Лаборатория геологии техногенных процессов
Воронкевич С.Д., Максимович Н.Г., Коломенский Е.Н., Шишлачева В.Н. Основные закономерности постинъекционного взаимодействия силикатных растворов с подземными водами // Инженерная геология.-1985.-N2.-С.42-54.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОСТИНЪЕКЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИЛИКАТНЫХ РАСТВОРОВ С ПОДЗЕМНЫМИ ВОДАМИ
ВОРОНКЕВИЧ С. Д., МАКСИМОВИЧ Н. Г., КОЛОМЕНСКИЙ Е. Н., ШИШЛАЧЕВА В. Н.
Введение. Задачи исследования
Строительство современных гидроузлов на скальных основаниях требует особого внимания к вопросам надежности сооружений, что во многом достигается эффективным снижением проницаемости пород основания. Наибольшие трудности встречаются при создании противофильтрационных завес в скальных грунтах осадочного происхождения. Наличие в разрезе осадочных комплексов растворимых компонентов, требующее максимального снижения скорости фильтрации вод, а также низкая сопротивляемость отдельных типов осадочных пород гидравлическому разрыву определяют необходимость применения в таких условиях химических гелеобразующих растворов для эффективного уплотнения или доуплотнения пород при создании противофильтрационных завес.
В настоящее время наиболее успешно используются растворы на основе технического силиката натрия (жидкого стекла). Инъекция гелеобразующих веществ приводит к тому, что в закрепляемом массиве начинают протекать различные физико-химические процессы [17], вызванные, с одной стороны, высокой физико-химической активностью инъекционных материалов, благодаря которой и достигается эффект закрепления. С другой стороны, химическому закреплению, как правило, подвергаются активные в химическом отношении породы. Подземные воды, развитые в таких породах, обладают значительной минерализацией.
Процессы, происходящие при взаимодействии инъецируемых растворов, их компонентов и продуктов искусственной цементации с твердой, жидкой и газообразной составляющими грунта после окончания инъекции изменяющие его физико-механические и фильтрационные свойства, предлагается называть постинъекционными. Изучение постинъекционных процессов, выявление их масштабов позволит дать оценку конечных результатов закрепления. Необходимость учета подобных процессов обоснована Е. М. Сергеевым в 1963 г. [23].
По механизму действия можно выделить три основные группы постинъекционных процессов: процессы, вызванные разбавлением (гидродинамической дисперсией) растворов подземными водами; процессы, вызванные диффузией, которые ведут к установлению внутри фаз равновесного распределения концентраций; процессы, связанные с химическим и физико-химическим взаимодействием техногенных продуктов с породами и подземными водами.
В данной работе будут рассмотрены вопросы, касающиеся физико-химических процессов, происходящих при разбавлении раствора минерализованными подземными водами.
При использовании силикатных растворов в закрепленном массиве возникает аномалия техногенно-геохимического происхождения. Подобные обстановки имеют место в природных условиях. Именно в таких щелочных условиях осуществляется большая часть превращений кремнезема и глинозема. Поэтому при изучении механизма развития длительно действующих постинъекционных процессов, а также для их прогнозирования можно извлечь полезную информацию из рассмотрения природных процессов.
В зоне гипергенеза протекают разнообразные процессы, сопровождающиеся миграцией кремнезема. Встречаются два основных вида окремнения. Первый из них близок к явлениям выветривания и почвообразования и развивается в условиях тропического и субтропического климата. Второй тип — окремнение осадков — проявляется либо на ранних этапах диагенеза, либо позже при преобразовании их в породы. Одним из наиболее распространенных эпигенетических процессов, который сопровождается окремнением пород, является содовый процесс. Образование содовых вод в конкретных обстановках зоны гипергенеза может быть обусловлено различными причинами [6, 15, 21]. Осаждение кремнезема из растворов щелочных содовых вод происходит в результате уменьшения их щелочности на кислом барьере. Одной из широко распространенных причин регионального подкисления среды в условиях зоны гипергенеза является растворение в поровых водах углекислого газа.
