Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
https://wos-scopus.com
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Техника, Науки о Земле
Размещена 18.12.2017. Последняя правка: 18.12.2017.

Защита от ледовых сжатий зон выгрузки транспортных судов на необорудованный берег в арктических условиях

Степанюк Иван Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Российский государственный гидрометеорологический университет

профессор кафедры океанологии

Бацких Юрий Михайлович, гл.специалист, Почетный полярник


Аннотация:
Рассматриваются принципы выгрузки транспортных судов через припайный лед на необорудованный берег в арктических условиях. Предлагаются технологии защиты ледовых причалов от действия сжатий со стороны дрейфующих льдов на внешнюю кромку припая.


Abstract:
The principles of loading cargo ships through landfast ice on unequipped shore in Arctic conditions. Offered protection technology of ice piers from the action of the grips from the drifting ice on the outer edge of the landfast ice.


Ключевые слова:
Арктика; транспортные суда; выгрузка через припай; ледовые причалы; ледовые сжатия.

Keywords:
Arctic; cargo ships; unloading across the fast ice; the ice piers; ice compression.


УДК 656.615.073

Введение. Интенсификация освоения Арктики, происходящая в настоящее время, требует развития нетрадиционных принципов снабжения осваиваемых побережий строительными материалами, техникой, продовольствием и т.д. Причина нетрадиционного подхода в том, что судовые причалы в большинстве осваиваемых регионов отсутствуют, а подходы непосредственно к  берегу практически нереальны из-за мелководья. Таким образом, можно считать весьма перспективным в начальный период освоения использование припайного льда как естественного причала, на который перегружаются грузы и, в дальнейшем, перевозятся автотранспортными средствами на берег.

Такие технологии были разработаны при освоении побережья Ямала и описаны в работе [2]. Основная схема создания причальной зоны приводится на рис. 1. Зона выгрузки 1 содержит основной канал входа 2, расположенные «веером» причалы 3 и канал маневрирования для судов 4. Транспортные суда 5 «подводятся» к причалам 3, обычно, с помощью ледокола способом тандем «судно-ледокол» («нос-корма», либо «корма к корме). Т.е. транспортные суда как бы «вталкиваются» в зоны причалов 3. Такая осторожность вызвана необходимостью сохранить  целостность припая у причалов.

Однако при этом в работе [2] не были решены проблемы защиты зон выгрузки транспортных судов от ледовых сжатий, действующих на кромку припая со стороны дрейфующего льда.

При нажиме дрейфующих льдов на кромку припая возникающие механические напряжения (сжатия) способны приводить, во-первых, к взлому площадок выгрузки и к опасным кренам транспортных судов в зонах причалов, а во-вторых, к сужению входного канала во льду, «запирающему» выход транспортных судов после выгрузки.

 

рис.1.png 

Рисунок 1 – Схема создания зоны выгрузки транспортных судов на припайный лед (из работы [2]).

Гидрометеорологическое обеспечение выгрузки в настоящее время преимущественно производится авиаразведкой обстановки  с вертолета, анализом спутниковых карт и мониторингом территории с использованием снегоходов [6]. При этом в работе [6] отмечается, что, к сожалению, технологии выгрузки на необорудованный берег и их оперативное гидрометеорологические обеспечение остались практически такими же, как в советское время (70-80-е годы).

Для обеспечения безопасности работ на припае нами разработан ряд технических решений, внедрение которых в практику работ чрезвычайно актуально.

Защита зон выгрузки и основного канала от сжатий. В наших технических решениях [1,7,8]  были предложены варианты защиты, использующие естественные свойства ледяного покрова – возможность формировать концентраторы механических напряжений и возможности сброса напряжений. В варианте, показанном на рис.2, защиту ледовых причалов обеспечивают следующие факторы.

