Введение к работе
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-
- 2 -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:
-
Разработка методики экспериментального определения модели кинетики растворения гипса и ее параметров с учетом химического состава породы и раствора, температуры и строения поверхности растворения.
-
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 растворе
ния, 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 противофильтращюнных мероприятиях и с учетом увеличения проницаемости пород во времени.
Основным объектом является массив загипсованных пород ниже 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 и в их объеме (породы основания плотины Нижнє - 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 NaCl.
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-
- 4 -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 противофильтрационных 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 А.В.Лехова, которому автор приносит искреннюю благодарность и признательность. Неоценимую поддержку в создании настоящей работы оказал В.И.Сергеев, заведующий ЛОГС Геологического факультета МГУ. Изучение компонентного состава пород проводилось с участием В.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.И.Покровского, В.П.Трегубко и Н.А.Свиточ. Оформление работы осуществлялось совместно с Н.В.Балуевой. Всем этим людям, автор выражает глубокую благодарность.