Состояние современных мероприятий инженерной зашиты гидросферы при освоении подземного пространста в коммунальных целях Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Е.Ю. Куликова, 2002

УЛ К 624:521

Е.Ю. Куликова

СОСТОЯНИЕ СОВРЕМЕННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАШИТЫ ГИЛРОСФЕРЫ ПРИ ОСВОЕНИИ ПОЛЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА В КОММУНАЛЬНЫХ НЕЛЯХ

Коммунальное подземное строительство наносит ущерб, прежде всего, подземной части гидросферы: вследствие дренажа происходит понижение уровней водоносных горизонтов, наблюдается существенное поднятие уровня верхних горизонтов подземных вод, сопровождающееся частичным затоплением промышленной и селитебной зон.

Источники загрязнения подземных вод разнообразны и многочисленны и почти полностью обязаны своим происхождением техногенным причинам. В настоящее время основными источниками загрязнения грунтовых вод в коммунальном строительстве являются:

• протекающие подземные резервуары и трубопроводы, особую проблему составляет утечка бензина из резервуаров на автозаправочных станциях;

• мазут, попадающий на дороги;

• излишки применяемых в хозяйстве сточных вод и канализационного ила;

• утечки при транспортировании;

• неприспособленные хранилища.

Таким образом, коммунальное подземное строительство, способствует истощению и загрязнению подземных запасов пресных вод. Так как подземные и поверхностные резервуары гидравлически связаны, то истощение и загрязнение распространяется и на воды поверхностного бассейна.

В связи с вышеописанным, основой инженерной защиты подземных вод от загрязнения является мониторинг подземных вод. Основные характеристики приборов контроля воды отражены в таблице.

Применяемые в настоящее время меры защиты сводятся к следующим: искусственное по-

полнение запасов подземных как средство защиты от истощения; изоляция потенциального или функционирующего источника загрязнения от подземных вод с помощью экранов, завес, дренажей и других средств; локализация пятен загрязнения подземных вод с помощью отвлекающих водозаборов, создания противо-фильтрационных завес, барра-жей, стен в грунте и т.п.

Все методы инженерной защиты подземных вод от загрязнения можно разделить на две группы:

1) профилактические, направленные на предотвращение загрязнения;

2) активные, задача которых ограничение или ликвидация реально появившегося загрязнения.

Основная задача профилактических мероприятий заключается в максимальном ограничении фильтрационных потерь. Во многом она может быть решена на стадии изысканий и проектирования обоснованным выбором участка. Для создания накопителя промышленных стоков выбирают участки, имеющие хороший естественный экран - относительно водоупорные покровные образования - и (или) прилежащие к областям разгрузки подземных вод. Даже в худшем из вариантов это позволяет резко сократить или локализовать утечки из накопителя и тем самым значительно облегчит борьбу с загрязнением грунтовых вод. К числу простейших профилактических мероприятий можно отнести также:

• заблаговременную тщательную ликвидацию всех разведочных скважин на исследуемом участке;

• целенаправленное распределение твердой фазы стоков различного гранулометрического состава на площади технического водоема, которое может включать в себя следующие этапы:

а) использование жидкой фазы стоков в системе оборотного водоснабжения;

б) поддержание уровней в технических водоемах на возможно более низких отметках с целью уменьшения площади акватории с соответствующим снижением потерь на фильтрацию;

в) заполнение тонкодисперсными фракциями наиболее фильтрующих участков ложа и бортов технических водоемов.

К особо важным профилактическим мероприятиям относят создание противофильтрационных экранов (ПФЭ), которые подразделяют на несколько типов.

1. Грунтовые экраны представляют собой естественные отложения существенно глинистого состава (глины, тяжелые суглинки) мощностью не менее 3 м. Такие экраны применимы только для резервуаров чистой воды или накопителей слабоминерализованных, нетоксичных и химически неагрессивных стоков и характеризуются довольно высокой проницаемостью (Кф = 10-2-10-3 м/сут).

