Сутність гідромеханізованого способу виробництва полягає в тому, що ґрунт розробляється, транспортується й укладається за допомогою енергії потоку води. Однак можна виконувати комбінованим способом – розробка ґрунту землерийними машинами, а транспортування і укладка за допомогою води (рис. 4.1).

Рис.4.1. Технологічні схеми виконання земляних робіт способом гідромеханізацією: а - розмивом струминою води (гідромоніторний спосіб); б - засмоктуванням ґрунту з-під води (рефулерний спосіб); 1 - місце вкладання ґрунту; 2 - ріка; 3 - насосна установка; 4 - напірний водовід; 5 - ЛЕП; 6 - гідромонітор; 7 – кар’єр; 8- канава для збору пульпи; 9 - приямок (зумпф); 10 - землесосна установка; 11 - напірний пульповід; 12 - розподільчий пульповід; 13 - скидні колодязі; 14 - земснаряд; 15 - плавучий пульповід; 16 - магістральний пульповід.

Застосування гідромеханізації:

– для розробки ґрунту в котлованах і каналах із транспортуванням його у відвали;

– для розробки ґрунту в кар’єрах з переміщенням і укладанням в профільні насипи;

– для очищення каналів і відстійників від наносів;

– для видобутку піску і гравію в кар’єрах з транспортуванням і складуванням матеріалу на місці.

Основні переваги гідромеханізації:

-            розробка, транспортування й укладання ґрунту в споруду чи відвал виконуються в єдиному технологічному процесі, що значно підвищує продуктивність одного працівника;

-            можливість розробки ґрунту з-під води, що дозволяє ефективно використовувати засоби гідромеханізації при видаленні мулу, поглибленні русел каналів і регулюванні рік-водоприймачів;

-            укладання ґрунту в споруди гідравлічним способом забезпечує високу щільність ґрунту й оптимальну структуру його розкладки в поперечному перерізі споруди.

До недоліків гідромеханізації відносяться: велика потреба у воді (від 4 до 20м³ на 1м³ ґрунту); можливість розробки в основному незв’язних і мало зв’язних ґрунтів; велика енергоємність (на розробку, перекачування й укладання 1м³ ґрунту потрібно від 3 до 8 кВт/год); труднощі застосування в меліоративному будівництві при розосереджених об’ємах робіт.

Способом гідромеханізації виконуються наступні види робіт: розробка ґрунту розмивом струменем води (моніторний спосіб); розмив ґрунту засмоктуванням з-під води (рефулерний спосіб); транспортування ґрунту — самопливне або напірне; укладання ґрунту у відвали й у якісні насипи.

Гідромеханізація застосовується при розробці практично всіх ґрунтів, що зустрічаються в практиці меліоративного і водогосподарського будівництва, за винятком скельних, напівскельних і гравійно-піщаних з великою кількістю кам’яних і валунних включень.

У залежності від способу розробки і питомої витрати води  ґрунти поділяються на групи. Відповідно до норм при рефулерному способі ґрунти підрозділяються на вісім груп, а при моніторному — на шість. До першої групи відносяться легкорозробні ґрунти — дрібнозернисті і пилуваті піски, до останньої групи — глини, гравійно-галькові ґрунти, важкі суглинки.

Суміш ґрунту з водою називається пульпою. Пульпа характеризується об'ємною консистенцією, а також щільністю. Об'ємна консистенція пульпи характеризується відношенням 1м³ ґрунту в стані природної щільності до об’єму води, витраченому на його розробку (у середньому 1:10).

Щільність пульпи можна - визначити за формулою:  (4.1)

де  γ_щ - середня щільність сухого ґрунту, γ_щ=1,4...1,9т/м³;

γ_т - щільність часток ґрунту, γ_т=2,55...2,7т/м³;

γ₀ - щільність води, γ₀= 1т/м³;

q - питома витрата води.

            Гідромонітор – пристрій для формування компактного струменю води і спрямування його в необхідну точку забою (місце розробки ґрунту) під напором 60…120 м і робочим тиском:

-          низьким – до 1,5 МПа;

-          середнім – до 5 МПа;

-          високим > 5МПа.

Гідромонітор характеризується параметрами:

діаметр вхідних отворів 250…500 мм,

витрати води 1500…4500 м³/год.

Технологічна схема виконання земляних робіт гідромоніторним способом приведена на рис.4.1, а.

Вода до гідромонітору подається з водойми насосами. Розмита порода з водою від забою по площадці уступу або канаві надходить в зумпф , звідки ґрунтовим насосом перекачується по трубопроводу до місця укладання. При сприятливому рельєфі може бути застосоване самопливне гідротранспортування розмитої породи. Для підтікання гідросуміші від вибою до зумпфа в процесі гідророзробки на робочій площадці уступу залишеється похилий шар не змитої породи (недомив), який потім забирається бульдозером або екскаватором. Прибирання недомиву струменем води вимагає великої питомої витрати води.

