phép của tầng chứa nước.
a. Mặt bằng giếng tia. b. Cắt dọc giếng tia.
Hình 1. Sơ họa mô hình giếng tia.
Giếng đào thu nước thành bên
Giếng đào thu nước thành bên (hình 2) có phạm vi áp 
dụng đối với các công trình quy mô khai thác từ 5-20 m3/
ngày, và nên áp dụng khi chiều dày tầng chứa nước mỏng, 
độ sâu khai thác <6 m. 
Hình 2. Sơ họa giếng đào thu nước thành bên.
Kích thước mô hình thí nghiệm
Thí nghiệm mô hình nhằm xác định các tương quan giữa 
thành phần cấp phối, hệ số thấm, cột nước, độ chặt, độ dốc 
thủy lực với khả năng thu nước của các loại kết cấu ống lọc 
khác nhau. Sơ đồ và hình ảnh mô hình thí nghiệm được thể 
như hình 3. Kích thước mô hình thí nghiệm có chiều dài 1,2 
m, rộng 0,4 m, cao 0,6 m. 
A study on water collecting capacity 
of filter tubes and porous concrete 
applied in groundwater wells 
by using physical experiments 
Ba Thao Vu*, Thanh Cong Nguyen, Huy Vuong Nguyen
Hydraulic Construction Institute, 
Vietnam Academy for Water Resources
Received 4 May 2020; accepted 8 June 2020
Abstract: 
This paper presents the results of the physical 
experiment on water collecting capacity of the filter 
tubes and porous concrete used in the radial and 
shallow wells for groundwater collecting purposes. 
The physical experiment aimed at determining the 
correlations between various parameters such as grading 
composition, permeability coefficient, water head, 
density, and tube slope with water collecting capacity of 
different types of filter structures. Experimental results 
showed that the ability of collecting water of filter tubes 
and hollow concrete were from 2.162 little/minute/m to 
12.238 little/minute/m, and from 0.0053 little/minute/cm2 
to 0.0227 little/minute/cm2, respectively. The horizontal 
water collection structures including filter tubes and 
porous concrete can be used in many kinds of vertical 
wells to exploit groundwater in windy marine sediments 
environment.
Keywords: aquifer, horizontal water collection, sand 
dunes, water collecting structures.
Classification number: 2.1
3162(6) 6.2020
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ 
a) Sơ đồ thí nghiệm
b) Mô hình thí nghiệm trong cát c) Mô hình thí nghiệm trong nước
Hình 3. Sơ đồ và hình ảnh mô hình thí nghiệm.
Vật liệu mô phỏng
Vật liệu mô phỏng môi trường thấm cho kết cấu thu 
nước giếng đào thu nước thành bên được dùng là cát hạt 
mịn, cát hạt thô và cuội sỏi. Thành phần cấp phối và đặc tính 
thấm của vật liệu được trình bày ở bảng 1.
Bảng 1. Các thông số vật liệu mô phỏng môi trường thấm cho kết 
cấu giếng đào thu nước thành bên.
Mô phỏng các kết cấu thu nước cho giếng tia
Các kết cấu thu nước dùng cho giếng tia được thí nghiệm 
trong nghiên cứu này gồm 3 dạng ống lọc có cấu tạo và 
đường kính khác nhau. Các thông số của ống lọc được trình 
bày ở bảng 2. Đây là các loại ống sử dụng phổ biến trên thị 
trường hiện nay (hình 4). 
Bảng 2. Thông số kỹ thuật của các loại ống lọc. 
STT Loại ống lọc
Chiều dài 
(m)
Đường kính 
(mm)
Độ rộng khe 
(mm)
Độ mở 
(%)
1
Ống thu quấn băng Waterbelt - 
Capiphon pipe (WP76)
1,0 76
2 Ống lọc kiểu Johnson JS (JS48) 1,0 46 0,508 33,3
3 Ống lọc kiểu Johnson JS (JS90) 1,0 90 0,508 13,83
Hình 4. Các loại ống lọc thí nghiệm.
