Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Мелиорация дисперсных грунтов водным раствором поливинилового спирта с целью защиты от эрозии

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Мелиорация дисперсных грунтов водным раствором поливинилового спирта с целью защиты от эрозии"

5"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. Ломоносова ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ГЕОКРИОЛОГИИ

На правах рукописи

\j\J-

Елисеев Александр Витальевич

МЕЛИОРАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ ВОДНЫМ РАСТВОРОМ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА С ЦЕЛЬЮ ЗАЩИТЫ ОТ ЭРОЗИИ

Специальность 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

автореферат 2 6 НОЯ 2009

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва-2009

003484953

Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, Чеверев Виктор Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, Грива Геннадий Иванович

кандидат геолого-минералогических наук, Рязанов Александр Викторович

Ведущая организация:

ООО "Газпром добыча Надым'

Защита состоится 20 2009 г., в 14-30 на заседании диссертационного совета

Д 501.001.30 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ, геологический факультет, ауд. 415.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, сектор А, 6 этаж.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного совета, В.Н. Соколову.

Автореферат разослан_

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.30

доктор геолого-минералогических наук, профессор Соколов В.Н.

Актуальность темы работы.

Защита естественных и техногенных массивов дисперсных грунтов от размыва является одной из самых актуальных проблем на территории севера Западной Сибири.

На данный момент не существует универсального способа позволяющего решить указанную проблему. Область рационального применения существующих методов защиты дисперсных грунтов от эрозии достаточно ограниченна, поэтому использующиеся на практике методы часто применяются в несвойственных для них условиях, что приводит либо к завышенной стоимости профилактических работ (использование геоматериалов), либо их низкой эффективности (использование торфо-грунтовой смеси).

В данной работе предлагается способ защиты дисперсных грунтов, который может использоваться на территории севера Западной Сибири (на примере месторождения "Медвежье") на талых и немерзлых фунтах при углах наклона поверхности до 15 градусов.

Цель и задачи работы. Основная цель работы - разработка нового метода защиты дисперсных грунтов от эрозии, основанного на применении водного раствора поливинилового спирта (ПВС). При достижении указанной цели решались следующие задачи:

1. Обобщение существующей информации об эрозионных процессах, выделение основных факторов эрозии.

2. Типизация методов рекультивации карьеров и закрепления эрозионных склонов со снятым почвенным слоем.

3. Разработка теоретической модели поведения раствора ПВС внутри дисперсных грунтов.

4. Разработка лабораторной методики, предназначенной для изучения поведения раствора ПВС в дисперсных грунтах.

5. Проведение опытно-производственной апробации нового метода.

6. Разработка проекта нового технологического регламента защиты грунтов от эрозии на основе применения растворов поливинилового спирта малой концентрации на различных дисперсных грунтах.

Научная новизна и практическая значимость работы

1. Впервые исследована закономерность перераспределения поливинилового спирта в поверхностном слое грунта при его использовании как мелиоранта для закрепления грунтов от эрозии.

2. Впервые определены оптимальные интервалы концентраций раствора ПВС, при которых формируется защитная полимерная пленка в поверхностном слое грунтов различной дисперсности.

3. Разработана новая методика лабораторных исследований, направленная на определение механизма поведения раствора ПВС в различных дисперсных грунтах.

4. Разработана новая методика защиты фунтов от водной эрозии с учетом их различной дисперсности на основе применения гелеобразующего раствора ПВС в летнее время года.

5. Разработан проект нового технологического регламента защиты грунтов от эрозии на основе применения растворов поливинилового спирта малой концентрации с более широкой областью применения по видам грунтов по дисперсности.

В представленной работе впервые получены и выносятся на защиту следующие результаты:

1. Новая лабораторная методика исследования механизма взаимодействия дисперсных грунтов с раствором поливинилового спирта, которая основана на анализе распределения влаги и полимера по глубине грунта в момент начала формирования профилактического покрытия и в момент завершения этого процесса.

2. Формирование противоэрозионного защитного профилактического покрытия зависит от удельного содержания пылеватых и глинистых частиц в грунте, которые стремятся обезвожить полимер, что уменьшает его миграцию к поверхности испарения и, соответственно, ухудшает качество полимерного покрытия. Это требует уточнения рабочих концентраций раствора полимера для надежного обеспечения противоэрозионного эффекта на грунтах различного литологического типа.

3. Диапазоны оптимальных концентраций водного раствора поливинилового спирта при защите различных дисперсных грунтов от эрозии изменяются в

следующих пределах: пески - 1,0 - 1,5 %; супеси - 1,5-2 %; суглинки -2,0 -2,5 %; глина - метод неэффективен.

4. Новая методика закрепления грунтов различной дисперсности от водной эрозии на основе применения гелеобразующего раствора ПВС в летнее время года. Эффективность метода подтверждена в ходе его опытной апробации на месторождении Медвежье.

5. Проект нового технологического регламента защиты грунтов от эрозии на основе применения растворов поливинилового спирта малой концентрации с более широкой областью применения по видам грунтов по дисперсности.

Практическая значимость и реализация результатов.

Материал, полученный в период исследований, был использован организацией ООО Надымгазпром для защиты от ручейковой и речной эрозии участка газопровода подземного заложения месторождения Медвежье в месте его перехода через реку Хе-Яха. На основе результатов исследований и опытно-промышленной апробации составлен проект нового технологического регламента. Полученные результаты в целом вошли в спецкурс лекций «Рекультивация эродированных и нефтезагрязненных грунтов на Севере» по магистерской программе «Экологическая геокриология». Личный вклад автора.

В ходе работы над диссертацией в период с 2003 по 2007 годы автор лично принял участие в создании опытного полигона на одном из песчаных карьеров месторождения Медвежье, проводил полевые эксперименты, документировал, обрабатывал и анализировал результаты полевых исследований, разрабатывал методику лабораторных исследований, планировал и выполнял специальные опыты.

