Гидромеханизация в мелиоративном строительстве

Под гидромеханизацией понимается способ производства земляных работ, при котором для разработки, транспортирования и укладки грунта используется сила потока или струи воды. Гидромеханизацией можно выполнять одновременно весь комплекс земляных работ или только отдельные операции.

Механическую смесь воды с грунтом, получающуюся в результате воздействия струи или потока воды на грунт, принято называть пульпой или гидромассой. Количество воды, необходимое для размыва или транспортирования 1 м³ грунта, называется удельным расходом воды.

Удельный расход воды на разработку грунта зависит от характера грунта, а на транспортирование - от характера грунта и уклона местности.

Степень насыщения пульпы (гидромассы) грунтом называется ее консистенцией. Отношение единицы объема грунта к объему воды в пульпе – объемная консистенция; отношение веса грунта к весу воды в пульпе – весовая консистенция. Объемную консистенцию обычно выражают как отношение 1 м³ грунта в естественном сложении (целина) к объему воды, требующемуся для его разработки (например, 1:5, 1:10).

При гидромеханизации применяют два основных способа разработки: размыв грунта струей воды и всасывание грунта из-под воды с применением механического рыхления в плотных грунтах для интенсификации всасывания. Транспортирование пульпы может быть самотеком по желобам или канавам и напорное по трубам землесосными установками и гидроэлеваторами.

Основные преимущества гидромеханизации перед другими способами земляных работ: сравнительно небольшой вес и простота оборудования; высокая производительность каждого рабочего; незначительная потребность в квалифицированной рабочей силе; высокое качество укладки грунта и т. д.

Недостатки гидромеханизации: нельзя применять ее для разработки всех видов грунтов; требуется значительное количество воды и энергии; необходимо иметь достаточное место для размещения отвалов.

По конструкции и принципу работы оборудование для гидромеханизации делится на землесосные установки, гидромониторы и гидроэлеваторы /4/.

Одним из эффективных спо­собов снижения стоимости земляных работ яв­ляется производство работ способом гидроме­ханизации. Помимо производства земляных работ, важной областью применения гидромеханиза­ции в гидротехническом строительстве является добыча и переработка песчано-гравийных ма­териалов. Эти материалы расходуют в гидро­техническом строительстве в огромных количе­ствах для приготовления бетонной смеси, устройства всевозможных фильтров и крепле­ний земляных сооружений.

При строительстве крупных гидроузлов расход песчано-гравийных материалов исчисляется миллионами кубических метров. При­менение гидромеханизации для добычи и пе­реработки песчано-гравийных материалов в соответствующих природных условиях весьма эффективно и обеспечивает получение высококачественной продукции /5/.

4.2.1 Схемы гидромеханизации В производственной практике используются различные схемы гидромеханизации, одна из которых показана на рисунке 4.18.

 

 

Рисунок 4.18 – Схема гидромониторных работ: 1 – гидромонитор; 2 – зумпф; 3 – грунтовой насос; 4 – напорный пульповод

 

Воду под значительным давлением подво­дят к гигантскому брандспойту-гидромонито­ру. Вытекающая из гидромонитора с большой скоростью (20-70 м/сек) струя воды размы­вает грунт. Размытый грунт стекает в виде водогрунтовой смеси - пульпы в специальное углубление (зумпф), из которого грунтовый насос перекачивает пульпу по трубам к месту укладки.

Иногда рельеф местности бывает на­столько благоприятен, что оказывается возможным транспортировать пульпу к месту укладки самотеком по желобам или канавам. Плотные грунты, расположенные под во­дой и подлежащие выемке и перемещению, разрабатывают механическим способом – раз­рыхлителем, а выемку и транспортирование грунтов производят грунтовым насосом.

При разработке малосвязных грунтов разрыхлитель не нужен, так как поток во­ды увлекает грунт во всасывающую тру­бу грунтового насоса (рисунок 4.19).

 

Рисунок 4.19 – Схема землесосных работ: 1 – всасывающая труба снаряда; 2 – землесосный снаряд; 3 – плавучий пульповод

 

Таким образом, гидромеханизация пред­ставляет собой своеобразный конвейер, решающий в непрерывном производственном процессе полный комплекс земляных работ: разработку, транспортирование и укладку грунта. Непрерывность процессов гидромеханизации является важной особенностью этого способа, обеспечивающей его высокую произ­водительность и эффективность.

Преимущества гидромеханизации в сравне­нии с другими способами механизации особенно велики при больших объемах работ, с ко­торыми приходится иметь дело в гидротехни­ческом строительстве.

