СПОСОБ ДНОУГЛУБЛЕНИЯ В СКАЛЬНОМ ГРУНТЕ Российский патент 1998 года по МПК E02B3/02 E02B3/04 

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при производстве буровзрывных работ в скальном и полускальном грунтах с последующим углублением дна акватории и каналов, сопровождающимся формированием откосов с повышенной волногасящей способностью.

Известен способ разрыхления скального грунта при углублении дна водоемов с помощью плавучих скалодробильных снарядов, оснащенных пневматическими молотами, каждый из которых снабжен долотом (см.[1], с. 58-61, рис. 26-28).

При осуществлении данного способа молот опускают настолько, чтобы долото уперлось своим острием в скальный грунт на дне водоема, после чего пуском воздуха молот включают в работу. От удара молота по долоту скальный грунт разрушается. Дробление скального грунта производят ниже отметки проектного дна с запасом на неровность выработки. Затем молот переставляют на новое место. После окончания разрыхления скального грунта на одном участке скалодробильный снаряд далее последовательно переставляют на следующие участки, на которых процесс разрыхления скального грунта выполняют аналогичным образом (см. [1] с. 153-156, рис. 94).

Удаление разрыхленного скального грунта производят плавучими многочерпаковыми или штанговым снарядами, а также грейферными снарядами (см. [1], с. 156-158, рис.95).

Недостатком данного способа является то, что при его применении из-за постепенного возрастания сил трения по контакту между наружной поверхностью долота и разрыхляемым скальным грунтом по мере погружения долота в его толщу затруднено проникновение долота в разрушаемую толщу скального грунта на сколько-нибудь значительную глубину. Кроме того, работа плавучих скалодробильных снарядов полностью исключается в зоне переменного уровня воды и выше этого уровня, где требуются уже другие механизмы для разрыхления скального грунта.

Известен также традиционный способ дноуглубительных работ, используемый при создании в скальных грунтах акваторий с глубинами, отвечающими требованиям судоходства, который включает разрушение скального грунта буровзрывным методом в пределах проектного профиля с последующим удалением разрыхленного скального грунта, например, с помощью плавучих многочерпаковых снарядов, подающих его в шаланды для дальнейшей транспортировки в подводный отвал ([2] , с. 11-14, 53-57, принято за прототип).

Недостатком способа-прототипа, как и других известных способов производства дноуглубительных работ в скальных грунтах, является то, что после дноуглубления, как правило, необходимо решать задачу по обеспечению требуемого волнового режима на акватории, так как дно и берега такой акватории являются идеальной отражающей поверхностью из-за высокой плотности скального грунта. При больших высотах волн в месте создания искусственной акватории для обеспечения допустимого волнового режима на ней требуется возведение эффективных и, как правило, дорогостоящих искусственных гидротехнических сооружений.

Кроме того, нельзя считать рациональной транспортировку разрыхленного скального грунта, извлеченного при дноуглублении, в подводный отвал, где этот грунт уже никаким образом не может быть использован в практических целях.

Задачей изобретения является разработка экономичного способа дноуглубления в скальном грунте, когда в ходе дноуглубления на участках, где требуется осуществить интенсивное гашение энергии воды, автоматически создаются откосы заданного профиля, обладающие повышенной волногасящей способностью.

Для решения указанной задачи, в известном способе дноуглубления в скальном грунте, включающем разрыхление буровзрывным методом скального грунта откосов по периметру акватории и дна самой акватории на проектную глубину с последующим удалением разрыхленного скального грунта, согласно изобретению при производстве буровзрывных работ дополнительно в полосе, охватывающей откосы и примыкающие к ним территорию и дно акватории, за пределами проектного профиля на откосах разрыхляют слой переменной толщины по высоте откосов и постоянной толщины на дне акватории, после чего удаляют весь грунт, находящийся в пределах проектного профиля. При этом на откосах разрыхляют слой, имеющий перпендикулярно линии откоса, в точке, отвечающей основанию откоса, толщину Т, которая не должна быть менее высоты h расчетной волны на подходе к откосу, и в точке пересечения расчетного горизонта воды в акватории с линией откоса - 5Т, а на дне акватории разрыхляют слой, имеющий толщину Т.

