Разработка грунта

§ 62. Разработка грунта

Безнапорный размыв или смыв грунта безнапорной водой. Этот размыв основан на размывающей и влекущей способности потока воды. Его применение возможно в тех случаях, когда имеются условия для смыва грунта под действием стекающего с возвышенных мест потока воды или при увеличении скорости потока воды, протекающего в земляном русле.

Способ применялся в Средней Азии, на строительстве Верхневолжских гидроузлов **, Пальеозерской и Перепадной ГЭС.

Землесосная разработка. Разработка грунта земснарядами наиболее широко применяется в гидротехническом строительстве. Земснарядами называют несамоходные или самоходные суда, специально оборудованные для разработки грунта. Первые применяют на строительстве, а вторые - при дноуглублении. В отличие от дноуглубительных строительные земснаряды не автономны в питании электроэнергией.

На плавучем земснаряде основным агрегатом является грунтовой насос, отличающийся от центробежного насоса тем, что он приспособлен к перекачиванию не чистой воды, а гидросмеси, содержащей отдельные крупные включения размерами до 0,7 диаметра всасывающего патрубка. Остальное оборудование является вспомогательным. При работе грунтового насоса во всасывающей трубе, опущенной под уровень воды, создается разрежение, частицы грунта отрываются от массива и вместе с водой засасываются в грунтовой насос, перекачивающий образовавшуюся гидросмесь к месту укладки грунта. Объем засасываемого грунта зависит от его гранулометрического состава, плотности и связности, формы поперечного сечения устья всасывающей трубы, скорости всасывания, расстояния от устья всасывающей трубы до разрабатываемого грунта и скорости ее перемещения. Излишняя скорость перемещения влечет за собой большой просор грунта. Последний, как правило, не превышает 20 % всего объема разрабатываемого грунта. Эффективность разработки плотных связных грунтов повышается применением рыхлителей различных конструкций (гидравлических, фрезерных, роторных, ковшовых и др.). Обычно земснаряды оборудуют рыхлителями фрезерного типа с ножами. Наиболее эффективны из них фрезы с отвально-направляющими поверхностями отечественной конструкции.

Земснаряды подразделяют на типы и обозначают двумя числами, первое из них соответствует условной производительности по грунту при 10%-ной консистенции гидросмеси, а второе - напору, развиваемому грунтовым насосом, м (150-45; 100-50; 180-60; 350-50 и т. д.), или маркой грунтового насоса, установленного на земснаряде (ГРУ, 20Р-11 и т. д.).

Для разработки обводненных месторождений гравия применяют многочерпаковые земснаряды 300-50 Мч. На таком снаряде типа 300-100 ДШ установлен шлюзовой питатель.

В табл. 7.1 приведена краткая характеристика земснарядов, применяемых в настоящее время*.

^{* На 1982 г. 222}

Рекомендуемые материалы

При разработке грунта земснаряды совершают рабочие перемещения. Под рабочим перемещением снаряда подразумевают его передвижение, обеспечивающее непрерывный контакт фрезы с разрабатываемым грунтом в забое. Рабочие перемещения осуществляют с по мощью тросового, свайно-тросового и бестросово-хоботного устройства. Земснаряды, оборудованные тросовым устройством, совершают рабочие перемещения папильонажным и траншейным способами, а оборудованные свайно-тросовым устройством - веерным способом. В земснарядах с бестросово-хоботным устройством последнее перемещается независимо от корпуса снаряда.

В гидротехническом строительстве наиболее распространено свайно-тросовое рабочее перемещение. Для его осуществления в кормовой части земснаряда в специальных обоймах подвешены две сваи, которые с помощью лебедок могут попеременно подниматься и опус­каться (рис. 7.3). Снаряд поворачивают вокруг одной из свай с помощью тяговых тросов (рис. 7.4). На рис. 7.4 свая 1 опущена в грунт, а свая 2 поднята. Лебедка 4 выбирает, а лебедка 3 травит трос и всасывающая труба описывает своим концом дугу АБ, затем цикл повторяется, всасывающая труба описывает в обратную сторону дугу БВ и т. д. При таком перемещении не достигается полного контакта фрезы с грунтом, так как всасывающая труба на некотором участке подошвы забоя не захватывает грунт, образуя огрехи, объем которых достигает 5 % объема разрабатываемого грунта. Этот недостаток исключается при применении напорно -свайного хода.

В результате рабочего перемещения земснаряда образуется прорезь, ширина которой

, где

R - горизонтальное расстояние от сваи до фрезы при данной глубине разработки, м,

α- угол поворота снаряда вокруг сваи, град (обычно 70—80°).

Землесосная разработка может производиться на дне рек или водоемов, а также в обводненных забоях. При этом забой состоит из подводного и надводного уступов. В руслах рек или водоемах земснаряды могут работать при силе ветра до 4 баллов и волнении до 3 баллов.

