Меліорація піщаних ґрунтів суспензією сапропелю для зменшення їх водопроникності

При защите водных ресурсов (рек, озер, водоемов, подземных вод) от загрязнения животноводческими стоками, отходами вредных производств, например, при строительстве атомных электростанций, нефтехимических производств, предприятий цветной и черной металлургии, других отраслей промышленности; для понижения уровня грунтовых вод, сокращения потерь воды в результате ее фильтрации из верхнего бьефа в нижний, а также обеспечения охраны природной среды в отдельно взятом регионе от технологически пагубных последствий применяются противофильтрационные завесы.

Завесы устраиваются путем забивки шпунтовых стенок, замораживания водонасыщенных грунтов, инъекции грунтов различными растворами и эмульсиями. Все большее распространение получает прогрессивный способ устройства траншейных и свайных стенок методом «стена в грунте».

В современной практике строительства противофильтрационных завес способом «стена в грунте» уже освоены глубины до 130 м. При глубине менее 5…8 м применение способа «стена в грунте» обычно не дает существенных технико-экономических преимуществ и в практике строительства не встречается. Это объясняется сложностью технологического процесса и сравнительно высокой стоимостью применяемых материалов для приготовления тиксотропной суспензии, в частности, бентонитовой глины.

Для приготовления суспензий применяют грунты, в которых мелкие частицы способны связывать и удерживать большое количество воды. Проведенные исследования показали, что многие биогенные грунты и композиционные составы на их основе могут быть успешно применены для приготовления суспензий [1].

Фильтрационная прочность грунтов противофильтрационных устройств должна обеспечиваться в местах выхода фильтрационного потока в более крупнозернистые грунты. Для завес выполненных способом «стена в грунте» критическим местом является контакт тела завесы с окружающим грунтом.

Ввиду того, что природные песчаные грунты состоят из частиц различного размера, возможен вынос отдельных мелких частиц в окружающую среду (явление суффозии). Выносимые частицы могут свободно располагаться в порах или быть частично защемленными. Более крупные частицы (частицы скелета грунта) хотя и претерпевают некоторые повороты и микросдвиги, однако не совершают поступательного перемещения под воздействием гидродинамических сил.

Нами были проведены исследования песчано-сапропелевых смесей с содержанием 5 (составы 1и 4), 10 (составы 2 и 5), 15% (составы 3 и 6) сапропеля в смеси по массе. В качестве исходных компонентов были использованы песок средний, сапропель, а так же песок средний с искусственно величенным содержанием пылеватых частиц. Составы 1, 2, 3 готовились из песка среднего и сапропеля, 4, 5, 6 — из песка с увеличенным содержанием пылеватых частиц и сапропеля.

Условия возникновения механической суффозии можно разделить на две категории: необходимые и достаточные. Необходимыми являются геометрические условия, достаточными — гидромеханические условия в порах грунта. При соответствующих гидродинамических условиях из толщи грунта могут выноситься частицы, максимальная величина которых определяется согласно геометрическому критерию выноса по зависимости [2, 3].

(1).

где d_ci — диаметр выносимых частиц, мм;

d₀^max — диаметр максимального фильтрационного хода, мм.

(2).

где — коэффициент неравномерности раскладки частиц в грунте, определяемый по зависимости (3);

(3).

— коэффициент неоднородности грунта.

(4).

d₆₀, d₁₇, d₁₀ — диаметры частиц грунта, меньше которых в его составе содержится 60, 17, 10% по массе.

. (5).

Если выполняется условие.

(6).

то грунт следует отнести к суффозионным, так как из его толщи при определенных гидродинамических условиях по геометрическому критерию выноса (1) могут выноситься все частицы с диаметрами d_ci.

При обратном неравенстве грунт следует считать несуффозионным, так как в данном случае при любых скоростях или градиентах фильтрационного потока вынос самых мелких частиц невозможен.

Максимальный процент возможного выноса из суффозионного грунта устанавливают по кривой его гранулометрического состава и максимальному диаметру выносимых частиц d_ci, определяемому по зависимости (1).