Далее извлеченный при дноуглублении разрыхленный скальный грунт отсыпают слоем по площади дна на большей глубине и/или из этого грунта возводят сооружение, предназначенное для гашения энергии волн и течений, например, подводный волнолом.

При определении толщины слоя разрыхленного скального грунта, расположенного за пределами проектного профиля на дне акватории и на откосах, необходимо руководствоваться следующими соображениями.

Из рассмотрения поперечных сечений оградительных сооружений откосного профиля можно установить, что толщина Т каменной наброски, образующей берму, которая расположена с морской стороны сооружения, равна высоте h расчетной волны на подходе к откосу или несколько превышает ее (см. [3], с. 293-296, рис. 13.1.д).

При реализации предлагаемого способа дноуглубления в скальном грунте, по аналогии с указанным примером выполнения поперечного сечения оградительного сооружения толщина Т слоя разрыхленного скального грунта, расположенного на участке примыкания к откосу дна акватории, также не должна быть менее высоты h расчетной волны на подходе к откосу.

Такую же толщину Т должен иметь слой разрыхленного скального грунта в точке, отвечающей основанию откоса; при этом толщина Т измеряется в направлении, перпендикулярном линии откоса.

Для определения необходимой толщины слой разрыхленного скального грунта, изменяющейся по высоте откоса, были проанализированы данные о взаимодействии волн с откосами, причем особое внимание было уделено вопросу распределения волновых давлений по высоте откосов.

Характер очертания эпюры волнового давления при разрушении нерегулярных волн на откосах, укрепленных плитами, свидетельствует о том, что волновые давления по высоте откосов меняются от наименьшей величины в нижней части откоса до наибольшей величины в точке, расположенной вблизи от точки пересечения линии откоса с горизонтом воды, причем наибольшая величина волнового давления примерно в пять раз превышает наименьшую его величину (см. [4], с. 302-304, рис. 9.5).

На основании приведенных данных принято, что слой разрыхленного скального грунта в точке пересечения линии откоса с горизонтом воды должен иметь толщину 5Т. При этом слой разрыхленного скального грунта будет иметь переменную толщину по высоте откосов, изменение которой может следовать, например, линейному закону.

Слой разрыхленного скального грунта переменной толщины на откосах способствует выравниванию ординат эпюры волнового давления по высоте откосов и уменьшению самих ординат этой эпюры.

Таким образом, благодаря наличию слоя разрыхленного скального грунта, оставляемого на откосах после дноуглубления, они приобретают повышенные волногасящие свойства.

Известен способ возведения берегозащитного гидротехнического сооружения откосного типа, который включает уполаживание естественного берегового откоса путем его срезки с последующим выполнением крепления основания откоса из каменной наброски (см. [3], с. 573-577, рис. 24.2.а).

Недостатком этого способа является необходимость доставки камня на место возведения крепления основания откоса, что требует больших дополнительных затрат.

В предлагаемом способе дноуглубления откосы берегозащитных сооружений формируются в процессе производства комплекса буровзрывных и дноуглубительных работ. При этом после завершения указанных работ не потребуется уполаживания откосов, так как их поверхностный слой будет состоять из разрыхленного на месте скального грунта, обладающего большой зацепляющей способностью (см. [3], с. 320-323). Таким образом, предлагаемый способ производства работ оказывается более экономичным по сравнению с известным способом.

Кроме того, в случае реализации заявляемого способа при дноуглублении акватории порта значительная крутизна откосов берегозащитных сооружений, образуемых по периметру акватории, обеспечивает без дополнительных затрат заданную площадь ее на проектной глубине, которая определяется исходя из требований судоходства.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать ввод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизна" и "промышленная применимость".