К недостаткам гидромеханизированного способа производства земляных работ следует отнести большую, чем при других способах, зависимость от природных условий. Так, например, при переходе от песков к глинам эффективность гидромеханизации сильно снижается, в то время как при экскаваторных работах изменение характера грунтов сравни­тельно незначительно влияет на производи­тельность /5/.

Завод Гидромеханизации г. Рыбинск – ведущий Российский производитель земснарядов и комплектующих выпускает современные земснаряды производительностью от 100 до 8000 м³ в час по пульпе.

Слово «земснаряд» образовано от словосочетания «землесосный снаряд», иногда употребляют также просто «землесос» – это судно технического флота предназначенное для разработки и перемещения грунта или различных пород на обводненных территориях (добыча ПГС, добыча песка, сапропели, шламов, драгоценных металлов и др.).

Землесосами называются машины, предназначенные для транспортирования по напорным трубопроводам смеси грунта с водой на расстояние, предусмотренное планом работ или определяемое величиной создаваемого напора. По принципу действия землесосы представляют собой центробежные насосы с некоторыми конструктивными изменениями, обусловленными наличием твердого материала в транспортируемой жидкости. Их характеристика должна полностью соответствовать характеристике присоединенных к нему всасывающего и напорного трубопроводов и условиям их эксплуатации.

Землесос характеризируется типом применяемого грунтового насоса, его производительностью по пульпе, типу привода (дизельный / электрический), а также методами разработки грунта. Их производительность от 100 м³ и выше. Бывают и земснаряды, позволяющие добывать 8000 м³ пульпы (при концентрации сухого материала в пульпе 13%, но концентрация в зависимости от грунта и опыта багермейстера может достигать и 50%).

В соответствии с потребностями рынка, используя весь накопленный опыт, завод с 2005 году выпускает конструкции массой до 7 т и производительностью 100-800 м³ по пульпе для работы в речных и морских условиях.

Сегодня линейка представлена в 7 основных сериях 23 модификациями, что позволяет выпускать земснаряды, максимально удовлетворяющую потребностям и задачам пользователей. Производственные мощности завода позволяют выпускать до 30 судов в год.

4.2.2 Производительность землесос­ного снаряда Производительностью землесос­ного снаряда называется количество еди­ниц объема грунта, разрабатываемого и пере­мещаемого землесосным снарядом в единицу времени. Объем разрабатываемого грунта из­меряют в забое. Учитывают объем грунта, разработанного и перемещенного землесосным снарядом на заданное расстояние.

Производи­тельность землесосных снарядов измеряют в кубических метрах в час.
Под часовой производительностью пони­мают производительность за час чистой рабо­ты, т. е. из счета времени исключаются все простои. Для перехода от часовой производи­тельности к производительности сменной или месячной вводят специальный коэффициент использования снаряда по времени

 

q_м = K_t t_cn_м q_ч, _(4.1)

 

где: q_ч – часовая производительность снаряда за 1 ч чистой работы; K_t – коэффициент ис­пользования землесосного снаряда во време­ни; tc – продолжительность смены, ч; n_м – ко­личество рабочих смен в месяце; q_м – месяч­ная производительность землесосного снаряда /6/.

Пропускная способность грунтовых насосов измеряется диаметром шара, который может беспрепятственно прокатиться через канал рабочего колеса. Пропускная способность характеризует пригодность грунтового насоса для перекачивания пульпы с крупнооб­ломочными включениями. Ее обычно измеряют в долях диаметра всасывающего патрубка D. Она колеблется в пределах от 0,4D до 0,7D /6/.

4.2.3 Консистенция пульпы Консистенция пульпы – величина, характеризующая содержание грунта в пуль­пе. Существует ряд способов численного вы­ражения консистенции, представляющей собой во всех случаях соотношение твердого и жидко­го состояния.

Чаще всего консистенцией называют отно­шение объема грунта в естественном рыхлом состоянии (в котором он лежит в карьере), содержащегося в дан­ном объеме пульпы, к объему воды, содержа­щейся в этом же объеме пульпы. Такое поня­тие консистенции обозначим Сг.

Отношение объема твердого грунта в плот­ном теле без учета объема пор к объему воды обозначим через С, отношение массы грунта к массе воды через Св.
р – плотность воды; рп – плотность пуль­пы; рт – плотность грунта в плотном теле; рг - плотность сухого твердого грунта в ес­тественном рыхлом сложении.

