Основы методики изучения постинъекционных процессов при химическом тампонировании скальных пород оснований плотин // Инженерная геология. – Москва, 1987. – № 1. – С. 37-49. — Лаборатория геологии техногенных процессов

В последнее время в практике гидротехнического строительства при проектировании и создании противофильтрационных завес и экранов все более широкое применение находят химические инъекционные растворы как средство достижения высокой степени тампонирования скальных трещиноватых грунтов. Это связано с наличием, во-первых, тонкой, не поддающейся цементации трещиноватости, на которую приходится существенная часть фильтрационного расхода, и, во-вторых, растворимых пород в основании плотин, что определяет повышенные требования к плотности и качеству противофильтрационных завес. Особое место в практике гидротехнического строительства последних лет занимают скальные гипсоносные основания.

Накопленный опыт показывает, что создание цементационных завес полностью не устраняет опасности развития процесса выщелачивания гипса. Поэтому нередко возникает необходимость доуплотнения пород с использованием химических инъекционных растворов. В состав используемых в нашей стране силикатных гелеобразующих растворов и гелей входят сернокислый натрий, силикат натрия, фтористый натрий, кремнефтористый натрий, щавелевокислый натрий, алюминат натрия и другие химически весьма активные соединения, не встречающиеся в природных обстановках, способные существенно влиять на подземные воды, поровые воды и компоненты пород закрепленного массива (таблица).

В результате воздействия на различные элементы геологической среды при создании инъекционных противофильтрационных завес формируются специфические виды техногенно-геохимических систем. При этом на фоне довольно резкого изменения основных геохимических черт вследствие нарушения сложившихся равновесий наблюдается трансформация существовавших или появление новых физико-химических процессов и реакций. Характер и направленность таких процессов обуславливает на макроуровне состояние, физико-механические и фильтрационные свойства пород и поведение системы в целом. В зависимости от соотношения и контрастности геохимических показателей природных и техногенных условий могут происходить перемещение вещества путем выщелачивания и коллоидного переноса, синтез минеральных и органических соединений из продуктов естественного и искусственного происхождения, образование новых поровых растворов различных геохимических типов. Выявление механизма и характера развития подобных процессов имеет большое практическое значение в целях прогноза устойчивости пород как в теле завесы, так и в непосредственном ее окружении, а также условий и длительности сохранения тампонажного эффекта в ходе эксплуатации.

В настоящее время данные по эволюции техногенно-геохимических систем на участках инъекционного уплотнения пород разрознены и весьма немногочисленны. Одна из главных причин подобного положения — отсутствие комплексной методики изучения обстановок, формирующихся в результате химического тампонирования гипсоносных и соленосных массивов при наличии минерализованных подземных вод.

Процессы, происходящие при взаимодействии инъецируемых растворов и продуктов искусственной цементации с твердой, жидкой и газообразной составляющими грунта после окончания инъекции и изменяющие его физико-механические и фильтрационные свойства, ранее были охарактеризованы как постинъекционные [7, 17]. Они представляют собой комплекс разнообразных гетерогенных химических и физико-химических реакций, протекающих в закрепленном массиве. Важными их характеристиками являются направленность, продолжительность, интенсивность, результат воздействия и область распространения. Основными факторами, определяющими их интненсивность, являются химическая и физико-химическая активность вносимых веществ и природных компонентов (пород, подземных вод и газов), а также миграционная способность веществ в массиве. В отдельных случаях имеют значение микробиологические процессы.

Применение химических растворов для тампонажа трещиноватых пород в основании плотин

Плотина	Породы основания	Раствор	Остаточ ное удельное водопогл ощение, л/мин	Вид работ	Причины применения химического раствора	Литерат урный источник
Камская ГЭС (СССР)	Мергели, доломиты, гипсы, известняки, аргиллиты, алевролиты	Щавелево-алюкосил икатный	0,05-0	Производ ственные	Цементац ионная завеса потеряла эффект ивность	[6]
Перепадная ГЗС-1 (СССР)	Песчаники, глины, конгломер аты	То же	0,0035-0,0017	Опытные	Породы не поддаются цементации	[6]
Перепадная ГЭС-1 (СССР)	Песчаники, глины, конгломер аты	ФРЭС	0,016	«	То же	[10]
Рогунская ГЭС (СССР)	Аргиллиты, алевролиты, песчаники, гипс, каменная соль	Эпоксид ная смола ТЭГ-1	0,003-0,01, среднее 0,007	«	Необходима максим альная гидроизол яция соляного оголовка	[5]
Коупас-Форд (США)	Граниты	АМ-9 (акрил овый мономер и катализ аторы)	Близкое к 0	Производ ственные	Плотность цементной завесы недостат очна	[22]
Кайнджи (Нигерия)	Граниты и амфибол иты	Резорцин формальд егидная смола	«	«	Цементация неэффект ивна	[1]
Бу-Ханифиа (Алжир)	Трещин оватые песчаники, песчано-глинистые отложения	Растворы на основе силиката натрия	—	«	—	[13]
Гриб (Алжир)	Мергели и песчаники	Растворы на основе силиката натрия	Снижено на 98,3-99,6%	«	—	[13]
Фодда (Алжир)	Известняки	Силикат натрия и сернок ислый алюминий	—	«	Наличие тонко трещино ватых пород	[13]
Фенгтан (КНР)	Песчаники	Полиурет ановый	—	«	Повышение качества цементной завесы	[26]
Ченцун (КНР)	Брекчии и меланиты	»	—	«	То же	[26]

