Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực xây dựng thủy lợi và thủy điện, công nghệ nổ mìn được ứng dụng rộng rãi nhằm khai thác vật liệu, đào móng công trình, đảo kênh, đắp đập và phá dỡ kết cấu cũ. Theo báo cáo của ngành, việc sử dụng nổ mìn giúp rút ngắn tiến độ thi công và giảm ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, tuy nhiên cũng phát sinh các tác động tiêu cực như chấn động gây ảnh hưởng đến các công trình lân cận và môi trường. Ví dụ thực tế tại thủy điện Nam Toong (Lào Cai) năm 2010 đã xảy ra sạt lở đất đá làm hư hại một tổ máy, đồng thời tại dự án Fomosa (Hà Tĩnh) nổ mìn đã gây rạn nứt ít nhất 9 ngôi nhà dân.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của chấn động do nổ mìn trong thi công các công trình thủy lợi - thủy điện, từ đó đề xuất các giải pháp ngăn ngừa và giảm thiểu tác động bất lợi nhằm đảm bảo an toàn cho công trình và môi trường xung quanh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào công trình cửa vào tuyến tuynel dẫn nước thuộc tiểu dự án công trình đầu mối hồ chứa nước Ngàn Trươi, tỉnh Hà Tĩnh, trong giai đoạn thi công năm 2010-2011.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả thi công, giảm thiệt hại vật chất và bảo vệ môi trường, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc áp dụng công nghệ nổ mìn an toàn trong các dự án tương tự trên toàn quốc. Các chỉ số an toàn như khoảng cách an toàn về sóng xung kích, sóng địa chấn và sạt lở được tính toán cụ thể nhằm đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật và bảo vệ công trình lân cận.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về sóng nổ và sóng địa chấn trong môi trường đất đá, bao gồm:

  • Lý thuyết sóng nổ: Sóng nổ là sóng xung kích lan truyền trong không khí và sóng chấn động lan truyền trong đất đá, gây ra áp lực lớn và dao động mạnh làm ảnh hưởng đến công trình xung quanh.
  • Mô hình truyền sóng và phản xạ: Phân tích sự truyền và phản xạ của sóng nổ tại các mặt tiếp xúc giữa các lớp đất đá khác nhau, đặc biệt là vai trò của các màng ngăn sóng địa chấn như hào, lớp đá nát vụn.
  • Tiêu chuẩn an toàn và khoảng cách an toàn: Áp dụng các quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam (TCVN 4586-1997) và các công thức tính toán khoảng cách an toàn về sóng xung kích, sóng địa chấn và sạt lở dựa trên khối lượng thuốc nổ và đặc tính địa chất.

Các khái niệm chính bao gồm: áp lực sóng xung kích, vận tốc hạt môi trường, hệ số khúc xạ áp lực, khoảng cách an toàn, và các phương pháp giảm chấn động như nổ mìn vi sai, nổ mìn tạo viền, nổ mìn phân đoạn không khí.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu, phân tích lý thuyết và thực nghiệm kết hợp với khảo sát hiện trường thi công tại công trình cửa vào tuynel dẫn nước nhà máy thủy điện Ngàn Trươi.

  • Nguồn dữ liệu: Bao gồm số liệu thực tế thi công, các thông số địa chất thủy văn, kết quả đo đạc chấn động và áp lực sóng nổ tại hiện trường, cùng các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình toán học tính toán áp lực sóng nổ, vận tốc hạt môi trường, xác định khoảng cách an toàn theo công thức luỹ thừa và các hệ số thực nghiệm. Phân tích hiệu quả các biện pháp giảm chấn động dựa trên mô hình sóng phản xạ và truyền qua các lớp vật liệu khác nhau.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Dữ liệu thu thập từ các đợt nổ mìn thực tế tại công trình với nhiều vị trí khoan nổ khác nhau, đảm bảo tính đại diện cho các điều kiện địa chất và quy mô thi công.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2010 đến 2011, bao gồm giai đoạn khảo sát hiện trường, phân tích lý thuyết, thiết kế giải pháp và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của sóng chấn động đến công trình lân cận: Tốc độ dịch chuyển hạt môi trường tại các điểm gần tâm nổ có thể đạt tới vài cm/s, vượt ngưỡng an toàn gây rạn nứt kết cấu. Khoảng cách an toàn về sóng địa chấn được xác định theo công thức $R = K \cdot Q^{1/3}$, với $K$ phụ thuộc vào loại đất đá và mức độ hư hại cho phép. Ví dụ, đối với đá cứng nguyên khối, hệ số $K$ là khoảng 3.0, trong khi đối với đất pha cát là 150, cho thấy sự khác biệt lớn về khả năng truyền sóng.

