способ изготовления водонепроницаемого экрана в низкотемпературных грунтовых материалах элементов гидротехнического сооружения

Формула изобретения

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

Описание изобретения к патенту

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 спирт	3.0-10.0
Борная кислота	0.2-1.0
Вода	Остальное

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.

Таблица Вязкоупругие свойства составов до и после процесса замораживания - размораживания
	Концентрация, мас.%	Раствор		Гель		Криогель
		Вязкость, мПа·с	Модуль упругости, Па	Вязкость, мПа·с	Модуль упругости, Па	Вязкость, мПа·с	Модуль упругости, Па
ПВС	5,0
Борная кислота	1,0	43,9	5176	88,2	27940	404,5	236500
Вода	94
ПВС	7,0
Борная кислота	1,0	96,3	7389	311,8	41640	486,5	254200
Вода	92
ПВС	10,0
Борная кислота	1,0	146,8	8206	369,4	84960	2216	314650
Вода	89