8-6. РАЗРАБОТКА ГРУНТОВ ДЛЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ ПЛОТИН
Требования к грунтам.
К грунтам противофильтрационных устройств плотин предъявляются следующие основные требования:
а) водопроницаемость уплотненного грунта должна быть не больше А-10-4 см/с;
б) грунт должен быть пластичным и легко приспосабливаться к деформациям плотины без образования трещин;
в) сдвиговая прочность должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить наиболее экономичный профиль плотины;
г) хорошая удобоукладываемость грунта.
Этим требованиям могут удовлетворять однородные связные грунты, а также разнородные несвязные моренные грунты. Если в первом случае они состоят из фракций глины, пыли и песка, то во втором, помимо этих фракций, в них находятся гравий, галька и валуны или различные по крупности щебень и камень.
В строительстве каменно-земляных плотин отмечаются тенденции более широкого применения разнородных крупнообломочных грунтов с песчано-глинистым заполнителем для противофильтрационных устройств. Такие грунты могут находиться в естественном виде в карьере или получены в результате смешивания в карьере при экскаваторной разработке, когда в забое имеются отдельные слои грунтов для образования таких смесей. Регулируя глубину забоя в карьере или толщину вскрываемых и удаляемых поверхностных отложений, в результате экскаваторной разработки такого карьера при погрузке грунта в автосамосвалы, отсыпке и разравнивания его на карте отсыпки можно получить необходимую смесь из таких грунтов.
При неоднородных грунтах в карьере для лучшего их перемешивания может оказаться целесообразным карьерный грунт сначала уложить слоями в резерв, а затем переработать вторично при погрузке или пропустить грунт через грохот во время погрузки на транспорт для отделения из него сверхмерных крупных фракций.
Такая смесь для противофильтрационных устройств плотины должна иметь фракций мельче 0,075 мм не менее 15%, а наибольшая крупность их не должна превышать 0,3—0,5 толщины отсыпаемого слоя.
Грунтовые смеси могут быть приготовлены искусственно, путем обогащения грунта недостающими фракциями.
Пригодность того или иного грунта для отсыпки в ядро, экран и понур определяется путем исследования его геотехнических характеристик, а также определения гранулометрического состава грунта и его карьерной влажности. Карьерная влажность является решающей для подготовки грунта, установления способов его уплотнения и определения методов возведения (отсыпкой грунта слоями с уплотнением укаткой или отсыпкой грунта в воду).
Связные грунты, как правило, пригодны для противофильтрационных устройств плотины (с обычными методами их уплотнения) в том случае, если их карьерная влажность близка к оптимальной. Плотные и тяжелые, трудно укладываемые глины могут быть использованы после соответствующей подготовки-измельчения в резерве культиваторами, водонасыщения и выдерживания их в течение определенного времени (как это было на строительстве плотины Мангла). Грунты, имеющие недостаточную карьерную влажность, доувлажняются, а избыточную — подсушиваются, что выполняется обычно в карьере одновременно с их разработкой.
Схемы разработки грунта.
Характер используемого грунта определяет способы его разработки. Для разработки грунта в карьерах применяется работа механизмов по одной из следующих схем:
а) цикличной с использованием экскаваторов — прямых лопат или драглайнов, погрузчиков и скреперов;
б) непрерывно-поточной с применением роторных экскаваторов, драг и конвейерных погрузчиков.
Способ разработки определяется: видом грунта, его влажностью, положением уровня грунтовых вод в карьере и дальностью транспортирования, а также объемом работ и сроками их выполнения.
Разработка грунта в карьере должна решаться в комплексе с транспортированием, разравниванием и уплотнением его при отсыпке в плотину. Грунты для отсыпки ядра (суглинки и грунты из моренных и пролювиальных отложений) обычно разрабатываются экскаваторами и погружаются в автосамосвалы или в специальные землевозы. Необходимые емкости ковшей экскаваторов определяются объемом работ в карьере и сроком их выполнения в увязке с объемом кузовов автосамосвалов, занятых на транспортировании грунта.
