Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Изучение процессов массообмена загипсованных пород с подземными водами

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Изучение процессов массообмена загипсованных пород с подземными водами"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.М.В.ЛШОНОСОВА

На правах рукописи УДК 556.332.46

ЛЕБЕДЕВ Алексей Львович

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССООЕМЕНА ЗАГИПСОВАННЫХ ПОРОД С ПОДЗЕМНЫМИ ВОДАМИ (НА ПРИМЕРЕ ОБОСНОВАНИЯ ПРОТИВО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ДЛЯ ПЛОТИНЫ НИИНЕ-КАФИР-НИГАНСКОГО ГИДРОУЗЛА)

Специальность 04.00.06 - Гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание /иеной степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 1996

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии Московского Госу-сударственного Университета им.М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: Доктор геолого-минералогических наук А.В.Лехов

Официальные опоненты: Доктор геолого-минералогичееких наук, профессор С.Р.Крайнов Кандидат геолого-минералогических наук И.В.Галицкая

Ведущая организация: Московская государственная геологоразведочная академия.

Защита состоится б декабря 1996 г. в 1430 на заседании диссертационного совета Д.053.05.27 при Московском Государственном Университете им.М.В.Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, г.Москва, В-234, Воробьевы горы, МГУ,.геологический факультет, ауд.415

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ.

казйд

Автореферат разослан " ^ " октября 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор геолого-минералоги- ~

ческих наук, профессор Л.С.Гарагуля

Введение

Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки методики прогнозного моделирования изменений фильтрационных пара-/ метров массива загипсованных пород, вызванных процессами растворения и выщелачивания гипса.

В районах распространения гипса, а это около 7 млн.км суши (Г.А. Максимович), изменения природных условий, связанные с техногенным воздействием на геологическую среду, часто приводят к интенсификации процесса массообмена и, вследствии чего, к увеличению проницаемости и пористости пород. Скорость изменения фильтрационных параметров в таких условиях может быть соизмерима по времени со сроками строительства и эксплуатации инженерных сооружений. Особенно остро эта проблема проявляется при гидротехническом строительстве, эксплуатации крупных водозаборов, т,е. в условиях, когда процессы растворения и выщелачивания гипса могут привести к уменьшению фильтрационной устойчивости пород. Наименее устойчивыми в фильтрационном отношении считаются загипсованные породы.

При численном моделирование миграции подземных вод сеточные модели используются, главным образом, для массивов пород с постоянными характеристиками фильтрующего пространства. Линейные размеры элементов моделей выбираются с учетом масштабов области протекания процессов физико-химического обмена (т.е., в данном случае, величины длины пути насыщения раствора гипсом, 1).

Однако, в результате протекания процессов растворения и выщелачивания гипса может измениться проницаемость пород. Кроме того, известные к настоящему времени значения величины 1 определялись при условиях, в которых скорость процесса растворения контролиро-

- г -

валась скоростью транспорта растворяемых компонентов (диффузионная область), т.е. только для части массива пород (например, в случае известняков - это локальные области разгрузки (А.В.Лехов)).

Очевидно, что при моделировании процесса массообмена для всей области массива загипсованных пород с подземными водами необходим учет возможного изменение фильтрационных параметров и значений 1 для широкого диапазона природных условий (т.е., для кинетической и диффузионно-кинетической областей).

Цель и задачи работы. Главная цель исследований состоит в разработке методических приемов последовательного изучения процессов массообмена загипсованных пород с подземными водами, от определения параметров кинетики и равновесия гетерогенных химических реакций, протекающих на реакционной поверхности раздела, до их использования при моделировании процесса геомиграции в масштабе массива пород. В связи с этим в работе решались следующие задачи:

1. Разработка методики экспериментального определения модели кинетики растворения гипса и ее параметров с учетом химического состава породы и раствора, температуры и строения поверхности растворения.

г. Разработка методики экспериментального определения параметров скорости выщелачивания гипса из порового пространства блока.

3. Изучение скорости растворения стенок единичной трещины, сло-, женных гипсом, в зависимости от параметров кинетики его растворения, скорости потока и величины раскрытия трещины.

'А. Изучение процессов растворения и выщелачивания гипса в элементе массива пород на опытном участке.

5. Разработка методики расчета изменения проницаемости массива, для условий растворения и выщелачивания гипса из загипсованных пород, при численном моделировании. '

6. Исследование на численной модели возможных изменений направления геофильтрационного.потока в основании плотины Нижне-Кафир-ниганского гидроузла при наиболее вероятных противофильтрационных мероприятиях и с учетом увеличения проницаемости пород во времени.

Основным объектом является массив загипсованных пород низке уровня подземных вод. Для лабораторных исследований использовались литологические разности гипса, главным образом, с прибрежной зоны Камского водохранилища (Пермская область, Россия). А моделирование фильтрационного потока проводилось для условий массива с моноклинальным залеганием алевролитов, аргиллитов и песчаников, в которых гипс заполняет трещинное и поровое пространство, соответственно между блоками й в их объеме (породы основания плотины Иижне - Ка-фирниганского гидроузла, Таджикистан) .

