Разделы: Техника, Науки о Земле
Размещена 25.01.2018. Последняя правка: 09.05.2018.
Просмотров - 2266

Защита ледовых автотрасс от магистральных трещин при выгрузке транспортных судов через припай на необорудованный берег

Степанюк Иван Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Российский государственный гидрометеорологический университет

профессор кафедры океанологии

Бацких Юрий Михайлович, гл.специалист ФГУП «Российские морские порты», Почетный полярник

УДК 656.615.073

Введение.  Интенсификация работ на арктическом шельфе РФ требует нестандартных подходов, поскольку технические решения, используемые в низких широтах, здесь становятся избыточно затратными. Одним из таких нестандартных подходов является выгрузка грузов с транспортных судов на припайный лед с последующей перевозкой на берег автотранспортом.

Первые экспериментальные работы в этом направлении производились на побережье Ямала и подробно описаны в работе [4]. При создании зон выгрузки ледокол «прорезал» входной канал и располагаемые «веером» ледовые причалы, затем вводил транспортные суда в «прорези причалов» способом тандем.

Ледовые причалы требуется располагать в области устойчивого припая за основным барьером торосов. От причалов к берегу прокладывается ледовая автотрасса. Длина автотрассы может достигать 10-15 км. Технические особенности создания причалов и их защиты от сжатий рассмотрены в нашем техническом решении [1].

Наибольшую опасность для движения автотранспорта представляют магистральные трещины, т.е. трещины, разламывающие лед на всю его толщину. Опасность в том, что такая трещина, особенно – «поджатая», водителю обычно не видна. Однако при этом тяжело нагруженная машина сталкивается с эффектом «поребрика». С той стороны, откуда едет машина, лед прогибается вниз, поскольку является упругой пластиной на жидком основании. Лед же со второй стороны трещины остается в исходном положении, тем самым, получается приподнятым.

Известны приемы (например [5]) установки «мостов» через трещину. В таких «мостах» обычно используются бревна или толстые доски, скрепляемые как настил. Поскольку в Арктике не растут деревья, то все это приходится привозить на тех же транспортных судах.

Автотрассу первоначально прокладывают в зонах, не пересекающих магистральную трещину. Но такая трещина может пересечь трассу впоследствии из-за различных нагрузок на припай – из-за нарушений его однородности, из-за сжатий, особенно – со стороны дрейфующих льдов у кромки припая, а также при сгонно-нагонных и приливных колебаниях уровня воды.

Тем самым, появляются две чрезвычайно актуальных задачи: 1) выявление образующихся трещин; 2) блокирование их распространения в сторону автотрассы.

Выявление образующихся трещин наиболее целесообразно с помощью ледовой авиаразведки (обычно – вертолетной). Однако при отсутствии видимости  это становится проблематичным. Трещины также трудно выявить, когда их заносит снегом.

Блокирование распространения трещин в сторону автотрассы требует некоторых специальных приемов.

Технические решения этих двух задач рассматриваются далее.

Инструментально выявление магистральных трещин. При отсутствии видимости, например, в условиях полярной ночи, низкой облачности либо тумана, магистральную трещину выявить при обычной визуальной авиаразведке практически невозможно. В техническом решении [2] нами предложен  метод, при котором трещины выявляются инструментально путем регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ), возникающего при нагрузках на лед. Особенность этого метода состоит в том, что магистральная трещина, несмотря на ее «сквозной» характер, является концентратором механических напряжений и создает в своих окрестностях условия микротрещинообразования, из-за чего, собственно, и формируются импульсы ЭМИ.

Концентрация напряжений обусловлена тем, что края трещины никогда не бывают «гладкими». Это схематично показано на рис.1.

Этот коэффициент существенно больше единицы. Из-за этого в окрестностях трещины возникают напряжения, превышающие так называемый предел длительной ползучести, что приводит к микротрещинообразованию.

Как следует из схемы (рис.1), повышенные напряжения формируются по обе стороны трещины, создавая некоторый распределенный излучатель ЭМИ (рис. 2,а).

На рис. 2,б показан характер распространения этого излучения. Подо льдом расположена электропроводящая подложка (морская вода), в результате формируется некоторая вертикальная диаграмма направленности. Если во льду ширина излучающей области соответствует  L_и, то на высоте полета Hона значительно шире и составляет  L_э.

По нашим экспериментальным данным, полученным при полетах над Печорской губой, при скорости самолета разведки примерно 150 км/час пересечение такой области на высоте 100 м происходит за время не более 2-3 с. То есть на записи ЭМИ формируется импульсный сигнал.

