Лекция 16. Компоновка внешних оградительных сооружений.

Глубины в порту

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫБОР ТРАССЫ ИКОНФИГУРАЦИЮ ВНЕШНИХ ОГРАДИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Исторически, защищенные акватории создавались с целью представления судам убежища для стоянок. Компоновка плана современного порта предусматривает обеспечение такой степени защиты акватории от волнения, при которой создаются условия не только для маневрирования и отстоя судов, но и выполнения грузовых и пассажирских операций.

При проектировании защищенной акватории определяющими оказываются ряд природных факторов, основными из которых являются гидрологические, морфолитодинамические, инженерно-геологические и экологические. Важность каждого из этих факторов определяется преобладающими условиями данного района, на основе которых производится выбор планировочных и конструктивных решений оградительных сооружений.

Множественность факторов подлежащих учету при проектировании оградительных сооружений, а также многообразие их сочетаний, делают каждую защищенную акваторию, как инженерное решение, уникальной. В этом смысле процесс проектирования защищенных акваторий представляет решение нестандартной задачи. Тщательное изучение этих факторов в предпроектный период обуславливает сведение к минимуму непредвиденных отрицательных проблем, возникающих при последующем строительстве и эксплуатации порта.

Для морских портов одной из главных проблем является защита их акваторий от проникновения крупных волн. При этом режим волнения на огражденной акватории формируется:

• - проникновением волн через ворота порта;
• - переливом волн через гребень сооружения;
• - отражением и интерференцией волн на акватории;
• - проникновением волн через проницаемые конструкции.

В связи с этим проектирование морских портов предусматривает проведение натурных исследований, а затем математического моделирования волнового режима на подходах к порту, параметров волн на его акватории и оптимальной, с точки защищенности, компоновки внешних оградительных сооружений.

С точки зрения морфолитодинамических факторов, неблагоприятное воздействие оградительных сооружений может проявиться в изменении режима перемещения наносов, эрозии берегов и дна, заносимости акваторий и подходных каналов.

Проектирование оградительных сооружений предусматривает оценку возможных экологических последствий строительства: образование застойной зоны с недостаточным водообменом, нарушения условий обитания морских растений, животных, организмов и т.д.

При выборе планировочных и конструктивных решений оградительных сооружений также подлежат учету экономические факторы: стоимость строительства и дноуглубительных работ, эксплуатационные расходы на содержание сооружений и ремонтные черпания.

Многообразие вышеперечисленных факторов и их сочетаний при различных условиях не поддается, как правило, точному аналитическому учету. В связи с этим, проектирование оградительных сооружений всегда должно предусматривать проведение физического моделирования защищенности акватории порта в лабораторных условиях на всех этапах работ - от задания на проектирование до выдачи рабочих чертежей.

ВАРИАНТЫ ПЛАНОВОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ВНЕШНИХ

ОГРАДИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Основные тенденции в области проектирования и строительства защищенных акваторий определяются необходимостью выноса оградительных сооружений на большие (до 20-30 метров) глубины и стремлением к обеспечению наиболее эффективной защиты акватории с наименьшими материальными затратами. Эти тенденции находят свое выражение в совершенствовании как конструктивных решений сооружений и методов их расчетов, так и выборе наиболее рациональных планировочных решений.

Побережья рек, морей и океанов характеризуются, как правило, извилистой в плане конфигурацией береговой черты, наличием выпуклых, вогнутых и прямолинейных участков, крутым или пологим рельефом побережья и дна. Вышеперечисленные факторы оказывают решающее влияние на плановое расположение внешних оградительных сооружений.

В соответствии с характером рельефа берегов и дна различают морские порты расположенные:

• - на приглубых открытых побережьях;
• - на отмелых открытых побережьях;
• - в бухтах и полубухтах;
• - в устьях рек.

Форма планового расположения оградительных сооружений (прямолинейная, криволинейная, ломаная) оказывается, как правило, противоположной конфигурации береговой черты.

