Способ ликвидации протечек и повышенной фильтрации грунтовых гидротехнических сооружений Российский патент 2021 года по МПК E02B3/16 E02D31/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано в работе гидроузлов различного назначения со сложным геологическим строением оснований и бортовых примыканий, находящихся под воздействием напора, для исключения выноса цемента и вымывания цементных растворов при значительных скоростях движения воды в трещиноватых и сильнотрещиноватых породах.

Уровень техники

Известны противофильтрационные завесы в грунтах основания и береговых примыканиях, включающие использование только цементационных растворов. Такой способ эффективно применять в более благоприятных геологических условиях и при маленьких скоростях движения воды в трещинах. При неблагоприятных геологических условиях, в сильнотрещиноватых породах и значительных скоростях движения воды в трещинах, происходит вымывание цементных растворов и частичный вынос цемента, что приводит к увеличению объемов работ и увеличению сроков строительства.

Известен способ укрепления пористых материалов (патент РФ №2009325, приоритет от 09.10.1990, МПК E21D 11/00), включающий бурение инъекционных шпуров и нагнетание в них твердеющих упрочняющих составов, отличающийся тем, что, с целью повышения механической прочности и снижения водопоглощения, операцию нагнетание твердеющих упрочняющих составов проводят в две стадии, при этом сначала нагнетают состав, содержащий ацетонформальдегидную смолу, 35%-ный водный раствор едкого натра, гидроксилсодержащий олигоэфир и воду, взятых в соотношении, мас. %: ацетонформальдегидная смола 15,0 - 20,0; 35% -ный водный раствор едкого натра 1,5 - 2,0; гидроксилсодержащий олигоэфир 1,0 - 2,0; вода - остальное, а затем через 5 - 300 мин нагнетают другой состав, содержащий ацетонформальдегидную смолу, 35% -ный водный раствор едкого натра, сульфитно-дрожжевую бражку, бентонитовую глину и воду, в соотношении, мас. %: ацетонформальдегидная смола 15,0 -20,0; 35% -ный водный раствор едкого натра 1,5- 2,0; сульфитно-дрожжевая бражка 0,1 - 0,2; бентонитовая глина 6,0 - 8,0; вода - остальное.

Недостатком данного способа является его многоступенчатость, а также большая продолжительность отверждения инъектируемого состава.

Прототипом заявленного способа ликвидации протечек и повышенной фильтрации грунтовых гидротехнических сооружений является способ устранения протечек воды в подземных инженерных сооружениях (патент РФ №2473745, приоритете с 09.09.2011, МПК E02D 31/02), включающий бурение шпуров и инъектирование в них упрочняющего гидроизоляционного состава, отличающийся тем, что упрочняющий гидроизоляционный состав инъектируют в предварительно пробуренные шпуры посредством раздельной подачи в смесительный штуцер под давлением 0,2-1 МПа цементно-водной суспензии с В/Ц=1-1,5 и жидкого стекла с плотностью 1,3-1,6 г/см³ при следующим соотношении указанных смесей соответственно, мас. %: 75-90 и 10-25.

Недостатками данного технического решения, равно как и всех других известных способов устранения протечек и фильтрации, являются невозможность их использования для ликвидации протечек и повышенной фильтрации в грунтовых гидротехнических сооружениях, сооружаемых в неблагоприятных гидрогеологических условиях с противофильтрационным элементом в конструкции грунтовой плотины, включающим цементационную завесу, когда при значительных скоростях движения воды в трещинах происходит вымывание цементных растворов и частичный вынос цемента.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом заявляемого изобретения является способ ликвидации протечек и повышенной фильтрации грунтовых гидротехнических сооружений.

Технический результат достигается за счет усиления противофильтрационного контура в основаниях и бортовых примыканиях грунтовых гидротехнических сооружений в сильнотрещиноватых породах и значительных скоростях движения воды в трещинах под напором с обеспечением снижения скоростей фильтрационного потока и градиента напора и исключения вымывание цементного раствора фильтрационными потоками.

