Патент на изобретение №2169815
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) УСТРОЙСТВО ДРЕНАЖНОЙ СТЕНКИ В ГРУНТЕ И СПОСОБ ЗАЩИТЫ НЕКОТОРОЙ ЗОНЫ ИЛИ НЕКОТОРОГО ПОДЗЕМНОГО СООРУЖЕНИЯ ОТ ТЕЧЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ГРУНТОВЫХ ВОД В НЕКОТОРОМ ОПРЕДЕЛЕННОМ НАПРАВЛЕНИИ
(57) Реферат: Изобретение каcается защиты некоторой зоны или некоторой установки, наземной или подземной, от течения грунтовых вод в окрестности, окружающей данное место, и относится к устройству дренажной стенки в грунте, а также к способу защиты некоторой зоны или некоторого подземного сооружения от течения подземных грунтовых вод в некотором определенном направлении. Устройство содержит множество дренажных колодцев, образующих некоторую дренажную стенку, по меньшей мере одну первую дренажную и выравнивающую галерею, по меньшей мере одну вторую дренажную и выравнивающую галерею, средства, предназначенные для удаления дренированного дебита и связанные гидравлически с дренажными и выравнивающими галереями. В способе защиты некоторой зоны или некоторого подземного сооружения от течения подземных грунтовых вод в некотором определенном направлении новым является то, что упомянутый способ состоит в размещении устройства дренажной стенки, причем упомянутую стенку размещают перед этой зоной или этим объемом по течению и строго перпендикулярно этому направлению течения. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в изоляции некоторого подземного объема от грунтовых течений, имеющих место в подпочвенном слое данной зоны, с тем, чтобы исключить повреждение этого объема грунтовыми водами или исключить возможность извлечения этими водами, протекающими через данный объем, загрязняющих материалов. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 7 ил. Изобретение касается защиты некоторой зоны или некоторой установки, наземной или подземной, от течения грунтовых вод в окрестности, окружающей данное место. Этот тип дренажной стенки одновременно может защищать данную зону или данную установку от захватывания или отсоса внутренних загрязнений, появляющихся вследствие повреждения этой зоны или этой установки в результате протекания воды, а также защищать некоторую зону или установку и их окрестности от внешнего загрязнения, подсасываемого в результате протеканий через загрязненное место. Такая дренажная стенка позволяет также рассматривать возможность промывки загрязненного или зараженного грунта путем гидравлической перекачки. Применение предлагаемого изобретения предусмотрено для геологического или подземного хранения токсичных отходов, в частности, радиоактивных ядерных отходов. Существующий уровень техники и постановка задачи В рамках защиты наземных установок или их фундаментов, например, фундаментов зданий и сооружений, известны различные способы защиты подземного объема таких установок для предотвращения воздействия на них вод поверхностного стока и течения грунтовых вод через породу. Во многих случаях используются те или иные водонеприницаемые оболочки, охватывающие весь подлежащий защите от воды объем, то есть используются ограждения или стенки из бетона, устанавливаемые вокруг защищаемых сооружений на соответствующей глубине. Однако, оказывается, что конструкция некоторых защитных стенок перед городскими объектами не исключает того, чтобы подземные воды достигали этих объектов. Действительно, если эти стенки образуют поверхности, вдоль которых воды поверхностного стока останавливаются или отводятся в сторону, они реализуют также аккумулирование давления, которое выражается в ускорении течений по краям данной стенки и приоритетных продвижений воды, в том случае, когда эта герметичная стенка не опоясывает полностью защищаемый объект. Другими словами, эти воды поверхностного стока, противостоящие защитным стенкам, оказываются аккумулированными на краях этих стенок и образуют в этих местах более существенную угрозу. Из сказанного выше следует, что если данная защитная стенка не является достаточно широкой или не образует замкнутый резервуар, то вода в большом количестве становится более существенной угрозой, чем если бы данная защитная стенка вообще не была построена. С другой стороны, в рамках геологического или подземного хранения некоторых материалов, таких, например, как радиоактивные материалы и отходы производства ядерных предприятий, специалисты в данной области техники были вынуждены учитывать различные