Такие импульсные сигналы регистрировались нами над трещинами в припайном льду Печорской губы (рис.3) в разные сроки (а и в), смещенные на несколько суток, но при сходных гидрометеорологических условиях (ветровой нагон со стороны моря). Фрагмент ледовой обстановки в стандартных ледовых обозначениях показан на рис.3,б. Трещины показаны на карте «изломанными» линиями. Для этих трещин длительность зарегистрированных всплесков ЭМИ составила 1,5¸2,0 с. Различия в интенсивности ЭМИ вызваны различиями действующих механических напряжений.

Из-за сравнительно широкой диаграммы направленности ледовой трещины как излучателя ЭМИ при авиаразведке над припаем необходимы низколетящие средства. Кроме самолетов, могут использоваться вертолеты, либо беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Особенности принципов использования БПЛА при ледовой авиаразведке рассматриваются в нашем техническом решении [7].

В условиях плохой видимости, когда импульсные сигналы ЭМИ оказываются единственным признаком наличия трещины в припае, возникает проблема картирования ее географического положения. Как известно (например [6]), магистральная трещина не распространяется по прямой, а получается извилистой. Тем не менее, эта «извилистость» не произвольна. Ввиду того, что в устье трещины концентрация напряжений становится максимальной, ее дальнейшее «прорастание» возможно лишь в пределах некоторого угла φ.

На основе этих выражений несложно получить значение угла φmax, в пределах которого может распространяться трещина. Оценка дает величину 37÷40 град.

Маршрут полета авиасредства  в «слепых» условиях задается с учетом рассчитанного φ_max. Для задач авиаразведки наиболее целесообразно применять БПЛА вертолетного типа. Выбор из всех возможных БПЛА может быть сделан в пользу аппарата «INDELA-IN.SKY» белорусской фирмы «КБ Индела». Этот аппарат снабжен двухосевой гиростабилизированной платформой, на которой устанавливаются датчики измерительных устройств, что немаловажно при измерениях ЭМИ.

Полет авиасредства при задаче «не потерять трещину» в «слепых» условиях в нашем техническом решении [3] производится по правилам, устанавливаемым исходя из рассчитанного значения φ_max. В результате получается полет по «косым» галсам (рис. 4) с выбором направления галса после каждого поворота. Углы α и β рассчитываются после момента пересечения трещины на основе значения φ_max.

Блокирование распространения трещин. Задача блокирования распространения возникает при ее «прорастании» в сторону автотрассы. Это возможно только после выявления ее устья (оконечности). В этом устье необходимо сформировать зону сброса механических напряжений – некоторую полынью 5 (рис.4) примерно круглой формы. Проще всего эту полынью в устье создать взрывом (лучше – направленным).

В нашем техническом решении [1] предложен вариант, когда трещины «не пропускают» к автотрассе. Для этого с двух сторон автотрассы 1(рис.5), проходящей от ледовых причалов  к линии берега 2 формируют защитные цепочки сброса напряжений, состоящие из узких канавок  3 с полыньями 4 на концах.

Принцип  защиты основан на том, что защитные цепочки «уводят» трещину от распространения в пределах φ_max, поворачивая через канавку к ближайшей зоне сброса напряжений (полынье).

Естественно, что создание такого инженерно-технического сооружения во льду требует использования специальной техники – ледорезных машин. Они существуют и являются как бы аналогами машин для резания асфальта. Однако необходима их доставка в зону выгрузки.

При отсутствии ледорезных машин схема может быть упрощена и выполнена без канавок, однако этот вариант менее надежен.

Обсуждение.

1. Рассмотренные технические решения позволяют картировать географическое положение трещин с низколетящих авиасредств практически в любых атмосферных условиях и, после выявления устья такой трещины – блокировать ее дальнейшее распространение. Решения основаны на использовании естественных свойств ледяного покрова – способности возбуждать специфическое ЭМИ при деформационных процессах, а также на особенностях концентрации и сброса механических напряжений сравнительно простыми изменениями структуры припая.

2. Использование технологий, применяемых в более южных широтах (строительство морских причалов, строительство подъездных дорог и т.д.) является чрезвычайно затратным, а часто просто невозможным в условиях вечной мерзлоты, характерной для российской Арктики.