Кроме того, автор принял непосредственное участие в опытно-промышленной апробации разработанной технологии при защите от опасной водной эрозии участка газопровода подземного заложения на территории месторождения Медвежье. Структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы из 61 наименования. Она содержит 152 страницы, 60 рисунков и таблиц.

Публикации.

Работа опубликована в материалах 4 конференций и в 2 реферируемых журналах из списка ВАК (Промышленное и гражданское строительство; Криосфера Земли), доложена на научном семинаре кафедры геокриологии геологического факультета МГУ. Апробация работы.

Материалы диссертации представлены и обсуждены на ряде конференций: Третьей всероссийской конференции геокриологов России, июнь 2005, МГУ; Научно-производственной конференции "Проблемы инженерно-геологического обеспечения строительства объектов нефтегазового комплекса в криолитозоне", ноябрь 2005 г., ОАО ПНИИИС; Международной научной конференции "Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменения", май 2006, г. Тюмень; Международной конференции "Криогенные ресурсы полярных регионов", июнь 2007, г. Салехард. Благодарности.

Автор благодарен за помощь в работе: к.г.н. И.И. Шамановой, к.г.-м.н. В.П. Чернядьеву, A.B. Бершову, коллективу кафедры геокриологии. Особую благодарность за постоянное внимание и консультации автор выражает своему научному руководителю, д.г.-м.н. В.Г. Чевереву.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы работы, представлены ее цели и структура и анонсированы результаты, которые выносятся на защиту.

Глава 1. Современные представления об эрозионных процессах на севере Западной Сибири. В работе под эрозией понимается процесс разрушения горных пород водным потоком, что в совокупности с гравитационными склоновыми процессами ведет к образованию различных эрозионных форм. (Геологический словарь...., 1978). В рамках определения рассматриваются плоскостная (плоскостной смыв) и линейная (сосредоточенная) эрозии.

При изучении эрозии рассматривались следующие факторы, влияющие на ее развитие: климат, растительный покров, различные дисперсные грунты как фактор эрозии, рельеф. Последующий обзор методов защиты грунтов от эрозии сделан с учетом приведенных факторов.

Глава 2. Современное состояние проблемы защиты дисперсных грунтов от эрозионных процессов на севере Тюменской области. Решением проблемы защиты дисперсных фунтов (в том числе и на севере Тюменской области) от эрозионных процессов занималось большое количество людей (Ананенков и др., 2000; Годунова, 2001; Зарубин, 1997; Лобастова, 1981; Медко, 2005; Штина, 1991; и ДР-Х

Все многообразие существующих методов защиты дисперсных грунтов от эрозионных процессов сводится к двум основным принципам:

1) формирование противоэрозионных форм рельефа местности;

2) создание противоэрозионного профилактического покрытия.

Суть методов реализующих первый принцип заключается в целенаправленном изменении морфологии эрозионных участков для исключения перехода эрозионно-безопасного поверхностного стока в эрозионно-опасный ручейковый сток. Для этого производятся мероприятия по выполаживанию поверхности склона и придания ему максимально возможной рациональной формы. Это необходимо для уменьшения энергии размывающего потока, и предотвращения концентрирования водного потока в виде крупных ручьев. Также склон дополнительно улучшается с помощью создания различных перегородок и препятствий на пути плоскостного смыва для поднятия местного базиса эрозии.

На практике перечисленные мероприятия проводятся на стадии первичной технической обработки местности.

Все методы по созданию противоэрозионных профилактических покрытий (второй принцип) можно разделить на четыре основные подгруппы: самовосстановление, биологическая защита, инженерно-биологическая защита, инженерная защита.

Самозарастание. Данный подход не предполагает проведения каких-либо защитных мероприятий и может использоваться на плоских поверхностях сложенных глинистыми грунтами.

Биологическая защита. В данном подходе в качестве защитного покрытия для дисперсных грунтов используется растительный покров. Этот подход применим на относительно пологих склонах.

Инженерно-биологическая защита осуществляется в два этапа: на первом формируется временное профилактическое покрытие, которое защищает

поверхность грунта от размыва и создает благоприятные стартовые условия для прорастания растений-рекультивантов. Профилактическое покрытие существует до тех пор, пока растения-рекультиванты не сформируют непрерывный растительный покров. Этот покров используется в качестве долговременной защиты. Инженерно-биологический подход можно применять для борьбы с эрозией и термоэрозией на относительно крутых склонах с углом наклона примерно до 10-15 градусов в зависимости от метода.

Инженерная защита — исключительно надежный подход к защите грунтов от размыва. Предполагает применение искусственных покрытий для обеспечения долговременной защиты от эрозионных процессов. Позволяет бороться с эрозией в

В данной работе разрабатывается новый метод инженерно-биологической защиты дисперсных грунтов от эрозии, прототип которого, с непосредственным участием автора, был разработан В.Г. Чеверевым и В.В. Медко (Чеверев, Медко, Видяпин, Елисеев, 2005).

Глава 3. Свойства поливинилового спирта и опыт его применения. Поливиниловый спирт получается путем омыления раствора поливинилацетата, и имеет химическую формулу - (СНгСНОН),,. Он является карбоцепным полимером, углеродная цепь которого представляет собой плоский зигзаг. В состав межмолекулярных сил связи полимера входят дипольные, индукционные, дисперсные и водородные силы связи. Причем, водородные связи являются наиболее сильными, и их возникновение между цепями определяет значительное увеличение межмолекулярного притяжения. Поливиниловый спирт химически и биологически инертен, не взаимодействует с кислотами, щелочами и нефтепродуктами, стоек к свету, не восприимчив к многократному промерзанию -оттаиванию, увлажнению - высушиванию, действию микроорганизмов.