Заменить везде р на ро (латынь) буквами

Тогда можно написать:

(4.2)

 

Первый член числителя является массой единицы объема грунта в естественном сложении; второй член – масса воды в пульпе, со­держащей единицу объема грунта. Таким об­разом, числитель представляет собой массу некоторого объема пульпы, содержащей еди­ницу объема грунта.

Первый член знаменате­ля представляет собой объем твердых частиц (без учета объема пор), приходящийся на еди­ницу объема грунта в естественном состоянии. Второй член знаменателя – объем воды в пульпе, содержащей единицу объема грунта в естественном состоянии, т. е. сумма, стоящая в знаменателе, это объ­ем пульпы, содержащей единицу объема грун­та в естественном рыхлом сложении.

Таким образом, в знаменателе стоит неко­торый объем пульпы, масса которого записана в числителе, а дробь в целом представляет со­бой массу единицы объема пульпы, иначе – это объемный вес пульпы – рп.

Определив из уравнения (4.2) значение Сг, найдем:

 

(4.3)

 

В таблице 4.11 приведены основные формулы различных выражений консистенции. Для отыскания нужной формулы находят пересечение соответствующих горизонтальных и верти­кальных строк.

 

Таблица 4.11 – Основные формулы различных выражений консистенции пульпы /5/

4.2.4 Землесосные установки Землесосные установки предназначаются для всасывания грунта со дна водоема (иногда с предварительным рыхлением) и перемещения его по пульповоду к месту укладки или для транспортирования грунта от места разработки к месту укладки (рисунок 4.20).

 

 

Рисунок 4.20 – Схема работы землесосной установки: 1 – грунтоприемник; 2 – всасывающий трубопровод; 3 – центробежный насос; 4 – двигатель; 5 – нагнетательный трубопровод; 6 – транспортирующий трубопровод;
7 – понтоны; 8 – сваи; 9 – механический рыхлитель

 

Землесосные установки применяются при сооружении каналов, углублении и очистке каналов, отстойников, рек, озер, морей, водохранилищ. Используют их и для добычи строительных материалов из-под воды (песок, гравий); для намыва плотин и дамб.

Разработка грунта землесосной установкой основана на размывающей и влекущей способности воды. Центробежный насос – 3, устанавливаемый на землесосных установках, называют землесосом. Он создает поток воды, который отделяет от дна водоема частицы грунта. Через грунтоприемник – 1 он увлекается во всасывающий трубопровод – 2, заполняет корпус насоса и выбрасывается рабочим колесом в нагнетательный – 5 и транспортирующий – 6 трубопроводы, по которым транспортируется к месту укладки. Транспортирующий трубопровод (пульпопровод) – 6 в пределах водоема укладывают на понтонах – 7. Центробежный насос приводится во вращение от двигателя – 4.

Непрерывное всасывание грунта обеспечивается постоянным расположением грунтоприемника в непосредственной близости от разрабатываемого грунта. Для этого грунтоприемник передвигают поперек и вдоль снимаемого пласта и изменяют угол наклона всасывающего трубопровода в вертикальной плоскости.

При разработке связных грунтов у грунтоприемника устанавливают механический рыхлитель – 9, который ножами отделяет частицы грунта от массива, а поток воды, создаваемый центробежным насосом, захваты­вает их и засасывает во взвешенном состоянии во всасывающий трубопровод.

Землесос (рисунок 4.21) отличается от обычных водяных центробежных насосов только тем, что корпус – 1 и рабочее колесо – 2 рассчитаны на пропуск воды с грунтом, имеющим крупные каменистые включения.

 

Рисунок 4.21 – Землесос: 1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – вал; 4 – опора; 5 – напорный патрубок; 6– всасывающий патрубок

 

Землесос изготовляются из износостойких материалов. Рабочее колесо (одностороннего всасывания) посажено консольно на вал – 3, опирающийся на подшипниковую опору – 4 и соединенный непосредственно с валом электродвигателя эластичной муфтой, или через редуктор и фрикционную муфту включения с двигателем внутреннего сгорания.

От осевого смещения вал с рабочим колесом удерживается упорным подшипником, установленным сзади подшипниковой опоры. Ступица рабочего колеса расположена в сальниковой коробке, которая предохраняет от попадания на нее абразивных частиц. Для защиты сальникового уплотнения от пульпы между корпусом и рабочим колесом со стороны вала под давлением подается чистая вода.

