Производство работ по намыву профильных земляных сооружений на объектах водохозяйственного строительства

I. Цели и задачи расчета.

Целью расчета является получение знаний, необходимых для решения инженерных задач, связанных с вопросами технологии и организации возведения земляных сооружений способом гидромеханизации, для правильного подбора типов и марок земснарядов и организации их работ в различных почвенно-климатических условиях.

II. Общие сведения о гидромеханизации.

Земляные  плотины и дамбы можно строить  способом гидромеханизации. При этом способе производства земляных работ  основные строительные процессы –  разработка, транспортировка и укладка грунта выполняются с помощью воды.

Разработка  грунта ведется гидромониторами  с помощью струи воды, потоком  воды или засасыванием грунта специальными насосами-землесосами. Разработанный  таким образом грунт вместе с  водой (пульпа) по трубопроводам(пульповодам) перекачивается из карьера или выемки на место укладки. Там пульпа подается из пульпопровода на обвалованную площадку основания или тела сооружения. Здесь скорость потока уменьшается, пульпа отстаивается, и из нее выпадают частицы грунта, образуя постепенно намывное земляное сооружение. Часть воды фильтруется через толщу намывного грунта, а остальная сбрасывается через специальные устройства – колодцы.

Область применения гидромеханизации обширна. Землесосные снаряды применяются  для разработки грунта в карьерах, в котлованах под гидротехнические сооружения и выемках при устройстве каналов и водоемов с одновременной транспортировкой и укладкой грунта в отвалы или качественные насыпи – плотины, дамбы, перемычки.

По  сравнению с другими способами  производства земляных работ гидромеханизация имеет ряд преимуществ: непрерывность  технологического процесса, который  можно автоматизировать; простота и  экономичность; независимость работ  от уровня стояния грунтовых вод. Но есть и ряд недостатков: устройство грунтовых дорог, наличие большого количества воды и электроэнергии, положительные температуры.  

III. Содержание расчета.

Пояснительная записка содержит все необходимые  расчеты, описание всех строительных процессов. В состав расчета входит:

1) определение удельных расходов для грунтов естественной плотности и твердой фазы, удельной массы пульпы, группы грунта, объемной консистенции;

2) построение кривой гранулометрического состава грунта;

3) выбор способа намыва и схема  намыва сооружения;

4) определение объема грунта, подлежащего  разработке в карьере;

5) определение необходимой суточной  и часовой суммарной производительности  земснаряда по грунту, пульпе  и воде;

6) определение критической скорости;

7) выбор типа земснарядов и определение  их количества;

8) определение расчетного напора  земснаряда и построение диаграммы  потерь напора в трубопроводах  земснаряда;

9) разработка мероприятий по организации  работ землесосных снарядов.

Исходные данные: В_n, м = 24; В_осн, м=260; V_n,тыс.м³=8600; ɣ_е,т/м³=1,64; ɣ_т,т/м³=2,57; L_б,м=280; L_р,м=120; Т,мес.=11; Н_r,м=10; h_из,м=1,0; h_пз,м=3,9.

Гранулометрический  состав: 0,005 – 5%; 0,005-0,05 – 3%; 0,05-0,25 – 1%;

0,25-0,5 – 51%; 0,5-2 – 40%; 2-4 – 0%.

1. Физические характеристики пульпы.

Смесь воды с частицами грунта, получаемая при  гидравлической разработке последнего, называется пульпой.

Для разработки землесосными снарядами 1 м³ грунта естественного сложения требуется определенное количество воды, которое принято называть удельным расходом. Величина этого расхода зависит от гранулометрического состава и степени связанности разрабатываемого грунта.

От удельного  расхода воды зависят многие физические характеристики пульпы, к основным из которых относятся плотность , удельный вес и объемная консистенция.

Удельный  вес пульпы определяем по формуле:

ɣ_n= = = =1,1т/м³

где V_n и G_n – соответственно объем пульпы, м³, и ее масса, т; ɣ_т – плотность твердой фазы грунта, т/м³;ɣ₀ – удельная масса воды (1 т/м³); q_т – расход воды, необходимый для транспортировки 1м³ твердой фазы грунта, м³.

