Особенности расчистки малых рек средствами гидромеханизма

Землесосный снаряд в узком  русле при работе продвигается быстрее  — за 1 мес. работы на 300...400 м.

Русла малых рек расчищают  одновременно с проведением комплекса водоохранных мероприятий в прибрежной полосе, что существенно улучшает водный режим и экологию малых рек. Увеличение ширины и глубины русла способствует вскрытию родников и увеличению притока чистой воды.

В 1958—1963 гг. были очищены  и благоустроены проточные Борисовские  пруды в Москве. Песчаный грунт  из дноуглубления этих прудов использовали для намыва пляжей, которые после  очистки и благоустройства предназначались  для купания и отдыха. Намечалась очистка способом гидромеханизации Кузьминских и Головинских прудов, восстановление каскада старинных прудов в Измайловском лесопарке на малой р. Серебрянке, созданных еще в XVI в. и впоследствии разрушенных.

Однако из-за недостатка средств эти работы так и не были проведены, хотя актуальность очистки многих московских водоемов очевидна, так как в большинстве из них купание запрещено и даже опасно.

При восстановлении и обводнении малых рек следует иметь в  виду, что расчистка от наносов  с углублением и расширением  ложа — дорогостоящее мероприятие. Объем дноуглубления с помощью земснарядов составляет около 50...100 тыс. м³ грунта в среднем на 1 км длины малой реки. Обводнение реки путем устройства низконапорной плотины с подъемом уровня воды в малом пруде-водохранилище, как это ранее делали при строительстве водяных мельниц, значительно дешевле, чем полная расчистка реки.

В ряде случаев целесообразно  строительство при плотине малой ГЭС. С помощью гидромеханизации можно выполнить частичную расчистку реки и намыть плотину из песчаных грунтов выемки. Очевидно, что данное решение более экономично. Пример такого подхода — расчистка Люблинского пруда (Москва) и намыв дамбы из грунта дноуглубления пруда.

При расчистке и дноуглублении  малых рек необходимо учитывать при разработке технической документации и производстве работ следующие особенности. Одновременно с расчисткой русла должны проводить комплекс мероприятий, направленных на предотвращение эрозии берегов и загрязнения реки сточными водами, а проектную документацию разрабатывать с учетом комплексного подхода к использованию водных ресурсов.

Наряду с водохозяйственным  и экологическим значением очистка и восстановление малых рек в России имеют большой социальный аспект: чистые реки с «живой» водой — это физическое и моральное здоровье нации.

 

3. РАЗРАБОТКА ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ЗЕМЛЕСОСНЫМИ СНАРЯДАМИ

Для прямого засасывания  донных отложений из-под воды в  зоне входного отверстия всасывающего трубопровода грунтового насоса, установленного на землесосном снаряде, создают  скоростной режим, при котором скорость подхода воды к входному отверстию всасывающего трубопровода v_n больше неразмывающей скорости v для конкретного вида разрабатываемых донных отложений. При v_n> 1,5...2,0 м/с происходит интенсивный размыв донных отложений и их переход во взвешенное состояние. Такие условия обеспечивают приближением всасывающего трубопровода к поверхности донных отложений при работающем грунтовом насосе землесосного снаряда. В результате этого образуется воронка размыва размером, соответствующим скоростным режимам, обеспечивающим взвешивание твердых частиц и засасывание их с водой во всасывающий трубопровод грунтозаборного устройства земснаряда, в котором образуется пульпа — механическая смесь грунта и воды. Принципиальная схема землесосного снаряда показана на рисунке 1

Интенсивность засасывания  донных отложений из-под воды зависит  от гранулометрического состава, связности  грунта и, как следствие, сопротивления  грунта размыву, параметров потока на входе во всасывающий патрубок и  высоты забоя. Отличительная особенность разработки донных отложений — уменьшение интенсивности их засасывания за счет «армирования» верхних слоев корнями водной растительности. В таких случаях их предварительно разрыхляют специальными механическими рыхлителями, смонтированными на раме грунтозаборного устройства в зоне всасывающего патрубка грунтового насоса землесосного снаряда.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Принципиальная схема землесосного снаряда:

 

1— грунтозаборное устройство; 2— всасывающий трубопровод; 3 — грунтовой насос; 4— напорный трубопровод; 5— свайно-опорный механизм; 6— корпус; 7— плавучий пульпопровод; Н_р — глубина разработки донных отложений

  

 

 

 

 

Основным оборудованием, используемым для засасывания донных отложений и последующего транспортирования образующейся пульпы, служат специальные центробежные грунтовые насосы, приспособленные для работы с гидросмесями или пульпами. Для выполнения земляных работ всасыванием из-под воды грунтовые насосы устанавливают на понтонах. Перемещают землесосный снаряд с помощью системы тросов, которые одним концом запасованы в барабаны электрических лебедок, расположенных на борту понтона, а другим — прикреплены к анкерным опорам или якорям.

