Глава 20. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ 20.1. Общие сведенияГидромеханизацией называют способ механизации земляных работ, при котором все или основные технологические процессы выполняются за счет энергии потока воды. Этим способом в гидротехническом строительстве возводят плотины, дамбы и насыпи, разрабатывают котлованы под различные гидротехнические сооружения, каналы, углубляют водоемы, добывают и транспортируют песчано-гравийные материалы.
В оборудовании, реализующем способ гидромеханизации, используют устройства для
разрушения грунтов как струей воды, так и механическим путем с последующим транспортированием продуктов разрушения в потоке воды и укладкой в земляное сооружение. При гидравлическом разрушении требуемое давление потока воды создается водяным насосом, а струя формируется и направляется на забой гидромонитором 1 (рис. 20.1). Размытый грунт вместе с отработавшей водой (
пульпа) стекает в специальное углубление
{зумпф) 2, откуда грунтовым насосом
(землесосом) 3 нагнетается в трубопровод
(пульповод) 4 и перемещается по нему к месту укладки. После дренажа воды оставшийся в зоне, ограниченной обвалованием 5, грунт образует тело земляного сооружения били штабель песка, гравия, песчано-гравийной смеси для последующего использования как строительного материала. При организации гидромониторных работ стремятся максимально использовать рельеф местности, который позволяет иногда транспортировать пульпу к месту укладки самотеком по желобам или канавам.
Рис. 20.1. Схема гидромониторной разработки грунтов
Плотные подводные грунты разрабатывают механическим способом с применением рыхлителей 1 (рис. 20.2), перемещая их по грун- тозаборному трубопроводу и пульповоду с помощью фунтового насоса
4. Для этого раму
2 фунтозаборного устройства с рыхлителем закрепляют на понтоне 3, там же устанавливают фунтовый насос. Афегат, включающий понтон, фунтовый насос и фунтозаборное устройство, называют
землесосным снарядом (земснарядом). Пульповод располагают на понтонах 5. Малосвязные фунты увлекаются потоком воды по фунтозаборному устройству без их разрыхления.
Гидромеханический способ разработки фунтов отличается от других способов простотой оборудования. Энергоемкость разработки составляет 2...5 (кВт-ч)/м
3. Этот способ особенно эффективен при массовых объемах земляных работ. Для его реализации требуется большое количество воды, в связи с чем он применим для разработки грунтов вблизи водоемов, с береговых урезов и со дна водоемов. К его недостаткам относится большая, чем при других способах, зависимость от изменчивости грунтов. Так, при переходе от песков к глинам производительность оборудования гидромеханизации существенно снижается.
Грунты с крупнообломочными включениями и валунами, полускальные породы и другие, для которых гидромониторный раз-
Рис. 20.2. Землесосный снаряд
мыв малоэффективен, разрабатывают комбинированными способами. Разрушают грунт землеройными машинами, а транспортируют к месту укладки в потоке воды.
20.2. НасосыВ составе оборудования гидромеханизации имеются два вида центробежных насосов: для подачи чистой воды к гидромониторам, откачки воды из скважин и грунтовые для перекачивания пульпы (
землесосы).Центробежные насосы для подачи чистой воды бывают одноступенчатыми с двусторонним подводом воды к рабочему колесу (подача до 12500 м
3/ч, давление до 1,4 МПа) и двухступенчатыми (подача до 3600 м
3/ч, давление до 4,55 МПа).
Грунтовые насосы отличаются от насосов для чистой воды способностью пропускать крупнообломочные включения и абразивные грунтовые частицы. По сравнению с насосами для чистой воды грунтовые насосы обладают более низкой всасывающей способностью, обусловленной большей плотностью пульпы по сравнению с плотностью чистой воды. Их предельная вакуумметри- ческая высота всасывания не превышает 4...6,8 м. Грунтовые насосы развивают давление до 0,8 МПа. При необходимости увеличения напора их устанавливают последовательно, а при недостаточной подаче — параллельно с объединением напорных трубопроводов одним пульповодом. Перекачиваемая грунтовыми насосами пульпа обычно содержит 10... 12 % частиц грунта.
Рис. 20.3. Принципиальная схема работы гидроэлеватора
При небольших объемах работ, например, на
водоотливе при сильно загрязненной воде, когда нельзя применить обычные водяные насосы, а установка грунтового насоса нецелесообразна, используют
гидроэлеваторы (струйные насосы). Последние представляют собой аппараты для перекачивания пульпы за счет энергии водяной струи, подаваемой внешним водяным насосом. Вода поступает через насадку
1 (рис. 20.3) в камеру
2 и далее, через горловину
4, в диффузор 5. При движении водяной струи с большой скоростью в камере образуется вакуум, вследствие чего в нее по трубопроводу 3, опущенному в водоем (резервуар), всасывается пульпа и увлекается струей в диффузор, где скорость потока снижается с преобразованием его кинетической энергии в потенциальную энергию давления, которая обеспечивает перемещение смеси по транспортному трубопроводу.
Гидроэлеваторы просты по конструкции, но имеют весьма низкий КПД, стремительно снижающийся с увеличением дальности транспортирования, в связи с чем ее предельные значения не превышают 25...35 м.
20.3. ГидромониторыГидромониторами называют аппараты для формирования и направления водяной струи. Они бывают
низконапорными (давление до 1... 1,2 МПа) и
высоконапорными (более 1,2 МПа). Управляют гидромонитором вручную рычагом, установленным на его стволе, или дистанционно. В строительной гидромеханизации применяют, в основном, гидромониторы на салазках, перемещаемые в забое лебедками, тракторами или вручную. Известны также самоходные гидромониторы на гусеничном ходу.
