Гидроизоляция и укрепление несвязных грунтов гидротехнических сооружений методом тампонажа Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Науки о земле

УДК 622.287.1

д.т.н. Полозов Ю. А.

(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР), Лазебник А. Ю.

(АФГТЛНУ им. В. Даля, г. Антрацит, ЛНР)

ГИДРОИЗОЛЯЦИЯ И УКРЕПЛЕНИЕ НЕСВЯЗНЫХ ГРУНТОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ МЕТОДОМ ТАМПОНАЖА

Приведены результаты промышленных испытаний нового метода тампонирования водопроницаемых грунтов и разуплотнённых пород на примере капитального ремонта плотины Елизаветинского водохранилища в Луганской области с использованием гладкоствольной колонны. Использование гладкоствольной колонны, обеспечивающей минимальный зазор между стенками скважины, в сочетании со структурированными глиноцементными тампонажными растворами позволяет отказаться от крепления инъекционных скважин перфорированными манжетными колоннами и применения пакерующих устройств.

Ключевые слова: водопроницаемые грунты, тампонаж, глиноцементные растворы, гладкоствольная колонна, гидроизоляция грунтов, методика расчёта параметров тампонажа.

Проблема и её связь с научными и практическими задачами. В практике эксплуатации насыпных дамб, плотин и других гидротехнических сооружений, как правило, часто возникают аварийные ситуации, связанные с увеличением фильтрации воды через них по зонам разуплотнённых грунтов и пород как в самом теле, так и в подстилающих породах. В таких случаях, во избежание аварий и дальнейшего разрушения дамб и плотин, разрабатываются мероприятия по восстановлению водонепроницаемости грунтов путём применения методов инъекции [1].

В ГОАО «Спецтампонажгеология» была разработана и внедрена в широких масштабах высокоэффективная технология защиты и предупреждения аварийных утечек воды, в т. ч. аварийных, путём сооружения проти-вофильтрационных завес и барьеров на пути их фильтрации. Весьма эффективно технология сооружения противофильтрационных завес и барьеров применялась при ремонте и реконструкции плотин и дамб водохранилищ, шламонакопителей, каналов и других гидротехнических сооружений [2].

Одним из приоритетных направлений повышения качества гидроизоляции и укрепления несвязных грунтов гидротехниче-

ских сооружений методом тампонажа является возможность создания необходимого давления нагнетания тампонажного раствора в проницаемую среду за счёт потерь напора при подъёме тампонажного раствора в зазоре между стенками скважины и бурильными трубами (в случае применения гладкоствольной колонны бурильных труб, обеспечивающей минимальный зазор).

Предложенная технология подтверждается теоретическими расчётами параметров тампонажа с целью гидроизоляции и укрепления несвязных грунтов и обеспечивает упрощение технологии нагнетания за счёт отказа от применения дорогостоящих паке-рующих устройств и манжетных колонн [2].

Необходимо подтверждение выполненных аналитических расчётов и лабораторных исследований предложенной технологии в натурных условиях.

Постановка задачи. Задачей предложенной технологии гидроизоляции и укрепления несвязных грунтов является подтверждение эффективности использования стабилизировавшегося (затвердевшего) слоя тампонажного раствора в зазоре «стенка скважины-бурильная колонна» в качестве пакерующего устройства вместо установки манжетной колонны.

Науки о земле

Изложение материала и его результаты.

Основными составляющими данной технологии устранения протоков воды через плотины и дамбы являются:

- заполнение глиноцементным раствором пустот, трещин, поровых каналов, образовавшихся в результате техногенных и суффозионных процессов;

- создание гидроизоляционного экрана в теле дамбы;

- стабилизация и укрепление разуплотнённого материала плотин, дамб, каналов и оснований гидротехнических сооружений.

В основу технологии положен принцип инъекции в разуплотнённые зоны специальных тампонажных растворов через пробуренные вертикальные и наклонно-направленные скважины. Физическая сущность процесса инъектирования тампонаж-ных растворов способом «снизу-вверх» с использованием гладкоствольной бурильной колонны заключается в следующем:

- после завершения бурения скважины на полную проектную глубину производится подъём бурового инструмента на величину нижней заходки и осуществляется нагнетание тампонажного раствора;

- первоначально глиноцементный раствор под давлением поступает в зазор между стенками скважины и бурильной колонной, поднимаясь в нём на величину, определяемую давлением нагнетания и реологическими характеристиками раствора;

