СПОСОБ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ ДНА ВОДОЕМА Российский патент 2011 года по МПК E02B3/16 

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при противофильтрационном экранировании в зоне повышенной фильтрации дна водоема на гидроотвалах промышленных отходов, прудах различного назначения, очистных и других сооружениях без их отключения и опорожнения.

Известен способ противофильтрационного экранирования участка дна водоема, который предусматривает отсыпку слоя связного грунта на поверхность ледяного покрова в периферийной зоне водохранилища-охладителя, перемещение по воде ледяного покрова вместе со связным грунтом частями в виде ледяных карт в намеченную незамерзающую зону повышенной фильтрации водохранилища и разрушение ледяных карт естественным или искусственным образом. В результате дно водохранилища в намеченной зоне водохранилища экранируется связным грунтом, а лед при таянии интенсивно охлаждает воду [1].

Недостаток известного способа заключается в следующем:

- область использования ограничивается преимущественно водохранилищами-охладителями;

- недостаточная надежность экранирования из-за неравномерности укладки и повышенной рыхлости связного грунта;

- высокие затраты из-за использования большого количества связного грунта и сложности работ;

- связный грунт уменьшает емкость водохранилища.

Из источника [2] известно как на водоснабженческом Сытыканском гидроузле в условиях многолетнемерзлых пород в 2004 году была ликвидирована интенсивная фильтрация воды через береговую часть водохранилища путем создания посредством полимерной пленки противофильтрационного экрана. При этом пленочное полотнище площадью 6000 м² на дно водохранилища укладывалось зимой путем заведения полотнища через майну посредством тросов под лед.

Недостаток этого известного способа заключается в сложности работ.

Известен способ противофильтрационного экранирования в зоне повышенной фильтрации дна отстойного пруда накопителя жидких отходов, согласно которому из микродисперсного кольматанта приготовляют водно-коллоидную суспензию, которую выпускают вместе с хвостовой (шламовой) пульпой. При движении воды от места выпуска пульпы к водозабору происходит отложение отходов вместе с кольматантом на дно отстойного пруда. В качестве микродисперсного кольматанта используют сверхтонкие (менее 0,1 мкм) оксиды кремния, кальция и алюминия, удельная площадь поверхности которых не менее 40 м²/г [3].

Способ прост в осуществлении. Однако эффективность способа экранирования невелика из-за неравномерного распределения кольматанта по площади и толщине создаваемого экрана и фракционирования зернового состава кольматанта в процессе намыва отходов, что снижает качество экрана и ведет к непродуктивному расходованию кольматанта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ противофильтрационного экранирования в зоне повышенной фильтрации дна водоема, согласно которому из микродисперсного кольматанта приготовляют водно-коллоидную суспензию, которую по гибкому трубопроводу под давлением подают к намеченному месту и выпускают суспензию с поверхности водоема на его дно в заданном количестве. Суспензию выпускают на дно водоема в холодный период года сквозь скважины, которые выполняют во льду на расстоянии 5-15 м одна от другой, а в теплый период года - посредством плавающего гибкого трубопровода, перемещаемого по открытой поверхности водоема [3].

Недостаток этого известного способа заключается в следующем:

- длительный период времени формирования слоя-экрана (далее - экран), поскольку необходимо время для покрытия суспензии «свежими» отложениями, поэтому кольматант за это время непродуктивно рассеивается в большом объеме отложений, т.е. в чрезмерно толстом и слабоуплотненном экране;

- высокая неравномерность распределения суспензии по дну водоема, что обуславливает неравномерность распределения кольматанта в противофильтрационном экране, неравномерность толщины экрана и его прерывность;

- низкая плотность отложений в экране, что снижает противофильтрационные свойства экрана как за счет высокой водопроницаемости отложений в экране, так и за счет слабой реализации кольматантом противофильтрационных свойств в неуплотненных отложениях.