Гидромонитор (рис. 20.4) состоит из установленных на салазках
6 нижнего
1 и верхнего
2 колен, ствола
4 и насадки 5. Колена соединены между собой горизонтальным шарниром для поворота верхнего колена относительно нижнего в плане, а верхнее колено со стволом — шаровым шарниром 3 для установки ствола в нужном как горизонтальном, так и вертикальном направлениях. Нижнее колено соединяется с водоводом для подачи воды от насосной установки. Для компактного формирования струи насадка сужается к выходному концу. Для направления струи без ее вращения внутренняя поверхность ствола имеет продольные ребра.
Эффективность работы гидромонитора зависит от размывающей способности струи, характеризуемой давлением на забой, зависящим от давления струи на выходе из насадки, площади поперечного сечения последней, расстояния от насадки до забоя. Чем ближе насадка к забою, тем выше давление струи. Однако, из-за опасности завала обрушающимся грунтом гидромонитор,
Рис. 20.4. Гидромонитор
особенно с
ручным управлением, приходится располагать от забоя на расстояниях, менее эффективных для размыва грунта. Производительность гидромонитора определяют по расходу воды:
<2г.м = \xaj
2gH
,где
QrM— производительность гидромонитора, м
3/ч; ц = 0,9... 0,93 — коэффициент расхода; со — площадь поперечного сечения насадки, м
2;
g — ускорение свободного падения, м/с
2;
Н— напор воды у насадки, м.
20.4. Землесосные снарядыЗемлесосными снарядами (см. рис. 20.2) называют плавучие установки, предназначенные для извлечения грунта из-под воды и перекачивания его в смеси с водой к месту укладки.
В гидротехническом строительстве земснарядами разрабатывают котлованы под гидротехнические сооружения, возводят плотины и другие насыпи, разрабатывают песчано-гравийные месторождения. Строительные земснаряды не приспособлены для работы на судоходных фарватерах и чаще всего не имеют автономных силовых установок. Они питаются чаще электроэнергией от внешней электросети. При смене строительного объекта земснаряд перемещают по воде буксиром. Автономными силовыми установками оборудованы земснаряды, часто меняющие строительные объекты. Для возможности перебазирования по суше и связанного с этим частого монтажа и демонтажа корпуса земснарядов делают сборно-разборными из отдельных понтонов и секций, способных самостоятельно удерживаться на плаву.
Основными параметрами земснаряда являются: его производительность по грунту, напор, который способен развивать грунтовый насос, определяющий дальность транспортирования пульпы, и максимальная глубина забора грунта. Кроме того, земснаряд характеризуется размерами корпуса судна, его полным водоизмещением и осадкой, шириной полосы, в пределах которой разрабатывается грунт, общей потребляемой мощностью и ее составляющими, тяговым усилием и скоростями папильонирова- ния. В индексе земснаряда указывают его условную производительность по грунту, примерно равную 1/10 производительности грунтового насоса по пульпе, и через дефис полный напор, развиваемый грунтовым насосом, за вычетом гидравлических потерь в пределах земснаряда. Например, земснаряд 500-60 обеспечивает условную производительность по грунту 500 м
3/ч (5000 м
3/ч по пульпе) при давлении до 0,6 МПа.
Грунтозаборные устройства устанавливают на нижнем конце рамы
2 (см. рис. 20.2), шарнирно соединенной с понтоном 3, и
подвешенной на полиспасте подъемной лебедки. При разработке слабых грунтов без предварительного рыхления нижний конец грунтовода в виде трубы, уложенной на раме и соединенной с всасывающим патрубком грунтового насоса, снабжают наконечниками различной формы (рис. 20.5), преимущественно круглыми, реже эллиптическими. Щелевидные наконечники применяют для дноуглубительных траншейных работ.
Так, для механического рыхления плотных фунтов на конце стрелы устанавливают фрезы 1 (см. рис. 20.2) вращательного действия с приводом от общего двигателя или индивидуально электродвигателем, установленным на подъемной раме в ее верхней части. Известны также приводы фрезы гидромоторами, установленными под водой в нижней части рамы.
В процессе разработки фунта земснарядом нижний конец фун- тозаборного устройства непрерывно перемещается по дну водоема, оставляя после себя выработку в виде узкой полосы. Эти перемещения (
папильонирование) осуществляются перемещениями всего земснаряда в определенном порядке.
Рис. 20.5. Всасывающие наконечники грунтозаборных устройств:
а — круглые; б — эллиптические; в — щелевидные
Перемещение земснаряда при папильонировании обеспечивается работой только папильонажных лебедок, расположенных в носовой и кормовой частях земснаряда (
канатное папильонирование) (рис. 20.6,
а), или одновременной работой лебедок и двух свай, расположенных за кормой (
свайное папильонирование) (рис. 20.6,
б). В первом случае в продольном направлении земснаряд подтягивается на заякоренном перед ним канате становой лебедки, а поперечные перемещения обеспечиваются носовыми лебедками при фиксированном кормовыми лебедками центре вращения. Из-за неравномерности сопротивлений папильонажным перемещениям при канатном папильонировании не удается добиться четкого направления перемещения фунтозаборного устройства. Лучшие результаты дает свайное папильонирование с применением так называемого
аппарата свайного хода. Для этого
земснаряд оборудуют двумя трубчатыми сваями 6 (см. рис. 20.2) с массивными заостренными нижними наконечниками. Сваи устанавливают в направляющих за кормой. Свайное папильонирование заключается в попеременном