В зависимости от преобладающих местных условий оградительные сооружения могут возводиться в самых различных комбинациях. Наиболее распространенными решениями планового расположения оградительных сооружений являются:

• - одиночный мол;
• - парные сходящиеся молы;
• - волноломы параллельные берегу либо под углом к нему;
• - различные комбинации молов и волноломов.

При расположении порта на открытом побережье ограждение акватории одним молом можно применять только в случае преобладающего распространения волн с одного направления и в условиях приглубых берегов. Размер акватории защищенной одиночным молом оказывается, как правило, небольшим.

Одиночные молы широко используют при строительстве речных портов для защиты от льда, создания затонов, перекрытия проток и т.д.

Сходящие парные молы можно рекомендовать:

• а) в случае небольшой мощности вдольберегового потока наносов, когда ширина зоны активного их движения меньше расстояния от берега до голов сооружений;
• б) если в перспективе удлинение молов не предусматривается.

Параллельные парные молы целесообразно применять:

• а) в случае, когда головы сооружений по каким-либо причинам не выносятся на естественные глубины;
• б) в перспективе может появиться необходимость удлинения молов;
• в) при значительных колебаниях уровня воды и скоростях течений, достаточных для размыва отложившихся на входе в порт наносов.

Схемы защиты побережья парными сходящимися молами применяется, как правило, на отмелых песчаных побережьях. Характерными примерами здесь являются порты Жданов и Вентспилс. Иногда такой вариант принимается для защиты подходного канала и аванпорта.

Парные параллельные молы обычно применяют для защиты подходных каналов и входов в пролив, лиман, устье реки. Основной недостаток такого расположения - образование на акватории толчеи, как следствия многократного отражения при косом подходе волн.

Парные перекрывающие молы применяют как на приглубых, так и отмелых песчаных побережьях. При этом один из молов располагают как правило мористее другого и, таким образом, достигают перекрытия входа в порт от преобладающего направления распространения волн .

Порты, расположенные в приглубых бухтах обычно защищают прямолинейными перекрывающимися молами небольшой длины, а на открытых побережьях - криволинейными молами значительной протяженности.

Сочетание молов и волноломом применяют в случае, когда преобладающие направления ветра и распространения волн распределены по значительному сектору и обычное использование сходящихся молов не позволяет осуществить перекрытие входа.

Данные варианты широко применяются при создании акваторий значительных размеров.

Основные варианты планового расположения оградительных сооружений можно свести к схемам, представленным на рис.16.1.

ПРИНЦИПЫ ТРАССИРОВАНИЯ ВНЕШНИХ ОГРАДИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Выбор планового расположения оградительных сооружений целиком определяется, с одной стороны, местными гидрологическими и геологическими условиями, а с другой стороны - технико-эконономическими характеристиками проектируемого порта.

В общем случае, основные принципы трассировки оградительных сооружений можно сформулировать следующим образом:

• 1.Площадь защищенной акватории должна быть достаточной для размещения основных элементов порта.
• 2.Защищенность акватории от волнения должна обеспечивать безопасность стоянки судов в порту и выполнение грузопассажирских операций.
• 3.Изменение гидрологического режима, вызванное строительством оградительных сооружений, не должно ухудшать условий судоходства.
• 4.Волновые условия на внешней якорной стоянке и внутренней акватории порта не должны ухудшаться вследствии отражения волн оградительными сооружениями.
• 5.Расположение оградительных сооружений должно обеспечивать условия, при которых заносимость акватории и подходного канала, а также размыв береговой полосы будут минимальными.
• 6.Общая компоновка оградительных сооружений и внутренних бассейнов порта должна препятствовать возникновению низкочастотных колебаний, вызывающих явление тягуна.
• 7.С целью уменьшения размеров сооружения и обеспечения более эффективной защиты от волнения целесообразна трассировка оградительных сооружений по подводным скалам и мелям.