Научная новизна работы - выделение составных частей (уровней) процесса массообмена, их последовательное изучение и синтез от единичной грани кристалла гипса до массива загипсованных пород. По этому общему направлению получены следующие результаты:

- Разработана методика и техника для лабораторного изучения кинетики растворения гипса в воде на плоской поверхности, составлена модель кинетики растворения гипса в воде и установлены зависимости ее параметров от содержания гипса в породе, температуры раствора, а также показана инвариантность этих параметров относительно растворов с различной концентрацией N801.

- Рассчитаны значения длины пути насыщения раствора гипсом в единичной трещине и режимы растворения ее стенок в зависимости- от параметров кинетики растворения гипса, скорости потока в трещине и ее раскрытия.

- Определены параметры процесса массоотдачи единичной трещины и в их совокупности по результатам экспериментальных работ, прове-

денных в полевых условиях.

- На основании профильной модели массива загипсованных пород предложена методика моделирования фильтрационного потока, с учетом изменения проницаемости пород и показана возможность выбора проти-вофильтрационных мероприятий.

Методика исследования. Предлагаемая работа является одной из первых попыток последовательного изучения процессов массообмена загипсованных пород с подземными водами: от уровня единичной грани кристалла гипса до массива. Исследования данного уровня считались необходимыми и достаточными, если их результаты позволяли перейти к следующему уровню. Ведущую роль в исследованиях следует отвести физико-химическому моделированию в лабораторных условиях, и математическому - с помощью ЭВМ.

Практическая значимость работы состоит в том, что в ней разработана методика расчета приращения суммарного фильтрационного расхода и общего количества массы растворившегося гипса в заданном сечении массива загипсованных пород (при увеличении их проницаемости), как основа для выбора противофильтрационных мероприятий. В работе приводятся алгоритмы расчетов проницаемости пород, в зависимости от массы растворившегося гипса, а также длины пути насыщения раствора в трещине, при различных природных условиях. Результаты исследований могут применяться при строительстве гидротехнических сооружений, эксплуатации водозаборов и непосредственно использовались при проектировании плотины Нижне-Кафирниганского гидроузла (Таджикистан).

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на научных конференциях аспирантов и молодых ученых геологического факультета МГУ (1983-87 гг.), ПНИИИ--СА (1985 г.), на научно-производственных семинарах по вопросам ин-

женерного карстоведения (Дзержинская карстовая лаборатория, 1987 г.) и обоснования И выбора мероприятий по снижению интенсивности опасных техногенных процессов (г.Петушки, 1988 г.). Представлены стендовые доклады на Всесоюзных симпозиумах "Термодинамика в геологии" (г.Суздаль,1985 г.) и "Кинетика и динамика геохимических процессов" (пос.Черноголовка Московской обл., 1989 г.). По результатам исследований опубликовано 16 научных работ.

Состав и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Содержит 129 страниц текста, 54 рисунка, 10 таблиц и список "литературы, включающий 160 наименований.

Работа выполнена под руководством старшего научного сотрудника

A.В.Лехова, которому автор приносит искреннюю благодарность и признательность. Неоценимую поддержку в создании настоящей работы оказал В.И.Сергеев, заведующий ЛОГО Геологического факультета МГУ. Изучение компонентного состава пород проводилось с участием

B.Г.Шлыкова," В.Л.Косорукова и В.Н.Соколова. Стандартные растворы для калибровки аппаратуры готовились совместно со С.А.Смирновой. Сбор и обработка данных о геологических и гидрогеологических условиях района работ с участием Г.й.Покровского, В.П.Трегубко и Н.А.Свиточ. Оформление работы осуществлялось совместно с Н.В.Балуевой. Всем этим людям, автор выражает глубокую благодарность.

Глава 1. Современное состояние вопроса изучения процессов

массообмена загипсованных пород с подземными водами.

При условии изменения фильтрационных параметров массива пород задача массопереноса сводится к задаче миграции подземных вод с учетом изменения характеристик фильтрующего пространства, решение которой основывается на изучении процесса миграции по частям, т.е.

его "разложении" на более простые составляющие -уровни (масштабы). Выделение уровней и методика построения математических моделей для их описания приводится в работах Ж.Фрида, М.В.Раца, Л.Лукнера и В.Ы.Шестакова, А.А.Рошаля, А.В.Лехова. Наиболее широко применяются модели, основанные на принципах и методах физико-химической гидродинамики и кинетики химических реакций. На уровне массива пород масштаб моделей и "временные шаги" выбираются так, чтобы параметрами кинетики химических реакций можно было пренебречь (в этом случае процедура моделирования значительно упрощается).

С самых общих позиций можно выделить два направления в определении "кинетической значимости" изучаемого процесса при моделировании миграции подземных вод: использование параметров диффузионной кинетики и параметров кинетики гетерогенных химических реакций, протекающих на реакционной поверхности минералов.

Учет параметров диффузионной кинетики в уравнениях переноса подробно рассматривался Н.Н.Веригиным, а также подобный подход использовался А.Е.Орадовской, Б.С.Шержуковым и А.В.Шибановым. Однако, использование параметров диффузионной кинетики делает возможным применение геомиграционных моделей только для части массива пород. Кроме того, использование теории подобия при анализе сложных систем (такой, как и система "вода-порода") может наталкиваться на принципиальные трудности, связанные с большим набором критериев подобия, многосторонностью связей, сложностью масштабных переходов и.т.д. (М.Г.Слинько).

