Технология разработки грунта. Схемы папильонажной разработки грунта. Разработка скальных грунтов.

 

       Для поддержания постоянного контакта всаса с разрабатываемым грунтом землесос совершает рабочие перемещения (папильонирование), в результате которых образуется прорезь. При назначении ширины прорези необходимо учитывать подводные углы естественного откоса прорезаемых слоёв грунта.

 Для рабочих перемещений земснаряды оборудуются тросовым или свайно-тросовым устройством. В качестве рабочих применяются следующие схемы перемещения земснарядов: траншейная, параллельная, веерная, крестовая, вороночная, багермейстерская.

Схемы рабочих перемещений земснарядов назначают в зависимости от способа транспортировки грунта, объёмов работ, площади акватории. При этом технология назначается при условии недопущения засорения пульповода и выравнивании производительности по грунтозабору и грунтоудалению.

       Ширина папильонажной ленты обычно составляет 0,5 – 2м, поступательное перемещение 0,5 – 2м.

При траншейной схеме учитывают подводные углы естественного откоса прорезаемых слоёв грунта. Параметры траншей назначают: ширина по низу - в пределах папильонажной ленты, глубина – больше проектного дноуглубления, откосы – больше естественных откосов, расстояние между параллельными траншеями – в пределах равенства объёмов грунта на естественное заполнение траншеи грунтом за счёт его сползания в траншею.

Параллельный папильонаж применяется на закрытых акваториях, лёгких грунтах, не больших толщинах снимаемого слоя, при достаточных глубинах на бровках.

Веерный папильонаж применяется при отсутствии достаточных забровочных глубин, на не широких прорезях (ширина прорези меньше габаритной длины земснаряда).

Крестообразный папильонаж применяют на узких прорезях (ширина прорези близка половине габаритной длины земснаряда), при неприменимости веерного способа, при малых глубинах на бровке прорези.

Багермейстерский папильонаж применяют при движении земснаряда под углом к оси прорези (15-35град.), при глубине на бровке прорези более осадки земснаряда, при интенсивном судоходстве, на широких прорезях (ширина прорези больше габаритной длины земснаряда).

При папильонировании прорезь разбивается на участки. Папильонаж начинают с верховых по течению участков.

Земснаряды оснащаются шестью канатами и якорями: авантовый, кормовой, два переднебоковых, два заднебоковых.         

       Земснаряды используются в руслах рек, открытых водоёмах (море, озеро, водохранилище), а также для разработки территорий непосредственно примыкающих к водоёму. 

По погодным условиям земснаряды могут нормально и наиболее эффективно производить забор грунта при силе ветра 4 балла (19-27км/час), волнении до 3 баллов (высота волны 0,8-1,25м), скорости течения 0,75 м/сек (2,7км/час).

       Необходимое число земснарядов может быть определено по формуле:

               N = Q / Qt K a,

Где;        Qt - часовая производительность землесоса (куб.м/час);

 K- коэффициент, учитывающий использование землесосного           снаряда по времени, зависит от способа намыва грунта, типа намываемого сооружения, способа транспортировки грунта и может быть предварительно назначен в пределах 0,55-0,85.

a- коэффициент учитывающий высоту забоя, зависит от отношения действительной высоты забоя к оптимальной.

Q- необходимая часовая производительность.

       Практика показывает, что чем крупнее земснаряд тем выше его эффективность. Вместе с тем объёмы работ оказывают существенное влияние на выбор типа и числа земснарядов. Так при объёме земляных работ 100 000 куб.м. рационально принять один земснаряд с производительностью по грунту 70-80 куб.м/час, а при объёме 10 000 000 куб.м. восемь с производительностью 500куб.м/час или три с производительностью 1000куб.м/час.

Разработка скальных грунтов. Скалодробильные снаряды с одной стоянки производят работу до разрушения скалы. Прочная скала разрушается с шагом 30см. Ход снаряда предпочтителен в виде гребёнки.

        Работа земснарядов сопровождается караваном плавсредств, в состав которого могут входить: земснаряд, завозни, катера, буксиры, баржи, понтоны, плашкоуты, брандвахта.

       Документация. Дноуглубительные работы сопровождаются комплектом технической документации, который состоит из документации на производство работ и документации при сдаче работы.

