Giải pháp thiết kế, thi công mở rộng Nhà máy Thủy điện Ialy

Dự án Thủy điện Ialy mở rộng - Công trình cấp thiết của hệ thống điện Việt Nam

Nhà máy Thủy điện Ialy là công trình thủy điện bậc thang thứ hai thuộc hệ thống bậc thang thủy điện trên dòng chính sông Sê San. Hệ thống bậc thang thủy điện gồm 6 công trình, bao gồm các nhà máy thủy điện: Pleikrông, Ialy, Sê San 3, Sê San 3A, Sê San 4 và Sê San 4A. Nhà máy Thủy điện Ialy được khởi công xây dựng đầu tiên trên dòng sông Sê San từ năm 1993, có vị trí nằm trên địa bàn huyện Chưpăh, tỉnh Gia Lai và huyện Sa Thầy, tỉnh Kon Tum, hoàn thành xây dựng vào tháng 4 năm 2002, với công suất lắp máy 720 MW, hàng năm thủy điện Ialy đóng góp sản lượng 3,68 tỷ kWh cho hệ thống điện quốc gia. Sau khi Nhà máy Thủy điện PleiKrông đưa vào vận hành và điều tiết lưu lượng cho hồ chứa Ialy, Thủy điện Ialy đảm bảo phát điện 4 tổ máy với thời gian liên tục trong ngày của mùa kiệt là 12,94 giờ và nâng số giờ sử dụng công suất lắp máy lên 5.570 giờ/năm. Với việc mở rộng quy mô, tăng công suất Nhà máy Thủy điện Ialy thêm 2 tổ máy, mỗi tổ máy 180 MW, nâng tổng công suất toàn bộ nhà máy là 1.080 MW dự án sẽ có hiệu ích năng lượng: Tăng thêm điện lượng trung bình năm là 223,6 triệu kWh/năm; tăng khả năng huy động công suất giờ cao điểm mùa khô, tạo thêm 364,9 triệu kWh/năm.

Dự án mở rộng công suất Nhà máy Thủy điện Ialy sẽ sử dụng tuyến áp lực công trình Thủy điện Ialy hiện hữu, vì vậy các mực nước thiết kế chính là các thông số hồ chứa Ialy đang vận hành.

Nhà máy Thuỷ điện Ialy mở rộng (IMR) nằm bên bờ phải sông Sê San, cách cửa ra nhà máy hiện hữu khoảng hơn 500 m về phía thượng lưu. Vị trí của IMR và kênh xả được xác định trên cơ sở bố trí tổng thể công trình mở rộng và hiện hữu, có xét đến các điều kiện địa hình, địa chất, ổn định mái tự nhiên và vận hành lâu dài của khu vực nhà máy. Vị trí IMR đảm bảo điều kiện nối tiếp thuận thủy lực với đường ống áp lực ngầm phía thượng lưu và nối tiếp thuận thủy lực với sông Sê San ở phía hạ lưu. Ngoài ra, vị trí IMR được bố trí để hạn chế tối đa ảnh hưởng đến đường vận hành của nhà máy hiện hữu.

Dưới đây chúng tôi giới thiệu một số giải pháp thiết kế thi công xây dựng do Công ty cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 1 (PECC1) lập:

1. Kênh dẫn vào cửa lấy nước:

Kênh dẫn vào được chia làm 3 đoạn gồm đoạn đầu vào, đoạn chuyển tiếp và đoạn cuối. Đoạn kênh đầu vào có chiều dài 117,54 m từ đầu kênh đến đầu đoạn chuyển tiếp đáy kênh, với độ dốc đáy i = 0.000 và chiều rộng đáy kênh B = 60 m. Cao độ đầu và cuối đáy kênh đoạn này là 486,5 m. Đoạn kênh này nằm trên tầng địa chất lớp IA2 và edQ+IA1. Đoạn kênh chuyển tiếp dài 75 m với cao độ đáy kênh từ 486.5 m hạ xuống cao độ 475 m, chiều rộng đáy kênh thay đổi tương ứng từ B = 60 m đến B = 22,4 m. Độ dốc đáy kênh đoạn này là 15%. Đoạn kênh này nằm trên tầng địa chất lớp IIA, IB, IA2 và edQ+IA1. Đoạn kênh dẫn cuối dài 125 m có cao độ đáy kênh là 475 m, chiều rộng đáy kênh B = 22,4 m với độ dốc đáy kênh i = 0.00. Đoạn kênh này nằm trên tầng địa chất lớp IIA, IB, IA2 và edQ+IA1.