Технико-экономические преимущества предлагаемого изобретения заключаются в следующем.

Дополнительное разрыхление толщи грунта вглубь, за пределами проектного профиля, в полосе, охватывающей откосы и примыкающие к ним территорию и дно акватории, позволяет после окончания дноуглубительных работ сохранить слой разрыхленного скального грунта, покрывающий откосы, а также дно акватории, и обладающий большой пустотностью и значительной шероховатостью своей поверхности. В разрыхленном скальном грунте коэффициент разрыхления, характеризующий степень увеличения объема взорванного грунта, возрастает до величины, равной 1,5 ([5], с. 202).

Пустотность (пористость) и коэффициент пустотности (пористости) разрыхленного скального грунта, отвечающие указанной величине коэффициента разрыхления, приобретут соответственно значения 0,33 и 0,5. При формировании откосов, производимом в соответствии с заявляемым изобретением, не требуется применения привозных строительных материалов и конструктивных элементов, вследствие чего значительно снижается стоимость строительства.

Помимо этого извлекаемый при дноуглубительных работах разрыхленный скальный грунт используется для отсыпки на больших глубинах; при этом оптимальным решением будет установление "нулевого баланса", когда объем выемки равен объему отсыпки.

Достигаемая в результате реализации предлагаемого способа дноуглубления в скальном грунте повышенная пустотность слоя разрыхленного скального грунта, покрывающего откосы и дно акватории, а также увеличенная шероховатость поверхности этого слоя повышают эффективность гашения энергии волнения и течений. При этом улучшаются условия судоходства на подходах к порту и на его акватории, условия стоянки судов в порту, а также условия эксплуатации портовых гидротехнических сооружений: оградительных, причальных и берегоукрепительных.

В судоходных каналах неполного и полного профиля, в ирригационных и других каналах снижаются скорости течения воды, что облегчает условия эксплуатации этих каналов и расположенных на них устройств.

Кроме того, на откосах судоходных каналов, выполненных предлагаемым способом, происходит гашение энергии судовых волн, возникающих при прохождении судов по каналам.

Существенным отличием предлагаемого способа дноуглубления в скальном грунте по сравнению с известным способом является то, что при реализации указанного способа автоматически производится формирование откосов заданного профиля, обладающих повышенной волногасящей способностью.

Внедрение предлагаемого способа на практике не представляет значительных трудностей.

Он может быть осуществлен с использованием известных технических средств. Кроме того, при этом не требуется применения искусственных строительных материалов.

Реализация заявляемого способа дноуглубления в скальном грунте показана на примере строительства порта.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, где на фиг.1 представлены результаты дноуглубительных работ, выполненных предлагаемым способом (план); на фиг.2 - естественная поверхность грунта до начала работ (разрез А-А); на фиг. 3 - поверхность откоса и дна акватории после разрыхления грунта буровзрывным методом за пределами проектного профиля (разрез А-А); на фиг.4 - поверхность грунта после завершения работ, когда часть разрыхленного грунта, извлеченного в объеме, ограниченном проектным профилем, отсыпана слоем по площади дна на большей глубине и из этого грунта возведен подводный волнолом (разрез А-А); на фиг.5 - поперечный разрез подходного судоходного канала неполного профиля, выполненного предлагаемым способом (разрез Б-Б); на фиг.6 - поперечный разрез канала полного профиля, выполненный тем же способом.

Строящийся порт имеет подходной судоходный канал 1 неполного профиля. Акватория порта 2 ограничена сходящимися молами 3, между головами которых находятся ворота порта. Для приема судов 4 в порту предусмотрен внутренний бассейн 5, по периметру которого расположены причалы 6.

Осуществляется предлагаемый способ дноуглубления в скальном грунте при строительстве порта в такой последовательности:
Предварительно с учетом необходимости улучшения волнового режима и удовлетворения условий безопасности судоходства на подходном судоходном канале 1 и на акватории 2 расчетным путем устанавливают их проектный профиль 7 с глубинами: на подходном судоходном канале 1 H_к, при его протяженности L_к и на акватории 2 H_а, при ее протяженности L_а, причем, исходя из требований судоходства, предусматривается, что глубина H_к всегда превышает глубину H_а.