В настоящей работе использовался ПВС марки В-1Н с содержанием ацетатных групп 6,2 %, молекулярной массой 7000, динамической вязкостью 4% раствора 20*103 сп. и растворимостью не менее 99,9 % производства ОАО "Невинномысский Азот".

Опыт применения поливинилового спирта. Начало исследованиям, проведенным в данной работе, положил В.Г. Чеверев. Было установлено, что при заморозке обработанного грунта на его поверхности образуется прозрачная пленка, которая при оттаивании не разрушается. При увлажнении пленка становится

эластичной, но не распадается на части. Таким образом, происходит связывание поверхностной массы частиц грунта, препятствующее его пылению и размыванию. Имея такое профилактическое покрытие, грунты после протаивания не подвергаются водной и ветровой эрозии.

Следует отметить, что образование профилактической полимерной пленки с помощью естественного замораживания обработанного дисперсного грунта оказался сложным в практической реализации, поэтому был предложен способ формирования защитного покрытия в теплое время года. В этом случае после пропитки верхнего слоя песчаного грунта, полимер, в течение первых двух-трех часов начинает подсыхать и за короткий срок структурируется в грунте с образованием пленочного профилактического покрытия. Такие работы были проведены нами летом 2003 года на закрытой части действующего карьера в районе п. Пангоды месторождения Медвежье, где был организован опытный полигон.

Эксперименты проводились в кварцевых аллювиальных песках характеризующихся следующими свойствами: р5 песка колеблется от 2,66 до 2,67 г/см3, Ра в рыхлом сложении от 1,40 до 1,42 см3, рл в предельно плотном сложении изменяется от 1,71 до 1,74 г/см3, в естественном от 1,61 до 1,68 г/см3, Кф меняется от 1,23*10"3 до 1,27* 10"3 см/сек. Гранулометрический состав песка опытных площадок представлен в табл. 1.

Тип грунта по Гост 25-100-95 Содержание частиц различного размера (в мм), %

Песок средней крупности >2 2-1 1-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 <0,1

5,0 4,4 13,6 31,2 23,2 22,6

Табл.1. Гранулометрический состав песка на опытных площадках

В результате проведенных работ была отработанна полевая методика проведения профилактических работ связанных с применением раствора совместно со стандартной биологической рекультивацией, установлен рабочий диапазон концентраций раствора поливинилового спирта (0,5 - 2 %) при использовании метода на песчаных грунтах. Также в процессе исследований было отмечено, что при использовании поливинилового спирта на песчаных грунтах с добавкой монтмориллонитовой глины происходит смещение оптимальных концентраций раствора в сторону их увеличения. Это говорит об определенном взаимодействии ПВС с частицами грунта и ограничивает область распространения полученных на

опытном полигоне результатов грунтами опытного карьера. Для расширения области применения раствора ПВС на различные типы грунтов потребовались дополнительные лабораторные исследования.

Глава 4. Лабораторные исследования по разработке нового способа защиты грунтов от эрозии. Комплекс лабораторных исследований являлся логическим продолжением предыдущей полевой части исследований и проводился для решения следующих двух задач: 1) исследования механизма распределения ПВС внутри дисперсных грунтов; 2) определения диапазона оптимальных концентраций раствора, при которых формируется защитное полимерное профилактическое покрытие для различных типов дисперсных грунтов.

Характеристика грунтов использованных в лабораторных исследованиях. Эксперименты проводились на трех различных грунтах: песок пылеватый, суглинок тяжелый пылеватый, глина тяжелая (табл. 2). Образцы были отобраны на месте проведения опытно - производственной апробации метода (Глава 5 диссертации) на участке газопровода подземного заложения в месте его перехода через приток реки Хэяха, недалеко от ГП-5. Суглинок и глина были взяты в естественном сложении из борта молодой овражной формы, развивающейся в коренных морских отложениях Салехардской свиты (т И2'4).

Глина отобрана в тугопластичной консистенции и характеризуется 1р = 29, р5 = 2.71 г/см3, рест = 1,92 г/см3. Суглинок также отобран в тугопластичной консистенции и характеризуется 1р = 15, р3 = 2.69 г/см3, рсст = 1,88 г/см3. Песок отобран в нарушенном сложении недалеко от уреза реки и имеет аллювиальный генезис (а!У) его характеризуют следующие показатели: = 0,14, р5 = 2.66 г/см3, рвлажн гр = 1,73 г/см3, Реух.гр. = 1,51 г/см3, асух гр = 45 , аводо„ас гр = 43 , Кф = 1,37* 10"4 см/с.

Все лабораторные грунты отобраны в талом состоянии. Гранулометрический состав лабораторных грунтов приведен в табл. 2.

Наименование грунта по Гост 25-100-95 Размер частиц в мм, содержание в %

>10 10-5 5-2 2-1 1-0,5 0,50,25 0,250,1 0,10,05 0,050,01 0,010,005 < 0,005

Глина тяжелая(т и2-4) 0,0 1,1 0,2 0,0 0,1 0,1 1,3 24,9 25,5 14,9 31,9

Суглинок тяжелый(/н II7'4) 0,0 0,0 0,0 0,0 2,8 13,8 25,7 22,6 13,3 7,2 14,6

Песок пылеватый (а!У) 0,0 0,0 0,0 0,2 4,2 10,2 43,8 41,6 0,0 0,0 0,0

Табл.2. Гранулометрический состав лабораторных грунтов

Методика лабораторных исследований. Сформулированные задачи лабораторных исследований были сведены к проведению следующих действий.

1. Определение суммарного испарения влаги из образцов.

2. Определение начального и конечного распределения влаги внутри опытных образцов.

3. Определения начального и конечного распределения полимера внутри опытных образцов.

Весь эксперимент прошел в два этапа. На первом этапе перечисленные определения проводились на грунтах, где произошло формирование профилактического покрытия — т.е. они находились в своем конечном состоянии. На втором этапе перечисленные определения проводились на грунтах, где еще не произошло формирование полимерного покрытия. То есть пропитка верхнего слоя грунтов была произведена, но эксперимент находился пока на своей первой стадии.