Земснаряд при разработке грунта периодически подсоединяется в специальных местах с помощью плавучего трубопровода к береговому магистральному трубопроводу Чтобы плавучий трубопровод не сносило на снаряд, последний работает против течения, скорость которого не должна превышать 0,75 м/с.

Рис 7.4 Схема свайного папильонирования

Участок, разрабатываемый земснарядом, разбивается на карты и блоки. Картой называют площадь, разрабатываемую с одного берегового подсоединения, блоком - площадь, разрабатываемую с одного положения берегового магистрального трубопровода (рис 7.5).

В руслах рек и водоемах земснаряд начинает работу сразу. Но если разрабатываемый участок удален от водоисточника, то выполняют входную прорезь, по которой его подают к месту работ. В случае большого удаления участка отрывают пионерный котлован, в котором монтируют земснаряд, и организуют водоснабжение. При этом применяют снаряды со сборным корпусом, например блочный разборный земснаряд 250-60БР, и при дефиците воды оборотное водоснабжение Когда глубина выемки превышает глубину разработки земснаряда, ее выполняют двумя уступами с понижением уровня воды в выемке при разработке нижнего уступа.

В случае разработки котлованов под бетонные гидротехнические сооружения оставляют защитный слой толщиной 0,5-2,0 м, который дорабатывают сухим способом.

Интенсификация землесосной разработки достигается помимо гидравлического и механического разрыхления применением погружных грунтовых насосов, видоизменяющихся рам разрыхлителей и эжекторным грунтозабором. В последнем случае глубина разработки повышается до 30 м.

Часовню производительность земснарядов по гидро­смеси, м³/ч, определяют по формуле

 ,где (7.8)

W - объем подлежащего разработке грунта, м³,

n - пористость разрабатываемого грунта, в среднем равная 0,4;

q - удельный расход воды (табл 6 СНиП IV-5 82). м³,

8 - число часов в смене*,

m-число смен в сутки,

t - число рабочих дней в месяце,

с -число месяцев работы

Необходимое число земснарядов

N_3G = Q_cm*(Q_зсr_вa), где (7 9)

Q_зс - часовая производительность снаряда, м³/ч, принимаемая по табл 7 1,

r_в - коэффициент, учитывающий использование земснаряда по времени;

а - коэффициент, учитывающий влияние высоты забоя

Согласно ЕНиР, коэффициент r_в зависит от способа намыва грунта и профиля намываемого сооружения изменяется от 0,6 до 0,85. При расчете числа земснарядов следует принимать более низкие значения r_в, так как в течение года наблюдается ряд простоев, не учтенных в ЕНиР.

^{* При работе в три смены обслуживающему персоналу за перера­ботку предоставляются дополнительные выходные дни}

Согласно последним также принимается и коэффициент α зависящий от отношения действительной высоты забоя к оптимальной. Если общая высота забоя меньше минимальной, то вводится поправочный коэффициент а=0,85-0,95

Окончательно число земснарядов и их тип устанавливают при проектировании причем необходимо иметь в виду, что чем крупнее земснаряд, тем выше его эффективность.

Гидромониторная разработка. Гидромониторная разработка состоит в размыве грунта напорной струей воды вылетающей из насадки гидромонитора. Разрушение грунта происходит в результате потери частицами сцепления при динамическом воздействии струи воды в момент удара и проникания воды по порам и трещинам в размываемой грунт. Полученная гидросмесь движется самотеком к месту укладки грунта или чаще в зумпф - приемник грунтонасосной установки. Вместимость зумпфа должна обеспечивать непрерывную работу грунтового насоса в течение 1—2 мин.

Гидромониторы, представляющие собой приспособленные для размыва грунта снаряды, подразделяют по способу управления на управляемые вручную и дистанционно и по способу передвижки на снаряды, требующие демонтажа разводящего водовода, по которому к ним подается вода, и передвигаемые в процессе работы ^с помощью гидравлических домкратов, для чего используются телескопические трубы.

Наиболее распространены гидромониторы марок 1М-250, ГМН-25ОС, ГМД-250, ГМДУ-300 и ГМ-350. Здесь цифрами обозначен диаметр входного патрубка, мм. Исключением является гидромонитор последней марки, Диаметр входного патрубка которого равен 500 мм Максимальная подача гидромониторов изменяется от 1550 до 4500 м³/ч.

Основным элементом гидромонитора является ствол, заканчивающийся насадкой (рис. 7.6), формирующей водяную струю. Насадки сменные и их диаметр определяются условиями размыва грунта. При вылете из насадки струя имеет большую плотность и форму, близкую к цилиндрической. Затем по мере удаления от насадки струя насыщается воздухом, становится менее плотной и принимает конусообразную форму. В зависимости от степени насыщения воздухом три участка струи. Для разрушения грунта наиболее эффективен первый участок и совершенно неэффективен третий участок. Длина участков зависит от диаметра насадки и на пора на вылете из нее.