Для карьеров с большим объемом работ применяются экскаваторы с ковшами емкостью 4,6 и 8 м3 и соответствующие им транспортные средства — автосамосвалы грузоподъемностью 27; 40 т и более. Также применяют шагающие драглайны с ковшами емкостью 10 м3 и более с работой их через перегрузочный бункер на транспорт или в отвал с последующей переработкой отвалов на транспорт экскаваторами. Работа драглайнов в отвал с последующей разработкой отвалов может быть оправданна на заготовке грунта для зимней его отсыпки, особенно гравелисто-галечного и песчаного, из пойменного и руслового аллювия, залегающего ниже уровня грунтовых вод (как на строительстве Иркутской плотины). Это позволяет за летний сезон создать в отвалах-штабелях запасы грунта на зиму.
При разработке карьеров драглайнами с ковшом емкостью 10 м3 и больше их работа на транспорт должна быть организована через перегрузочные бункера. Наличие такой промежуточной емкости исключает необходимость синхронной работы этих двух звеньев и позволяет резко сократить простой транспорта при загрузке. В ряде случаев перегрузочный бункер можно использовать для отделения из грунта булыг. Перегрузочные бункера имеют емкость, равную емкости трех — пяти ковшей экскаватора. Их оборудуют собственным приводом или перемещают вслед за драглайнами-тракторами.
На строительстве плотины Навахо с объёмом насыпи 20 000 тыс. м3 разработка грунта в карьере производилась шагающими драглайнами с перфорированными ковшами емкостью 12,8 м3. Чтобы устранить простой автосамосвалов с емкостью кузова 23 м3 под погрузкой, были изготовлены передвижные перегрузочные бункера емкостью по 50 м3. Бункера были смонтированы на четырех гусеничных тележках, и в карьере их передвигали тракторами. Обслуживал бункер один рабочий. Производительность одного драглайна, работающего через бункер, за 9-часовую смену составляла 6116 м3. На строительстве плотины Ванапум такие драглайны, работавшие в комплексе с автосамосвалами емкостью 13 и 23 м3, производили погрузку грунта в автосамосвалы через самоходный бункер емкостью 57 м3.
Для разработки гравелистого грунта в карьере на строительстве плотины Абикью в 1962 г. применили высокопроизводительный роторный экскаватор в сочетании с конвейерным транспортом. В дальнейшем в карьере плотины Сан-Луис на разработке грунта для водонепроницаемой зоны работали роторные экскаваторы. Ротор такого экскаватора диаметром 9,4 м имел девять ковшей емкостью по 1,91 м3. Вынутый экскаватором грунт подавался конвейером с лентой шириной 213 см, смонтированном на погрузочной стреле длиной 20 м, в специальные землевозы грузоподъемностью 90,7 т. Двухрукавная течка с шибером позволяла непрерывно производить их загрузку. Землевозы устанавливались под течки попеременно, а потому загрузка осуществлялась без остановки конвейера. Время загрузки составляло 40 с. Роторные экскаваторы были смонтированы на гусеничных тележках. Их максимальная производительность достигала до 3 тыс. м3/ч. Роторными экскаваторами на плотине Сан-Луис разработано 60 млн. м3 грунта.
На строительстве плотины Оровилл в карьерах на разработке дражных отвалов работали два роторных экскаватора и два драглайна с ковшами по 8,4 м3, которыми было разработано 53 млн. м3.
Разработка гравелисто-галечного грунта в карьере плотины Оровилл производилась роторными экскаваторами. Затем через передаточный конвейер и самоходный передвижной бункер грунт поступал на полевой конвейер, по которому направлялся на склад погрузочной станции. От погрузочной станции в карьере до разгрузочной станции вблизи плотины грунт доставлялся железнодорожными составами. Дальнейшая подача грунта в склады и непосредственно в плотину осуществлялась с помощью конвейеров и автотранспорта. В оборудование для разработки и транспортирования грунта до погрузочного склада входил следующий комплекс:
роторный экскаватор, смонтированный на гусеничных тележках, производительностью 5700 т/ч;
передаточный конвейер — башня, оборудованная двумя подвесными конвейерами с шириной ленты 137 см при скорости движения ленты 260 м/мин;
самоходный передвижной вагон с ленточным питателем, спаренный с бункером.