В проблемной лаборатории Геологического факультета МГУ в течение ряда лет ведутся систематические исследования процессов постинъекционного воздействия, происходящих в результате применения щелочных силикатных растворов для целей химического тампонирования скальных гипсоносных массивов с высокой степенью минерализации подземных вод. Экспериментально-теоретические исследования и натуральные наблюдения были направлены на решение следующих основных задач: 1) установление закономерностей образования постинъекционных флюидов при смешивании техногенных растворов с минерализованными природными водами и диффузии компонентов жидкой фазы гелей; 2) изучение физико-химических процессов и явлений при взаимодействии силикатных гелей с минерализованными подземными водами; 3) выявление механизма, кинетики и динамики взаимодействия гипса с постинъекционными растворами; 4) количественная оценка влияния формирования и развития техногенно-геохимической обстановки на изменение фильтрационных параметров пород и завесы.

Решение поставленных задач осуществлялось главным образом на примере Камской ГЭС (Пермь), выбор которой был обусловлен следующими причинами: высокой химической активностью гипса, залегающего в основании этой плотины, и силикатных инъекционных растворов, что обуславливает активное проявление постинъекционных процессов; наличием данных многолетних режимных гидрохимических и гидродинамических наблюдений, что позволяет проследить возникновение и изменение во времени техногенно-геохимической обстановки; большой практической значимостью результатов по оценке химической устойчивости гипса в условиях действующей плотины.

Район створа Камской ГЭС приурочен к восточной окраине Восточно-Европейской платформы. В зону влияния сооружения входят пермские отложения: (сверху вниз) шешминский горизонт, представленный переслаивающимися аргиллитами, алевролитами, песчаниками; соликамский горизонт, сложенный известняками, доломитами и мергелями с прослоями, линзами, кристаллами гипса (до 35 %); гипсы и ангидриты иренского горизонта, являющиеся региональным водоупором. В основании ГЭС выделяются три водоносных горизонта: шешминский, для которого характерны гидрокарбонатнве сульфатно-гидрокарбонатные воды с минерализацией 0,4-2 г/л; верхнесоликамскицй с сульфатными и хлоридно-сульфатными водами (1,5-35 г/л) и нижнесоликамский, воды которого представляют собой рассолы с минерализацией до 80 г/л [20].

Предусмотренная проектом цементационная завеса оказалась малоэффективной, поскольку тонкотрещиноватые породы плохо поддаются цементации. За 20 лет эффективность ее еще уменьшилась, появились признаки выщелачивания гипса [11]. В этой ситуации было принято решение об уплотнении завесы гелеобразующим щавелево-аллюмосиликатным (ЩАС) раствором (разработан С. Д. Воронкевичем и Л. А. Евдокимовой), который готовится на основе силиката натрия плотностью 1,19 г/см³ и отвердителя — раствора сернокислого алюминия (50 г/л) и щевелевой кислоты (50 г/л). В результате выполненных работ возросли перепады напоров на завесе в 1,5-5 раз, увеличилась устойчивость плотины сдвигу на 5-10 %.

Разнообразный опыт, накопленный в ходе химического уплотнения пород основания Камской ГЭС, послужил основой разработки общих принципов методики изучения постинъекционных процессов.

Основные принципы схематизации условий при изучении постинъекционных процессов

Комплексное исследование постинъекционных процессов включает несколько основных этапов (рис. 1). Начальным является анализ материалов по геологическому строению закрепленного массива, его гидрогеологической и геохимической обстановки. На основании этих данных проводиться схематизация постинъекционных условий, т.е. создается идеализированная модель массива, в которой отражено пространственное взаимоотношение его компонентов — пород, продуктов искусственной цементации, подземных вод, постинъекционных растворов (специфический тип техногенных флюидов, циркулирующих в порово-трещинном пространстве и содержащих составляющие инъецируемых растворов и продукты химических реакций), их физико-химическая активность и характер массопереноса в пределах этих компонентов.