Целесообразность учета параметров кинетики гетерогенных реакций оценивается на основе критериев, разработанных на основе решений конвективной диффузии и теории диффузионной кинетики гетерогенных химических реакций. К настоящему времени подобные критерии разработаны только для простых природных ситуаций. Например, для филь-

трации в колонках и для случая плоскорадиального характера потока, созданного одиночной скважиной в однородном водоносном горизонте, при наличии процессов сорбции (А.Валоччи); для процессов растворения стенок трещины или поры, а также в масштабе непроницаемого растворяющегося слоя (В.М.Мерфи, Е.Х.Оелкерс и П.К.Литчнер); для процессов растворения в единичной трещине с параллельными гладкими стенками, сложенными растворимыми породами (А.В.Лехов).

Согласно литературным обзорам В.П.Зверева, А.В.Здановского,

A.Ф.Бартона и Н.Н.Вайлда, А.Н.Джеймса и А.Р.Лаптона наибольшее количество экспериментов по скорости растворения гипса в воде проведено при диффузионном режиме, т.е. определялись параметры диффузионной кинетики. А параметры кинетики гетерогенных химических реакций, протекающих на реакционной поверхности гипса (кинетический режим) установлены только для начальной стадии реакции ((1*2)% всей области реакции растворения, В.П.Картин и В.А.Григорян).

Экспериментальное определение величины длины пути насыщения раствора гипсом - 1 (т.е. Ор) проводилось на установках,имитирующих фильтрацию в трещине с параллельными стенками (А.М.Кузнецов,

B.Г.Науменко, А.Н.Джеймс и А.Р.Лаптон) и в фильтрационной колонке, заполненной крошкой или гранулами гипса (Ф.Ф.Лаптев, А.Е.Орадовс-кая, А.Н.Джеймс и А.Р.Лаптон, Э.Я.Демьянова), в условиях, характерных только для части массива пород. Так опыты с трещинами проводились при скорости потока и>0.05 см/с и раскрытии Ь>0.015 см (ширина трещины-2Ь), а в колонках при и>0.0002 см/с. В этих опытах величина 1 и скорость растворения гипса увеличивались при возрастании величин и,Ь и концентрации ИаС1 в растворе.

Согласно теории и практики изучения кинетики гетерогенных химических реакций, параметры кинетики таких реакций наиболее "достоверно" рассчитываются по зависимостям скоростей реакций от кон-

центрации (шш активности) компонентного состава раствора, которые являются результатом опытов, проведенных на проточных установках идеального смешения (Б.Дельмон, О.Левеншпиль). При вычислении "кинетических" параметров используется величина площади реакционной поверхности (Б). Математические модели формирования такой поверхности разработаны к настоящему времени только для единичной грани кристалла (В.Дибл и В.Тилер, А.К.Ласага и А.Е.Блюм), поэтому величина Б определяется опытным путем.

Анализ литературного материала, изложенного в данной главе, показал целесообразность определения параметров кинетики гетерогенной реакции растворения гипса. В этом случае возможно проведение прогнозного моделирования процессов массообмена для всей области массива загипсованных пород.

Глава 2. Схематизация условий и методов изучения процессов массообмена загипсованных пород с подземными водами

На основе существующих представлений о методах изучения процессов массообмена горных пород с подземными водаыз (глава 1) предлагается единый методологический подход для оценки протекания этих процессов в массивах загипсованных пород, который основывается на последовательности уровней изучения, предложенной А.В.Леховым, для расчета геомиграции в массивах трещиноватых пород (элемент поверхности блока или его объема - трещина - совокупность трещин - массив) и дополненной, для исследования атомарно-гладкой поверхности (единичной грани кристалла), самым низким уровнем. В этом случае, последовательность уровней с методиками изучения соответствующих объектов выглядит следующим образом (1-грань кристалла; 2-поверх-ность блока; з-трещина; 4-совокупность трещин; 5-массив):

На 1-ом и 2-ом уровнях изучения исследования проводятся, в лабораторных условиях. Используется установка со статическим режимом работы, которая представляет собой термостатированный сосуд с мешалкой, термометром и электродами, соединенными с комплексом измерительных приборов,. для регистрации характеристик раствора. Образец, в виде таблетки, закрепляется на дне сосуда. С помощью интенсивного перемешивания раствора создаются условия кинетического режима растворения и "равнодоступной" поверхности. Обработка опытов проводится интегральным или дифференциальным методами.

В таких условиях, на 1-ом уровне изучения (гладкая поверхность) определяются механизм реакции, модель и параметры ее кинетики. На 2-ом уровне (шероховатая поверхность)-зависимости параметров кинетики растворения гипса от температуры и состава раствора, литологии образцов, а также, площадь реакционной поверхности и параметры скорости выщелачивания гипса из порового пространства породы. "Переходом" на 3-й уровень изучения являются параметры кинетики растворения гипса, полученные для определенных условий температуры, состава раствора и литологии пород.

