Каменно-земляные плотины - Обогащение грунтов и камня

Опыт обогащения карьерных грунтов при строительстве ряда каменно-земляных плотин свидетельствует о том, что оно позволяет рационально использовать карьерные грунты, которые без этого считались непригодными для возведения плотины. Обогащение, т. е. сортировка карьерных грунтов и дробление камня, используемых для отсыпки в различных зонах плотин, позволяет также использовать грунты и камень из ближайших карьеров независимо от их качества. Такое обогащение, по американским данным, обходится около 0,2 долл/м³. Стоимость же транспортирования 1 м³ грунта на расстояние 1 км обходится в среднем 0,1 долл. Поэтому дробление и сортировка могут быть оправданы при использовании карьеров, расположенных на расстоянии более 2,0 км (для отечественных условий эти соотношения будут несколько иными).
Обогащение грунтов позволяет регулировать их гранулометрический состав, что положительно сказывается на качестве насыпи. Эффективность обогащения грунтов и камня определяется проектом с учетом транспортных расходов для различных вариантов зонирования грунта в профиле плотины. Ниже приводятся примеры обогащения грунтов и камня, используемых в плотинах.

Плотина Абикью высотой 106,0 м и объемом 9000 тыс. м³ построена в 1962 г. Технические условия на возведение этой плотины требовали следующего состава для различных зон плотины:

Зона плотины	Объем грунта, тыс. м3	Характеристика грунта
		Максимальная крупность, мм	Содержание фракций мельче 0,07 мм, %
Ядро ...	1070	102	40
Переходная зона	690	152	8
Наброска	7100	152	—

Грунт предварительно обогащался в карьере при погрузке на конвейер, которым он доставлялся к плотине, и окончательно на дробильно-сортировочном заводе — в конце конвейера, перед подачей грунта на плотину. 