Хемогенное формирование кремнезема в морских осадках обусловлено, по мнению большинства исследователей, участием в этом процессе компонентов, способствующих извлечению SiO2 из раствора. Благоприятными условиями для химического осаждения кремнезема при слиянии речных и морских вод (по мнению Ю. П. Казанского [14]) служит присутствие в растворах окислов алюминия, железа, марганца и др.; содержание в морской воде хлоридов кальция и магния; присутствие минералов группы монтмориллонита. Совместная миграция кремнезема, глинозема и катионов может привести к формированию глинистых минералов, а в некоторых случаях и цеолитов. В более глубоководных частях морского бассейна хемогенное формирование кремнистых пород чаще всего связывают с деятельностью термальных источников, богатых кремнеземом. Часть SiO2 осаждается в местах выхода гейзеров на дне бассейна, а какое-то количество накапливается в придонной воде, выпадая в виде ила.
Имеются многочисленные указания на коагуляцию геля кремнезема вокруг участков с низким значением рН на начальной стадии сингенеза [2, 9].
Исходя из природных закономерностей миграции и аккумуляции кремнезема, можно сформулировать некоторые общие положения, важные при изучении постинъекционных процессов.
1. При уменьшении щелочности среды наблюдается осаждение кремнезема. По данным многих исследователей, этот процесс осуществляется через гелеобразную фазу.
2. При взаимодействии природных щелочных обстановок с кальций- и магнийсодержащими водами наблюдается осаждение кремнезема.
3. Указанные процессы приводят к изменению геохимической обстановки, основные физико-химические параметры которой обеспечивают стабильное существование новообразований. Общая направленность химических изменений способствует переходу менее стабильных условий существования кремнезема в более стабильные.
При применении силикатных растворов для закрепления пород наряду с общими закономерностями, в поведении кремния в зоне гипергенеза выявляются и специфические особенности, которые связаны, во-первых, с более интенсивным поступлением вещества в закрепляемый массив из локальных источников (точечных или линейных), во-вторых, с большой контрастностью формирующейся техногенной обстановки по отношению к окружающей геологической среде.
Как показали выполненные ранее исследования [4], в ходе инъекционного процесса благодаря явлению гидродинамической дисперсии происходит постоянное смешивание вводимых в поровое и трещинное пространство гелеобразующих растворов с подземными водами. Разбавление инъекционного раствора существенно изменяет его свойства, что вызвано двумя основными факторами: уменьшением концентрации раствора и взаимодействием его компонентов с породами и подземными водами. Это приводит к образованию техногенных флюидов в виде смесей с различными соотношениями инъекционных растворов и природных вод. Формирование состава и свойств подобных систем при разбавлении силикатных гелеобразующих растворов, а также характер и интенсивность физико-химических процессов в них существенно зависят (при прочих равных условиях) от химической природы и концентрации солей, растворенных в разбавителе [22, 25].
Изменение свойств раствора вследствие гидродинамической дисперсии может привести к потере его закрепляющих качеств. При разбавлении растворов происходит увеличение времени гелеобразования. При больших разбавлениях гели не образуются вообще. Разбавление раствора высокоминерализованными водами вызывает преждевременную коагуляцию золя с образованием хлопьев, что затрудняет дальнейшее распространение раствора в глубь массива. Формирующиеся разбавленные растворы, содержащие химически активные компоненты, могут воздействовать на породы за пределами закрепленного массива и изменять, их свойства и, следовательно, влиять на устойчивость сооружения, а также служить источником загрязнения окружающей среды. Сказанное выше показывает необходимость изучения и учета процессов, происходящих при разбавлении инъекционных гелеобразующих растворов подземными водами.
Значительный опыт по применению силикатных тампонажных растворов в трещиноватых породах накоплен в результате исследований и практических работ, проведенных Московским университетом и институтом Гидроспецпроект Минэнерго СССР по доуплотнению цементационной завесы в основании Камской ГЭС (г. Пермь) с использованием щавелевоалюмосиликатного (ЩАС) тампонажного раствора, разработанного в проблемной лаборатории Геологического факультета МГУ [5].
