CC BY
24
ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2019. № 2
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2019. No. 2
УДК 627.8, 550.8.052 Б01 10.23683/0321-3005-2019-2-60-65
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ РАСТВОРЕНИЯ И ВЫНОСА ГИПСА В ОСНОВАНИЯХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
© 2019 г. Т.Н. Нурмагомедов1, Э.С. Сианисян2
1 Академия гражданской защиты МЧС России, Химки, Россия, 2Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия
ELECTROCHEMICAL METHOD OF CONTROLLING THE DISSOLUTION AND REMOVAL OF GYPSUM IN THE FOUNDATIONS OF HYDRAULIC STRUCTURES
© 2019 г. T.N. Nurmagomedov1, E.S. Sianisyan2
1Academy of Civil Defence EMERCOM of Russia, Khimki, Russia, 2Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia
Нурмагомедов Тимур Низамудинович - преподаватель, кафедра механики и инженерной графики, Академия гражданской защиты МЧС России, мкр. Новогорск, 1, г. Химки, 141435, Россия, e-mail: nurmagomedov.ti-mur@mail.ru
Сианисян Эдуард Саркисович - доктор геолого-минералогических наук, профессор, кафедра геологии нефти и газа, Институт наук о Земле, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, email: edward@sfedu.ru
Рассмотрены вопросы контроля фильтрационных процессов в гипсоносных основаниях гидротехнических сооружений. Наличие гипсоносных пород в основаниях сооружений является неблагоприятным инженерно-геологическим условием. В результате растворения и выноса солей из пород основания происходит образование пустот. Это одна из причин возникновения ЧС на гидротехническом сооружении, которая может привести к гибели людей, экономическому и экологическому ущербу. В связи с этим выполнено исследование электрохимических свойств гипсовых растворов при различных концентрациях, выбраны метод и информативный параметр для количественного анализа размыва основания гидротехнического сооружения и предупреждения ЧС. Определена зависимость между электрофизическими свойствами подземных вод, концентрацией и количественными показателями разрушения и размыва основания плотин. По результатам исследования кондуктометрический способ измерения и удельная электрическая проводимость могут быть основой для создания автоматизированной информационно-измерительной системы мониторинга ЧС в основании гидротехнических сооружений в режиме реального времени.
Timur N. Nurmagomedov - Lecturer, Department of Mechanics and Engineering Graphics, Academy Civil Defence EMERCOM of Russia, Novogorsk, 1, Khimki, 141435, Russia, e-mail: nurmagomedov.timur@mail.ru
Eduard S. Sianisyan - Doctor of Geology and Mineralogy, Professor, Department of Oil and Gas Geology, Institute of Earth Sciences, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: edward@sfedu.ru
Ключевые слова: фильтрация, гидротехническое сооружение, основание, гипс, растворение, удельная электрическая проводимость.
The article is devoted to the issue of control of filtration processes in gypsum foundations of hydraulic structures. The presence of gypsum-bearing rocks in the foundations of buildings is an unfavorable engineering-geological condition. As a result of dissolution and removal of salts from the rocks of the base, voids are formed. This is one of the causes of emergencies at the hydraulic structure, which can lead to loss of life, economic and environmental damage. In this regard, the study of the electrochemical properties of gypsum structures at different concentrations was carried out, the method and informative parameter for quantitative analysis of erosion of the foundation of the hydraulic structure and prevention of emergencies were chosen. The dependence between the electrophysical properties of subterranean waters, concentration and quantitative indicators of destruction and erosion of the dams base was determined. According to the results of the study, the conductometric method of measurement and the specific electrical conductivity parameter can be the basis for the creation of an automated information and measuring system for monitoring emergencies at the foundation of hydraulic structures in real time.
