Лаборатория геологии техногенных процессов
Воронкевич С.Д., Максимович Н.Г., Емельянов С.Н. Техногенно-геохимические процессы при инъекции силикатных растворов в гипсоносные карбонатные массивы // Геохимия техногенеза: Тез. докл. 1 Всесоюз.совещ.-Иркутск,1985.-Т.2.-С.40-44. /0,3/
ТЕХНОГЕННО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ИНЪЕКЦИИ СИЛИКАТНЫХ РАСТВОРОВ В ГИПСОНОСНЫЕ КАРБАТНЫЕ МАССИВЫ
Воронкевич С.Д., Максимович Н.Г., Емельянов С.Н.
В результате техногенного воздействия на различные элементы геологической среды в верхних горизонтах литосферы и на поверхности земли формируются физические тела с более или менее определенными геометрическими очертаниями, которые могут быть охарактеризованы как техногенно-геохимические системы. Химические превращения в пределах таких систем часто приводят к изменению геохимических параметров природных сред, что обуславливает видоизменение существовавших или проявление новых физико-химических процессов и реакций. Изменение величин и соотношений геохимических параметров техногенных систем может определенным образом влиять на физико-механические и фильтрационные свойства пород, что в свою очередь может явиться причиной изменения напряженного состояния, гидродинамического и температурного режимов в пределах всей техногенной системы или отдельных её частей.
Исследование техногенно-геохимических систем и происходящих в них процессов во многих случаях затруднено из-за недостатка конкретного материала по поводу специфики поступления, трансформации и удаления вещества в пределах соответствующих искусственных тел, а также вследствие отсутствия достаточно разработанной методики изучения подобных комплексов. Одной из областей инженерно-хозяйственной деятельности, где в настоящее время остро стоит проблема оценки последствия техногенно-геохимических процессов, является физико-химическая мелиорация массивов и в частности химическое инъекционное закрепление грунтов, которое приводит к возникновению сред, характеризующихся экстремальными геохимическими параметрами. Как показала практика, процессы, протекающие после окончания инъекции (постинъекционные процессы), в ряде случаев приводят к значительным изменениям свойств закрепленных и окружающих их грунтов и тем самым влияют на эффективность их закрепления.
Исследование закрепленных массивов, на наш взгляд, должно содержать ряд элементов: схематизация постинъекциокнных условий, подбор природных геохимических аналогов режимные гидрохимические и гидродинамические наблюдения, комплексные лабораторные исследования, математическое моделирование, выявление механизма процессов количественная оценка результатов постинъекционных процессов и их прогноз. В соответствии с намеченной схемой было произведено исследование постинъекционных процессов в основании Камcкoй ГЭС.
В зону влияния Камской ГЭС входят пермские отложения; (сверху вниз) шешминский горизонт, представленный переслаивающимися аргиллитами, алевролитами, песчаниками; соликамский горизонт, сложенный карбонатными породами с содержанием гипса до 35%. Ниже залегают гипсы и ангидриты иренского горизонта, являющиеся региональным водоупором. В основании ГЭС выделяются три водоносных горизонта: шешминский, для которого характерны гидрокарбанатные, сульфатно-гидрокарбанатнне воды с минерализацией 0,4—2 г/л; верхнесоликамский с сульфатными и хлоридно-сульфатными водами (1,5—35 г/л) и нижнесоликамский, воды которого представляют собой сероводородные рассолы с минерализацией до 80 г/л.
Предусмотренная проектом цементная завеса оказалась малоэффективным мероприятием, поскольку тонкотрещиноватые породы плохо поддаются цементации. За 20 лет эффективность её уменьшилась, появились признали выщелачивания гипса. В этой ситуации было принято решение об уплотнении завесы гелеобразующим щавелевоалюмосиликатным (ЩАС) раствором. Раствор готовится на основе силиката натрия плотностью 1,19 г/см3 и отвердителя, представляющего собой раствор сернокислого алюминия (50 г/л) и щавелевой кислоты.
Существенное изменение гидродинамической обстановки после доуплотнения завесы, а также геохимических условий, вызванных использованием химически активного инъекционного раствора, сделало необходимым проведение оценки сохранности гипса и долговечности завесы в основании плотины.
Анализ инженерно-геологических условий района противофильтрационной завесы Камской ГЭС позволил, исходя из химической активности природной среды и материалов, внедренных в породы, а также типов массопереноса в массиве, выделить системы наиболее важные с точки зрения исследования постинъекционных процессов, влияющих на фильтрационные свойства пород. К таким системам относятся: инъекционный раствор — подземные воды, гель — подземные воды, гипс — постинъекционные растворы.
