+7 (342) 239-67-32
г. Пермь, ул. Генкеля, 4

Влияние химического инъекционного закрепления на устойчивость гипса в основании гидротехнических сооружений // Гидротехническое строительство, 1983. – № 7. – С. 30-32.

,
Одним из неблагоприятных инженерно-геологических условий ведения строительства гидротехнических сооружений может служить наличие в их основании гипса. На территории СССР суммарная площадь гипсоносных пород составляет около 5 млн. км2 [I]. Гидротехническое строительство в районах распространения гипса может создать условия для развития карста и поставить под угрозу существование сооружения. В мировой практике известны случаи, когда растворение гипса в основании плотин приводило к трагическим последствиям, например, разрушение плотины Сент-Френсис (Калифорния, США), где в результате катастрофы погибло 400 человек. В окрестностях Базеля на р. Вире растворение пластов гипса в основании привело к растрескиванию и оседанию плотины. Известны случаи потери воды из водохранилищ при небольших плотинах с гипсоносными породами — в основании плотины на р. Осе (бассейн Ангары), в штатах Оклахома и Нью-Мексико (США). Осадки наблюдались на плотинах Сан-Фернандо, Олив-Хиллз, Рэтлснейк в Калифорнии и др. Полости, образовавшиеся вследствие растворения гипса, обнаружены в основаниях плотин Хондо, Макмиллан и Редрок, а также на плотине в долине Кэверли, штат Оклахома. Гипсы залегают в основании плотин Сен-Лоран в Каталонии, Поэкос в Перу, ряда плотин в Ираке [2, З]. В ряде случаев наличие гипсоносных пород являлось причиной отказа от строительства, как, например, плотины Сен-Бом в Провансе, после вскрытия гипсоносных мергелей. Прекращены изыскания, для плотины Риан в местности Альтер Штольберг южнее Гарца, после того как выяснилось, что в зоне основания залегают гипсы.

Интенсивность растворения гипса в том случае, если фильтрационный поток способен его растворять, определяется скоростью этого потока. Одним из способов снижения скорости фильтрации в основании гидротехнического сооружения является создание противофильтрационной завесы. В скальных трещиноватых породах такие завесы создаются путем инъекции цементных и глиноцементных растворов, которые позволяют снизить удельное водопоглощение до 0,1—0,05 л/мин. Более низкие значения не удается получить ввиду того, что цементные суспензионные растворы не могут проникать в трещины с раскрытием менее 0,1 мм. Как показала практика эксплуатации Камского гидроузла, при таком остаточном удельном водопоглощении имело место выщелачивание гипса, что привело к падению процента гашения напора на цемзавесе на отдельных участках до 2—4 % при проектной величине 33 %. Проблемной лабораторией геологического факультета МГУ в связи с этим были выполнены специальные исследования. Методика и материалы этих исследований могут быть использованы и при строительстве других объектов на гипсоносных грунтах.

Гашение напора на завесе в шешминском водоносном горизонте (по данным службы наблюдений Камской ГЭС)
Секция Гашение напора, %
перед химическим уплотнением, 1973 г. после химического уплотнения, 1980 г. (работы выполнены не полностью)
I 25,4 37,2
II 5,9 23,3
III 12,5 33,2
Для повышения плотности противофильтрационных завес, выполняемых в тонкотрещиноватых гипсоносных породах, в последнее время в практику внедряются химические гелеобразующие растворы, которые обладают проникающей способностью близкой к воде. Такой раствор, называемый щавелевоалюмосиликатным, был разработан и применен коллективом проблемной лаборатории геологического факультета МГУ для доуплотнения цемзавесы в гипсоносных трещиноватых породах основания Камской ГЭС. Раствор готовится из двух составляющих-силиката натрия плотностью 1,19 г/см3 и отвердителя. Комплексный раствор представляет собой водный раствор сернокислого алюминия и щавелевой кислоты [4]. В результате использования щавелеалюмосиликатного раствора удельное водопоглошение на завесе не превышает 0,005 л/мин. Это в свою очередь привело к увеличению гашения напора на завесе (таблица).