Подготовка грунтов к экспериментам состояла в следующем. Глинистые грунты высушивались и растирались ручным пестиком до порошкообразного состояния, песок только высушивался. Перед экспериментами образцы прожигались в муфельной печи при температуре 650 °С (ГОСТ 11306-83*) для удаления органических примесей с целью повышения точности и надежности результатов. Это было необходимо, так как распределение полимера по глубине грунта определялось методом выжигания.

Первый этап. Для выполнения работ в рамках первого этапа было подготовлено 5 образцов, которые помещались в стаканчики емкостью 200 мл. Грунт засыпался постепенно, небольшими порциями до отметки 170 мл с постоянным постукиванием металлической палочкой по стакану для достижения плотного состояния грунта, как это описано в книге "Практикум по грунтоведению" (Практикум по грунтоведению, 1993). Производился замер первоначальной массы образцов. Первоначальная масса образцов для каждого типа лабораторного грунта была одинаковой и составляла для песка 295,8 ± 0,5 гр., суглинка 283,9 ± 0,5 гр., глины 273,7 ± 0,5 гр. Это делалось для достижения одинаковой плотности сложения различных образцов одного грунта (при одинаковом объеме образцов равном 170 мл.). Далее каждый образец методом дождевания обрабатывался раствором ПВС нужной концентрации (0,0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 %). Объем раствора (30,18 мл на образец) определялся из расчета: площадь поверхности грунта в стаканчике

умножалась на слой в 1 см. Отметим, что по аналогичной методике определялся объем раствора и при полевых исследованиях. После на технических весах производился замер первоначальной массы образца, насыщенного раствором. Далее грунт помещался в прибор под струю воздуха для односторонней сушки образцов, что позволяло моделировать природную обстановку. Скорость воздушного потока сохранялась постоянной на протяжении всех опытов для получения сопоставимых результатов.

Эксперимент по первому этапу длился 24 ч, что по опыту полевых работ достаточно для формирования полимерного покрытия на поверхности фунта, замеры массы образцов грунтов производились через 5, 10, 30,60,120,180,240, 300, 480 и 1440 мин после начала опыта. Далее производилась разделка образцов на слои: полимерная пленка, 1 см от поверхности, 2 см, 3 см и оставшиеся 3 см грунта, то есть всего пять слоев. Если пленки не было — отбирали четыре слоя. Грунт перекладывался в алюминиевые бюксы, взвешивался на технических весах и помещался в сушильный шкаф на срок не менее 5 часов. После сушки, производился замер массы образцов сухих фунтов на технических весах, и рассчитывалась влажность каждого выделенного слоя для решения задачи № 2 (см. начало параграфа 4.2). В процессе измерений масса разных бюксов колебалась от 20,36 до 23,74 гр., влажных образцов (с бюксом) от 57,38 до 86,56 гр.

Абсолютная суммарная погрешность определения влажности (Aw) составила 0,53 - 0,845 %, при этом систематическая ошибка (ow) равняется 0,019 - 0,0119 %.

На следующей стадии высушенные образцы помещались в тигли, замерялась их начальная масса на аналитических весах. Масса тиглей равнялась 14,8138 -15,2729 гр., изначальная масса образцов (с тиглями) 32,14734 - 34,3352 гр. Далее грунт помещался в муфельную печь. Время выжигания в печи составляло 30 минут при температуре 650 °С (ГОСТ 11306-83*). Затем грунт взвешивался на аналитических весах, и по разнице начального и конечного веса рассчитывалась послойная концентрация полимера для решения задачи № 3 (см. выше).

Абсолютная суммарная погрешность определения ПВС (Апвс) составила 0,078 - 0,096 %, при этом систематическая ошибка (оПвс) равняется 0,0021 - 0,0023 %.

Второй этап. На втором этапе создавались такие же образцы по той же методике, как и для первой стадии данной серии, однако время испарения влаги из образцов определяется первым этапом, на котором фиксируется время начала

10

пленкообразования. Это видно по отклонению кривой скорости испарения влаги для образцов, обработанных полимером от эталонной кривой, полученной из образца, насыщенного чистой водой (рис. 1, точка *).

Необходимость выбора определенного времени разделки образца трактуется следующим обстоятельством: начальное распределение полимера - достаточно условное понятие. Для наших опытов, отличающихся повторением одних и тех же циклов, первостепенно важным было достижение максимально близкой сходимости условий, при которых мы делаем измерения интересующих нас величин. Установлено, что во всех образцах достаточно четко можно выделить только одну характерную точку (рис. 1, точка *) - момент времени, когда влияние полимерной пленки становится заметным. Этот момент проявляет себя отклонением кривой скорости испарения из образцов, обработанных полимером от эталонной кривой, полученной из образца, увлажненного чистой водой, то есть без полимера. В последующий после выделенной точки промежуток времени до окончания эксперимента уменьшение испарения из грунтов достигает 2 - 16% относительно эталонных образцов. Это объясняется, очевидно, уменьшением активной пористости грунтов вследствие кристаллизации полимера.

Во всех экспериментах было принято, что начальное распределение ПВС приходится на этот выделенный характерный момент времени, который для каждого типа грунта будет свой, отличающийся от других (рис. 1, точка *).

