Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành năng lượng, đặc biệt là nhiệt điện than, tỷ trọng nguồn nhiệt điện dự kiến tăng từ 16,5% lên 48% tổng công suất hệ thống vào năm 2020 theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2010-2020. Các nhà máy nhiệt điện than như Mông Dương 2 tại tỉnh Quảng Ninh đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu nguồn điện quốc gia. Tuy nhiên, đi kèm với sự phát triển này là các vấn đề môi trường nghiêm trọng, đặc biệt liên quan đến xử lý nền đất yếu cho các đập bãi thải xỉ – nơi chứa chất thải độc hại như than xỉ.

Sự cố vỡ đập bãi xỉ tại phường Mông Dương năm 2015 đã vùi lấp hàng trăm hộ dân và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, làm nổi bật tính cấp thiết của việc nghiên cứu các giải pháp xử lý nền đất yếu nhằm đảm bảo an toàn và bền vững cho các công trình đập thải xỉ. Mục tiêu nghiên cứu là lựa chọn giải pháp kỹ thuật tối ưu trong thiết kế xử lý nền đất yếu, áp dụng cho đập bãi xỉ của nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2, đảm bảo yêu cầu kinh tế và kỹ thuật.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào địa bàn tỉnh Quảng Ninh, với dữ liệu khảo sát địa chất, địa hình, thủy hải văn và các thông số cơ lý của nền đất yếu tại công trình. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu rủi ro sự cố đập, bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả vận hành các nhà máy nhiệt điện than trên nền đất yếu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong công trình thủy lợi và cơ học đất, bao gồm:

  • Lý thuyết ổn định mái dốc: Sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn và phân tích giới hạn để đánh giá hệ số an toàn của mái đập, trong đó hệ số an toàn được xác định dựa trên mômen chống trượt và mômen gây trượt theo mô hình mặt trượt trụ tròn.

  • Lý thuyết ứng suất, biến dạng và độ lún của nền đất: Áp dụng mô hình đàn hồi tuyến tính và mô hình đàn - dẻo Mohr-Coulomb để mô tả quan hệ ứng suất - biến dạng của đất yếu, đồng thời phân tích các thành phần độ lún tức thời, cố kết thấm và từ biến.

  • Lý thuyết cố kết thấm: Dựa trên mô hình cố kết một chiều của K. Tezaghi, mô tả quá trình thoát nước lỗ rỗng và biến dạng lún của đất sét bão hòa dưới tải trọng công trình.

  • Giải pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất: Nghiên cứu các kiểu bố trí cọc xi măng đất (kiểu tường, kẻ ô, khối, diện) và phương pháp tính toán thiết kế theo quan điểm làm việc như cọc, nền tương đương và hỗn hợp, đảm bảo sức chịu tải và biến dạng trong giới hạn cho phép.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ khảo sát thực địa tại công trình Nhiệt điện Mông Dương 2, bao gồm số liệu địa chất, địa hình, thủy hải văn, và các chỉ tiêu cơ lý của nền đất và vật liệu gia cố. Ngoài ra, dữ liệu được bổ sung từ các tài liệu chuyên ngành, báo cáo kỹ thuật và các nghiên cứu liên quan.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm địa kỹ thuật hiện đại như Plaxis và Geostudio để mô phỏng ứng suất, biến dạng và ổn định mái dốc. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các mẫu đất và cọc xi măng đất được thí nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường nhằm xác định các chỉ tiêu cơ lý chính xác.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, bắt đầu từ khảo sát thực địa, thu thập và xử lý số liệu, thiết kế mô hình tính toán, đến phân tích kết quả và đề xuất giải pháp xử lý nền tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính chất cơ lý nền đất yếu tại công trình: Đất yếu có sức chịu tải khoảng 0,5-1,0 daN/cm², hệ số rỗng lớn (e > 1), mô đun biến dạng thấp (E₀ ≈ 50 daN/cm²), và lực chống cắt nhỏ. Các chỉ tiêu cơ lý của cọc xi măng đất cho thấy độ bền cắt và mô đun đàn hồi được cải thiện đáng kể so với đất nền tự nhiên.

  2. Hiệu quả giải pháp gia cố bằng cọc xi măng đất: Phương án bố trí cọc xi măng đất dạng tường và dạng hoa mai được tính toán cho thấy hệ số an toàn ổn định mái dốc đạt từ 1,15 đến 1,37, vượt mức yêu cầu kỹ thuật. Độ lún tổng cộng sau gia cố giảm khoảng 30-40% so với nền đất chưa xử lý.

  3. So sánh các phương án xử lý nền: Phương pháp thay nền có chi phí cao và rủi ro lớn do phụ thuộc vào điều kiện khí tượng thủy văn. Giải pháp cọc xi măng đất được đánh giá là tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế, phù hợp với điều kiện địa chất công trình tại Quảng Ninh.