Закрепленный водонасыщенный массив можно рассматривать как двухфазную систему, в которой твердая фаза представлена породами и продуктами искусственной цементации, жидкая — подземными водами и постинъекционными растворами. Интенсивность процессов на границе раздела фаз зависит от ряда факторов, в том числе от физико-химической активности породы, составляющих ее минералов. Растворимость минерала может служить в качестве показателя, интегрально отражающего энергетические особенности кристаллической решетки. Сопоставление величин растворимостей минералов, присутствующих в массиве, позволяет производить сравнительную оценку их активности. Следует также учитывать скорость растворения, которая характеризует интенсивность поступления вещества в сферу реакции. Она может оказать влияние на общую скорость многих природных гетерогенных химических реакций, так как является лимитирующей во многих процессах [9].

Физико-химическая активность продуктов искусственной цементации наряду с реакционной способностью обусловлена их строением. Поскольку такие продукты, как правило, состоят из двух элементов: твердой пространственной сетки и жидкости, заполняющей пустотное пространство, помимо них необходимо учитывать фильтрационные и диффузионные свойства, определяющие интенсивность переноса реакционноспособных веществ внутри продуктов искусственной цементации.

Для характеристики активности подземных вод ипостинъекционных растворов используются концентрация отдельных компонентов, общая минерализация, ионная сила раствора, активная концентрация ионов, водородный показатель, окислительно-восстановительный потенциал и др.

Другим фактором, который необходимо учитывать при схематизации, является характер массопереноса в массиве. При гетерогенных физико-химических реакциях скорость подвода вещества в их сферу и отвода их продуктов в случае, если она меньше скоростей химического взаимодействия, будет определять общую интенсивность процессов, протекающих в массиве.

Массоперенос обусловлен свойствами среды и характером движущих сил. В закрепленном массиве существуют три среды с различной проницаемостью (породы, продукты искусственной цементации и незатампонированные трещины) и действуют гравитационные (конвективный перенос) и молекулярные силы (диффузионный перенос). Составление модели массива предполагает выявление в каждой из перечисленных сред характера переноса, для оценки которого можно использовать критерий Пекле [14].

Рис. 1. Основные этапы изучения постинъекционных процессов

Проведенный расчет для условий Камской ГЭС показал, что в закрепленном массиве существуют два типа массопереноса. В незатампонированных трещинах в теле завесы преобладающим является конвективный тип, следовательно, постинъекционные растворы будут достаточно быстро мигрировать по направлению потока и вступать во взаимодействие с породами за пределами завесы. В поровом пространстве гелей и пород происходит главным образом диффузионный перенос. Учитывая высокие градиенты концентраций компонентов жидкой фазы геля и подземных вод, а также конвективный характер переноса вещества в незатампонированных трещинах, обеспечивающий интенсивный подвод реагентов и отвод продуктов реакций, следует ожидать активных физико-химических процессов на контакте геля с подземными водами.

Массоперенос через породы имеет также диффузионный характер. Диффузия в неподвижной среде в направлении нормали к поверхности, через которую происходит перенос вещества (одномерная диффузия), при постоянной температуре подчиняется известному закону Фика. Поскольку породы обладают наименьшими абсолютными значениями коэффициентов диффузии, а градиенты концентраций в системе породы — подземные воды незначительные, массоперенос через поровое пространство будет несущественный и при рассмотрении поставленных задач может не учитываться.

Задача о фильтрации и диффузии смеси веществ с учетом химического взаимодействия со средой сложна и в общем виде на настоящий момент не решена [9], наличие же в массиве трех сред усложняет ее еще больше. В связи с этим последним шагом схематизации является выделение двухкомпонентных (бинарных) систем, в которых следует ожидать активного протекания постинъекционных процессов. В массиве после создания завесы выделяются следующие системы (рис. 2): а — гель — подземные воды, возникает в частично затампонированных трещинах (а₁) и в периферийных частях завесы (а₂); подземные воды в ней могут интенсивно перемещаться относительно поверхности геля (а₁), возможны случаи, когда такое движение будет незначительно (а₂); б — постинъекционные растворы — гипс, имеет место как в теле завесы (б₁), так и за ее пределами (б₂); перенос жидкой фазы здесь определяется остаточными скоростями фильтрации, могут наблюдаться застойные зоны; в — гель — гипс, где перенос вещества осуществляется за счет диффузии в интермицеллярной жидкости геля; взаимодействие в ней компонентов наименее активно по сравнению с другими системами. Эта схематизация послужила основой для выбора главных направлений исследования.