Mô phỏng kết cấu thu nước của giếng đào thu nước 
thành bên
Lưu lượng khai thác của loại hình giếng thu nước thành 
bên bằng bê tông rỗng phụ thuộc vào khả năng thu nước của 
vật liệu thu nước bố trí tại đoạn giữa của giếng. Bên cạnh 
khả năng thu nước thì các kết cấu thu nước này còn phải có 
khả năng chịu lực để giữ cho thành giếng được ổn định. Để 
đảm bảo các điều kiện đó, chọn vật liệu bê tông rỗng để tiến 
hành thí nghiệm. Khả năng thu nước của ống bê tông rỗng 
được xác định thông qua mô hình thí nghiệm vật lý. 
Sử dụng hai loại bê tông rỗng. Loại một là bê tông rỗng 
cốt liệu là 100% đá dăm có cấp phối hạt 2,5 mm ≤ d ≤ 5,0 
mm; loại hai là bê tông rỗng cốt liệu gồm 80% đá dăm có 
cấp phối hạt 2,5 mm ≤ d ≤ 5,0 mm và 20% cát thô (cát có 
50% hạt với 1,0 mm ≤ d ≤ 2,5 mm). Sản phẩm bê tông rỗng 
sau khi chế tạo và đưa vào thí nghiệm có dạng hình trụ tròn 
(hình 5).
STT Chỉ tiêu
Ký 
hiệu
Đơn 
vị
Giá trị
Cát mịn 
(mvQ)
Cát thô 
(amQ)
Cuội sỏi
1
Thành phần hạt
P
+ Hạt cuội (>20) mm
+ Hạt sỏi sạn (5,0-10,0) mm 25,9
+ Hạt sỏi sạn (2,0-5,0) mm % 0,2 0,6 64,8
+ Hạt cát to (0,5-2,0) mm % 8,9 42,6 8,3
+ Hạt cát vừa (0,25-0,5) mm % 67,2 33,6 0,2
+ Hạt cát nhỏ (0,1-0,25) mm % 18,7 17,0 0,3
+ Hạt cát mịn (0,05-0,1) mm % 0,8 4,5 0,4
+ Hạt bụi (0,005-0,05) mm % 4,2 1,8 0
+ Nhóm hạt sét <0,005 mm % 0,0 0,0 0
2 Hệ số rỗng max e
max
0,985 0,750
3 Hệ số rỗng min e
min
0,638 0,486
4 Khối lượng riêng ∆s - 2,66 2,66
5 Hệ số thấm K cm/s 2,18x10-3 5,37x10-3 3,09x10-2 Hình 5. Bê tông rỗng sau khi chế tạo.
3262(6) 6.2020
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ
Các kịch bản thí nghiệm
Cột nước thấm: với đặc điểm chiều dày tầng chứa nước 
mỏng, mực nước ngầm nằm nông, mực nước ngầm dao 
động giữa các mùa trong năm khoảng 2 m, dự kiến đặt hệ 
thống ống nằm ngang sâu tối thiểu dưới mực nước ngầm 
mùa kiệt là 0,5 m. Trên hình 3, cột nước thấm là khoảng 
cách từ bề mặt mô hình đến tim đầu vào của ống thu nước. 
Khi mô phỏng cột nước thấm trong giếng tia, chọn các 
mức mô phỏng là: 10, 20, 30, 40 và 50 cm. Đối với giếng 
thu nước thành bên, để đánh giá ảnh hưởng của cột nước 
thấm đến khả năng thu nước của bê tông rỗng, đề tài đã tiến 
hành thí nghiệm với các chiều cao cột nước 1, 2, 3, 4, 5 và 
6 m.
Độ dốc ống lọc: để lựa chọn được độ dốc ống lọc hợp lý 
trong giếng tia trên thực tế, tiến hành thí nghiệm với các độ 
dốc ống lọc là 1, 3 và 5%.