2. Cửa lấy nước:

Cửa lấy nước có kết cấu bê tông cốt thép dạng tựa bờ kiểu tháp với kích thước: B x L = 22,4 x 25,05 m; gồm 2 khoang để dẫn nước vào đường hầm, kích thước các khoang cửa là (số cửa x rộng x cao) = 2 x 4 x 7 (m). Cao trình ngưỡng cửa lấy nước ở độ cao 476 m, cao hơn cao độ đáy kênh 1,0 m. Cao độ đỉnh bằng cao độ đỉnh cửa lấy nước hiện tại là 521,25m.

Toàn bộ cửa lấy nước được xây dựng trên nền lớp đá IIA.

Hình 1: Sơ đồ cắt dọc tuyến kênh vào cửa lấy nước.

3. Đường hầm dẫn nước:

Chiều dài hầm dẫn nước là L = 3.314,77 m. Đường kính trong của đường hầm dẫn nước rộng 7 m. Đường hầm dẫn nước đi qua vùng địa chất chủ yếu trong lớp đá IIB và IIA, trừ phạm vi qua khu vực lòng trũng của suối Iatran dài khoảng 53 m là lớp đá IB.

Kết cấu áo hầm: Bọc bê tông cốt thép toàn bộ chiều dài đường hầm dẫn nước.

Hình 2: Cắt dọc tuyến đường hầm dẫn nước.

4. Tháp điều áp:

Tháp điều áp có 2 buồng là buồng trên và buồng dưới, nối giữa 2 buồng là giếng đứng với kết cấu bê tông cốt thép (cấu tạo giống tháp điều áp của Nhà máy Thủy điện Ialy hiện hữu). Buồng trên tháp điều áp đi qua lớp địa chất chủ yếu trong lớp đá IIB và IIA, còn buồng dưới tháp điều áp được bố trí ở vùng địa chất chủ yếu trong lớp đá IIB.

Hình 3: Sơ đồ cắt dọc tháp điều áp.

5. Đường ống áp lực:

Đường ống áp lực đi qua nền địa chất lớp đá IIB gồm 3 đoạn (xem hình 4): (i) Đường ống áp lực trên; (ii) Đường ống áp lực đứng; (ii) Đường ống áp lực dưới.

Hình 4: Đường ống áp lực.

6. Nhà máy thủy điện và kênh xả:

Nhà máy được đặt trên nền lớp đá IIB và kênh xả được bố trí trên nền đá IIA và IIB, độ dốc mái m = 0,25.

Hình 5: Cắt dọc nhà máy thủy điện và kênh xả.

Giải pháp thiết kế và thi công công trình, đảm bảo an toàn các hạng mục công trình hiện hữu:

Toàn bộ vị trí xây dựng Công trình Ialy mở rộng đều phải tiến hành đào đá bằng phương pháp nổ mìn, do vậy công tác nổ mìn được xác định phải đảm bảo an toàn tuyệt đối cho đập dâng của Thủy điện Ialy cùng các hạng mục hiện hữu như cửa lấy nước, hầm dẫn nước và nhà máy thủy điện và các hầm khác hoạt động bình thường. Khoảng cách gần nhất từ các vị trí sẽ nổ mìn đào đá đến các hạng mục nhà máy thủy điện Ialy hiện hành có chiều dài như sau:

- Từ vị trí nổ mìn đào đá đến cửa lấy nước hiện hữu: 110 m.

- Từ vị trí nổ mìn đào đá ngầm hầm dẫn nước đến hầm hiện hữu: 50m.