Рис. 2. Схематизация постинъекционных условий в районе завесы. Разрезы: А — вдоль оси завесы, В — поперек оси завесы; Б — план /по Ш — Ш /. 1 — бетон, 2 — карбонатные породы, 3 — гипс, 4 — гель; трещины: 5 — незаполненные гелем, 6 — заполненные гелем; 7 — инъекционные скважины, 8 — направление движения подземных вод, 9 — контур завесы, 10 — выделенные бинарные системы / объяснения в тексте /; I — тело завесы, II — зона распространения постинъекционных растворов.

Методика исследования

На начальных этапах изучения постинъекционного воздействия (рис. 1) наряду с натурными наблюдениями за техногенными изменениями предполагается целенаправленный анализ геохимических процессов, которые могут рассматриваться в качестве природных аналогов образования и развития техногенно-геохимических обстановок. Привлечение природных аналогов полезно не только при схематизации условий, но и на последующих этапах — при интерпретации полученных результатов и в целях прогноза.

Ранее было показано [2], что фундаментальные законы геохимии зоны гипергенеза, где сосредоточен основной объем инъекционных работ, имеют эвристическую ценность при теоретическом анализе техногенно-геохимичееких систем различного происхождения, в частности формирующихся вследствие физико-химической мелиорации пород. Использование этого положения применительно к конкретным объектам показало его практическую значимость при изучении постинъекционных процессов [7].

При анализе природных геохимических условий соответствующих участков (природных тел) зоны гипергенеза одна из главных задач на начальных этапах — оценка их чувствительности к техногенному (в данном случае — инъекционному воздействию. Наиболее характерными реакциями являются: а — обратимые изменения природных геохимических показателей среды, которые достаточно быстро компенсируются, без появления инженерно-геологических процессов; б — изменения, превышающие некоторый порог, когда их полная компенсация невозможна, а геохимические показатели приобретают значения, соответствующие новым условиям равновесия, что, однако, не сопровождается вредными последствиями, а может даже стать причиной возникновения положительных эффектов на участке действия постинъекционных процессов; в — изменение отмеченных показателей, превышающее их критические значения, образование и развитие значительных по масштабам к интенсивности нежелательных инженерно-геологических процессов.

Конкретизация сущности возможных изменений геохимической обстановки, выявление механизма и кинетики основных физико-химических процессов, а также количественный прогноз их развития в сочетании с оценкой изменения физико-механических и фильтрационных свойств рассматриваемых участков геологической среды реализуются на последующих стадиях исследования.

Важным этапом являются лабораторные исследования. Поскольку физическое моделирование постинъекционных процессов для выявления их количественных закономерностей не представляется возможным, лабораторные работы, на наш взгляд, должны быть направлены на получение качественных представлений о механизме этих процессов в массиве — выявление и установление относительной значимости основных факторов, уяснение физико-химической сущности явлений, изучение направленности объемных изменений твердой фазы. Количественные результаты могут быть оценены с помощью математического моделирования.

На первых стадиях лабораторное исследование целесообразно выполнять на моделях, в которых число факторов, влияющих на ход процессов, сведено к минимуму. При этом в первую очередь исключаются динамические факторы. Вещественный состав моделей и условия проведения эксперимента по возможности приближаются к таковым в бинарных системах (рис. 2). На последующих стадиях число факторов может быть увеличено, например, за счет осуществления опыта в динамических условиях, замены растворов индивидуальных солей реальными подземными водами и др.

В ходе этих работ решаются три имеющие определенную самостоятельность задачи: выявление закономерностей формирования постинъекционных растворов, оценка устойчивости продуктов искусственной цементации и пород в новой техногенно-геохимической обстановке.

Формирование постинъекционных растворов происходит в основном под воздействием трех факторов: гидродинамической дисперсии раствора при инъекции [9, 15], химических процессов в зоне разбавления и встречной диффузии компонентов в системе гель — подземные воды.

Поскольку задача о разбавлении раствора в ходе инъекции трещиноватых пород в настоящее время не решена, а в зоне разбавления его концентрация меняется от исходной до нулевой, для установления закономерностей целесообразно приготавливать смеси инъекционного раствора с растворами солей и подземными водами в большом диапазоне соотношений [7, 24]. В смесях изучается изменение химического состава во времени, особенности гелеобразования. Полезную информацию о механизме процессов дает анализ структуры формирующихся гелей и их состава. Характеристика последнего может быть получена по данным рентгеновской спектрометрии, а структурные особенности определены на сканирующем электронном микроскопе с последующей количественной их оценкой методами математической морфологии [7].