Полное давление струи на вылете из насадки, Н:

, где (7.10)

 - удельный вес воды, Н/м³,

ω-площадь сечения насадки, м² ;

Н - напор на вылете из насадки, м.

Удельное сопротивление струи

 (7.11)

Водоснабжение гидромониторных работ может быть прямое и оборотное. В последнем случае потери воды составляют 20-30 %. Для водоснабжения на реках и водоемах в зависимости от колебания уровня воды в них применяют стационарные или плавучие насосные станции. От них вода по магистральным водоводам подается к месту работ в забои и по разводящим водоводам поступает в гидромониторы.

Разработка струей воды несвязного и связного грунта производится различно. Несвязные грунты обычно легко разрабатываются, и поэтому для их размыва требуется только сосредоточенное воздействие струи воды. Связные грунты размываются труднее и требуют удельных давлений для размыва Последний производится в два приема: вначале уступ подрезается и обрушается путем создания вруба, а затем уже смывается разрыхленный грунт. В обоих случаях с увеличением расхода струи возрастает производительность размыва и улучшаются условия транспортировки гидросмеси.

Для повышения эффективности разработки грунта применяют предварительное его рыхление путем взрывов, насыщение его водой и различные средства механизации в процессе смыва.

По условиям техники безопасности гидромонитор должен находиться в забое на расстоянии от размываемого уступа

L_min = H_у. (7.12)

По мере разработки грунта гидромонитор передвигается на расстояние:

L_перед=L_max-L_min , где (7.13)

L_max- предельная дальность полета струи, м.

Предельная дальность полета струи может быть приблизительно определена по формуле А. М. Царевского

 , где (7.14)

d-диаметр насад, мм;

α- угол наклона струи к горизонту , град

Передвижку гидромонитора осуществляют без остановки размыва, для чего в забое устанавливают резервные гидромониторы. Поскольку обычно применяют звенья труб стандартной длины в 6 м, шаг передвижки гидромонитора кратен шести.

Применяют две схемы размыва грунта гидромониторами: снизу вверх при встречном забое и сверху вниз при попутном забое. При встречном забое, наиболее часто применяемом на практике, гидромонитор устанавливают на подошве забоя или нижней площадке уступа и его струю направляют навстречу потоку гидросмеси. При попутном забое гидромонитор устанавливают на верхней площадке уступа и направление его струи совпадает с направлением потока гидросмеси. Иногда применяют совмещение обоих схем размыва - разработку грунта попутно-встречным забоем.

При гидромониторной разработке используют передвижные грунтонасосные установки. Грунтовой насос может быть смонтирован на металлических салазках или пэне, представляющем собой жесткую платформу. Передвигаются они с помощью трактора или лебедки. Насос может быть смонтирован на понтоне и в этом случае передвигаться на плаву.

Поверхность нижней площадки уступа или подошвы забоя при размыве имеет вид гребенки, в результате чего образуется недомыв грунта Недомыв уменьшается с уменьшением расстояния от зумпфа до размываемого уступа, что происходит при частых передвижках грунтонасосной установки. Чтобы часто не передвигать установку и в то же время уменьшить объем недомыва, удлиняют всасывающую трубу грунтового насоса и применяют инжекторное устройство. Обычно шаг передвижки грунтонасосной установки принимают равным 90-100 м. Кроме того, для уменьшения объема недомыва применяют бульдозеры и экскаваторы, которые подают грунт к месту размыва его гидромониторами.

Производительность гидромониторно-грунтонасосной установки по гидросмеси определяют по формуле (7.8), но с принятием удельного расхода воды по табл 5 СНиП IV-5-82 и /г_в, изменяющимся согласно ЕНиР в зависимости от вида установки и способа намыва от 0,7 до 0,95

Расход воды через насадку гидромонитора, м³/с, находят по известной в гидравлике формуле истечения воды из отверстия, которая в результате преобразований с учетом принятия коэффициента расхода |д, = 0,945 имеет вид:

, где (7.15)

d₀ - диаметр выходного отверстия насадки, м;

Н- напор на вылете из насадки, м

В лекции "12 Проведение математического моделирования технологического процесса" также много полезной информации.

Подача насосной станции, м³/с,

 (7.16)

Число гидромониторов

 (7.17)

Производительность гидромониторов и их число должны быть согласованы с производительностью грунтонасосных установок.

Забой может состоять из одного или нескольких уступов, что определяется глубиной выемки. Уступ делят на блоки по числу передвижных гидромониторно - грунтонасосных установок Блоки делят на карты, которые разрабатывают с одной стоянки передвижной грунтонасосной установки.