в р-рс

-0,0%

-4,0% —1,5% •<»2,0%

Рис.1. Удельное испарение влаги (Уп) с поверхности грунтов во времени, при обработке их раствором ПВС различной концентрации. А — песок, Б - суглинок Примечание: точка * указывает на момент времени, когда полимерная пленка оказывает видимое влияние на испарение влаги с поверхности

Результаты лабораторных исследований. После попадания раствора внутрь грунта, он задерживается в верхней части массива, причем, чем выше концентрация раствора, тем большая его часть задерживается (рис. 2). Эффект повышения влажности первого двухсантиметрового слоя и ее соответственного уменьшения в нижележащих слоях при повышении концентрации раствора связан с тем, что коэффициент фильтрации (Кф) грунта по отношению к раствору уменьшается с увеличением содержания ПВС в растворе. Данный эффект был обнаружен во время первоначальных полевых исследований. Тогда в лабораторных условиях через образцы карьерного песка фильтровались растворы ПВС различных концентраций.

В результате Кф грунтов по отношению к растворам менялся от 10 м/сут до 2,1 м/сут на чистом песке и 5,7 м/сут до 0,12 м/сут на песке с добавлением монтмориллонитовой глины (Чеверев, Медко, Видяпин, Елисеев, 2005). По аналогии с повышением концентрации раствора при увеличении дисперсности грунтов, в первоначальный момент времени, все большая часть раствора задерживается в их первом двухсантиметровом слое и, соответственно, меньшая проникает в нижние "горизонты" (рис. 3).

Рис. 2. График начального распределения весовой влажности с глубиной (Н) песка, обработанного полимером различной концентрации.

В итоге получается, что после попадания в грунт, в первоначальный момент времени, раствор в основном "задерживается" в верхнем двухсантиметровом слое, частично проникая в более глубокие "горизонты". После впитывания в грунт вода движется в двух направлениях: вверх и вниз. Вниз в результате диффузии и градиента влажности, а вверх в результате испарения.

Рис. 3. Начальное распределение влажности (\У) по глубине (Н) грунта, в зависимости от его типа.

Данные приведены для концентрации раствора ПВС равной 1,5 % При сравнении данных по начальному и конечному распределению весовой влажности видно, что вода постепенно перемещается из верхнего двухсантиметрового слоя в нижние "горизонты". Например, для песка, в целом, влажность на глубине 4 см в промежуток времени от начала до конца эксперимента увеличивается с 0,5 % до 3,1 % - 9,5 %. Минимальное значение весовой влажности (\У=3,1 %) на глубине 4 см соответствует 2 % раствору ПВС, максимальное (\У=9,5 %) 0,5 % раствору. Подобный эффект также наблюдается и в других разновидностях дисперсных грунтов - суглинках (рис. 4) и глинах. На приведенном графике видно, как вода за время опыта переходит из верхнего двухсантиметрового слоя в нижний "горизонт". Также, в конце опыта, значение весовой влажности на глубине четыре сантиметра закономерно понижается с увеличением концентрации ПВС в растворе.

Рис. 4. Распределения весовой влажности (\У) с глубиной (Н) образца суглинка, в начале и конце эксперимента. Грунт обработан раствором ПВС 1 % концентрации

При увеличении дисперсности грунта количество воды проникающей на глубину четыре сантиметра за все время опыта закономерно уменьшается в пределах одной и той же концентрации раствора ПВС. Рассмотрим песок, суглинок и глину, обработанных 1 % раствором полимера. В конце опыта на глубине 4 см в песке весовая влажность равна 8,9%, в суглинке -6,8 %, глине -2.1 %. Помимо движения вглубь грунтов вода активно испаряется с их поверхности. Весовая влажность верхнего двухсантиметрового слоя песка в первоначальный момент времени колеблется от 20,2 % до 30,1 %, в последствии значение влажности уменьшается до 11,9 — 17,5 %. При этом от 25 % до 35 % этой "ушедшей" влаги проникает внутрь песка, остальная часть испаряется.

Испарению воды с поверхности препятствует образующаяся полимерная пленка. На песке "политом" чистой водой суммарное удельное испарение за 24 ч составило 6,14 г/см2, 0,5 % раствором 5,44 г/см2, 1 % раствором 5,34 г/см2, 1,5 % раствором 5.21 г/см2 , 2 % раствором 5,12 г/см2 . При увеличении дисперсности грунтов эффект уменьшения испарения воды с поверхности с увеличением концентрации раствора сохраняется, но в несколько меньшей степени, так как образованию полимерного покрытия мешает пылеватые и глинистые частицы грунта. В крайнем проявлении эффекта, на глинах, увеличение концентрации раствора от 0 % до 2 % не позволяет уменьшить суммарное удельное испарение влаги с поверхности глины до значений сопоставимых с теми, что были получены на песке.

В песке при увеличении концентрации раствора ПВС от 0 % до 2 % происходит уменьшение суммарного удельного испарения влаги (Уп) на 16%. В глине при соответствующем увеличении концентрации раствора уменьшение суммарного удельного испарения влаги несколько меньше: с 7,92 г/см2 до 7,61 г/см2 или на 3,7 %. При этом абсолютное значение Уп на песке и глине обработанных 2 % раствором разнятся на 38 %, что связано с увеличением активной поверхности испарения у глин и отсутствием полимерной пленки.

Подытоживая сказанное, получаем, что вода, попадая в дисперсный грунт вместе с раствором ПВС, в первоначальный момент времени (5-30 мин) концентрируется преимущественно в верхнем двухсантиметровом слое и частично проникает в нижние слои. Количество влаги попавшей на глубину 4 см закономерно уменьшается согласно уменьшению Кф растворов разной концентрации и

уменьшению фильтрующей способности самих дисперсных грунтов. Далее, в течение всего опыта (24 ч) вода перемещается в двух направлениях вниз, под действием силы тяжести и градиента влажности и вверх в результате испарения с поверхности. Перемещение воды внутрь грунта тем более интенсивно, чем менее концентрированный раствор наносится на поверхность грунта и чем менее дисперсный грунт рассматривается.

