Гидравлический транспорт грунта

§ 63. Гидравлический транспорт грунта

Гидротранспорт осуществляется путем перемещения частиц грунта потоком воды с турбулентным режимом движения. Такой режим характеризуется наличием взвешивающих вертикальных составляющих средней продольной скорости, равных, по М А Великанову и другим исследователям, 10-20 % этой скорости. Среднюю скорость потока гидросмеси, при которой начинается осаждение частиц, называют критической. При скорости больше критической весь грунт транспортируется во взвешенном состоянии. Когда скорость близка к критической, грунт транспортируется во взвешенном состоянии, но большое количество частиц движется по дну. При скорости меньше критической на дне образуется постоянный слой заиления.

Безнапорный гидротранспорт. Его расчет состоит в определении критической и надежной скорости транспортировки, а также соответствующих им уклонов.

Критическую скорость определяют по формуле:

, где (7.18)

В - коэффициент, принимаемый равным 3,85 для песчано-гравелистых грунтов и 2,86 для крупнокусковых материалов,

Fr =ω²/(gd) - число Фруда (здесь ω - гидравлическая крупность транспортируемых частиц),

ρ_см, ρ_в, ρ_т - плотность соответственно гидросмеси, воды и твердой составляющей.

Надежная скорость транспортировки

Рекомендуемые материалы

 ,где (7.19)

К_н =1,1 1,3 - коэффициент надежности

Уклоны i_кр и i_н , соответствующие скоростям ν_кр и ν_H находят по формуле:

, где (7.20)

λ^/=λ+δ(mω+nδ-q) - коэффициент гидравлического трения, δ = ρ_см/ρ_в - относительная плотность гидросмеси, m, n, q - постоянные величины, зависящие от режима гидротранспорта*),

R- гидравлический радиус лотка или безнапорной трубы

Напорный гидротранспорт. В этом случае гидросмесь перемещается под напором, заполняя все сечение трубы.

Существует ряд методик расчета напорного гидротранспорта, но все они носят частный характер, так как были созданы для определенных условий гидротранспорта. Наибольшее распространение получила методика, изложенная в специальной инструкции Минэнерго СССР 11-59-72*. Формулы, приведенные е инструкции, применимы для расчета гидротранспорта грунтов с плотностью минеральной части 2,6-2,7 т/м³, средневзвешенной крупностью d_ср =0,20...70 мм при ее отношении к диаметру трубопровода D, равном или меньшем 0,15 наибольшей относительной крупности грунта d_макс  0,3 м, и с объемной консистенцией гидросмеси не более 0,3 D.

Для расчета нужно знать:

1) средневзвешенный диаметр частиц грунта d_ср, мм;

2) удельный расход воды q, м³;

3) тип земснаряда и марку установленного на нем грунтового насоса;

4) диаметры всасывающего, плавучего, магистрального и распределительного трубопроводов, мм;

5) действительные скорости движения гидросмеси во всасывающем ν_св, плавучем ν_пл, магистральном ν_м и распределительном ν_расп трубопроводах, м/с;

6) объемную консистенцию гидросмеси, определяемую по формуле:

,где (7.21)

n - пористость разрабатываемого грунта в долях единицы, которую можно принять равной 0,4;

7)      плотность гидросмеси

,где (7.22)

ρ_т — плотность твердого, кг/м³.

Расчет состоит в определении критических скоростей и потерь напора. Критическую скорость движения гидросмеси, м/с, определяют по формуле:

 , где (7.23)

D - диаметр трубопровода, м;

К_о-см. формулу (7 21);

Ψ=- коэффициент транспортабельности грунта, который определяется как средневзвешенное значение в зависимости от гранулометрического состава по табл. 7.2 (здесь ψ_i -средняя величина для i-й стандартной фракции);

Р_i- процентное содержание i-й фракции по массе в составе грунта)

Расход гидросмеси при критической скорости транспортирования:

 ,где (7.24)_:

^{А Инструкция по гидравлическому расчету систем напорного гидро­транспорта грунтов.}

Таблица 7.2

Примечание. Если в грунте содержится не более 10 % сравнительно крупных фракций, то при определении d_ср и ψ_ср наличие их в составе грунта рекомендуется не учитывать

Высоту, м, неподвижного слоя отложения грунта в трубопроводе при Q_зc<Q_см.кр определяют по формуле:

 (7.25)

Удельные потери напора

,где (7.26)

I_в - удельные потери напора при движении воды с той же скоростью, с которой движется гидросмесь; определяются по известной формуле Дарси-Вейсбаха в зависимости от коэффициента гидравлического трения λ_в и диаметра трубопровода D, м; ∆I- дополнительные удельные потери напора, обусловленные наличием твердых частиц в потоке гидросмеси.