Keyword: filtration, hydraulic structure, foundation, gypsum, dissolution, electrical conductivity.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
Введение
Основным фактором нарушения устойчивости водорастворимых оснований гидротехнических сооружений (ГТС) являются растворение и вынос слагающих пород. В основаниях ГТС растворимые вещества (каменная соль, гипсы, ангидриты, известняки) встречаются в виде пластов, линз, рассеянных частиц, кристаллов, друз. В результате растворения и выноса солей из породы происходит образование пустот. Это приводит к повышению скорости фильтрации, снижению устойчивости основания, что повышает риск возникновения чрезвычайной ситуации (ЧС).
В процессе эксплуатации и осуществления контроля устойчивости ГТС важной является количественная оценка выщелачивания - интенсивность, масса вынесенной породы, объем образовавшихся пустот, границы зон вымывания пород основания и др. Количественная характеристика растворения и выноса пород, слагающих основание, зависит от свойств минералов простых солей, входящих в их состав.
Наличие гипсоносных пород в основаниях ГТС является неблагоприятным инженерно-геологическим условием. Вопрос повышения эффективности контроля за растворением гипса и предупреждения образования пустот в основаниях является актуальным.
Скорость растворения содержащегося в пласте гипса В зависит от скорости фильтрации V, гравитационных g и диффузионных й факторов среды, концентрации растворителя С, кристаллографических особенностей X и температуры Т [1]:
В = ¡(у,д,й,С,1.,Т). (1)
Зависимость между скоростью растворения и скоростью фильтрации гипса CaSO4 приведена на рис. 1.
Анализ данных рис. 1 показывает, что скорость растворения гипса возрастает с увеличением скорости фильтрации и может достигать больших величин.
Растворимость гипса CaSO4 возрастает также с повышением содержания галита NaCl или хлористого магния MgCl2 в породе или фильтруемой воде (табл. 1) [2].
Контроль за процессами растворения и выноса пород в основаниях ГТС в настоящее время осуществляется натурными наблюдениями, лабора-торно-химическим анализом, с применением средств малоглубинной геофизики. Однако эти методы не позволяют в режиме реального времени контролировать быстро меняющиеся гидродинамические и гидрогеохимические условия в основании
NATURAL SCIENCE. 2019. No. 2
плотины. Возникает необходимость разработки нового метода контроля и выбора информативного параметра для осуществления мониторинга фильтрационных процессов в основаниях ГТС.
Скорость фильтрации v, см/с
Рис. 1. Зависимость между скоростью растворения гипса CaSO4 и скоростью фильтрации [3] / Fig. 1. Dependence between the rate of dissolution of gypsum CaSO4 and the rate of filtration [3]
Таблица 1
Зависимость между содержанием NaCl, MgCh и растворимостью CaSO4 [2] / Dependence between the content of NaCl, MgCh and the solubility of CaSO4 [2]
Растворитель Растворимость гипса CaSO4, г/л Примечание
Дистиллированная вода 2 -
Вода с содержанием №а (100 г/л) 6,5 CaSO4 + 2NaCl = = Na2SO4 + CaCl2
Вода с содержанием Mga2 (200 г/л) 10 CaSO4 + MgCl2 = = MgSO4 + CaCl2
Описание требований к методу контроля фильтрации
Контроль и прогнозирование процесса растворения пород, слагающих основания зданий и сооружений, в том числе ГТС, должны быть основаны на следующих факторах [4, 5]:
- региональные геологические (минеральный состав, структурно-текстурные особенности, трещи-новатость, дисперсность и др.);
- зональные (режим, интенсивность, химический состав подземных вод);
- техногенные (режим, интенсивность, химический состав сточных вод, сбросы технических вод, утечки из коммуникаций).
Ввиду сложности и длительности процесса лабораторного контроля за выщелачиванием солей целесообразным является исследование электрохимиче-
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2019. No. 2
ских свойств (ЭХС) фильтрационных вод для выбора информативного параметра процесса вымывания пород. Это позволит:
- своевременно предупредить о возможном повышении скорости подземных вод и возникновении неконтролируемой фильтрации в основании ГТС;
- дать количественную оценку выносимого материала и объемов пустот, которые могут образоваться под плотиной в результате растворения залегающих пород.
Требования к методу измерения ЭХС жидкости в основании ГТС [6]:
1. Отсутствие пробоотбора и пробоподготовки.