Одной из основных проблем в области инъекционного закрепления пород является изучение механизма физико-химических процессов и оценка развития во времени условий и эффективности тампонирования пород в новой техногенно-геохимической обстановке. В связи с этим для Камской ГЭС было проведено исследование, направленное на решение следующих задач: изучение влияния разбавления ЩАС золя растворами различного состава и концентрации на процесс гелеобразования; исследование состава и микростроения алюмосиликатных гелей, формирующихся в результате разбавления; исследование закономерностей; изменения состава природных вод под воздействием техногенных продуктов в зоне инъекции.
Для решения поставленных задач был проведен анализ изменения состава подземных вод непосредственно в зоне инъекции, а также выполнен комплекс лабораторных исследований.
Инженерно-геологические условия участка завесы и результаты натурных наблюдений
Рис. 1. Схематический гидрохимический профиль вдоль оси завесы до начала ее химического доуплотнения (1974 г.): 1 — песчаники, аргиллиты и алевролиты (шешминский горизонт); 2 — известняки; 3 — доломиты; 4 — мергели (2—4 — Соликамский горизонт); минерализация подземных вод, г/л: 5 — <1; 6 — 1—5; 7 — 5—10, 8 — >10; 9 — сумма содержания ионов кальция и магния, мг-экв/л; 10 — пьезометр и его номер
Камская ГЭС с напором 21 м построена в 1954 г. в районе развития пермских отложений. В зону влияния ГЭС входят сульфатно-карбонатные породы соликамского горизонта мощностью около 40 м, перекрытые сверху терригенными отложениями шешминского горизонта мощностью 5—10 м. Сульфатно-карбонатные породы содержат до 35 гипса (вес. %). Ниже залегает толща ангидритов иренского горизонта. Инъекционные работы проводились в пределах двух водоносных горизонтов: шешминского и верхнесоликамского. В шешминском водоносном горизонте преобладают сульфатно-кальциевые и сульфатно-натриевые воды с минерализацией 0,3—7 г/л (рис. 1). Для верхнесоликамского водоносного горизонта характерны сульфатные и хлоридные воды с минерализацией 1,3—70 г/л [18]. В естественных условиях на участке створа плотины условия для растворения гипса отсутствовали, так как происходила разгрузка высокоминерализованных подземных вод из нижележащих водоносных горизонтов в долину реки [20].
Учитывая возможность растворения гипса в основании ГЭС при изменении гидрогеологических условий, проектом был предусмотрен ряд противофильтрационных мероприятий, которые включают многорядную цементационную завесу. При создании завесы удалось снизить удельное водопоглощение до 0,1—0,05 л/мин. Гашение напора на завесе для большей ее части составляло 0—15% вместо 27 по проекту и со временем уменьшалось [1]. По данным режимных гидрохимических и гидродинамических наблюдений отмечено появление признаков выщелачивания гипса.
Для повышения плотности цементационной завесы был разработан химический гелеобразующий ЩАС раствор, обладающий начальной вязкостью, близкой к вязкости воды. Раствор готовится из двух составляющих: силиката натрия (жидкого стекла) плотностью 1,19 г/см3 и комплексного отвердителя, представляющего собой водный раствор сернокислого алюминия (50 г/л) и щавелевой кислоты (50 г/л). Нагнетание раствора в тело цементационной завесы производилось из инъекционных скважин, пройденных в один ряд из цементационной потерны. Длина фронтального участка завесы составляет 465 м. Расстояние между скважинами 1,5 м, их глубина 26 м. Скважины обрабатывались четырьмя очередями путем поэтапного снижения расстояний между ними до проектного. Инъекция проводилась нисходящими зонами мощностью 3—7 м. Выполнены также две боковые завесы длиной около 100 м каждая. Плотность завесы определялась гидроопробованием в контрольных скважинах. Благодаря высокой проникающей способности раствора получен существенный тампонажный эффект. Удельное водопоглощение на завесе в основном не превышает 0,005 л/мин, а на некоторых участках снизилось до нулевых значений.
Таблица 1 Изменение среднего значения водородного показателя подземных вод в результате инъекции
Для контроля за растворением гипсоносных пород на ГЭС создана, обширная пьезометрическая сеть, позволяющая вести режимные гидрохимические наблюдения. В цементационной потерне расположены пьезометры, пройденные под углом в обе стороны к плоскости противофильтрационной завесы. Находящиеся непосредственно в зоне ведения инъекционных работ эти пьезометры дают возможность проследить изменение химического состава подземных вод. Химический анализ, проведенный службой наблюдения Камской ГЭС, показал, что в пробах воды, отобранных через 2—3 года после инъекции, отсутствуют такие техногенные компоненты, как силикат и оксалат натрия.
Рис. 2. Изменение катионного состава и рН подземных вод шешминского водоносного горизонта в результате инъекции ЩАС раствора по данным пьезометров: а — 111; б — 161 (отбор проб трубкой); концентрация (С) катионов в воде, мг-экв/л: 1 — кальций; 2 — магний; 3 — натрий; 4 — год проведения инъекции
Рис. 3. Изменение катионного состава и рН подземных вод верхнесоликамского водоносного горизонта в результате инъекции ЩАС раствора по данным пьезометров: а — 125; б — 112 (отбор проб сливом); Усл. обозначения см. рис. 2
Анализ данных показывает, что после инъекции ЩАС раствора произошли некоторые изменения химического состава подземных вод. Высокие значения рН инъекционного раствора (~11,2) вызывают изменение водородного показателя подземных вод. В доинъекционный период воды характеризовались средними значениями рН (от 3,3 до 9,1) при преобладании слабощелочных вод (табл. 1). В год проведения инъекции значение рН возросло, например, в пьезометре 256, расположенном перед завесой, с 7,7 до 9,3, в пьезометре 124, расположенном после завесы, с 7,5 до 10,5. Через 2—3 года после инъекции среднее значение водородного показателя во всех пьезометрах, находящихся за завесой, колебалось в пределах 7,2—7,9, т. е. кислые воды сменились на слабощелочные, и в то же время произошло снижение щелочности вод, имевших значения водородного показателя больше 8,0. Следует отметить, что после создания завесы разброс значений рН по годам уменьшился.
Непосредственно после завершения инъекций наблюдалось снижение концентрации кальция и магния (рис. 2, 3). Этот эффект проявляется как для вод шешминского водоносного горизонта с низкой минерализацией, так и для более высокоминерализованных вод верхнесоликамского горизонта. Снижение концентрации магния происходит интенсивнее, чем кальция. Для натрия и анионов, входящих в состав подземных вод, определенной зависимости не прослеживается.
Исследование физико-химических процессов при гелеобразовании в разбавляемых ЩАС золях
Для исследования закономерностей изменения состава природных вод при совмещении с техногенными продуктами готовились растворы путем смешивания золя и ЩАС раствора с подземными водами и растворами различных солей и изучалась динамика изменения химического состава этих смесей во времени.
Золь готовился в соответствии с рецептурой, применяемой для инъекции в основании Камской ГЭС. Время гелеобразования 1,5 ч достигалось при соотношении силиката натрия и отвердителя 100:42. Для разбавления золя применялись следующие растворы: 1) растворы индивидуальных солей с концентрацией, г/л: CaSO4 2,27, MgSO4 1,5, MgCl2 1,19, NaCl 8,78; 2) вода из скважин 118, 2256, 248 основания Камской ГЭС различного состава с содержанием соответственно, г/л: Са2+ 1,17; 0,23; 0,42; Mg2+ 0,85; 0,04; 0,20; Na+ 9,81; 0,41; 1,04; Сl- 13,4; 0,24; 0,38; SO42- 8,42; 1,44; 3,26; НСО3- 0,01; 0,17; 0,17; CO32- 0,02; 0, 0; 3) дистиллированная вода.
Количество добавляемого в растворы золя составляло 5, 10, 20, 30, 50, 75% общего объема раствора. При большем количестве золя в растворе быстро происходило образование геля. Смеси объемом 0,5 л помещались в герметично закрывающиеся колбы для исключения взаимодействия щелочи раствора с углекислым газом воздуха. Через определенное время (от 1 ч до 6 мес.) растворы анализировались. Рассмотрим изменения, происходящие в смесях.
Золь — дистиллированная вода. Разбавление золя существенно влияет на время гелеобразования. При разбавлении 3:1, 1:1, 1:2,3 время гелеобразования составляет соответственно 3,3 ч, 1 сут и 12 сут. При разбавлении 1:4 и более объемный гель вообще не образуется, а происходит помутнение раствора и выпадение небольшого количества хлопьев (менее 1% объема за время опыта). Изучение хлопьев из смеси с разбавлением 1:4 на просвечивающем электронном микроскопе показало, что первоначально в растворе выпадают относительно небольшие частицы, которые образуют рыхлые агрегаты со сквозными отверстиями. Дальнейшая коагуляция мелких частиц приводит к образованию плотных агрегатов округой формы. Концентрация силикат-иона и оксалат-иона на протяжении всего опыта практически не меняется.
Таблица 2 Время гелеобразования (мин) в различных смесях при соотношении золя и разбавителя 3:1
Таблица 3 Изменение во времени химического состава смесей ЩАС золя с растворами солей
Золь — раствор NaCl. Время гелеобразования в этих смесях меньше, чем при разбавлении золя дистиллированной водой (табл. 2).
Золь — раствор CaSO4. При смешивании в растворе наблюдается выпадение хлопьевидного осадка, который затем переходит в объемный гель. Так, при разбавлении 1:4 спустя месяц объем геля составил 20% объема раствора. Наличие в растворе катиона кальция приводит к значительному снижению концентрации SiO2, C2O42- что можно объяснить их взаимодействием с образованием твердой фазы. При низких исходных концентрациях кальция он не обнаруживается в растворе уже через 1 ч после начала опыта (табл. 3).
Таблица 4 Изменение во времени химического состава смесей ЩАС золя с водами верхнесолекамского горизонта
Золь — раствор MgSO4, золь — раствор MgCl2. Особенности процессов, происходящих в этих системах, вызваны наличием ионов магния в смесях. Этот ион, как и кальций, довольно быстро исчезает из раствора, при этом снижается концентрация SiO2 и в меньшей степени оксалат-иона (табл. 3).
Золь — вода из скважин 225б, 248, 118. В этих смесях также происходит уменьшение во времени как компонентов золя, так и ионов кальция и магния, причем с увеличением минерализации разбавителя этот процесс протекает интенсивнее (табл. 4). Время гелеобразования при разбавлении золя водой из скв. 118, имеющей самую высокую минерализацию, значительно меньше, чем при разбавлении другими электролитами, и меньше, чем у неразбавленного золя (табл. 2). При смешивании природных вод и золя при всех соотношениях выпадает хлопьевидный осадок. Наибольшее его количество (80% от объема) образовалось в опыте с водой из скв. 118 при соотношении 1:9. С течением времени в колбах образуется объемный гель, нижняя часть которого включает в себя хлопьевидный осадок.
Проведенные исследования показывают, что на процесс гелеобразования существенное влияние оказывают состав и концентрация электролита, которым разбавляется золь. Общей тенденцией в изученных смесях будет взаимное уменьшение концентраций как кальция и магния — компонентов разбавителя, так и компонентов золя — SiO2, C2O42-.
При смешивании ЩАС золя с растворами, содержащими кальций, следовало бы ожидать его мгновенное взаимодействие с щавелевой кислотой отвердителя с образованием труднорастворимого оксалата кальция. Однако, как показали исследования, в растворах довольно значительное время содержатся оксалат-ион и ион кальция (табл. 3, 4). Это обстоятельство обусловлено тем, что оксалат-группа, склонная к образованию комплексных соединений [12], образует с алюминием прочный растворимый оксалатный комплекс Аl(C2O4)33-. [19]. Со временем гидролиз медленно разрушает этот комплекс, и оксалат-ион реагирует с кальцием, что ведет к взаимному снижению их концентрации. Более интенсивное снижение концентрации кальция вызвано тем, что он также взаимодействует с кремнеземом.
Состав гелей и их микростроение
Гели, образующиеся при разбавлении золя растворами электролитов, имеют специфические особенности, для выявления которых было проведено изучение их состава и структуры.
Состав твердой фазы гелей изучался на многоканальном рентгеновском спектрометре СРМ-18. Перед анализом гели отмывались дистиллированной водой для того, чтобы в анализируемое вещество не попали компоненты интермицеллярной жидкости геля. Состав и соотношение разбавителя ЩАС раствора даны в табл. 5. Проведенные исследования показывают, что при наличии в разбавителе ионов кальция магния и они участвуют в формировании твердой фазы геля, при этом содержание одновалентных ионов натрия и калия уменьшается. Данная зависимость более выражена при больших разбавлениях золя. Ионы кальция и магния увеличивают степень мобилизации кремнезема (разбавление 1:1). Рентгенометрическое исследование показало, что все гели рентгеноаморфны независимо от состава и соотношения разбавителя. Признаки кристаллизации не обнаружены при хранении образцов в водной среде в течение 1,5 года.
Рис. 4. Микростроение гелей, полученных при разбавлении ЩАС золя различными электролитами: а — дистиллированной водой; б — хлоридом натрия; в — сульфатом кальция; г — хлоридом магния; д — водой из скв. 248; е — водой из скв. 118
Таблица 5 Химический состав твердой фазы геля
Таблица 6 Структурные характеристики гелей
Исследование структуры гелей производилось при помощи сканирующего электронного микроскопа КВИКСКАН-107. Гели, приготовленные при соотношении золя и разбавителя 1:1, замораживались жидким азотом и подвергались сублимационной сушке в вакууме. Подобная операция, по мнению Гениша [7], не нарушает структуру геля. Как показали исследования, гели имеют существенно различное микростроение в зависимости от состава разбавителя (рис. 4). Для выяснения структурных особенностей гелей был проведен количественный анализ электронно-микроскопических снимков на анализаторе структур.
Для анализа структур гелей применялась так называемая булевская схема [16]. Гель, полученный при разбавлении золя дистиллированной водой, имеет однородную по всему объему структуру, о чем свидетельствует практически полное совпадение распределения структурных элементов с булевской схемой (рис. 5, а). Некоторые отклонения функции распределения пересечения пор ( , где l — диаметр пор) от булевской схемы наблюдаются для гелей, разбавителем в которых был раствор хлористого натрия, что, очевидно, связано с дополнительным коагулирующим действием этой соли (рис. 5, б). Наиболее существенные отклонения от булевской схемы имеют гели, полученные при разбавлении золя растворами, содержащими двухвалентные ионы кальция и магния (рис. 5, в-е), что говорит о формировании более массивной структуры геля с меньшим количеством крупных пор. Отметим, что угол наклона кривой относительно горизонтальной оси, который характеризует количество пор на единицу площади, прямо пропорционален степени мобилизации кремнезема в процессе гелеобразования (рис. 5, табл. 5). Таким образом, интенсивная коагуляция приводит к образованию более массивных структур. Структурные изменения вызваны наличием в золе кальция и магния, которые активно влияют на процесс гелеобразования и входят в состав скелета геля. Гели приобретают полосчатую структуру (рис. 4, в, г, е), существенно отличную от изотропной структуры геля без добавок солей (рис. 4, а).
Результаты структурных исследований показывают, что добавление в золь различных по составу и минерализации электролитов приводит к формированию гелей с различной структурой. Таблица 6 дает представление о наиболее важных структурных особенностях гелей. Например, при разбавлении золя водой из скв. 248 происходит образование геля с ажурной, мелкопористой структурой с высокими значениями удельного периметра и закрытым характером пористости. Добавление в золь воды с высокой минерализацией (скв. 118) обусловливает формирование полосчатой крупнопористой структуры с низкими значениями удельного периметра пор, связанных между собой в систему каналов.
Рис. 5. Графики функции распределения пересечений пор  для гелей, полученных при разбавлении ЩАС золя различными электролитами: 1 — дистиллированной водой; 2 — хлоридом натрия; 3 — сульфатом кальция; 4 — хлоридом магния; 5 — водой из скв. 248; 6 — водой из скв. 118
Проведенные исследования показывают, что при смешивании инъекционного раствора и подземных вод на гелеобразование действуют два фактора, один из которых замедляет, другой — ускоряет этот процесс. К первому фактору относится разбавление золя, т. е. уменьшение концентрации реагирующих растворов, в результате чего резко увеличивается время гелеобразования. Это ведет к снижению прочности формирующихся гелей [5], а при больших разбавлениях они не образуются вообще. Второй фактор — коагулирующая способность катионов. Основными коагуляторами ЩАС золя являются двухвалентные катионы кальция и магния подземных вод. Кроме коагулирующего действия эти катионы при взаимодействии с силикатом в щелочных условиях способствуют формированию адсорбционно-конденсационных новообразований. Подобные соединения — кальцийсиликатные, магнийсиликатные и магний-алюмосиликатные гели — получены и исследованы рядом авторов [8, 13, 24]. Такие гели в щелочных средах с увеличением в них содержания алюминия, магния и кальция становятся более химически устойчивыми и, следовательно, более долговечными [10]. Гели в диапазоне исследованных концентраций рентгеноаморфны. Однако гель при увеличении содержания алюминия обнаруживает признаки кристалличности [11]. Наличие в золе катионов кальция и магния приводит к тому, что в процессе гелеобразования происходит формирование упорядоченных структур.
Таким образом, на основании полученных результатов установлено, что поведение кремнезема в исследованных техногенно-геохимических условиях подчиняется закономерностям, которые выявлены при изучении природных обстановок. Это еще раз подтверждает целесообразность геохимического подхода при изучении постинъекционных процессов и явлений [З].
Выводы
1. При больших разбавлениях ЩАС раствора не наблюдается образования геля кремнезема, и в связи с этим часть компонентов раствора распространяется в окружающую среду; повышение выхода щелочи за счет гидролиза при разбавлении обусловливает некоторое увеличение значений рН в районе завесы в первый период постинъекционной стадии.
2. При меньших разбавлениях в результате взаимодействия с подземными водами образуется дополнительное количество геля, увеличивающее тампонажный эффект исследованного раствора. Состав и структура этого геля в существенной мере контролируются ионами кальция и магния подземных вод, входящими в его скелет.
3. Химический состав подземных вод в районе завесы не претерпевает существенных изменений под влиянием рассмотренного типа техногенного воздействия. Некоторое уменьшение содержания кальция и магния в составе подземных вод наблюдалось только непосредственно после окончания инъекционных работ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Боряев Ф. И., Голубниченко П. Г., Южаков В. С. Из опыта эксплуатации сооружений Камской ГЭС.-Гидротехн. стр-во, 1970, № 1, с. 5-9.
2. Бушинский Г. И. Литология меловых отложений Днепровско-Донецкой впадины.-
Тр. ИГН АН СССР, 1954, вып. 156, с. 305.
3. Воронкевич С. Д. Геолого-минералогические основы инъекционного закрепления пород: Автореф. дис. на соискание уч. ст. докт. геол.-минерал. наук. М.: МГУ, 1976. 44 с.
4. Воронкевич С. Д., Сергеев В. И. Изменение физических свойств гелеобразующих растворов при инъекции.-Гидротехн. стр-во, 1975, № 4, с. 26-28.
5. Воронкевич С. Д., Евдокимова Л. А., Сергеев В. И. Теоретические основы и результаты внедрения способа химического тампонирования полускальных и скальных пород.- В кн.: Вопросы инженерной геологии и грунтоведения. Вып. 4. М.:
МГУ, 1978, с. 199-209.
6. Гедройц К. К. Почвенные коллоиды и поглотительная способность почв. Избр. соч. Т. 1. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 559 с.
7. Гениш Г. Выращивание кристаллов в гелях. М.: Мир, 1973. 113 с.
8. Данилова Н. А. Исследование связи между активностью, структурой и кислотностью магний-силикатных катализаторов.-Тр. Ин-та химии АН АзССР, т. 8, 1954, с. 38-48.
9. Депплес Э. К. Диагенез (и катагенез) песчаников.- В кн.: Диагенез и катагенез осадочных образований. М.: Мир, 1971, с. 92-120.
10. Дмитриевский Г. Е., Мартынова Л. Г., Антошенко Е. И; Лукомская 3. Т. Растворимость кремнекислоты в растворах щелочей и карбонатов натрия и калия.- Журн. прикл. химии, 1971, т. 44, № 11, с. 2381-2386.
11. Заводская В. Ф., Лукьянова О. И.. Пестунова Е. К. О двух областях гелеобразования силикатов натрия.- В кн.: Материалы VII Всесоюзного совещания по закреплению и уплотнению грунтов. Л.: Энергия, 1971, с. 174-177.
12. Зайцев Л. М. Поведение оксалатной группы в комплексных соединениях.-Журн неорган, химии, 1964, т. 9, № 10, с. 2375-2380.
13. Зульфугаров 3. Г. Влияние условий синтеза крекирующих катализаторов на их физико-химические свойства. Баку: Изд-во АН АзССР, 1957. 224 с.
14. Казанский Ю. П. Седиментология. Новосибирск: Наука, 1976. 271 с.
15. Ковда В. А. Основы учения о почвах. М.: Наука, 1973, кн. 1. 448 с; кн. 2. 468 с.
16. Коломенский Е. Н., Кофф Г. Л. О возможности палеогеографических реконструкций по результатам инженерно-геологических исследований строения грунтов.- Инж. геология, 1979, № 3, с. 44-48.
17. Максимович Н. Г., Воронкевич С. Д. Взаимодействие алюмосиликатных гелей с минерализованными водами и его инженерно-геологическое значение.- Вестн МГУ. Сер. геол., 1983, № 4, с. 78-87.
18. Момент Г. К. Камская плотина на р. Каме.-В кн.: Геология и плотины Т 5 М.: Энергия, 1967, с. 9-39.
19. Матвеева Л. А., Васильева Л. А., Неклюдова Е. А., Рождественская 3. С. Влияние почвенных органических кислот на поведение алюминия и разбавленных растворах.-В кн.: Кора выветривания. Вып. 16. М.: Наука, 1978, с. 212-229.
20. Орадовская А. Е. Разгрузка минерализованных вод как фактор защиты основания плотины от растворения.-В кн.: Научные сообщения ВОДГЕО. Гидрогеология. М.: Госстройиздат, 1962, с. 26-34.
21. Посохов Е. В. Происхождение содовых вод в природе. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 155 с.
22. Сергеев В. И., Воронкевич С. Д., Абрамова Т. Т. Влияние поровых вод на параметры инъецируемого раствора и физико-механические свойства искусственно закрепленных грунтов.- В кн.: Материалы конференции по влиянию поровых вод на физико-механические свойства пород. Киев: Наук. думка, 1974, с. 263-269.
23. Сергеев Е. М., Мельникова К. П. Идеи В. И. Вернадского о ноосфере и дальнейшее развитие инженерной геологии.-Вест. МГУ. Сер. 4, Геология, 1963, № 1, с. 43-47.
24. Соколович В. Е. Участие природной кремневой кислоты в процессах химического закрепления грунтов.- В кн.: Материалы к VI Всесоюзному совещанию по закреплению и уплотнению грунтов. М.: МГУ, 1968, с. 392-394.
25. Техническая мелиорация пород/Под ред. Воронкевича С. Д. М.: Изд-во МГУ, 1981. 342 с.
|
|
|