Движение воды вверх примерно в 3 - 4 раза интенсивней, чем вниз, так как на границе раздела фаз (грунт - атмосфера) градиент потенциала влажности значительно больше, чем внутри самой дисперсной породы. Интенсивность испарения влаги уменьшается при формировании полимерного покрытия на поверхности грунтов. В пределах одной дисперсной породы испарение тем меньше, чем более концентрированным раствором ПВС он был обработан. На песке уменьшение суммарного удельного испарения (Уп) при обработке его 2 % раствором на 16 % меньше, суглинке на 5 %, глине на 3,7 %. Уменьшение разницы в величине Уп связано с тем, что при увеличении дисперсности грунтов все более затруднено образование полимерного покрытия.

Теперь отдельно проследим за перемещением полимера внутри дисперсных грунтов во время опытов. Характер начального распределения ПВС внутри массива грунта подобен характеру распределения влаги, что логично, так как полимер сначала движется вместе с раствором.

В начальный момент времени весовое содержание полимера в верхнем двухсантиметровом слое, в различных грунтах, колеблется от 0,5 % до 2,6 % (рис. 5). Количество полимера постепенно уменьшается с глубиной образцов до 0,03 -0,21 %.

с °пвс в р-ре

5 ---0,5%

4

—'— 1.0%

Я 2 **"" 1,5%

1 -в— 2,0%

% °.5С пвс, % 1 1.5 2

Рис. 5. График начального распределения полимера с глубиной (Н) глины, обработанной полимером различной концентрации (С1шс ,р-рС)

Первоначальное распределение ПВС в различных грунтах, обработанных растворами различных концентраций, полностью согласуется с первоначальным распределением влажности. Чем большей начальной влажностью обладает какой-либо слой грунта, тем больше в нем содержится полимера и наоборот.

В процессе опыта ПВС также как и влага движется в двух направлениях -вверх и вниз, однако перемещению полимера активно препятствует дисперсный грунт. Рассмотрим два крайних случая: движение ПВС внутри песка и внутри глины. В первоначальный момент времени, в песке, полимер концентрируется в верхнем слое, где его весовое содержание колеблется от 0,5 % до 2,6 %. Часть ПВС успевает проникнуть в нижний слой (4 см), где концентрация полимера изменяется от 0,03% до 0,21 %.

По прошествии 24 ч распределение полимера внутри песка выглядит следующим образом: в верхнем слое формируется полимерное покрытие, которое аккумулирует в себе значительное количество ПВС, содержание полимера в пленке колеблется от 1,52 % до 3,3 % в зависимости от концентрации раствора нанесенного на грунт. Под пленкой наблюдается повсеместное уменьшение концентрации ПВС вплоть до глубины 3 см — 4см.

Если сравнить кривые распределения полимера внутри песка в начальный и конечный момент времени становится видно, что при формировании полимерного покрытия, помимо полимера верхнего сантиметрового слоя, участвовала часть ПВС первоначально расположенная на глубине от 1см до 3 см. Оттуда полимер попал на поверхность фунта вместе с испаряющейся влагой. Часть ПВС из этого слоя (между первым и третьим сантиметрами) ушло с фильтрующейся водой в более глубокий горизонт. Концентрация ПВС на глубине 4 см за время опыта в разных образцах увеличилась с 0,03 % - 0,21 % до 0,2 % - 0,3 %. В итоге, для песка получаем, что после обработки фунта раствором полимер внутри породы передвигается совместно с растворившей его водой и практически не обезвоживается частичками грунта. Это легко продемонстрировать на примере песка, обработанного 1,5 % раствором полимера (рис. 6).

Из графиков отчетливо видно, что уменьшение/увеличение влажности (относительно первоначального распределения) в любом слое песка сопровождается соответственным уменьшением/увеличением концентрации раствора ПВС. Это означает, что закономерность распределения полимера внутри песков соответствует

закономерности распределения влаги рассмотренной выше, только ПВС не испаряется, а кристаллизуется на поверхности песка с образованием полимерного покрытия.

Рис. 6. Графики распределения весовой влажности (\У) - график "А" и полимера - график "Б" с глубиной образца песка, обработанного 1.5 % раствором ПВС, в начале и конце эксперимента

В первоначальный момент времени, в глине, полимер концентрируется в верхнем слое, где его весовое содержание колеблется от I % до 1,58 %. Часть ПВС успевает проникнуть в нижний слой (4 см), где концентрация полимера изменяется от 0 % до 0,05 %. В целом это согласуется с первоначальным распределением влаги. По прошествии 24 ч распределение полимера внутри глины отличается от такового в песках - в верхнем слое не формируется полимерное покрытие. Конечное распределение полимера почти полностью повторяет начальное (рис. 7). Совпадение начального и конечного распределения ПВС внутри глины может быть вызвано двумя причинами:

1. Вода, входящая в состав раствора, не перемещается внутри грунта;

2. Раствор перемещается внутри грунта, но ПВС иммобилизуется его частичками.

Как показали результаты лабораторных исследований, перемещение воды внутри глин происходит, это значит, что частички грунтов способны иммобилизовать полимер внутри дисперсной породы, именно пылеватые и глинистые частички, так как в песке эффект иммобилизации ПВС не отмечается, о чем сказано выше.

Рис. 7. Распределение полимера в зависимости от глубины (Н) образца глины, в начале и конце эксперимента. Грунт обработан раствором ПВС 2 % концентрации Согласно теоретическим представлениям о поведении ПВС внутри дисперсных грунтов изложенных в диссертации, основным условием формирования профилактического покрытия является физическая возможность миграции ПВС к поверхности испарения совместно с раствором. Получается, что при увеличении дисперсности грунта, ухудшаются условия для формирования профилактического покрытия — все большее количество полимера теряет возможность перемещаться к поверхности испарения. Это требует увеличения концентрации раствора ПВС, чтобы внести в приповерхностный слой дисперсной породы больше полимера. В этом случае больше полимера окажется в верхней части грунта и оставшейся части ПВС, не потерявшей способности к перемещению совместно с раствором, может оказаться достаточно для формирования полимерного покрытия.

