Состав для создания водонепроницаемости низкотемпературных грунтов и пород

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для восстановления водонепроницаемости гидротехнического сооружения из низкотемпературных грунтов и пород, особенно в районах вечной мерзлоты, а также при создании и ремонте противофильтрационных завес в грунтовых плотинах, построенных в районах распространения многолетнемерзлых пород. Состав для создания водонепроницаемости низкотемпературных грунтов и пород содержит поливиниловый спирт, воду, борную кислоту и дополнительно наполнитель - древесные опилки и/или базальтовое волокно при следующем соотношении компонентов, мас.%: поливиниловый спирт - 3,0-10,0, борная кислота - 0,2-1,0, древесные опилки - 7,0-10,0, базальтовое волокно - 0,1-0,5, вода - остальное. Технический результат - повышение механических свойств состава, снижение деформации и разрушения грунтов и пород, предупреждение их растрескивания при сезонном замораживании и оттаивании. 1 табл.

 

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 при закачке в зоны с большим поглощением, характерным для грунтовых плотин в районах вечной мерзлоты, он быстро размывается и не успевает схватиться.

Наиболее близким по технической сущности является способ и состав для изготовления водонепроницаемого экрана в низкотемпературных грунтовых материалах элементов гидротехнического сооружения (Пат. №2276703). При реализации этого способа используется состав, включающий поливиниловый спирт - структурообразователь, воду и борную кислоту. Состав способен при температуре 0-10°С образовывать гель, который создает противофильтрационный экран, а затем в процессе замораживание - размораживание он превращается в криогель, при этом его противофильтрационные и прочностные характеристики улучшаются. Однако в зонах с большим поглощением и высокой скоростью потока воды противофильтрационные и прочностные характеристики состава недостаточны.

Задачей настоящего изобретения является разработка состава с хорошими механическими свойствами для создания водонепроницаемости низкотемпературных грунтов и пород, создания противофильтрационного экрана в гидротехнических сооружениях в районах распространения многолетнемерзлых пород, подвергающихся процессам периодического сезонного замораживания и оттаивания в зонах с аномально высокой скоростью фильтрации.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается тем, что состав на основе поливинилового спирта с добавлением борной кислоты дополнительно содержит наполнитель. В качестве наполнителя используют древесные опилки и/или базальтовое волокно. После закачки через нагнетательные скважины в тело и основание плотины или другого гидротехнического сооружения состав образует гель, а затем в процессе замораживания-размораживания превращается в композитный криогель с улучшенными механическими свойствами: увеличивается вязкость, упругость. Это приводит к созданию противофильтрационного экрана в зонах с аномально высокой скоростью фильтрации воды.

Предлагаемый состав для образования криогелевого противофильтрационного экрана содержит поливиниловый спирт, борную кислоту, воду и наполнитель - древесные опилки и/или базальтовое волокно при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

поливиниловый спирт	3.0-10.0,
борная кислота	0.2-1.0,
древесные опилки	7.0-10.0,
базальтовое волокно	0.1-0.5,
вода	остальное

Раствор закачивают через нагнетательные скважины в тело и основание плотины или другого гидротехнического сооружения при давлении, меньшем давления гидроразрыва грунта. В зонах с большим поглощением и высокой скоростью потока воды за счет сцепления состава с породой и повышенной вязкости и упругости состава фильтрационное сопротивление потоку воды увеличивается, 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 ПВС и перемешивают до получения однородного раствора. Получается раствор с вязкостью 6-146 мПа·с. Затем вводят необходимое количество наполнителя, в качестве наполнителя используют древесные опилки или базальтовое волокно, а также совместно опилки с базальтовым волокном. Приготовленные композиции помещают в ячейки, термостатируют в течение 7 суток при температурах 2 и минус 30°С. После термостатирования при 2°С образуется гель, при минус 30°С - криогель. Композиции, выдержанные при минус 30°С, перед измерением размораживают при комнатной температуре. Композиции, выдержанные при 2°С, перед измерением также выдерживают определенное время при комнатной температуре. Затем проводят измерения вязкости и упругости полученных гелей и криогелей.

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

Определение модуля упругости гелей проводят на основании диаграмм «напряжение - деформация», полученных в квазистатическом режиме сжатия цилиндрических образцов. Использовалась оригинальная аппаратура на базе микрометра и электронных весов. Модуль упругости рассчитывают как угол наклона начального линейного участка зависимости напряжения сжатия от величины деформации, для которого соблюдается закон Гука. Результаты измерений приведены в таблице.