Очистку и проверку состояния корпуса и рабочего колеса проводят через люки в корпусе. Всасывающий патрубок – 6 крепится к передней крышке. Для отсоса воздуха при запуске землесоса в верхней части корпуса имеется отверстие, к которому присоединяется вакуумный насос.

Рабочее колесо имеет от 3 до 6 лопастей, идущих по спирали от центра к наружному диаметру между двумя торцовыми дисками. При вращении рабочего колеса у всасывающего патрубка образуется разрежение, и пульпа засасывается в пространство между лопастями, откуда ими выталкивается в напорный патрубок – 5 землесоса и далее в трубопровод.

Землесосные установки изготовляют сухопутные и плавучие. Сухопутные установки бывают стационарные и передвижные (на железнодорожном, гусеничном, шагающем и колесном ходу); плавучие – на понтонах.

Стационарные землесосные установки применяют при объемах работ, которые могут быть выполнены с одной стоянки, и для транспортирования грунта, разрабатываемого другими машинами.

Передвижные землесосные установки применяют при работах, когда по условиям местности и объему работ разработка грунта или его транспортирование не может быть обеспечено с одной стоянки и требуется перемещение установки по направлению к забою. Землесосные установки, предназначенные только для транспортирования грунта, выполняются с неподвижной всасывающей частью во время работы.

На гидромелиоративных работах наибольшее применение находят плавучие землесосные установки – земснаряды. По конструктивному признаку их можно разделить на две группы:

– земснаряды для мелиоративных и дноуглубительных работ, приспособленные для работы на каналах, реках, озерах и в портах. Они имеют свою силовую дизельную или дизель-электрическую установку и приспособлены к работам при быстром течении воды и больших волнах;

– земснаряды для строительных целей и добычи полезных ископаемых с приводом механизмов электродвигателями, питающимися электроэнергией от стационарной или передвижной электростанции. Эти установки используют при сооружении крупных каналов, котлованов, очистке отстойников и голов каналов, намыве плотин и дамб, для добычи песка и гравия из-под воды и на вскрышных работах.

Для очистки каналов, прудов, водоемов, углубления дна малых рек, подводящих каналов насосных станций от наносов, строительства оросительных и осушительных каналов, рытья котлованов для мелиоративных сооружений и других подобных работ применяют дизельные и дизель-электрические малогабаритные земснаряды.

Их можно разделить на земснаряды для работы на каналах и в выемках с шириной по дну < 2,5 м с производительностью 20-35 м³/ч и < 5 м с производительностью 60-100 м³/ч.

4.2.5 Гидромониторы Гидромонитором называют механизм, предназначенный для создания компактной напорной струи воды и ее направления в нужную часть забоя для разрушения и смыва грунтов или горных пород. Он применяется для разработки выемок (каналы, котлованы и др.) с транспортированием грунта самотеком или под напором землесосной установкой или гидроэлеватором.

Гидромониторы изготовляются стандартного типа (напор 5-12 ат) – для разработки грунтов средней трудности и специального назначения – для разрушения плотных, связных грунтов (напор 15-25 ат и более). Гидромониторы бывают дальнего и ближнего боя и для производства кессонных работ.

Наибольшее распространение получили гидромониторы стандартного типа (рисунок 4.22).

 

 

Рисунок 4.22 – Гидромонитор: а – общий вид; б – дефлектор; 1 – неподвижное колено; 2 – подвижное колено; 3 – ствол; 4 – насадка; 5 – трубопровод; 6 – шарнир; 7 – шаровой шарнир; 8 – рычаг-водило; 9 – рукоятка

 

Выпускают стационарные гидромониторы и передвижные на гусеничном и колесном ходу, на салазках и понтонах. Нижнее неподвижное колено – 1 и верхнее подвижное колено – 2 соединены плоским фланцевым шарниром – 6, который позволяет вращать ствол с насадкой – 4 в горизонтальной плоскости на 360°, а ствол и верхнее колено соединены шаровым шарниром – 7, допускающим поворот ствола в вертикальной плоскости на 50-70°.

Небольшие гидромониторы обычно управляются рычагом-водилом – 8, один конец которого закреплен неподвижно на стволе, а другой имеет противовес.
Для управления крупными и высоконапорными гидромониторами применяют дефлектор (рисунок 4.22,6), благодаря которому ствол вращается силой реакции вытекающей струи воды.

При отклонении дефлектора рукояткой – 9 от оси ствола на небольшой угол сила ?2, составляющая реакции струи Р, вызывает вращение ствола гидромонитора в сторону наклона рукоятки – 9. Составляющая P1 стремится сдвинуть гидромонитор назад, но уравновешивается смещению сопротивлением. Поворот дефлектора требует незначительного усилия.