- в определённый момент, когда давление нагнетания достигает критической величины, недостаточной для преодоления гидравлических сопротивлений при дальнейшей прокачке глиноцементного раствора в зазоре между стенками скважины и бурильными трубами, тампонажный раствор стабилизируется, резко увеличивая прочность структуры, и образует в зазоре пробку, работающую как пакерующее устройство;

- дальнейшее нагнетание тампонажного раствора будет происходить в режиме инъектирования в проницаемую среду и формирования вокруг скважины изоляционной завесы с размерами, определяемыми

скважностью (пустотностью) грунтов и реологическими характеристиками раствора и давлением;

- после завершения тампонирования нижележащего интервала проницаемых пород бурильная колонна приподнимается на величину следующей заходки, и нагнетание глиноцементного раствора возобновляется согласно проектным расчётам.

Аналитические расчёты необходимой величины пробки из стабилизировавшегося тампонажного раствора в зазоре между стенками скважины и бурильными трубами, способной выдержать проектное давление нагнетания, определяются по уравнению

L = 0,25 \dCKe - dmp Р-,

Рт

(1)

где L — длина пробки тампонажного раствора в зазоре между стенками скважины и бурильными трубами, м; Pн — давление тампонажного раствора. МПа; dскв — диаметр скважины, мм; dтр — наружный диаметр бурильных труб, мм; Pт — пластическая прочность глиноцементного раствора, МПа.

Основные типы тампонажных растворов, применяемых в практике ремонта гидротехнических сооружений, приведены в таблице 1. Водосливная дамба Елизаветинского водохранилища, находящаяся в эксплуатации с 1944 г., в связи с повышенными утечками воды через неё потребовала капитального ремонта. Для определения состояния тела дамбы ООО «УкрНТЭК-экогеодинамика» было выполнено бурение разведочных скважин и проведены комплексные геофизические исследования.

По результатам геофизических исследований в насыпном грунте и подстилающих породах выделены две аномальные зоны ФЗ-1 и ФЗ-2, которые обусловлены разуплотнением грунтов тела дамбы и характеризуются повышенным коэффициентом фильтрации (рис. 1).

Основным водопроводящим слоем являются насыпные грунты — суглинки и аллювиально-делювиальные отложения. Их

Науки о земле

водопроницаемость неодинакова. Коэффициент фильтрации изменяется в широких пределах от 0,05 до 0,71 м/сут (табл. 2).

Это определяет снижение поверхности зеркала грунтового потока в местах с более высокой скоростью фильтрации подземных вод. Подстилающие элювиально-делювиальные суглинки значительно менее

проницаемые, коэффициент фильтрации на порядок ниже залегающих над ними аллюви-ально-делювиальных отложений. Таким образом, элювиально-делювиальные суглинки могут рассматриваться как относительный водоупор, препятствующий перетоку воды из аллювиально-делювиальных отложений в проницаемую карбоновую толщу.

Рисунок 1 Схема расположения водопроводящих зон в теле дамбы Елизаветинского водохранилища

Таблица 1

Виды и характеристики тампонажных растворов для сооружения противофильтрационных завес

Науки о земле

Типы растворов Назначение растворов Характеристика растворов

№ Состав Плотность, р, кг/м3 Фильтрация, Кф м/с Прочность, Pm МПа

1 Глиноцементный Закладочный Гидроизоляционный Глина, Цемент, Силикат натрия 1250-1400 1*10-10 1*10-11 До 1,0

2 Глино-зольно-цементный Закладочный, Гидроизоляционный, уплотняющиий Глина, Цемент Зола-унос 1200-1450 1*10-4 1*10-6 До 1,0

3 Грунто-цементный Закрепляющий Грунт, цемент 1250-2000 1*10-4 1*10-6 До 10,0

4 Цементный Закрепляющий Цемент 1250-2000 1*10-10 До 40,0

Таблица 2

Результаты опытно-фильтрационных работ методом экспресс-откачки в контрольных скважинах

Номер скважины Место проведения Проницаемые породы Значение Кф (м/сут) Интервал, м

Скважина № 1 Примыкание поймы к правому борту Суглинки ^ 1-п) 0,051 1,7-8,0

Скважина № 2 Пойма Суглинки (^ 0,712 1,05-8,0

Скважина № 3 Центр поймы Суглинки (^ 0,107 0,42-8,0

Скважина № 4 Пойма Суглинки (^ 0,287 1,13-10,0

Водопроницаемость карбоновых отложений в основании дамбы не изучалась.