Приведем примеры конкретного выполнения.

Пример 1 (по прототипу). В 940,0 г воды с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают 10,0 г борной кислоты, затем 50,0 г поливинилового спирта и перемешивают до получения однородного раствора. Получается раствор, содержащий 5,0 мас.% поливинилового спирта и 1,0 мас.% борной кислоты. Результаты измерения вязкости и модуля упругости раствора, геля, полученного после термостатирования при 2°С, и криогеля - при минус 30°С приведены в таблице.

Пример 2 (по прототипу). В воду с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают 10,0 г борной кислоты, затем 70,0 г поливинилового спирта и перемешивают до получения однородного раствора. Получается раствор, содержащий 7,0 мас.% поливинилового спирта и 1,0 мас.% борной кислоты. Результаты измерения вязкости и модуля упругости раствора, геля, полученного после термостатирования при 2°С, и криогеля - при минус 30°С приведены в таблице.

Пример 3. В 935,0 г воды с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают 10,0 г борной кислоты, 50,0 г поливинилового спирта, добавляют 5,0 г базальтового волокна и перемешивают до получения однородного раствора. Получается раствор, содержащий 5,0 мас.% поливинилового спирта, 1,0 мас.% борной кислоты и 0,5 мас.% г базальтового волокна. Результаты измерения вязкости и модуля упругости раствора, геля, полученного после термостатирования при 2°С, и криогеля - при минус 30°С приведены в таблице.

Примеры 4, 5 (Аналогично примеру 3 при различных соотношениях компонентов). Результаты измерения вязкости и модуля упругости раствора, геля, полученного после термостатирования при 2°С, и криогеля - при минус 30°С приведены в таблице.

Пример 6. В 940,0 г воды с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают 10,0 г борной кислоты, 50,0 г поливинилового спирта и перемешивают до получения однородного раствора, затем в полученный раствор добавляют 100,0 г древесных опилок и перемешиванием равномерно распределяют наполнитель в растворе. Получается раствор, содержащий 4,5 мас.% поливинилового спирта, 0,9 мас.% борной кислоты и 9,0 мас.% древесных опилок. Результаты измерения вязкости и модуля упругости раствора, геля, полученного после термостатирования при 2°С, и криогеля - при минус 30°С приведены в таблице.

Пример 7. (Аналогично примеру 6). Получают раствор, содержащий 6,5 мас.% поливинилового спирта, 0,9 мас.% борной кислоты и 7,4 мас.% древесных опилок. Результаты измерения вязкости и модуля упругости раствора, геля, полученного после термостатирования при 2°С, и криогеля - при минус 30°С приведены в таблице.

Пример 8. В 915,0 г воды с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают 10,0 г борной кислоты, 70,0 г поливинилового спирта, добавляют 5,0 г базальтового волокна и перемешивают до получения однородного раствора, затем в полученный раствор добавляют 80,0 г древесных опилок и перемешиванием равномерно распределяют наполнитель в растворе. Получается раствор, содержащий 6,5 мас.% поливинилового спирта, 0,9 мас.% борной кислоты, 0,5 мас.% базальтового волокна и 7,4 мас.% древесных опилок. Результаты измерения вязкости и модуля упругости раствора, геля, полученного после термостатирования при 2°С, и криогеля - при минус 30°С приведены в таблице.

Пример опытно-промышленных испытаний состава.

На плотине Иреляхского гидроузла в зонах с большим поглощением и высокой скоростью потока воды произведена поинтервальная закачка криогелеобразующих составов с целью тампонажа фильтрующего основания плотины. Был закачан криогелеобразующий состав с концентрацией ПВС - 5 мас.%, борной кислоты - 1 мас.%. Кроме того, в качестве наполнителей использовали древесные опилки или базальтовое волокно, а также совместно опилки с базальтовым волокном.

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. При закачке древесные опилки использовали в виде 10%-ной суспензии в растворе состава, содержащего 5% ПВС и 1% борной кислоты. Насыпной вес опилок 120 кг/м^3. Для приготовления раствора криогелеобразующего состава с древесными опилками в емкость (ведро) заливали 8 л раствора криогелеобразующего состава, добавляли 600-800 г опилок и перемешивали. Полученный раствор криогелеобразующего состава с древесными опилками заливали в скважину самотеком. После окончания загрузки в скважину раствора криогелеобразующего состава с опилками продолжали закачку раствора криогелеобразующего состава.