Технический результат достигается тем, что в способе ликвидации протечек и повышенной фильтрации в грунтовых гидротехнических сооружениях, включающем бурение скважин и нагнетание в них цементного раствора, согласно изобретению, осуществляют продление противофильтрационного контура плотины в глубину ее примыкания, в котором выявлена фильтрация, для чего производят бурение верхового ряда скважин, в которые нагнетают смолы, вступающие в контакт с водой, вспенивающиеся, увеличивающиеся в размерах, и застывающие в полостях и трещинах скальной породы, при этом скорость застывания регулируют с образованием смоляной завесы, после чего производят бурение скважин низового ряда, в которые осуществляют нагнетание цементного раствора, при этом фиксируют изменение водопритока из скважин при бурении, провалы бурого снаряда, характеризующие аномалии в толщине скального массива, а работы по смолизации скважин начинают непосредственно после установки тампона в зоне после промывки и нагнетание смолы в скважину производят нисходящими зонами от устья к забою скважины, причем обработку следующей зоны скважины выполняют после перерыва, необходимого для загустевания смолы и разбуривания предыдущей зоны, при этом при поглощении смолы в объемах свыше 25% от заданных значений, смолизацию прекращают и осуществляют отстой зоны, после которого повторная смолизация выполняется не ранее, чем через 1 час после выполненного нагнетания с увеличением количества смолы, при этом после выполнения смолизации во всех скважинах верхового ряда производят бурение скважин низового ряда, в которые осуществляют нагнетание цементного раствора.

Способ характеризуется наличием ряда следующих признаков, а именно

В качестве смол, нагнетаемых в верховой ряд скважин, используют быстро реагирующую полиуретановую смолу.

В качестве смол, нагнетаемых в верховой ряд скважин, используют медленно реагирующую полиуретановая смолу.

В качестве цементного раствора используют портландцемент марки не ниже «400».

Для ускорения схватывания цементного раствора используют ускорители схватывания.

Осуществление изобретения

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в первую очередь выполняются мероприятия по снижению скоростей фильтрационного потока, тем самым обеспечивается снижение градиента напора. Для этих целей применяются синтетические смолы, которые при контакте с водой, вспениваются (увеличиваются в размерах) и в короткие сроки застывают в полостях и трещинах скальной породы, при этом скорость их застывания можно регулировать. Сплошная завеса из нагнетаемой в скалу синтетической смолы, выполненная в одну или несколько очередей перед створом цементационной завесы, позволит гарантированно выполнять цементационную завесу, при этом позволяет цементному раствору равномерно заполнять трещины и пустоты, а не быть вымытому фильтрационным потоком. Таким образом, основная цель инъектирования синтетическими смолами является создание благоприятных условий для проведения работ по усилению цементационной завесы.

Заявленный способ реализуют следующим образом на примере грунтовой плотины Гоцатлинкой ГЭС, которая располагается в Республике Дагестан, в Гергебильском районе, на реке Аварское Койсу, в 30 км выше по течению от створа плотины Ирганайской ГЭС. Гоцатлинская ГЭС с грунтовой плотиной на 43 км реки и береговым двухагрегатным зданием ГЭС образует небольшое горное водохранилище суточного и недельного регулирования.

Максимальная высота плотины 69 м, отметка гребня 669,00 м, ширина по гребню 12,00 м и длинна 157,00 м.

Заложение верхового откоса упорных призм - 1:2, низового откоса 1:1,5.

В состав верховой упорной призмы входит перемычка. Заложение верхового откоса перемычки-1:2, низового откоса 1:1,5. На верховой откос укладывается суглинистый экран с заложением откоса 1:3. Экран упирается в предварительно отсыпанную поперек русла реки упорную призму из горной массы. Верховой откос в зоне переменного уровня водохранилища крепится от волновых воздействий горной массой заданного гранулометрического состава. Низовая призма заполняет пространство между средней и нижней скальной грядами. В зоне бурения скважин «стены в грунте» отсыпается песчаный материал залечивающего слоя средней шириной 3,35 м, с увеличением ширины у береговых примыканий.

