Состав для создания водонепроницаемости низкотемпературных грунтов и пород

Состав для создания водонепроницаемости низкотемпературных грунтов и пород

Иллюстрации

Показать все

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 состав для закрепления грунта на основе акриламида (а.с. №395543, БИ №35, 1973 г.). Этот состав не пригоден для укрепления грунта в районах вечной мерзлоты.

Известен инъекционный раствор (а.с. №649788, БИ №8, 1979 г.) на основе цемента и хладостойкой добавки, однако такие составы имеют небольшую проникающую способность, кроме того, при закачке в зоны с большим поглощением, характерным для грунтовых плотин в районах вечной мерзлоты, он быстро размываются и не успевает схватываться.

Наиболее близким по технической сущности является состав для закрепления оттаявшего грунта в районах распространения вечной мерзлоты, для защиты грунтовых откосов от размывания талыми водами, содержащий 2-8%-ный водный раствор поливинилового спирта (ПВС), смешанный с грунтом и подвергнутый замораживанию в течение 3-4 часов (А.с. №1705500, БИ №2, 1992). Однако растворы ПВС образуют гели только в процессе замораживания - оттаивания, при положительных температурах они гелей не образуют. Поэтому при закачке растворов ПВС в инъекционные скважины они не могут создать противофильтрационный экран, а разбавляются и выносятся водой, как и цементные растворы.

Задачей настоящего изобретения является разработка состава для создания противофильтрационного экрана в гидротехнических сооружениях в районах распространения многолетнемерзлых пород, подвергающихся процессам периодического сезонного замораживания и размораживания.

Технический результат изобретения - повышение эффективности водонепроницаемости и структурной прочности состава при замораживании - размораживании.

Предлагаемый состав для образования противофильтрационного экрана содержит поливиниловый спирт, борную кислоту и воду при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

поливиниловый спирт	3.0-10.0
борная кислота	0.2-1.0
вода	остальное

Указанный раствор 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 и упругость. При создании противофильтрационного экрана борная кислота, входящая в предлагаемый состав, улучшает механические свойства геля и усиливает его сцепление с карбонатной породой (фиг.1, 2).

Раствор 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.3), 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.

Состав готовят следующим образом. В воду с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают необходимое количество борной кислоты, затем поливинилового спирта и перемешивают до получения однородного раствора. Получается раствор с вязкостью 6-146 мПа·с. Изменение вязкоупругих свойств составов после термостататирования при 2°С приведены в таблице 1, вязкоупругие свойства составов до и после процесса замораживания - размораживания - в таблице 2.

Измерение вязкости проводили методом вибрационной вискозиметрии с использованием вибрационного вискозиметра «Реокинетика» с камертонным датчиком. В качестве калибровочной жидкости использовали дистиллированную воду.

Определение модуля упругости гелей проводили на основании диаграмм «напряжение - деформация», полученных в квазистатическом режиме сжатия цилиндрических образцов. Использовалась оригинальная аппаратура на базе микрометра и электронных весов. Модуль упругости рассчитывали как угол наклона начального линейного участка зависимости напряжения сжатия от величины деформации, для которого соблюдается закон Гука. Результаты измерения вязкости и упругости криогелеобразующих составов показали, что они образуют маловязкие растворы с невысокой упругостью, их легко можно прокачивать насосом и продвигать на достаточно большое расстояние в процессе тампонажа. При образовании криогелей после однократного замораживания - размораживания вязкость композиций увеличивается в 9,2 раза, модуль упругости - в 4,6 раза. Результаты измерений приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Изменение вязкоупругих свойств составов после термостататирования при 2°С
№	Вещества	Концентрация, мас. %	Время, сут	Вязкость, мПа·с	Модуль упругости. Па
1	ПВС	5	0	27,8	3685
			2	35,6	8723
			5		10530
2	ПВС	3,0	0	5,9	4747
	Борная кислота	0,5	2	7,3	8627
3	ПВС	5,0	0	23,3	7923
	Борная кислота	0,2	2		13790
			5	63,7	13440
4	ПВС	5,0	0	24,5	8235
	Борная кислота	0,5	2	77,7	15000
			5	86,3	17470
5	ПВС	5,0	0	36,0	10260
	Борная кислота	1,0	2	81,6	21310
			5	88,2	23830
6	ПВС	7,0	0	54,9	8953
	Борная кислота	0,2	2	147,1	17530
			5	161,6	32600
7	ПВС	7,0	0	73,1	6176
	Борная кислота	0,5	2	157,0	29480
			5	220,6	38240
8	ПВС	7,0	0	96,3	7389
	Борная кислота	1,0	2	238,4	38650
			6	300,8	45850
9	ПВС	10,0	0	146,8	8206
	Борная кислота	1,0	2	469,6	96954

Таблица 2 - Вязкоупругие свойства составов до и после процесса замораживания - размораживания
Вещества	Концентрация, мас, %	Раствор	Криогель
Вязкость, мПа·с	Модуль упругости, Па	Вязкость, мПа·с	Модуль упругости, Па
ПВС	5,0
Борная кислота	1,0	43,9	5176	404,5	236500
ПВС	7,0
Борная кислота	1,0	96,3	7389	486,5	254200
ПВС	10,0
Борная кислота	1,0	146,8	8206	2216	314650

Приведем примеры конкретного выполнения.

Пример 1 (по прототипу). 50,0 г поливинилового спирта заливают 950,0 г горячей воды с температурой 70-90°С и перемешивают до получения однородного раствора.

Полученный раствор содержит 5,0 мас.% поливинилового спирта. Изменения вязкости и модуля упругости раствора после термостатирования при 2°С приведены в таблице 1.

Пример 2. В воду с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают 5,0 г борной кислоты, затем 30,0 г поливинилового спирта и перемешивают до получения однородного раствора. Получается раствор, содержащий 3,0 мас.% поливинилового спирта. Изменения вязкости и модуля упругости раствора после термостатирования при 2°С приведены в таблице 1.

Примеры 3-9. (Аналогично примеру 2 при различных соотношениях компонентов.) Изменения вязкости и модуля упругости раствора после термостатирования при 2°С приведены в таблице 1.

Пример опытно-промышленных испытаний состава.

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 криогелеобразующий состав, содержащий ПВС - 5 мас.%, борная кислота - 1 мас.%, вода - остальное. Приготовление состава, содержащего 5% ПВС и 1% борной кислоты, осуществлялось следующим образом. В теплоизолированную емкость вместимостью 0.75 м³ с лопастной мешалкой помещали 700-710 л воды, предварительно нагретой до 90°С, 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 участки объем закачки раствора находился в пределах 0.3-0.6 м³, в среднем 0.4 м³ на 1 м пробуренного интервала. Опытно-промышленные работы показали, что криогелеобразующие растворы можно готовить непосредственно на плотине и закачивать в скважины с использованием стандартной техники для цементации.

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, с интервалами 3-7 м. Разбуривание нижележащих зон после закачки криогеля 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 криогель, как правило, водопритока не было. Во всех опытных скважинах 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 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 раствор криогеля, 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 криогеля, с 30 августа 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 криогелевой завесе следует признать 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.

Опытно-промышленные работы показали, что 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, модуль упругости - в 4-6.9 раза.

Состав для создания водонепроницаемости низкотемпературных грунтов и пород, содержащий поливиниловый спирт и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит борную кислоту при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Поливиниловый спирт	3-10
Борная кислота	0,2-1,0
Вода	Остальное