Использование химических реагентов для инъекционных работ поставило вопрос об их воздействии на устойчивость гипса. Такое воздействие, помимо непосредственного контакта геля с породой, происходит и за пределами зоны закрепления. Последнее вызвано тем, что при инъекции химических гелеобразующих растворов периферийная часть заканчиваемого объема разбавляется водой и не образует геля. Под действием фильтрационного потока эта часть раствора сносится за пределы завесы и претерпевает дальнейшее разбавление в ходе движения, в результате чего значительная площадь поверхности породы и соответственно гипса контактирует с растворами различной степени разбавления. Кроме, этого на гипс воздействуют и компоненты инъекционного раствора, переходящие в фильтрационный поток из геля под действием процесса диффузии.

Для изучения влияния химических инъекционных растворов на устойчивость гипса была сконструирована установка (рис. 1), которая позволяет по изменению расхода через отверстие в гипсе судить о воздействии на последний исследуемой жидкости.

Рис 1

В диске из гипса (1), отобранного из керна скважин просверливалось отверстие диаметром 1 мм. Гипс помещался в специальную обойму (2), куда из сосуда Мариотта (3) при постоянном гидравлическом градиенте подавался раствор (4). Градиент контролировался манометрами Во избежание взаимодействия щелочи растворов с углекислым газом воздуха последний поступал в емкость раствором через поглотитель СO2 (6). Для измерения расхода поток раствора, профильтровавшегося через отверстие в гипсе, преобразовывался в капельный. Расходомер, состоящий из инфракрасного светодиода (7), фотодиода, счетчика импульсов (9) и самописца (10), позволяет вести автоматическое бесконтактное измерение числа капель и соответственно расхода во времени. Использование фотодатчика, работающего в инфракрасной области спектра обеспечивает устранение влияния внешнего освещения. В опытных лабораторных работах использовался щавелеалюмосиликатный раствор со степенью разбавления 1:4 до 1:100. Фильтрация велась при различных скоростях, что обеспечивалось гидравлическим градиентом 1,7 и 0,17. Также применялись дистиллированная вода и растворы силиката натрия плотностью 1,19 г/см3 различной степени разбавления, которые являются основой многих инъекционных растворов, а также служат в качестве добавок в глинистые и цементные тампонажные растворы. Характер и продукты взаимодействия растворов с гипсом изучались на электронном сканирующем микроскопе КВИКCKAH-107 и рентгеновском дифрактометре ДРОН-1,0. Материалы выполненных лабораторных исследований по определению изменения расхода во времени приведены рис. 2, 3, 4.

Рис 2 Рис. 3 Рис. 4
При фильтрации дистиллированной воды происходит растворение гипса, о чем свидетельствует интенсивное нарастание расхода во времени. Например, при градиенте 1,7 (рис. 2) за 6 ч расход увеличивается более чем в 10 раз, что соответствует увеличению диаметра с 1,0 до 2,5 мм. логичное увеличение расхода имеет место и при градиенте 0,17 за 10 ч.

Иной характер изменения расхода во времени наблюдается при фильтрации разбавленного щавелевоалюмосиликатного раствора. Прежде всего следует отметить, что во всех выполненных экспериментах при любых разбавлениях; раствора имело место снижение расхода во времени, вплоть до полного прекращения фильтрации. При небольших разбавлениях (1:4—1:40) пятидесятикратное снижение расхода наблюдалось уже через 6—1.5 суток. При большем разбавлении (1:100) интенсивность снижения расхода во времени резко возрастает и уже через 2 ч было получено десятикратное снижение. Аналогичная зависимость снижения расхода во времени наблюдалась и для растворов жидкого стекла. При фильтрации силиката натрия четырех- и десятикратного разбавления через 7 суток расход падает в 3—4 раза (рис. 4). При более высоком разбавлении (100—500 раз) фильтрация полностью прекращается через 45 минут — 3 суток. Наиболее интенсивный процесс зарастания отверстия идет при разбавлении раствора силиката натрия плотностью 1,19 г/см3 в 100 раз.

Снижение расхода при фильтрации щавелевоалюмосиликатного раствора и раствора силиката натрия происходит в результате формирования новообразований на контакте раствора с гипсом, что ведет к снижению диаметра фильтрующего отверстия.