До начала работ дноуглубительные работы обеспечиваются техническим заданием, техническим проектом, договором, сметой расходов, план-нарядом багермейстеру (капитану земснаряда), технологическими картами (составляет багермейстер).

В состав технического проекта входит:

1.план района в масштабе 1:5000 – 1:2000 с глубинами и знаками навигационной обстановки,

2.ведомость объёмов работ,

3.характеристики грунтов черпания,

4.геологические разрезы,

5.гидрометеоусловия,

6. габариты прорезей с допусками,

7. отсчётный уровень,

8.привязка к нулю порта,

9.батиметрия,

10. график колебания уровня воды,

11. границы производства работ,

12.период времени производства работ,

13.проектные глубины,

14. багермейстерские запасы, переборы, допуски,

15.схемы рабочих перемещений,

16.периодичность контрольных промеров глубин,

17. места свалок грунта.

При производстве намывных работ технический проект дополняют картой намыва, генеральным планом намыва, требованиями к намываемому грунту, планом и конструкцией дамб обвалования, объёмами работ, конструкциями и планом установки водосбросных устройств.

 В техническом задании на ремонтное черпание должен присутствовать план с отметками рефулирования, условия производства работ, результаты траления, фиксация взрывоопасных участков.   

Работы могут быть начаты после выдачи багермейстеру наряда-заказа.

В состав документации при приёмке работ входит:

    1.записи периодического промера глубин,

     2.журнал траления,

     3.судовой журнал земснаряда,

     4.план промеров глубин до начала и после окончания дноуглубительных работ,

      5.план и исполнительные профили выемок,

       6.характеристики грунтов и лабораторные их исследования,

       7.промежуточные акты приёмки работ.

Приёмку работ осуществляет заказчик путём контрольных промеров. Для приёмки создаётся комиссия. Недоборы свыше 10см считаются браком. Переборы оплачиваются согласно контракту. Допущенные излишки переборов относят на риски подрядчика.

  Подготовительные работы. Перед началом основных работ производится некоторый объём подготовительных работ, включающих в себя:

1.траление рабочих участков (черпания, свалок, подходов);

2.удаление препятствий, обнаруженных водолазами и отмеченных вешками;

 3.разметка бровок прорезей или слоёв разработки тремя створными вехами с обозначением поворотов;

4.обозначение буями мест свалки грунта.

Створные вехи устанавливают на расстоянии 500-1000м от зоны работы земснаряда, вехи по линии бровок – на расстоянии 100-200м. Глубоководная свалка обозначается одним буем, около которого производится выгрузка грунта. Свалки ограниченной площади обозначаются двумя буями, предпочтительно светящимися, которые по мере заполнения свалки передвигают в сторону участка дноуглубительных работ.

В процессе производства работ составляется исполнительная документация, состоящая из рабочих чертежей с указанием фактических глубин. 

 При работе многочерпаковых земснарядов наполнение черпаков регулируют наклоном черпаковой цепи. При прилипаемости грунта наполнение черпаков уменьшают, а скорость движения снижают. При разработке плотных грунтов для облегчения отделения грунта наполнение черпаков также снижают.

           

Транспорт грунта.

 При дноуглубительных работах применяют следующие виды транспорта грунта: Самоотвозный, Шаландовый, Напорный, Безнапорный.

       При работе земснарядов транспорт грунта может осуществляться напорным и безнапорным способом, а также шаландами и самоотвозом. При этом используются пульповоды, лотки, зумпфы, баржи, шаланды, трюмные земснаряды.

       При напорном транспорте грунта пульпа перемещается под напором полностью заполняя сечение трубы (пульповода). При этом в верхних слоях перемещаются мелкие частицы грунта, в нижних более крупные. Наиболее предпочтительная скорость транспортирования смеси более критической. В противном случае в нижней части трубы будет образовываться мёртвый осадок.

       Для расчёта напорного транспорта необходимо знать:

                                                    1. крупность частиц разрабатываемого грунта,

                                                     2.гидравлическую крупность,

                                                     3.консистенцию и концентрацию пульпы,

                                                     4.диаметры труб,

                                                     5.характеристики землесоса,

                                                    6.дальность транспортировки грунта,

                                                    7.геодезическую разность отметок.

