Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy lợi và thủy điện, công tác thi công mở móng tràn bằng phương pháp nổ mìn đóng vai trò quan trọng, đặc biệt tại các công trình có địa chất phức tạp như hồ Vực Mẫu, Nghệ An. Hồ Vực Mẫu, được xây dựng từ những năm 1970, đã xuống cấp sau hơn 30 năm khai thác, đặt ra yêu cầu cấp thiết về nâng cấp, mở rộng tràn nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả sử dụng. Phương pháp nổ mìn được lựa chọn do ưu điểm rút ngắn thời gian thi công, giảm nhân lực và thiết bị, đồng thời khắc phục các hạn chế về điều kiện thời tiết và địa hình. Tuy nhiên, nổ mìn cũng gây ra các ảnh hưởng bất lợi như sóng nổ, sóng xung kích, sóng địa chấn và ô nhiễm môi trường, đòi hỏi nghiên cứu kỹ lưỡng các biện pháp bảo vệ công trình và môi trường xung quanh.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá các biện pháp ngăn ngừa ảnh hưởng bất lợi của sóng nổ mìn và lựa chọn giải pháp bảo vệ công trình Vực Mẫu khi thi công mở móng tràn bằng phương pháp nổ mìn. Nghiên cứu tập trung trong phạm vi công trình Vực Mẫu, với thời gian khảo sát và phân tích dữ liệu từ các vụ nổ thực tế và mô hình tính toán. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao an toàn thi công, bảo vệ kết cấu công trình và giảm thiểu tác động môi trường, góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng công trình thủy lợi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về công nghệ nổ mìn trong xây dựng công trình thủy lợi, bao gồm:

  • Lý thuyết sóng nổ và sóng xung kích: Mô tả sự lan truyền năng lượng từ thuốc nổ dưới dạng sóng xung kích với áp suất cao (6000-8000 at), nhiệt độ lên đến 4000 °C, tạo ra sóng địa chấn và sóng phản xạ tại mặt thoáng, ảnh hưởng đến đất đá và công trình lân cận.
  • Mô hình nổ mìn vi sai: Phương pháp nổ mìn theo chuỗi với khoảng thời gian giãn cách nhỏ (25-35 ms), tận dụng sự giao thoa sóng nổ để nâng cao hiệu quả phá vỡ đá, giảm lượng đá quá cỡ và giảm tác động địa chấn.
  • Mô hình nổ mìn tạo viền: Kỹ thuật khoan và bố trí lỗ mìn sát đường biên thiết kế, sử dụng thuốc nổ phân đoạn khí để tạo rãnh viền bảo vệ thành vách, đảm bảo ổn định và hạn chế phá hoại ngoài biên giới.
  • Lý thuyết về màng ngăn địa chấn: Sử dụng lớp đá vụn hoặc hào rãnh làm màng ngăn sóng địa chấn, dựa trên hệ số phản xạ năng lượng sóng và mật độ tiếp xúc giữa lớp đá vụn và khối đá nguyên thể để giảm chấn động lan truyền.

Các khái niệm chính bao gồm: sóng nổ, sóng xung kích, sóng địa chấn, sóng phản xạ, nổ mìn vi sai, nổ mìn tạo viền, màng ngăn địa chấn, và các chỉ tiêu an toàn về áp lực, vận tốc dao động giới hạn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp dữ liệu thực tế và mô hình lý thuyết:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu từ các vụ nổ mìn thực tế tại công trình Vực Mẫu, tài liệu kỹ thuật trong và ngoài nước, tiêu chuẩn TCVN 4586:1997 về vật liệu nổ và an toàn nổ mìn, cùng các báo cáo nghiên cứu liên quan.
  • Phương pháp phân tích: Áp dụng các công thức tính toán khoảng cách an toàn, mật độ nạp thuốc nổ, thời gian nổ vi sai, áp lực sóng nổ và vận tốc dao động giới hạn để đánh giá tác động sóng nổ đến công trình và môi trường. Sử dụng mô hình mô phỏng sóng nổ và sóng địa chấn để phân tích hiệu quả các biện pháp bảo vệ.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2009 đến 2010, bao gồm khảo sát hiện trường, thu thập số liệu, phân tích mô hình và đề xuất giải pháp.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các vụ nổ mìn với quy mô thuốc nổ khác nhau, được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của sóng nổ đến công trình: Vận tốc dao động giới hạn cho phép đối với các công trình bê tông cốt thép là khoảng 15 cm/s, trong khi các công trình đá cứng có thể chịu được đến 100 cm/s. Qua tính toán, khoảng cách an toàn địa chấn (R) và sóng xung kích (Ry) được xác định phù hợp với quy định TCVN 4586:1997, đảm bảo không vượt quá giới hạn phá hoại công trình khi sử dụng lượng thuốc nổ tối đa cho phép.