На состав подземных вод существенно может повлиять диффузионный вынос компонентов интермицеллярной жидкости гелей. К таковым относится, например, кремнезем, содержание которого в жидкой фазе силикатного геля доходит до 80%. Поскольку процессы диффузионного выноса обусловлены составом и концентрацией контактирующего раствора [17], на основании изменения во времени состава можно судить о ходе этих процессов. Общее представление об их химизме можно получить, проводя опыты в статических условиях. Учитывая особенности системы гель — подземные воды (рис. 2), целесообразно также применять «проточную» схему опытов. При этом, например, можно определить максимальное количество компонентов, которое переходит в тот или иной раствор [17].

Устойчивость продуктов искусственной цементации в теле завесы складывается из устойчивости гелей в трещинах к воздействию фильтрационного потока и их химической долговечности. Лабораторные исследования первого фактора могут быть основаны на выдавливании геля жидкостью под давлением из щели, образованной двумя пластинками, изготовленными из пород, залегающих в районе завесы [25].

Определение химической устойчивости гелей проводится одновременно с изучением диффузионного выноса компонентов их жидкой фазы. Компоненты раствора, диффундирующие в гель, могут взаимодействовать с его твердой и жидкой фазой, изменяя таким образом его свойства, вплоть до образования кристаллов [18]. Состав и структура гелей изучаются методами, указанными выше: хорошие результаты дает рентгеноструктурный анализ формирующихся кристаллов, поскольку сами гели, как правило, рентгеноаморфны.

Исследования химической устойчивости пород при воздействии на них постинъекционных растворов должны быть направлены ни изучение химизма процессов, объемных изменений твердой фазы, механической и химической устойчивости новообразований. Для выявления химической стороны взаимодействия опыты могут проводиться в статических условиях — образцы помещаются в жидкости, моделирующие постинъекционные растворы пли содержащие их отдельные компоненты, и изучаются изменения во времени состава последних [3, 4, 17]. Для получения сведений об объемных изменениях твердой фазы и устойчивости новообразований может быть применена установка [19], в которой по расходу раствора в процессе фильтрации через отверстие в образце можно судить об увеличении или уменьшении его диаметра. Данные о составе и строении новообразований на поверхности породы можно получить при использовании электронно-микроскопическою, термического и рентгеноструктурного методов.

Процессы на контакте гель — порода могут изучаться путем воздействия жидкой фазы геля, поскольку реакции между твердыми телами идут крайне медленно. О характере и результатах этих процессов можно судить по данным электронно-микроскопического анализа зоны контакта.

Натурные наблюдения проводятся с целью контроля изменений данной техногенно-геохимической системы. Размещение сети наблюдений должно быть таким, чтобы была возможность проверки прогнозов эффективности противофильтрационных завес и осуществления обратных расчетов для определения проницаемости пород и основании плотин. Обычно ведутся наблюдения за напорами фильтрационных потоков в пъезометрах и гидрохимическим составом подземных вод. Пъезометры необходимо располагать по системе профилей, ориентированных максимально близко к линиям тока фильтрации в основании плотины.

Гидрохимический состав подземных вод изучается с применением специально разработанных методов анализа компонентов, вносимых в грунты при их химическом инъекционном закреплении [3]. Целесообразно проводить при этом измерение скоростей потоков и коэффициентов фильтрации пород основания по данным откачек или нагнетаний, а также экспресс-наливов в скважины в зоне высокоплотных противофильтрационных завес. Определения с наибольшей точностью хотя бы в одной части этой зоны необходимы для решения обратных задач но расчету коэффициентов фильтрации в основании плотин.

Хорошие результаты по оценке фильтрационной неоднородности пород даст применение двойного тампона с малым интервалом опробования, что позволяет в отдельных случаях рассчитать ширину раскрытия трещин [25].

Математическое моделирование постинъекционных процессов проводится с целью количественного анализа их суммарного проявления во времени, которое отражается в изменении свойств (прежде всего водопроницаемости) техногенно-геохимической системы. Для наиболее полного учета инженерно-геологических условий все чаще применяются численные методы расчета на ЭВМ. Метод конечных элементов хорошо зарекомендовал себя для решения таких задач, позволяя прогнозировать состояние техногенно-геохимической системы в будущем. Эти задачи, в зависимости от степени достоверности данных, используются для выявления основных фактории развития конкретной техногенно-геохимической системы, корректировки инженерно-геологических исследований, а также для осуществления прогнозов. Последние базируются на определении ряда специальных опытных параметров или закономерностей, например коэффициентов осмоса пород при прогнозе фильтрационно-осмотических процессов в плотных противофильтрационных завесах [12].