2. Автоматический метод измерения.
3. Электрический выходной сигнал.
Требования к средству измерения:
1. Малые габариты и функционирование в условиях скважины.
2. Герметичность.
3. Малое электропотребление.
4. Возможность передавать выходной сигнал на расстояние более 1 км.
Описание хода и результатов исследований
В связи с необходимостью совершенствования способов контроля и прогнозирования выщелачивания гипсоносных пород в основаниях ГТС были изучены ЭХС гипсовых растворов различной концентрации кондуктометрическим способом [3, 7].
Выбор кондуктометрического метода обоснован тем, что в результате измерения получаем на выходе электрический сигнал. Выходной сигнал является функцией не только измеряемой величины, но и условий работы измерительного преобразователя, неинформативных параметров анализируемого вещества и собственных шумов измерительного прибора. Для кондуктометрии характерен широкий диапазон измерений удельной электрической проводимости (УЭП), температур и концентраций. Эти свойства позволяют использовать кондуктометри-ческий метод в задачах контроля природной среды, в том числе для мониторинга фильтрационных процессов в основаниях ГТС.
Лабораторные исследования проводились в соответствии с РД 52.24.495-2005, РД 52.24.495-2017, ГОСТ 31770-2012 и др. [7-10].
Измеряемые показатели: концентрация Сса804, удельное электрическое сопротивление (УЭС) жидкости Ях, УЭП х, рН раствора.
В качестве реактивов использовались дистиллированная вода, гипс СаБ04 2Ш0 (месторождение Новомосковское Тульской области).
В качестве средств измерений были выбраны (рис. 2) кондуктометр «Анион-4100» с диапазоном измерений х = 10-4 _ 10 См/м и погрешностью ± 2 %; рН-метр «Анион-4100» с диапазоном измерений рН = 0 ... 14 и погрешностью ± 0,04; лабораторные электронные весы Бк-6101 с ттах = 600 г, шагом измерения 0,01 г и точностью ± 0,01 г [11].
Рис. 2. Лабораторная установка / Fig. 2. Laboratory installation
Были подготовлены растворы с различным содержанием гипса. Выполнено измерение параметров, число повторений n = 5.
Результаты измерений ЭХС гипсовых растворов приведены в табл. 2, а обработки данных - в табл. 3.
Из анализа полученных данных следует, что при увеличении концентрации CaSO4 в воде снижается удельное сопротивление Rx и повышается УЭП %, рН раствора остался на уровне 6,71-6,84 (рис. 3-5).
На рис. 3 показаны зависимость удельного сопротивления R х от концентрации Ccaso4 и ее аппроксимация.
s 2,50
S О и
£ 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00
Rx = - 3264,226 / CCaSO4 +220,774
40 240 440 640 840 1040 1240 1440
CCaSO4' мг/л
Рис. 3. Зависимость Rx от концентрации Ccaso4 / Fig. 3. Dependence of Rx on Ccaso4 concentration
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2019. No. 2
Электрохимические свойства карбонатных растворов / Electrochemical properties of carbonate solutions
Таблица 2
Параметр № опыта (средние значения, n=5)
1 2 3 4 5 6 7
GCaS04, МГ/л 350 463 538 752 848 988 1279
Rx, кОм/м 2,27 1,78 1,55 1,17 1,06 0,93 0,76
УЭП х, мкСм/м 439 561 642 854 945 1078 1321
рн 6,74 6,82 6,71 6,84 6,72 6,80 6,81
Таблица 3
Аппроксимация данных эксперимента / The approximation of the experimental data
Функция Тип Уравнение Коэфс эициент Средняя ошибка аппроксимации, %
корреляции детерминации
Rx (caS04) Гиперболическая 3264,226 =--—!-+ 220,774 WCaSO4 0,8106 0,6570 2,1698
УЭП (С CaS04) Линейная х = 0'623Ccaso4 + 129,572 0,8830 0,6214 2,4459
На рис. 4 отражены зависимость УЭП % от концентрации С caso4 и ее аппроксимация.
