Применение машин и оборудования для гидромеханизации земляных работ

     
Применение машин и оборудования для гидромеханизации земляных работ

Гидромеханизацией называют способ механизации земляных и горных 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 и т.п., добывают и перерабатывают значительные объемы песчано-гравийных материалов, используемых для приготовления бетонных смесей, устройства фильтров и крепления земляных сооружений. В производство земляных работ средствами гидромеханизации входят: разработка грунта, транспортировка его и укладка в земляное сооружение или временный склад строительных материалов. При различных видах гидромеханизации вторая и третья операции (гидравлическая транспортировка и укладка грунта) остаются примерно одинаковыми, а первая может выполняться гидромониторами, разрушающими грунт струей воды, или механогидравлическим способом, в том числе плавучими землесосными снарядами с последующим транспортированием грунтов в потоке воды и укладкой в земляные сооружения.

При добыче песчано-гравийных материалов из обводненных месторождений одновременно происходит обогащение, транспортировка и укладывание материала. Стоимость песка и гравия, добываемых способом гидромеханизации, в 2-3 раза ниже стоимости их при добыче в сухих карьерах.

При гидромониторной разработке (рис.1, а) грунт размывается струей воды, выбрасываемой под большим напором из гидромонитора 1. Размытый гидромонитором грунт вместе с водой в виде пульпы стекает в специальное углубление (зумпф) 2, откуда забирается центробежным грунтовым насосом - землесосом 3, специально приспособленным для перекачки воды с грунтом и камнями, размер которых (в зависимости от размеров и мощности землесоса) достигает 100, 200 и даже 300 мм. Землесос нагнетает пульпу в трубопровод-пульповод 4 и перемещает ее к месту укладки. После дренажа воды оставшийся в зоне, ограниченной обвалованием 5, грунт образует тело земляного сооружения 6 или штабель песка, гравия, песчано-гравийной смеси для последующего использования как строительного материала. При организации гидромониторных работ стремятся максимально использовать рельеф местности, который позволяет в отдельных случаях транспортировать пульпу к месту укладки самотеком по желобам или канавам, упрощая этим состав оборудования.

При механогидравлическом способе, применяемом в условиях трудноразмываемых грунтов, предварительная разработка, т.е. отделение грунта от забоя, выполняется бульдозером или экскаватором, а затем грунт размывается гидромонитором и землесосом подается в систему. Плавучие землесосные снаряды (земснаряды) являются наиболее производительными средствами гидромеханизации, получившими большое применение для разработки грунта путем всасывания его вместе с водой, транспортировки его и укладки в земляное сооружение. Если всасывание грунта происходит с одновременным механическим рыхлением под водой, то такой способ называется рефулерным. Производительность современных земснарядов достигает 12000 м/ч пульпы или примерно 1200…1500 м/ч грунта.

Рис.1. Схема разработки грунта гидромонитором (а); гидромонитор (б)

При любом способе гидромеханизации пульпа забирается землесосом и транспортируется по трубам-пульпопроводам, которые могут быть направлены горизонтально, наклонно и вертикально. В тело земляного сооружения грунт укладывается при помощи разводящего пульпопровода. При ширине намываемой насыпи 25 м и более насыпь по длине разбивается на отдельные участки - "карты"; для менее широких насыпей применяется система намыва с центральной эстакады, на которой монтируется разводящий пульпопровод с выпускными отверстиями. Вследствие потери скорости у выхода из пульпопровода вода теряет несущую способность: грунт оседает, а осветленная вода отводится через специальные колодцы и отводящие штольни.

Гидромеханизация обеспечивает высокую производительность труда и высокое качество возводимых сооружений, не требуя искусственного уплотнения грунта при укладе его в земляное сооружение. Особенностью гидромеханизации, определяющей возможность ее применения, является зависимость от природных условий, т.е. от наличия водных ресурсов и грунта, хорошо поддающегося размыву. Наряду с оборудованием общего назначения (водяные насосы, силовое оборудование, трубопроводы и трубная арматура) для гидравлической разработки и транспортировки грунта применяется специальное оборудование: гидромониторы, землесосы, рыхлители на плавучих землесосных снарядах и др.

Гидромониторы. При гидромониторной разработке разрушение грунта происходит в результате сложного процесса, сочетающего в себе: гидродинамическое воздействие кинетической энергии струи и гидростатическое разрушение грунта совместно с физическим воздействием (смачиванием, растворением и т.д.), а также за счет повышенного давления в порах и трещинах. Вода к гидромонитору подается центробежными насосами. Давление струи в гидромониторе составляет 80360 Н/см; скорость движения воды достигается 150 м/с. Для размыва 1 м грунта требуется 3,15 м воды; меньшее значение соответствует мелкозернистым песчаным грунтам.