       В общем случае расчёт напорного транспорта грунта сводится к определению потерь напора. При этом определяются критическая скорость и гидравлический уклон (удельные потери напора).

       Для транспортировки грунта земснаряд оснащается всасывающим, плавучим, магистральным трубопроводами. Всасывающие трубопроводы имеют диаметры 0,25-0,95м, плавучие 0,3-0,8м, магистральные 0,25-0,9м.

       В плавучем и магистральном трубопроводе определяются критический расход и потери напора:

                                    Qкр = vкр F,

                                     i =(1,1-1,15) iкр K,

где: Qкр - критический расход,

 F – площадь сечения трубы,

iкр – потери напора, соответствующие критической скорости,

 K – поправочный коэффициент, зависящий от отношения критического расхода к транспортируемому,

vкр – критическая скорость гидросмеси (в первом приближении может принята равной корню кубическому из диаметра пульповода умноженному на коэффициент 8,3), определяемая по зависимостям:

 V_кр = 8,3 D^1/3 (k_o пси)^1/6 ,

 где D- диаметр трубопровода,м;

к_о – объёмная консистенция гидросмеси: (к₀ = (1-п)/(1-п +q),здесь п-пористость, принимаемая равной 0,4),

 пси-коэффициент транспортабельности грунта.

V_{кр =} B (1/Fr)^1/4 [ (p_см – p_в )/ p_в  (р_т - p_см )² / p_в²]^1/9,

 Где: В - эмпирический коэффициент (принимается равным 3,85 для песчано-гравелистых грунтов, 2,86 – для крупнокускового грунта),

 Fr=w² /gd - число фруда,(здесь w – гидравлическая крупность, g – ускорение свободного падения, d – средний диаметр частиц грунта). 

p_см, p_в, р_т – плотность соответственно гидросмеси, воды, твёрдого.

 Режим гидротранспорта считается заилённым при критическом расходе меньшим действительного, при превышении критического расхода над действительным будет иметь место не заилённый режим.

       Учитывая неоднородность во времени характеристик грунта, консистенции, технологических факторов целесообразно расчётную потерю напора увеличивать на 10-15%.

       Всасывающий, напорный, плавучий, магистральный трубопроводы соединяют с помощью шарнирных сочленений.

       Суммарные потери напора Н в м определяют как сумму потерь напора на отдельных участках:

                          H = h1 + h2 + h3 + h4 + h5,

Где: h1 - потери напора во всасывающей линии; (h1=0,0585v²_bc (0,03lвс/Д_вс +0,725, здесь v_bc – скорость пульпы во всасе, lвс – длина всаса, Д_вс – диаметр всаса);

h2 - потери напора в плавучем трубопроводе, включая трубопровод на снаряде;

h3 - потери напора в магистральном трубопроводе;

h4 - потери напора на преодоление геодезической разности отметок между уровнем воды в карьере и отметкой гребня намываемого сооружения;

h5 - местные потери напора в магистральном и плавучем трубопроводах.

При расчёте потерь напора необходимо знать:

             1.скорость перемещения пульпы во всасывающем трубопроводе,

             2.длину и диаметр всасывающей трубы,

             3. потери напора на 1м плавучего трубопровода,

              4. длину плавучего трубопровода,

               5. коэффициент местных сопротивлений в шаровом шарнире,

               6.скорость перемещения пульпы в плавучем трубопроводе,

                7. число звеньев плавучего трубопровода,

                8. удельный вес гидросмеси,

                9. потери напора на 1м магистрального трубопровода,

              10. длину магистрального трубопровода,

               11.разность отметок между уровнем воды в карьере и гребнем сооружения.

       Напорный гидротранспорт грунта широко используется для возведения земляных плотин, насыпей дорог, образования территорий портов. Для удобства производства работ и обеспечения качества насыпей, намыв производится с разбивкой на карты намыва, площадь которых обычно не должна превышать 25 000кв.м.

       Шаландами грунт транспортируется по следующей схеме. Разработанный земснарядом на глубине грунт перегружается или рефулируется в трюм шаланды. Объём грунта в трюме контролируют по осадке судна, обмерами грунта в трюме, по насыщенности пульпы.

