12.3. Разработка грунта земснарядами

Сущность – разработка грунта из-под воды за счет создания на забое скоростей, размывающих грунт, и засасывания частиц грунта, перешедших во взвешенное состояние, во всасывающую трубу землесосного насоса. Обычно землесосный насос (землесос) устанавливается на плавучую баржу, в целом такая установка называется земснарядом. Схема земснаряда дана на рис. 12.5.

Рис.12.5. Схема земснаряда и его работы. 1- плавучий понтон, 2 – помещение для грунтового насоса (землесоса) и подъемных лебедок, 3 – подъемная рама со всасывающей трубой, 4 – устье всасывающей трубы (рыхлитель), 5,6 – папильонажные сваи, 7 – лента разработки при опущенной 5 свае, 8 – лента разработки при опущенной 6 свае, 9 – отводящий пульповод на понтонах (10), 11 – трос.

В зависимости от свойств грунта размывающие скорости обычно превышают 1,5-2,0 м/с. Такие скорости возникают только вблизи входа воды во всасывающую трубу. На расстоянии около 1 диаметра от входа скорости значительно снижаются (до 0,6-1,0 м/с), что влечет за собой снижение эффективности размыва, а при дальнейшем удалении размыв полностью прекращается и во всасывающую трубу будет поступать только вода.

Объем засасываемого грунта зависит от его гранулометрического состава (Dчаст), плотности (ρ)и связности (τ), формы устья всасывающей трубы (Dв.т.), размывающих скоростей υр, расстояния от устья всасывающей трубы до забоя (Δlз), скорости перемещения и других факторов.

, , , (12.7)

где Qв – расход всасываемой воды; υвх – скорость воды на входе в трубу.

Производительность земснарядов зависит от многих факторов.

Для повышения эффективности разработки плотных связных грунтов применяют рыхлители различных конструкций (гидравлические, фрезерные, роторные, ковшовые и др.). Обычно земснаряды оборудуют фрезерными рыхлителями.

Для непосредственной разработки грунтов из-под воды применяются плавучие землеснаряды. Их применяют для разработки котлованов крупных гидротехнических сооружений, различных каналов, пойменных и русловых карьеров, расчисток русел рек и т.д. Размеры выемок и забоев зависят от габаритных размеров корпуса и всасывающих устройств земснаряда, которые, в свою очередь, зависят от основного параметра земснаряда – производительности. Производительность земснарядов – величина весьма неопределенная, так как зависит не только от множества факторов, отмеченных выше (свойства грунта, консистенция, размеры забоя), но и от режима работы землесоса. Поэтому производительность характеризуют условно при средней консистенции 1:10.

Исследования работы земснарядов в производственных условиях показывают, что консистенция пульпы никогда не бывает постоянной, вызывая в ряде случаев опасные переходные процессы. Существует методика расчетов переходных процессов, позволяющая выявлять возможности опасных ситуаций в различных условиях.

Существуют классификации земснарядов по виду приводов, рабочих помещений, грунтозаборных устройств и т.д.

По виду привода в гидроэнергетическом строительстве России до конца 20 века преобладали электрические землесосные снаряды с подачей электроэнергии с берега кабелем под напряжением чаще 6000 вольт по понтонам плавучего трубопровода. В других отраслях строительства (мелиоративного, транспортного) было больше дизельных земснарядов. С переходом к рыночной экономике и в начале 21 века еще не определилась тенденция, дизельные или электрические земснаряды будут преобладать в дальнейшем.

Применяется разработка грунта без разрыхлителей (свободным всасыванием) и с разрыхлителями, расположенными в зоне всасывания. Эта зона размывающих скоростей всасываемой воды невелика и составляет около одного диаметра входа во всасывающий трубопровод. Поэтому строительные земснаряды, предназначенные для разработки широкого диапазона грунтов, чаще оборудуются механическими рыхлителями, которые кроме рыхления способствуют также подаче грунта к всасывающему патрубку. Среди многих десятков конструкций рыхлителей чаще используются фрезерные, с ножами, срезающими стружку грунта.

Рабочие перемещения земснарядов осуществляются системой тросов или комбинацией тросов и свай. Применяются различные схемы (способы) перемещения: траншейный и параллельный, веерный, крестовый, в зависимости от ширины выемки, свойств грунта, глубины воды.

В гидротехническом строительстве наиболее распространено свайно-тросовое перемещение, обеспечивающее более точные размеры профильных выемок. Для этого в кормовой части земснаряда, в специальных обоймах подвешены две сваи, которые с помощью лебедок могут попеременно подниматься и опускаться. Поворачиваясь попеременно вокруг этих свай, с помощью тросов обеспечивается веерная разработка забоя и продвижение земснаряда вперед (папильонаж).