  4. Ứng dụng phần mềm mô phỏng: Kết quả mô phỏng bằng Plaxis cho thấy sự phân bố ứng suất và biến dạng hợp lý, chuyển vị thẳng đứng và ngang sau các đợt đắp xỉ than đều nằm trong giới hạn cho phép, đảm bảo ổn định công trình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cố vỡ đập bãi xỉ tại Mông Dương là do mưa lớn kéo dài vượt quá công suất bơm, gây tràn nước và áp lực lớn lên nền đất yếu chưa được xử lý triệt để. Việc áp dụng giải pháp cọc xi măng đất giúp tăng cường sức chịu tải và giảm biến dạng nền, từ đó nâng cao hệ số an toàn và giảm nguy cơ phá hoại.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả luận văn khẳng định tính hiệu quả của phương pháp gia cố cọc xi măng đất trong điều kiện đất yếu có độ bão hòa cao và áp lực nước lỗ rỗng lớn. Việc sử dụng mô hình đàn - dẻo Mohr-Coulomb và phần mềm Plaxis giúp mô phỏng chính xác hơn các hiện tượng cơ học phức tạp của nền đất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ chuyển vị thẳng đứng và ngang theo thời gian, bảng so sánh hệ số an toàn và độ lún giữa các phương án xử lý nền, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp được lựa chọn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi giải pháp cọc xi măng đất: Áp dụng cho các công trình đập bãi thải xỉ trên nền đất yếu tại các khu vực có điều kiện địa chất tương tự, nhằm nâng cao độ ổn định và giảm thiểu rủi ro sự cố. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do các chủ đầu tư và đơn vị thi công đảm nhận.

  2. Tăng cường khảo sát địa chất và giám sát thi công: Đảm bảo thu thập đầy đủ số liệu cơ lý nền đất và vật liệu gia cố, đồng thời kiểm soát chất lượng thi công cọc xi măng đất để đạt hiệu quả tối ưu. Thực hiện liên tục trong suốt quá trình xây dựng.

  3. Ứng dụng phần mềm mô phỏng hiện đại: Sử dụng Plaxis hoặc Geostudio để mô phỏng và đánh giá ổn định công trình trước khi thi công, giúp lựa chọn phương án thiết kế phù hợp và kịp thời điều chỉnh khi cần. Áp dụng trong giai đoạn thiết kế và giám sát kỹ thuật.

  4. Nghiên cứu bổ sung về biến dạng từ biến và ảnh hưởng thủy lực: Tiếp tục nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ lún lâu dài và ổn định nền đất yếu, nhằm hoàn thiện mô hình tính toán và nâng cao độ chính xác dự báo. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và xây dựng: Nắm bắt các giải pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả, áp dụng trong thiết kế móng và đập bãi thải xỉ, giúp đảm bảo an toàn và bền vững công trình.

  2. Chuyên gia địa kỹ thuật và khảo sát địa chất: Sử dụng các phương pháp phân tích ứng suất, biến dạng và mô hình cố kết thấm để đánh giá nền đất yếu, từ đó đề xuất giải pháp gia cố phù hợp.

  3. Nhà quản lý dự án và chủ đầu tư các nhà máy nhiệt điện: Hiểu rõ các rủi ro liên quan đến nền đất yếu và các biện pháp xử lý, giúp ra quyết định đầu tư và giám sát thi công hiệu quả.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành công trình thủy lợi, xây dựng: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết cơ học đất, phương pháp xử lý nền và ứng dụng phần mềm mô phỏng trong nghiên cứu và đào tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải xử lý nền đất yếu cho đập bãi thải xỉ?
    Nền đất yếu có sức chịu tải thấp và độ lún lớn, nếu không xử lý sẽ gây mất ổn định đập, dẫn đến sự cố vỡ đập và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Ví dụ sự cố vỡ đập Mông Dương 2015 đã gây thiệt hại lớn về người và tài sản.

  2. Giải pháp cọc xi măng đất có ưu điểm gì?
    Cọc xi măng đất tăng cường sức chịu tải, giảm biến dạng và độ lún nền, thi công nhanh, chi phí hợp lý và phù hợp với nhiều điều kiện địa chất. Đây là phương pháp được áp dụng phổ biến cho nền đất yếu tại các công trình đập.

  3. Phần mềm Plaxis được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Plaxis mô phỏng ứng suất, biến dạng và ổn định mái dốc theo mô hình phần tử hữu hạn, giúp đánh giá chính xác hiệu quả các giải pháp xử lý nền trước khi thi công thực tế.

  4. Hệ số an toàn ổn định mái dốc đạt bao nhiêu là đủ?
    Theo tiêu chuẩn hiện hành, hệ số an toàn tối thiểu thường là 1,15 - 1,3 tùy cấp công trình. Nghiên cứu cho thấy các phương án gia cố đạt hệ số an toàn từ 1,15 đến 1,37, đảm bảo an toàn kỹ thuật.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các công trình khác không?
    Có, các phương pháp và kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các công trình đập, đê điều và móng công trình xây dựng trên nền đất yếu tương tự, đặc biệt trong điều kiện khí hậu và địa chất vùng ven biển, đồng bằng.

Kết luận

  • Đã xác định được các đặc tính cơ lý nền đất yếu và vật liệu cọc xi măng đất tại công trình Nhiệt điện Mông Dương 2, làm cơ sở cho thiết kế xử lý nền.
  • Giải pháp gia cố bằng cọc xi măng đất dạng tường và hoa mai được lựa chọn là tối ưu, đảm bảo hệ số an toàn ổn định mái dốc từ 1,15 đến 1,37 và giảm độ lún nền khoảng 30-40%.
  • Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn bằng Plaxis giúp đánh giá chính xác ứng suất, biến dạng và ổn định công trình, hỗ trợ thiết kế và giám sát thi công.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi giải pháp cọc xi măng đất, tăng cường khảo sát địa chất và giám sát thi công để đảm bảo hiệu quả và an toàn công trình.
  • Khuyến nghị nghiên cứu tiếp về biến dạng từ biến và ảnh hưởng thủy lực để hoàn thiện mô hình tính toán và nâng cao độ tin cậy dự báo.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị thi công và chủ đầu tư cần phối hợp triển khai áp dụng giải pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất, đồng thời sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm soát chất lượng và đảm bảo an toàn công trình.