Действительно, до тех пор, пока суспензия будет находиться на поверхности дна, вовлечение кольматанта фильтрационным потоком в отложения будет затруднено. Поэтому создание экрана происходит медленно, а кольматант за это время неравномерно рассеивается в толстом экране. Это не обеспечивает возникновение в пределах образующегося экрана высоких градиентов фильтрации, следовательно, и высоких фильтрационных сил, необходимых для силового уплотнения в экране отложений. Все это снижает эффективность противофильтрационного экранирования.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности противофильтрационного экранирования. Достигаемый при этом технический результат заключается в ускорении создания экрана, в повышении равномерности распределения кольматанта в экране и в повышении плотности отложений в экране.

Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе противофильтрационного экранирования дна водоема, включающем приготовление из микродисперсного кольматанта водно-коллоидной суспензии, подачу суспензии по гибкому трубопроводу под давлением к месту выпуска суспензии на дно водоема в заданном количестве, согласно изобретению выпуск суспензии производят через трубчатый длинномер. Этот трубчатый длинномер посредством входного патрубка сопряжен средней частью с гибким трубопроводом и снабжен выпускными соплами, расположенными по длине трубчатого длинномера в одной плоскости, и загнутыми по концам пластинами, расположенными на концах трубчатого длинномера в другой плоскости и обеспечивающими скольжение трубчатого длинномера по дну водоема. В поперечном сечении трубчатого длинномера выпускные сопла образуют с входным патрубком острый угол, а плоскость, проведенная через вершину этого острого угла и параллельная плоскости пластин, делит острый угол на две части. Гибкий трубопровод снабжен средством, обеспечивающим примыкание гибкого трубопровода соосно к входному патрубку, и средством, обеспечивающим управление направлением и скоростью передвижения трубчатого длинномера по дну водоема вдоль заданной полосы. Величина давления в гибком трубопроводе обеспечивает создание заданной по величине силы, действующей на трубчатый длинномер в направлении его перемещения по дну водоема, размыв и взмучивание струями суспензии отложений и смешивание их с суспензией струй в заданных объемах. Эти объемы обеспечивают образование в процессе отстоя противофильтрационного экрана на обработанной таким образом полосе дна водоема.

Дополнительно:

- в качестве микродисперсного кольматанта используют сверхтонкие (менее 0,1 мкм) оксиды кремния, кальция и алюминия, удельная площадь поверхности которых не менее 40 м²/г;

- каждый торец трубчатого длинномера снабжен выпускным соплом;

- суспензию по гибкому трубопроводу подают под давлением не менее 0,5 МПа;

- удовлетворяются условия:

d_тэ≥2d_гт и

d_гт≥2nd_о,

где

d_тэ - внутренний диаметр трубчатого длинномера;

d_гт - внутренний диаметр гибкого трубопровода;

n - число выпускных сопел в трубчатом длинномере, шт.;

d_о - приведенный по площади поперечного сечения диаметр отверстия выпускного сопла.

На фиг.1 изображен наливной накопитель с фильтрационно-опасным участком дна, план; на фиг.2 - схема расположения оборудования при экранировании, план; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2.

Пример. Емкость пойменного наливного накопителя (далее - накопителя) 1 создана с трех сторон грунтовой дамбой 2, а с четвертой стороны - террасой 3. Мелкодисперсные промышленные отходы в накопитель 1 подают в виде пульпы со стороны террасы 3 по пульповоду 4 с выпусками 5. Особенностью накопителя является то, что он занимает относительно небольшую площадь, около 10-15 га. Поэтому твердые частицы отходов оседают и образуют отложения 6 без образования надводного пляжа, а осветленная вода образует водоем 7, поверхность которого в теплый период года открыта.

В процессе эксплуатации накопителя 1 установлено, что вследствие ужесточения природоохранных требований объем фильтрации из накопителя 1 загрязненных вод в сторону реки (река не показана), т.е. в противоположную террасе 3 сторону превысил допустимую величину. Поэтому принято решение о противофильтрационном экранировании относительно горизонтального дна 8 водоема 7 на прилегающем к дамбе 2 фильтрационно-опасном участке 9.