- Từ vị trí nổ mìn đào đá cửa lấy nước mới đến đập hiện hữu: 240 m.

- Từ vị trí nổ mìn đào ngầm tháp điều áp mới đến hầm dẫn nước hiện hữu 340 m.

- Từ vị trí nổ mìn đào hố móng nhà máy mới đến nhà máy ngầm hiện hiện hữu: 330 m.

Đập dâng của Nhà máy Thủy điện Ialy hiện hữu có kết cấu bằng đá đắp, lõi chống thấm bằng đất, tiếp giáp khối đá đắp và lõi đất là các lớp chuyển tiếp bằng đá đắp, lớp dăm lọc và lớp cát lọc. Xem xét an toàn cho công trình hiện hữu như cửa lấy nước, hầm dẫn nước, đập dâng Ialy là xem xét đến những chi tiết kết cấu dễ bị ảnh hưởng nhất do tác động nổ mìn, đó là lõi đất chống thấm cùng các lớp lọc và màn khoan phun có khoảng cách đến tuyến năng lượng Thủy điện Ialy mở rộng khoảng 240 m.

Để tính toán khoảng cách an toàn từ vị trí khoan, nổ mìn đến vị trí công trình cần bảo vệ, các chuyên gia PECC1 đã tham khảo thêm nhiều tài liệu hướng dẫn về nội dung này, trong đó một số tiêu chuẩn an toàn quốc tế như Liên bang Nga và Hoa Kỳ.

So sánh các tiêu chuẩn an toàn nổ với các công trình cần bảo vệ của Liên bang Nga, Hoa Kỳ và QCVN 01:2019/BCT thấy rằng: Tiêu chuẩn đã quy định trong QCVN 01:2019/BCT có yêu cầu an toàn cao hơn, nếu đáp ứng được tiêu chí an toàn trong QCVN 01:2019/BCT thì cũng có nghĩa là đảm bảo an toàn khi nổ mìn cho toàn bộ kết cấu công trình, bao gồm tất cả các chi tiết kết cấu của đập dâng (thân đập, lõi đất chống thấm, màn khoan phun), đồng thời cũng đảm bảo an toàn cho các công trình dân dụng và văn hóa khác trong phạm vi công trình, vùng hồ.

Tham khảo thêm các tiêu chuẩn Liên bang Nga và Hoa Kỳ cũng nhận thấy nếu đáp ứng theo QCVN 01:2019/BCT thì đồng thời cũng đảm bảo an toàn về sóng xung kích, về nổ lặp lại nhiều lần. Căn cứ vào vị trí, đặc điểm của các hạng mục công trình và điều kiện địa chất, thủy văn và các công trình hiện hữu khu vực thi công công trình, Tư vấn thiết kế đề xuất giải pháp công tác thi công đào hố móng dự án Nhà máy Thủy điện Ialy mở rộng sẽ tiến hành bằng khoan nổ và tiêu chuẩn an toàn tính theo QCVN 01:2019/BCT. Để hạn chế đến mức tối đa các ảnh hưởng của công tác nổ mìn tới công trình hiện hữu, công tác khoan nổ thực hiện nổ vi sai và khoan viền.

Kinh nghiệm nổ mìn đào hố móng và đào ngầm tại công trình Thủy điện Hòa Bình và Lai Châu:

Ngoài ra, từ kinh nghiệm thực tế xây dựng công trình Thủy điện Hòa Bình cho thấy: Trong quá trình xây dựng khi đập đã hoàn thành khối lượng thi công nhiều bộ phận kết cấu như màn khoan phun chống thấm, lõi đất chống thấm… đã tiến hành công tác nổ mìn với khối lượng tương đối lớn, chỉ cách khu vực lõi đập khoảng 500 m bao gồm các vụ nổ liên tục tại mỏ đá số 8, có khối lượng nổ từ 20 tấn đến 35 tấn trong khoảng thời gian thi công đập từ cao độ 80 m đến 123 m, và vụ nổ có khối lượng 45 tấn tại khu vực hố xói vào thời gian đã hoàn thành đắp đập đến cao độ 80 m và phá dỡ đê quây thượng lưu bằng nổ mìn với lượng thuốc mìn là 67 tấn. Trong cùng thời gian này, công tác thi công nổ mìn đào đá ngay tại khu vực tràn tiếp giáp với khu vực lõi đập vẫn được thực hiện liên tục với các vụ nổ hàng tấn thuốc nổ. Các vụ nổ này đều không gây bất cứ hư hỏng nào cho đập, cũng như các bộ phận kết cấu khác của công trình.