Для новых стальных трубопроводов

 (7.27)

а для шероховатых труб

, где (7.28)

Re = νD/ν (здесь ν - кинематическая вязкость воды, принимаемая равной 1-10^-6 м/с при температуре воды 20 °С).

При режиме заиления значения I_в принимают равными удельным потерям напора при движении чистой воды со скоростью ν_кр.

Дополнительные удельные потери напора

, где (7.29)

Δ- коэффициент, учитывающий влияние относительной крупности частиц грунта d_ср/D, определяется по табл. 4 инструкции П-59-72; j=d₁₀/d₉₀- коэффициент разнозернистости транспортируемого грунта (здесь d₁₀ и d₉₀ - диаметры частиц грунта, отвечающие 10- и 90 %-ному содержанию их в нем).

Линия трубопровода, по которому гидросмесь подается к месту ее выпуска, т. е. месту намыва грунта, подразделяется на всасывающую и напорную части. Первая представлена всасывающим трубопроводом, который соединяет грунтозаборное устройство земснаряда с установленным на его корпусе грунтовым насосом. Вторая представлена напорным трубопроводом на самом земснаряде, плавучим, магистральным и распределительным трубопроводами. Плавучий трубопровод в свою очередь состоит из отдельно уложенных на поплавках звеньев труб, соединенных между собой шаровыми шарнирами. С магистральным береговым трубопроводом он соединяется специальным береговым подсоединением. Звенья магистрального трубопровода имеют сварные или фланцевые, но чаще быстроразъемные самоуплотняющиеся бандажные соединения, а звенья распределительного трубопровода, укладываемого на месте намыва, -раструбные самоуплотняющиеся соединения (рис. 7.7). Укладывают трубопроводы с уклоном к месту подачи гидросмеси.

При работе земснаряда суммарные потери напора складываются из потерь напора во всасывающей линии hi, в плавучем h₂, в магистральном h₃, в распределительном h₄ трубопроводах и из потерь напора на преодоление геодезического подъема по трассе трубопровода h_T.

Суммарные потери напора

 , где (7.30)

К- коэффициент запаса, принимаемый равным 1,15

Потери напора во всасывающей линии

, где (7.31)

ν_вс - скорость движения гидросмеси во всасывающем трубопроводе, м/с,

D_вс и l_вс - соответственно диаметр и длина всасывающего трубопровода земснаряда, м.

Потери напора в плавучем трубопроводе, включая напорную часть на земснаряде,

,где (7.32)

- удельные потери напора в плавучем трубопроводе;

- фактическая длина плавучего трубопровода, м;

Β- коэффициент, учитывающий местные сопротивления в плавучем трубопроводе, принимается равным 2;

ζ - коэффициент гидравлических сопротивлений в напорном трубопроводе и арматуре, расположенных на корпусе земснаряда *.

Потери напора в магистральном трубопроводе

 ,где (7.33)

- удельные потери напора в магистральном трубопроводе;

- длина магистрального трубопровода, м;

Ki - коэффициент, учитывающий местные сопротивления в магистральном трубопроводе, принимается равным 1,1

Потери напора в распределительном трубопроводе

-удельные потери в распределительном трубопроводе;

- длина распределительного трубопровода, м;

К₂ - коэффициент, учитывающий местные сопротивления, принимается равным 1,5.

В приведенных формулах учтены потери напора в местных сопротивлениях. Если же их не учитывают, то они могут быть приняты равными 10 % потерь напора на трение.

Величину h_г, м, вычисляют по формуле:

 ,где (7.35)

∆z - разность геодезических отметок оси грунтового насоса и оси трубопровода в месте выпуска гидросмеси, м.

Знак (+) берут в случае подъема трубопровода, знак (-) - в случае понижения.

Так как в характеристике грунтового насоса (Q-Н) напор, развиваемый им, указан при работе на воде, то необходимо пересчитать его на гидросмесь. Пересчет проводят по формуле:

В лекции "Пиленые лесоматериалы и полуфабрикаты" также много полезной информации.

 , где (7.36)

Н_см и Н_в - напоры при работе нового грунтового насоса соответственно на гидросмеси и воде, К_п- безразмерный коэффициент**. Остальные обозначения ясны из предыдущего.

^{Шкундин Б. М. Землесосные снаряды — М : Энергия, 1973 : Юфин А. П. Гидромеханизация. — М • Стройиздат, 1974.}

Если суммарные потери, определенные по формуле (7.30), превышают напор, развиваемый грунтовым насосом, установленным на земснаряде, вычисленный по формуле (7.36), то необходима установка промежуточных перекачивающих станций. Их число и местоположение определяют исходя из суммарных потерь напора, геодезической разности отметок и напора, который развивает один грунтовой насос.

Для обеспечения нормальной работы последовательно установленных грунтовых насосов необходимо предусматривать напор при входе гидросмеси в следующий грунтовой насос 1,5—2 м.