Искусственные глинистые экраны мощностью 0,3 ми более создаются послойно укладкой и уплотнением глинистых грунтов до оптимальных значений влажности и плотности. В процессе укладки в них неизбежно появляются трещины усыхания, что влечет за собой резкое возрастание проницаемости. Ввиду подверженности подобных экранов размыванию поверхностными водами возникает необходимость устройства специальной защиты из каменной наброски. Резкое (на порядок и более) увеличение проницаемости грунтовых ПФЭ по сравнению с первоначальной может наблюдаться в результате химической деградации глинистых грунтов под влиянием агрессивных промышленных стоков. Перечисленные недостатки ограничивают применение глинистых экранов.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ ВОЛЫ

Название параметра Принцип действия измерителя Диапазон измерения Погрешность измере-яия (без учета дестабилизирующих факторов)

Температура Платиновый электрод -5-н+50°С 0,15°С

pH Стеклянный эталонный электрод 0-14 pH 0,04 рН

Удельная электропроводность Многокольцевой графитовый электрод 100 мкСм/см 200 мкСм/см 1%

Растворенный кислород Гальванический электрод 0-20 ppm 0-20 мг/л 0,2 ppm 0,2 мг/л

Селективные ионные измерения: аммиак, аммоний, кальций, хлорид, нитрат, цианид, фторид, свинец, нитрит, натрий, ртуть, алюминий, бор, бромид, кадмий, хром, кобальт, медь, иодид, магний, никель, перхлорат, фосфор, фосфат, серебро, сульфат, сульфид, тиоциа-нат, цинк Ионоселективные электроды (1БЕ) твердотелые, пластмассовые, газовые стеклянные 0,1-200 ppm 0,1-2000 ppm 0,1-2000 ppt (для аммония 0,1-200 ppm или 0,1200 мг/л) 2% по аммонию или 2 ppm

Мутность Инфракрасное рассеивание. Компенсированный излучатель 0,1-100 NTU (Nephelometric Turbidy Units) 50-4000 NTU 0,3-250 мг/л 125-10000 мг/л 5%

Окислительновосстановительный потенциал (ORP)-Redox- потенциал Стандартный 12 мм электрод 800 мВ 0,2 мВ

Расход воды Магниты с эффектом Холла 0,1-9 м/с 0,02-1 м/с 4%

Соленость Рассчитывается по температуре и удельной электропроводности 0-60 ppt 0,3 ppt

Уровень Полупроводниковый датчик давления 0-100 м 0-10000 бар 0,5 м 0,05 бар

В значительной степени лишены означенных недостатков ПФЭ из шламов - твердой фазы пульпы, сбрасываемой в накопители. Целенаправленное складирование отходов позволяет существенно снизить и даже практически ликвидировать утечки жидкой фазы отходов из накопителей.

2. Пленочные экраны представлены широкой гаммой синтетических пленок и материалов на резинобитумной основе. Достоинствами пленочных экранов является их непроницаемость, устойчивость к различным видам агрессивного воздействия, длительный срок службы без изменения исходных свойств (более 15 лет). В то же время у пленочных покрытий много существенных недостатков:

• сильная подверженность механическим повреждениям;

• трудности обеспечения герметичности при больших площадях покрытия;

• чувствительность к растягивающим усилиям (особенно по стыковым швам);

• довольно высокая стоимость.

В связи с этим пленки в качестве ПФЭ используются преимущественно при создании резервуаров чистой воды и небольших (до несколько тысяч м2) бассейнов промышленных стоков (в том числе, агрессивных).

3. Комбинированные экраны -сочетание грунтовых и пленочных экранов с дренажем. Синтетическая пленка укладывается между двумя слоями слабо-проницаемых глинистых грунтов с добавками цемента, битумов, смол, бентонита и других компонентов. Эти слои также

выполняют защитную функцию по отношению к пленке.

В грунтово-пленочных экранах с дренажем профильтровавшиеся через слой слабопроницаемого грунта и пленку загрязненные воды перехватываются систематическим дренажем. Примером такого многослойного комбинированного экрана может служить экран, примененный на свалке коммунальных отходов в штате Пенсильвания (США) - рис. 1.

4. Специальные экраны. Примером специальных экранов могут служить покрытия, использующие экранирующий эффект капиллярной каймы. Такой экран впервые был использован в США для предотвращения выщелачивающей инфильтрации на отвалах коммунальных отходов (рис. 2).

При инфильтрации осадков, не перехваченных на поверхности системой дренажных труб, в

Рис. 1. Конструкция комбинированного экрана:1 - отходы; 2 - гравийный фильтр; 3 - перфорированная труба для сбора стоков; 4 - глинистый слой мощностью 30 см; 5 - слой песка мощностью 15 см; 6 - полихлорвиниловая пленка; 7 - слой песка мощностью 30 см; 8 - естественное основание; 9 -дренаж для сбора загрязненных вод, проникших через пленку

Рис. 2. Схема экрана с «капиллярным барьером»: 1 - трубчатые дрены для перехвата поверхностного стока; 2, 3 - слои тонко- и грубозернистого песка; 4 - тело отвала