Đối với công tác đào ngầm, khi nổ mìn thi công đào gian máy trong thời kỳ tổ máy số 1 Thủy điện Hòa Bình đang vận hành cho kết quả đo địa chấn khi nổ mìn như sau:

Vị trí nổ T3xПБ ngày 28/2/1989 với khoảng cách đến công trình cần bảo vệ r = 64 m, lượng nổ tức thời q = 10 kg, lượng thuốc nổ của 1 vụ nổ 80kg, vận tốc dịch chuyển v = 1,04 cm/s.

Ngày 28/2/1989 với khoảng cách đến công trình cần bảo vệ r = 94 m, lượng nổ tức thời q = 40 kg, lượng thuốc nổ của 1 vụ nổ 40 kg, vận tốc dịch chuyển v = 0,13 cm/s.

Ngày 3/3/1989 với khoảng cách đến công trình cần bảo vệ r = 67 m, lượng nổ tức thời q = 8 kg, lượng thuốc nổ của 1 vụ nổ 50 kg, vận tốc dịch chuyển v = 0,77 cm/s.

Ngày 3/3/1989 với khoảng cách đến công trình cần bảo vệ r = 67 m, lượng nổ tức thời q = 8 kg, lượng thuốc nổ của 1 vụ nổ 50 kg, vận tốc dịch chuyển v = 0,93 cm/s. Và tất cả những vụ nổ này không làm ảnh hưởng đến tính ổn định của tổ máy 1 đang vận hành.

Đối với công trình Thủy điện Lai Châu, trong quá trình thi công đào hố móng đập Thủy điện Lai Châu đã tiến hành nổ mìn thí nghiệm để thi công đào đá hố móng hở gần công trình đã và đang thi công, cụ thể thi công đào đá hố móng đập dâng gần tường dẫn dòng bằng bê tông, với kết quả nổ mìn thí nghiệm của Trung tâm Hỗ trợ Kỹ thuật an toàn Công nghiệp. Vụ nổ mìn đào đá có khoảng cách đến công trình cần bảo vệ r = 47,9 m, lượng thuốc nổ tức thời q = 10 kg, vận tốc dịch chuyển đo được v = 2,42 mm/s. Khi thi công đại trà với khoảng cách đến công trình cần bảo vệ r = 58 m, lượng nổ tức thời q = 101 kg, với khoảng cách đến công trình cần bảo vệ r = 76 m, lượng nổ tức thời q = 176 kg và kết quả đều an toàn đối với các hạng mục công trình đã xây dựng.

Từ kinh nghiệm thi công nổ mìn tại các công trình Thủy điện Hòa Bình và Lai Châu, tư vấn đã kiến nghị phương pháp tương tự đã được tiến hành áp dụng thi công mở rộng Thủy điện Ialy.

Thi công công tác đào đá:

Để thi công công tác đào đá thì phải tiến hành nổ mìn trước. Lựa chọn loại thuốc nổ Amônít và các phụ kiện như: Chủng loại kíp điện, kíp điện vi sai, kíp vi sai phi điện, dây dẫn tín hiệu nổ, dây nổ, dây cháy chậm, mồi nổ, v.v... Đối với kíp điện với lượng thuốc nổ cho phép và hạn chế vận tốc dao động tại những điểm cần bảo vệ nên các chuyên gia tư vấn đã kiến nghị chọn kíp vi sai.

Hình 6: Sơ đồ bố trí kíp điện.