Удельные  расходы q и q_т связаны между собой следующей зависимостью:

q_т= q =9 =14,1м³

где ɣ_е – плотность грунта естественного сложения, т/м³; q – удельный расход воды, необходимый для транспортировки 1м³ грунта в естественном состоянии (определяется в зависимости от гранулометрического состава по приложению 2, равно 9).

Объемной  консистенцией пульпы называется отношение  твердой фазы грунта V_T к объему воды V_B. Зная удельную массу пульпы, определяем ее объемную консистенцию (в частях или %) по формуле:

М₀= = =0,07м³.

2. Построение  кривой гранулометрического состава  грунта

 и  выбор способа намыва.

2.1.Построение  кривой гранулометрического состава  грунта.

Для графического изображения гранулометрического  состава существует ряд способов, из которых наиболее применимыми  являются кривые гранулометрического  состава диаграммы, треугольники и  циклограммы.

Для того чтобы  определить, какого типа сооружение следует  намывать (с ядром или без ядра), необходимо вычислить коэффициент неоднородности грунтов.

При построении кривой неоднородности в полулогарифмическом  масштабе по оси ординат показывают суммарное содержание частиц, а по оси абсцисс откладывают логарифмы  или величины пропорциональные логарифмам.

Мерой неоднородности гранулометрического состава грунта может служить коэффициент неоднородности. Его значение определяется по построенной  кривой. Он характеризует количественное соотношение частиц разного размера, тогда:

К_Н= = =1,92,

где d₆₀ и d₁₀ – соответственно действующий и контролирующий диаметр частиц (по своей кривой установили, что d₆₀=0,5 и d₁₀=0,26).

При коэффициенте неоднородности К_Н<2, следует намывать плотину без ядра. Грунт однородный, так как К_Н<3.

По таблице  определяем тип плотины, исходя из ее геометрических размеров: широкопрофильная (т.к. В_п=24м).

При транспортировке  поток гидросмеси поступает на внутренний откос сооружения, называемый пляжем намыва. Уклон намыва пляжа зависит  от гранулометрического состава  грунта, консистенции и удельного  расхода пульпы. При надводном  намыве он может быть от 1:8 до 1:50 и  меньше, а при намыве под воду – от 1:2,5 до 1:19. Более крупные частицы грунта образуют верхнюю часть пляжа, более мелкие – нижнюю. В связи с этим существуют четыре основные схемы намыва, позволяющие направить ту или иную фракцию грунта в различные части сооружения.

2.2. Способы  намыва грунта.

Существуют  следующие основные способы намыва грунта: эстакадный, безэстакадный  и низкоопорный. Так как, у нас плотина широкопрофильная выбираем безэстакадный способ намыва.

Намыв ведут  сосредоточенно из торца распределительного пульпопровода, уложенного непосредственно  на намытый грунт на расстоянии 5-8 м от подошвы дамбы первичного обвалования. Распределительный пульпопровод состоит из звеньев, снабженных быстроразъемными раструбными соединениями. В процессе намыва пульпопровод последовательно  наращивают и укорачивают по длине  карты с помощью крана, не прерывая выпуск пульпы.

  Толщина  намываемого слоя в зависимости  от вида грунта и типа земснаряда  составляет 0,15-1 м. Безэстакадный  способ намыва более механизирован  и экономичен по сравнению  с другими способами.

2.3. Основные  схемы намыва.

К основным схемам намыва относятся: двусторонняя, односторонняя, мозаичная и пионерно-торцевая.

Применяем одностороннюю  схему намыва с прудком отстойником. Намыв ведут, располагая распределительный  пульпопровод вдоль низового откоса плотины, формируемого принудительно  с помощью дамб обвалования. Верховой откос обычно формируют при свободном  растекании пульпы. При необходимости  верховой откос может быть ограничен  с помощью верхового банкета(подводный намыв) или ряда дамб обвалования( надводный намыв).

При одностороннем  намыве со свободным откосом за счет раскладки грунта на фракции в  верховой части плотины образуется менее водопроницаемая зона. Преимущества такой схемы намыва по сравнению с двусторонней – отсутствие сбросных устройств, более высокие темпы намыва и меньший объем работ по обустройству обвалования; в то же время значительно возрастает объем сооружения.