Многие землесосные  снаряды, кроме тросового оборудования, в кормовой части имеют свайный механизм, предназначенный для обеспечения относительно равномерного смещения корпуса и грунтозаборного устройства в направлении разработки грунта. Использование двух носовых якорных тросов с лебедками и свайно-опорного механизма обеспечивает «веерное» рабочее перемещение (папильонирование) землесосного снаряда. Схема рабочих перемещений земснаряда, оборудованного двумя носовыми якорными лебедками и кормовым свайно-опорным механизмом, показана на рисунке 2.

 

Рис. 2. Схема рабочих перемещений земснаряда, оборудованного двумя носовыми якорными лебедками и кормовым свайно-опорным механизмом:

/—корпус; 2— палубная надстройка; 3— рама рыхлителя; 4— фреза; 5—донные отложения; 6— кормовые сваи; 7— якорные тросы; 8— носовые лебедки

 

 

 
    Такая схема рабочих перемещений наиболее удобна при производстве работ по очистке крупных водоемов. Свайный механизм состоит из двух свай, установленных вертикально в кормовой части землесосного снаряда, и их можно поочередно опускать на дно выработанной части забоя. Поворачивают землесосный снаряд вокруг поочередно опускаемой сваи, подтягивая один из двух носовых якорных тросов лебедкой и стравливая второй носовой трос.

При разработке донных отложений  фреза рыхлителя перемещается по дну забоя на постоянном уровне, поэтому откосы выемок образуются за счет естественного обрушения грунта. Ширина ленты разработки, м,

B_n = 2Rsme, 

где Л —расстояние  от оси сваи до крайней точки фрезы  рыхлителя, м; е —угол поворота земснаряда в плане (обычно 60...90°).

Значение R зависит от глубины выемки, характеристики земснаряда, и его можно вычислить по формуле, м:

Я = г +/_р cosq), 

где г—расстояние от центра сваи до пяты рамы рыхлителя, м; /_р — длина рамы рыхлителя, м; ф —угол наклона рамы рыхлителя к горизонту, град.

Средняя подача землесосного снаряда, м, вперед по оси ленты разработки

£ = Мпф, 

где b — расстояние между осями свай, м.

При очистке малых рек  использование веерного способа  рабочих перемещений землесосного снаряда затруднено. Поэтому чаще применяют траншейный способ папильонирования. Для этого землесосный снаряд оборудуют пятью лебедками с якорными тросами: три лебедки размещают в носовой части землесосного снаряда, а две — в кормовой.

При подборе земснарядов  учитывают расчетную интенсивность производства земляных работ по очистке водоема по «грунту», м³/ч,

Я=К_п.₃Л_н/7^,з.р, 

где V_n з — объем донных отложений (продуктов заиления), подлежащий выемке, м³; К_н — коэффициент неравномерности выполнения земляных работ в процессе очистки; Т_зр — продолжительность производства земляных работ при очистке водного объекта, ч.

Далее вычисляют требуемую  интенсивность производства земляных работ в пересчете по «пульпе», м³/ч,

O_n = Щд+р_е/р_т,

где O_n —удельный расход воды, м³ на 1 м³ донных отложений естественной плотности ; р_е — средняя плотность донных отложений в забое, т/м³; р_т— плотность твердой фазы донных отложений, т/м³.

Полученную интенсивность  в пересчете по пульпе Q_n приводят к значению по воде Q_B, которую определяют по зависимости, м³/ч,

Qв=QпРп/Рв, 

где р_п — плотность пульпы, т/м³; р_в — плотность воды, т/м³.

Плотность пульпы — расчетная  величина, значение которой можно  вычислить по формуле:

Рп = (Ре + 9Рв)/(ре/рт + 4) 

Число землесосных снарядов, необходимых для выполнения работ  в нормативно установленные сроки,

N_3/c=QJQl 

где QI — производительность грунтового насоса по воде, установленного на землесосном снаряде, м³/ч, принимают по приложению.