Параметры забоя:

, , , (12.8)

где Вз – ширина забоя; Ш – шаг передвижки.

Имеются снаряды с более сложным напорным свайным ходом, тогда обеспечивается более полная и постоянная толщина (стружки) срезаемого слоя Sср.

Необходимые параметры земснаряда устанавливаются, исходя из требуемой интенсивности I по грунту:

, , (12.9)

где Vгр – объем выемки грунта; Т – срок производства работ, ч.

Общая производительность по пульпе: ,

где q – удельный расход воды на 1 м³ грунта естественной плотности (6,5 – для мелких песков, до 22 – для тяжелых суглинков); Пгр – расчетный поток (интенсивность) по грунту, м³/ч.

Потребный напор земснаряда:

, (12.10)

где γп – плотность пульпы; Нг – геодезическая высота подъема пульпы; Δhз/с – потери напора в коммуникациях земснаряда; Δhl – потери напора по длине; Δhм – местные потери напора; Δhсв – свободный напор на выходе (2-5м).

Для перекачки пульпы из забоев земснарядов применяют передвижные землесосные установки, смонтированные на полозьях (санях), на металлических листах, на понтонах и на специальном шасси. Все они работают позиционно и не могут быть использованы для разработки грунта самостоятельно. На новую рабочую позицию их перемещают отдельными транспортными средствами (например, тракторами).

Общая технологическая схема разработки грунтов земснарядами дана на рис 12.6.

Рис.12.6. Технологическая схема производства земляных работ способом гидромеханизации при разработке грунта в карьере земснарядами:

1 – карьер; 2 – река (водоем) и соединительный канал водоема к карьерам; 3 – земснаряд; 4 – забой земснаряда; 5 – плавучий пульпопровод на понтонах; 6 – подсоединение плавучего пульпопровода к магистральному пульпопроводу; 7 – магистральный пульпопровод; 8 – линия электропередач; 9 – намываемое сооружение (плотина); 10 – распределительный пульпопровод; 11 – колодцы для отвода осветленной воды; 12 – строительный водосброс.

Выпускаемые отечественные земснаряды различаются своей производительностью и напорами (табл. 12.2).

Таблица 12.2. Основные рабочие параметры плавучих земснарядов

Условная производительность по грунту	Длина рамы рыхлителя	Глубина разработки		Размеры корпуса lк /Bk
		min	max
м³/ч	М	м	м	м
80-100	5-15	2,0	до 5	12-18 / 4-9
150-200	10-17	2,0-3,5	5-15	19-22 / 8-9
300-350	17-20	3,5	10-18	31-37 / 9-10
500	25	4,5	15	37 / 11
1000	25	6,5	15	45 / 22

Около 20 марок отечественных землесосных снарядов общего назначения с условной производительностью по грунту от 50 до 1000 куб. м/час перестали изготавливать в конце 20 века. Однако, серийное их производство в конце 20 века практически прекратилось. Во второй половине 20 века крупные зарубежные фирмы тоже начали изготавливать серии земснарядов, например, фирма IHC Holland.

Зарубежные строительные землесосные снаряды практически повторяют ряд типоразмеров табл.12.2, за исключением отдельных машин высокой производительности, изготавливаемых по специальным заказам для строительства крупных объектов или работы в особых условиях. В 70-х годах прошлого века в Персидском заливе потребовалось создать канал длиной 117 км в условиях волнений и трудно разрабатываемых грунтов. В Японии был создан земснаряд производительностью 1000 куб. м/час с платформой на 8 сваях, опирающихся на дно, для работ при волне до 4,5 м и глубине разработки до 20 м. В тихую погоду машина работала в полупогруженном состоянии при осадке 4,6 м. Аналогичный земснаряд позднее был построен в Нидерландах.

Новой тенденцией развития конструкций землесосных снарядов является создание машин с погружными грунтовыми насосами, расположенными на раме рыхлителя и всасывающего трубопровода, как можно ближе к входу во всасывающий трубопровод. Несмотря на возникающие при этом конструктивные усложнения, такие земснаряды уже существуют, как отечественные, так и зарубежные. Кроме снятия ограничений по вакууму, опыт эксплуатации таких машин показал существенное, в 1,5-2 раза увеличение средней консистенции пульпы, что означает приблизительно такое же увеличение производительности по грунту и снижение энергозатрат на кубометр грунта.

Отечественные земснаряды с погружными грунтовыми насосами начали создавать с 70-х годов прошлого века для разработки грунтов на глубине до 45 м. Их успешная эксплуатация подтвердила преимущества погружных грунтонасосов и позволила совершенствовать конструкции приводов погружного насоса. Несмотря на явные преимущества земснарядов с погружными грунтонасосами, ряд конструктивных трудностей обуславливает их специальное изготовление преимущественно только для объектов с большими глубинами разработки грунта.