Рис. 3. Схема загрязнения грунтовых вод из-за утечек из трубопроводов: 1 - протекающий трубопровод; 2 - загрязненный грунт; 3 - уровень грунтовых вод; 4 - плавающая нефть; 5 - направление течения грунтовых вод; 6 - загрязнение подземных вод растворенными углеводородами; 7 - опасные пары в грунте и под строением

верхнем слое тонкозернистого (0,1 мм) песка, толщина которого не превышает высоты капиллярного поднятия, формируется подвешенная капиллярная кайма, препятствующая просачиванию воды в нижний слой грубозернистого песка. Соотношение фракций должно обеспечивать существенную разницу в величине капиллярного всасывания на границе раздела слоев. Многослойные «капиллярные» экраны перспективны в качестве покрытий хранилищ промышленных стоков. В этом случае создается многоярусный капиллярный барьер, суммарная величина капиллярного давления в котором способна «погасить» вертикальную фильтрацию даже при значительной толщине (в несколько метров) слоя воды в хранилище промышленных стоков. Защитные свойства «капиллярного» экрана могут быть усилены одно-двухъярусным систематическим дренажем.

Профилактические мероприятия в угрожаемом водоносном горизонте сводятся, в основном,

к управлению фильтрационным потоком через действующие в районе водозаборные и водопоглощающие сооружения. Такое управление включает следующие операции:

• ограничение понижений на контуре действующих дренажных скважин теми минимальными величинами, при которых исключается: продвижение загрязнения за пределы контура, сводится к минимуму подтягивание некондиционных подземных вод из глубоких горизонтов, снижается общий объем откачиваемых загрязненных или некондиционных

вод;

• увеличение нагрузки на действующие водопоглощающие сооружения для закачки дренируемых загрязненных вод;

• учет возможности разбавления загрязненных вод до допустимых концентраций в процессе их откачки, когда скважины расположены вблизи источников обеспеченного питания (реки, водоемы);

• раздельный дренаж загрязненных и незагрязненных подземных вод;

• ограничение объема дренажа путем ориентации только на те скважины, которые вскрыли интервалы превалирующей миграции загрязнений.

Активные мероприятия включают следующие основные направления:

1) ликвидация или дополнительная изоляция источника загрязнения;

2) локализация или откачка загрязненных пластовых вод;

3) сброс и утилизация загрязненных подземных вод, откачиваемых дренажными системами;

4) восстановление качества подземных вод в пределах сформировавшегося ареола загрязнения.

Полная ликвидация источника загрязнения с последующими мероприятиями по восстановлению качества подземных вод в зоне его влияния является радикальной мерой борьбы с загрязнением, которая иногда заключается в прекращении эксплуатации накопителя с переводом сброса стоков в заранее подготовленную резервную емкость.

Изоляция состоит в оконту-ривании источника загрязнения подземных вод оконтуривающей противофильтрационной завесой (ПФЗ). Применительно к открытому способу ведения горностроительных работ целесообразным представляется сооружение противофильтрационных завес траншейного типа (которые могут называться «грунтовая стенка» или барраж). При этом вокруг изолируемого участка проводятся узкие и глубокие (до водоупорного пласта) траншеи, заполняемые водонепроницаемыми (обычно глинистыми) материалами. Проницаемость таких перемычек может быть доведена до 10-2-10-4 м/сут. Возможно несколько схем сооружения ПФЗ траншейного типа:

а) изоляция завесой всего участка строительства коммунального тоннеля, на котором затем производятся осушительные и горно-строительные работы;

б) в начале строительства коммунального тоннеля изолируется только один из его участков; по мере развития горностроительных работ осуществля-

ется ограждение второго участка и т.п.;

в) котлован изолируется только со стороны нерабочих бортов; воды, поступающие со стороны рабочего борта, перехватываются водопонижающими скважинами. По мере передвижения фронта горных работ за пределами боковых бортов котлована с опережением наращиваются ветви противофильтра-ционной завесы, а в пределах контура карьера бурятся ряды водопонижающих скважин.

Локализация загрязнения в водоносном пласте возможна путем управления фильтрационным потоком через специальные водозаборные и водопоглощающие сооружения - дренажи, гидрозавесы и их сочетания, путем глубоких ПФЗ, оконтуривающих источники загрязнения.

Дренаж предполагает проходку рядов откачивающих скважин (траншей) в пределах ореола загрязнения подземных вод (как правило, по нормали к направлению миграции) для перехвата загрязненной воды. Дренаж сам по себе приемлем только при ограниченных объемах откачиваемых загрязненных вод, допускающих их обратный сброс в накопители или использование для оборотного промышленного водоснабжения. Возможности дренажа расширяются при высокой степени разбавления загрязнений пресной чистой водой в дренажных устройствах.