Для разрыхления скального грунта буровзрывным методом первоначально производят бурение шпуров или скважин и закладку в них зарядов на тех участках, где естественная поверхность дна 8 расположена выше проектного профиля 7 сооружения (проектный профиль 7 показан на разрезе А-А фиг.2 и фиг.3 штриховой линией).

Бурение шпуров и скважин и закладку в них зарядов производят в полосе, охватывающей возводимое сооружение и примыкающие к его откосам 9 территорию 10 и дно 8 акватории 2, а также вдоль трассы подходного судоходного канала 1. Эти работы ведут в толще скального грунта, простирающейся вглубь за пределами проектного профиля 7, причем мощность указанной толщи в зоне расположения откосов 9 сооружения, на которых гасится большая часть энергии волн, должна превышать мощность этой толщи в границах площади дна 8.

Требуемая средняя крупность рваного камня, получаемого путем разрыхления скального грунта буровзрывным методом, и зависящая от этого пустотность разрыхленного грунта, достигаются варьированием расстояний в плане между шурфами или скважинами и мощностей, закладываемых в них зарядов.

Работы по разрыхлению скального грунта производят последовательно на отдельных участках захватками.

Буровые работы выполняют с плавучих средств, для чего используют, например, суда катамаранного типа. Буровые работы могут также вестись и со льда.

После завершения монтажа взрывной сети на подготовленном участке производят разрыхление скального грунта взрывным методом. Затем аналогичные буровзрывные работы выполняют на следующем участке.

При производстве подводных взрывных работ должны быть соблюдены мероприятия по предохранению окружающей водной среды от вредного воздействия взрывов и, в первую очередь, по защите ихтиофауны водоема. Для достижения указанной цели может быть применена воздушно-пузырьковая завеса, образуемая по контуру каждого участка, где намечено произвести разрыхление скального грунта буровзрывным методом. Воздушно-пузырьковая завеса создается компрессором через систему перфорированных труб или шлангов, укладываемых на дно вдоль откоса 9 либо кольцом вокруг заряда или группы зарядов. Далее удаляют слой 11 разрыхленного скального грунта, который находится выше проектного профиля 7. Оставшийся на месте произведенных буровзрывных работ слой 12 разрыхленного скального грунта располагается по глубине в пределах от проектного профиля 7 до своей нижней границы 13.

На откосах 9, окаймляющих акваторию (см. фиг. 1, 2, 4), а также на откосах 9 каналов полного профиля (см. фиг.6) необходимая толщина слоя 12 разрыхленного скального грунта, измеряемая перпендикулярно линии откоса 9, меняется по закону прямой линии от величины Т - в точке, отвечающей основанию откоса, до величины 5Т - в точке пересечения расчетного горизонта воды в акватории 2 с линией откоса 9. На дне акватории 2 слой 12 разрыхленного скального грунта должен иметь толщину Т.

На откосах 9 каналов 1 неполного профиля (см. фиг.1, 5) необходимая толщина слоя 12 разрыхленного скального грунта устанавливается следующим образом.

Сначала в точке, отвечающей основанию откоса 9, перпендикулярно линии откоса 9 откладывается ордината Т.

Далее в точке пересечения расчетного горизонта воды в акватории 2 с продолжением линии откоса 9 перпендикулярно линии откоса 9 откладывается ордината 5Т.

Затем вершины обеих ординат соединяются прямой линией, позволяющей определить необходимую толщину слоя 12 разрыхленного скального грунта, по высоте откоса 9.

Во всех случаях необходимая толщина Т слоя 12 разрыхленного скального грунта не должна быть менее высоты h расчетной волны на подходе к откосу 9. В случае необходимости значение величины Т может быть уточнено на основании результатов экспериментальных исследований взаимодействия расчетных волн с откосами 9.