Работа гидромонитором выполняется в следующей последовательности (кроме работ по удалению отвалов с берегов каналов). Гидромонитор устанавливают в забое для разрушения грунта струей воды «снизу вверх» (встречный забой) или «сверху вниз» (попутный забой). У источника воды располагается насосная станция, трубопровод – 5 от которой присоединяется к нижнему колену гидромонитора.

Гидромониторщик, направляя струю в необходимое место, постепенно вырабатывает забой. Для более эффективной работы вначале забой размывают в нижней части (подрезают). Тогда верхняя часть обрушается. Обрушенный и разрыхленный грунт смывается (транспортируется). После выработки забоя в пределах радиуса действия гидромонитор передвигается к стенке забоя на новую позицию.

Наименьшее расстояние установки гидромонитора от стенки забоя – / (по условиям техники безопасности) для гидромониторов дальнего боя определяют по зави­симости:

I = KB, (4.4)

 

где В – высота забоя, м; К – коэффициент обрушения; 1,2 – для лесса и лессовидных пород; 0,6-0,8 – песков; 0,4-0,6 – для суглинков; 1 – для глин.

Гидромониторы ближнего боя (с дистанционным управлением) устанавливают вплотную к стенке забоя. При смыве отвалов гидромонитор устанавливают на дамбе, на берме канала или в русле канала (плавучие). Всасывающую трубу насосной станции опускают в канал. После удаления отвала в пределах радиуса действия гидромонитор перемещается вдоль канала на следующую позицию.

Диаметр входного отверстия нижнего колена колеблется от 100 до 500 мм; диаметр отверстий насадок от 25 до 140 мм; длина ствола до 1250-2600 мм.

Диаметр d насадки подбирают по производительности насосной станции и необходимой скорости струи:

 

d = ,м (4.5)

 

где П – производительность насосной станции, м³/сек; μ – коэффициент скорости (0,92-0,96); v – скорость вылета струи из насадки, м/сек. Скорость струи должна быть: при разработке песка – 10-12 м/сек; супеси и рыхлого лесса – 12-15; плотного лесса –15-20; суглинка легкого и среднего, супеси тяжелой, рыхлой глины – 18-26; тяжелой глины – 30-35; торфа – 18-20 м/сек.

Удельный расход (количество воды, необходимое для размыва или транспортирования 1 м³ грунта) при разработке песка 2-5 м³; супеси легкой и лесса-4-6; суглинка легкого и среднего-10-16; супеси тяжелой и глины рыхлой-6-10; глины тяжелой-14-18 м³ /4/.

Современные гидромониторы выпускают с дистанционным управлением на гусеничном ходу, что дает возможность более интенсивного разрушения грунта, располагая сопло гидромонитора в необходимой близости к забою.

При проведении таких работ большое значение имеет правильная организация транспортировки пульпы. Она зависит от крупности частиц и вида грунта. Если конструктивно невозможно организовать самостоятельный отток пульпы, применяют установки для ее принудительной транспортировки. Для транспортирования под напором ее собирают в специальных колодцах (зумпфе) и перекачивают насосами или гидроэлеватором в насыпь.

4.2.6 Гидроэлеваторы Гидроэлеваторы применяются для подъема и горизонтального перемещения пульпы, если противодавление не превышает 10 м, объемы работ небольшие, условия работ стесненные, возможно попадание воздуха в трубопровод. Работают гидроэлеваторы (рисунок 4.23) по принципу водоструйных насосов (эжекторов).

Вода под напором по напорной трубе – А поднимается к насадке – Б, расположенной перед смесительной камерой – К в гидроэлеваторе. Струя воды, вылетая с большой скоростью из насадки в смесительную камеру-приемник – К, создает разрежение (вакуум) во всасывающей трубе – Т, благодаря которому пульпа или вода поступает по этой трубе, смешивается в камере – К с водой, подаваемой под напором, и через горловину – Г и диффузор – Д транспортируется по пульповоду – П.

 

 

Рисунок 4.23 – Гидроэлеватор

 

Гидроэлеваторы имеют низкий к.п.д. – 0,1-0,37, т.к. количество грунта в пульпе, движущейся по пульповоду, составляет 1-2% от объема воды.

Положительным свойством гидроэлеваторов является их способность бесперебойно работать в случае попадания воздуха во всасывающую трубу и возможность транспортирования с большими включениями при сравнительно небольшом износе оборудования /4/.