Ограничения на дренаж определяются следующими недостат-камиэтого способа:

• высокими эксплуатационными расходами на длительную откачку воды;

• возможным резким увеличением объемов откачиваемых загрязненных вод за счет роста градиентов на участке между дренажем и источником загрязнения подземных вод, а также дополнительного вовлечения в водооборот незагрязненных вод, смешивающихся при откачке с загрязненными; альтернативой является раздельная откачка более чем на одном уровне.

К достоинствам дренажных систем относятся их высокая мобильность, сравнительно не-

большие затраты на сооружение и высокая техническая эффективность.

Гидрозавесы предполагают создание гидродинамического барьера на пути миграции загрязнений. Для этого предусматривается сооружение ряда нагнетательных скважин вниз по потоку загрязненных вод с последующей непрерывной закачкой в них чистой воды из независимого внешнего источника. Отметки пьезометрических уровней по контуру гидрозавесы должны обеспечивать создание искусственного водораздела подземных вод на пути миграции загрязнений, сдерживающего их дальнейшее продвижение по пласту. При потоках загрязненных вод ограниченной ширины и интенсивности возможно расположение нагнетательных и откачивающих скважин ниже по потоку от ореола загрязнения. Откачиваемая вода при этом подается в скважины гидрозавесы. Благодаря образованию искусственного водораздела в условиях установившегося движения подземных вод между линиями откачивающих и нагнетательных скважин, ореол загрязнения удерживается в определенных границах, а незагрязненные подземные воды обтекают его.

• Недостатками гидрозавес являются:

• значительные эксплуатационные расходы;

• постепенное снижение дебита нагнетательных скважин в результате кольматации, что требует их систематического ремонта и наличия практически стопроцентного резерва;

• необходимость в тщательной очистке от механических примесей воды, подаваемой для нагнетания.

К достоинствам гидрозавес можно отнести:

• невысокие капитальные затраты на сооружение систем;

• мобильность;

• отсутствие проблемы утилизации или очистки загрязненных подземных вод.

Более радикальным, но и более дорогостоящим средством борьбы с загрязнением подземных вод являются глубокие ПФ3,

оконтуривающие горные выработки и снимающие необходимость откачки больших объемов загрязненных вод, в частности, естественных рассолов. Примером глубоких ПФЗ являются инъекционные (тампонажные) завесы, сооружаемые на глубинах в сотни метров путем закачки в пласты трещиноватых пород там-понажных смесей под давлением. По типу используемых тампо-нажных смесей инъекционные завесы подразделяются на две группы:

1) цементные и глиноцементные завесы, используемые для защиты пресных вод и слабоминерализованных и неагрессивных стоков;

2) завесы на грунтовой основе с преобладанием в составе закачиваемого раствора местных строительных материалов глинистого состава с различными добавками, способствующими «схватыванию» раствора в трещинах и повышению его устойчивости к агрессивному воздействию загрязненных подземных вод.

Использование инъекционных ПФЗ в водоохранных целях сдерживается их высокой стоимостью, неясностью представлений о критериях надежности, способах ее обеспечения и методах контроля сплошности завесы. Однако их следует отнести к весьма перспективным средствам защиты подземных вод от загрязнения и истощения.

Подземное захоронение жидких стоков и некондиционных дренажных вод также входит в состав активных мероприятий борьбы с загрязнением. Эта мера наиболее целесообразна при относительно небольших объемах загрязненных вод: расход закачки на глубину 1500-2000 м и более не должен превышать 5000 м3/сут.

В качестве коллекторов для закачки загрязненных дренажных вод могут использоваться дренируемые горизонты с некондиционными водами. При высокой проницаемости пород появляется реальная возможность создания системы замкнутого оборота загрязненных вод: дренажные воды сбрасываются в поглощающие скважины, располагающиеся по периферии контура

дренажа на удалении от него порядка нескольких километров, но не далее местных водоразделов депрессионной воронки. При этом попутно решается задача борьбы с истощением водоносного горизонта из-за наличия искусственного водораздела, формируемого по линии нагнетательных скважин.

Утилизация без предварительной очистки возможна для слабоминерализованных или практически пресных дренажных вод, которые в дальнейшем могут использоваться для технического водоснабжения, в системах охлаждения, пылеподавления и т.п. В силу минимальной загрязненности механическими примесями использование дренажных вод для технологических нужд предпочтительнее, чем подача воды из поверхностных отстойников.