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. А.с. № 1104457, СССР. МКИ G 01 V 3/12. Способ ледовой разведки // И.А.Степанюк , Ю.М.Бацких. - № 3556213/18-25. - Заявл. 10.01.83. - Опубл. 23.07.84. - Бюлл. изобр. СССР, 1984, № 27.
3. А.с. № 1151107 А, СССР, МКИ G 01 V 3/16. Способ аэроэлектроразведки трещин в ледяном покрове моря // И.А.Степанюк, Ю.М.Бацких.– № 3679308/24-25. Заявл. 27.12.83.– Опис. изобр.– 8 с.
4. 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.
5. Бацких Ю.М., Бурков Г.Д. Рекомендации по проведению грузовых операций в припайных льдах Арктики. - М.: В/О “Мортехинформреклама”, 1986. - 40 с.
6. Гольдштейн Р.В., Осипенко Н.М. Механика разрушения ледяного покрова. - М.: ИПМ АН СССР. 1982. - 72 с.
7. Патент № 2425400 RU. Способ разведки ледовой обстановки с авиасредств /Штрамбранд В.И., Степанюк И.А., Бацких Ю.М., Буянов С.И.// Опубл. 27.07.2011, Бюлл. № 21.

Рецензии:

25.01.2018, 18:01 Бессонов Евгений Александрович
Рецензия: Работа является весьма актуальной для Арктики, особенно в условиях глобального изменения климата, приводящего к не прогнозируемой деградации ледового покрова северных морей. Имеет большое практическое значение при освоении нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе РФ. С уважением.

26.01.2018, 1:41 Лобанов Игорь Евгеньевич
Рецензия: Тема статьи актуальна. Интересен подход к диагностике трещин. Показано, как бороться с негативными явлениями, сопровождающими рост трещин. Показано качественное различие в применении соответствующих технологий для северных широт в отличие от более южных. К недостатком можно отнести следующее: автор пишет следующее "Создание причалов и их защита рассмотрены нами в предыдущей работе [8]..." Считаю, что ссылка на ещё не опубликованную работу в таком виде некорректна. Данный номер ещё не вышел, в ссылке по понятным причинам отсутствуют страницы. Кроме того, пока статья не вышла [8], она не может быть предыдущей по отношению к данной статье. Считаю, что статья может может быть рекомендована к опубликованию. Замеченное противоречие авторам следует разрешать не с рецензентом, поскольку я не в курсе очерёдности выхода этих двух статей, а непосредственно с Редакцией.

26.01.2018, 22:02 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Длинновато введение - не надо ли его отделить от обзорной части и постановки задачи (на усмотрение авторов)? Проверьте внимательно, пожалуйста, корректность формулы (4) и её взаимосвязь с формулой (5). Замечательно, что в числе авторов Юрий Михайлович - почётный полярник. Статья рекомендуется к печати.

27.01.2018, 9:52 Петрухин Геннадий Михайлович
Рецензия: Освоение природный ресурсов северных территорий одно из направлений развития экономического потенциала нашей страны. В статье рассмотривается вопрос адаптации транспортной инфраструктуры к условиям севера. Тема бесспорно актуальна и достойна внимания. Считаю, что статья может быть рекомендована к опубликованию.



Комментарии пользователей:

29.01.2018, 22:52 Мирмович Эдуард Григорьевич Отзыв: Увыажаемый Иван Антонович! Ссылка, может, лучше на работу этих авторов "Измерения...". Именно там впервые даны формулы трещиноватости ледового покрва, где эти формулы даны под номерами [40, 41, 42] - Вы знаете. и самому их выводить не имело смысла, как Вы говорите. Но всё же, думается, что для касательного случая cos, а для радиального - sin. Конено, лучше бы эту работу публиковать в изданмях гляциологического характера, где эксперты могли бы оценить степень новизны и корректность использования результатов других исследователей этого направления. Но рецензия на опубликование уже была дана, и пожелание успехов добавляется.

31.01.2018, 20:50 Степанюк Иван Антонович Отзыв: Уважаемый Эдуард Григорьевич! Чтобы избежать неясностей, авторы исключили из текста работа формулы (5) и (6), заменив их небольшой поясняющей фразой. Ведь в работе не решаются задачи механики разрушения припая. Задачи работы - показать разработанные авторами перспективные технологии защиты автотрасс. Надеемся, что эти исправления будут полезны. С уважением Степанюк И.А.

1.02.2018, 19:17 Мирмович Эдуард Григорьевич Отзыв: Иван Антонович! Положительная рецензия уже была дана. А относительно формул: 1. Ваша фраза "Наша формула (5)получена из формулы (4) путем некоторых несложных преобразований..." несколько некорректна, т.к. "эти формулы даны под номерами [40, 41, 42]" в работе "Измерения..." тех же авторов. 2. Именно убранные Вами формулы верны, а в формулу [4] скорее всего пробралась описка в её первичном оригинале (кажется в диссертации). Но работа к публикации рекомендована. Успехов и Вам, и Вашему знаменитому полярнику!

Оставить комментарий