Kết quả thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm xác định các thông số của kết cấu 
thu nước phục vụ thiết kế giếng tia
Tương quan giữa cột nước thấm và khả năng thu nước 
của các loại ống lọc trong các môi trường thấm khác nhau:
Khả năng thu nước của ống lọc phụ thuộc vào nhiều yếu 
tố khác nhau như hệ số thấm của môi trường làm việc, cột 
nước thấm, kết cấu của ống lọc... Để xây dựng tương quan 
giữa khả năng thu nước của ống lọc với các mức cột nước 
thấm trong các môi trường thấm khác nhau, chúng tôi tiến 
hành thí nghiệm với các điều kiện mô phỏng như đã nêu 
trên. Kết quả thí nghiệm về tương quan giữa khả năng thu 
nước của ống lọc với cột nước thấm trong các môi trường 
thấm được thể hiện ở hình 6.
Hình 6. Tương quan giữa khả năng thu nước của một số loại ống 
lọc và gradien thấm trong các môi trường thấm khác nhau.
Tỷ lưu lượng q là khả năng thu nước của 1 m chiều dài 
ống lọc trong thời gian 1 phút. Đây là chỉ tiêu cần được xác 
định trong quá trình thiết kế tính toán hệ thống thu nước 
của giếng tia. Tương quan giữa tỷ lưu lượng của các loại 
ống lọc trong các môi trường thấm khác nhau với cột nước 
thấm có dạng tuyến tính, tuy nhiên tương quan này sẽ thay 
đổi khi khả năng cung cấp nước của môi trường thấm cũng 
như cột nước thấm vượt qua khả năng thu nước của ống lọc. 
Trên hình 6 có thể thấy, với cột nước thấm thay đổi từ 0,1 
đến 0,5 m thì trong môi trường trầm tích biển gió khả năng 
thu nước của các loại ống lọc có thể đạt từ 2,162 l/ph/m đến 
12,238 l/ph/m. 
Ảnh hưởng của độ dốc ống lọc đến khả năng thu nước 
của ống lọc
Hình 7. Tương quan giữa khả năng thu nước và độ dốc của một 
số ống lọc trong các môi trường thấm khác nhau.
Độ dốc của ống lọc là một trong các yếu tố cần thiết khi 
tính toán thiết kế giếng tia. Để đánh giá ảnh hưởng của độ 
dốc đến khả năng thu nước của ống lọc trong các môi trường 
thấm khác nhau, tiến hành thí nghiệm với các độ dốc ống 
lọc 1, 2 và 5% trong các môi trường cát mịn, cát thô với các 
chiều cao cột nước là 10, 20, 30, 40 và 50 cm. Kết quả thí 
nghiệm được thể hiện ở hình 7.
Thông thường đối với ống dẫn nước, độ dốc ống càng 
cao, vận tốc dòng chảy càng lớn và theo đó lưu lượng cũng 
tăng. Tuy nhiên, mục tiêu thí nghiệm này là đánh giá khả 
năng lọc và thu nước của ống lọc đặt trong đất cát. Kết quả 
thí nghiệm cho thấy khả năng thu nước của ống lọc tỷ lệ 
nghịch với độ dốc ống, độ dốc càng lớn tỷ lưu lượng thu 
càng nhỏ. Nguyên nhân là với cao độ đầu ra của ống lọc cố 
định tại đáy bể thí nghiệm, điều chỉnh độ dốc ống lọc bằng 
cách nâng cao đầu vào ống lọc (xem hình 3), dẫn tới độ dốc 
ống càng lớn thì cột nước thấm (khoảng cách từ mặt mô 
hình đến tim ống) càng giảm, do đó tỷ lưu lượng giảm theo. 
3362(6) 6.2020
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ 
Để đảm bảo giảm thiểu lắng đọng trong ống thu nước, kiến 
nghị nên chọn góc nghiêng ống thu từ 3 đến 5%.
Kết quả thí nghiệm xác định các thông số của kết cấu 
thu nước phục vụ thiết kế giếng đào thu nước thành bên
Kết quả thí nghiệm với 2 loại cấp phối bê tông rỗng, tuy 
nhiên chỉ có loại cấp phối BTR.100% M2.5 đạt hiệu quả thu 
nước có thể chọn làm kết cấu thu nước. Kết quả thí nghiệm 
tương quan giữa khả năng thu nước của bê tông rỗng trong 
các môi trường thấm khác nhau với chiều cao cột nước thấm 
được thể hiện trên hình 8.