Принципы схематизации инженерно-геологических условий и составления расчетной схемы, решение прямых задач методом конечных элементов на ЭВМ подробно разработаны и изложены в работах [21, 23]. В последнее время этот метод разрабатывается для решения обратных задач, которые позволяют рассчитать исходя из величин напоров фильтрационных потоков изменения коэффициентов фильтрации пород в результате суммарного проявления постинъекционных процессов, а также определять размеры зон этих изменений. Это даст возможность по данным простых натурных наблюдений анализировать развитие техногенно-геохимической системы и осуществлять контроль за ее состоянием на базе постоянно действующей модели.

Обратная задача определения коэффициентов фильтрации пород по данным напоров {H} основана на широко распространенном в практике методе подбора, идея которого заключается в том, что для фиксированных наборов коэффициентов фильтрации [K_ф] рассчитываются значения напоров {

}, т. е. решается прямая задача. При этом наборы [К_ф] строятся с учетом всей инженерно-геологической информации как качественного, так и количественного характера. В качестве решения выбирается такой набор [

], при котором

(

— заданная точность), а разность между натурными (точными) значениями коэффициентов фильтрации [K_ф] и определенным набором фильтрационных параметров не превышает величины

, т. е.

Корректность этих расчетов связана с корректностью прямой задачи и должна удовлетворять следующим условиям: 1) для любого набора коэффициентов фильтрации [К_ф] решение существует; 2) оно определяется однозначно: 3) устойчиво к малым изменениям исходных данных. Эти условия обеспечиваются соответствующими теоремами о свойствах квадратичного функционала, доказываемыми в курсах вариационного исчисления. На практике их выполнение выбранным алгоритмом решения и его точность определяются на тестовых задачах и путем серии численных экспериментов с моделью.

Обратные задачи могут быть первой ступенью прямых, выполняемых для повышения надежности фильтрационных параметров при решении задачи прогноза изменения техногенно-геохимической системы.

Основы прогноза постинъекционных процессов

Подавляющее большинство процессов, характерных для постинъекционного воздействия на геологическую среду, являются термодинамическими, т. е. такими, которые либо находятся в состоянии равновесия, либо развиваются по направлению к нему. В связи с этим одна из основных проблем техногенно-геохимических прогнозов заключается в количественном учете результатов взаимодействий в системе техногенный флюид — порода и расчете измененную состава твердой и жидкой ее фаз. Количественная характеристика возможна на основе использования принципов и методов химической термодинамики, кинетики и физико-химической гидродинамики. Методология этих наук предусматривает моделирование исследуемых процессов, в данном случае техногенно-геохимических.

В моделировании постинъекционных процессов и явлений, основанном на методах химической термодинамики, наиболее плодотворной является концепция частичного равновесия, которая успешно используется при анализе реакций гидратации и гидролиза клинкерных минералов, а также в физико-химических исследованиях процессов минералообразования в коре выветривания. В основе этой концепции лежит четкое разграничение на: 1) равновесие водного раствора с его компонентами и новообразованными минералами и 2) равновесие раствора и новообразований с исходной твердой фазой. Ее понятие для ряда задач означает, что в неравновесной в целом системе может выполняться химическое равновесие для отдельной реакции или групп реакций.

Принципы и методы химической термодинамики могут служить основой для построения математической модели, отражающей физико-химическую сущность процессов, происходящих при взаимодействии постинъекционных растворов с породами и водами. Составление таких моделей обычно осуществляется исходя из характера и степени закомплексованности рассматриваемых химических элементов и устойчивости комплексных ионов и соединений. Наиболее плодотворный путь машиных расчетов при моделировании подобного рода, по мнению С. Р. Крайнова с коллегами [16], — это метод минимизации свободной энергии системы.

Физико-химические модели техногенно-геохимических процессов и систем с учетом их развития создаются на основе принципов как равновесной, так и неравновесной термодинамики и химической кинетики. Для их построения и решения динамических задач привлекаются математический аппарат и ЭВМ. Такие разработки используются при решении задач физико-химической мелиорации грунтов в изучении процессов дисперсии, сорбции, диффузионно-осмотического переноса, новообразований как при введении химически активных мелиорантов, так и в ходе эволюции техногенных грунтов и искусственно преобразованных участков геологической среды.