Экранирование осуществляют в теплый период года. Сначала по известной технологии и с использованием известных средств [3 и 4] на узле суспендирования (узел не показан) из микродисперсного кольматанта приготавливают водно-коллоидную суспензию. В качестве микродисперсного кольматанта обычно используют сверхтонкие (менее 0,1 мкм) оксиды кремния, кальция и алюминия, удельная площадь поверхности которых обычно не менее 40 м²/г. Затем эту суспензию, например, на пожарной автомашине 10 по гребню 11 дамбы 2 доставляют к фильтрационно-опасному участку 9, по гибкому трубопроводу 12 суспензию под давлением подают к намеченному месту и через трубчатый длинномер (далее - труба) 13 производят выпуск суспензии из гибкого трубопровода 12 на дно 8 водоема 7.

Эта труба 13 посредством входного патрубка 14 сопряжена средней частью с гибким трубопроводом 12 и снабжена выпускными соплами 15, расположенными по длине трубы 13 в одной плоскости, и загнутыми по концам пластинами 16, расположенными на концах трубы 13 в другой плоскости. В поперечном сечении трубы 13 выпускные сопла 15 образуют с входным патрубком 14 острый угол α, а плоскость, проведенная через вершину этого острого угла α и параллельная плоскости пластин 16, делит острый угол α на две части. При этом труба 13 соединена с понтоном 17 посредством двух жестких связей 18 и четырех плоских шарниров 19 на их концах.

Форме канала в выходном сопле 15 придают сплющенность и с расширением в плане, что повышает равномерность размыва отложений 6.

На гребне 11 дамбы 2, на продолжении продольной оси 20, намеченной к обработке суспензией полосы 21 дна 8 водоема 7, устанавливают бетонную плиту 22. На прикрепленную к плите 22 вертикальную ось 23 насаживают колесо 24, снабженное по окружности желобом для гибкого трубопровода 12 и соприкасающимися элементами трения (желоб и элементы трения не показаны). Такое колесо 24 направляет движение гибкого трубопровода 12 по продольной оси 20 полосы 21. Это обеспечивает соосное примыкание гибкого трубопровода 12 к входному патрубку 14 на трубе 13, что предотвращает кручение гибкого трубопровода 12 и передачу этого кручения на трубу 13. На эту же плиту 22 устанавливают лебедку 25 с ручным приводом, канат 26 которой скреплен с гибким трубопроводом 12 и закреплен на понтоне 17. Посредством такой лебедки 25, понтона 17, лодки сопровождения 27 и других ручных средств, например шестов, обеспечивают управление направлением и скоростью передвижения трубы 13 по дну 8 водоема 7 вдоль заданной полосы 18.

Величину давления p в гибком трубопроводе 12 обычно создают не менее 0,5 МПа. Такое давление обеспечивает создание заданной по величине силы F, действующей на трубу 13 в направлении ее перемещения по дну 8 водоема 7, размыв и взмучивание струями 28 суспензии отложений 6 и смешивание их с суспензией струй 28 в заданных объемах.

Суспензия при выходе из сопел 15 движется навстречу суспензии, движущейся по гибкому трубопроводу 12, т.е. с поворотом, близким к 180°. Поэтому воздействие суспензии на трубу 12 приближенно можно рассматривать как давление струи на изогнутую твердую пластину, а силу F приближенно можно определить по известной из курса гидравлики формуле [5]. При этом в соответствии с величиной силы F и силой, необходимой для скольжения трубы 13 по дну 8, отрицательная плавучесть трубы 13 может быть техническими средствами изменена.

Объемы смешивания назначают из условия образования в процессе отстоя на обработанной таким образом полосе 21 экрана 29 толщиною 5-8 см (фиг.3). Эти объемы смешивания задаются и рассчитываются в проекте в зависимости от местных условий. При этом на один объем суспензии обычно приходится от 3 до 6 объемов отложений 6, а концентрация кольматанта в суспензии, исходя из практики, может быть принята 2-4% [3 и 4]. При этом образование экрана 29 происходит при равномерном распределении в экране 29 кольматанта, причем без его зернового фракционирования.

Струи суспензии, выходящие из торцевых сопел 30, предотвращают образование разрывов в экране 29 между полосами 21, ширина в которых обычно равна длине трубы 13, а пластины 16 обеспечивают направленное скольжение трубы 13 по дну 8.