Данный процесс хорошо виден на примере суглинка, обработанного раствором ПВС 1,5 % и 2 % концентрации (рис. 8).

Согласно таблице 2 количество пылеватых и глинистых частиц в опытном

суглинке примерно в два раза меньше, чем в опытной глине - это не замедлило

сказаться на подвижности ПВС. В случае 1,5 % раствора (рис. 8 А) наблюдается

определенное перемещение ПВС внутри породы, но "свободного" полимера не

достаточно для формирования покрытия (в отличие от песка, где при данной

18

концентрации покрытие формируется). При увеличении концентрации раствора ПВС до 2 % свободного полимера становится достаточным для образования защитной "пленки", что хорошо видно на рис. 8 Б.

Анализируя графики конечного распределения полимера по глубине различных образцов достаточно легко выделить те из них, где произошло формирование защитного покрытия. На примере рис. 8 А видно как при обработке суглинка 1,5 % раствором ПВС покрытие не формируется, а при обработке 2 % раствором (рис. 8 Б) формируется. Таким образом, на некоторых графиках появилась дополнительная точка, находящаяся у самой поверхности (рис 8 Б). Обобщив данные по всем образцам получено, что на лабораторных фунтах полимерное покрытие образуется при обработке их растворами следующих концентраций: песок - 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 %; суглинок - 2,0 %; глина - покрытие не образуется.

Рис. 8. Распределение полимера в зависимости от глубины (Н) образца суглинка, в начале и конце эксперимента. Грунт обработан раствором ПВС различной концентрации: А - 1,5%, Б - 2% Практическое значение лабораторных исследований. На основании данных лабораторных исследований удалось установить теоретический диапазон оптимальной концентрации раствора ПВС для различных типов грунтов. Диапазон

концентраций для каждого типа грунта колеблется в пределах 0,5 %. При проведении защитных мероприятий на большой площади данной точности будет не достаточно, так как изменение концентрации раствора на 0,5% потребует значительного увеличения расхода ПВС.

Тем не менее, определенные в лабораторных условиях диапазоны концентраций важно знать по той причине, что при планировании инженерной защиты территории на стадии "проект" зачастую необходимо заранее оценить приблизительный расход материалов на организацию этой защиты, чтобы заложить финансирование всех строительных работ. Теперь достаточно определить типы защищаемых грунтов и их соотношение на объекте, чтобы рассчитать предварительный расход ПВС.

На следующей же стадии проектирования, "рабочая документация", будут установлены точные концентрации раствора ПВС для каждого выделенного участка работ. Для этого перед непосредственным началом строительных работ нужно провести серию лабораторных исследований на грунтах, отобранных с этого объекта. На основании полевых (подробно изложены в диссертации) и лабораторных исследований данной работы предлагается следующая методика испытаний.

Предварительный этап

При новом строительстве или реконструкции какого-либо объекта, на стадии "проект" изучаются данные инженерно-геологических изысканий, откуда берется информация о типе дисперсных грунтов, которые придется защищать от эрозии. В результате, рекомендуются следующие концентрации раствора ПВС:

Пески - от средних до пылеватых 1,0 -1,5 %;

Супеси - от легких до тяжелых 1,5 - 2 %;

Суглинки - от легких до тяжелых 2,0 - 2,5 %.

Под разработку "рабочей документации" концентрации растворов ПВС для каждой разновидности дисперсных грунтов, встречающихся на объекте, уточняются на следующем этапе.

Лабораторный этап

1. Во время рекогносцировочных исследований места будущих работ необходимо произвести отбор образцов защищаемого грунта для лабораторных исследований. Количество грунта не регламентируется и -зависит от размера

образцов, которые будут созданы при лабораторных исследованиях.

2. Создается 5 лотков на каждую разновидность грунтов, которая будет защищаться, размером не менее 20x30 см2 и глубиной не менее 5 см, в которые засыпается воздушносухой грунт, грунт доводится до предельно плотного состояния.

3. В грунт каждого образца равномерно вносятся удобрения и семена растений, которые будут использоваться при защите. Количество удобрений и семян на единицу площади определяется техническим заданием предстоящих полевых работ.

4. Каждый образец методом дождевания обрабатывается раствором ПВС разной концентрации (0,0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5 %). Для разных грунтов берутся следующие диапазоны концентраций:

Пески-0,0, 0,5 - 1,5 %;

Супеси - 0,0, 1,0 - 2%;

Суглинки - 0,0,1,5 - 2,5%;

Шаг изменения концентрации должен быть не менее 0,5 %.

Объем раствора определяется из расчета: площадь поверхности грунта в лотке умножается на слой в 1 см (для лотка размерами 20*30*5 см3 объем раствора равен 600 мл).

5. Производится замер первоначальной массы образца, насыщенного раствором.

6. Грунт сушится под струей воздуха, скорость потока воздуха должна находиться в пределах 7-10 м/сек.

7. Время сушки образца под струей воздуха 24 часа. В течении этого времени необходимо производить регулярные замеры массы образцов через следующие 5, 10,30, 60, 120, 180, 240, 300, 480 и 1440 мин после начала опыта.

8. Используя данные взвешивания, полученные при высушивании фунтов необходимо построить графики зависимости испарения влаги с поверхности образцов от времени опыта. Для каждого образца получим свою кривую.

9. Сравнить кривую, полученную для каждого образца, с контрольной зависимостью. После сравнения оставить те образцы, на которых заметно уменьшение суммарного испарения по сравнению с контрольным образцом.

10. На оставшихся образцах провести испытания на размыв, используя установку, описанную в монографии (Термоэрозия...., 1982). Мощность потока и угол наклона лотка брать максимально возможными на защищаемом объекте.

Испытания вести до тех пор, пока не будет нарушена сплошность профилактического покрытия, если это произошло, то образец исключается из последующих исследований. Если разрушения покрытия не произошло в течение 30 мин, то эксперимент нужно остановить.