Перед погрузкой на конвейер отделялся камень крупнее 152 мм, для чего были установлены два вибрационных грохота. Из приемного бункера на грохота грунт подавался двумя пластинчатыми питателями. Здесь было отсортировано около 14% материала, использованного в насыпи плотины.
Плотина Раунд Бютт высотой 134,0 м построена полностью из обогащенных материалов. В боковые призмы объемом 5100 тыс. м³ допускался камень по условиям уплотнения укаткой крупностью не больше 612 мм с содержанием мелочи (до 19 мм) не более 15%. Так как карьерный камень содержал мелочи 35%, то для удаления избытка ее была смонтирована сортировочная установка производительностью 2300 м³/ч. Для получения 516 тыс. м³ щебня для фильтров и 61 тыс. м³ заполнителей для бетона была построена дробильная установка производительностью 190 м³/ч.
Камень, доставляемый из карьера 36-тонными автосамосвалами, поступал в три приемных бункера сортировочной установки. Под каждым из них был установлен питатель с решеткой размером 1219X355 мм. Камень крупнее 89 мм отделялся на колосниковом грохоте и поступал в два бункера, а более мелкий проваливался через решетку грохота на конвейер, которым он направлялся к сортировочной башне, оборудованной двумя грохотами 2100X1870 мм. После рассортировки щебень крупностью 12,7—89 мм направлялся конвейером обратно в приемный бункер, а мелочь крупностью до 12,7 мм поступала на склад для отсыпки в ядро плотины. Стоимость обогащенного грунта для ядра составляла 1,56 долл/м³, а камня для тела плотины 0,62 долл/м³.
Каменно-земляная плотина Блу-Ривер высотой 91,5 м расположена в узком и глубоком ущелье; крутые, а местами отвесные склоны создали большие трудности в строительстве подъездных дорог и подготовке котлована под водосброс и плотину. В плотину было уложено 3800 тыс. м³ грунта и камня, в том числе: 250 грунта в ядро, 3060 песчано-гравелистого с булыжником в тело и 490 тыс. м³ рваного камня в пригрузке откосов.
Аллювиальные грунты для плотины разрабатывались в карьере, расположенном в зоне водохранилища. Грунт, расположенный выше уровня грунтовых вод, разрабатывался погрузчиком с ковшом емкостью 7,65 м³, который работал совместно с рыхлителем на тракторе. Рыхлителем отбирали крупные валуны, а погрузчик грузил грунт в автосамосвалы грузоподъемностью 32 т. На разработке грунта ниже уровня грунтовых вод работал драглайн 6,1 м³, который грузил грунт на 108-тонные землевозы.
Весь добываемый в карьере грунт проходил рассортировку на обогатительной установке. Грунт из приемного бункера поступал на два неподвижных колосниковых грохота, где отсортировывались валуны крупнее 355 мм, после чего они поступали в соответствующую зону плотины. Грунт, прошедший колосниковые грохоты, поступал на два вибрационных питателя, заканчивающиеся колосниковыми грохотами с просветами 350 мм. После дробления грунт разделялся на два потока. В каждом потоке был установлен грохот размером 1,8X4,3 м, который отделял валуны крупностью более 100 мм. Последний поступал в перегрузочный бункер для загрузки автосамосвалов. Валуны и галька мельче 100 мм, прошедшие грохот, подавались на второй грохот, где производилась мокрая сортировка, а фракции 5—100 мм направлялись в погрузочный бункер или на промежуточный склад. Фракции мельче 5 мм поступали в отделение обогащения песка, в котором смонтированы два гидравлических и два двухспиральных классификатора 1,1X9,8 м для обезвоживания песка. Песок подавался в перегрузочный бункер или на промежуточный склад.
Для выпуска 765 м³/ч промытого материала на обогатительной установке расходовалось 19 м³/ч воды. Средняя производительность обогатительной установки, работавшей в две смены, 2200 м³/сут. Третья смена использовалась для выполнения ремонтных работ. Такая установка выпускала 40% валунного камня, 40% гравия и 20% песка. Отходы составили менее 5% карьерного грунта.
Плотина Мангла возведена из аллювиальных сортированных и промытых грунтов. В карьерном грунте содержалось около 20% пыли, мало песка и мелкого гравия. Из такого грунта можно было получить 12% гравия крупностью 38 мм. Поэтому для обеспечения строительства грунтом для отсыпки плотины и заполнителями для бетона была смонтирована обогатительная установка производительностью 6 млн. т/год при двухсменной 9-часовой работе.
Грунт в карьере разрабатывался двумя экскаваторами с ковшами по 6,1 м³ с погрузкой в автоприцепы емкостью 30,6 м³ и доставлялся к четырем приемным бункерам обогатительной установки.
Для ядра Нурекской плотины используются щебенисто-супесчаные грунты, беспорядочно залегающие в карьере. Карьерные грунты по своему гранулометрическому составу могут быть разделены на четыре разновидности (см. рис. 5-8), из которых только грунт зоны А пригоден для ядра, а из грунтов зоны Б требуется удаление избыточных крупных фракций, а грунты зон В и Г подлежали обогащению недостающими крупными фракциями.
По условиям образования месторождения карьера его грунты чрезвычайно разнообразны по залеганию как в плане, так и по высоте, за исключением грунтов зон В и Г, относящихся к покровным и залегающих в поверхностной зоне карьера. Грунты в карьере имеют неоднородную и недостаточную влажность — от 6 до 14%. Такие грунты по их влажности, составу и условиям залегания нельзя разрабатывать с прямой их подачей в ядро. Разведанные запасы с учетом удаления камня крупнее 200 мм (объемом 217 тыс. м³ — 3%) и уплотнения грунта в насыпи ядра (всего 9240 тыс. м³) определены по отдельным видам: грунт зоны А — 2940 тыс. м³, или 32%; Б — 3270 тыс. м³, или 35%; В — 2040 тыс. м³, или 22%, Г — 990 тыс. м³, или 11%.
В карьере преобладают крупнообломочные (зоны А и Б) грунты, почти 70%, над мелкозернистыми (зоны В и Г), около 30%, а по запасам они покрывают потребности насыпи ядра 8000 тыс. м³.
При проведении исследований грунтов произведены следующие опытные работы:
разработка грунта в карьере экскаватором ЭКГ-4,6; замачивание грунта в карьере;
опытные насыпи из различных грунтов с применением разных методов их уплотнения и доувлажнения.
На основе этих исследований с переработкой для этого около 40 тыс. м³ карьерного грунта была установлена следующая проектная технология заготовки и приготовления грунта для насыпи ядра.
Разработка грунта в карьере производилась экскаваторами ЭКГ-4,6 с погрузкой через подвижную наклонную решетку (рис. 8-21) в автосамосвалы БЕЛАЗ-540, для чего пришлось удлинить стрелу экскаватора и навесить ковш емкостью 4 м³. На этой решетке, габариты которой позволяют устанавливать под ней автосамосвалы БЕЛАЗ-540, отделяется камень крупнее 200 мм, который затем удаляется бульдозерами.
Для доувлажнения и дополнительного смешения грунт пионерным способом отсыпается слоями 1,0—1,5 м в резервные отвалы, где и происходит его доувлажнение.
Из таких резервов грунт срабатывается экскаватором ЭКГ-4,6 в забое до 15 м и подается на карту отсыпки автосамосвалами.