Боковые призмы плотины выполнены из галечникового грунта аллювиальных русловых отложений. Грунт отсыпался послойно, слоями толщиной 1,0 м в рыхлом теле, с уплотнением тяжелыми виброкатками до плотности 2,1-2,2 т/м³.

Гидротехнические сооружения напорного фронта Гоцатлинской ГЭС располагаются в пределах развития карбонатных и терригенных пород северного крыла Гергебельской антиклинали.

Верховой откос плотины расположен между двумя грядами нижнемеловых верхнеготтеривских известняков (алевролиты и аргиллиты). Ось плотины пересекает гряду известняков среднеготтеривского возраста. Известняки раскристализованные, прочные и очень прочные с редкими прослоями песчаников и алевролитов. Низовой откос плотины опирается на северный склон гряды известняков и приурочен к терригенным породам верхнеготтеривского возраста нижнего мела. Терригенная толща представлена переслаиванием песчаников средней и малой прочности, алевролитов и аргиллитов. Пачки известняков в верховом и низовом откосах плотины имеют карстовые каверны и даже полости до 2-3 метров (в правом борту верховой упорной призмы плотины). При строительстве эти полости были заполнены суглинистым материалом. Известняки по оси плотины не кавернозны, однако имеют тектонические межпластовые трещины раскрытием до 30 мм заполненные глинкой трения.

Центральный противофильтрационный элемент тела плотины включает в себя асфальтобетонную диафрагму высотой 58,7 м и переменной толщиной от 3,20 м до 0,90 м, «стену в грунте» в аллювиальном основании, выполненную из глиноцементобетонных буросекущихся свай с отметки 610,00 м с заглублением в коренные породы на 0,5 м и трехрядную цементационную завесы в основании глубиной до 80,00 м.

Первые выходы водопроявлений на правобережном откосе отводящего канала на отметке 597 м появились в июле 2017 года, при этом суммарный фильтрационный расход воды не превышал 2,5 л/с, профильтровавшаяся вода чистая, признаков механической суффозии в местах выхода фильтрации не было зафиксировано. Увеличение расхода до 3-4 л/с зафиксировано в апреле 2018 г., до 8-9 л/с в мае-июне, до 30-40 л/с в конце июля и около 100 л/с в середине августа 2018 г. с выносом частиц грунта.

Для выявления причин и локализации фильтрационных проявлений и с целью оценки фильтрационного режима на участках сопряжения плотины Гоцатлинской ГЭС с береговыми склонами и на правобережной части отводящего канала был выполнен комплекс работ, включающий натурные исследования следующими методами: пьезометрические и геофизические.

По результатам исследований фильтрационного режима в теле плотины и на участках ее сопряжения с береговыми склонами было принято решение о усилении противофильтрационного контура плотины в глубину правобережного примыкания.

Опыт усиления цементационной завесы для ликвидации водопроявлений на отечественных гидроузлах, в частности Ирганайской ГЭС с очень схожим геологическим строением бортовых примыканий, показывает малую эффективность использования только цементных растворов. Ввиду того, что попытки усиления цементационной завесы на Ирганайской ГЭС предпринимались неоднократно, и по результатам контрольных работ проектные требования по удельному водопоглощению были достигнуты только на небольшой части цементационной завесы, можно сделать вывод о том, что в неблагоприятных гидрогеологических условиях Гоцатлинской ГЭС, при значительных скоростях движения воды в трещинах происходит вымывание цементных растворов и частичный вынос цемента.

Исходя из существующего опыта, и беря во внимание, что усиление цементационной завесы придется выполнять под напором, был сделан вывод о необходимости выполнить мероприятия по снижению скоростей фильтрационного потока, и тем самым обеспечить снижение градиента напора и исключить вымывание цементного раствора фильтрационными потоками.