3. Определение  объема грунта, подлежащего разработке в карьере.

Для определения  требуемой производительности земснаряда нужно знать объем грунта, необходимый  для разработки в карьере и  срок строительства. С учетом уплотнения грунта и сброса мельчайших частиц его, прежде рассчитывается объем разработки грунта в карьере:

V_к= ,

где V_к – геометрический объем намываемого сооружения, м³(8600 тыс. м³);

ɣ_нс – плотность грунта в намытом сооружении (значение табличное); ɣ_к – плотность грунта в карьере, т/ м³ (1,64); а – часть грунтовых частиц, подлежащих отмыву, в долях единицы.

Величина а зависит от гранулометрического состава грунта в карьере, типа намываемого сооружения и способа его намыва. Так при намыве плотины без ядра нужно обеспечивать сброс всех частиц с d<0,01 мм.

Плотность грунта в теле плотины намытого сооружения определяется в зависимости от коэффициента неоднородности и среднего диаметра частиц по таблице, составленной инженером  Константной З.И.

Средний диаметр  частиц находим по формуле:

d_ср= = =0,7 мм

4. Определение  необходимой суточной и часовой  суммарной производительности земснарядов  по грунту, пульпе и воде.

Исходя из объема грунта, подлежащего разработке и предусмотренного в календарном  плане срока строительства, определяют величину суточного потока грунта:

П_сут= ,

где V_к – объем грунта, м³; Т – число месяцев (срок строительства 11мес.); 25 – число рабочих дней в месяце.

По полученному  значению П_сут. находят необходимую производительность земснарядов. Различают производительность земснарядов по грунту естественного сложения, по пульпе и воде.

Суммарная потребная  производительность земснарядов по грунту определяется по формуле:

∑Q_r= ,

где m – число рабочих смен в сутках(3); 8 – число часов в смену; К_в – коэффициент использования земснарядов по времени в смену, зависит от способа намыва грунта и характера намываемого сооружения. Определяется по таблице (0,75).

Потребная суммарная  производительность землесосов по пульпе устанавливается по формуле:

∑Q_п=∑Q_r*,

где ɣ_е – плотность грунта естественного сложения, т/м³; q – удельный расход воды, необходимый для транспортировки 1м³ грунта в естественном состоянии (определяется в зависимости от гранулометрического состава по приложению 2, равно 9); ɣ_т – плотность твердой фазы грунта, т/м³.

Потребная суммарная  производительность землесосов по воде рассчитывается по формуле:

∑Q_в=∑Q_п* ,

В первом приближении  землесос подбирается следующим  образом: зная заданный сезонный объем  работ по приложению определяем количество земснарядов и диаметр всасывающего патрубка. Далее находим марку  и тип земснаряда в зависимости  от производительности по воде и от диаметра всасывающего патрубка. Установив  марку земснаряда, выписываем из того же приложения диаметр плавучего пульповода.

5. Определение  критической скорости.

Критической скоростью пульпы принято называть наименьшую среднюю по сечению скорость, при которой весь грунт, находящийся  в потоке, полностью и стабильно  транспортируется. При этом наибольшая часть зернового состава грунта (примерно 80% по весу) перемещается во взвешенном состоянии, а меньшая, включающая наиболее крупные частицы грунта, перекатывается по дну пульповода; пульповод работает полным сечением.

А.М. Царевский, приняв за основу метод расчета пульповодов, разработанный Г.Н. Роером, предложил следующую формулу для определения критической скорости, м/с:

V_кр= 32*^0,2 ,

где ɣ_n – удельная масса пульпы, т/м³; W_ср – средняя гидравлическая крупность частиц транспортируемого грунта, м/с; Д – диаметр плавучего пульповода, м; d_0-80 – средняя геометрическая крупность частиц грунта, содержащихся в пределах 80% их веса, считая от мелких частиц к крупным, мм, снимаем с графика кривой гранулометрического состава грунта равно 1,0мм; d_ср  – средняя геометрическая крупность частиц грунта, мм (0,7).

В свою очередь  W_ср находим по формуле:

W_ср= ,

где Р_i – процентное содержание частиц грунта по массе в каждом расчетном интервале крупности; W_iср – гидравлическая крупность частиц диаметром d_ср, определяется по графику.