Результаты исследования постинъекционных процессов в основании Камской ГЭС

По предложенной схеме было проведено исследование постинъекционных процессов, протекающих в основани Камской ГЭС после доуплотнения цементационной завесы. Установлены следующие закономерности [7, 17-19]. Щелочные кремнеземсодержащие растворы при смешивании с минерализованными подземными водами, содержащими кальций и магний, нейтрализуются, в результате чего происходит осаждение кремнезема. Роль диффузионного выноса компонентов интермицеллярной жидкости (кремнезема, щелочи, оксалат-иона) из геля в формировании химического состава постинъекционных растворов при наличии в подземных водах ионов кальция и магния крайне ограничена, так как эти ионы диффундируют в гель и переводят значительную часть указанных компонентов в твердую фазу внутри него. Постинъекционные растворы содержат кремнезем, щелочь, оксалат-ион в низких концентрациях и существуют короткое время в непосредственной близости от завесы. Осаждение этих компонентов ведет к дополнительному тампонажу пород.

При взаимодействии геля с подземными водами вследствие диффузии ионов кальция и магния в интермицеллярное пространство происходит хемосорбция этих ионов на поверхности скелета геля и гелеобразование интермицеллярной жидкости. В тампонажных гелях при контакте с подземными водами возможен рост кристаллов труднорастворимых соединений, соизмеримых с величиной раскрытия инъекцируемых трещин, что позволяет говорить об их своеобразной цементации. Указанные процессы ведут к уплотнению геля, повышают его химическую устойчивость, причем в образование твердой фазы наряду с неотвержденным силикатом натрия вовлекаются кальций и магний подземных вод и компоненты инъекционного раствора, не участвующие в гелеобразовании. Остальные компоненты подземных вод на свойства геля существенного влияния не оказывают.

При воздействии на гипс постинъекционных растворов, содержащих щелочь, кремнезем, оксалат-ион, на его поверхности образуются труднорастворимые химически устойчивые соединения, близкие к аморфным — гидросиликаты кальция переменного состава, оксалаты кальция, которые снижают в некоторой степени скорость его растворения. В процессе взаимодействия в системе гипс — постннъекционные растворы происходит увеличение суммарного объема твердой фазы, что следует рассматривать как дополнительное тампонирование пород. Формирование специфической техногенно-геохимической обстановки оказало влияние на фильтрационные параметры пород основания. Путем математического моделирования на ЭВМ методом конечных элементов установлено, что до инъекции ЩАС раствора происходило увеличение Кф цемзавесы и пород во времени, после доуплотнения завесы ее Кф снизился к 2.5 раза в шешминском и почти в 100 раз в верхнесоликамском водоносных горизонтах. За 4 года после окончания инъекционных работ в верхнесоликамском горизонте, для которого характерны минерализованные воды и высокое содержание гипса. Кф завесы и зоны мощностью 5 м за ней снизился в 2 раза. Уменьшение проницаемости произошло за счет тампонирования остаточных трещин в теле завесы и за ее пределами вследствие постинъекционных процессов.

Постинъекционные процессы, возникающие при силикатизации водонасыщенных трещиноватых гипсоносных пород, обеспечивают сохранность гипса и эффективность завесы. Наблюдается тенденция к увеличению эффективности завесы во времени, что повышает надежность защиты гипса от растворения, ведет к росту устойчивости плотины. Анализ воздействия инъекционного закрепления на геохимическую обстановку в массиве и результаты, достигнутые при создании завесы в основании Камской ГЭС, позволяют рекомендовать силикатные растворы для тампонирования гипсоносных пород в основаниях гидротехнических сооружений.

Таким образом, изучение постинъекционных процессов включает в качестве обязательных следующие этапы: анализ данных натурных наблюдений, анализ природных аналогов, схематизация постинъекционных условий, лабораторные исследования, математическое моделирование и выявление их механизма, количественная оценка результатов и прогноз развития. Выполнение этих этапов позволяет оценивать состояние оснований плотин, давать количественный прогноз его изменениям во времени, выбирать геохимически оптимальные инъекционные растворы с учетом конкретной обстановки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Адамович А. Н. Закрепление грунтов и противофильтрафионные завесы в гидроэнергетическом строительстве. М.: Энергия, 1980. 320 с.

2. Воронкевич С. Д. Геолого-минералогические основы инъекционного закрепления пород. Автореф. дис. на соискание уч. ст. докт. геол.-мин. наук. М.: МГУ, 1976.44 с.

3. Воронкевич С. Д., Евдокимова Л. А. Исследование характера взаимодействия гипса и постинъекционных растворов в связи с химическим уплотнением гипсоносных пород в основании Камской ГЭС.- Инж. геология, 1984, № 6, с. 51-62.

4. Воронкевич С. Д., Евдокимова Л. А., Ларионова Н. А. Взаимодействие карбонатных минералов и гипса с компонентами щавелевоалюмосиликатных гелей.- В сб.: Вопр. инж. геологии и грунтоведения. Вып. 5. М: МГУ, 1983, с. 370-382.