Грунтовместимость трюма может быть повышена сливом осветлённой воды, при этом необходимо учитывать, что разжиженные илы не обладают быстрым осаждением и водоотдачей. Трюмы выполняются с глухим днищем или с открывающимися люками в днище. Для разгрузки шаланд с глухим днищем применяют шаландоразгружатели. Применяют самоходные и несамоходные шаланды.

       Шаланды швартуют к одному или двум бортам земснаряда. Необходимое число шаланд определяют по формулам:

                    швартовка на два борта

       Ш = (S/Vгр + S/Vп + tподх + tотх + tр) х (qф kр /W kтр) + 1

                       швартовка на один борт

       Ш = (S/Vгр + S/Vп + tр)/ (kтр W/kр qф + tотх + tподх),

Где:   S - расстояние до свалки,

 Vгр - скорость хода шаланды с грузом,

Vп - скорость хода шаланды порожнём, 

tр - время на разгрузку,

 kтр - коэффициент использования вместимости трюма,

W - вместимость трюма,

 kр - коэффициент разрыхления грунта (1,08 – 1,45),

 qф - фактическая часовая производительность земснаряда,

tподх - время на подход и швартовку шаланд,

tотх- время на отход и отшвартовку шаланды.

                                  21.6. Выбор буксировщика.

При транспортировке несамоходных плавучих средств (понтоны, баржи, брандвахты, шаланды, массивы – гиганты и др.) требуется подобрать буксир достаточной мощности. Буксиры подразделяют: портовые, рейдовые, морские, которые имеют следующие ориентировочные характеристики.

  Портовые буксиры – мощность 150 – 300л.с., скорость – 5-6 узлов, буксировка плавучих средств грузоподъёмностью – 500т.

Рейдовые буксиры – мощность 250 – 600л.с. скорость – 6 -7 узлов, буксировка плавучих средств грузоподъёмностью – 1000 - 1200т.

Морские буксиры – мощность 500 – 1200л.с скорость – 7 -10 узлов, буксировка плавучих средств грузоподъёмностью более 1200т.

Длина тягового троса буксира определяется:

L_тр = 2a L (20+N_p)/3(120 + N_т),

Где L_тр – длина троса,

    а – коэффициент (9,5 – 10,5),

    L – длина массива – гиганта

    N_{p –} регистрационная мощность буксирующего судна,

    N_{т –} тяговая мощность на крюке буксировщика.

    N_т = F_k v/75 (квт)

Где F_k – сила тяги на крюке,
     v – скорость буксирования состава относительно воды, м/сек,

F_k = Р_т  + Р_дс,

Где Р_т  - сопротивление воды (н).

    Р_дс – дополнительное сопротивление, вызываемое метеоусловиями (ветер, волна, течение);

Р_т = (k₁ S₁ + k₂ S₂) v²,

k₁ S₁ – коэффициент и площадь смоченной лобовой поверхности буксируемого плавучего средства (k₁ =0,06),

k₂ S₂ – коэффициент и площадь смоченной поверхности днища и боковой поверхности буксируемого плавучего средства  (k₂  = 0,0002).

                                             21.7.Отвалы грунта.

Грунт в результате подводных земляных работ извлекается в сильно водонасыщенном разрыхлённом состоянии. Качественный грунт может быть использован для образования полезных насыпей (земляное полотно дорог, территории портов, дамбы, подводные основания и др.). Грунт с низкими строительными и качественными характеристиками идёт в отвал или для исправления неудобий.

       При намыве грунта на сушу необходимо учитывать, что расход воды составляет от 3,5 до 30куб.м. на 1куб.м. грунта и требуется энергии от 3,5 до 5киловатт часов. Намываемые грунты распределяются с некоторым уклоном. В таблице21. 4 приводятся уклоны грунта, намываемого на сушу и под воду.

Учитывая эти обстоятельства береговые свалки грунта оборудуются дамбами обвалования, водосбросными колодцами, водосливами. Подводные - не замкнутыми дамбами, а сваленный грунт покрывают защитным слоем качественного грунта.

