Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy lợi, nền móng có vai trò quyết định đến sự ổn định và an toàn của kết cấu công trình. Theo ước tính, các công trình thủy lợi lớn như đập thủy điện Sơn La, Lai Châu có nền bồi tích cát cuội sỏi với chiều dày lên đến 70m, đòi hỏi các giải pháp xử lý nền hiệu quả để đảm bảo khả năng chịu lực và chống thấm. Vấn đề chống thấm nền công trình thủy lợi và xử lý nền bồi tích là thách thức lớn do đặc tính cơ lý phức tạp của đất yếu, dễ bị xói ngầm và thấm nước gây mất ổn định. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất giải pháp khoan phụt xử lý chống thấm cho nền công trình thủy lợi, đồng thời phát triển phương pháp khoan phụt xi măng đất sét cho nền bồi tích nhằm tăng cường khả năng chống thấm và chịu lực. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công trình thủy lợi tại Việt Nam, đặc biệt là đê quai giai đoạn II của thủy điện Sơn La, trong giai đoạn từ năm 2000 đến 2012. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả thi công, giảm thiểu rủi ro thấm nước và đảm bảo an toàn công trình thủy lợi, góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng công trình thủy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết cơ học đất và lý thuyết thủy lực trong nền đất. Lý thuyết cơ học đất giúp phân tích đặc tính cơ lý của nền bồi tích, bao gồm các khái niệm chính như độ bền cắt, độ rỗng, và tính đàn hồi của đất. Lý thuyết thủy lực tập trung vào hiện tượng thấm nước qua nền đất, với các khái niệm như hệ số thấm, gradien thủy lực và áp lực thấm. Ngoài ra, mô hình khoan phụt xi măng đất sét được áp dụng để mô phỏng quá trình gia cố nền bằng cách bơm vữa xi măng vào các lỗ rỗng của đất, tạo thành khối xi măng đất có khả năng chống thấm và chịu lực cao. Các khái niệm chuyên ngành như công nghệ khoan phụt đơn pha, hai pha và ba pha, cũng như các loại vữa khoan phụt (vữa xi măng, vữa sét bentonite) được nghiên cứu kỹ lưỡng để lựa chọn giải pháp phù hợp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên khảo, giáo trình, tiêu chuẩn kỹ thuật trong và ngoài nước, cùng các báo cáo thi công thực tế tại các công trình thủy lợi lớn ở Việt Nam như thủy điện Sơn La, Lai Châu, và các công trình quốc tế. Phương pháp phân tích bao gồm tổng hợp, phân tích định tính và định lượng các tài liệu, kết hợp với nghiên cứu điển hình tại công trình đê quai giai đoạn II thủy điện Sơn La. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các lỗ khoan phụt thực tế với chiều sâu từ 10 đến 70m, được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có chủ đích nhằm đảm bảo tính đại diện. Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm, từ năm 2010 đến 2012, bao gồm khảo sát hiện trường, thí nghiệm vữa khoan phụt, đo lưu lượng thấm và áp lực thấm trước và sau xử lý. Phương pháp phân tích số liệu sử dụng phần mềm mô phỏng thủy lực và cơ học đất, kết hợp với phân tích thống kê để đánh giá hiệu quả của giải pháp khoan phụt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả chống thấm của phương pháp khoan phụt xi măng đất sét: Qua thí nghiệm và tính toán, lưu lượng thấm qua nền đê quai sau khi xử lý khoan phụt giảm từ khoảng 99×10⁻⁶ m/s xuống còn 2.3×10⁻⁶ m/s, tương đương giảm hơn 97%. Điều này chứng tỏ phương pháp khoan phụt xi măng đất sét có khả năng làm giảm đáng kể thấm nước qua nền bồi tích.

  2. Tăng cường khả năng chịu lực nền: Các mẫu vữa xi măng đất sét sau 28 ngày đạt cường độ chịu nén từ 0.4 đến 2 kN/cm², đủ để gia cố nền đất yếu, giảm nguy cơ lún và xói ngầm. So với nền chưa xử lý, cường độ chịu lực tăng trung bình 150%.

  3. Ứng dụng công nghệ khoan phụt đa pha: Công nghệ khoan phụt ba pha tạo ra các cột xi măng đất có đường kính lên đến 2m, giúp gia cố nền với hiệu quả cao hơn so với công nghệ đơn pha và hai pha. Tỷ lệ giảm lưu lượng thấm và tăng cường độ nền cao hơn khoảng 20% so với công nghệ đơn pha.

  4. Tính ổn định thi công và kiểm soát chất lượng: Việc sử dụng ống măngzét và vữa chèn đảm bảo ổn định thành lỗ khoan, giảm thiểu sự cố trong quá trình khoan phụt. Áp lực phụt được kiểm soát trong khoảng 15-25 atm, phù hợp với đặc tính địa chất và đảm bảo hiệu quả thi công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả chống thấm cao là do vữa xi măng đất sét lấp đầy các lỗ rỗng và khe nứt trong nền bồi tích, tạo thành lớp chắn nước đồng nhất và bền vững. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về công nghệ khoan phụt xi măng trong xử lý nền đất yếu. So sánh với các phương pháp truyền thống như làm chặt cơ học hay gia cố bằng cọc cát, khoan phụt xi măng đất sét cho hiệu quả vượt trội về khả năng chống thấm và tăng cường độ chịu lực. Việc áp dụng công nghệ khoan phụt đa pha giúp tăng đường kính cột gia cố, giảm số lượng lỗ khoan và rút ngắn thời gian thi công, từ đó tiết kiệm chi phí và nâng cao năng suất. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lưu lượng thấm trước và sau xử lý, bảng tổng hợp cường độ chịu nén của các mẫu vữa, và sơ đồ bố trí lỗ khoan phụt tại công trình thủy điện Sơn La để minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi công nghệ khoan phụt xi măng đất sét: Khuyến nghị các chủ đầu tư và nhà thầu áp dụng công nghệ khoan phụt xi măng đất sét cho các công trình thủy lợi có nền bồi tích cát cuội sỏi nhằm nâng cao khả năng chống thấm và chịu lực, đặc biệt trong giai đoạn thi công đê quai và đập thủy điện. Thời gian áp dụng dự kiến trong vòng 1-3 năm.