Согласно полученным данным математическая модель исследуемого процесса может быть представлена в виде зависимости УЭП х от концентрации Сса804
х = 0,623 ^04 + +129,572. (2)
Выразим Сса8о4 через х в уравнении (2) и введем коэффициенты а и Ь, характеризующие особенности состава породы и определяемые лабораторным способом:
Оса504 = Х--. (3) Получим математическую модель количественной характеристики массы т вынесенных пород в процессе фильтрации и объема образующихся пустот Рпустот в основании ГТС в
течение времени t
dt v ma^ „ j
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
X = 0,623CCaS04 + 129,572
K,
пустот
W„-Wt p '
(4)
(5)
где W - количество вещества, кг, перешедшее в воду при ее фильтрации через сечение S, м2, за время t, с; Cmax = const - максимальная концентрация соли (гипса) в воде; р - парциальная плотность выщела-
CCaCO4' мг/л
Рис. 4. Зависимость УЭП х от концентрации С caso4 / Fig. 4. Dependence of specific electrical conductivity х on Ccaso4 concentration
дена на рис. 5.
9,00 к & 8,50
8,00 7,50 pH «6,93
7,00 0 6,50
■
6,00
5,50
5,00 40 60 80 100 120 140 160 180 200 CcaS04, мг/л
Рис. 5. Зависимость pH от концентрации Ccaso4 / Fig. 5. Dependence of pH on concentration Ccaso4
40
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2019. No. 2
Ситуация, когда ССа8о4 < Стах соответствует безопасным значениям фильтрационного расхода воды. Значения СсаБо4 ^ Стах и, соответственно, X ^ Хкрит. являются предупреждением повышения скорости фильтрации V в основании ГТС. Стах для каждой отдельной территории и ГТС определяется лабораторным методом перед настройкой информационно-измерительной системы. Показатель Хфит является основанием для проведения комплекса противофильтрационных мероприятий.
Таким образом, УЭП х может быть использована в качестве информативного параметра при мониторинге и прогнозировании фильтрационных процессов для количественного анализа размыва и разрушения основания ГТС.
Выводы
1. В результате анализа литературных источников и собственных исследований в качестве методов количественного анализа растворов гипсоносных пород был выбран электрохимический метод контроля.
2. По результатам экспериментальных исследований для контроля фильтрационных процессов в гипсосодержащих основаниях ГТС был выбран кон-дуктометрический способ измерения.
3. В качестве информативного параметра процесса вымывания пород выбрана и обоснована УЭП х, которая прямо пропорциональна концентрации гипса в растворе.
4. Получена математическая модель количественной характеристики массы т вынесенных пород в процессе фильтрации и объема образующихся пустот ^пустот в основании ГТС за время t.
5. Предложенный способ может быть успешно использован с целью контроля фильтрационных процессов в гипсоносных основаниях гидротехнических сооружений, количественного анализа размыва основания и предупреждения ЧС.
Литература
1. Баренблат Г.И., Желтое Ю.П. Об основных уравнениях фильтрации однородных жидкостей в трещиноватых породах // Докл. АН СССР. 1960. Т. 132, № 3. С. 545-548.
2. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1989. 448 с.
3. Маслое Н.Н., Науменко В.Г. Условия устойчивости напорных сооружений на загипсованных толщах // Растворение и выщелачивание горных пород : сб. ст. М.: Госстройиздат, 1957. С. 71-82.
4. Etude experimentale et modélisation numérique des transferts hydriquesTet de solute dans un milieu poreux non sature-sature // European Scientific J. 2015. Vol. 11, № 15. P. 246-259.
5. Pfannkuch Н. О. Contribution a l'etude des deplacements de fluids miscibles dans un milieu poreux. Rev. Inst. Franc. Petrole. 1963. Vol. 18, № 2.
6. Латышенко К.П., Первухин Б.С. Метрология и измерительная техника. Микропроцессорные анализаторы жидкости. М.: Юрайт, 2016. 203 с.
