Безнапорный гидротранспорт

Безнапорный гидротранспорт применяется в гидромеханизации и строительстве только там, где позволяет рельеф местности и может производиться как по искусственным руслам, так и по специальным лоткам, желобам, не полностью заполненным трубам и т.д.. Процесс безнапорного гидротранспортирования аналогичен по сути естественному природному процессу перемещения частиц твердого речными потоками. При определенной скорости жидкости частицы твердого страгиваются и затем начинают перемещаться по дну русла. Скорость жидкости определяется геометрией русла – его геометрическим уклоном (углом лотка или русла относительно горизонта).

Турбулентный поток способен удерживать частицы грунта во взвешенном состоянии и транспортировать их на значительное расстояние, несмотря на то, что удельный вес этих частиц в 2— 3 раза превышает удельный вес воды.

Как известно в гидравлике, различают два режима движения потока: ламинарный и турбулентный. Наличие того или иного режима определяется числом Рейнольдса. Турбулентный режим движения для открытого потока устанавливается при значении Re  580. Т.е. критическим числом Рейнольдса для открытого потока является Re_кр=580.

В настоящее время можно считать общепризнанным, что процесс взвешивания и переноса потоком твердых частиц обуславливается наличием донных вихрей, образующихся вследствие взаимодействия потока с руслом. Первое научное обоснование в этом направлении дано проф. Н. Е. Жуковским, который установил, что свойство взвешивания наносов присуще только турбулентным потокам, где твердые частицы грунта поднимаются под действием сил, образуемых вихрями, при взаимодействии потока с руслом. Н. Е. Жуковский считал, что частицы поднимаются со дна в том случае, когда направленные вверх скорости становятся больше гидравлической крупности этих частиц.

Образования вихрей при турбулентном движении потока создают явление пульсации жидкости. Проф. В. Н. Гончаров объясняет это явление так: «... в результате передачи от потока на стенку касательных напряжений внешних сил на стенке возникает турбулентное возмущение, распространяющееся на толщу потока и тормозящее его».

Восходящим потоком противостоят нисходящие. Взвеси грунта стабильно транспортируются потому, что восходящая скорость значительно превышает нисходящую. Частицы подхватываются срывающимся со дна вихрем и быстро поднимаются вверх до некоторой высоты, после чего начинают медленно опускаться, пока их но подхватит следующий рывок вихря.

Доктором техн. наук П. В. Михеевым был дан теоретический вывод вертикальной составляющей скорости потока у дна. Полученная в результате этого вывода формула имеет вид:

,м/с

где: _ср – средняя скорость потока, м/с;

R – гидравлический радиус потока, м;

I – геометрический уклон.

Расчет безнапорного гидротранспорта

При расчете безнапорного транспорта необходимо назначать такие скорости движения пульпы, при которых большая часть твердых частиц находилась бы во взвешенном состоянии.

В таблице 9 приведены средние скорости, при которых начинается перемещение твердых частиц различной крупности в потоке глубиной до 0,5м при условии, что поток не насыщен наносами [2].

Таблица 9.

Значения скорости, необходимой для перемещения отдельных частиц грунта

Грунт		крупность частиц грунта, мм	Скорость, м/с
Пылеватый и илистый		0,0050,05	0,10,18
Глина и суглинок		0.0050,05	0,250,35
	мелкий	0,050,25	0,180,3
Песок	средний	0,251	0,30,45
	крупный	12,5	0,450,5
Гравий	мелкий	2,510	0,550,8
	крупный	1015	0,81,2
Галька:	мелкая	1540	1,21,5
	крупная	4075	1,52
Булыжник:	средний	75150	22,8
	крупный	150200	2,83,2

Расчет безнапорного гидротранспорта необходим для определения требуемых размеров поперечного сечения, уклона лотка или канала при заданных расходах потока пульпы или критической скорости потока для транспортирования грунта заданного состава при известных размерах лотка или канала.

Для приближенного расчета лотков при транспортировании пульпы А. М. Царевский рекомендует площадь живого сечения потока в лотке принять при условии, что эта площадь равновелика площади круга диаметром, равным 0,8b. Исходя из этого условия А. М. Царевский для приближенного расчета лотков предлагает пользоваться данными таблицы 10.

Используя данные таблицы, при известном расходе пульпы Q_п и в зависимости от характера грунта подбирают скорость движения пульпы и назначают размеры лотка. Гидравлический уклон лотка (удельные потери) можно определить по формуле А. М. Царевского [2]:

, м/м

где: Q_п – расход пульпы в м³/сек;

Р – процентное содержание твердого в пульпе по весу;

R– гидравлический радиус, м;

А – коэффициент, характеризующий гранулометрический состав твердого в пульпе:

для пульпы, состоящей из глинистых и суглинистых грунтов – 1,84;

для пульпы, содержащей супеси и пески – 2;

для пульпы, содержащей крупные пески с небольшим процентом гравия – 3;

для пульпы, содержащей гравелистые породы – 35.

Таблица 10.

Приближенный расчет лотков (по А. М. Царевскому)

Ширина лотка по дну при b=2h, м	Наполнение h=b/2, м	Транспортируемый грунт
		глина и суглинок, не дающие при разработке комков		супесок и песок мелкий и средний		песок крупный с небольшим количеством гравия '
		ср м/с	Qп м^3/с	ср м/с	Qп м^3/с	ср м/с	Qп м^3/с
0,31	0,155	1,7	0,082	2	0,1	2,5	0,12
0,38	0,19	1,8	0,13	2,1	0,15	2,8	0,2
0,44	0,22	2,1	0,204	2,2	0,213	3	0,29
0,5	0,25	2,2	0,275	2,4	0,3	3,3	0,41
0,62	0,31	2,5	0,49	2,9	0,557	3,9	0,749
0,75	0,375	2,7	0,76	3,2	0,9	4,2	1,18