Слой 12 разрыхленного скального грунта, покрывающий откосы 9, обладает большой пористостью, а его поверхность имеет значительную шероховатость. В этих условиях откосы 9 приобретают повышенную волногасящую способность.

Для удаления слоя 11 разрыхленного скального грунта используют, наряду с плавучими многочерпаковыми снарядами, также штанговые и грейферные одночерпаковые снаряды, с помощью которых этим грунтом загружают, например, самоходные шаланды, имеющие раскрывающийся корпус и днище.

Затем извлеченный разрыхленный скальный грунт посредством самоходных шаланд доставляют на участки, расположенные на большей глубине, где отсыпают его слоем 14 по площади дна и/или из этого грунта возводят сооружение, предназначенное для гашения энергии волн и течений, например, подводный волнолом 15. Отсыпки разрыхленного скального грунта во всех случаях производят только до проектного профиля 7.

При строительстве заявляемым способом судоходных каналов 1 полного профиля, ирригационных каналов, а также открытых водоводов гидросиловых установок руководствуются приведенной методикой производства работ. В тех случаях, когда эти работы выполняются насухо, извлечение разрыхленного скального грунта производится обычной карьерной землеройной автогусеничной техникой, а для вывозки разрыхленного скального грунта используются сухопутные транспортные средства.

Гашение волновой энергии на подходах к порту и в пределах его акватории, созданной в скальном грунте с использованием предлагаемого способа дноуглубления, будет происходить следующим образом (см. фиг.1).

На подходах к порту энергия исходных волн, вызванных ветровым волнением, частично гасится благодаря шероховатости дна, покрытого по площади слоем 14 разрыхленного скального грунта, который является продуктом дноуглубления акватории 2 порта и дноуглубления, произведенного по трассе подходного судоходного канала 1. При наличии подводного волнолома 15, отсыпанного также из этого разрыхленного скального грунта, значительная часть волновой энергии гасится в его пределах. Далее часть волновой энергии гасится на откосах 9 подходного судоходного канала 1.

После прохождения ветровых волн через ворота порта происходит дальнейшее гашение энергии волн вследствие расширения акватории, а также и большей шероховатости слоя 12 разрыхленного скального грунта, сохранившегося после произведенного дноуглубления акватории 2.

Основная часть оставшейся волновой энергии гасится на откосах 9 сооружения, осуществляющих берегозащитные функции и выполненных по периметру акватории 2 порта из скального грунта, разрыхленного буровзрывным методом.

Таким образом, гашение волновой энергии в пределах акватории 2 порта происходит в значительной степени на откосах 9 сооружения, благодаря наличию специально разрыхленного скального грунта в их поверхностном слое, и, частично, - в акватории 2, из-за повышенной шероховатости ее дна 8.

Увеличение шероховатости и водопроницаемости откосов 9, обрамляющих акваторию 2 порта, является следствием того, что разрыхленный скальный грунт имеет значительную пустотность по сравнению со скальным грунтом ненарушенной структуры.

Вследствие этого происходит значительное снижение высоты образующихся на акватории 2 отраженных волн.

Уменьшается также волновое давление, действующее на откосы 9 в момент обрушения волны, в результате чего повышается степень их устойчивости.

Кроме того, из-за уменьшения заплеска волн при их накате на откосы 9, уменьшается возможность брызгообразования, а в условии отрицательных температур предотвращается значительное обледенение прилегающей территории 10.

При использовании заявляемого способа дноуглубления в скальном грунте за счет увеличения трения водяного потока о дно акватории 2 и откосы 9 уменьшаются также скорости течений, что благоприятно сказывается на условиях эксплуатации акватории 2 судами 4.