  2. Hiệu quả của phương pháp nổ mìn vi sai: Nổ mìn vi sai nhiều hàng giúp giảm lượng đá quá cỡ từ 1,5 đến 2,5 lần so với nổ đồng thời, tăng năng suất phá đá lên 20-30%, đồng thời giảm tác động địa chấn đến công trình lân cận. Thời gian giãn cách nổ vi sai hợp lý được xác định trong khoảng 25-35 ms, tùy thuộc vào đặc tính đá và khoảng cách giữa các lỗ khoan.

  3. Tác dụng của màng ngăn địa chấn: Lớp đá vụn có hệ số tơi xốp cao (1,2 - 1,5) làm giảm tốc độ lan truyền sóng địa chấn đến 13 lần và phản xạ năng lượng sóng lên đến 85-95%, hiệu quả trong việc bảo vệ công trình khỏi chấn động. Việc tạo hào rãnh sâu và rộng cũng làm giảm đáng kể sóng địa chấn lan truyền, góp phần bảo vệ an toàn kết cấu.

  4. Nổ mìn tạo viền bảo vệ thành vách: Phương pháp này cho phép khoan và bố trí lỗ mìn sát đường biên thiết kế, tạo rãnh viền phẳng, ổn định, không cần sửa chữa lớp bảo vệ sau nổ. Khoảng cách giữa các lỗ khoan tạo viền được xác định trong khoảng 10-20 lần bán kính lỗ khoan, mật độ nạp thuốc nổ tối ưu khoảng 0,9-1 g/cm³, đảm bảo tạo khe nứt liên tục và ổn định.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự kết hợp giữa các phương pháp nổ mìn vi sai, tạo viền và sử dụng màng ngăn địa chấn là giải pháp hiệu quả để bảo vệ công trình Vực Mẫu khi thi công mở móng tràn. Việc áp dụng nổ mìn vi sai giúp kiểm soát mức độ phá vỡ đá, giảm lượng đá quá cỡ và giảm tác động địa chấn, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về kỹ thuật nổ mìn trong xây dựng thủy lợi. Màng ngăn địa chấn bằng lớp đá vụn hoặc hào rãnh được chứng minh là biện pháp giảm chấn động hiệu quả, phù hợp với điều kiện địa chất tại công trình.

Phương pháp nổ mìn tạo viền trước được đánh giá cao về khả năng bảo vệ thành vách hồ đào, giảm thiểu sửa chữa sau nổ và đảm bảo ổn định kết cấu. Các thông số thiết kế như mật độ nạp thuốc, khoảng cách lỗ khoan và thời gian nổ vi sai được xác định dựa trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm, giúp tối ưu hóa hiệu quả thi công và an toàn công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ vận tốc dao động theo khoảng cách, bảng so sánh lượng đá quá cỡ giữa các phương pháp nổ, và sơ đồ bố trí lỗ khoan tạo viền để minh họa rõ ràng hơn về hiệu quả và an toàn của các giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp nổ mìn vi sai nhiều hàng nhằm nâng cao hiệu quả phá đá, giảm lượng đá quá cỡ và giảm tác động địa chấn. Thời gian giãn cách nổ vi sai nên duy trì trong khoảng 25-35 ms, điều chỉnh theo đặc tính đá và điều kiện thi công. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và nhà thầu thi công, trong vòng 6 tháng đầu triển khai thi công.

  2. Thiết kế và thi công nổ mìn tạo viền trước để bảo vệ thành vách hồ đào, đảm bảo ổn định và giảm chi phí sửa chữa sau nổ. Khoảng cách lỗ khoan và mật độ thuốc nổ cần được tính toán chính xác theo đặc điểm địa chất công trình. Chủ thể thực hiện: Đội kỹ thuật nổ mìn và tư vấn thiết kế, áp dụng ngay trong giai đoạn chuẩn bị thi công.

  3. Xây dựng màng ngăn địa chấn bằng lớp đá vụn hoặc hào rãnh tại các vị trí nhạy cảm để giảm chấn động lan truyền đến công trình lân cận. Chiều sâu và chiều rộng hào cần được thiết kế phù hợp với quy mô vụ nổ và đặc điểm địa chất. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công và giám sát kỹ thuật, thực hiện song song với công tác nổ mìn.