При наличии в грунте 10% глинистых частиц при намыве обычно делаются 3 – 5 дневные перерывы.

       Для мелких песков суточный намыв назначают в 20 – 30см, для крупных – 50см.

       Грунт, намываемый под воду в течение двух лет не достигает плотности грунта, намытого насухо. 

Таблица 21.4 – Уклоны намываемого грунта на сушу и под воду.

грунт	Уклоны на суше	Уклоны под водой
Пылеватые пески	1:50
Мелкие пески	1:50 – 1:15	1:6,5 – 1:22
Крупные пески	1:12 – 1:10	1:5 – 1:17
Гравелистые пески	1:10 – 1:8
Галька		1:1,25 – 1:1,35

        

       При сбросе грунта под воду из шаланд осаждение разделяют на две фазы: расширение и осаждение.

Сброс грунта под воду сопровождается следующими явлениями:

                                              1.образование основного облака мутности,

                                              2.образование зоны турбулентной диффузии,

                                               3.образование облака возбуждённой (вторичной) мутности,

                                               4.распластывание грунта по дну.

При этом производят расчёты радиуса облака твёрдых частиц и скорость движения облака:

                                      R = R_о + a_m h,   

                                      V = b_m (F)^1/2  /(h + R_o / a_m),

Где: R_o - начальный радиус облака твёрдых частиц,

R- радиус облака твёрдых частиц,

 h- вертикальная координата,

F - суммарная масса всего материала,

 a_m,b_m - коэффициенты, зависящие от удельного веса частиц, диаметра, плотности и вязкости воды.

На дне грунт располагается по пятну радиусом около 100м.

При отсыпке грунта на течении необходимо учитывать его снос (L), величину которого можно определить по формуле

                                      L = k x v_w x h/w_v,

Где: k – коэффициент (k=1,2 – 1,4);

v_{w –} средняя скорость течения воды, м/сек;

h – глубина воды в месте отсыпки грунта, м;

w_{v –} гидравлическая крупность грунта, м/сек.

                                             Wv = 0,55[d(p_k/p_o -1)]^-2,

Где: d – условный диаметр частиц грунта,м,

р_к – плотность грунта,кг/м³,

р_{о –} плотность воды, кг/м³.

21.8.Охрана среды.

Подводная разработка грунта экологически не безопасна, что требует соблюдения ряда требований:

1. работы проводятся в соответствии с требованиями водного кодекса,

2.сроки работ назначаются с учётом нереста и миграции рыб,

3.принимаются меры по предотвращению сброса в воду масел и отходов с земснарядов, 4.места свалок назначают в районах с минимальной опасностью,

5. при использовании метода перелива используют гидроциклоны для сгущения пульпы,

 6.рассчитывается размер облака мути,

7.обеспечивается надёжность стыков в пульповодах,

 8.загрязнённые грунты разрабатываются при строгом контроле соответствующих служб.

       Подводная разработка грунта требует соблюдения ряда мер по технике безопасности, как например:

     1.умение плавать,

      2.иметь специальную подготовку,

      3.соблюдение предписывающих знаков,

      4.запрет хождения по плавучим трубопроводам,

      5.страховка при работах в трюме,

      6.контроль за выделениями из грунта,

      7.отслеживание штормовых предупреждений (ветер 6 баллов, волнение 3 балла),

       8.определение мест нахождения взрывоопасных предметов.

                            22. Подводно – технические работы.

Подводно-технические работы подразумевают применение труда водолазов или специальных приспособлений и оборудования.

Водное пространство является одним из мало изученных пространств земли. Имеются единичные примеры изучения морских глубин до 11 000м. В таблице 22.1. приводятся диапазоны глубин и условия работы под водой.

Таблица 4.1. – Условия работы и освоения подводного пространства.