5. Воронкевич С. Д., Евдокимова Л. А., Ларионова Н. А. и др. Опыт применения инъекционного раствора на основе эпоксидной смолы для уплотнения скальных осадочных пород в районе створа Рогунской ГЭС.- Гидротехн. стр-во, 1981, № 10, с. 11-15.

6. Воронкевич С. Д., Евдокимова Л. А., Сергеев В. И. Теоретические основы и результаты внедрения способа химического тампонирования полускальных и скальных пород.- В сб.: Вопр. инж. геологии и грунтоведения. Вып. 4, М.: Изд-во МГУ, 1978, с. 199-209.

7. Воронкевич С. Д., Максимович Н. Г., Коломенский Е. Н. и др. Основные закономерности постинъекционного взаимодействия силикатных растворов с подземными водами.- Инж. геология, 1985, № 2, с. 42-54.

8. Воронкевич С. Д., Сергеев В. И. Изменение физических свойств гелеобразующих растворов при инъекции.- Гидротехн. стр-во, 1975, № 4, с. 26-28.

9. Голубев В. С. Динамика геохимических процессов. М.: Наука, 1981. 208 с.

10. Демин В. Ф., Попов Ю. Д., Аллас Э. Э. Опыт создания противофильтрационной завесы в карбонатных породах.- Изв. ВНИИГ, 1978, т. 122, с. 81-85.

11. Долгополое В. М., Голибниченко П. Г. и др. Некоторые итоги 20-летнего опыта эксплуатации Камской ГЭС.- Гидротехн. стр-во, 1975, № 4, с. 30-33.

12. Емельянов С. Н. Инженерно-геологическая оценка и прогноз основных параметров химического инъекционного уплотнения скальных осадочных грунтов. Автореф. дис. на соискание уч. ст. канд. геол.-мин., наук, М.: МГУ, 1982.

13. Жинью М., Барбье Р. Геология плотин и гидротехнических сооружений. М.: Гос-стройиздат, 1961. 256 с.

14. Зверев В. П. Роль подземных вод в миграции химических элементов. М.: Недра, 1982. 186 с.

15. Камбефор А. Инъекция грунтов. М.: Энергия, 1971. 334 с.

16. Крайнов С. Р. и др. Геохимические проблемы гидрогеологических прогнозов.- Матер. I Всесоюзн. гидрогеологической конфер. Формирование подземных вод как основа гидрогеологических прогнозов. Т. 2. М.: Наука, с. 276-293.

17. Максимович N. Г. Постинъекционные процессы при тампонировании гипсоносных карбонатных пород силикатными растворами (на примере Камской ГЭС):-Автореф. дис. на соискание уч. ст. канд. геол.-мин. наук. М.: МГУ, 1984, 22 с.

18. Максимович Н. Г., Воронкевич С. Д. Взаимодействие алюмосиликатных гелей с минерализованными подземными водами и его инженерно-геологическое значение.-¦ Вести. МГУ. Сер. геол., 1983, № 4, с. 78-87.

19. Максимович Н. Г., Сергеев В. И. Влияние химического инъекционного закрепления на устойчивость гипса в основании гидротехнических сооружений.- Гидротехн. стр-во, 1983, № 7, с. 30-32.

20. Маменко Г. К. Камская плотина на р. Каме.- В сб.: Геология и плотины. Т. 5, М.: Недра, 1967, с. 9-39.

21. Митчел Э. Р., Уэйт Р. Метод конечных элементов для уравнений с частными производными. М.: Мир, 1981. 216 с.

22. Мур Д. Противофильтрационные мероприятия на плотине Коуанс-Форд.- Гражд. стр-во, 1965, № 6, с. 11-16.

23. Семенов В. В., Ухов С. Б., Шеварина Н. Н. Расчет напорной фильтрации в основании гидротехнических сооружений методом конечных элементов. Тр. МИСИ, № 140, Вопросы механики грунтов оснований и фундаментов, М.: 1977, с. 150-160.

24. Сергеев В. И., Воронкевич С. Д., Абрамова Т. Т. Влияние поровых вод на параметры инъекцируемого раствора и физико-механические свойства искусственно закрепленных грунтов.- В кн.: Влияние поровых вод на физико-механические свойства пород. Киев: Наук, думка, 1974, с. 263-269.

25. Сергеев В. И., Емельянов С. Н. Некоторые особенности закрепления скальных грунтов основания Камской ГЭС.- Инж. геология, 1980, № 1, с. 113-117.

26. Liu Jiacai et al. Polyurethane grouting in hydraulic enginering.- Grouting in Geo-technical Engineering, New York, 1982, p. 403-417.