Сапропели сложены минеральными, органическими и органо-минеральными образованиями [4, 5]. По данным [6] - основным минералом легкой фракции является кластический кварц. В глинистой фракции преобладает каолинит. Основную ее часть слагают органические (40−65%) и органо-минеральные соединения. Внешне сходные с глинистыми породами сапропели содержат в тонкодисперсной фракции глинистые минералы в количестве 3−6% по массе.

Важной особенностью органического вещества, входящего в состав грунтов является его высокая активность по отношению к минеральной составляющей. Значительная часть органического вещества находится в гелифицированной форме. Чем больше такой гелифицированной массы, тем сильнее ее влияние на свойства грунта [7]. Плотность органического вещества не превышает 1,25−1,80 г/см³ [6]. Для практических целей согласно рекомендациям [8] плотность органического вещества можно принять 1,51 г/см³.

В гранулометрическом составе сапропелей содержание тонкодисперсных фракций размером менее 0,005 мм содержится от 40 до 50% и более. Эти фракции образовались в основном в результате разложения растительных и животных организмов и обладают высокой обменной способностью и способностью связывать большое количество воды.

Связанную твердыми частицами воду подразделяют на прочнои рыхлосвязанную. Рыхлосвязанная вода может быть удалена под действием уплотняющей нагрузки, приложенной на грунт. Прочносвязанная вода не может быть отжата из грунта даже при очень больших нагрузках.

Содержание прочносвязанной воды в грунтах определяется их минералогическим и гранулометрическим составом и составом обменных катионов. В зависимости от дисперсности, минерального состава и состава обменных катионов содержание прочносвязанной воды в минеральных грунтах колеблется от 0,2 до 30% и более.

Рыхлосвязанная вода имеет значительно меньший уровень энергетической связи, чем прочносвязанная вода. Она образуется вокруг частиц и адсорбированных ионов благодаря молекулярным связям. Ее называют пленочной водой, образующейся вокруг частиц под влиянием сил молекулярного притяжения. Содержание связанной воды в грунте принято называть молекулярной влагоемкостью, которая фактически определяет количество связанной частицами грунта воды под действием поверхностных сил притяжения. Значения максимальной молекулярной влагоемкости колеблются от 44% для бентонитовых глин до 14% - гидрослюдистые глины.

Для определения максимальной молекулярной влагоемкости были проведены лабораторные испытания в компрессионных приборах. Максимальная молекулярная влагоемкость при этом составила от 31 до 121% для различных видов сапропелей. Во всех исследованных видах сапропелей максимальная молекулярная влагоемкость не ниже, а у многих из них и выше чем у бентонитовых глин, что свидетельствует о наличии в их составе большого количества активных частиц, способных связывать значительное количество воды. Для обоснования отсутствия явлений суффозии в песчано-сапропелевых смесях произведем следующие расчеты.

Образец полностью водонасыщенного сапропеля можно разделить на три составляющие: минеральную, органическую и жидкую, т. е.

(7).

Объем, занимаемый отдельными фазами в плотном состоянии равен:

минеральной.

(8).

где P_m — масса минеральной составляющей;

_s^m — плотность частиц минеральной составляющей;

органической.

(9).

где P_о — масса органической составляющей;

_s^о — плотность частиц органической составляющей;

водой.

(10).

где P_w — масса воды;

_w — плотность воды.

Объем твердой фазы.

(11).

Масса твердой фазы (сухого грунта) состоит из массы минеральной и органической составляющих.

(12).

Масса твердой фазы в единице объема равна.

(13).

где _d — плотность сухого грунта.

Масса минеральной составляющей.

(14).

где D_ash — степень зольности, %.

Масса органической составляющей.

(15).

Для водонасыщенных сапропелей, расположенных ниже уровня грунтовых вод и в зоне капиллярного насыщения, содержанием защемленного в них воздуха можно пренебречь, так как влияние его содержания на показатели водно-физических свойств меньше точности прямого определения показателей. Тогда масса воды.