Глубина,м	Условия работы под водой
0 - 10	Водолаз с кислородным дыхательным аппаратом, возможно многочасовое пребывание до глубины 10м
10 - 40	Водолаз с дыхательным аппаратом на сжатом воздухе, поступающем с поверхности по шлангу, возможно многочасовое пребывание до глубины 40м.
40 - 60	Водолаз с дыхательным аппаратом на сжатом воздухе, поступающем с поверхности по шлангу, возможны кратковременные погружения до глубины 60м. Водолазный колокол с воздушными баллонами и шлангами водоснабжения, возможно многочасовое пребывание до глубины 60м.
60 - 180	Водолаз с аппаратом на сжатом воздухе, возможно погружение средней продолжительности без физических нагрузок на глубину более 60м.
180 - 200	Подводные дома (лаборатории), обеспечивающие многочасовое пребывание людей на глубинах до 200м.
180 - 300	Рабочие подводные аппараты с водолазными отсеками, возможно длительное пребывание на глубинах до 300м, на меньших глубинах возможен выход людей в воду. Рабочие подводные аппараты с водолазными отсеками, возможен выход людей в воду на глубине 300м.
300 - 400	Водолазы в жёстких скафандрах типа «Джим» и «Сэм», связанных с поверхностью, возможна работа на глубине до 400м.
400 - 500	Антропоморфные одноместные самоходные аппараты типа «Уосп», возможна работа на глубине до 500м.
500-600	Герметичные погружающиеся камеры для глубин до 600м.
600 - 1000	Рабочие снаряды типа «Армс» с рабочими манипуляторами для глубин до 1000м.
1000 - 2000	Управляемые по кабелю компактные аппараты типа РЦВ с телевизионными системами и рабочими манипуляторами для глубин до 2000м.
2000 - 6000	Обитаемые аппараты с манипуляторами для глубин до 6000м. Наблюдательные камеры с экипажем для глубин до 6000м.
До 11000	Батискафы. Рассчитанные на предельные глубины мирового океана.

Водолазные работы подразделяются на аварийно-спасательные и подводно- технические.

 

Виды работ, выполняемые водолазами:

1.Обследование дна.

Выполняются по кругу или линейно при ширине полосы 3,5,7м. Записи ведутся на алюминиевых пластинах. Отметки делаются буйками.

2.Перенос и закрепление на акватории подводных частей сооружений.

Выполняются по точкам, передаваемым с поверхности. Норма трудозатрат 20чел/час. На 100кв.м.

3.Земляные и буровзрывные.

Выполняются в небольших объёмах. Применяются отбойные молотки, оборудованные шлангом отвода сжатого воздуха, конец которого располагают выше головы водолаза. При работе на глубинах более 15м воздух отводится на поверхность воды.

4.Планировочные работы.

Равнение каменных постелей (грубое +-20см, тщательное +-8см, весьма тщательное +-3см).

Норма трудозатрат: грубое равнение 105чел/час на 100кв.м., тщательное равнение 195чел/час на 100кв.м., весьма тщательное равнение 240чел/час на 100кв.м.

5.Плотничные и конопаточные работы.

Выполняются простейшие виды работ: спилка голов свай, сверление отверстий, конопачение опалубки.

6.Бетонные работы.

Информация о ходе ведения бетонных работ: состояние опалубки, наличие вымывания раствора, равномерность укладки раствора, расслоение укладываемого бетона и т.п.

7.Подводная сварка и резка металла.

Элементы свариваются обычно внахлёст. Сварка и резка – электродуговая в образующемся газовом пузыре. Напряжение не более 110вольт. Норма времени на резку металла - 6мин на1п.м, т=5мм, 300мин на 1п.м., т=40мм.

8.Специальные строительные работы.

Укладка трубопроводов, устройство дюкеров, кладка массивов.

9.Монтажные работы.

Сбалчивание, сверление отверстий, установка элементов, устройство креплений.

10.Такелажные работы. Подъём судов и тяжёлых предметов.

Таблица22.2.-Нормы времени и трудозатрат на водолазные работы.

Вид работы	Норма времени или трудозатрат
Разбивка сооружения на акватории	20чел/час на 100кв.м
Грубое равнение постели(+-20см)	105чел/час на 100кв.м.
Тщательное равнение постели (+-8см)	195чел/час на 100кв.м
Весьма тщательное равнение постели (+-3см)	240чел/час на 100кв.м.
Резка металла толщиной 5мм	6мин на 1п.м.
Резка металла толщиной 40мм	300мин на1п.м.
Установка тетрапода под воду	0,12 маш.см/шт
Обследование дна	0,06 чел/дн на 100 кв.м.