Помимо этого необходимо отметить, что при недостаточной протяженности причального фронта порта для приема судов 4 его увеличение может быть произведено за счет использования откосов 9, расположенных по периметру акватории 2, для строительства новых причалов 6. Вновь возведенные причальные сооружения могут быть выполнены, например, в виде набережных-эстакад на цилиндрических опорах, которые забурены в скальный грунт. При этом в составе причальных сооружений откосы 9 будут служить в качестве подпричальных откосов, наличие которых позволит в целом снизить величину волнового воздействия на сооружения.

В случае применения предлагаемого способа дноуглубления при строительстве судоходных каналов 1 полного профиля, ирригационных и других каналов, благодаря повышенной шероховатости откосов 9 и дна 8 каналов и водоводов удается снизить в них скорости течения воды, а в судоходных каналах 1 полного профиля помимо этого избежать вредного воздействия судовых волн, возникающих при проходе судов 4, на условия эксплуатации каналов 1.

Следует также отметить, что осуществление предлагаемого способа дноуглубления в скальном грунте способствует сохранению природной водной среды.

При этом благодаря значительной пустотности разрыхленного скального грунта в слое 12, расположенном за пределами проектного профиля 7, создаются благоприятные условия для существования гидробионтов.

Использованные источники
1. Горбунов Д.И. Дноуглубление. -М.: Транспорт, 1984, 232 с.

2. Проценко П.В., Прозоров В.В. Технология военно-строительного производства. Часть III. Технология морских гидротехнических работ. -Л.: ЛВВИСКУ 1976, 242 с.

3. Г.Н.Смирнов, Б.Ф.Горюнов, Е.В.Курлович и др. Порты и портовые сооружения. Учеб. для вузов. /Под ред. Г.Н.Смирнова. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Стройиздат, 1993, 639 с.

4. Лаппо Д.Д., Стрекалов С.С. Завьялов В.К. Нагрузки и воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения. Теория. Инженерные методы. Расчеты./Под ред. Д.Д.Лаппо. -Л.: ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 1990, 432 с.

5. Г.В.Железняков, Ю.А.Ибад-заде, П.Л.Иванов и др. Гидротехнические сооружения. /Под общ.ред. В.П.Недриги. -М.: Стройиздат, 1983, 543 с.

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при производстве буровзрывных работ дноуглубления и формирования откосов. Буровзрывным методом разрыхляют слой грунта за пределами проектного профиля в полосе, охватывающей откосы и примыкающие к ним территорию и дно акватории. Разрыхленный слой грунта имеет постоянную толщину на дне и переменную толщину по высоте откосов. Затем удаляют грунт в пределах проектного профиля, отсыпают слоем по площади дна на большей глубине и/или возводят сооружение для гашения энергии волн. Толщина разрыхленного слоя в основании откоса и на дне должна быть не менее высоты расчетной волны на подходе к откосу. Способ дноуглубления позволяет уменьшить высоту волн и волновое давление на откосы, снизить скорость течений. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ дноуглубления в скальном грунте, включающий разрыхление буровзрывным методом скального грунта откосов по периметру акватории и дна самой акватории на проектную глубину с последующим удалением разрыхленного скального грунта, отличающийся тем, что при производстве буровзрывных работ дополнительно в полосе, охватывающей откосы и примыкающие к ним территорию и дно акватории, за пределами проектного профиля на откосах разрыхляют слой грунта переменной толщины по высоте откоса и постоянной толщины на дне акватории, после чего удаляют слой грунта, находящийся в пределах проектного профиля. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на откосах разрыхляют слой, имеющий перпендикулярно линии откоса в точке, отвечающей основанию откоса, толщину Т, которая не должна быть менее высоты h расчетной волны на подходе к откосу, и в точке пересечения расчетного горизонта воды в акватории с линией откоса - толщину 5Т, а на дне акватории разрыхляют слой, имеющий толщину Т. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что извлеченный при дноуглублении разрыхленный скальный грунт отсыпают слоем по площади дна на большей глубине и/или из этого грунта возводят сооружение, предназначенное для гашения энергии волн и течений, например подводный волнолом.