(16).

где n — пористость в долях единицы.

(17).

где _s — плотность частиц грунта.

Предположим, что грунт состоит из одинаковых шарообразных частиц. Объем частицы.

(18).

где V_mф — объем твердой фазы;

p — количество частиц;

— 3,14;

D_ч — диаметр частицы.

Объем частицы, покрытой пленкой воды при влажности равной молекулярной.

(19).

где — объем твердой фазы включая объем воды при влажности равной молекулярной;

D_общ — диаметр частицы покрытой пленкой воды при влажности равной молекулярной.

Коэффициент, учитывающий уменьшение диаметра пор

. (20).

Коэффициент, учитывающий увеличение диаметра частиц, способных выносится из грунта.

. (21).

Объем воды при влажности равной молекулярной.

(22).

где W_m — молекулярная влажность грунта, %;

Тогда диаметр выносимых частиц.

. (23).

Диаметр максимального фильтрационного хода.

. (24).

По расчету (формулы 1−6) песок средний является практически несуффозионным, т. е. частицы могут выносится в количестве не нарушающем прочности грунта, что подтвердилось в результате фильтрационных исследований. Песок с увеличенным содержанием пылеватых частиц согласно расчета является суффозионным. Во время проведения исследований с момента начала фильтрации наблюдался вынос частиц.

Сопоставляя диаметр максимального фильтрационного хода среднего песка с данными гранулометрического анализа составов 1, 2, 3 видно, что вынесенными могут оказаться частицы в количестве 5…15% по массе [2]. Для составов 4, 5, 6 эта величина еще больше и составляет 24…32%. Фильтрационные параметры смесей приведены в таблице.

Таблица 1. Фильтрационные характеристики исследованных смесей.

Примечание: Величина градиента напора для составов 3 и 6 была ограничена возможностями фильтрационной установки, деформаций составов добиться не удалось.

На основании вышеизложенного видно, что песчано-сапропелевые смеси могут применяться для строительства противофильтрационных завес способом «стена в грунте» для низконапорных гидротехнических сооружений.

Территориальное распределение запасов сапропелей и результаты выполненных ранее исследований (тиксотропных, прочностных, фильтрационных) указывают на целесообразность использования сапропелей при строительстве противофильтрационных завес способом «стена в грунте» [9].

Библиографический список

сапропель шпунтовый грунт.

• 1. Боровиков, А. А. Исследование буровых суспензий на основе сапропеля для строительства противофильтрационных завес способом «стена в грунте» / А. А. Боровиков // Социально-экономические и экологические проблемы мелиорации и водного хозяйства: материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 150-летию закладки первого гончарного дренажа на террит. России, Горки, 29?31 мая 2003 г. / Белорус. гос. с.-х. акад.? Горки, 2004. С. 190?193.
• 2. Дрозд, П. А. Фильтрационная устойчивость грунтов и подбор обратных фильтров для мелиоративных сооружений / П. А. Дрозд, Ю. Ф. Буртыс. — Мн.: Урожай, 1967. — 51 с.
• 3. Патрашев, А. Н. Проект инструкции по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений / А. Н. Патрашев, Г. Х. Праведный. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.
• 4. Рубинштейн, А. Я. Биогенные грунты / А. Я. Рубинштейн. — М.: Наука, 1986. — 87 с.
• 5. Рубинштейн, А.Я. Инженерно-геологические особенности сапропелевых отложений / А. Я. Рубинштейн. — М.: Наука, 1971. — 128 с.
• 6. Грунтоведение / Е. М. Сергеев [и др.]; под ред. Е. М. Сергеева. — М.: МГУ, 1983. — 392 с.
• 7. Лысенко, М. П. Состав и физико-механические свойства грунтов / М. П. Лысенко. — 2-е изд. — М.: Недра, 1980. — 272 с.
• 8. Рекомендации по инженерно-геологическим изысканиям болотных отложений под сооружениям / Сост. П. К. Черник [и др.]. / БелНИИМиВХ. — Мн., 1977. — 28 с.