На 3-ем уровне изучения проводится исследование процесса массо-отдачи единичной трещины. На основе дифференциальных уравнений массопереноса, учитывающих параметры кинетики растворения стенок тревдны, при определенных условиях фильтрации (и,Ь,0-козфф.диффузии) определяются значение 1, коэффициент массоотдачи трещины (а) и режим растворения ее стенок. Для проверки выбранной модели массоотдачи трещины целесообразно использовать установку, имитирующую фильтрацию раствора в трещине с плоскими параллельными стенками. На такой установке, в лабораторных условиях, можно моделировать процесс фильтрации раствора в трешинах при Ь>0.015 см.

На основании значений 1, определенных для условий фильтрации

природного объекта, оценивается целесообразность учета параметров кинетики растворения-гипса при моделировании процессов массопере-носа на следующих уровнях.

На 4 и 5-ом уровнях изучения проводятся, соответственно, оценка процесса массоотдачи элемента массива пород и моделирование процесса геомиграции в масштабе всего массива.

Изучение процесса массоотдачи элемента массива проводится по результатам геомиграционных опытов, проведенных в полевых условиях, с целью установления зависимостей между параметрами: проницаемости, пористости и трещиноватости пород - при "не учете" параметров кинетики растворения гипса и коэффициента массоотдачи элемента массива - если такой учет необходим.

Моделирование процессов геомиграции обычно осуществляется численными методами. Для упрощения расчетных алгоритмов дискретизация (по времени и пространству) проводится так, чтобы процессы массообмена в блоках моделей можно было представить как "равновесные". Для каждого шага по времени проводится расчет проницаемости блока модели в зависимости от количества массы растворившегося гипса, и с учетом установленных на опытном участке зависимостей между параметрами: проницаемости и пористости пород. По результатам моделирования проводится оценка изменения фильтрационных характеристик массива загипсованных пород от времени.

Глава 3. Экспериментальное изучение процессов растворения и выщелачивания гипса.

В данном разделе, на основании предложенного комплекса методических приемов (глава 2), излагаются результаты исследований, проведенных на первых трех уровнях изучения.

Экспериментальная установка представляла собой термостатированную ячейку цилиндрической формы с объемом раствора 89 мл, на дне которой размещался образец породы. "Кинетические кривые" регистрировались на самописце КСП-4, с помощью метода кондуктометрии. Образцы вырезались из отдельных монолитов в виде таблеток (диаметром 3.5 и толщиной 0.8 см). Опыты проводились в открытой (к воздуху) системе, при 5-25°С. Использовалась бидистиллированная вода, растворы NaCl и вода реки Кафирниган.

Методика проведения опытов. После установки образца на дно ячейки, вставлялась крышка с электродами, мешалкой и заливался растворитель. Затем включались мешалка и измерительная аппаратура. Скорость перемешивания раствора устанавливалась так, чтобы процесс растворения протекал в кинетическом режиме. Опыты прекращались после стабилизации концентрации раствора в течении 1-3 часов. Затем мешалка выключалась и отбирались пробы раствора для определения концентрации ионов кальция, приращение концентрации которых соответствует растворенному гипсу.

Методика обработки опытных данных. Основой для обработки каждого опыта являлись численная зависимость концентрации ионов Са2+ от времени, величины рН, объема раствора (V), площади реакционной поверхности (S) и температуры. Расчет кинетических констант проводился по компьютерной программе, разработанный А.В.Леховым, в следующей последовательности:

1.Численным дифференцированием зависимости Cca2+-f(t) с последующей полиномиальной аппроксимацией методом наименьших квадратов рассчитывалась скорость растворения R, и по уравнению ln(Cmca2+-Cca2+)-lnOnca2+- - ksSt/V определялся коэффициент скорости растворения ke, см/с; Сшса2+, Сса2+ - концентрация Са2+ соответственно равновесия и на момент времени t).

2. Рассчитывался компонентный состав раствора, с учетом комп-лексообразования на основании теории Дебая-Яоккеля, при использовании уравнений электронейтральности, баланса массы и констант равновесия.

3. Для реакции взаимодействия гипса с водой (Са304-2Нг0 -Са2++БС>42~+2Н20) строился график зависимости К! от произведения активности компонентного состава раствора (см.ниже) и методом наименьших квадратов определялись параметры этой зависимости.

' Величина Б определялась по содержанию гипса в образце (6,мас.%) и коэффициенту шероховатости (л), полученному в опытах с гладкой и шероховатой поверхностями. Образцы для опытов были отобраны с прибрежной зоны Камского водохранилища и из керна скважин в районе строительства плотины Нижне-Кафирниганского гидроузла. Всего было проведено около 300 экспериментов.

Результаты опытов показали, что кинетическая форма реакции растворения гипса в воде

УЙ/Б - к - к'аса2+-а3042~ - к(1-1АРс/Ьс) представляет собой уравнение прямой линии в координатах И -аса2+•азо42-, где к,к'- константы скорости соответственно прямой и обратной реакции, ммоль-см~2-с-1; аса2+•аэсм2"-IАРй - произведение активности компонентов раствора; Ц; - произведение растворимости:

Значения к находятся в линейной зависимости от содержания в породах гипса (в,мае£). Для гипс-ангидритовых, ангидрито-гипсовых и доломито-гипсовых пород (6<80) к-1.63-10~66, для различных литоло-гических разностей гипса (90<6<100) - к - - 2.9-10-4 +4.41-10~66 (25°С). Температурная зависимость величины к в диапазоне 5+25°С подчиняется уравнению Аррениуса (значение энергии активации - 51 кДж/моль), И к - 2.27-105"+ 1.06-102~ке.

