Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành thủy lợi và thủy điện tại Việt Nam, việc xây dựng các đường hầm thủy công đóng vai trò then chốt trong hệ thống dẫn nước phục vụ phát điện, tưới tiêu và cấp nước sinh hoạt. Theo báo cáo của ngành, tổng chiều dài các đường hầm thủy công tại Việt Nam đã đạt hàng trăm km, trong đó nhiều công trình phải thi công qua các vùng địa chất yếu, gây ra nhiều khó khăn và rủi ro trong quá trình đào hầm. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào tính toán kết cấu chống đỡ tạm thời và lâu dài khi đào hầm qua vùng đất yếu, nhằm đảm bảo an toàn thi công và vận hành, đồng thời tối ưu chi phí xây dựng.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là xác định biện pháp đào hầm, lựa chọn và tính toán kết cấu chống đỡ tạm thời phù hợp, đồng thời tính toán kết cấu gia cố lâu dài cho lớp lót hầm qua vùng đất yếu, có xét đến sự phối hợp chịu lực giữa các kết cấu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào công trình hầm thủy điện Văn Chấn, tỉnh Yên Bái, trong giai đoạn thi công năm 2016, với các điều kiện địa chất đặc thù như đứt gãy kiến tạo và đất yếu. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu thời gian thi công, tăng cường an toàn lao động, và nâng cao hiệu quả kinh tế cho các dự án thủy điện và thủy lợi có điều kiện địa chất phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai khung lý thuyết chính trong tính toán kết cấu hầm thủy công:

  1. Lý thuyết cơ học kết cấu: Sử dụng mô hình vòm khép kín để tính toán nội lực và ứng suất trong lớp lót hầm, đặc biệt phù hợp với các mặt cắt hầm có dạng hình tròn hoặc đa giác. Lý thuyết này cho phép phân tích sự phân bố ứng suất và kiểm tra điều kiện bền của lớp lót dưới các tải trọng thường xuyên và tạm thời.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Ứng dụng phần mềm SAP2000 để mô phỏng và tính toán nội lực trong kết cấu khung chống đỡ tạm thời bằng thép hình chữ I. Phương pháp này cho phép phân tích chi tiết các trạng thái chịu lực của khung chống, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như kích thước hầm, khoảng cách giữa các vì chống và đặc tính cơ lý của đất đá.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm: vùng đất yếu, hiện tượng Karst, đứt gãy kiến tạo, áp lực núi đá, áp lực nước ngầm, lực kháng đàn tính, và các loại tải trọng tác dụng lên kết cấu hầm (thường xuyên, tạm thời dài hạn, tạm thời ngắn hạn, đặc biệt).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát địa chất thực tế tại công trình hầm thủy điện Văn Chấn, bao gồm các thông số cơ lý của đất đá, đặc điểm đứt gãy, và các tải trọng tác dụng lên hầm. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ đoạn hầm đi qua vùng đất yếu với chiều dài khoảng vài trăm mét, được phân tích chi tiết tại các mặt cắt nguy hiểm.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Tính toán sơ bộ áp lực núi đá và áp lực nước theo phương pháp cân bằng tự nhiên và các tiêu chuẩn hiện hành.
  • Mô hình hóa kết cấu khung chống đỡ tạm thời bằng phần tử thanh trong SAP2000, lựa chọn mặt cắt thép phù hợp dựa trên tiêu chuẩn TCVN 7571-2006.
  • Tính toán nội lực trong lớp lót hầm theo mô hình vòm khép kín, kết hợp với phân tích phần tử hữu hạn để đánh giá ứng suất và bố trí cốt thép.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, với các giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng và kiểm chứng kết quả tính toán.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định biện pháp thi công và chống đỡ tạm thời phù hợp: Qua phân tích địa chất và tải trọng, biện pháp khoan lỗ thăm dò kết hợp với gia cố neo vượt trước và sử dụng khung thép chữ I làm kết cấu chống đỡ tạm thời được đánh giá là hiệu quả. Kết quả tính toán cho thấy mô men uốn lớn nhất trong khung chống xuất hiện tại vị trí mặt cắt số 1, với giá trị mô men lên đến khoảng 12.798 kNm, yêu cầu lựa chọn mặt cắt thép có mô đun chống uốn phù hợp.