Таких комплексов было два. При поступлении с передаточного конвейера в бункер грунт проходил через грохот, отделяющий фракции крупнее 380 мм. Наличие полевого, передаточного башенного конвейеров и передвижного бункера позволяло экскаватору производить выемку грунта в зоне радиусом 72 м.
Полевой конвейер с шириной ленты 137 см производительностью 5700 т/ч при скорости движения ленты 260 м/мин подавал грунт на склад-отвал, расположенный над галереей погрузочной станции. Распределение грунта по длине склада производилось реверсивным конвейером, оборудованным приспособлениями для сбрасывания грунта в любой точке по его длине. Реверсивный конвейер, рассчитанный на ту же производительность, имел ленту шириной 183 см и скорость движения 153 м/мин. Длина полевого конвейера могла изменяться до 210 м. При подаче грунта на расстояние, превышающее это значение, погрузочная станция должна быть передвинута ближе к забою карьера.
Погрузочная станция для погрузки грунта в железнодорожные вагоны состояла из галереи и расположенного над нею склада-отвала. Длина галереи определилась условиями одновременной погрузки 10 вагонов. Конструкция галереи такова, что ее можно легко демонтировать, перемешать в карьере, а для карьера длиной 8 км это имело существенное значение. Автоматические затворы погрузочной станции позволяли производить одновременно погрузку десяти 100-тонных вагонов. Погрузка железнодорожного состава из 40 вагонов производилась за 14 мин.
Грунт для отсыпки ядра разрабатывался в карьере драглайнами с ковшами по 8,4 м3, подававшими его в бункер для загрузки землевозов грузоподъемностью 97,5 т. Землевозы выгружали грунт в бункер емкостью 69 м3, питавший систему конвейеров, подававших грунт к железнодорожной станции. На погрузочной станции грунт поступал в бункера емкостью 800 т. С помощью этих бункеров производилась одновременная погрузка 10 железнодорожных вагонов.
Преимущество роторных экскаваторов состоит не только в высокой производительности, но и в более низкой стоимости разработки грунта. Стоимость выемки и транспортирования грунта на строительстве плотины Сан- Луис составила 0,36—0,52 долл/м3, Оровилл — около 0,47 долл/м3, т. е. значительно ниже, чем это можно получить при работе экскаваторов или драглайнов соответствующей производительности. В Советском Союзе роторные экскаваторы ЭРГ-400/1000 с успехом используются на вскрышных работах на угольных разрезах и открытых рудниках.
В последнее время для повышения производительности труда на земляных работах (экскавация и погрузка грунта на транспорт) в гидротехническом строительстве широкое применение нашли конвейерные погрузчики, которые позволяют непрерывно и быстро загружать транспортные средства. Конвейерный погрузчик состоит из двух основных частей: конвейера с поддерживающей конструкцией и приемного бункера с питателем или без него. Погрузчик устанавливают непосредственно вблизи забоя, а грунт к нему подают бульдозерами.
Рис. 8-18. Конвейерный погрузчик с грохотом на погрузке суглинисто-щебенистого грунта в карьере плотины Мон-Сени.
Производительность конвейерных погрузчиков довольно высокая и изменяется от 1380 до 2760 м3/ч. Их преимущество не только в большой производительности, но и в низкой стоимости погрузки грунта. Применение конвейерных погрузчиков получается более эффективным при объеме работ не менее 750 тыс. м3 и высоте забоя в карьере более 3 м. Для обеспечения непрерывной работы погрузчика ему необходимо придать 6—8 бульдозеров для разработки и подачи грунта к приемному бункеру. При дальности подачи грунта к погрузчику более 150 м его применение становится невыгодным.