Размеры поперечных сечений элементов, образующих проводящих суспензию тракт, назначаются из гидравлических условий и предварительно могут быть охарактеризованы соотношениями:

d_тэ≥2d_гт и

d_гт≥2nd_о,

где d_тэ - внутренний диаметр трубчатого длинномера;

d_гт - внутренний диаметр гибкого трубопровода;

n - число выпускных сопел в трубчатом длинномере, шт.;

d_о - приведенный по площади поперечного сечения диаметр отверстия выпускного сопла.

Обработку суспензией дна 8 производят путем подачи пожарной машиной 10 суспензии под давлением по схеме «от дамбы». Возникшая вследствие работы насоса на пожарной машине 10 сила F двигает трубу 13 вместе с гибким трубопроводом 12 в направлении неподвижной вехи 31, установленной за пределами участка 9 на продолжении оси 20 полосы 21. Скорость движения трубы 13 регулируют путем торможения лебедкой 25 понтона 17, а при необходимости путем увеличения скорости движения трубы 13 посредством лодки сопровождения и других ручных средств - шестов. По мере вхождения гибкого трубопровода 12 в водоем 7 его вместе с канатом 26 оснащают поплавками, которые обычно выполняют в виде камерных шин 32 со шнурами 33 (фиг.4).

Возврат трубы 13 к дамбе 2 производят посредством лебедки 25 при отсутствии давления в гибком трубопроводе 12 и при приподнятой трубе 13 над отходами 6 (средство подъема не показано). При этом гибкий трубопровод освобождают от камерных шин 32 и каната 26 и располагают на гребне 11 дамбы 2. После чего бетонную плиту 22 вместе с колесом 24 и лебедкой 25 устанавливают на продольной оси 20 очередной полосы 21.

На чертежах обозначены и друге элементы накопителя и способа, а именно:

34 - дорога, 35 - канава, 36 - размываемый слой (отложений), 37 - манжета, l - длина полосы, δ - толщина экрана.

В современных высокопроизводительных гидромониторах, предназначенных для разрушения и смыва горных пород, давление в стволе достигает 12 МПа. Полагаем, что для размыва и взмучивания незатвердевших или слабозатвердевших отложений давление 1,0 МПа суспензии в гибком трубопроводе 12 предварительно может рассматриваться как предельное, а давление 0,5 МПа - как достаточное.

Особенность работы созданного таким образом тонкого и практически непрерывного экрана 30 заключается в следующем:

1. Экран практически сразу проявляет противофильтрационные свойства, в результате чего в таком тонком экране увеличиваются градиенты фильтрации I, которые достаточно быстро могут достичь величины I=(H+δ)/δ, где H - высота слоя воды над экраном.

Эти высокие градиенты фильтрации обуславливают высокие фильтрационные силы, которые уплотняют материал экрана и тем самым уменьшают его проницаемость, а также предотвращают дальнейшее непродуктивное рассеивание кольматанта за пределы экрана.

2. По мере дальнейшего складирования отходов уровень воды в накопителе повышается, поэтому градиенты фильтрации I, следовательно, и плотность отходов в экране увеличиваются, одновременно с этим увеличивается и качество экрана.

В настоящее изобретение могут быть внесены и другие модификации и изменения без отхода от объема изобретения. Например, можно избежать образования петли из гибкого трубопровода 12 (фиг.2) путем расположения гибкого трубопровода 12 по другую сторону колеса 24 и медленного передвижения соответственно взад-вперед пожарной машины 10. В этом случае можно обойтись без лебедки 25 и каната 26.

Возможности современной промышленности позволяют получать диоксиды кремния с удельной поверхностью 300-1000 м²/г и образовывать на их основе микрогели, которые используются в бумажно-целлюлозной промышленности [6]. При определенных условиях такие гели также могут найти применение при усилении гидроизоляции водоемов различного назначения.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2005841, кл. E02B 3/16, опубл. 15.01.1994.

2. Патент Российской Федерации №2267576, кл. E02B 3/00, опубл. 10.01.2006.