  2. Ảnh hưởng của kích thước hầm và khoảng cách giữa các vì chống: Khi bề rộng hầm tăng từ 3m đến 7m, mô men uốn và lực dọc trong khung chống tăng đáng kể, ví dụ mô men uốn tăng từ khoảng 965 kNm đến hơn 10.700 kNm. Khoảng cách giữa các vì chống (L_e) cũng ảnh hưởng đến nội lực, với khoảng cách 0,5m cho kết quả ổn định hơn so với 1,0m.

  3. Tính toán áp lực núi đá và áp lực nước: Áp lực đứng trên đỉnh hầm được xác định theo công thức p = B_y h, với trọng lượng riêng đá y ≈ 2,4 t/m³ và chiều cao vòm h ≈ 6m, cho áp lực khoảng 14,4 t/m². Áp lực nước ngầm và áp lực phụt vữa cũng được xem xét, với hệ số lệch tải trọng từ 1,0 đến 1,2 tùy loại tải trọng.

  4. Phân tích ứng suất trong lớp lót hầm: Sử dụng mô hình vòm khép kín, ứng suất lớn nhất tập trung tại phần vòm trên và đáy hầm, với ứng suất kéo và nén được kiểm soát trong giới hạn cho phép. Việc phối hợp chịu lực giữa lớp lót lâu dài và khung chống đỡ tạm thời giúp tăng cường độ bền và ổn định cho hầm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến các nội lực lớn trong khung chống là do áp lực núi đá và áp lực nước ngầm tác dụng lên hầm, đặc biệt trong vùng đất yếu có đứt gãy kiến tạo gây phá hoại cấu trúc đá. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả tính toán phù hợp với các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành và kinh nghiệm thi công tại các công trình thủy điện lớn như Hòa Bình và Buôn Kuốp.

Việc sử dụng phần mềm SAP2000 cho phép mô phỏng chính xác các trạng thái chịu lực của khung chống, đồng thời giúp lựa chọn mặt cắt thép tối ưu, giảm thiểu vật liệu và chi phí. Kết quả cũng cho thấy tầm quan trọng của việc khảo sát địa chất kỹ lưỡng và lựa chọn biện pháp gia cố phù hợp để đảm bảo an toàn thi công và vận hành lâu dài.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ mô men uốn theo chiều dài hầm, bảng so sánh nội lực với các kích thước hầm khác nhau, và sơ đồ phân bố ứng suất trong lớp lót hầm để minh họa rõ ràng hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng biện pháp khoan lỗ thăm dò kết hợp gia cố neo vượt trước nhằm phát hiện và xử lý kịp thời các vùng đất yếu, giảm thiểu rủi ro sụt lở trong quá trình đào hầm. Thời gian thực hiện: trước khi đào hầm tại mỗi đoạn có địa chất phức tạp. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và đơn vị khảo sát địa chất.

  2. Lựa chọn và thiết kế kết cấu khung chống đỡ tạm thời bằng thép hình chữ I theo kết quả tính toán mô men uốn và lực dọc, đảm bảo khả năng chịu lực và ổn định trong suốt quá trình thi công. Thời gian: trong giai đoạn thi công đào hầm. Chủ thể: kỹ sư thiết kế và thi công.

  3. Tính toán và bố trí lớp lót hầm lâu dài theo mô hình vòm khép kín, phối hợp với khung chống đỡ tạm thời để đảm bảo an toàn vận hành lâu dài, giảm thiểu hiện tượng nứt vỡ và thấm nước. Thời gian: giai đoạn hoàn thiện hầm. Chủ thể: đơn vị thiết kế kết cấu.

