Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОГО ЭКРАНА В ГРУНТОВЫХ МАТЕРИАЛАХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СООРУЖЕНИЯ

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для восстановления водонепроницаемости грунтовых гидротехнических сооружений или понижения водопроницаемости, а также при создании и ремонте противофильтрационных завес, экранов в грунтовых плотинах.

Известен способ изготовления водонепроницаемого экрана в грунтовых материалах элементов гидротехнического сооружения, включающий кольматацию грунтового материала путем нагнетания под давлением, меньшим давления гидроразрыва грунтового материала, при этом может использоваться полимерцементный раствор, а нагнетание осуществляют с определенным шагом скважин на различной глубине от подошвы сооружения (поинтервального нагнетания) (Андреева Л.Г. и др. Химические способы закрепления песчаных и горных пород. Часть II. Глубинные методы закрепления, Ленинград: ВНИИ гидротехники им. Б.Е.Веденеева, 1971, С.20-22, 58-59).

Недостатками аналога является то, что водонепроницаемость и структурная прочность экранов по данному способу недостаточны, также недостаточны гидроизоляционные свойства и сцепление с грунтовым карбонатным материалом, при этом полимерцементный раствор может разбавляться и выноситься водой, как и цементные растворы.

Известен способ возведения грунтовой плотины мерзлого типа, в котором возводят ледогрунтовый противофильтрационный элемент путем послойной отсыпки мерзлого грунта в прудок с последующим уплотнением, перед отсыпкой каждого слоя мерзлого грунта прудок на глубину отсыпаемого слоя заполняют водовоздушной пеной, приготовленной из водного раствора пенообразователя, пластифицированного глицерином поливинилового спирта (А.с. №1600406, ДСП, Е02В 7/06).

Недостатком этого способа является разрушение противофильтрационного элемента при положительных температурах из-за водорастворимости поливинилового спирта при оттаивании противофильтрационного элемента.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления водонепроницаемого экрана в низкотемпературных грунтовых материалах элементов гидротехнического сооружения, включающий кольматацию грунтового материала гидроизоляционным полимерным составом путем поинтервального нагнетания под давлением, меньшим давления гидроразрыва грунтового материала, при этом в качестве гидроизоляционного полимерного состава используют состав, включающий поливиниловый спирт - структурообразователь, воду и борную кислоту, способный образовывать гель при положительных температурах и криогель в процессах замораживания - размораживания, при следующих соотношениях компонентов, мас.%: поливиниловый спирт - 3,0-10,0, борная кислота - 0,2-1,0, вода - остальное (Патент РФ №2276703, Е02В 3/16, опубл. 20.05.2006 г.).

Указанный состав при температуре от 0° до +10°С образует гель, создающий противофильтрационный экран, который в процессе замораживания - размораживания превращается в криогель, при этом его противофильтрационные и прочностные характеристики улучшаются. Чем в большем количестве циклов замораживания - размораживания участвует криогель, тем лучше становятся его механические свойства.

Основными недостатками прототипа являются: высокая стоимость, связанная с большими расходами поливинилового спирта - наиболее дорогостоящего компонента используемого состава и возможность использования способа только при низких температурах.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в снижении стоимости изготовления водонепроницаемого экрана и возможность его использования в широком диапазоне температур.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, включающем кольматацию грунтового материала гидроизоляционным полимерным составом, состоящим из водного раствора поливинилового спирта и борной кислоты, путем поинтервального нагнетания под давлением, меньшим давления гидроразрыва грунтового материала, согласно изобретению нагнетание гидроизоляционного полимерного раствора проводят одновременно с подачей воздуха и добавлением пенообразователя и пластификатора для поливинилового спирта, при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Кроме этого, заявленное техническое решение имеет факультативные признаки, характеризующие его частные случаи, конкретные формы его материального воплощения, либо особые условия его использования, а именно:

- в качестве пластификатора используют глицерин или этиленгликоль, или триметиленгликоль, или мочевину и др.,

- в качестве пенообразователя используют пенообразователь ПО-1, или ПО-6, или «Волгонавт» и др.,

- одновременно или перед закачиванием гидроизоляционного полимерного раствора добавляют фосфорную кислоту или соединения железа или хрома, или хлорное железо, или хроматы и бихроматы.

Отличительными признаками предложенного способа являются нагнетание гидроизоляционного полимерного раствора, производимого одновременно с подачей воздуха, и добавление пенообразователя и пластификатора для поливинилового спирта. Таким образом, наличие пенообразователя и подача в скважину воздуха превращают закачанный гидроизоляционный полимерный раствор в сцепленную с частицами грунта пену, которая создает фильтрационное сопротивление потоку воды и его останавливает.