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 состава происходило легко, при этом из промороженных зон плотины раствор 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 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, 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.

В 2003 г. в 5 скважин опытного участка в центральной части плотины кроме криогелеобразующего состава без наполнителя было закачано криогелеобразующего состава с древесными опилками 0.6 м³ (53 кг опилок).

В 2004 г. в 10 скважин правого примыкания плотины кроме криогелеобразующего состава без наполнителя было закачано криогелеобразующего состава с древесными опилками 10 м³ (914 кг опилок). По сравнению с закачкой в скважины центральной части плотины количество опилок на одну скважину правого примыкания увеличилось примерно в 10 раз вследствие более сильного поглощения.

Всего в ходе инъекционных работ в 2005 г. закачано 1433.5 м³ раствора криогелеобразующего состава, использовано ПВС - 96 808 кг, борной кислоты - 15 289,95 кг, опилок - 7460,4 кг, базальтового волокна - 840,8 кг. Расход раствора криогелеобразующего состава в среднем составил 0.89 м³ на 1 м пробуренного интервала в инъекционной скважине.

Опытно-промышленные работы показали, что криогелеобразующие растворы можно готовить непосредственно на плотине и закачивать в скважины с использованием стандартной техники для цементации.

Таким образом, добавление к криогелеобразующему раствору наполнителей (древесных опилок и/или базальтового волокна) позволяет получить гели и криогели с хорошими механическими свойствами для создания противофильтрационного экрана в гидротехнических сооружениях в зонах с аномально высокой скоростью фильтрации. Вязкость составов с наполнителем - базальтовым волокном после процесса криогелеобразования увеличивается в 2,8-5,0 раз, модуль упругости - в 1,4-2,4 раза. Упругость составов с добавлением древесных опилок увеличивается в 1,3-5,2 раза. Наибольшую упругость имеет криогелеобразующий раствор, наполненный совместно базальтовым волокном и опилками. В процессе замораживания в зонах с аномально высокой скоростью фильтрации данные криогели позволяют исключить возникновение в породе и грунте высоких напряжений, которые приводят к их деформации и разрушению, позволяют предотвратить растрескивание пор породы и грунта в процессе сезонного замораживания и оттаивания.

Таблица
Изменение вязкоупругих свойств составов после криогелеобразования
		Концен трация, мас.%	Раствор	Гель	Криогель
№	Вещества	Вязкость, мПа·с	Модуль упругости, кПа	Вязкость, мПа·с	Модуль упругости, кПа	Вязкость, мПа·с	Модуль упругости, кПа
1	ПВС	5,0
	Борная кислота	1,0	45,9	4,8	88,8	25,7	249,3	223,1
	Вода	94,0
2	ПВС	7,0
	Борная кислота	1,0	98,2	6,6	325,0	34,0	378,0	226,8
	Вода	92,0
3	ПВС	5,0
	Борная кислота	1,0
	Базальтовое		123,4	7,9	263,7	45,6	586,8	289,4
	волокно	0,5
	Вода	93,5
4	ПВС	7,0
	Борная кислота	1,0
	Базальтовое		506,0	8,5	774,0	46,8	1077,0	308,8
	волокно	0,5
	Вода	91,5
5	ПВС	10,0
	Борная кислота	1,0
	Базальтовое		260,4	17,1	546,5	88,3	1044,8	324,9
	волокно	0,1
	Вода	88,9
6	ПВС	4,5
	Борная кислота	0,9
	Древесные		-	5,83	-	133,3	-	300,4
	опилки	9,0
	Вода	85,6
7	ПВС	6,5
	Борная кислота	0,9
	Древесные		-	6,9	-	136,1	-	302,4
	опилки	7,4
	Вода	85,2
8	ПВС	6,5
	Борная кислота	0,9
	Базальтовое
	волокно	0,5	-	12,6	-	254,7	-	319,3
	Древесные
	опилки	7,4
	Вода	84,7

Состав для создания водонепроницаемости низкотемпературных грунтов и пород, содержащий поливиниловый спирт, воду и борную кислоту, отличающийся тем, что он дополнительно содержит наполнитель - древесные опилки и/или базальтовое волокно при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

поливиниловый спирт	3,0-10,0
борная кислота	0,2-1,0
древесные опилки	7,0-10,0
базальтовое волокно	0,1-0,5
вода	остальное.