Các thông số khoan nổ mìn:

Đường kính lỗ khoan (dk): Lựa chọn đường kính lỗ khoan dựa trên đồng bộ thiết bị phổ biến dk = 105mm. Lựa chọn chiều cao tầng khoan nổ trên cơ sở phải phù hợp với đồng bộ thiết bị sử dụng như thiết bị khoan, máy xúc và nhiều yếu tố khác.

Chiều cao tầng nổ chọn tính toán lớn nhất H=7 m.

Đường cản ngắn nhất (Wct): Là đường kháng ngắn nhất đến mặt thoáng, được xác định theo nhiều công thức, hoặc có thể lựa chọn theo công thức thực nghiệm. w = 2.1 m.

w = 47 kt.dm   (1)

Trong đó, kt = 0.95, dm = 85 mm, = 0.9, e = 1, = 2.95 t/m3.

Khoảng cách giữa các lỗ khoan (a) được xác định dựa theo đường cản chân tầng và hệ số khoảng cách (hệ số làm gần). a = 0.9 w = 1.9 m.

Khoảng cách giữa các hàng lỗ khoan (b) được xác định dựa theo khoảng cách giữa các lỗ khoan và cách bố trí mạng lỗ khoan theo hình tam giác đều, hoặc ô vuông. b = a = 1.9 m.

Chiều sâu khoan thêm (Lkt).

Trong công tác nổ mìn đào hố móng, chiều sâu khoan thêm nhằm mục đích tăng cường năng lượng nổ để khắc phục sức kháng lớn ở nền tầng. Căn cứ đề lựa chọn chiều sâu khoan thêm có thể dựa theo: chiều cao tầng (H) hoặc đường kính lỗ khoan (dk):

Lkt = 10.dbt = 0.85 m  (2)

Tính toán lượng thuốc nổ cho một lỗ khoan (Q) dựa vào nhiều yếu tố như quy mô bãi nổ, đường kính lỗ khoan, chiều sâu lỗ khoan, chỉ tiêu thuốc nổ, tính chất cơ lý của đất đá, khả năng công nổ của thuốc nổ, vị trí của lỗ khoan, tác dụng của sự nổ, phương pháp nổ mìn vi sai vv... Khối lượng thuốc nổ trong một lỗ khoan như sau.

Q = q.a.w.H = 16,43 kg  (3)

Chiều cao cột thuốc (Lt) được tính toán dựa trên lượng thuốc nạp trên 1m dài lỗ khoan. Lt = 3,29 m.

Chiều cao cột bua (Lb) được xác định dựa theo chiều cao cột thuốc và chiều sâu lỗ khoan; sau khi xác định được chiều cao cột bua phải kiểm tra theo điều kiện an toàn không phụt bua. Lb = 27dm = 2.3 m.

Các khoảng cách an toàn khi nổ mìn

Khoảng cách an toàn về sóng đập không khí Rs, rs (m) được tính toán theo công thức tại phụ lục D của QCVN 01-2019/BCT:

rs = ks , rmin= 20 = 155 chọn r=160 m, rmax = 280 m, chọn rmax = 300 m.

Hiệu chỉnh khối lượng thuốc nổ sau khi có kết quả đo vận tốc v: 

Q= QpK22    (4)

Qp giá trị thuốc nổ theo tính toán; Giá trị hệ số trung bình cường độ địa chấn theo nhóm lựa chọn của K2 đồng nhất số liệu đo ở các lần nổ mìn; 

K2 vi/(∛Qi)/ri)1.5 (5)

Trong đó, ri: khoảng cách từ điểm đo đến điểm nổ mìn; Qi: Khối lượng thuốc mìn trong nhóm nổ vi sai của 1 lần nổ; vi: Vận tốc dịch chuyển đo được.

Khối lượng nổ cho các vụ nổ được thiết kế theo QCVN 01: 2019/BCT. Do công trình mở rộng nằm gần Thủy điện Ialy đang vận hành nên trong quá trình thi công đào hố móng cần bố trí hệ thống giám sát nổ mìn, lượng nổ tức thời ứng với mỗi khoảng cách nhỏ hơn lượng nổ cho phép mà không gây hư hại gì với công trình hiện hữu.