Требуемый напор, м, грунтового насоса землесосного снаряда вычисляют  с учетом общих положений, принятых при выборе насосного оборудования, и свойств перекачиваемой пульпы:

Н = (H_гРп/р_в) + V + И, + h_M + h_CB,                                               

где Н_г — геодезическая высота подъема пульпы, м; Л₃/_с — потери напора в коммуникациях земснаряда, м; Л/ —потери воды по длине пульпопровода с учетом свойств пульпы, м; h_м — потери напора в местных сопротивлениях для пульпы (при предварительных расчетах принимают 10% потерь напора по длине); h_CB — свободный напор на выходе из распределительного пульпопровода, h_св = 2...5м.

При окончательном выборе землесосного снаряда кроме напора и подачи необходимо учитывать возможную глубину разработки, размеры водоема и землесосного снаряда, его осадку при полной загрузке, длину плавучего пульпопровода и другие технические показатели землесосных снарядов.

 

 

 

 

 

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТРАНСПОРТ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Гидравлический транспорт  донных отложений при разработке их землесосными снарядами осуществляют по системе пульпопроводов, состоящих из плавучего, берегового и распределительного участков, выполняемых в основном из металлических труб. Для подачи пульпы от земснаряда до берегового пульпопровода используют плавучие пульпопроводы, состоящие из звеньев труб, смонтированных на металлических понтонах. Звенья труб между собой соединяют шарнирными шаровыми соединителями, позволяющими земснаряду свободно перемещаться вдоль ленты разработки. Комплекты звеньев плавучих пульпопроводов поставляют вместе с земснарядами. Для большей маневренности в точках подсоединения плавучего пульпопровода к земснаряду и береговому пульпопроводу устанавливают специальные шарнирные соединения с сальниковыми уплотнениями, позволяющими изменять положение пульпопровода на ±90°.

Береговой пульпопровод выполняют  в основном из отдельных металлических  труб, стыкуемых между собой с  помощью сварки, либо фланцев с  резиновыми прокладками или быстроразъемными специальными соединениями.

Береговой пульпопровод укладывают, как правило, на поверхности земли. Трассы пульпопровода назначают, по возможности, прямолинейными с минимальным числом поворотов в плане и без резких изменений уклона. В точках перегиба профиля, где возможно скопление воздуха, устраивают вантузы, а в пониженных местах трассы пульпопровода устанавливают патрубки с задвижками или заглушками для спуска воды. На поворотах во избежание сдвига пульпопроводы закрепляют сваями. При транспортировании пульпы по трубам наиболее опасно их заиление транспортируемым грунтом. Чаще всего заилению подвержены участки пульпопровода в местах с дополнительными местными сопротивлениями и на поворотах. При монтаже магистральных (береговых) пульпопроводов применяют трубоукладчики или подъемные краны. Под влиянием колебания температуры воздуха происходят температурные деформации пульпопровода с изменением его длины. Часть этих деформаций снимается установкой сальниковых компенсаторов.

Пульпу из берегового пульпопровода  на карты намыва подают с помощью  распределительного пульпопровода, выполняемого из тонкостенных металлических, пластмассовых  или фанерных труб.

Характер движения пульпы в пульпопроводе существенно  отличается от движения условно «чистой» воды (рис.3), из-за большей, чем у воды, плотности (р_п⁼ 1,05... 1,2 т/м³), другой вязкости и неравномерности распределения частиц твердого материала в пределах поперечного сечения трубы и др.

Кривая 1 на рисунке 3 характеризует изменение удельных потерь напора в пульпопроводе при движении по нему условно «чистой» воды, описываемое законом Ньютона как движение вязкой жидкости.

     Донные отложения большинства пресноводных озер, водохранилищ и прудов часто состоят из мелкозернистых полидисперсных разного размера минеральных частиц грунта и органического материала, например сапропелей, в которых органическое вещество может составлять до 90 %, образуя полидисперсную коллоидную массу.

В результате разработки подобных донных отложений образуются пульпы, которые в зависимости от их концентрации (консистенции) и скорости движения по трубам могут проявлять свойства, отличные от вязких жидкостей. При движении подобные жидкости способны проявлять свойства так называемых вязко-пластичных тел, обладающих аномальным изменением вязкости в зависимости от скорости сдвига.