Рис.16.1 Варианты планового расположения внешних оградительных сооружений.

Глубины в порту

ОТСЧЕТНЫЕ УРОВНИ ПОРТОВ НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ

Одними из важнейших характеристик порта являются глубины на их акваториях и водных подходах. Определение расчетных глубин порта неизменно связано с назначением уровня, от которого эти глубины должны отсчитываться. Обоснованное назначение уровней, учитывающее особенности гидрологического режима акватории и перспективы его изменения, имеет решающее значение при определении расчетных глубин порта.

Для портов, расположенных на внутренних водных путях, проектные навигационные глубины отсчитывают от расчетного наинизшего судоходного уровня воды (НСУ), получаемого на основе анализа интегральных кривых обеспеченности ежедневных уровней воды за многолетний период. При этом назначение НСУ различно для портов на свободных реках и искусственных судоходных сооружениях (водохранилищах, каналах).

На свободных реках расчетный наинизший судоходный уровень назначают в зависимости от категории порта и принимают соответствующим следующим значениям среднемноголетней обеспеченности за навигационный период:

• I-II категория - 99%;
• III категория - 97%;
• VI категория - 95%.

При этом навигационный период устанавливают с учетом сроков навигации в корреспондирующих портах, а значение наинизшего судоходного уровня не должно превышать утвержденные проектные уровни воды на прилегающих участках водных путей.

На искусственных водных путях расчетный наинизший судоходный уровень назначают в зависимости от категории водных путей и принимают соответствующим следующим значениям обеспеченности:

• сверхмагистральных - 99%;
• магистральных - 97%;
• местного значения - 95%.

При назначении расчетных наинизших судоходных уровней также следует учитывать ряд факторов, способствующих понижению уровня, основными из которых являются следующие:

• многолетняя глубина;
• эрозия русла;
• - сгон;
• - проведение дноуглубительных работ;
• - предпаводочная сработка водохранилища за период навигации;

- перепад уровня от места выпуска воды до конца подходного канала.

Расчетные наивысшие уровни воды устанавливают с учетом вероятного повышения вызываемого: ветровым нагоном, образованием заторов и зажоров, приливными явлениями, а также неустановившимися (вследствие работы гидросооружений) движениями воды.

Расчетный наивысший судоходный уровень воды в открытых каналах принимают по расходу воды с обеспеченностью:

• сверхмагистральных - 1%;
• магистральных - 3%;
• местного значения - 5%.

ОТСЧЕТНЫЕ УРОВНИ МОРСКИХ И УСТЬЕВЫХ ПОРТОВ

Отличительной особенностью морских побережий и устьев является наличие как периодических, так и непериодических колебаний уровня. К первым относятся приливо-отливные колебания, пределы которых хотя и изменяются во времени, но величины могут быть заранее предвычислены с большой точностью. Непериодические колебания уровня моря могут вызываться сгонно-нагонными явлениями, а также изменениями атмосферного давления над акваторией.

В соответствии с действующими нормативными документами отсчетные уровни для морских портовых акваторий назначаются отдельно для приливных или неприливных морей, на основе графиков обеспеченности уровней за многолетний период.

Для неприливных морей графики обеспеченности ежедневных уровней строят на основе данных срочных наблюдений за период не менее 10 лет. Для морей с приливами используют данные ежечасных наблюдений за 3 года.

Отсчетный уровень для портовых акваторий назначают в зависимости от разности между средним (50% обеспеченности) и минимальным уровнем по таблице 16.1.

Значение H_min принимают соответствующим минимальному годовому уровню повторяемостью 1 раз в 25 лет.

Таблица 16.1.

При назначении отсчетных уровней в устьевых портах учитывают поверхностный уклон реки.