Чаще всего утилизация загрязненных дренажных вод и технологических стоков возможна только после их предварительной очистки. Последняя осуществляется методами, характерными для очистки вод поверхностного стока.

В большинстве случаев даже после ликвидации или надежной изоляции источников загрязнения подземных вод естественное восстановление качества подземных вод в пределах ореолов загрязнения растягивается на десятилетия. Соответственно, длительное время остается загрязненной местная гидрографическая сеть, в которую разгружаются некондиционные подземные воды.

Особую актуальность приобретает эта проблема в городах, где утечка газа из разрушенных газопроводов является причиной многих аварий и ухудшения экологической обстановки. По данным Мосгаза, из 4500 км подземных

стальных трубопроводов 400 км требуют экстренной реконструкции; за последние шесть лет в Москве вследствие утечки газа из разрушенных трубопроводов произошло 257 аварий. Ежегодно в городе вскрывается более 1400 котлованов на местах повреждения газопроводов и утечек газа. Та же ситуация характерна для нефтепроводов. В результате аварийного состояния нефте-, газо- и других трубопроводов и утечек из них в первую очередь страдает качество грунтовых вод (рис. 3).

Восстановление качества подземных вод в данной ситуации, возможно, несколькими способами:

1) искусственным увеличением фильтрационных и концентрационных градиентов, которое обеспечивается интенсивным и длительным дренажем в пределах ореола загрязнения;

2) очисткой in situ, практически приемлемой только для гомогенных в миграционном отношении сред.

Очистка in situ предполагает закачку в загрязненный водоносный горизонт растворов, содержащих нейтрализующие химические компоненты или микроорганизмы. Второй способ очистки in situ заключается в использовании естественных грунтов с высокой сорбционной способностью по отношению к данному виду загрязнителя. При этом технологическая цепочка выглядит следующим образом: откачка загрязненных вод -инфильтрация для очистки - откачка очищенных вод. Цикл «закачка-откачка» может повторяться многократно, что значительно удорожает данный способ очистки.

3) очисткой с помощью вакуумного экстракта. Удаление ос-

татков углеводородов и их паров с поверхности грунтовых вод при этом осуществляется при помощи непосредственно вакуумного экстрактора и водно-парового сепаратора.

Для предотвращения попадания эксфильтрующих жидкостей из коммунальных тоннелей в окружающую среду и создания безопасного сброса дренажноаварийных стоков при прокладке напорных трубопроводов хозфе-кальной и промышленной канализации необходимо правильно расположить насосную станцию дренажно-аварийных стоков, иметь достаточную емкость ее зумпфа, мощность насосных агрегатов, надежность электроснабжения. Сброс аварийных дренажных стоков в пониженные точки рельефа при наличии в тоннеле канализационных трубопроводов должен запрещаться.

При больших объемах загрязнения надежным техническим решением является создание комплектных инвентарных очистных станций заводского изготовления.

Для снижения отрицательного влияния техногенной деятельности на водоносные горизонты необходимо создание принципиально новой горнопроходческой техники, технологий и конструкций обделок, применение проходческих щитов с закрытой головной частью с пневматическим или бентонитовым пригрузом.

Рассмотренные мероприятия не исчерпывают всех возможностей борьбы с загрязнением подземных вод. Развитие современной науки и правильное определение причин загрязнения грунтовых вод и последствий этих загрязнений позволяют разрабатывать новые, совершенные мероприятия и инженерные решения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Малышев Ю.Н, Айруни А.Т., Куликова Е.Ю. Физико- 2. Методы охраны внутренних вод от загрязнения и ис-

химические процессы при добыче полезных ископаемых и тощения. Под ред. И.К. Гавич. - М.: Агропромиздат, 1985.

их влияние на состояние окружающей среды. - М.: Изда- 3. Бобылев Д.М. Последствия разрушения подземных

тельство АГН, 2002, 270 с. коммуникаций. - РОБТ № 3, 1997.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Куликова Елена Юрьевна - докторант кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», кандидат технических наук, доцент, Московский государственный горный университет.

ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Ш

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки: 29 мин.

Дата печати: 02.12.2008 23:29:00

При последней печати страниц: 6

слов: 3 317 (прибл.)

знаков: 18 911 (прибл.)

КУЛИКОВА

G:\^ работе в универе\2002\Папки 2002\GIAB12-0 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.do §1

Alexandre Katalov

22.10.2002 15:31:00 1б

02.12.2008 23:13:00 Таня