Выбор зон выгрузки (ледовых причалов) между грядой торосов и берегом. Этот фактор только частично защищает от сжатий. Защита обеспечивается  в силу концентрации механических напряжений в этой гряде торосов. Дело в том, что у торосов примерное соотношение между высотой над водой и его подводной частью составляет 1:3 до 1:5 в зависимости от плотности льда (см. например [3,4]). Высоты торосов в гряде могут достигать 2-4 м. Таким образом, эта гряда при нагрузках как бы «тормозится», формируя усиление напряжений с фронтальной стороны и ослабляя их с тыльной стороны, за которой располагается зона причалов. Эта концентрация напряжений с фронтальной стороны может приводить к дополнительному взлому льда в зоне гряды и усилению торосов, однако не может приводить к торошению в зоне причалов.

 Создание защитных каналов по обе стороны от основного (входного) канала. Поскольку гряда торосов не может полностью устранить воздействие нагрузки на припай, то становится целесообразным создание зон «сброса» напряжений. Для этого необходимо по обе стороны от основного (входного) канала создать дополнительные (защитные) каналы, располагаемые под углом к основному (рис.2).

 

рис.2.png 

 Рисунок 2 – Схема защиты зон выгрузки транспортных судов на припайный лед при возникновении нагрузок со стороны дрейфующего льда.

Защитные каналы, являясь «прорезями» в сплошной пластине льда, сжимаются под действием нагрузки на кромку припая. Соответственно, снимается напряжение с треугольника, внутри которого находятся ледовые причалы.

При этом очень важную роль играет тот факт, что прорезанные защитные каналы упираются в гряду торосов, поскольку при этом действующие напряжения, концентрируясь в устьях каналов, усиливаются в зоне гряды, но действующий результирующий вектор напряжений («ось сжатий») отклоняется в направление простирания гряды. В результате этих двух факторов «треугольник» с ледовыми причалами и зоной выгрузки остаются защищенными.

Защитные каналы необходимо начинать прорезать на удалении L от кромки припая примерно 5-10 км. Это обусловлено тем, что максимальные механические напряжения во льду регистрируются в зоне кромки припая, постепенно снижаясь с удалением от этой кромки. Регистрация распределения механических напряжений в припае при сжатии в зоне кромки до 2 баллов выполнялась нами в Печорском море. Регистрировалось собственное электромагнитное излучение (ЭМИ) льда, вызванное электростатическими эффектами при микротрещинообразовании. Регистрация производилась с самолета ледовой разведки при скорости полета 150 км/час и при непрерывной записи данных на бортовой самописец с постоянными отметками времени (рис. 3).

Связь между собственным ЭМИ и действующей нагрузкой определялась выражением:

Форм.1.png  

где       ϭл – нагрузка, действующая на лед;

             Eл – измеряемая над ледяным покровом напряженность возбуждаемого электромагнитного поля;

            Eф– фоновая напряженность электромагнитного поля в зоне разведки;

            EΩ– напряженность, возбуждаемая во льду данного вида при действии механических напряжений, соответствующих пределу прочности льда (на «сжатие и изгиб»);

            S – эмпирический коэффициент связи, зависящий от высоты полета авиасредства, полосы выбранных частот и от физико-химических и физико-механических свойств деформирующегося льда.

Оценки коэффициента S необходимы для каждого конкретного региона выполнения наблюдений. При проведении измерений в Печорском море коэффициент S составлял ~6,5 × 106 Па при EΩ порядка 15¸20 мВ/м и высоте полета 100 м.

 рис.3.png

 Рисунок 3 – Распределение механических напряжений в припае, регистрируемое с самолета разведки по интенсивности собственного ЭМИ

льда при микротрещинообразовании. Маршрут полета обозначен синей стрелкой, сжатие у кромки 2 балла.


Примечание.
На рис. 2 и 3 стандартные обозначения ледовых карт (см. например [5] сопровождены словесными пояснениями.

 По приведенным данным получается, что зона напряжений регистрируется на расстояниях до 7-10 км от кромки при сжатии 2 балла. Максимальные сжатия оцениваются в 3 балла. Соответственно удлиняется зона действующих напряжений. Исходя из этого здесь рекомендуется (естественно, при возможности) начинать прорезание защитных каналов на удалении  L до 10 км от кромки.