Концентрация насыщения ионов кальция в растворе при растворении литологических разностей гипса оказалась практически одинаковой Стса2+-0.0151 ммоль/см3 (25°С). Величина удельной поверхности растворения моно- и поликристаллического гипса (S"), слагающего поверхность трещин, в 10*20 раз больше, чем для единичной грани кристалла (S', т.е. гладкой поверхности; т> - S'/S"- 0.1+0.05).

С увеличением концентрации NaCl в растворе (до 2U; 25°С) уве- личивается скорость растворения гипса на границе раздела фаз при практически одинаковых значениях ка (за счет незначительной толщины пограничного слоя или его полного отсутствия). Аналогичные результаты получены и в опытах с водой реки Кафирниган. • На образцах загипсованной породы (песчаник; Nikf2; 25°С) оценивалась скорость выщелачивания гипса из порового пространства блока. За две недели толщина выщелоченного слоя (d) достигла всего 0.1+0.2 см, а концентрация ионов Са2+ в растворе не превышала 40Z от концентрации насыщения. Поэтому обработка данных проводилась по уравнению R - ка(Сп,- C)S/V (обозначения см.выше), в предпосылке постоянства величины d. Ориентировочные значения коэффициента диффузии ионов Са2+ оказались равными D - (2+4)•10-7ем2/е (ke-D/d; " d-0.1+0.2 см).

Таким образом, для определения величины пути насыщения раствора гипсом использовались значения к0, рассчитываемые с учетом полученных зависимостей (ke-f (k)-f (G,t°C,T0):

lgke-8.52+lgn(-2.58•102~+3.79•104~G)-2.54(1000/(273.15+t°C))

Растворение стенок единичной трещины. Использовалась модель А.В.Лехова в виде системы дифференциальных уравнений, описывающая массоотдачу трещины с параллельными и растворяющимися стенками, при ламинарном течении потока. На основе полученных А.В.Леховым результатов численного и аналитического решения уравнений, были

рассчитаны режимы растворения стенок трещины и значения длины пути насыщения раствора гипсом (1) в условиях, характерных для фильтрации основного объема подземных вод в массивах пород, а также в породах основания плотины Нижне-Кафирниганского гидроузла. Результаты расчетов показали, что:

1.Характерные значения 1 в трещинах при Ь<0.005 см и и<1 см/с могут составлять диапазон от самых минимальных величин до 1 м, а при Ь-0.5 см - до 2000 м.

2. Массоотдача трещин массивов пород, сложенных гипсом, может контролироваться тремя режимами растворения: кинетическим, диффузионно-кинетическим и диффузионным. А массоотдача трещин, через которые фильтруется основной объем подземных вод (Ь< 0.02 см; и<0.01 см/с; 1>5+25°С; Сщ-2*7 г/л) - кинетическим и диффузионно-кинетическим режимами. Величина 1 в таких условиях может принимать значения до 1 м.

3. Моделирование миграционного потока в основании плотины Ниж-не-Кафирниганского гидроузла целесообразно проводить без учета параметров кинетики растворения гипса, если размеры блоков сеточной модели больше 5 м.

Глава 4. Обоснование противофильтрационных мероприятий плотины Нижне - Кафирниганского гидроузла.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, приведенные в предыдущих главах, были использованы при изучении процессов растворения и выщелачивания гипса в породах основания плотины Нихне-Кафирниганского гидроузла (4-ый и 5-ый уровни изучения) . Характеристиками объекта были выбраны зависимости сушарного расхода фильтрационного потока (0) и суммарного выноса массы раст-

- 15 -

ворившегося гипса (М) от времени эксплуатации гидроузла.

Участок строительства расположен на Кафирниганском антиклинории - составной части Таджикской депрессии, где с 1984 года в Шаар-тузском районе на р.Кафирниган сооружается Нижне-Кафирниганский гидроузел с водохранилищем объемом 905 млн.м3. В настоящее время строительство гидроузла приостановлено, в связи со сложной политической обстановкой в Таджикистане.

Основание плотины и ее бортовые примыкания сложены породами, содержащими многочисленные прослои гипса, имеющими простирание параллельно руслу реки Кафирниган. При наполнении водохранилища возникает опасность интенсивного растворения гипсовых прослоев фильтрационным потоком, что может привести к деформации гидроузла. Целесообразность использования противофильтрационных мероприятий в данных условиях оценивалась по скорости и степени растворения/выщелачивания прослоев гипса (Б.С.Шержуков, Г.И.Покровский, Э.А.Демьянова и др.). В меньшей мере принималось во внимание изменение фильтрационных параметров массива пород.

Поэтому, автор попытался разработать методику учета изменения проницаемости пород (как результата протекания, только, процессов растворения и выщелачивания гипса), при конечноразностном моделировании фильтрации с использованием ПЭВМ. Вопросы, связанные с общеэкологической экспертизой, а также с процессами физико-химической и механической суффозии, не рассматривались.