ГЛУБИНЫ ВОДНЫХ ПОДХОДОВ И АКВАТОРИИ ПОРТА

Разработка проекта портовой акватории предусматривает определение навигационной глубины, обеспечивающей безопасное передвижение расчетного судна с заданной скоростью при самых неблагоприятных условиях:

H_нав. =T_с +Z₁ +Z₂ +Z₃ +Z₀, (16.1)

и проектной глубины :

H_пр. =H_нав. +Z₄, (15.2)

где: T_с осадка расчетного судна в грузу;

Z₁ - минимальный навигационный запас, обеспечивающий безопасность и управляемость судна при движении;

Z₂ - волновой запас (на погружение оконечности судна при волнении);

Z₃ - скоростной запас при движении судна по каналу (на акватории порта не учитывают);

Z₀ - запас на крен судна, вследствие неправильной его загрузки или циркуляции судна;

Z₄ - запас на заносимость в период между ремонтными черпаниями.

В качестве расчетного назначается судно с наибольшей осадкой.

Для морских портов осадка принимается по основную летнюю грузовую марку "Л" с поправкой на изменение плотности и солености воды.

Для судов, плавающих по внутренним водным путям принимают грузовые марки следующих типов:

• СМ - специальная;
• СМО- облегченная;
• RA - региональная облегченная.

Значение минимального навигационного запаса (Z₁ ) определяют в зависимости от осадки судна и вида грунта по таблице 16.2 для морских акваторий или таблице 16.3 для речных акваторий.

Таблица 16.2.

Таблица 16.3

Величину запаса на дифферент судна (Z₃) для морских портов определяют в зависимости от скорости судна (таблица 16.4).

Таблица 16.4

На акваториях речных портов, где скорости движения судов значительно ниже, запас глубины на дифферент судна связывают с его неравномерной по длине загрузкой, а также засорением акватории и принимают равным:

• - для грузовых причалов - 0.3 м;
• - для пассажирских причалов - 0.15 м.

Однако при проектировании водных подходов к речному порту скоростной запас определяют по формуле:

(15.3)

где: V_c - максимальная скорость движения самоходных груженных судов или составов; k - коэффициент, принимаемый в зависимости от длины судна или состава (таблица 16.5) .

Таблица 16.5.

Запас глубины на крен судна (Z₀) определяют в зависимости от типа судна и его ширины только для морских портов (табл.16.6). Это обусловлено значительно большими размерами морских судов.

Таблица 16.6

Запас глубины на заносимость (Z₄) принимают, если акватория морского или речного порта подвержена этому воздействию, либо ее засорению сыпучими грузами. В каждом конкретном случае величина Z₄ является функцией интенсивности отложения наносов в период между ремонтными черпаниями. Минимальное значение запаса глубины на заносимость принимают 0,4 м для морских и 0,2 м для речных акваторий.

В качестве проектной глубины причала назначают принятую на перспективу глубину от отсчетного уровня.

В отличие от глубин на водных подходах и акватории порта значение проектной глубины причала не включает запасы, связанные с движением судна и его колебанием на волнении (Z₂, Z₃, Z₀ ). В результате, глубину у причала определяют в соответствии со схемой на рис.16.2 как сумму следующих величин:

H_пр. =T_гр.+ Z₁ + Z₄ + С, (16.4)

где: C - величина, дополняющая расчетную глубину причала до унифицированных и перспективных глубин.

Нормы технологического проектирования морских портов предусматривают назначение унифицированных (проектных) глубин причалов в зависимости от их специализации и вида плавания. Выбор унифицированной глубины осуществляют путем округления расчетной глубины до ближайшего значения в большую сторону.

Расчетные глубины речных причалов включают также запас на дифферент судна, связанный с его неравномерной по глубине разгрузкой или загрузкой, а также засорением акватории.

Глубины причалов для пассажирских катеров местных сообщений и судов на воздушной подушке не превышает, как правило, 5 м.

Унифицированные проектные глубины причалов портового флота принимают равными 5.0 и 6.5 м.