При выборе составов тампонажных растворов для изоляции фильтрационных зон в теле дамбы Елизаветинского водохранилища необходимо было учитывать, что грунты представлены переслаиванием суглинков и аллювиально-делювиальных отложений, обладающих высокой пористостью. Применение цементных растворов с различными реагентами из-за высокой водоотдачи и нестабильности не обеспечивает надлежащего проникновения их в породу. В результате вблизи стенки тампонажной скважины образуется пробка из цементных частиц, резко возрастает давление нагнетания, и процесс инвестирования прекращается.

Для изоляции несвязных грунтов был рекомендован глиноцементный раствор. Такие растворы приготавливают на основе исходного глинистого раствора с плотностью до 1200-1230 кг/м3 и содержат до 10 % сухого цемента и до 1 % структурооб-разователя [3]. Благодаря низкой водоотда-

че растворы удовлетворительно проникают в грунт, т. е. позволяют формировать вокруг нагнетательной скважины изоляционную завесу с заданными параметрами.

Минимальная величина пробки из структурированного глиноцементного раствора в зазоре между бурильными трубами 0 50 мм и стенками скважины 0 76 мм согласно данным расчётов по уравнению (1) составляет 2,5 м.

С целью повышения противофильтраци-онных и прочностных характеристик грунтов дамбы и создания гидроизоляционного экрана по внутреннему борту дамбы в зоне ФЗ-1 был запроектирован комплекс буровых и тампонажных работ, включающий:

- бурение с поверхности земли скважин малого диаметра;

- нагнетание в них тампонажного раствора.

Тампонаж разуплотнённых грунтов тела дамбы в районе выявленной ООО «УкрНТЭК-экогеодинамика» фильтрационной зоны ФЗ-1 проводился путём

Науки о земле

инъектирования глиноцементных тампонажных растворов через 11 тампонажных скважин, пробуренных с поверхности дамбы, как показано на рисунке 2.

Параметры гидроизоляционной завесы в каждой из выявленных проницаемых зон, включая размеры контура распространения тампонажного раствора вокруг скважин, количество скважин и режимов нагнетания раствора рассчитывались по технологии комплексного метода тампонажа [3]. Схемы формирования изоляционных завес приведены на рисунке 2:

I этап — бурение скважин с нечётными номерами: скв. 11, скв. 9, скв. 7, скв. 5, скв. 3, скв. 1;

II этап — бурение скважин с чётными номерами: скв. 10, скв. 8, скв. 6, скв. 4, скв. 2.

Бурение тампонажных скважин осуществлялось самоходной буровой установкой УРБ-2А2. Конструкция скважин следующая:

- интервал 0,0-4,0 м — диаметр бурения 112 мм с последующим креплением обсадными трубами диаметром 108 мм;

- интервал бурения 4,0-17,0 м — диаметр бурения 57 мм до забоя.

Формирование изоляционных завес в отдельной скважине осуществлялось по зажимной схеме способом «снизу-вверх» в интервалах глубин 16-13 м, 13-10 м, 107 м и 7-4 м. Очерёдность тампонажа скважин — согласно методу «сгущения скважин», т. е. на первом этапе через одну скважину с последующим смыканием гидроизоляционной завесы на втором этапе.

11-20 — номера тампонажных скважин 17 м — глубина скважины

Контур распространения

Рисунок 2 Схема формирования гидроизоляционной завесы в водопроводящих зонах ФЗ-1 и ФЗ-2

Нагнетание тампонажного раствора в скважины продолжалось до достижения расчётного конечного давления нагнетания, появления остаточного давления, а также в случае выхода тампонажного раствора на поверхность земли или в соседние скважины.

Приготовление и нагнетание тампонаж-ного раствора осуществлялось с использованием высокопроизводительного мобильного оборудования, включающего цемент-но-смесительные машины УС-6/30, цементировочные агрегаты УНБ-160/40. Нагнетание глиноцементного раствора производилось по новой технологической схеме с использованием гладкоствольной колонны бурильных труб. В данной схеме строго гарантированное нагнетание глиноцемент-ного раствора в каждый конкретный интервал (заходку) обеспечивалось пробкой самого раствора в зазоре между стенками скважины и бурильными трубами.

Как показывает анализ результатов там-понажных работ, при нагнетании расчётного объёма тампонажного раствора в каждый из проницаемых интервалов, исключая нижний, не наблюдалось выхода раствора через устье скважины на поверхность.