Краткая харг.стеристика геологических и гидрогеологических условий района работ. В зависимости от литологических особенностей отложения расчленяются на три пачки - нижнюю (^к^), среднюю (N1(^2) и верхнюю (ЫхкГз). Литологически это переслаивающиеся пласты песчаников красновато-коричневых, коричневых и серых, поли-миктовых, крупно- и среднезернистых, а также аргилитов и алевроли-

тов. С преобладанием порового и пленочного типов цемента гипсового, карбонатно-гипсового и железисто-глинистого состава.

В тектоническом отношении территория представляет асимметричную синклиналь, вытянутую с севера на юг, со встречным падением пород под углами 45°+55°. Преобладают три системы трещин, совпадающие с ориентировкой разломов (1-я - по напластованию пород).

Гипс в породах встречается в двух генерациях: I - в виде заполнителя трещин-гипс мономинеральный; II - дисперсный и поверхностный гипс, развитый в виде пленочного и контактового цемента, включений, гнезд и пр. Верхняя часть разреза коренных отложений (до 40 метров) интенсивно выветрена, выщелочена и промыта. Трещины ниже этой зоны выполнены белым кристаллическим гипсом.

Выделяются два типа подземных вод: грунтовые поровые воды четвертичных отложений и трещинно-поровые воды коренных пород, представляющие собой единый водоносный горизонт. Анализ распределения удельных водопоглощений по створу плотины показал (А.В.Малоземов), что вне зоны современного воздействия экзогенных процессов (глубина более 8+25 м) трещинные воды кафирниганских отложений отличаются относительно низким фоном проницаемости-удельный дебит менее 0.003 л-мин_1-м~2, практически близкий к 0. А в верхней части разреза, удельный дебит возрастает в 2-3 раза до 0.014+0.017 л-мин-1-м~2, т.е. породы могут рассматриваться как слабопроницаемые. Зоны повышенной проницаемости имеют локальный характер распространения, связаны, как правило, с тектоническими нарушениями, повышенной трещиноватостью и загипсованностью. Разница между фоновой и локальной проницаемостью оценивается в 2-3 порядка.

Вода реки Кафирниган в нижнем ее течении характеризуется повышенной минерализацией - 0.5 г/л. Минерализация грунтовых вод -1.8*20 г/л (рН-7.3+7.7; Ь-20°С), а их химический состав соответс-

твует главным образом сульфатно-натриевому подтипу сульфатного типа вод (классификация Курнакова-Валяшко). Результаты расчетов равновесий, проведенных М.Д.Порывкиной методом минимизации свободной энергии (по программе GIBBS), показали что:1-грунтовые воды в различной степени недонасыщенны по гипсу (0.5+1.8 г/л);2-при смешении грунтовых вод с водой реки Кафирниган растворяющая способность раствора относительно гипса увеличивается и достигает максимального своего значения (3.06 CaS04 г/л) в "чистой речной воде", т.е. при замещении трещинных вод водами из водохранилища не будут формироваться более агрессивные по отношению к гипсу растворы.

Изучение процессов растворения и выщелачивания гипса на опытном участке проводилось для определения зависимости пористости от проницаемости пород. Предполагалось, что процессы растворения и выщелачивания гипса 1-ой генерации протекают гораздо быстрее, чем П-ой, и, следовательно, изменение проницаемости массива будет определяться только изменением проницаемости трещин. Поэтому, рассматривалась модель Е.С.Ромма, основанная на наиболее общепринятых понятиях о трещинах, т.е. как о щелях с первоначально гладкими и параллельными стенками. Ее (модели) соответствие природным условиям залегания загипсованных пород на исследуемой территории оценивалось по результатам обработки экспериментальных данных опыта по фильтрации между траншеями.

Участок опытных работ расположен в 400 м юго-западнее правобережного примыкания створа плотины. В его геологическом строении принимают участие породы нижне-кафирниганской свиты нижнего неогена Nikfi, представленные пластами среднезернистых песчаников и пластом алевролита. На территории участка были пройдены параллельно друг другу на расстоянии 5 м три траншеи, глубиной 5 м и шириной 2 м. Фильтрация осуществлялась посредством налива воды реки

Кафирниган в центральную (напорную) траншею и наблюдениями за фильтрующейся водой в крайних (наблюдательных) траншеях. Выбор участка, методика проведения опыта и первичная обработка данных (зависимости сухого остатка и расхода воды в наблюдательных траншеях от времени) осуществлялась В.П.Трегубко (Таджикгипроводхоз).

Обработка зависимостей, полученных В.П.Трегубко, проводилась на основании моделей массоотдачи единичной трещины и элемента массива растворимых трещиноватых пород, разработанных А.В.Леховым (в предпосылке диффузионного режима растворения стенок трещин) и с учетом теоретических концепций Е.С.Ромма. Предполагалось, что количество массы растворенного гипса и легкорастворимых солей (М), фильтрующееся в траншею, прямо пропорционально расходу потока (<3), коэффициенту массоотдачи элемента массива (в), объему профильтровавшейся воды (V), времени фильтрации (Ь) и разности концентраций,- соответственно насыщения (Сщ) и среднетекущей (С) (задача решалась в стационарной постановке относительно пористости пород), т.е. с1М/сК. - СКСщ-С) - В(Ст-С)У В результате обработки данных, полученных В.П.Трегубко, были определены значения коэффициентов массоотдачи элемента массива и единичной трещины. Значение коэффициента массоотдачи единичной трещины соответствует его теоретическому значению, что косвенным образом подтверждает предположение о соответствии модели Е.С.Ромма условиям фильтрации в трещинном пространстве загипсованных пород на территории строительства плотины.