Здесь следует пояснить причины, из-за которых ставится это условие. Защитные каналы осуществляют «сброс» напряжений, пока они являются именно «каналами». Под действием нагрузок их ширина сужается. Например, в работе [5] оценивается скорость сужения канала, формируемого ледоколом, в зависимости от степени сжатий. Этими оценками можно воспользоваться также и в нашем случае.

Максимальное сужение канала за кормой ледокола наблюдается при сжатиях до 3 баллов. При этом его ширина уменьшается на 70-80 % всего лишь на расстоянии 0,5-0,7 кб, т.е. примерно - 100-150 м. При средней скорости движения ледокола, например – 5 узлов (9-10 км/час) такое сужение канала происходит не более чем за 1-2 мин.

Таким образом, высказанная здесь рекомендация по выбору расстояния L обоснована именно этими особенностями – ведь при смыкании кромок защитные каналы перестают функционировать как зоны «сброса» напряжений. Естественно, выполнить такие рекомендации не всегда возможно. Однако увеличение расстояния L можно получить также и при увеличении угла между основным и защитными каналами.

Кроме того, можно считать эффективным прием, когда защитные каналы создаются конусовидными, причем, их широкая часть располагается в зонах стыковки с основным каналом. На рис. 2 этот вариант обозначен пунктирной линией. Увеличенная ширина способствует возрастанию времени возможного смыкания кромок.

Несомненно, что все это надо учитывать при изначальном выборе района выгрузки.

Защита входного канала от «забивки» битым льдом при сжатиях. Для снижения заполнения битым льдом входа в основной канал в работе [7] нами было предложено выполнять «обрезку» припая в виде полукруглых вырезов по обе стороны от входа в этот канал. Эта «обрезка» производится при ветре со стороны берега, тем самым вырезанные обломки льда выносятся в сторону от припая. При нажиме дрейфующим льдом (ветер со стороны моря) битый лед преимущественно уносится в эти вырезы.

«Обрезка» выполняется ледоколом, обеспечивающим формирование всей зоны выгрузки.

 Защита зон выгрузки при ограниченных размерах акватории. Для современные транспортных судов глубина моря возле причалов должна быть не менее 10 м  (например [2]). При ограниченных размерах акватории выполнение всех условий, поставленных в предыдущих вариантах, становится затруднительным, либо просто невозможным. Это обусловило разработку технологии с созданием искусственного барьера торосов, т.е. гряды торосов, скрепленной с грунтом (см. например [5]). На рис. 4 показана схема формирования зоны выгрузки при этих условиях.

 рис.4.png
 
Рисунок 4 – Схема зоны выгрузки при ограниченных размерах акватории.

Ледовые причалы 1 (рис.4), как и в предыдущем варианте, создаются в зоне устойчивого припая 2. Каналом 3 они связаны с открытой частью моря. По этому каналу могут входить транспортные суда 4.

Барьер торосов  для защиты от нажима дрейфующих льдов 5 создается ледоколом искусственно. Для этого вначале (до создания причалов) прорезается исходный канал 6. При нажимном ветре 7 в этом канале создается гряда торосов 8. Создание гряды обусловлено тем обстоятельством, что при прорезании канала 6 ледокол «заталкивает» получающиеся обломки льда под кромки канала. При нажимном ветре кромки смыкаются и получается основа гряды торосов 8. В дальнейшем прорезается дополнительный канал 9, причем на расстоянии 0,1-0,3 кабельтовых от уже созданной гряды 8. Это приводит к тому, что при нажимном ветре этот канал тоже смыкается, и обломки льда в нем усиливают исходную гряду 8. Этот процесс повторяют до «застамушивания» гряды 8, т.е. когда она как бы «становится на якорь» и уже превращается в барьер торосов.

Скрепленный с грунтом барьер торосов устраняет возможность формирования механических напряжений в зоне причалов 1, фактически являясь искусственным молом.

После создания барьера 8 входной канал 3 удлиняют до зоны 1, формируют ледовые причалы и вводят в них для разгрузки транспортные суда так же, как и в предыдущих вариантах технологий.