Электронно-микроскопическое изучение каналов фильтрующих отверстий показало, что в результате взаимодействия щавелевоалюмосиликатного раствора с гипсом образуется новое вещество. Это вещество по мере удаления от отверстия становится более раскристаллизованным, что видно из рис. 5,а. Характер раскристаллизации новообразований на контакте с исходным гипсом (рис. 5,д) хорошо видно на рис. 5,б. Рентгенографическое исследование новообразований показало наличие различных модификаций оксалата кальция (по линиям с d=(6,16; 4,41; 3,68, 2,77) x10–10м), который образуется при взаимодействии гипса с оксалатом натрия. Растворимость моногидрата оксалата кальция крайне мала и составляет 3,8 10–5M при темпере 15°С. По данным рентгеноструктурного анализа кромее оксалата кальция образуются различные метастастабильные гидросиликаты кальция, также практически нерастворимые в воде. Образование оксалата кальция, а также других нерастворимых соединений предохраняет поверхность гипса от растворения [5]. Электронно-микроскопические исследования канала отверстия после фильтрации разбавленного раствора силиката натрия показали, что и в этом случае на контакте раствора с гипсом образуется близкое к аморфному слабо раскристаллизованное вещество в виде пластинок неправильной формы (рис. 5,в). Кристаллические новообразования формируются только на контакте с гипсом в зоне, не превышающей 0,01 мм (рис. 5,г). Рентгенографическое исследование показало, что новообразование представляет собой вещество типа тоберморитового геля с одной слабой линией с d=3,04×10–10 м [6]. Растворимость подобных соединений в водных растворах и щелочных средах сопоставима с растворимостью силикатного геля [7], что позволяет их рассматривать в качестве защитной пленки на поверхности гипса.

Рис 5
Выводы. 1. Разработанная методика лабораторных исследований позволяет по изменению расхода потока через отверстие в гипсе оценить влияние на его устойчивость химического состава фильтрующейся жидкости. Это дает возможность произвести подбор инъекционного раствора, состав которого не оказывает отрицательного воздействия на устойчивость гипса.

2. Установлено, что растворы, содержащие компоненты щавелевоалюмосиликатной рецептуры при взаимодействии с гипсом не только не растворяют гипс, а образуют на его поверхности весьма труднорастворимые соединения (оксалаты кальция, гидросиликаты кальция), которые можно рассматривать как пленки, предохраняющие гипс от растворения.

3. Результаты применения щавелевоалюмосиликатного раствора при доуплотнении пород основания Камской ГЭС позволяют рекомендовать данный раствор для широкого применения при создании противофильтрационных завес в тонкотрещиноватых породах, содержащих гипс.

4. Изучение новообразований, формирующихся при фильтрации щавелевоалюмосиликатного и силикатного растворов, особенно при больших разбавлениях, позволяет считать эти растворы как перспективные добавки в глинистые, глиноцементные и цементные растворы при закреплении гипсоносных пород.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Горбунова К. А. Карст гипса СССР. Пермь, 1977.
  2. James A. N.. Lupton A. R. R. Gupsum and anhydrite in foundations of hydraulic structures. — Geotechnique, 28, № 3.
  3. James A. N., Kirkpatrick I. M. Design of foundations of dams containing soluble rocks and soils. — Quart. J. Eng. GeoL, 13, №. 3, 1980.
  4. Бучацкий Г. В., Зернов Г. В., Евдокимова Л. А., Сергеев В. И., Воронкевич С. Д. Создание противофильтрационных завес с опытным применением нового химического тампонажного раствора. — Гидротехническое строительство, 1976, № 4.
  5. Николаев А. В., Фейгина Е. И. Защитное действие пленок на гипсе. — В кн.: Защитные пленки на солях. Изд. АН СССР М.-Л., 1944.
  6. Горшков В. С., Тимашев В. С., Савельев В. Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. М.:Высшая школа, 1981.
  7. Дмитриевский Г. Е., Мартынова Л. Г. и др. Растворимость кремнекислоты в растворах щелочей и карбонатов натрия и калия.-Журнал-прикладной химии, 1971, № 11, т. 44.