6. Определение  расчетного напора земснаряда.

Выбор типа и марки земснаряда.

В заданных условиях строительства землесос должен развивать напор:

Н=Н_г* +∑Н_гидр+Н_св ,

 где Н_г – геометрическая высота подъема пульпы( равна 10 м); ɣ_n – удельная масса пульпы, т/м³; ∑Н_гидр – сумма гидравлических потерь в пульповодах, м; Н_св – свободный напор в конце распределительного пульповода, принимается равным 2-5 м; ɣ₀ – удельная масса воды, т/м³; Н_г+ ∑Н_гидр – следует подставлять максимальное значение, так как для подбора земснаряда нужно знать наибольший напор.

Суммарные гидравлические потери напора в пульповоде складываются из потерь на всех его участках:

∑Н_гидр.=н_З+н_П+н_Б+н_Р ,

где Н₃ – суммарные потери напора во всасывающей и напорной линиях пульповода, расположенных в пределах земснаряда; н_П,н_Б,н_Р – суммарные потери напора соответственно в плавучем, береговом и распределительных пульповодах, м.

Где     

Н_з=(i_вl_в +h_вм)+( i_нl_н +h_нв) ,

Н_п= i_пl_п +h_пм ,

Н_б= i_бl_б +h_бм ,

Н_р= i_рl_р +h_рм ,

где i_в, i_н, i_п, i_б, i_р – удельные потери напора на трение;  h_вм, h_нв, h_пм, h_бм, h_рм – местные потери в пределах тех же участков пульповода; l_в, l_н, l_п, l_б, l_р – длина всасывающей и напорной линий земснаряда.

Длина плавучего  пульповода принимается из приложения, длина берегового  и распределительного из задания.

По рекомендации Г.Н Роера, удельные потери напора по длине можно определить по формуле:

i_пд=i_в+ɣ_пд ,

где i_в – удельные потери напора при движении чистой воды, м; ɣ_пд – удельная масса пульпы при движении, т/м³.

Величину  ɣ_пд определяем по формуле:

ɣ_пд=3,7D^0.119.

В свою очередь  i_в можно определить по формуле Маннинга, которая при коэффициенте шероховатости n=0,012 для металлических труб, бывших в употреблении имеет следующий вид:

i_в=0,0014825 ,

где Q – расчетный расход, м³/с; D – диаметр пульповода, м.

Согласно  исследованиям С.П.Огородникова, местные  потери в первом приближении можно  принять равными:

Н_з=(6-10)м,

h_пм=(1,5-2,0)i_пl_п ,

h_бм=(1,5-2,0) i_бl_б ,

h_рм=(1,5-2,0) i_рl_р ,

Принимаем: i_пд=i_п=i_б=i_р.

Подобранные земснаряды в оптимальном режиме должны удовлетворять условиям:

mQ_зп≥∑Q_п или mQ_зв≥∑Q_з ,

Н≥Н_з ,

где m – число подобранных земснарядов; Н – посчитанный напор, м; Н_з – полный напор, который развивает земснаряд, м вод, ст; Q_зп, Q_зв – соответственно производительность по пульпе и воде подобных земснарядов, м³/ч.

При намыве высоких сооружений необходимо применять  последовательное включение в напорный пульповод одной или несколько  перекачивающих станций или же взять  более мощный землесос.

Принятая  в задании высота подводной разработки h_пв не должна быть больше максимальной h_зmax меньше минимальной h_3min глубин грунтозаборного устройства подобранных земснарядов.

Значение  h_3max в зависимости от типа земснарядов приведено в приложении 4, а значение h_3min в приложении 5.

В глубоких выемках, когда h_пв значительно превышает h_3max земснарядов, грунт можно разрабатывать в несколько ярусов, но для этого необходимо иметь возможность понижения уровня воды в выемке.

После расчетов строится диаграмма потерь напора в  пульповодах земснаряда.

7. Организация работы земснарядов в карьере

 и  при намыве качественных насыпей.

