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].
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.
2
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 м на дно водохранилища укладывалось зимой путем заведения полотнища через майну посредством тросов под лед.
Недостаток этого известного способа заключается в сложности работ.
2
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 м/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:
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;
- каждый торец трубчатого длинномера снабжен выпускным соплом;
- суспензию по гибкому трубопроводу подают под давлением не менее 0,5 МПа;
- удовлетворяются условия:
тэ
гт
d≥2d и
гт
о
d≥2nd,
где
тэ
d - внутренний диаметр трубчатого длинномера;
гт
d - внутренний диаметр гибкого трубопровода;
n - число выпускных сопел в трубчатом длинномере, шт.;
о
d - 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.
2
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 м/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:
тэ
гт
d≥2d и
гт
о
d≥2nd,
тэ
где d - внутренний диаметр трубчатого длинномера;
гт
d - внутренний диаметр гибкого трубопровода;
n - число выпускных сопел в трубчатом длинномере, шт.;
о
d - 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.
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 [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.