Các vụ nổ được thiết kế nổ vi sai với thời gian vi sai > 8 ms, vận tốc dao động do vụ nổ tức thời gây ra là nhỏ hơn [V] = 2,54 cm/s (QCVN 01: 2019).

Trong quá trình đào hố móng nhà máy, hầm dẫn nước và cửa lấy nước được khoan viền để tạo viền hố móng và hạn chế một phần dao động do tác động của nổ mìn.

Kết luận:

Dự án Nhà máy Thủy điện Ialy mở rộng là công trình cấp thiết, tăng thêm công suất nguồn linh hoạt khi hiện nay điện mặt trời đã đạt trên 17.000 MW và điện gió sẽ sớm tăng lên khoảng 6.000 MW. Ngoài ra, việc mở rộng nhà máy sẽ làm tăng khả năng huy động công suất/điện năng cho phụ tải trong mùa khô, đặc biệt là trong các giờ cao điểm, qua đó góp phần giảm chi phí sản xuất của hệ thống, giảm bớt cường độ làm việc của các tổ máy hiện hữu, cũng như tăng công suất phản kháng chạy bù cho hệ thống khi có yêu cầu.

Việc thi công dự án mở rộng Nhà máy Thủy điện Ialy sẽ được thi công bằng khoan, nổ mìn, đào ngầm gần cạnh công trình đang vận hành. Với kinh nghiệm thiết kế và thi công nổ mìn an toàn tại các công trình Thủy điện Hòa Bình và Lai Châu, biện pháp thi công và tiến độ thi công mở rộng Nhà máy Thủy điện Ialy đã được tư vấn thiết kế, tính toán theo điều kiện an toàn nổ mìn với tiêu chí đảm bảo an toàn tuyệt đối cho các hạng mục của công trình hiện hữu.

Ngày 29/6/2021 tại Hà Nội, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) và Cơ quan Phát triển Pháp (AFD) đã tổ chức Lễ ký kết Thoả thuận tín dụng cho khoản vay ưu đãi không bảo lãnh Chính phủ trị giá 74,7 triệu Euro cho dự án Nhà máy Thuỷ điện Ialy mở rộng. Như vậy, điều kiện cần và đủ đã có, bao gồm: Hồ sơ thiết kế kỹ thuật - thi công đã hoàn thành, vốn đã được thu xếp và Liên danh Nhà thầu (Tổng công ty Xây dựng Lũng Lô, Tổng công ty Xây dựng Trường Sơn thuộc Bộ Quốc phòng, Tổng công ty Sông Đà, Tổng công ty Cổ phần Xuất nhập khẩu và Xây dựng Việt Nam, Công ty Cổ phần Lilama 10) là những đơn vị sẽ thực hiện Gói thầu 37 (XL-05) - Thi công xây lắp công trình Nhà máy Thủy điện Ialy mở rộng đã sẵn sàng thi công dự án. Hy vọng, trong quá trình triển khai xây dựng các nhà thầu sẽ tuân thủ nghiêm các quy trình kiểm soát để giảm thiểu tác động đến môi trường, xã hội, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho Thuỷ điện Ialy hiện hữu và sớm đưa công trình mở rộng vào vận hành đúng tiến độ, góp phần đảm bảo độ tin cậy của hệ thống điện quốc gia./.

TS. NGUYỄN HUY HOẠCH - HỘI ĐỒNG KHOA HỌC TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Tài liệu tham khảo:

[1]. Nhà máy thủy điện Ialy mở rộng. Thiết kế kỹ thuật. Báo cáo tóm tắt, PECC1-2020.

[2]. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01:2019/BCT ngày 21/12/2019 về An toàn trong sản xuất, thử nghiệm, nghiệm thu, bảo quản, vận chuyển, sử dụng, tiêu hủy vật liệu nổ công nghiệp và bảo quản tiền chất thuốc nổ.