Выбор карьера  для намыва какого-либо сооружения делается в проекте производства работ. Там же определяется необходимый объем грунта, который должен быть в выбранном карьере. Грунт в карьере по своим характеристикам должен соответствовать техническим условиям, изложенным в проекте возводимого сооружения. Организовывается оперативный контроль грунта.

Проектом  предусматриваются подготовительные работы, в том числе подготовка котлована и прокладка пульповодных  коммуникаций. Определяются средства механизации, необходимые для выполнения подготовительных работ. Вскрышные  работы чаще всего осуществляют бульдозерами и скреперами. Известны примеры удачного выполнения таких работ гидромониторным  способом.

Выбранная схема  разработки карьера должна отвечать следующим требованиям:

1. порядок отработки отдельных участков карьера должен быть назначен таким образом, чтобы суммарные потери напора в пульповодах изменялись по возможности в узких пределах;
2. точки подключения плавучего пульповода необходимо сократить до возможного минимума, так как потери в этом пульповоде по сравнению с береговым примерно в два раза больше.

При составлении проекта организации землесосных работ необходимо: выбрать способ ввода земснаряда в забой; назначить глубину подводной разработки грунта; определить ширину ленты разработки грунта; разбить площадь выемки на ленты, карты и блоки.

Способ  ввода земснаряда в забой зависит  от расположения выемки относительно реки.

В гидротехническом строительстве грунт разрабатывают  со дна реки, водоема или на участках, расположенных на некотором расстоянии от них. При разработке грунта со дна реки земснаряд может сразу начать выемку грунта без предварительной подготовки, во втором случае делается входная прорезь. Ширина прорези зависит от ширины корпуса земснаряда. Если котлован находится на значительном расстоянии от реки, то землеройными машинами отрывается пионерный котлован, в котором затем монтируется земснаряд. Вода подается в котлован по специальному каналу или насосами.

7.1. Разбивка  карьера на ленты, карты, блоки.

Количество  и размеры карт и блоков разработки грунта зависят от размеров площади  выемки, типа земснаряда, длины плавучего  пульповода и места его подключения  к береговому.

Карта –  площадь, разрабатываемая с одного подключения плавучего пульповода к береговому. Ее размеры зависят в основном от длины плавучего пульповода. Карты объединяют в блоки. Блоки – площадь, разрабатываемая земснарядами при одном положении магистрального берегового пульповода. Площадь карьера определяют по формуле:

F_к= ,

где V – объем грунта в карьере; h_пз и h_нз – высота подводного и надводного забоя (1,0и 3,9м)

Карьер необходимо разбить в виде прямоугольника с  соотношением сторон 1:2, тогда:

L_к=2В_к ,

В_к= ,

где  L_к и В_к – длина и ширина карьера, м.

Длина карты  принимается из условия:

L_кар= ,

где L_плав – общая длина плавучего пульповода, м; В_л – ширина ленты разработки, м.

Оптимальную ширину ленты разработки , зная тип земснаряда определяем по таблице 3, а затем получаем число лент в карьере по формуле:

N_л= .

Принимается кратное число лент и затем  обратным путем считается ширина ленты разборки. Ее величина не должна превышать наибольшую ширину прорези  выбранного земснаряда.

Длину карты  необходимо взять не более длины  плавучего пульповода принятого  земснаряда.

Список  используемой литературы:

1. Ясинецкий В.Г., Фенин Н.К. Организация и технология гидромелиоративных дорог, - М.: Агропромиздат,1986. – 352 с.
2. Розанов Н.Н. Плотины из грунтовых материалов. – М.:Стройиздат, 1983.
3. Харин Л.И. Гидромеханизация в мелиоративном строительстве. – М.: Колос, 1982.

Министерство сельского хозяйства  Российской Федерации

Департамент научно-технологической  политики и образования

Волгоградский государственный аграрный университет

Кафедра «Водохозяйственное строительство»

Дисциплина «Технология ремонтно-строительных работ»

Курсовая  работа.

Производство  работ по намыву профильных земляных сооружений на объектах водохозяйственного строительства

                                                                                                   Выполнил:    студентка ЭМФ

                                                                                                                                 ССО группа 34

Машкова Г.Ф.

Шифр - 09090

                                                                                                                                       Проверил:        Ходяков Е.А.

Волгоград 2012