Рис. 8-21. Погрузка грунта в карьере экскаватором ЭКГ-4,6 с удлиненной стрелой через наклонную решетку в автосамосвалы БЕЛАЗ-540 на строительстве Нурекской плотины.

Такая достаточно сложная технология разработки и заготовки грунта для ядра Нурекской плотины продиктована характером карьерного грунта. Однако она не обеспечивала требуемой производительности возведения насыпи ядра Нурекской плотины, поэтому она на первом этапе строительства была изменена (см. § 10-6).
На строительстве плотины Оровилл весь грунт объемом 45 900 тыс. м³ был пропущен через грохот 1, чтобы отделить камни крупнее 380 мм. На разгрузочной станции 2 (рис. 8-22). куда грунт из карьеров подавался в 100-тонных вагонах-гондолах, находилось шесть вибропитателей, подающих грунт через собирательный конвейер шириной 244 см на магистральный 3 шириной 183 см и длиной 425 м на правый берег. 

Далее через перегрузочный узел 4 грунт по конвейеру 5 шириной 244 см и длиной 700 м подавался на штебелеукладчик на железнодорожном ходу 6, который раскладывал грунт по сортам в соответствующие отсеки склада 7 длиной 430 м. Дозировка различных категорий грунта производилась на ленте конвейера шириной 183 см и длиной 600 м в подштабельной галерее 8. Здесь автоматическая система контролировала влажность грунта, идущего на плотину, и поддерживала ее в заданных пределах. Из-под штабельной галереи через 42 затвора-питателя грунт попадал на передаточный конвейер 9 шириной 183 см и длиной 91,5 м, который подавал его на четыре распределительных конвейера 10, загружаемых грунт в перегрузочные (на пневмоколесах) бункера 11 по 907 т. Из бункеров через пневмоуправляемые течки грунт выдавался одновременно в два 90-тонных землевоза с донной разгрузкой, которые и Доставляли его на карту отсыпки. По мере роста плотины перегрузочные бункера передвигались по склону.
Таким образом, на складе грунта были сосредоточены функции не только перегрузки с одного вида транспорта на другой, но и подготовки (дозировка и доувлажнение) грунта для его укладки в плотину. Проектные проработки, направленные к отказу от такой перегрузки, пока удовлетворительных результатов, не дали. Очевидно со временем, с появлением новых механизмов непрерывно-поточная схема выполнения работ из забоя в карьере может быть доведена до карты отсыпки.
На строительстве плотины Кугар из грунта, идущего в ядро, требовалось удалить камни и валуны крупнее 152 мм. Для этих целей в карьере был смонтирован неподвижный колосниковый грохот, на который подавался грунт экскаватором. Отсортированный камень использовали для боковых призм плотины. При такой схеме обогащения грунта его повышенная карьерная влажность снижалась до требуемых проектом пределов. Однако в дождливую погоду отсыпку ядра приходилось прекращать.

Из приведенных примеров обогащения и подготовки карьерных грунтов можно сделать следующие выводы:
а)  при обогащении грунта и камня за счет сортировки могут быть использованы карьеры вблизи плотины с неблагоприятным составом грунта;
б)  обогащением грунта достигается стабильность его состава и влажность, приближающаяся к оптимальной, это позволяет выдержать требования проекта и обеспечить высокое качество возводимой насыпи;
в)  в зависимости от состава карьерного грунта, его влажности и назначения в плотине обогащение грунта можно производить при погрузке грунта в карьере через наклонную решетку, приемный бункер-питатель, посредством конвейерного погрузчика с навесным грохотом, на отвале за счет сегрегации и на промежуточном складе. Задачи обогащения грунтов требуют при своем решении тщательного технико-экономического обоснования.