Значительное сокращение времени погрузки имеет существенное значение при транспортировании грунта на большое расстояние. Так, на строительстве плотины Мон-Сени погрузку щебенистого грунта конвейерными погрузчиками удачно совместили с обогащением грунта за счет отделения сверхмерного камня, для чего к погрузчику был подвешен вибрационный грохот (рис. 8-18). Такое отделение камней обходится значительно дешевле, чем тракторными граблями на карте отсыпки.
Конвейерные погрузчики являются наиболее эффективными механизмами на погрузке грунта. Они нашли широкое применение за рубежом, чему способствовало существенное улучшение их конструкций.
Ниже приводятся примеры использования конвейерных погрузчиков на строительстве плотин.
На строительстве плотины Беннет моренные грунты, отсыпаемые в тело плотины, разрабатывались в карьере бульдозерами и погрузчиками грузились на четыре челночных конвейера. Последние загружали два коротких собирательных конвейера, которые в свою очередь подавали грунт на однозвеньевой конвейер длиной 4572 м, производительностью 10 880 т/ч. Погрузчики устанавливались на полозья и перемещались бульдозерами в процессе разработки карьера. Погрузчик имеет ленту шириной 152 см и производительность 2720 т/ч. Каждый погрузчик обслуживался четырьмя- пятью бульдозерами, оборудованными удлиненными отвалами размером 2,13X4,57 м, которые позволяли перемещать до 15,3 м3 грунта, т. е. в 2 раза больше по сравнению со стандартными отвалами. Производительность 15 таких бульдозеров при круглосуточной работе составляла в среднем 6120 м3/ч. За год конвейерная система перемещала около 15,3 млн. м3.
На строительстве плотины Мон-Сени для отсыпки экрана разрабатывали пролювиальный грунт в карьере, расположенном недалеко от плотины. Разработка велась бульдозерами, которыми грунт перемещался к конвейерному погрузчику с шириной ленты 183 см. Так как в карьерном грунте содержались камни крупнее 152 мм, которые не могли быть использованы в насыпь, то с этой целью погрузчик был оборудован вибрационным грохотом с решеткой 152 мм, подвешенным к его раме. Негабаритный камень от грохота поступал в автосамосвал, устанавливаемый при погрузке рядом, и использовался как материал наброски.
На строительстве плотины Маттмарк конвейерные погрузчики с лентой шириной 183 см использованы в карьере для загрузки крупнозернистого моренного грунта в автосамосвалы грузоподъемностью 36 т. Каждый из погрузчиков обслуживался тремя-четырьмя бульдозерами. Производительность погрузчика в среднем составляла 10 000 м3/сут. Автосамосвалами грунт подавался к сортировочной установке. Валуны крупнее 1,0 м предварительно отбирались и направлялись в отвал. Остальная часть грунта поступала на два грохота с решетками шириной 1,52 м (расстояние между решетками 89 мм). Грунт, прошедший грохот, использовался в насыпи ядра, а крупнее 89 мм применялся для отсыпки упорной призмы.
На строительстве плотины Сан-Луис конвейерные погрузчики работали на погрузке карьерного грунта для насыпи ядра. Погрузчики оборудованы лентой шириной 137 см. Разработку карьера и подачу грунта к погрузчикам выполняли бульдозеры. Погрузчик загружал грунт в землевозы грузоподъемностью 90,7 т.
Таким образом, конвейерные погрузчики в сочетании с бульдозерами успешно используются для разработки различных грунтов в карьерах, что позволяет существенно снизить стоимость заготовки и погрузки грунта. Они используются также и на погрузке камня.
Для повышения производительности и уменьшения стоимости работ, кроме конвейерных погрузчиков, на строительстве больших плотин за рубежом широкое применение нашли также и одноковшовые погрузчики (рис. 8-19), которые выпускаются больше па пневмоколесном ходу, чем на гусеничном. Такими погрузчиками с ковшами 11,5 м3 производилась разработка валунной глины для отсыпки ядра и аллювия для боковых призм плотины Майка, где погрузчики работали в комплексе с землевозами грузоподъемностью 110 т. На строительстве было занято 65 таких землевозов. При расстоянии до карьера 14,4 км продолжительность рабочего цикла землевоза составляла 54 мин.