Моделирование изменения проницаемости пород основания плотины в результате протекания процессов растворения и выщелачивания гипса. Решалась профильная задача с различным расположением и длиной против офильтрационных завес и гипсовой отсыпкой перед понуром, на основе фильтрационной схемы, обоснованной исследованиями, проведен-

ними Союзгипроводхозом, Таджикгипроводхозом, ВНИИ ВОДГЕО и ЛОГС МГУ (рис.1).

Моделирование фильтрационного потока и массопереноса осуществлялось при помощи программы "TRANSFER" (А.В.Лехов,А.Л.Петров,М.Ы.Кузнецов). Общий алгоритм расчета изменения фильтрационных параметров основывался на дискретизации процесса увеличения проницаемости пород во времени. Предполагалось, что характерное время стабилизации процессов массопереноса меньше характерного времени изменения проницаемости. Минимальный размер "расчетных блоков" был равен 5 м (глава 3), а увеличение их проницаемости определялось процессами растворения и выщелачивания прослоев гипса в трещинном пространстве пород. Содержание гипса в породе (N) соответствовало ее пористости (п), величина которой рассчитывалась из зависимостей, предложенных Е.С.Роммом: N-n-ЗЬГ, Ь-(к'/(2Г))1/э, k-k'v/g (Г-0.01+0.09 - густота трещиноватости.см-1; b-(4.7*2.5)-Ю-3-раскрытие трещин,см; ki-2.89-Ю-4-коэффициент фильтрации, см/с; к'- 2.95-10~9-проницаемость, см; v-O.Ol-кинематический коэффициент вязкости,см2/с). С учетом этих параметров N - 0.0003+0.0007.

Расчет величины выноса массы растворившегося гипса (ДМ) в расчетном блоке основывался на двух формах переноса: конвекцией или поперечной дисперсией. Учитывалась та форма переноса, согласно которой величина ДМ принимала максимальное значение. Затем, по величине ДМ определялась длина зоны полного растворения гипса 1-ого блока и через его фильтрационные сопротивления (зоны полного растворения и загипсованной породы) рассчитывался коэффициент фильтрации, который присваивался этому блоку на следующем шаге моделирования.

Величина Q определялась суммой фильтрационных расходов блоков (£q) в нижнем бъефе для данного временного шага. После чего дан-

Рис

I -3 -

5 -

6 -

,1 Схема расположения области растворения и выщелачивания гипса из трещин, в основании плотины Нихне - Кафирниганского гидроузла : аодальто-бетонный экран, 2 - а сфаль то-бе тонный вонур, гипсовая отсыпка, 4 - противорильграционная завеса, область растворения к выщелачивания гипса из трещин, линии тока.

■о &

трмое хомидоа! Мрамое хмсоарсм!

длина области растворения и выщелачивания гипса.

м

Рис.2 Растворение и выплачивание гипса из трещин в зависимости от Бремени (см.область растворения ...рис.1).

ные наносились на график зависимости вида Q-f(t). Аналогичным образом строился график зависимости вида M-f(t), т.е. для каждого 1-ого блока м-Cq и M-Iw.

, Результаты моделирования показывают, что процессы выщелачивания гипса наиболее интенсивно протекает на участках кровли слоя загипсованных пород (рис.1-2). На таких участках происходит образование характерных "ям". А максимальное приращение расхода (Q) происходит за первые 5+10 лет, т.е. когда процессы растворения и выщелачивания протекают на верхней границе слоя загипсованных пород. При таком характере протекания процессов выщелачивания, величина Q, за расчетный период, без использования противофильтрационных мероприятий, увеличилась только на 1 ОХ.. А применение завесы не только утратило эффективность, уже к первой половине расчетного периода, но даже увеличило общее количество растворившегося гипса (всего, за

100 лет из пород основания плотины может быть выщелочено 47000 и

*

60000 т гипса, соответственно, без завесы и с завесой).

Проведенный анализ возможных изменений величин Q и М при использовании различных противофильтрационных мероприятий ограничивался определенными условиями фильтрации (ki-0.25 м/сут; кг-0.01+0.05 м/сут; п-0.0007+0.003), которые можно считать фоновыми для пород основания плотины и при которых применение "защитных средств" (а также, и гипсовой отсыпки) является нецелесообразным.