Основными частями гидромонитора (рис.1, б) являются: нижнее колено 3, установленное на салазках 10, верхнее колено 2, имеющее возможность вращаться на 360° относительно нижнего, и ствол 1 с насадкой 6. Ствол присоединен к верхнему колену через шарнир 5, что позволяет с помощью гидроцилиндра 4 изменять положение ствола относительно верхнего колена в вертикальной плоскости на угол до 90°. Для поворота ствола гидромонитора в горизонтальной плоскости на угол до 120° служит гидроцилиндр 7.

Расстояние от гидромонитора до размываемого грунта по условиям техники безопасности должно быть не менее высоты забоя.

Для управления мощными гидромониторами применяются поворотные наконечники-дефлекторы. Наличие шарового шарнира и ручки управления позволяет повернуть дефлектор. При этом ствол гидромонитора поворачивается силой реакции воздействия струи на стенку ствола. Управление гидроцилиндрами дистанционное, что позволяет увеличить эффективность разработки грунта за счет установки гидромонитора вблизи размываемой стенки забоя. Гидромониторная установка соединена с пультом управления 8 напорными рукавами 9 длиной до 35 м.

Пульт дистанционного управления рассчитан на два гидромонитора. С его помощью управляют подъемом и поворотом стволов обоих гидромониторов, входящих в комплект установки. Он состоит из масляного бака, лопастного насоса, пластинчатого фильтра, предохранительного клапана, двух дросселей, манометра и четырех кранов управления (для двух гидромониторов).

При увеличении высоты забоя удельный расход воды уменьшается, но вместе с тем увеличивается необходимый напор.

Для обеспечения работы гидромониторов применяются центробежные насосы. Обычно в гидромеханизации применяются несамовсасывающие центробежные насосы, поэтому перед началом работы всасывающий шланг и корпус насоса должны заливаться водой, которая вытеснит находящийся в них воздух.

Большинство применяемых насосов - одноступенчатые с двусторонним входом воды в рабочее колесо, что предотвращает его осевой сдвиг.

Гидравлический транспорт грунта может быть безнапорным (самотечным) и напорным, при котором вода с грунтом движется под давлением.

Взвешивание частиц грунта в потоке воды происходит за счет вихревых движений, возникающих при достаточно большой скорости потока. Критической называют скорость, предшествующую началу осаждения частиц породы данной крупности. Условием самотечного гидротранспорта является наличие уклона, обеспечивающего скорость движения пульпы выше критической.

Напорный гидротранспорт осуществляется по трубам-пульпопроводам с помощью землесосов.

Землесос - центробежный насос, перекачивающий пульпу. Рабочим органом землесоса (рис.2) является рабочее колесо 2, имеющее две-три лопатки. Рабочее колесо вращается валом 3 от электродвигателя через соединительную муфту. Пульпа по всасывающему патрубку 4 попадает на лопатки рабочего колеса и отбрасывается через напорный патрубок в нагнетательный трубопровод, присоединяемый к корпусу 1 землесоса. Наиболее изнашиваемые детали землесоса изготовляют из марганцовистой стали с содержанием марганца 12-14% или покрывают твердым сплавом.

По сравнению с центробежными водяными насосами грунтовые насосы обладают более низкой всасывающей способностью. Это обусловлено тем, что в статическом состоянии находящаяся во всасывающем трубопроводе пульпа имеет большую плотность по сравнению с плотностью воды. В соответствии с принципом сообщающихся сосудов, коими являются водоем и внутренняя полость всасывающего трубопровода, уровень пульпы в последнем будет ниже уровня воды в водоеме. Предельная вакуумметрическая высота всасывания грунтовых насосов, ограниченная возможностью возникновения кавитации, составляет 4…6,8 м.

Рис.2. Землесос

Кавитация заметно снижает к.п.д. насосов, который в лучшем случае при правильно отрегулированных зазорах и сальниковом уплотнении ведущего вала не превышает 0,7. Более низкое его значение по сравнению с к.п.д. водяных насосов объясняется увеличенными зазорами (объемным к.п.д.), неоптимальными в смысле гидравлики формами и сечениями проточной части насоса, обеспечивающими беспрепятственный пропуск крупных включений (гидравлический к.п.д.), а также повышенным трением в сопрягаемых парах из-за наличия в пульпе грунтовых частиц (механический к.п.д.). С учетом этих факторов при определении мощности двигателя для грунтового насоса рекомендуется принимать полный к.п.д. равным 0,6.

Грунтовые насосы характеризуются сравнительно невысоким давлением (до 0,8 МПа). При необходимости увеличения напора их устанавливают последовательно, а при недостаточной подаче - параллельно с объединением напорных трубопроводов одним пульпроводом.