Выводы. 1. В современных задачах освоения арктического побережья нецелесообразно использовать технологические приемы, применяемые в морях с периодически тающим ледяным покровом, либо в морях с отсутствием льда. Такие технологии в Арктике становятся чрезвычайно затратными и малоэффективными.

2. Выгрузка грузов на необорудованный берег через припайный лед, по-видимому, является наиболее реальной технологией. Однако при этом для защиты зон выгрузки становится целесообразным использовать естественные свойства льда, создавая в нем зоны «сброса» и зоны концентрации механических напряжений.

Библиографический список:

1. А.с. № 1167133, СССР. МКИ B 65 G 67/60. Устройство для выгрузки транспортных судов (его варианты) / А.И.Плугин, Ю.М. Бацких, И.А. Степанюк. - № 3699704/27-11 и 3699705/27-11. - Заявл. 20.02.84. - Опубл. 15.07.85. - Бюлл.изобр. СССР, 1985, № 26.
2. Бабич Н.Г., Бацких Ю.М. Выгрузка грузов в районах Крайнего Севера через припай.– «Морской транспорт», серия «Морские порты», экспресс-информация.– Вып. 3 (463).– Центральное бюро научно-технической информации ММФ, 1981.– 15 с.
3. Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед.- Л.: Гидрометеоиздат, 1980.- 384 с.
4. Бушуев А.В., Волков Н.А., Лощилов В.С. Атлас ледовых образований.- Л.: Гидрометеоиздат, 1974.- 139 с.
5. Вопросы тактики плавания во льдах Западного района Арктики. Методические рекомендации судоводителям /Авторы: Бабич Н.Г., Казаков А.Т./.- М.: ЦРИА «Морфлот», 1982.- 124 с.
6. Кубышкин Н.В., Гудошников Ю.П. Актуализация технологий перевалки грузов через припай //Проблемы Арктики и Антарктики.– № 3(105).– 2015.– с.90-99.
7. Патент № 2038277, RU. МКИ B 65 G 67/60. Временный причал для проведения погрузочно-разгрузочных работ в условиях Арктики и замерзающих морей / Ю.М.Бацких, И.А.Степанюк. - № 5026416/11. - Заявл. 09.07.91. - Опубл. 27.06.95. - Бюлл. № 18.
8. Патент № 2083761, RU. МПК6 E 02 B 17/00. Способ создания ледяного сооружения в море /Бацких Ю.М., Степанюк И.А.– - № 94037582/11. - Заявл. 30.09.94. - Опубл. 10.07.97. - Бюлл. № 19.




Рецензии:

18.12.2017, 21:21 Петрухин Геннадий Михайлович
Рецензия: Проблема освоения арктических регионов весьма актуальна. Предлагаемое разшение трудностей погрузочно- разгрузочных работ в условиях Арктики, как следует из материала статьи, уже прошло практическую апробацию, что подтверждает возможность ее реализации. Статья рекомендуется к публикации. С Уважением! Петрухин Геннадий Михайлович

19.12.2017 10:10 Ответ на рецензию автора Степанюк Иван Антонович:
Авторы благодарны рецензенту за тщательное рассмотрение статьи и высказанную рекомендацию к публикации. От имени авторов Степанюк И.А.

18.12.2017, 21:43 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Обнаруженная связь параметров трещиноватости льда и ЭМИ кажется обладает новизной в целях диагностики. Предваряющие статью патенты и авторские свидетельства являются поддержкой положительной реакции рецензента. Рецензент не возражает против публикации данной статьи.
19.12.2017 10:10 Ответ на рецензию автора Степанюк Иван Антонович:
Авторы благодарны рецензенту за высказанное положительное мнение о нашей работе и рекомендацию к публикации. От имени авторов: Степанюк И.А.

19.12.2017, 13:40 Лобанов Игорь Евгеньевич
Рецензия: Тема статьи является актуальной. Работа продолжает исследования, начатые в работах, приведённых в библиографии. Научная новизна состоит в том, что можно заранее прогнозировать выгрузку грузов на необорудованный берег через припайный посредством диагностики электромагнитного излучения льда. Можно рекомендовать к опубликованию.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх