Способ противофильтрационного экранирования дна водоема

Из микродисперсного кольматанта приготавливают водно-коллоидную суспензию. Поток (29) суспензии направляют по гибкому трубопроводу (12) к намеченному месту. Гибкий трубопровод (12) снабжают наконечником (13), который выполняют в виде жесткой трубы с выпускным соплом или группой сопел (15). Сопла (15) направлены в разные стороны от оси (16) наконечника (13). Длина наконечника превышает глубину водоема (7) в заданном месте дна (9). Форма наконечника (13) при приложении к нему осевого давления обеспечивает погружение сопел (15) в отложения (6) дна водоема (9). Наконечник (13) присоединен к гибкому трубопроводу (12) посредством металлической вставки (14). Вставка (14) содержит вентиль (17) и манометр (18) с вентилем (19). Сопла (15) защищены элементом (20) от механического повреждения. Наконечник (13) опускают до дна (8) последовательно в скважины (21), которые выполняют во льду на заданном расстоянии. При этом диаметр 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 до погружения сопел (15) в отложения (6) на заданную глубину. Затем под давлением и в заданном количестве по наконечнику (13) подают суспензию. Формирование экрана (25) сопровождается послойным наложением отложений (6), обогащенных суспензией при их взмучивании из смежных скважин (21). Средняя толщина экрана (25) зависит от объема взмученных отложений (6) и расстояния между скважинами (21). Объем отложений (6) зависит от глубины погружения сопел (15), угла «атаки» отложений (6) струей суспензии (24) и радиуса плавного конуса размыва (26). Ускоряется создание экрана, повышается равномерность распределения кольматанта и плотность отложений в экране. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

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.

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 м²/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:

- в качестве микродисперсного кольматанта используют сверхтонкие (менее 0,1 мкм) оксиды кремния, кальция и алюминия, удельная площадь поверхности которых не менее 40 м²/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.

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 м²/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.

Возможности современной промышленности позволяют получать диоксиды кремния с удельной поверхностью 300-1000 м²/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.

1. Способ противофильтрационного экранирования дна водоема, включающий 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, отличающийся тем, что гибкий трубопровод снабжают наконечником, который выполняют в виде жесткой трубы с выпускным соплом или группой сопел, направленных в разные стороны от оси наконечника, а суспензию подают после погружения сопел в отложения дна водоема на заданную глубину, при этом 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, а 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве микродисперсного кольматанта используют сверхтонкие (менее 0,1 мкм) оксиды кремния, кальция и алюминия, удельная площадь поверхности которых не менее 40 м²/г.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что наконечник заострен, а каждое сопло, в случае относительно горизонтального дна водоема, направлено в противоположную сторону от острия наконечника под углом 82-86° к оси наконечника.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что суспензию по гибкому трубопроводу подают под давлением не менее 0,5 МПа.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что во время подачи суспензии наконечник периодически поворачивают вокруг оси на заданный угол.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в теплый период года суспензию подают с открытой поверхности водоема, т.е. с понтона.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что после поворота наконечника производят дополнительное погружение сопел в отложения дна водоема.