Hình 8. Tương quan giữa khả năng thu nước của bê tông rỗng và 
chiều cao cột nước.
Kết quả thí nghiệm cho thấy có thể dùng bê tông rỗng 
cho các kết cấu thu nước ngầm trong môi trường lỗ rỗng. 
Khả năng thu nước của bê tông rỗng phụ thuộc vào nhiều 
yếu tố như chiều cao cột nước, hệ số thấm của môi trường 
thu nước. Trong khoảng cột nước thí nghiệm từ 1 đến 7 m thì 
khả năng thu nước tuyến tính với chiều cao cột nước và tăng 
dần trong các môi trường lần lượt là cuội, cát thô, cát mịn.
Kết luận
- Tỷ lưu lượng các loại ống lọc trong các môi trường 
thấm thay đổi theo trị số cột nước thấm và có quan hệ tuyến 
tính. Với cột nước thấm thay đổi từ 0,1 đến 0,5 m thì trong 
môi trường trầm tích biển gió khả năng thu nước của các 
loại ống lọc đạt từ 2,162 đến 12,238 l/ph/m.
- Khả năng thu nước của ống lọc tỷ lệ nghịch với độ dốc 
đặt ống. Tuy nhiên, để giảm thiểu lắng đọng trong ống thu 
nước, nên chọn góc nghiêng ống thu từ 3 đến 5%.
- Bê tông rỗng đủ khả năng thu nước để dùng làm kết cấu 
thu nước của giếng đào thu nước thành bên. Khi thay đổi 
chiều cao cột nước thí nghiệm từ 0 đến 7 m thì khả năng thu 
nước của bê tông rỗng trong môi trường trầm tích biển gió 
(mvQ) thay đổi từ 0,0053 đến 0,0227 l/ph/cm2.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Thành Công và cs (2019), Báo cáo tổng kết Đề tài độc 
lập cấp quốc gia “Nghiên cứu đề xuất mô hình khai thác bền vững 
thấu kính nước nhạt trong các cồn cát ven biển phục vụ cấp nước sinh 
hoạt cho vùng khan hiếm nước khu vực Bắc Trung Bộ”.
[2] H. Hunt, M. Schubert and C. Ray (2002), “Conceptual design 
of riverbank filtration systems”, Riverbank Filtration, Improving 
Source-Water Quality, The Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 
pp.19-27. 
[3] Dương Thị Thanh Thủy và cs (2010), Nghiên cứu và xây dựng 
mô hình khai thác nước ngầm trong cồn cát ven sông Trường Giang, 
tỉnh Quảng Nam bằng hành lang thu nước phục vụ phát triển bền 
vững kinh tế - xã hội, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ, Bộ Giáo dục 
và Đào tạo, Mã số: B2008-02-48.
[4] C. Chen, J. Wan and H. Zhan (2003), “Theoretical and 
experimental studies of coupled seepage-pipe flow to a horizontal 
well”, Journal of Hydrology, 281, pp.159-171.
[5] Hongbin Zhan (2002), “Groundwater flow to a horizontal or 
slanted well in an unconfined aquifer”, Water Resources Research, 
38(7), https://doi.org/10.1029/2001WR000401
[6] M.S. Hantush and I.S. Papadopulus (1962), “Flow of ground 
water to collector wells”, Journal of Hydraulic Engineering Division, 
88, pp.221-245.
[7] S.H. Kim, K-H Ahn, S.O. Prasher and R.M. Patel (2012), 
“Extending riverbed filtration design velocity for orizontal wells from 
model to prototypes”, Canadian Biosystems Engineering, 54, pp.1.1-
1.6. 
[8] A. Mohamed and K. Rushton (2006), “Horizontal wells in 
shallow aquifers: field experiment and numerical model”, Journal of 
Hydrology, 329, pp.98-109.
[9] T. Grischek, D. Schoenheinz and C. Ray (2002), “Siting and 
design issues for riverbank filtration schemes”, Riverbank Filtration, 
Improving Source-Water Quality, The Netherlands: Kluwer Academic 
Publishers, pp.291-302.