Это свидетельствует о надёжности герметизации скважины на период нагнетания раствора даже под давлением, превышающим расчётные величины в 3-5 раз и достигавшим 4-5 МПа.

При тампонаже нижнего проницаемого интервала 13-16 м по скважинам №№ 4, 5,

Библиографический список

7, 9 и 10 на начальном этапе наблюдались выходы тампонажного раствора через устье скважин. Это свидетельствует о том, что глиноцементный раствор хорошо распределяется по зазору, образуя в нём пробку до устья скважины, которая выдерживает давления, превышающие расчётные, и обеспечивает процесс инъекции грунта тела дамбы. Объём нагнетания тампонажного раствора в скважины первой очереди составил 45 м , а в скважины второй очереди — 37,5 м3. Общий объём нагнетания тампонажного раствора 82,5 м .

Выводы и направление дальнейших исследований. Использование предложенного метода нагнетания глиноцементного тампонажного раствора в практике укрепления и водоизоляции проницаемых пород и грунтов позволяет значительно повысить эффективность таких работ за счёт отказа от применения обсадных труб, манжетных колонн или пакерующих устройств.

Высокие структурно-механические свойства стабилизированного тампонажного раствора обеспечивают надёжную изоляцию зазора между стенками скважины и бурильной колонной на время нагнетания раствора под давлением, необходимым для формирования изоляционной завесы в данном конкретном интервале вокруг скважины. В то же время он не препятствует приподнятию бурового инструмента для проведения нагнетания в вышележащую заходку.

1. Адамович, А. И. Закрепление грунтов и противофильтрационные завесы [Текст] / А. И. Адамович. — М. : Энергия, 1980. — 318 с.

2. Полозов, Ю. А. ГОАО «Спецтампонажгеология» на современном этапе и новые направления развития комплексного метода тампонажа [Текст] / Ю. А. Полозов // Современные проблемы шахтного и подземного строительства. — Донецк : Норд-Пресс, 2006. — Вып. 5. — 225 с.

3. Тампонаж обводненных горных пород [Текст] : справочное пособие / Э. Я. Кипко, О. Ю. Лушникова, Ю. А. Полозов и др. — М. : Недра, 1989. — 318 с.

© Полозов Ю. А.

© Лазебник А. Ю.

Рекомендована к печати д.т.н., проф., зав. каф. СГДонГТУ Литвинским Г. Г., к.т.н., доц., зам. декана АФГТЛНУ им. В. Даля Савченко И.В.

Статья поступила в редакцию 09.10.18.

д.т.н. Полозов Ю. А. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР), Лазебшк О. Ю. (АФГТЛНУ гм. В. Даля, м. Антрацит, ЛНР)

Г1ДРО1ЗОЛЯЦ1Я I ЗМ1ЦНЕННЯ НЕЗВ'ЯЗНИХ ГРУНТ1В Г1ДРОТЕХН1ЧНИХ СПОРУД МЕТОДОМ ТАМПОНАЖУ

Наведено результати промислових випробувань нового методу тампонування водопроникних грунт1в та розущтьнених пор1д на прикладi каттального ремонту гребл1 Слизаветинського во-досховища в ЛуганськШ областi з використанням гладкоствольной колони. Використання гладкоствольной колони в поеднанн 3i структурованими глиноцементними тампонажними розчи-нами дозволяе вiдмовитися вiд обсадки т 'екцтних свердловин перфорованими манжетними колонами i застосування пакеруючих пристрогв.

Ключовi слова: тампонаж, глиноцементн розчини, гладкоствольна колона, гiдроiзоляцiя tрунтiв, методика розрахунку параметрiв тампонажу.

Doctor of Tech. Sc. Polozov Yu. A. (DonSTU, Alchevsk, LPR), Lazebnik A. Yu. (Anthracite Department of Mining and Transport of Lugansk National University after Vladimir Dahl, Anthracite, LPR) WATERPROOF AND STRENGTHENING THE LOOSE SOIL OF HYDRAULIC STRUCTURES BY GROUTING

There have been given the industrial testing results of a new method for grouting the permeable soil and unpressed rock on the example of major repairs of dam of the Yelizavetinskoie reservoir in Lugansk region using the smooth-bore column. Use of the smooth-bore column providing the minimum clearance between the walls of hole in combination with structured clay cement grouting mortar allows to reject the injection holes bracing with perforated collar columns and using the drillstring anchors.

Key words: permeable soil, grouting, clay cement mortar, collar column, waterproof of soil, design procedure of grouting parameters.