Способ изготовления водонепроницаемого экрана в низкотемпературных грунтовых материалах элементов гидротехнического сооружения

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для восстановления водонепроницаемости гидротехнического сооружения (понижения водопроницаемости) из низкотемпературных грунтов и пород, особенно в районах вечной мерзлоты, а также при создании и ремонте противофильтрационных завес (экранов) в грунтовых плотинах, построенных в районах распространения многолетнемерзлых пород. Технический результат - повышение водонепроницаемости, структурной прочности, гидроизоляционных свойств, улучшение сцепления с грунтовым карбонатным материалом. В способе изготовления водонепроницаемого экрана в низкотемпературных грунтовых материалах элементов гидротехнического сооружения, включающем кольматацию грунтового материала гидроизоляционным полимерным составом путем поинтервального нагнетания под давлением, меньшим давления гидроразрыва грунтового материала, в качестве гидроизоляционного полимерного состава используют состав, включающий поливиниловый спирт - структурообразователь, воду и борную кислоту, способный образовывать гель при положительных температурах и криогель в процессах замораживания-размораживания при следующих соотношениях компонентов, мас.%: поливиниловый спирт - 3,0-10,0, борная кислота - 0,2-1,0, вода - остальное. 1 табл., 1 ил.

Реферат

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для восстановления водонепроницаемости гидротехнического сооружения (понижения водопроницаемости) из низкотемпературных грунтов и пород, особенно в районах вечной мерзлоты, а также при создании и ремонте противофильтрационных завес (экранов) в грунтовых плотинах, построенных в районах распространения многолетнемерзлых пород.

Известен способ цементирования гидротехнических сооружений, включающий цементацию пустот в теле и основании плотины, образовавшихся в результате оттаивания вечномерзлых грунтов и развития фильтрации (Руководство по технологии физико-химического укрепления промерзающих и оттаявших грунтов. М.: Стройиздат, 1977). Этот способ позволяет создать противофильтрационный экран в зонах с небольшим поглощением, однако в зонах с большим поглощением и высокой скоростью потока воды цемент не успевает схватываться, раствор цемента разбавляется, уносится потоком воды и выносится в нижний бьеф плотины, в результате не образуется противофильтрационный экран. Скорость и объем фильтрации воды через плотину не уменьшаются.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления водонепроницаемого экрана в низкотемпературных грунтовых материалах элементов гидротехнического сооружения, включающий кольматацию грунтового материала путем нагнетания под давлением, меньшим давления гидроразрыва грунтового материала, при этом может использоваться полимер-цементный раствор, а нагнетание осуществляют с определенным шагом скважин на различной глубине от подошвы сооружения (поинтервального нагнетания) (Андреева Л.Г. и др. Химические способы закрепления песчаных и горных пород. Часть II. Глубинные методы закрепления, Ленинград, ВНИИ гидротехники им. Б.Е. Веденеева, 1971, с.20-22, 58-59).

Однако водонепроницаемость и структурная прочность экранов по данному способу недостаточны, также недостаточны гидроизоляционные свойства и сцепление с грунтовым карбонатным материалом, при этом полимер-цементный раствор может разбавляться и выноситься водой, как и цементные растворы.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления водонепроницаемого экрана в низкотемпературных грунтовых материалах элементов гидротехнического сооружения в районах распространения многолетнемерзлых пород, подвергающихся процессам периодического сезонного замораживания и размораживания.

Технический результат изобретения - повышение водонепроницаемости и структурной прочности, повышение гидроизоляционных свойств, улучшение сцепления с грунтовым карбонатным материалом.