  2. Đào tạo và nâng cao năng lực thi công: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật khoan phụt, vận hành thiết bị và kiểm soát chất lượng vữa cho đội ngũ kỹ thuật và công nhân thi công nhằm giảm thiểu sự cố và nâng cao hiệu quả thi công. Chủ thể thực hiện là các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng.

  3. Phát triển hệ thống kiểm soát chất lượng vữa và áp lực phụt: Xây dựng quy trình kiểm tra, giám sát chặt chẽ các chỉ tiêu kỹ thuật như độ xuyên thấm, cường độ vữa, áp lực phụt trong quá trình thi công để đảm bảo chất lượng công trình. Thời gian thực hiện song song với thi công công trình.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ khoan phụt đa pha: Khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng công nghệ khoan phụt ba pha để gia cố nền đất yếu có chiều sâu lớn, nâng cao hiệu quả và tiết kiệm chi phí thi công. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ xây dựng trong vòng 2-4 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng công trình thủy lợi: Giúp hiểu rõ về các giải pháp công nghệ khoan phụt xử lý nền, từ đó lựa chọn phương án thi công phù hợp, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

  2. Kỹ sư thiết kế và tư vấn xây dựng: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để thiết kế các giải pháp gia cố nền chống thấm, đặc biệt cho các công trình có nền bồi tích phức tạp.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình thủy: Là tài liệu tham khảo quý giá về công nghệ khoan phụt, phương pháp xử lý nền đất yếu và các kỹ thuật thi công hiện đại.

  4. Cơ quan quản lý và ban ngành liên quan: Hỗ trợ trong việc xây dựng tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật và chính sách phát triển công nghệ xử lý nền trong xây dựng công trình thủy lợi.

Câu hỏi thường gặp

  1. Khoan phụt xi măng đất sét là gì và có ưu điểm gì?
    Khoan phụt xi măng đất sét là phương pháp bơm vữa xi măng trộn với đất sét vào các lỗ rỗng của nền bồi tích để gia cố và chống thấm. Ưu điểm là tăng cường độ chịu lực, giảm lưu lượng thấm nước và thích hợp với nền đất yếu có chiều sâu lớn.

  2. Công nghệ khoan phụt đa pha khác gì so với đơn pha?
    Công nghệ đa pha sử dụng kết hợp vữa, không khí và nước để tạo ra cột xi măng đất có đường kính lớn hơn, giúp gia cố nền hiệu quả hơn và giảm số lượng lỗ khoan, trong khi công nghệ đơn pha chỉ dùng vữa xi măng.

  3. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng vữa khoan phụt?
    Chất lượng vữa được kiểm tra qua các chỉ tiêu như độ xuyên thấm, cường độ chịu nén sau 7 và 28 ngày, độ nhớt và tỷ trọng. Việc kiểm soát áp lực phụt và lưu lượng vữa cũng rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả thi công.

  4. Phương pháp khoan phụt có áp dụng được cho mọi loại nền đất không?
    Phương pháp này phù hợp với nền đất yếu có đặc tính dính như đất sét, bồi tích cát cuội sỏi. Với nền đá nứt nẻ, khoan phụt xi măng cũng được áp dụng hiệu quả. Tuy nhiên, với nền đất có độ thấm quá thấp hoặc chứa tạp chất dầu mỡ, cần xem xét phương pháp khác.

  5. Thời gian thi công và chi phí của công nghệ khoan phụt như thế nào?
    Thời gian thi công phụ thuộc vào chiều sâu và diện tích nền cần xử lý, thường từ vài tuần đến vài tháng. Chi phí có thể tiết kiệm nhờ giảm số lượng lỗ khoan và rút ngắn thời gian thi công khi áp dụng công nghệ đa pha. Ví dụ tại thủy điện Sơn La, chi phí giảm khoảng 20% so với phương pháp truyền thống.

Kết luận

  • Giải pháp khoan phụt xi măng đất sét là phương pháp hiệu quả để xử lý chống thấm và gia cố nền bồi tích trong công trình thủy lợi.
  • Công nghệ khoan phụt đa pha nâng cao hiệu quả gia cố, giảm lưu lượng thấm và tăng cường độ chịu lực nền.
  • Việc kiểm soát kỹ thuật thi công, áp lực phụt và chất lượng vữa là yếu tố quyết định thành công của giải pháp.
  • Nghiên cứu đã áp dụng thành công tại đê quai giai đoạn II thủy điện Sơn La, mở ra hướng phát triển công nghệ xử lý nền tại Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai đào tạo, kiểm soát chất lượng và nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ khoan phụt đa pha trong các công trình thủy lợi và thủy điện trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo là tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật khoan phụt, xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng thi công và triển khai thí điểm công nghệ tại các công trình trọng điểm nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền vững của công trình thủy lợi.