3. Зубченко Г.В. Экспресс-метод усиления гидроизоляции действующих очистных сооружений. // Цветные металлы. 2009. №7.

4. Зубченко Г.В. Усиление гидроизоляции очистных сооружений без отключения и нарушения процесса эксплуатации. // Металлург. 2005. №5.

5. Справочник по гидравлическим расчетам. Под ред. П.Г.Киселева. Изд. 5-е. М., Энергия, 1974. С.28.

6. Патент Российской Федерации №2363656, кл. C01B 33/143, опубл. 10.08.2009.

Из микродисперсного кольматанта приготавливают водно-коллоидную суспензию, которую по гибкому трубопроводу (12) под давлением подают к намеченному месту. Затем через трубчатый длинномер (13) производят выпуск суспензии в заданном количестве на дно (8) водоема (7). Трубчатый длинномер (13) посредством входного патрубка (14) через манжету (37) сопряжен средней частью с гибким трубопроводом (12). Трубчатый длинномер (13) снабжен выпускными соплами (15) и загнутыми по концам пластинами (16). Выпускные сопла (15) расположены по длине трубчатого длинномера (13). Пластины (16) на концах трубчатого длинномера (13) обеспечивают скольжение трубчатого длинномера (13) по дну (8) водоема (7). Величина давления в гибком трубопроводе (12) обеспечивает создание заданной по величине силы, действующей на трубчатый дальномер (13) в направлении его перемещения по дну (8) водоема (7), размыв и взмучивание струями суспензии (28) отложений (6). Размываемый слой (36) отложений смешивается с суспензией струй в заданных объемах. Эти объемы обеспечивают образование в процессе отстоя противофильтрационного экрана (29) на обработанной таким образом полосе дна водоема. Сокращаются сроки создания экрана, повышается равномерность распределения кольматанта в экране и плотность отложений в экране. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ противофильтрационного экранирования дна водоема, включающий приготовление из микродисперсного кольматанта водно-коллоидной суспензии, подачу суспензии по гибкому трубопроводу под давлением к месту выпуска суспензии на дно водоема в заданном количестве, отличающийся тем, что выпуск суспензии производят через трубчатый длинномер, который посредством входного патрубка сопряжен средней частью с гибким трубопроводом и снабжен выпускными соплами, расположенными по длине трубчатого длинномера в одной плоскости, и загнутыми по концам пластинами, расположенными на концах трубчатого длинномера в другой плоскости и обеспечивающими скольжение трубчатого длинномера по дну водоема, причем в поперечном сечении трубчатого длинномера выпускные сопла образуют с входным патрубком острый угол, а плоскость, проведенная через вершину этого острого угла и параллельная плоскости пластин, делит острый угол на две части, при этом гибкий трубопровод снабжен средством, обеспечивающим примыкания гибкого трубопровода соосно к входному патрубку, и средством, обеспечивающим управление направлением и скоростью передвижения трубчатого длинномера по дну водоема вдоль заданной полосы, а величина давления в гибком трубопроводе обеспечивает создание заданной по величине силы, действующей на трубчатый дальномер в направлении его перемещения по дну водоема, размыв и взмучивание струями суспензии отложений и смешивание их с суспензией струй в объемах, необходимых для образования в процессе отстоя противофильтрационного экрана на обработанной таким образом полосе дна водоема.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве микродисперсного кольматанта используют сверхтонкие (менее 0,1 мкм) оксиды кремния, кальция и алюминия, удельная площадь поверхности которых не менее 40 м²/г.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждый торец трубчатого элемента снабжен выпускным соплом.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что суспензию по гибкому трубопроводу подают под давлением не менее 0,5 МПа.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что удовлетворяются условия:
d_тэ≥2d_гт и
d_гт>2nd_o,
где d_тэ - внутренний диаметр трубчатого длинномера;
d_гт - внутренний диаметр гибкого трубопровода;
n - число выпускных сопел в трубчатом длинномере, шт.;
d_o - приведенный по площади поперечного сечения диаметр отверстия выпускного сопла.