В зонах повышенной фильтрационной проницаемости (ki>0.25 м/сут; кг> 0.01 м/сут) величины Q и М могут иметь большие значения. В этом случае, применение противофильтрационных мероприятий должно обосновываться допустимыми значениями Q и Ы для данной зоны. Очевидно, что на данном этапе исследований, без специализированной компьютерной программы, не представляется возможным рассмотрение всех реально-выполнимых вариантов противофильтрационных мероприя-

тий для определения оптимального среди них, так как, подобный выбор должен основываться на размерах таких зон, их фильтрационных параметрах, допустимых значениях <3 и М, времени эксплуатации гидроузла, расположении и размеров завес, понура и отсыпки. Кроме того, необходим учет изменения значений <2 и М в зависимости от протекания процессов растворения и выщелачивания на "поверхности кровли" слоя и в его объеме.

Заключение

Основные результаты исследований были получены при последовательном изучении и переходе: от процессов растворения, в масштабе единичной грани кристалла гипса и поверхности трещины, до процесса массообмена в масштабе всего массива пород. Их можно сформулировать следующим образом (защищаемые положения):

1.Параметры кинетики растворения поверхности стенки единичной трещины в породах, содержащих гипс, находятся в линейной зависи-. мости от содержания гипса в породе, "подчиняются" температурной зависимости Аррениуса, инвариантны относительно растворов с концентрацией хлорида натрия до 2-х молей. Удельная реакционная поверхность стенки трещины, сложенной гипсом, в 10+20 раз больше, чем ее "визуально-видимая" поверхность.

2. Массоотдача трещин массивов пород, сложенных гипсом, в условиях фильтрации основного потока, т.е. при раскрытиях трещин меньших, чем 0.02 см и скорости течения в них подземных вод, не превышающей 0.01 см/с, контролируется кинетическим или диффузионно-кинетическим режимами. При постоянной скорости потока влияние температуры и раскрытия на массоотдачу тащис трещин проявляется более сильно, чем влияние параметров кинетики растворения гипса и коэф-

фициента диффузии. В таких условиях величина пути насыщения раствора гипсом может достигать одного метра.

3. Бри исследозании процесса массоотдачи элемента массива загипсованных трещиноватых пород на опытном участке, установлено соответствие коэффициента массоотдачи единичной трещины, его теоретическому значению, при натурных значениях густоты трещиноватости и в предпосылке одинакового раскрытия всех трещин. Методика расчета коэффициента массоотдачи единичной трещины основывается на зависимости трещинной пористости от проницаемости пород, поэтому, используемая зависимость справедлива и для всего массива т.е., в данном случае, для пород основания плотины Нижне-Кафирниганского гидроузла.

4. При конечноразностном моделировании процесса массообмена в массивах загипсованных трещиноватых и трещиновато-пористых пород с подземными водами расчеты параметров проницаемости блоков модели, основываются на механизме доминирующего переноса (конвекцией или поперечной гидродисперсией), согласно которому растворяется наибольшее количество гипса, что позволяет создать определенный "запас прочности" при решении задачи. Минимальные линейные размеры блоков определяются с учетом значений длины пути насыщения потока гипсом, в единичной трещине, для соответствующих условий.

5.При фильтрации подземных вод ненасыщенных гипсом, через горизонтально залегающей слой загипсованных трещиноватых пород выделяются две области последовательного протекания процессов растворения и -выщелачивания гипса: соответственно, на поверхности кровли и "внутри" слоя. В первой области перенос осуществляется конвекцией и поперечной дисперсией, во второй - преимущественно конвекцией. Если увеличение проницаемости массива определяется, главным образом, за счет протекания процессов растворения и выщелачивания

в 1-й области, то применение противофильтрационных мероприятий может оказаться нецелесообразным, как в случае фильтрации в породах основания проектируемой плотины Нижне-Кафирниганского гидроузла.

1.Кинетика и динамика растворения известняков. - Геохимия,1984, N 11, с.1757-1766 (в соавторстве с А.В.Леховым, Л.М.Фокиной).

2.Экспериментальное исследование кинетики растворения гипсов и ангидритов.- В сб.: Термодинамика в геологии. Материалы I Всесо-юз.симпозиума. 12-14 марта 1985, (г.Суздаль).. - Черноголовка, 1985, т.1, с.191-192 (в соавторстве с А.В.Леховым).

3.Методика лабораторного определения скорости растворения сульфатных пород.- В кн.: Гидрогеологические исследования на застраиваемых территориях. М.: Наука, 1988, с.81-87.

4.Кинетика растворения природного гипса в воде при 5-25°С. -Геохимия, 1989, N 6, с.865-874 (в соавторстве с А.В.Леховым).

5.К методике экспериментального исследования кинетики растворения минералов. -Тезисы докладов: 5 Всесоюз.симпоз. по кинетике и динамике геохимических процессов. 23-25 мая 1989, (пос.Черноголовка, Москов.обл.).-Черноголовка, 1989,с.'145-146 (соавтор А.В.Лехов).

6.К вопросу учета параметров кинетики химических реакций в моделях геомиграции. *- Сб.научн.тр.: Защита подземных вод от загрязнения в районах проектируемых и действующих хвостохранилищ (под редакцией В.И.Сергеева). М.: МГУ, 1992, с.25-31.

7.Кинетика растворения литологических разностей гипса. - В сб.: Инженерная геология карста. Доклады международного симпозиума.6-8 июля 1992, (г.Пермь). - Пермь, ПГУ, 1993, с.УО-яа

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Тип МГУ Закат N 1205 Тираж 100