гидравлические явления, происходящие в той горной породе, в которой размещены эти отходы. Таким образом, были исследованы различные гидравлические понятия и явления для длительных промежутков времени, то есть эффективные в том случае, когда только гидравлические явления определяют течения или стоки. Было выполнено численное моделирование упомянутых эффектов, и теперь стало понятно, как использовать так называемые “дренажные” колодцы в толще недр, где располагается упомянутая зона хранения. На фиг. 1 схематически представлена в поперечном разрезе некоторая зона со своим подпочвенным слоем, в которой имеет место явление разлома. Это явление символически представлено в виде двух трещин, передней по потоку трещиной 1 и задней по потоку трещиной 2. Стрелка 3, размещенная в подпочвенном слое, показывает направление течения подземных вод в данной зоне. Вертикальные линии 4, параллельные между собой, символически обозначают колодцы хранения опасных отходов, объединенные по их вершинам горизонтальной галереей 5, предназначенной для транспортировки и выполнения погрузочно-разгрузочных работ. Вертикальные колодцы 6, размещенные на конце этого сооружения хранения опасных отходов, представляют собой дренажные колодцы. Стрелки, помещенные в окрестности этих дренажных колодцев 6, показывают, что окрестные течения грунтовых вод притягиваются этими дренажными колодцами 6 и отводятся в сосредоточенном виде при помощи упомянутой горизонтальной транспортировочной галереи. Таким образом, упомянутые течения подземных вод приобретают тенденцию уклоняться от колодцев 4 хранения опасных отходов. Вследствие этого обстоятельства вода, проходящая через данную зону хранения, в частности, радиоактивных отходов, выходит из нее с частично уменьшенной степенью радиоактивности. Однако, обращаясь к схеме, представленной на фиг. 2A, можно отметить, что когда несколько рядов транспортировочных галереей 7 и колодцев 4 хранения размещены параллельно друг другу, подземные течения могут легко пройти между этими транспортировочными галереями 7, причем лишь весьма незначительная часть этих потоков захватывается дренажными колодцами 6, размещенными в головной части галереи. Следует уточнить, что серии колодцев 4 хранения отходов должны располагаться на некотором расстоянии друг от друга с тем, чтобы обеспечить соблюдение термических условий, поскольку теплота, выделяемая этими отходами, может отводиться только путем диффузии или рассеяния. Таким образом, эти колодцы и галереи реализуют сток воды из подземного хранилища на значительной ширине массива в том случае, когда они заложены или засыпаны материалом с более высокой проницаемостью собственно массива. В то же время и как показывает схема, приведенная на фиг 2В, потоки воды в массиве отклоняются от их первоначальной ориентации, чаще всего горизонтальной, и переходят к вертикальной ориентации в окрестности колодцев хранения отходов. Так бывает, если хранилище, образованное несколькими рядами колодцев 4 хранения отходов и транспортировочными галереями 7 обслуживания, расположенными параллельно друг другу (см. фиг. 2A), обладает дефектами проницаемости, то есть если выработки заполнены материалом, обладающим более высокой проницаемостью, чем проницаемость самого массива. Тогда эти колодцы способствуют отводу воды из передней по потоку части хранилища также на значительной высоте массива. Вся эта дренированная вода направляется затем до контакта с отходами, располагающимися в колодцах хранения. При этом потенциальная возможность ее загрязнения или заражения возрастает из-за существования всех этих дренажных выработок. Цель данного изобретения состоит в том, чтобы устранить эти недостатки и в целом изолировать некоторый подземный объем от грунтовых течений, имеющих место в подпочвенном слое данной зоны, с тем, чтобы исключить повреждение этого объема грунтовыми водами или исключить возможность извлечения этими водами, протекающими через данный объем, загрязняющих материалов. Краткое изложение изобретения Поставленная цель достигается путем устройства дренажной стенки, размещенной в грунте для защиты некоторой зоны или некоторого наземного или подземного сооружения от потоков грунтовых вод, причем эта дренажная стенка содержит: – множество дренажных колодцев или скважин, образующих стенку, размещенную по потоку перед упомянутой зоной, подлежащей защите, определяющих каждый некоторые радиусы гидравлического