Способ осуществляют следующим образом.

Вначале приготавливают пенообразующий водный раствор пластифицированного поливинилового спирта путем растворения в воде его компонентов. Порошок поливинилового спирта растворяют при помешивании в нагретой воде (температура воды определяется маркой используемого поливинилового спирта), далее в гидроизоляционный полимерный раствор добавляют пластификатор и пенообразователь.

В качестве пластификатора для поливинилового спирта можно использовать глицерин, этиленгликоль, триметиленгликоль, мочевину и др. В качестве пенообразователя возможно применение пенообразователей ПО-1, ПО-6, «Волгонат» и др., распространенных для получения противопожарных пен.

Затем гидроизоляционный полимерный раствор закачивают с одновременной подачей воздуха через нагнетательные скважины в тело и основание плотины или другого гидротехнического сооружения при давлении, меньшем давления гидроразрыва грунта. Непосредственно перед закачиванием этого раствора или одновременно с ним в него добавляют соединения бора: борную кислоту, буру и др. Также возможно использовать фосфорную кислоту, соединения железа и хрома, включая хлорное железо, хроматы и бихроматы, т.е. все те вещества, которые при взаимодействии с поливиниловым спиртом образуют с ним водонерастворимые комплексные соединения.

Закачанный в грунт, полученный после введения пенообразователя и пластификатора гидроизоляционный полимерный раствор отверждается в поровом пространстве за счет химического взаимодействия поливинилового спирта с соединением бора, которое переводит поливиниловый спирт из водорастворимого состояния в водонерастворимое. После окончательного взаимодействия поливинилового спирта с соединением бора и уноса потоком излишков воды в грунте образуется водонепроницаемый противофильтрационный элемент, представляющий собой композит, состоящий из частиц грунта в пластифицированной поливинилспиртовой (полимерной)пене.

Водонепроницаемость противофильтрационного элемента определяется:

- закрытопористой структурой пены из поливинилового спирта,

- кольматацией пеной всего пространства между частицами грунта за счет снижения поверхностного натяжения воды и обволакивания раствором поливинилового спирта дисперсных частиц грунта,

- нерастворимостью пены, образованной из нерастворимого в воде комплексного соединения поливинилового спирта с соединением бора.

Прочность противофильтрационного элемента определяется упрочняющим действием поливинилового спирта на грунт, как при положительных температурах, так и при отрицательных температурах. Трещиностойкость и эластичность элемента при низких температурах обеспечивается пластифицированием поливинилового спирта - основного компонента тяжей образованной пены.

Использование в предлагаемом способе поливинилового спирта определяется его свойствами: упрочняющими грунт, стабилизирующими пену, регулируемой водорастворимостью, нетоксичностью и даже биосовместимостью. Количество поливинилового спирта менее 3 мас.% не обеспечивает создания устойчивой противофильтрационной пены. Содержание поливинилового спирта в растворе более 12 мас.% затрудняет накачивание гидроизоляционного полимерного раствора в скважину из-за его большой вязкости.

В качестве пластификатора для этого полимера наиболее распространенным является глицерин. Глицерин совмещается с поливиниловым спиртом (ПВС) в количестве до 75% по весу ПВС. Обычно используют 35% от веса ПВС. Это и определяет диапазон содержания пластификатора (0,1%-9,0%) в водном растворе, используемом в предлагаемом способе. Границы диапазона содержания пенообразователя от 0,1 до 2,0 мас.% обусловлены пенообразующими способностями используемого пенообразователя. Добавление в раствор соединений бора в количестве от 0,2 до 1,0 мас.%. необходимо для изменения состояния ПВС - из водорастворимого в водонерастворимое. Добавление соединений бора следует проводить непосредственно перед накачиванием гидроизоляционного полимерного раствора в скважину или одновременно с ним, т.к. эти соединения в течение некоторого времени повышают вязкость накачиваемого раствора, что затрудняет проникновение его между частицами грунта.

Накачивание гидроизоляционного полимерного раствора с подачей воздуха обеспечивает пористую структуру получаемого противофильтрационного элемента и достижение одной из целей предлагаемого способа - снижение стоимости за счет снижения требуемых количеств компонентов, особенно дорогостоящего ПВС. Достижение другой цели - применимости предлагаемого способа в широком диапазоне температур, обеспечивается такими свойствами кольматирующей грунт пены, как ее водонерастворимость, трещиностойкость и эластичность как при отрицательных, так и при положительных температурах.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет восстанавливать водонепроницаемость сооружения и создавать противофильтрационные экраны для грунтовых плотин в широком диапазоне температур при экономии расхода материалов за счет вспенивания инъектируемого гидроизоляционного полимерного состава. Используемый состав экологически безопасен.