Изучение геохимических процессов производилось по трем основным направлениям: исследование закономерностей формирования техногенных вод, выявление их влияния на химическую устойчивость гипса, количественная оценка изменения фильтрационных параметров пород и завесы.
Для оценки влияния на гипс техногенных вод необходимо было прежде всего выяснить закономерности их формирования. После доуплотнения завесы такие воды образуются под действием трех факторов: гидродинамической дисперсии раствора в ходе инъекции, химических процессов в зоне разбавления и благодаря встречной диффузии компонентов при контакте геля с подземными водами.
На основании изучения особенностей миграции и осаждения кремнезёма в природных условиях, проведенных лабораторных работ и анализа данных натурных наблюдений выявлены химические и физико-химические закономерности формирования состава техногенных подземных вод в районе завесы.
Установлено, что щелочные кремнеземсодержащие растворы при смешивании с минерализованными подземными водами, содержащими кальций и магний, нейтрализуются, в результате чего происходит осаждение кремнезёма. Роль диффузионного выноса из геля компонентов интермицеллярной жидкости (кремнезёма, щелочи, оксалат-иона) в формировании химического состава подземных вод при наличии в них ионов кальция и магния крайне ограничена, так как эти ионы диффундируют в гель и переводит значительную часть указанных компонентов интермицеллярной жидкости в твердую фазу внутри его. Определение общего количества компонентов геля, переходящих в различные растворы показало, что, например, по сравнению с дистиллированной водой в раствор сернокислого кальция (1,4 г/л) выносится меньше кремнезема в 5,2 раза, щелочи в 12,8 раз, оксалат-иона в 40 раз. Результаты лабораторных исследований согласуются с данными многолетних натурных гидрохимических наблюдения. Техногенные компоненты не фиксируются в пробах воды уже вскоре после завершения инъекции. Вместе с тем наблюдается снижение концентрации в водах кальция и магния сразу после инъекции и медленное её восстановление, то есть эти ионы поглощаются гелем.
Таким образом, техногенные компонента неустойчивы в условиях минерализованных вод основания Камской ГЭС, вследствие чего быстро осаждаются и играют ограниченную роль в формировании их химического состава. Эти компоненты короткое время могут существовать в непосредственной близости от завесы.
В ходе лабораторных исследований химической устойчивости гипса в новых условиях установлено, что при воздействии на гипс техногенных вод, содержащих щелочь, кремнезем, оксалат-ион, на его поверхности образуются трудно растворимые химически устойчивые соединения гидросиликаты кальция переменного состава, оксалаты кальция. Эти соединения в определенной мере снижают скорость растворения. Опыты в условиях фильтрации растворов показали, что в системе гипс — постинъекционные растворы происходит заполнение пустот в гипсе указанными соединениями вследствие увеличения суммарного объёма твердой фазы в ходе химических реакций, что можно рассматривать как дополни тельное тампонирование пород.
Для оценки долговечности гелей производилось изучение процессов при контакте его с подземными водами. Установлено, что вследствие диффузии ионов кальция и магния в интермицеллярное пространство происходит хемсорбция этих ионов на поверхности скелета геля, гелеобразование интермицеллярной жидкости. При контакте тампонажных гелей с подземными водами в гелях в условиях встречной диффузии возможен рост кристаллов труднорастворимых соединений, соизмеримых с величиной раскрытия инъектируемых трещин, что позволяет говорить об их своеобразной цементации. Указанные процессы ведут к уплотнению геля, повышают его химическую устойчивость.
Анализ изменения геохимических параметров среды и возникающих при этом процессов показал, что они приводят к увеличению суммарного объёма твердой фазы в массиве. В качестве критерия суммарного результата всех процессов было выбрано изменение во времени коэффициентов фильтрации (Кф) пород. Подбор Кф производился путем обратных гидрогеологических расчетов для различных периодов времени. Для этого выполнено моделирование фильтрации на ЭВМ ЕС 1022 методом конечных элементов. В течение 4 лет после доуплотнения завесы в верхнесоликамском горизонте отмечено снижение почти в 2 раза Кф завесы и пород в зоне мощностью около 5 м за ней. Уменьшение Кф происходит вследствие рассмотренных физико-химических процессов, ведущих к тампонированию остаточных трещин в теле завесы и за её пределами.
Таким образом техногенно-геохимические процессы, возникавшие при силикатизации водонасыщенных трещиноватых гипсоносных пород, обеспечивают сохранность гипса и эффективность завесы. Наблюдается тенденция к увеличению эффективности завесы во времени. Анализ воздействия инъекционного закрепления на геохимическую обстановку в массиве и результаты, достигнутые при создании завесы в основании Камской ГЭС, позволяют рекомендовать силикатные растворы для тампонирования гипсоносных карбонатных пород.
|
|
|