Достигается технический результат способом изготовления водонепроницаемого экрана в низкотемпературных грунтовых материалах элементов гидротехнического сооружения, включающий кольматацию грунтового материала гидроизоляционным полимерным составом путем поинтервального нагнетания под давлением, меньшим давления гидроразрыва грунтового материала, при этом в качестве гидроизоляционного полимерного состава используют состав, включающий поливиниловый спирт - структурообразователь, воду и борную кислоту, способный образовывать гель при положительных температурах и криогель в процессах замораживания - размораживания, при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Поливиниловый спирт3.0-10.0
Борная кислота0.2-1.0
ВодаОстальное

Указанный состав при температуре 0÷10°С образует гель, создающий противофильтрационный экран, который в процессе замораживания - размораживания превращается в криогель, при этом его противофильтрационные и прочностные характеристики улучшаются. Чем в большем количестве циклов замораживания - размораживания участвует криогель, тем лучше становятся его механические свойства: увеличивается прочность, упругость, усиливается сцепление с породой (вязкоупругие свойства составов до и после процесса замораживания - размораживания приведены в таблице).

Состав закачивают через нагнетательные скважины в тело и основание плотины или другого гидротехнического сооружения при давлении, меньшем давления гидроразрыва грунта. За счет сцепления состава с породой фильтрационное сопротивление потоку воды увеличивается, вязкость состава возрастает (фиг.1), скорость потока замедляется. Через определенное время при температуре 0-10°С образуется гель, создающий противофильтрационный экран. Скорость потока становится равной нулю, то есть поток останавливается. В дальнейшем при сезонном замораживании - размораживании прочностные характеристики противофильтрационного экрана улучшаются.

Пример конкретного выполнения.

В 5 скважин на плотине Иреляхского гидроузла РЦ-6, Г-1, Г-2, Г-3 и РЦ-7 произведена поинтервальная закачка криогелеобразующих составов с целью тампонажа фильтрующего основания плотины. Был закачан состав, содержащий ПВС - 5 мас.%, борная кислота - 1 мас.%, вода - 94 мас.%. Приготовление раствора, содержащего 5% ПВС и 1% борной кислоты, осуществлялось следующим образом. В теплоизолированную емкость вместимостью 0,75 м с лопастной мешалкой помещали 700-710 л воды, предварительно нагретой до 90°С, после чего при постоянном перемешивании засыпали 7.5 кг борной кислоты, затем 40 кг ПВС и перемешивали 3-5 часов до получения однородного раствора. Полученный раствор в количестве 750 л по шлангам буровым трехплунжерным насосом НБ4-160/63 перекачивали в емкость вместимостью 1.5 м3 с лопастной мешалкой, где раствор охлаждался до 20-30°С. Раствор готовили параллельно в двух емкостях по 0.75 м3 с мешалками.

Всего была закачана 51 тонна раствора. По скважинам опытного участка объем закачки раствора находился в пределах 0.3-0.6 м3, в среднем 0.4 м3 на 1 м пробуренного интервала.

Разбуривание скважин РЦ-6 и РЦ-7, в которых 3 месяца назад была проведена цементация до 37 и 38 м, показало, что цементирование этих скважин не создало цементной завесы и не остановило на этом участке фильтрацию воды через основание плотины, так как вода появилась в скважине РЦ-6 с 26 м, в скважине РЦ-7 - с 22-27 м, водопоглощение при гидроопробовании составило 120 л/мин при 0 атм. Поэтому закачку раствора проводили в те же интервалы, и только после остановки фильтрации воды и создания в вышележащей зоне гелевого экрана производили закачку раствора в нижележащие интервалы - до 45 м.

В опытных скважинах Г-1, Г-2 и Г-3 вода появилась с 24-26 м, водопоглощение при гидроопробовании составляло максимально 120 л/мин при 0-1 атм, до образования криогелевого экрана между скважинами существовала хорошая гидродинамическая связь. В этих скважинах закачку раствора производили поинтервально, при давлении меньше 2.5 атмосфер (давление меньше давления гидроразрыва грунтового материала) с интервалами 3-7 м. Разбуривание нижележащих зон после закачки раствора происходило легко, при этом из промороженных зон плотины криогель выбуривался в виде кусков и крупинок, а из растепленных зон - в виде геля. В тех зонах, куда был закачан состав, как правило, водопритока не было. Во всех опытных скважинах водонепроницаемая криогелевая завеса была создана до глубины 45-46 м.