7. ГОСТ 22171-90. Анализаторы жидкости кон-дуктометрические лабораторные. Общие технические условия. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200024060 (дата обращения: 01.03.2019).
8. ГОСТ 31770-2012. Мед. Метод определения электропроводности. URL: http://docs.cntd.ru/document /-1200100955 (дата обращения: 01.03.2019).
9. РД 52.24.495-2005. Водородный показатель и удельная электрическая проводимость вод. Методика выполнения измерений электрометрическим методом. Ростов н/Д.: Гидрохимический ин-т, 2005. URL: http://docs.cntd.ru /document/1200044036 (дата обращения: 01.03.2019).
10. РД 52.24.495-2017. Водородный показатель вод. Методика измерений потенциометрическим методом. URL: http://docs.cntd.ru/document/556500353 (дата обращения: 01.03.2019).
11. Руководство по эксплуатации. Анализаторы жидкости лабораторные серии «Анион-4100». Новосибирск, 2013. 69 с.
References
1. Barenblat G.I., Zheltov Yu.P. Ob osnovnykh uravneniyakh fil'tratsii odnorodnykh zhidkostei v tresh-chinovatykh porodakh [On the basic filtration equations of homogeneous liquids in fractured rocks]. Dokl. AN SSSR. 1960, vol. 132, No. 3, pp. 545-548.
2. Lur'e Yu.Yu. Spravochnikpo analiticheskoi khimii [Handbook of analytical chemistry]. Moscow: Khimiya, 1989, 448 p.
3. Maslov N.N., Naumenko V.G. [Conditions of stability of pressure structures on gypsum strata]. Rastvorenie i vyshchelachivanie gornykh porod [Dissolution and leaching of rocks]. Collected Papers. Moscow: Gosstroiizdat, 1957, pp. 71-82.
4. Etude experimentale et modelisation numérique des transferts hydriquestet de solute dans un milieu poreux non sature-sature. European Scientific J. 2015, vol. 11, No. 15, pp. 246-259.
5. Pfannkuch N.O. Contribution a l'etude des deplacements de fluids miscibles dans un milieu poreux. Rev. Inst. Franc. Petrole. 1963, vol. 18, No. 2.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2019. No. 2
6. Latyshenko K.P., Pervukhin B.S. Metrologiya i izmeritel'naya tekhnika. Mikroprotsessornye analiza-tory zhidkosti [Metrology and measuring equipment. Microprocessor liquid analyzers]. Moscow: Yurait, 2016,203 p.
7. GOST 22171-90. Analizatory zhidkosti kon-duktometricheskie laboratornye. Obshchie tekhnicheskie usloviya [The conductometric analysers of liquid laboratory. General technical conditions]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200024060 (accessed 01.03.2019).
8. GOST 31770-2012. Med. Metod opredeleniya el-ektroprovodnosti [Honey. Method for determination of electrical conductivity]. Available at: http://docs.cntd.ru/docu-ment /-1200100955 (accessed 01.03.2019).
Поступила в редакцию /Received
9. RD 52.24.495-2005. Vodorodnyi pokazatel' i udel'naya elektricheskaya provodimost' vod. Metodika vy-polneniya izmerenii elektrometricheskim metodom [Hydrogen indicator and specific electrical conductivity of water. The method of measurement using electrometric method]. Rostov-on-Don: Gidrokhimicheskii in-t, 2005. Available at: http://docs.cntd.ru /document/1200044036 (accessed 01.03.2019).
10. RD 52.24.495-2017. Vodorodnyi pokazatel' vod. Metodika izmerenii potentsiometricheskim metodom [Hydrogen indicator of water. Measurement technique poten-tiometric method]. Available at: http://docs.cntd.ru/docu-ment/556500353 (accessed 01.03.2019).
11. Analizatory zhidkosti laboratornye serii «Anion 4100» ["Anion 4100" series laboratory liquid analyzers]. User Manual. Novosibirsk, 2013, 69 p.
_18 апреля 2019 г. /April 18, 2019