влияния, располагающихся вертикально и отстоящих друг от друга на некоторое расстояние, значительно превышающее упомянутые радиусы гидравлического влияния; – по меньшей мере одну первую дренажную и выравнивающую горизонтальную галерею, называемую галереей колодцев и связывающую упомянутые дренажные колодцы между собой; – по меньшей мере одну вторую дренажную и выравнивающую галерею, называемую галереей по течению; – средства для удаления дренированного дебита, гидравлически связанные с дренажными и выравнивающими галереями. Упомянутые средства для удаления дренированного дебита гидравлически могут быть образованы некоторым устройством откачки, связанным с галереей по течению. Во втором возможном варианте реализации предлагаемого изобретения упомянутые средства для удаления дренированного дебита гидравлически образованы естественным водосливом ниже данной подземной зоны по потоку. В третьем возможном варианте реализации предлагаемого изобретения упомянутые средства для удаления дренированного дебита гидравлически могут быть также образованы множеством дренажных колодцев или скважин ниже по потоку, связанных между собой по меньшей мере одной второй галереей колодцев и отстоящих друг от друга на расстояние, значительно превышающее радиус гидравлического влияния одного отдельно взятого колодца, для того, чтобы направить дренированный дебит за пределы данной зоны или данного сооружения далее по потоку. В предпочтительном варианте реализации, если данная зона или данное сооружение имеют определенную высоту, упомянутые дренажные колодцы также имеют определенную высоту, но превышающую высоту этой зоны или этого объема. Вторым объектом предлагаемого изобретения является способ защиты некоторой зоны или некоторого наземного или подземного сооружения от потоков грунтовых вод в некотором заданном направлении, причем этот способ состоит в устройстве дренажной стенки описанного выше типа, располагающейся строго перпендикулярно определенному направлению течения этих грунтовых вод и перед подлежащей защите зоной или сооружением. В том случае, когда упомянутая зона или сооружение представляют собой подземное хранилище ядерных отходов, содержащее галереи доступа, причем каждая из этих галерей доступа имеет определенное количество колодцев хранения отходов, и эти галереи доступа представляют собой дренажные галереи, располагающиеся по течению и продолжающиеся вплоть до множества дренажных колодцев, расположенных перед и после данного сооружения по потоку на высоте второй галереи дренажных колодцев, число этих дренажных колодцев в 2-5 раз превышает число осевых дренажных галерей. Перечень приведенных в приложении чертежей Другие особенности и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания примеров его практической реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении чертежи, среди которых: – фиг. 1 представляет собой схематически вид во фронтальном разрезе подпочвенного слоя некоторой зоны, в которой располагается хранилище ядерных отходов, оборудованное дренажной системой в соответствии с существующим уровнем техники в данной области, подлежащей некоторым дополнениям в соответствии с предлагаемым изобретением; – фиг. 2A представляет собой схематически вид сверху сооружения, показанного на фиг. 1; – фиг. 2B представляет собой схематически перспективный вид направления течений подземных грунтовых вод в окрестности сооружения, показанного на фиг. 2A; – фиг. 3 представляет собой схематически вид сверху сооружения, показанного на фиг. 1 и оснащенного устройством дренажной стенки в соответствии с предлагаемым изобретением; – фиг. 4 представляет собой схематически перспективный вид хранилища ядерных отходов, в котором применено устройство дренажной стенки в соответствии с предлагаемым изобретением; – фиг. 5 представляет собой схематически перспективный вид некоторого подземного сооружения, оборудованного устройством дренажной стенки в соответствии с предлагаемым изобретением в первом варианте его реализации; – фиг. 6 представляет собой схематически перспективный вид, относящийся к использованию предлагаемого изобретения для защиты некоторого туннеля; – фиг. 7 представляет собой схематически перспективный вид некоторого подземного сооружения, оборудованного устройством дренажной стенки в соответствии со вторым вариантом реализации предлагаемого изобретения. Подробное описание предлагаемого изобретения и одного из вариантов его применения. Как видно на фиг. 3, в соответствии с данным изобретением предлагается прибавить дренажные колодцы 6A в дополнение к дренажным колодцам 6, показанным на фиг. 2A, и расположить их между первоначально предусмотренными колодцами 6. Возвращаясь к схеме, приведенной на фиг. 2A, видно, и это установлено в результате двумерного исследования, что дренажные колодцы 6 ограничивают каптаж или сбор струек грунтовых вод лишь ближайшей окрестностью своего периметра. Известна некоторая зона гидравлического влияния одного отдельно взятого дренажного колодца, которая может иметь диаметр, в два или три раза превышающий диаметр этого дренажного колодца. Можно полагать, что за пределами этой зоны данный дренажный колодец уже не оказывает влияния на подпочвенный слой, в котором он сооружен. Таким образом, по практике дренажа этого типа можно полагать, что требуется весьма большое число дренажных колодцев для того, чтобы воспрепятствовать течениям грунтовых вод на входе зоны хранилища радиоактивных отходов, содержащего несколько серий колодцев хранения этих отходов, параллельных между собой и отстоящих друг от друга на несколько десятков метров. Однако, численные расходы с использованием трехмерной модели и экспериментальные результаты, полученные с использованием реоэлектрического макета системы, показывают, что ширина влияния дренажного колодца может увеличиться примерно до двадцати метров в поперечном направлении, то есть в направлении, перпендикулярном направлению подземного течения, тогда как сами эти дренажные колодцы имеют ширину менее метра. Замечено, таким образом, что это влияние является значительно более сильным в этом направлении, чем когда упомянутые дренажные колодцы располагаются в направлении течения и изолированы друг от друга, поскольку в этом последнем случае упомянутое влияние отдельно взятого дренажного колодца не превышает дистанции в три метра. Таким образом, как показано на фиг. 3, в данном случае применения предлагается разместить еще несколько дренажных колодцев 6A в дополнение к уже имеющимся дренажным колодцам 6, сооруженным в головных частях галерей доступа, которые при этом становятся осевыми дренажными и выравнивающими галереями или галереями 7 по течению и выполняют функцию средств гидравлической разгрузки дренажной стенки. Схема, приведенная на фиг. 1, предлагает сооружать достаточно глубокий дренажный колодец 6. Как видно на фиг. 1, нижние стрелки показывают, что общий сток в зоне, ограниченной двумя разломами 1 и 2, протекает в направлении, показанном стрелкой 3. Зато в окрестности основания дренажного колодца 6 подземное течение имеет тенденцию притягиваться этим основанием и направление течения локально может измениться на противоположное, в сторону основания этого дренажного колодца 6. Такое изменение направления подземного течения представляет собой явление, особенно интересное в использовании для ограничения подсасывания воды к основаниям колодцев 4 хранения, если имеется возможность реализовать его на всем пространстве массива, располагающегося под зоной размещения данного хранилища. Этот эффект сохраняется в устройстве дренажной стенки в соответствии с предлагаемым изобретением в том случае, если дренажные колодцы 6 являются более глубокими, чем подлежащая защите зона. Показано также, что в этом случае можно получить значительное уменьшение циркуляции волы под зоной расположения хранилища в направлении колодцев 4 хранения. Это уменьшение оказывается еще более существенным, если на головных частях колодцев 4 хранения установлены непроницаемые или малопроницаемые заглушки. На фиг. 3 можно заметить, что дренажная и выравнивающая галерея, называемая галереей 8 дренажных колодцев, перпендикулярна осевым дренажным галереям 7, параллельна центральной галерее 9 доступа и устроена на уровне расположения дренажных колодцев 6 и 6A. Эта галерея 8 дренажных колодцев обеспечивает эффективность действия дренажных колодцев 6 и 6A и увеличивает, таким образом, их дистанцию влияния для поддержания требуемой эффективности данной дренажной системы, несмотря на относительно большие расстояния между этими дренажными колодцами. Галерея 8 дренажных колодцев позволяет также отводить воду, дренированную этими колодцами 6 и 6A. На фиг. 4 схематически представлено устройство подземного хранилища радиоактивных ядерных отходов. Здесь показана главная галерея 9, дающая доступ к расположенным по направлению подземного течения галереям 7. Каждая из этих галерей 7 по течению позволяет получить доступ к серии колодцев 4 хранения, в каждый из которых вставлено несколько контейнеров с радиоактивными ядерными отходами, залитыми стеклянной массой. Все это может быть запечатано глиной внутри колодца 4 хранения. В центральной галерее 9 доступа и в располагающихся по по течению дренажных галереях 7 организуется вентиляция при галереи 18, первоначально предназначенной для возврата воздуха. Дренирующие свойства располагающихся по течению галерей могут быть устранены, если в них установлены перегородки (или заглушки) при закрытии данного хранилища. В этом случае гидравлическая связь между передней по потоку дренажной стенкой и задней по потоку дренажной стенкой будет осуществляться посредством галереи 18, первоначально предназначенной для возврата воздуха, если эта галерея заложена дренирующим материалом при закрытии данного хранилища ядерных отходов. Следует отметить, что рассматривая направление по стрелке 10 как общее направление течения грунтовых вод, дренажная стенка устанавливается по потоку перед данным подлежащим защите сооружением. Может оказаться полезным и эффективным разместить также аналогичную дренажную стенку, образованную дренажными колодцами или трубами 6B, ниже упомянутого сооружения по ходу потока. Следует отметить также, что глубина дренажных колодцев 6, 6A и 6B позволяет также каптировать или отводить градиент вертикальной геогидравлической циркуляции. Данная дренажная система функционирует только в том случае, если существует, по меньшей мере, одна располагающаяся по течению галерея 7, которая связывает эту дренажную стенку с гидравлическим “низовьем” данной подлежащей защите зоны. Может быть построена также и задняя по потоку дренажная стенка: она даст возможность ограничить глубину передней по потоку дренажной стенки и длину осевой располагающейся по течению дренажной галереи, пересекающейся с “низовьем” этой зоны. Как схематически показано на фиг. 5, основной принцип предлагаемого изобретения состоит, таким образом, в том, чтобы установить некоторую дренажную стенку, содержащую вертикальные дренажные колодцы 6, отстоящие друг от друга на некоторое расстояние и связанные одним из своих концов при помощи галереи 8 дренажных колодцев. Высота этих дренажных колодцев превышает высоту подземного объема или зоны 11, подлежащего защите от подземных гидравлических течений, при любой степени пористости массива или подпочвенного слоя, о котором идет речь. Ширина упомянутой дренажной стенки также может превышать ширину упомянутого защищаемого объема 11. То обстоятельство, что дренажные колодцы 6 связаны между собой специальной галереей 8 дренажных колодцев, располагающейся горизонтально, в значительной мере повышает их эффективность по сравнению с эффективностью дренажных колодцев, упомянутых при описании известной дренажной системы, схематически представленной на фиг. 1 и фиг. 2, где эти дренажные колодцы предлагаются просто в качестве защитных элементов. Упомянутая стенка дренажных колодцев 6 дополняется дренажной и выравнивающей галереей, называемой галереей верх/низ по течению, ориентированной в осевом направлении вдоль общей ориентации течения грунтовых вод. Эта галерея связана в верхней по течению области с галереей 8 дренажных колодцев и в нижней по течению области она связана со второй стенкой дренажных колодцев 6 при помощи другой галереи 8 дренажных колодцев. Установлено также, что расстояние между этими дренажными колодцами 6 может быть относительно большим по сравнению с размерами зоны гидравлического влияния, которой эти дренажные колодцы обладают независимо друг от друга в направлении, параллельном течению грунтовых вод. Таким образом можно защищать не только некоторую зону размещения подземного хранилища ядерных отходов, но также и фундаменты зданий и сооружений, возведенных в зонах, где грунт мало устойчив и где имеются значительные течения грунтовых вод. С использованием дренажной системы в соответствии с предлагаемым изобретением можно также защищать подземные сооружения типа автодорожных или железнодорожных туннелей, винных погребов или подземных автостоянок. Аналогичные дренажные стенки могут быть реализованы также и на двух других сторонах подлежащей защите зоны с тем, чтобы противостоять возможному изменению общего направления течения грунтовых вод в данном месте. Другое средство для обеспечения возможности отсоса грунтовых вод из зоны перед защищаемым объектом по потоку и их отвода при помощи передней по потоку дренажной стенки в нижнюю по потоку область состоит в использовании других галерей, более удаленных от хранимых под землей ядерных отходов, типа галерей отвода воздуха, которые предусматриваются над галереями доступа или осевыми дренажными галереями, упомянутыми выше, позаботившись о том, чтобы они были заложены проницаемыми материалами. Также может быть рассмотрена возможность использования такой дренажной стенки для защиты эксплуатационных нефтяных пластов при наличии интенсивных наземных и подземных водных потоков с тем, чтобы не допустить наличия излишне большого количества воды в добываемой нефти. С помощью предлагаемого способа можно также обеспечивать гидравлическую защиту городских земель от подсоса аварийных загрязнений из грунта под промышленными и другими потенциально опасными сооружениями. На фиг. 6 схематически представлен еще один специфический пример возможного использования устройства дренажной стенки в соответствии с предлагаемым изобретением для защиты от грунтовых вод некоторого туннеля 20. Эта дренажная стенка обеспечивает защиту упомянутого туннеля от общего течения этих грунтовых вод внутри массива, в котором проходит данный туннель, и имеющего главное направление течения, обозначенное стрелкой 21. В данном случае, как и во всех остальных случаях применения предлагаемого изобретения, дренажная стенка образована серией дренажных колодцев 6 с той лишь разницей, что в приведенном на фиг. 6 примере эти дренажные колодцы могут выходить на поверхность 24 земельного массива, через который проходит данный туннель 20. В этом случае галерея 22 дренажных колодцев, которая связывает между собой дренажные колодцы 6, размещается на их нижних концах. При этом может быть также предусмотрена одна дренажная галерея 23 верх/низ по течению, которая располагается на том же уровне, что и галерея 22 дренажных колодцев. В представленном на фиг. 6 случае галерея 23 верх/низ по течению проходит под подлежащим защите туннелем 20 и открыта (выходит) позади этого туннеля по направлению течения грунтовых вод по отношению к общему направлению течения этих вод, схематически показанному стрелкой 21. На фиг. 7 схематически представлен другой пример реализации средств, предназначенных для гидравлической разгрузки дренажной стенки в соответствии с предлагаемым изобретением. Здесь в качестве такого средства применяется насосная станция 29, которая выполняет эту функцию с помощью предложенного трубопровода 19, гидравлически связанного с дренажной и выравнивающей галереей 7 типа верх/низ по течению. В качестве возможного варианта использования предлагаемого изобретения можно также рассматривать возможность осуществления промывки некоторого загрязненного участка грунта путем реализации такой дренажной стенки и ее размещения на местности соответствующим образом. Дренажная стенка предлагаемого типа, расположенная на некотором расстоянии и ниже по направлению течения грунтовых вод относительно упомянутого загрязненного места, обеспечит возможность значительно менее ограниченного срока действия, чем в случае использования системы дренажных колодцев, сооруженных непосредственно в зоне загрязнения или заражения грунта, с одной стороны. Такое техническое решение также исключает необходимость в точном определении местоположения упомянутой загрязненной или зараженной зоны, с другой стороны. И наконец, использование дренажной системы в соответствии с предлагаемым изобретением в данном случае не требует использования таких мощных откачивающих средств, как в случае упомянутого использования системы дренажных колодцев непосредственно в зоне загрязнения. Способ в соответствии с предлагаемым изобретением может также применяться для защиты хранилищ ядерных отходов без вертикальных колодцев хранения этих отходов. В этом случае контейнеры с радиоактивными отходами размещаются в горизонтальных галереях доступа при условии соблюдения следующих предосторожностей: осевая дренажная галерея (или галереи) должна быть гидравлически изорвана от этих галерей доступа: должны быть установлены малопроницаемые перемычки (или заглушки) на входе и на выходе из этих галерей доступа. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 05.09.2005
Извещение опубликовано: 20.10.2006 БИ: 29/2006
|
||||||||||||||||||||||||||