Інтенсивність розмиву ґрунту струменем води (характеризується обсягом породи, що розробляється за допомогою 1 м³ води) залежить від багатьох факторів: зростає при зменшенні зв'язності породи, збільшенні висоти забою H_заб, (до певної межі – нормальна 5...15м), та витрати води через гідромонітор(Q_вод=1500...4500м³/год. або 5...14 м³ води/ м³ пульпи.), при підвищенні компактності струменя, зменшенні відстані від гідромонітора до забою (від L_тах до допустимого значення L_тiп), а також від робочого напору H, (Н=60...120м) та діаметру насадки d_н , (d_н=150...500мм);

Висота уступу вибирається з урахуванням досягнення максимальної продуктивності гідромонітора по породі і змінюється від 15 до 20 м (залежно від продуктивності гідромонітора по воді і тиску струменя), в окремих випадках від 20 до 35 м (кар'єри). Максимальна допустима відстань від гідромонітора до забою і ширина гідромоніторного забою приймаються з урахуванням використання для розмиву ефективної частини струменя. Наприклад, при розробці глинистих порід струменем з напором у насадку 78 – 118 кПа ширина гідромоніторного забою 20 – 25 м.

Мінімальна відстань за умовами техніки безпеки приймається 0,8 – 1,2 висоти уступу, що розроблюється, а дальність польоту струменя визначається за формулою

L_тiп =aH_заб,                                                                     (4.2)

де a - коефіцієнт наближення до укосу з врахуванням виду ґрунту (для лесових 1...1,3; суглинків і глин - 0,8…1; для супісків і  пісків - 0,4…0,7),

Максимальна відстань встановлюється за критерієм ефективного розмиву ґрунту

L_тах.=2 j ² Ннас sin2a,                                                            (4.3)

L_тах.=(0,2...0,35)Ннас,

де j - швидкісний коефіцієнт (0,92…0.96);

Ннас – напір води з насадку (робочий тиск струменю води), м;

a - кут похилу струменю до горизонту.

Швидкість вильоту струменя з насадка гідромонітора рівна 

Vo=φ√2gH                                   (4.4)

де  Н - напір води в насадці;

φ - швидкісний коефіцієнт, φ = 0,92...0,96;

g - прискорення вільного падіння, м/с².

Витрати води через насадок гідромонітора, м³/с, можна визначити з рівняння:

Qгм=μ·f₀·V₀=0.785 d₀²V₀                                       (4.5)

де   f_о - площа поперечного перерізу насадка, м²;

μ - коефіцієнт витрати, що залежить від форми і конструкції насадка, μ=0,85...0,98;

d_о - діаметр отвору змінного насадка, м.

Розробка струменем води зв’язного і незв’язного ґрунту виконується по-різному — зв’язні ґрунти вимагають великих питомих тисків для розмиву і розробляються в два прийоми: на початку підрізується уступ і обрушується шляхом створення врубу, а потім вже змивається розпушений ґрунт. Незв'язні ґрунти легко розробляються, і для їх розмиву потрібно тільки зосереджений вплив струменя води.

Застосовуються дві схеми розмиву ґрунту гідромоніторами: попутним і зустрічним вибоєм. У практиці найбільше часто застосовується зустрічний вибій (рис.4.2), при якому гідромонітор встановлюється на підошві розмивного вибою, а струмінь направляється назустріч потоку пульпи.

При попутному вибої (рис. 4.3) гідромонітор встановлюється на верхньому майданчику уступу і напрямок його струменя збігається з напрямком потоку гідросуміші. При попутному вибої продуктивність нижче, але гідромонітор переміщується по сухому ґрунті, а потік пульпи, здобуваючи від водяного струменя достатню початкову швидкість, забезпечує інтенсивний стік. Розмивання попутно - зустрічним або боковим вибоєм ведеться при щільних, складнорозмиваємих породах та високих уступах

Для підвищення ефективності розробки ґрунту гідромонітором, зниження робочого напору і витрати води застосовують попереднє розпушування ґрунту вибухом, насичення його водою й інші прийоми розпушування.

В міру розробки ґрунту гідромонітор пересувається з однієї стоянки на іншу з урахуванням мінімальної відстані від розмивного уступу L_тiп і граничної дальності польоту струменя L_тах..

Крок переміщення гідромонітора:

L_перем=L_max-L_min                                                         (4.6)

Розробка ґрунту гідромоніторами ведеться безупинно, тому на час переміщення в роботу включається резервний гідромонітор. Оскільки звичайно застосовуються ланки труб стандартної довжини в 6м, крок переміщення гідромонітора приймається кратним шести метрам.