  2. Hiệu quả của các biện pháp giảm chấn động: Việc tạo hào sâu và rộng tại khu vực nổ mìn làm giảm đáng kể biên độ sóng chấn động tại các điểm bảo vệ, với mức giảm dao động lên đến 40-50% so với trường hợp không có hào. Lớp đá nát vụn cũng có tác dụng phản xạ và hấp thụ sóng, giảm năng lượng truyền qua khu vực cần bảo vệ.

  3. Phương pháp nổ mìn vi sai và phân đoạn không khí: Áp dụng nổ mìn vi sai giúp giảm biên độ sóng chấn động do sự lệch pha sóng nổ, đồng thời tăng hiệu quả phá đá, giảm lượng đá quá cỡ. Nổ mìn phân đoạn không khí phân bố năng lượng đều hơn, kéo dài thời gian tác dụng nổ, làm giảm áp lực cục bộ và tăng độ đồng đều của đá nổ.

  4. Khoảng cách an toàn về sóng xung kích: Đối với nổ trên mặt đất, khoảng cách an toàn được tính toán dựa trên khối lượng thuốc nổ và hệ số hư hại, ví dụ với khối lượng thuốc 100 kg, khoảng cách an toàn có thể lên đến 150 m để tránh vỡ kính và hư hại nhẹ cho công trình.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy ảnh hưởng của chấn động do nổ mìn phụ thuộc mạnh vào đặc tính cơ lý của đất đá, khối lượng thuốc nổ và phương pháp nổ mìn sử dụng. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với các mô hình sóng nổ và tiêu chuẩn an toàn quốc tế, đồng thời bổ sung các giải pháp kỹ thuật phù hợp với điều kiện địa chất Việt Nam.

Việc áp dụng các biện pháp giảm chấn động như tạo hào, lớp đá nát vụn và nổ mìn vi sai không chỉ giảm thiệt hại cho công trình lân cận mà còn nâng cao hiệu quả thi công, giảm chi phí sửa chữa và tăng độ bền công trình. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh biên độ sóng chấn động tại các điểm đo với và không có biện pháp giảm chấn, cũng như bảng tổng hợp khoảng cách an toàn theo từng loại đất đá.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp nổ mìn vi sai và phân đoạn không khí nhằm giảm biên độ sóng chấn động và tăng hiệu quả phá đá, đặc biệt trong các công trình có yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn kết cấu. Thời gian thực hiện: ngay trong các dự án thi công tiếp theo. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu thi công và tư vấn kỹ thuật.

  2. Thiết kế và thi công hào giảm chấn động tại các vị trí nổ mìn gần công trình nhạy cảm, với chiều sâu và chiều rộng được tính toán dựa trên đặc tính địa chất và khối lượng thuốc nổ. Mục tiêu giảm biên độ sóng chấn động ít nhất 30%. Thời gian: trong giai đoạn chuẩn bị mặt bằng thi công.

  3. Sử dụng lớp đá nát vụn làm màng ngăn sóng địa chấn tại các vị trí biên giới giữa khu vực nổ và công trình cần bảo vệ, nhằm tăng khả năng phản xạ và hấp thụ sóng. Chủ thể: đơn vị thi công phối hợp với chuyên gia địa chất.