  4. Tăng cường công tác giám sát và kiểm tra định kỳ trong quá trình thi công, đặc biệt tại các vị trí có đứt gãy và đất yếu, nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường và điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời. Thời gian: liên tục trong suốt quá trình thi công. Chủ thể: chủ đầu tư và đơn vị giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và thủy điện: Nắm bắt phương pháp tính toán kết cấu chống đỡ tạm thời và lâu dài, áp dụng vào thiết kế các công trình hầm qua vùng đất yếu.

  2. Nhà thầu thi công hầm và công trình ngầm: Áp dụng các biện pháp thi công và gia cố phù hợp, nâng cao hiệu quả và an toàn thi công trong điều kiện địa chất phức tạp.

  3. Chuyên gia khảo sát địa chất công trình: Hiểu rõ các đặc điểm địa chất yếu, đứt gãy và ảnh hưởng đến kết cấu hầm, từ đó đề xuất các giải pháp khảo sát và xử lý phù hợp.

  4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật xây dựng công trình thủy: Tham khảo các phương pháp tính toán kết cấu hiện đại, ứng dụng phần mềm mô phỏng và nghiên cứu thực tiễn tại công trình thủy điện Văn Chấn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải sử dụng kết cấu chống đỡ tạm thời khi đào hầm qua vùng đất yếu?
    Kết cấu chống đỡ tạm thời giúp giữ ổn định mặt cắt hầm trong quá trình đào, ngăn ngừa sụt lở và sập hầm do địa chất yếu, đảm bảo an toàn cho công nhân và thiết bị thi công.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để tính toán nội lực trong khung chống đỡ tạm thời?
    Phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng qua phần mềm SAP2000, cho phép mô phỏng chính xác các trạng thái chịu lực và lựa chọn mặt cắt thép phù hợp.

  3. Làm thế nào để xác định áp lực núi đá tác dụng lên hầm?
    Áp lực núi đá được tính theo phương pháp cân bằng tự nhiên, dựa trên trọng lượng riêng của đá, chiều cao vòm hầm và góc ma sát trong của đất đá, theo các công thức tiêu chuẩn.

  4. Có những loại tải trọng nào cần xem xét khi tính toán kết cấu hầm?
    Bao gồm tải trọng thường xuyên (trọng lượng đá, áp lực nước bên trong), tải trọng tạm thời dài hạn và ngắn hạn (áp lực phụt vữa, lực động đất), và tải trọng đặc biệt (nổ phá, thiết bị thi công).

  5. Tại sao mô hình vòm khép kín được sử dụng để tính toán lớp lót hầm?
    Mô hình này phản ánh chính xác cấu trúc chịu lực của lớp lót hầm có mặt cắt tròn hoặc đa giác, giúp phân tích ứng suất và kiểm tra điều kiện bền một cách hiệu quả.

Kết luận

  • Luận văn đã phát triển phương pháp tính toán kết cấu chống đỡ tạm thời và lâu dài cho hầm thủy điện qua vùng đất yếu, áp dụng thành công cho công trình Văn Chấn, Yên Bái.
  • Kết quả tính toán nội lực trong khung chống đỡ và lớp lót hầm đáp ứng các yêu cầu an toàn và kinh tế, giúp giảm thiểu rủi ro trong thi công và vận hành.
  • Biện pháp thi công khoan lỗ thăm dò kết hợp gia cố neo vượt trước được khuyến nghị nhằm xử lý hiệu quả vùng đất yếu và đứt gãy.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình vòm khép kín là công cụ tính toán chính, hỗ trợ thiết kế và kiểm tra kết cấu hầm.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng áp dụng cho các công trình hầm thủy công có điều kiện địa chất phức tạp khác, đồng thời phát triển các giải pháp thi công tiên tiến hơn.

Quý độc giả và chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình thủy được khuyến khích áp dụng và phát triển các kết quả nghiên cứu này nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn cho các dự án tương lai.