Земснаряди розробляють ґрунт у підводному вибої. Частки ґрунту захоплюються потоком води, усмоктуваним ґрунтовим насосом земснаряда, і, змішуючись з цим потоком, переміщаються по напірному пульпопроводу у вигляді пульпи до місця укладання ґрунту.

Земснаряд представляє землерійно-транспортну машину безперервної дії, що розробляє ґрунт у підводному забої і переміщує його по трубопроводу у вигляді суміші з водою до місця укладання.

Усі сучасні земснаряди (рис. 4.4) складаються з наступних основних складальних одиниць технологічного призначення: плавучої основи – корпуса, ґрунтозабірного пристрою, ґрунтового насоса з приводом від дизельного чи електричного двигуна, пристроїв для робочих переміщень, всмоктуючого пульпопроводу, напірного пульпопроводу.

Для прямого засмоктування ґрунту з-під води необхідно створити умови, при яких відбувався розмив частинок ґрунту і перехід їх в звішений стан. Для цього необхідні швидкості (V = 1,5…2 м/с).

Інтенсивність засмоктування з-під води залежить від:

– гранулометричного складу;

– зв’язності ґрунту;

– опору ґрунту розмиванню;

– параметрів потоку на вході в всмоктувальну трубу;

– висоти забою.

Для інтенсифікації процесу розробки ґрунтів, особливо тих, що тяжко розмиваються, в конструкціях ґрунтозабірних пристроїв передбачаються розпушувачі (фрезерний, ковшовий, черпаковий, вібраційний, гідравлічний та ін.), які розпушуючи ґрунт в процесі ґрунтозабору, сприяють підвищенню продуктивності земснаряда.

Земснарядами розробляють ґрунти в підводних забоях: в крупних котлованах для ГТС, каналах, очищення від намулу крупних каналів, відстійників, водоймищ та регульованих русел річок.

При розробці ґрунту земснаряди роблять робочі переміщення, які називають папілюванням. Земснаряд у процесі роботи переміщується за допомогою таких пристосувань: підвішених у кормовій частині в спеціальних обоймах двох металевих паль, які за допомогою лебідок поперемінно піднімаються й опускаються, та двох тягових лебідок, установлених на палубі в носовій частині земснаряда з правого і лівого бортів і з'єднаних якорями, що закріплюються на берегах вибою, який розроблюється. Повороти земснаряда здійснюються підтягуванням його тросами, закріпленими на якорях, до того чи іншого берега.

Середня подача вперед по осі стрічки розробки:

S=b_H sin(x/2)                                    (4.7)

де  b_H – відстань між палями;

     x - кут  повороту земснаряда.

Ширину прорізу В, розроблюваного вибою при робочому переміщенні земснаряда, можна визначити за формулою:

B=2R·sin (a/2)                                                            (4.8)

де  R - горизонтальна відстань від палі до фрези при даній глибині розробки, м;

α - кут повороту земснаряда навколо палі, α=70...80⁰.

У водогосподарському будівництві застосовують в основному дизельні і електричні земснаряди продуктивністю 100-600 м³/г по ґрунту, хоча продуктивність земснаряда – величина дуже умовна, зв’язана не тільки з властивостями ґрунту, консистенцією пульпи, розмірами забою, але й з режимом роботи землесоса. Тому продуктивність земснаряда і характеризують умовною розрахунковою величиною, яка оцінюється продуктивністю по ґрунту при середній консистенції пульпи 1:10.

При визначенні необхідної кількості земснарядів на будівництві враховується загальний об’єм робіт, що береться з календарного графіка будівництва об'єкту.

Необхідну годинну продуктивність земснаряда Q_г по гідросуміші, м^з/год, можна обчислити за формулою:

Q_г = W(1–n+q)/(8mtc)                               (4.9)

де W - обсяг ґрунту, що підлягає розробці, м³;

п - пористість ґрунту, що розроблюється, n==0,3..0,6;

q - гранична витрата води, м³;

8 - розрахункова тривалість робочої зміни, год.;

т - число змін за добу;

t - число робочих днів у місяці;

с - число місяців роботи на об'єкті.

Необхідна кількість земснарядів:

N=Q_г/(Q·K_ч·d)                                           (4.10)

де   Q - годинна продуктивність земснаряда по воді, м3/год;

К_ч - коефіцієнт використання земснаряда в часі, К_ч=0,55...0,85;

d - коефіцієнт, що враховує вплив висоти вибою, d=0,85...0,95.

Транспортування пульпи може виконуватися як при швидкості вище критичної, так і при швидкості потоку, близької до критичної, а іноді і при швидкості потоку нижче критичної. При швидкості вище критичної весь ґрунт транспортується в зваженому стані, теж відбувається при швидкості, близької до критичної, але при цьому велика кількість часток переміщується по дну. При швидкості менше критичної на дні утворюється постійний шар замулення.