  4. Kiểm soát chặt chẽ lượng thuốc nổ và khoảng cách an toàn theo tiêu chuẩn TCVN 4586:1997 để đảm bảo an toàn kết cấu công trình và môi trường xung quanh. Cần có hệ thống giám sát vận tốc dao động và áp lực sóng nổ trong quá trình thi công. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và cơ quan quản lý nhà nước, giám sát liên tục trong suốt quá trình thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà quản lý thi công công trình thủy lợi, thủy điện: Nắm bắt các kỹ thuật nổ mìn hiện đại, biện pháp bảo vệ công trình, giúp nâng cao hiệu quả thi công và đảm bảo an toàn kết cấu.

  2. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ xây dựng: Tham khảo các mô hình lý thuyết và thực nghiệm về sóng nổ, sóng địa chấn, từ đó phát triển các giải pháp kỹ thuật mới phù hợp với điều kiện Việt Nam.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước về an toàn lao động và môi trường: Hiểu rõ các tiêu chuẩn an toàn, tác động môi trường của nổ mìn, từ đó xây dựng chính sách, quy định phù hợp và giám sát thi công hiệu quả.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành xây dựng công trình thủy: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về công nghệ nổ mìn, phương pháp phân tích và thiết kế biện pháp bảo vệ công trình, phục vụ nghiên cứu và học tập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp nổ mìn vi sai là gì và có ưu điểm gì?
    Nổ mìn vi sai là kỹ thuật nổ từng quả hoặc nhóm quả mìn với khoảng thời gian giãn cách nhỏ (25-35 ms), tận dụng sự giao thoa sóng nổ để tăng hiệu quả phá vỡ đá, giảm lượng đá quá cỡ và giảm tác động địa chấn. Ví dụ, tại công trình Vực Mẫu, phương pháp này giúp tăng năng suất phá đá lên 20-30%.

  2. Làm thế nào để xác định khoảng cách an toàn khi nổ mìn?
    Khoảng cách an toàn được tính dựa trên trọng lượng thuốc nổ, hệ số phụ thuộc vào địa chất và loại công trình cần bảo vệ theo công thức trong TCVN 4586:1997. Khoảng cách này đảm bảo vận tốc dao động và áp lực sóng không vượt quá giới hạn phá hoại công trình.

  3. Màng ngăn địa chấn bằng lớp đá vụn hoạt động như thế nào?
    Lớp đá vụn có hệ số tơi xốp cao làm giảm tốc độ lan truyền sóng địa chấn và tăng khả năng phản xạ năng lượng sóng, từ đó giảm chấn động đến công trình. Thí nghiệm cho thấy lớp đá vụn có thể giảm tốc độ sóng đến 13 lần và phản xạ 85-95% năng lượng sóng.

  4. Nổ mìn tạo viền có tác dụng gì trong thi công mở móng?
    Nổ mìn tạo viền tạo ra các rãnh viền sát đường biên thiết kế, bảo vệ thành vách hồ đào khỏi bị phá hoại, giữ ổn định kết cấu và giảm chi phí sửa chữa sau nổ. Phương pháp này được áp dụng rộng rãi tại các công trình thủy lợi lớn.

  5. Các khí độc sinh ra khi nổ mìn có ảnh hưởng thế nào đến môi trường?
    Quá trình nổ mìn tạo ra các khí độc như CO, NOx, H2S, SO2 với nồng độ phụ thuộc vào loại thuốc nổ và điều kiện nổ. Tiêu chuẩn TC 3937-1995 quy định giới hạn nồng độ các khí này để đảm bảo chất lượng không khí xung quanh, giảm thiểu tác hại đến sức khỏe con người.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được các chỉ tiêu an toàn về sóng nổ, sóng xung kích và sóng địa chấn phù hợp với công trình Vực Mẫu, đảm bảo an toàn kết cấu khi thi công mở móng tràn bằng phương pháp nổ mìn.
  • Phương pháp nổ mìn vi sai nhiều hàng và nổ mìn tạo viền được đánh giá cao về hiệu quả phá đá và bảo vệ thành vách công trình.
  • Màng ngăn địa chấn bằng lớp đá vụn hoặc hào rãnh là biện pháp hiệu quả để giảm chấn động lan truyền, bảo vệ công trình và môi trường xung quanh.
  • Các giải pháp đề xuất cần được áp dụng đồng bộ, có giám sát chặt chẽ để đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công.
  • Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện mô hình tính toán và thử nghiệm thực tế để nâng cao độ chính xác và ứng dụng rộng rãi trong các công trình thủy lợi khác.

Hành động tiếp theo: Triển khai áp dụng các giải pháp bảo vệ đã đề xuất tại công trình Vực Mẫu, đồng thời tổ chức đào tạo kỹ thuật nổ mìn vi sai và tạo viền cho đội ngũ thi công. Đẩy mạnh nghiên cứu mở rộng về tác động môi trường và phát triển công nghệ giảm thiểu khí độc sinh ra trong quá trình nổ mìn.