  4. Xây dựng hệ thống giám sát chấn động liên tục trong quá trình thi công để kịp thời điều chỉnh phương án nổ mìn, đảm bảo không vượt quá giới hạn an toàn. Thời gian: triển khai đồng thời với thi công nổ mìn. Chủ thể: chủ đầu tư và đơn vị tư vấn giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chuyên gia và kỹ sư xây dựng thủy lợi - thủy điện: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để thiết kế phương án nổ mìn an toàn, giảm thiểu rủi ro cho công trình và môi trường.

  2. Nhà thầu thi công công trình nổ mìn: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật và biện pháp giảm chấn động nhằm nâng cao hiệu quả thi công và đảm bảo an toàn lao động.

  3. Cơ quan quản lý và giám sát xây dựng: Sử dụng các tiêu chuẩn và kết quả nghiên cứu để kiểm soát chất lượng thi công, đánh giá rủi ro và phê duyệt các phương án thi công nổ mìn.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo quan trọng về lý thuyết sóng nổ, mô hình truyền sóng và các giải pháp kỹ thuật trong thi công công trình thủy lợi - thủy điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chấn động do nổ mìn ảnh hưởng như thế nào đến công trình lân cận?
    Chấn động gây ra dao động và áp lực lớn có thể làm rạn nứt, hư hại kết cấu công trình, đặc biệt là các công trình có kết cấu yếu hoặc gần khu vực nổ. Ví dụ tại thủy điện Nam Toong đã xảy ra sạt lở do chấn động.

  2. Làm thế nào để xác định khoảng cách an toàn khi nổ mìn?
    Khoảng cách an toàn được tính dựa trên khối lượng thuốc nổ, đặc tính địa chất và mức độ hư hại cho phép theo công thức luỹ thừa, kết hợp với hệ số thực nghiệm từ tiêu chuẩn kỹ thuật.

  3. Phương pháp nổ mìn vi sai có ưu điểm gì?
    Nổ mìn vi sai giúp giảm biên độ sóng chấn động nhờ sự lệch pha sóng, đồng thời tăng hiệu quả phá đá, giảm lượng đá quá cỡ, giúp thi công nhanh và an toàn hơn.

  4. Tại sao cần tạo hào hoặc lớp đá nát vụn để giảm chấn động?
    Hào và lớp đá nát vụn tạo màng ngăn vật lý, phản xạ và hấp thụ sóng chấn động, làm giảm năng lượng truyền qua khu vực cần bảo vệ, từ đó giảm thiệt hại cho công trình.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các công trình khác không?
    Có, các giải pháp và mô hình tính toán có thể áp dụng cho các công trình thủy lợi - thủy điện tương tự, đặc biệt trong điều kiện địa chất và quy mô thi công gần giống.

Kết luận

  • Nổ mìn là phương pháp thi công hiệu quả trong xây dựng thủy lợi - thủy điện nhưng gây ra chấn động ảnh hưởng đến công trình lân cận và môi trường.
  • Các biện pháp giảm chấn động như nổ mìn vi sai, tạo hào, sử dụng lớp đá nát vụn đã được chứng minh hiệu quả qua thực nghiệm và tính toán.
  • Khoảng cách an toàn về sóng xung kích và sóng địa chấn cần được xác định chính xác dựa trên đặc tính địa chất và khối lượng thuốc nổ để đảm bảo an toàn thi công.
  • Nghiên cứu đã áp dụng thành công cho công trình cửa vào tuynel dẫn nước nhà máy thủy điện Ngàn Trươi, tỉnh Hà Tĩnh, làm cơ sở cho các dự án tương tự.
  • Đề xuất xây dựng hệ thống giám sát chấn động liên tục và áp dụng các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn thi công trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Các nhà thầu và chủ đầu tư nên áp dụng các giải pháp kỹ thuật được đề xuất, đồng thời triển khai giám sát chấn động để đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công.