Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАЩИТЫ ПЛОТИН ОТ РАЗРУШЕНИЯ

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для защиты грунтовых плотин от разрушения в результате бактериального газообоазования (метаногенеза). 

Грунтовые плотины на крупных реках являются объектами повышенной ответственности, так как, в ходе их эксплуатации, в грунтовом массиве может происходить изменение проектных инженерно-геологических показателей. Одной из причин такого изменения может быть процесс образования газов, в частности метана (метаногенез).

Агентами метаногенеза в пределах грунтовых плотин являются микроорганизмы, перерабатывающие органические соединения, попадающие в тело плотины при фильтрации воды из верхнего бьефа.

В патентной литературе имеются изобретения, описывающие способы защиты грунтовых плотин от разрушения.

Известен способ защиты плотин, основанный на герметизации массива плотины с использованием эластичной полиэтиленовой пленки и специальных скважин, оборудованных воздухозаборниками для откачки газов (патент SU 1523626 МПК E02B 3/16, E02B 7/06, опубл. 23.11.1989). Недостатком способа является сложность технического воплощения, связанная с ней низкая экономическая эффективность, а также отсутствие влияния на причину образования газов в массиве плотины.

Известен способ укрепления слабых грунтов основания земляного полотна, основанный на нагнетании в основание полотна полимерного состава в виде геля (криогеля) через скважины (патент RU 2474651 МПК Е02Д 3/12, опубл. 10.02.13). Полимерный состав включает структурообразователь – поливиниловый спирт, борную кислоту и воду. Дополнительно может использоваться базальтовое волокно и/или минеральные добавки. Недостатком способа являются высокие экономические затраты, связанные с использованием дорогостоящих химических соединений, и техническая сложность воплощения.

В качестве прототипа выбран способ, основанный на кольматации грунтового материала плотин путем нагнетания гидроизоляционного материала, состоящего из водного раствора поливинилового спирта и борной кислоты (патент RU 2342484 МПК Е02В 3/12, опубл.27.12.08). Нагнетание материала производят одновременно с подачей воздуха и добавлением пенообразователя и пластификатора. Также одновременно с нагнетанием или перед ним в грунтовый массив добавляют или фосфорную кислоту, или соединения железа или хрома (хлорное железо, хроматы, бихроматы).

Недостатком прототипа является низкая экономическая эффективность, связанная с использованием дорогостоящих химических соединений, сложность приготовления и закачки гидроизоляционного материала, связанная с изготовлением пенообразователя и пластификатора, а также отсутствие воздействия на причину газообразования, снижающего прочность грунтовой плотины.

Задачей создания изобретения является устранение недостатков прототипа.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом, таких как способ защиты плотин от разрушения в результате бактериального газообразования (метаногенеза), включающий обработку грунтового материала химическим реагентом, и отличительных существенных признаков, таких как в качестве реагента-ингибитора подавления метаногенеза используют хлорид железа (III) в количестве, необходимом для достижения в воде тела плотины концентрации железа 4-6 мг/дм³.

Выше перечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - упрощение процесса защиты грунтовых плотин от разрушения в результате бактериального газообоазования (метаногенеза) и отсутствие влияния использования процесса на окружающую среду.

В предлагаемом способе в качестве вещества, ингибирующего процесс образования метана, впервые выбран хлорид железа (III). Данное соединение часто используется как коагулянт при очистке воды, что обусловливает высокую экономическую эффективность, связанную с распространенностью данного реагента на рынке, а также отсутствие негативного влияния на окружающую среду.

Пример осуществления изобретения.

Определение минимальной концентрации FeCl₃, необходимой для прекращения образования в грунте плотины метана, проводили способом, описанным в Патенте РФ № 2565409 МПК E02D 1/00, G01N 33/24, опубл. 20.10.2015 г.

В конические плоскодонные колбы объемом 250 см³ помещали 200 г песка крупнозернистого влажного, добавляли 0,1 дм³ раствора, содержащего глюкозу в концентрации 0,1 г/дм³, перемешивали и закрывали резиновыми пробками со стеклянными манометрами. Колбы инкубировали при комнатной температуре, периодически снимая показания манометров, дожидаясь пиковых количеств выделяющегося газа. Затем в колбы вносился раствор FeCl₃. В результате экспериментально установлено, что минимальная концентрация реагента, необходимая для ингибирования процессов газообразования, составляет 2-3 мг/дм³. В условиях разбавления концентрации реагента фильтрующейся через тело плотины водой целесообразно использовать удвоенную концентрацию реагента, то есть 4-6 мг/дм³ хлорида железа (III). Данная концентрация является оптимальной для достижения вышеуказанного технического результата, выход за ее пределы не дает необходимый положительный результат.

Для реализации способа была создана установка, имитирующая земляную плотину.

На чертеже изображена модельная установка для подавления процессов метаногенеза, где позициями указаны: 1 – трубка для отбора проб газа, 2 – трубка для подачи раствора, 3 – трубка для подачи вещества-ингибитора, 4 – трубка аварийного перелива, 5 – трубка для отведения раствора.

Использовали пластиковую емкость цилиндрической формы объемом 1,5 дм³, в которую поместили 1 дм³ грунта с тела плотины. С помощью стеклянных трубок и трубок из силиконовой резины в установке была организована система подачи и отведения растворов и отбора проб газа. Раствор пропускали через установку со скоростью, близкой к средней скорости фильтрации через плотину. Было пропущено 5 л раствора, после чего установка была полностью загерметизирована на 4 суток, а затем был произведен анализ газовой фазы в установке с помощью многоканального газового анализатора Drager X-am 7000 (Германия). В результате анализа в газовой фазе установки было обнаружено 1,3% об. углекислого газа и 0,45% об. метана. Через установку было пропущено еще 14 л раствора с содержанием глюкозы 1 г/дм³, после чего установка была заполнена раствором, содержащим 1 г/дм³ глюкозы и 5 мг/дм³ FeCl₃, и загерметизирована. Через 4 суток был произведен повторный химический анализ газовой фазы установки, который показал полное отсутствие в ней метана и снижение содержания углекислого газа до 0,1-0,2% об.

Изобретение апробировано в лабораторных условиях.

Из описания и практического применения настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения. Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.