Для вышеуказанных целей оптимально применение синтетических смол, вступающих в контакт с водой, вспенивающихся (увеличивающихся в размерах) и в короткие сроки застывающих в полостях и трещинах скальной породы, при этом скорость застывания можно регулировать. Противофильтрационные характеристики такого материала значительно хуже, чем у цементного камня, однако применение его может снизить скорость фильтрационного потока и позволить под защитой смоляной завесы произвести полноценное усиление цементационной завесы.

Согласно заявленному способу синтетические смолы нагнетаются в скважины верхового ряда цементационных скважин, а после, под защитой смоляной завесы, выполняется нагнетание цементного раствора в скважины низового ряда. Сплошная завеса из нагнетаемой в скалу синтетической смолы, выполненная в несколько очередей перед створом цементационной завесы, и подсекающая трещины, позволит гарантированно выполнить цементационную завесу и при этом позволит цементному раствору равномерно заполнить трещины и пустоты, а не быть вымытому фильтрационным потоком.

Технико-экономическое сопоставление вариантов по усилению противофильтрационного контура плотины Гоцатлинской ГЭС приведено в таблице 1.

Приведенное технико-экономическое сопоставление вариантов доказывает практическую осуществимость и эффективность заявленного способа ликвидации протечек и повышенной фильтрации в грунтовых гидротехнических сооружениях, возводимых в неблагоприятных гидрогеологических условиях.

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, а именно к способу ликвидации протечек и повышенной фильтрации грунтовых гидротехнических сооружений. В первую очередь выполняются мероприятия по снижению скоростей фильтрационного потока, тем самым обеспечивается снижение градиента напора. Для этих целей применяются смолы, которые при контакте с водой вспениваются, увеличиваются в размерах и в короткие сроки застывают в полостях и трещинах скальной породы. Скорость застывания смол регулируют. Сплошная завеса из нагнетаемой в скалу смолы, выполненная в одну или несколько очередей перед створом цементационной завесы, позволит гарантированно выполнять цементационную завесу, при этом позволяет цементному раствору равномерно заполнять трещины и пустоты, а не быть вымытому фильтрационным потоком. Изобретение направлено на исключение вымывания цементных растворов при значительных скоростях движения воды в трещиноватых и сильнотрещиноватых породах. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ ликвидации протечек и повышенной фильтрации в грунтовых гидротехнических сооружениях, включающий бурение скважин и нагнетание в них цементного раствора, отличающийся тем, что осуществляют продление противофильтрационного контура плотины в глубину ее примыкания, в котором выявлена фильтрация, для чего производят бурение верхового ряда скважин, в которые нагнетают смолы, вступающие в контакт с водой, вспенивающиеся, увеличивающиеся в размерах и застывающие в полостях и трещинах скальной породы, при этом скорость застывания регулируют с образованием смоляной завесы, после чего производят бурение скважин низового ряда, в которые осуществляют нагнетание цементного раствора, при этом фиксируют изменение водопритока из скважин при бурении, провалы бурого снаряда, характеризующие аномалии в толщине скального массива, а работы по смолизации скважин начинают непосредственно после установки тампона в зоне после промывки и нагнетание смолы в скважину производят нисходящими зонами от устья к забою скважины, причем обработку следующей зоны скважины выполняют после перерыва, необходимого для загустевания смолы и разбуривания предыдущей зоны, при этом при поглощении смолы в объемах свыше 25% от заданных значений, смолизацию прекращают и осуществляют отстой зоны, после которого повторная смолизация выполняется не ранее чем через 1 час после выполненного нагнетания с увеличением количества смолы, при этом после выполнения смолизации во всех скважинах верхового ряда производят бурение скважин низового ряда, в которые осуществляют нагнетание цементного раствора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве смол, нагнетаемых в верховой ряд скважин, используют быстро реагирующую полиуретановую смолу.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве смол, нагнетаемых в верховой ряд скважин, используют медленно реагирующую полиуретановую смолу.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве цементного раствора используют портландцемент марки не ниже «400».

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для ускорения схватывания цементного раствора используют ускорители схватывания.