При безнапірному транспортуванні пульпа рухається самопливом по каналах, лоткам і безнапірним трубам, що мають необхідний ухил. Цей вид транспортування має обмежене застосування, тому що не завжди мається відповідний рельєф місцевості.

При напірному транспортуванні пульпи, що найбільше розповсюджене, ґрунт рухається найчастіше при швидкостях вище критичних.

При напірному транспортуванні ґрунту найчастіше використовуються металеві труби швидко роз’ємні чи з'єднувані зварюванням. Стінки пульповодів швидко зношуються за рахунок абразивних властивостей ґрунту, що транспортується. Звичайно інтенсивному стиранню піддається нижня частина стінки труби, тому в процесі експлуатації необхідно періодично повертати труби приблизно на одну третину кола.

До берегового магістрального пульповоду земснаряд підключається за допомогою ланок плавучого пульповоду, змонтованого на металевих понтонах. З'єднання ланок плавучого пульповоду шарнірні. Вони забезпечують гнучкий зв'язок земснаряда з магістральним пульповодом. Розрахунок напірного гідротранспортування зводиться до визначення загальних витрат, що виникають при переміщенні пульпи, і до зіставлення їх з напором, що створюється ґрунтовим насосом. Основними параметрами, що підлягають визначенню, є критична швидкість і гідравлічний ухил (питомі втрати напору). На основі цих розрахункових параметрів підбирається діаметр пульповоду.

Потрібний напір земснаряда обчислюється з урахуванням загальних положень вибору насосів і властивостей пульпи, що перекачується:

H=γ_пH_г+h_зс+h_l+h_m+h_св                     (4.11)

де  Н_г - геодезична висота підйому пульпи, м;

γ_п - щільність пульпи, т/м³;

h_з.с - утрати напору в комунікаціях земснаряда, м;

h_l - втрати напору по довжині пульпопроводу з урахуванням властивостей пульпи, м;

h_м - утрати напору в місцевих опорах для пульпи (при попередніх розрахунках 10 % утрат напору по довжині), м;

h_св - вільний напір на виході,  h_св =2...5м.

Якщо розрахунковий сумарний напір перевищує напір, який розвивається ґрунтовим насосом, встановленим на земснаряді, то застосовуються проміжні перекачувальні станції.

Існує декілька способів намивання профільних насипів.

1. Двосторонній і одностопній способи намиву з естакадним та без естакадним розміщенням пульповодів (розподільчих). Трудомісткість без естакадного способу в 3...3,5 рази менша ніж естакадного способу (шари 0,15...1,0 м).

2. Повздовжній (піонерно-торцьовий) спосіб з випуском пульпи з торців труб вздовж осі намивної споруди застосовують при підводному намиві, наявності крупнозернистих ґрунтів, на великих площах і для намивання вузько профільних споруд при умові обмеження розтікання пульпи дамбами обвалування.

3. Мозаїчний спосіб. Намивання проводять з зосередженим випуском пульпи у вигляді окремих конусів, розміщуючи їх в плані і по висоті в шаховому порядку.

4. Комбіновані способи (ставок, шандорні колодязі).

При намивання ґрунту в земляні споруди на місці намивання (V = 0,1...0,5 м/с) осаджування частинок ґрунту із пульпи відбувається в процесі її розтікання по площі, що приводить до утворення пологих укосів вільного намиву, сортуванню фракцій (частинок) ґрунту в межах намитого перерізу, нерівномірному ущільненню ґрунту, підвищеній пористості в тілі споруд, відмиву і скиданню найдрібніших частинок разом з освітленою водою. Потрібно врахувати похил вільного намиву (пляжів) 1:10...1:50 – на повітрі, 1:5...1:8 – під водою.

Для намиву профілю земляних споруд не можна використовувати тільки ґрунти з великим вмістом пилуватих і глинистих частинок (>20%), а також крупно гравійні  ґрунти і гальки, які не вміщують в собі достатньої кількості піщаних частинок для наповнення пор.

а - двосторонній з високих естакад (1 - дамбочки попутного обвалування ; 2 - лоток; 3 – розподільчі пульповоди; 4 - висока естакада; 5 - скидний колодязь; 6 - ставок; 7 - водоскидна труба; 8 - намита частина споруди ),  б - односторонній безестакадний (1 - дамбочки попутного обвалування; 2 - проектний профіль укосу споруди; 3 - розподільчі пульповоди; 4 - пляж намиву; 5 - водовідвідна канавка); в - нізкоопорний (1-дамбочки попутного обвалування; 2 – розподільчі пульповоди; 3 - низькі опори; 4 - пляж намиву); г - мозаїчний намив з естакад (1 - водоскидна труба ;  2 - дамбочки попутного обвалування; 3 - розподільчі пульповоди; 4 - скидний колодязь; 5 - естакада; 6 - дренажна призма).