СПОСОБ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ ДНА ВОДОЕМА
PROCEDURE FOR BASIN BOTTOM ANTI-FILTER SCREENING

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].
Недостатки известного способа заключаются 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 кв. м на дно водохранилища укладывалось зимой путем заведения полотнища через майну посредством тросов под лед.
Недостаток этого известного способа заключается в сложности работ.
2
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. В качестве микродисперсного кольматанта используют сверхтонкие (менее 0,1 мкм) оксиды кремния, кальция и алюминия, удельная площадь поверхности которых не менее 40 м/г. 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].
Недостатки этого известного способа заключаются 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 слабо уплотненном 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 намеченному месту и выпуск суспензии с поверхности водоема на его дно в заданном количестве, согласно изобретению гибкий трубопровод снабжают наконечником (стволом), который выполняют в виде жесткой трубы с выпускным соплом или группой сопел, направленных в разные стороны от оси наконечника. Суспензию подают после погружения сопел в отложения дна водоема на заданную глубину. Длина наконечника превышает глубину водоема в заданном месте дна, форма наконечника при приложении к нему осевого давления, преимущественно ударного, обеспечивает погружение сопел в отложения дна. Величина давления в гибком трубопроводе обеспечивает размыв струями суспензии отложений вокруг наконечника, взмучивание в воде отложений и смешивание их с суспензией струи в объемах, необходимых для образования в процессе отстоя противофильтрационного экрана вокруг наконечника заданной толщины. Дополнительно:
2
- в качестве микродисперсного кольматанта используют сверхтонкие (менее 0,1 мкм) оксиды кремния, кальция и алюминия, удельная площадь поверхности которых не менее 40 м/г;
- наконечник заострен, а каждое сопло, в случае относительного горизонтального дна водоема, направлено в противоположную сторону от острия наконечника под углом 82-86° к оси наконечника;
- суспензию по гибкому трубопроводу подают под давлением не менее 0,5 МПа;
- во время подачи суспензии наконечник периодически поворачивают вокруг оси на заданный угол, при этом после поворота наконечника производят дополнительное погружение сопел в отложения дна водоема;
- в холодный период года суспензию подают сквозь скважины, которые выполняют во льду на заданном одна от другой расстоянии, при этом диаметр каждой скважины обеспечивает опускание в скважину наконечника на заданную величину;
- в теплый период года суспензию подают с открытой поверхности водоема, т.е. с понтона.
На фиг.1 изображен наливной накопитель с фильтрационно-опасным участком дна, план; на фиг.2 - конструкция жесткого наконечника гибкого трубопровода и положение наконечника при подаче суспензии на дно водоема.
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, а в холодный период года практически полностью покрыта льдом 8.
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 9 водоема 7 на прилегающем к дамбе 2 фильтрационно-опасном участке 10.
2
Экранирование осуществляют в холодный период года со льда 8. 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 м/г. Эту суспензию, например, на пожарной автомашине 11 по гребню дамбы 2 доставляют к фильтрационно-опасному участку 10. Подачу суспензии к намеченному месту осуществляют под давлением по гибкому трубопроводу 12, снабженному наконечником (то же: ствол) 13, длина которого превышает глубину Н водоема 7 на этом участке 10. Этот наконечник 13 выполнен в виде металлической трубы и одним концом посредством металлической вставки 14 присоединен к гибкому трубопроводу 12, а на другом конце наконечник 13 снабжен группой выпускных сопел 15, направленных в разные стороны от оси 16 наконечника 13. Вставка 14 содержит вентиль 17 и манометр 18 с вентилем 19, а сопла 15 от механического повреждения защищены элементом 20, который имеет заостренную коническую форму и образует собой заостренный конец наконечника 13. Каждое сопло 15, их обычно четыре, направлено в противоположную сторону от острия защитного элемента 20 (то же: от острия наконечника) под углом 82-86° к оси наконечника 13.
Затем, после таких приготовлений, наконечник 13 опускают до дна 8 последовательно в скважины 21, которые выполняют во льду на заданном одна от другой расстоянии в, при этом диаметр d каждой скважины 21 обеспечивает опускание наконечника 13 в скважину 21 при необходимости до двух ручек 22. К ручкам 22 и верхнему торцу 23 прикладывают осевое давление, преимущественно ударное, до погружения сопел 15 в отложения 6 при возможности на заданную глубину h. Открытием вентиля 17 осуществляют подачу в заданном количестве суспензии к соплам 15 под давлением p=0,5-1,5 МПа. Это давление обеспечивает размыв струями суспензии 24 отложений 6 вокруг наконечника 13, взмучивание в воде этих отложений 6 и смешивание их с суспензией струи 24 в объемах, необходимых для образования в процессе отстоя вокруг наконечника 13 противофильтрационного экрана (далее: экран) 25. Во время подачи суспензии наконечник 13 периодически поворачивают вокруг оси 16 на заданный угол, а при необходимости после поворота наконечника 13 производят дополнительное погружение сопел 15 в отложения 6 дна 9 водоема 7 до заданной глубины h.
Формирование экрана 25 сопровождается послойным наложением отложений 6, обогащенных суспензией при их взмучивании из смежных скважин 21. При этом осаждение отложений 6 происходит практически полностью в первые же сутки после их взмучивания, а средняя толщина δ экрана 25 зависит от объема взмученных отложений 6 и расстояния в между скважинами 21. Этот объем отложений 6, в свою очередь, зависит от глубины h погружения сопел 15, угла α «атаки» отложений 6 струей суспензии 24 (фиг.2) и радиуса r плавного конуса размыва 26, обусловленного давлением р суспензии в наконечнике, и определяется в проекте, а затем уточняется опытным путем. При этом исходя из практики [3 и 4] весовая концентрация кольматанта в суспензии может быть принята 2-4%.
На чертежах обозначены и друге элементы накопителя и средств осуществления способа, а именно:
27 - дорога;
28 - канава;
29 - поток суспензии.
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 слабо затвердевших отложений давление 1,5 МПа суспензии в наконечнике, т.е. стволе, 13 предварительно может рассматриваться как предельное, а давление 0,5 МПа - как достаточное.
Расчеты показывают, что при в=1000 см, h=30 см, α=5° и r=250 см средняя толщина δ экрана 10 будет около 5 см.
Особенность работы созданного таким образом тонкого экрана 10 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=(Н+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 7, следовательно, и плотность отходов в экране увеличиваются, одновременно с этим увеличивается и качество экрана.
2
Возможности современной промышленности позволяют получать диоксиды кремния с удельной поверхностью 300-1000 м/г и образовывать на их основе микрогели, которые используются в бумажно-целлюлозной промышленности [5]. При определенных условиях такие гели также могут найти применение при усилении гидроизоляции водоемов различного назначения.
В теплый период года, в отличие от описанного примера, суспензию подают с открытой поверхности водоема, т.е. с понтона.
Источники
1. Патент Российской Федерации №2005841, кл. Е02В 3/16, опубл. 15.01.1994.
2. Патент Российской Федерации №2267576, кл. Е02В 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. Патент Российской Федерации №2363656, кл. С01В 33/143, опубл. 10.08.2009.