Рис. 8-19. Погрузка грунта ковшовым погрузчиком 11,5 м3 в автосамосвал.
По климатическим условиям работы на строительстве плотины Майка велись только летом (апрель—ноябрь) в две 9,5-часовых смены по 6 рабочих дней в неделю. Такая механизация работ позволила уложить в плотину в 1969 г. 7650 тыс. м3, в 1970 г. — 9200 тыс. м3 при средней производительности отсыпки в сутки 68 тыс. м3, в месяц—1530 тыс. м3. Плотина объемом 32,2 млн. м3 была возведена за 4 года.
По сравнению с экскаваторами одноковшовые погрузчики на пневмоколесном ходу имеют следующие преимущества: высокую мобильность и маневренность, экономичность, универсальность и транспортабельность, меньшую металлоемкость, а также возможность совмещения экскаваторно-транспортных операций. Масса экскаватора на 1 м3 емкости ковша равна примерно 30,0 т, а одноковшовых погрузчиков на гусеничном ходу,— около 10,5 т на пневмоходу — 7,0 т.
Технико-экономическое сравнение показателей погрузчиков и экскаваторов на погрузке в горных карьерах в районах Крайнего Севера приводится ниже.
Карьеры одного связного грунта несколько повышенной влажности хорошо разрабатываются скреперами. На рис. 8-20 по-· казана разработка суглинка экскаватором ЭКГ-4,6 и самоходным скрепером Д-392 с ковшом емкостью 15 м3. При дальности транспортирования грунта до 1,5 км скреперная разработка обходится дешевле экскаваторной. Скреперная разработка позволяет совместить разработку грунта, его транспортирование на плотину и разравнивание на карте отсыпки. При скреперной разработке хорошо осуществляется подсушивание, культивация и рыхление грунта, когда требуется удаление из него валунов тракторными граблями (плотины Кенни и Черри-Вэлли). Скреперы имеют преимущества перед другими землеройными машинами в тех случаях, когда, например, грунт из выемки котлованов направляют непосредственно в полезную насыпь и когда расстояния перемещения грунта небольшие.
Рис. 8-20. Экскаватор ЭКГ-4,6 на погрузке грунта в карьере (а) и самоходный скрепер Д-392 на разработке грунта (б).
Наиболее широкое применение скреперы нашли в гидротехническом строительстве США. Этому способствовало большое число различных моделей скреперов, предназначенных для разных условий работы. Изготовляются прицепные одно- и двухосные скреперы, самоходные с ведущими задними колесами скреперы с принудительной загрузкой грунта и пр. Колесные скреперы снабжаются баллонами низкого давления (0,2—0,3 МПа). При установке двойных шин давление на грунт для некоторых типов скреперов доведено до 0,03—0,04 МПа. Ряд фирм выпускает быстроходные скреперы, которые успешно используются для перемещения грунта на большие расстояния. Скорость движения таких загруженных скреперов достигает 50 км/ч и более.
Несмотря на то что максимальное расстояние транспортирования грунта, при котором выгодно использовать скреперы, 1,2—1,5 км для самоходных и 0,4—0,6 км для прицепных, в ряде случаев они используются для перемещения грунта на гораздо большие расстояния. Сцепы из двух скреперов с ковшами 30,5 м3, у которых все колеса ведущие и приводятся в действие электродвигателями, были использованы на строительстве плотины Глендола для перемещения 1150 тыс. м3 песчаногравелистого грунта. Мощные высокопроизводительные скреперы успешно использовались также на строительстве плотины Навахо.
Наиболее совершенными являются модели самоходных скреперов с принудительной элеваторной их загрузкой, что исключает необходимость в специальных толчках. Такие скреперы оборудованы элеваторными погрузчиками производительностью до 960 м3/ч, смонтированными в передней части ковша емкостью 16—18 м3. В грузовом направлении такие скреперы развивают скорость до 43 км/ч, а время их разгрузки составляет 30 с.