За счет закачки состава в скважины РЦ-6, Г-1, Г-2, Г-3 и РЦ-7 на опытном участке в основании плотины с глубины от 16 до 45 м образовался водонепроницаемый криогелевый экран длиной 15 м, площадью приблизительно 430 м2 и толщиной около 3 м, создавший противофильтрационную завесу. Об этом свидетельствует тот факт, что при последующем разбуривании нижележащих зон скважин в тех зонах, куда был закачан состав, водопритока не наблюдалось. При бурении контрольной скважины КГ-1 между скважинами Г-1 и Г-2 в разбуренных интервалах 21-37 м водопритока не наблюдалось, при этом закачивалось «до отказа» очень мало цементного раствора, например 37 кг для зоны 21-27 м. Кроме того, старая температурная скважина 57, находящаяся в нижнем бьефе напротив опытного участка закачки криогелеобразующего состава, перестала фонтанировать.

Согласно акту опробования контрольной скважины КГ-1, пробуренной между скважинами Г-1 и Г-2, в интервале 21-36 м при давлении 0.5-1.5 атм удельное водопоглощение находилось в пределах 0.018-0.022 л/(мин·м·м), в среднем 0.017 л/(мин·м·м); в интервале 36-40 м при давлении 0.7-1.5 атм удельное водопоглощение находилось в пределах 0.14-0.44 л/(мин·м·м), в среднем 0.28 л/(мин·м·м). В интервале 21-40 м при давлении 0.5-1.5 атм среднее удельное водопоглощение равно 0.15 л/(мин·м·м). Инъекционные работы по водонепроницаемой криогелевой завесе признаны достаточными, так как среднее удельное водопоглощение в контрольной скважине до глубины 40 м составляет 0.15 л/(мин·м·м), что не превышает 1 л/(мин·м·м).

В процессе цементирования контрольной скважины КГ-1 при закачивании цементного раствора «до отказа» поглощение цемента было незначительным: в интервале 21-36 м - 0.8 кг/м, в интервале 36-40 м - 16.5 кг/м. Эти значения существенно меньше наблюдавшихся при цементации скважины РЦ-6, разбуренной и зацементированной за 3 месяца до проведения опытных работ (поглощение цемента составляло: в интервале 21-24 м - 142 кг/м, в интервале 24-27 м - 530 кг/м).

Результаты проведения опытно-промышленных работ показали, что для создания противофильтрационной завесы достаточное количество раствора составляет в среднем 0.4 м3 на 1 м пробуренного интервала.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет восстанавливать водонепроницаемость гидротехнического сооружения из низкотемпературных грунтов и пород, особенно в районах вечной мерзлоты, а также при создании и ремонте противофильтрационных завес (экранов) в грунтовых плотинах, построенных в районах распространения многолетнемерзлых пород. Способ не вызывает растепления и позволяет закрепить во времени границы талого и мерзлого грунта без взаимного влияния друг на друга. Составы можно готовить непосредственно на плотине и закачивать в скважины с использованием стандартной техники для цементации. При образовании криогелей после однократного замораживания - размораживания вязкость составов увеличивается в 5.4-32.8 раза.

ТаблицаВязкоупругие свойства составов до и после процесса замораживания - размораживания
Концентрация, мас.%РастворГельКриогель
Вязкость, мПа·сМодуль упругости, ПаВязкость, мПа·сМодуль упругости, ПаВязкость, мПа·сМодуль упругости, Па
ПВС5,0
Борная кислота1,043,9517688,227940404,5236500
Вода94
ПВС7,0
Борная кислота1,096,37389311,841640486,5254200
Вода92
ПВС10,0
Борная кислота1,0146,88206369,4849602216314650
Вода89

Способ изготовления водонепроницаемого экрана в низкотемпературных грунтовых материалах элементов гидротехнического сооружения, включающий кольматацию грунтового материала гидроизоляционным полимерным составом путем поинтервального нагнетания под давлением, меньшим давления гидроразрыва грунтового материала, отличающийся тем, что в качестве гидроизоляционного полимерного состава используют состав, включающий поливиниловый спирт - структурообразователь, воду и борную кислоту, способный образовывать гель при положительных температурах и криогель в процессах замораживания-размораживания при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Поливиниловый спирт3,0-10,0
Борная кислота0,2-1,0
ВодаОстальное