11. Оставшиеся образцы выстаиваются в помещении до тех пор, пока не начнут прорастать семена растений. Оптимальная концентрация раствора окажется на тех образцах, где растения пробили защитную пленку. Если есть несколько таких образцов, то выбирается большая концентрация раствора.

Полевой этап

12. Планировка местности, склоны необходимо сгладить до прямых форм.

13. Боронение грунта и внесение в него удобрений и семян растений.

14. Укатка (уплотнение) поверхности.

15. Подготовка раствора нужной концентрации и нанесение его на поверхность грунта методом дождевания.

Профилактический этап

16. Дополнительные мероприятия по закреплению участков сформировавшегося природного стока, проводящиеся через год после основной рекультивации.

Границы применения метода:

1. Использовать способ на откосах крутизной не более 15 градусов (Медко, 2005).

2. Применение возможно на любых талых и немерзлых дисперсных грунтах, кроме глин.

Заключение. Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы, отражающие методическое, научно-теоретическое и практическое значение работы.

1. Выделено три основных фактора эрозии в условиях месторождения Медвежье (Западная Сибирь), которые необходимо учитывать в первую очередь при проведении защиты грунтов от эрозии — поверхностный растительный покров, рельеф и геология поверхностных отложений (литологический тип грунтов, их генезис, влажность, сложение и т.д.). Влияние геокриологического фактора не учитывалось, так как метод предполагается использовать на талых грунтах.

2. Все многообразие способов по повышению противоэрозионной устойчивости поверхности грунтов разделено на четыре различные группы -"самовосстановление", биологическую, инженерно-биологическую и инженерную

защиту. Разработанный в диссертации метод реализует инженерно-биологический подход к защите дисперсных грунтов.

3. В процессе полевых испытаний установлено, что возможность образования профилактического покрытия зависит не только от концентрации раствора ПВС (как это предполагалось ранее), но и от типа грунта по дисперсности.

4. Разработана теоретическая модель поведения раствора поливинилового спирта внутри различных дисперсных грунтов. В модели показывается, что раствор ПВС внутри грунтов обезвоживается и теряет подвижность. Данный эффект минимален в песках и максимален в глинах.

5. Впервые разработана лабораторная методика исследования поведения раствора ПВС в дисперсных грунтах.

6. В результате лабораторных исследований было установлено, что процесс формирования качественного профилактического покрытия зависит в первую очередь от одного фактора - способности ПВС перемещаться внутри грунта совместно с влагой. Полимер, перемещаясь с испаряющейся водой, концентрируется на поверхности грунта с образованием пленочного профилактического покрытия. Пылеватые и глинистые частицы грунта стремятся обезвожить ПВС и ограничить его перемещение к поверхности испарения до полной иммобилизации полимера, что не позволяет создать защитное профилактическое покрытие. Данный эффект минимален в песках и максимален в глинах.

7. На основании лабораторных исследований впервые был установлен диапазон оптимальной концентрации раствора ПВС для различных дисперсных грунтов: пески - 1,0 - 1,5%; супеси - 1,5 - 2%; суглинки - 2,0 - 2,5%; глина - метод неэффективен.

8. На основании лабораторных и полевых исследований разработана методика подбора оптимальной концентрации раствора ПВС для каждого конкретного дисперсного грунта. Предложенная методика способна учитывать особенности каждого конкретного объекта (тип слагающих склоны грунтов, угол наклона склонов, гидрологические параметры местных водных потоков).

9. Впервые определен диапазон грунтов, где можно применять разработанный метод защиты дисперсных грунтов от эрозии: метод эффективен на мелкодисперсных грунтах от песка до тяжелого суглинка.

10. Опытно-промышленная апробация предложенного метода защиты грунтов от эрозии на территории газоконденсатного месторождения Медвежье показала его эффективность.

11. Составлен технологический регламент применения нового метода защиты дисперсных грунтов от эрозии, основанного на использовании водного раствора поливинилового спирта. Новый регламент отличается от прототипа тем, что область действия нового способа защиты расширена на различные типы грунтов по дисперсности и в нем четко регламентирует использование метода на всей установленной области применения (указанной в пункте 9).

Основные положения диссертации отражены в журналах:

1. Елисеев A.B. Комплексирование методов для защиты территории от эрозионных процессов [Текст] : Промышленное и гражданское строительство. №9. 2007. С. 48.

2. Елисеев A.B., Чеверев В.Г. Метод защиты дисперсных грунтов от эрозии [Текст]: Криосфера земли, 2008, т. VIII, №3, С. 36-40.

Материалах конференций:

1. Чеверев В.Г., Медко В.В., Видяпин И.Ю., Елисеев A.B. Инженерно-биологическая защита насыпных сооружений на Крайнем Севере [Текст] : Труды третей всероссийской конференции геокриологов России. Москва, 1-3 июня 2005, Часть 4, С. 309-314.

2. Елисеев A.B., Сисюгин A.C. Опыт применения инженерно-биологической защиты от водной эрозии участка магистрального газопровода подземного заложения на месторождении Медвежье (север Западной Сибири) [Текст] : Труды научно-производственной конференции "Проблемы инженерно-геологического обеспечения строительства объектов нефтегазового комплекса в криолитозоне", ноябрь 2005 г., Москва, ОАО ПНИИИС.

3. Елисеев A.B. Концепция защиты территории Западной Сибири от эрозионных процессов (На примере участка магистрального газопровода подземного заложения при переходе через реку Ныда Медвеженского месторождения) [Текст] : Труды международной конференции "Криогенные ресурсы полярных регионов". Салехард, 17-20 июня 2007г.

Подписано в печать 17.09.09 Формат 60x88 1/16. Объем 1,75 п.л. Тираж 85 экз. Заказ № 838 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119991 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. А-102