книги из ГПНТБ / Смирнов Г.Н. Океанология (в инженерном изложении) учебник

ные слои смываются водой и лимнории вгрызаются в следующие. Иногда лимнории выедают в сваях как бы дупла, так называемые «котлы».

Интенсивность разрушения древесины лимнорией составляет 1— 2 см в год, но были случаи, когда за три-четыре года сооружение было приведено в аварийное состояние (Охотское море, бухта На­ гаева). Лимнория поражает древесину от супралиторали (зона вол­ нового заплеска) до глубины нескольких десятков метров.

Однако ракообразные наносят повреждения сооружениям в не­ измеримо меньших размерах, чем терединиды.

Лимнории существуют при солености моря 10—35%0. Нор­ мальное развитие происходит при солености 15%о. Но при посте­ пенном понижении солености лимнория может развиваться и при 5%0. Резкие колебания солености губительны для лимнории. Оп­ тимальное значение температуры воды 10—15° С. Но в литературе есть упоминания о том, что лимнории могут развиваться и при 0°С.

В настоящее время установлено, что животные, употребляющие дерево в пищу, — терединиды и лимнории, — поселяются только на древесине, поверхность которой изменена химически и механически благодаря действию разрушающих целлюлозу и лигнин бактерий и грибов. Дерево поставляет животным углеводы, грибы — белки и витамины. В частности, лимнория поедает мицелий грибов и в сте­ рильной воде погибает.

Наиболее распространенным и практически приемлемым мето­ дом предохранения древесины гидротехнических сооружений от по­ ражения древоточцами является глубокая пропитка древесины крео­ зотом с токсическими добавками, медьсодержащими растворами, в частности, содержащими окись меди и другими токсическими препа­ ратами. Иногда деревянные сваи заключают в кожух из бетона, ар­ мированный металлической сеткой.

Здесь следует указать, что в настоящее время гидротехнические сооружения из дерева в нашей стране строят только в северных пор­ тах (Архангельск, Нарьян-Мар и др.), где нет древоточцев. В дру­ гих бассейнах практически дерево полностью вытеснено бетоном, железобетоном и металлом, позволяющими осуществить широкую индустриализацию строительства.

§ 3. КАМНЕТОЧЦЫ

Камнеточцы, т. е. организмы, сверлящие твердый субстрат, име­ ют более древнее происхождение, чем древоточцы, так как расти­ тельная древесина появилась на Земле позже, чем изверженные породы, которые в основном и подвергаются сверлению.

К камнеточцам относятся как растительные, так и животные ор­ ганизмы (табл. Ш-1).

Из растительных организмов наибольшее значение имеют свер­ лящие микроскопические водоросли, так как они широко распро­ странены в зоне заплеска, литорали (зона приливно-отливных ко­ лебаний) и сублиторали (зона существования водорослей — зона фотосинтеза).

80

* Организмы, сверлящие механически, могут начать сверление на. любом ма­ териале, покрытом слоем извести, а затем повредить и сам материал.

Сверлящие водоросли проделывают в твердых известняках (мяг­ ких известняков водоросли избегают, так как они являются нена­ дежным убежищем) туннели длиной 0,05—0,3 мм и диаметром соответственно 0,006 и 0,015 мм, размягчая известняки химическим путем и облегчая его дальнейшее разрушение.

Широко распространены сверлящие губки, — особенно род клионе, — в Черном (до 65 м глубины), Баренцевом, Белом и дальне­ восточных морях.

Растворяя химическим путем известковые породы, клионе про­ делывают небольшого диаметра, но глубокие, до 5 а и больше, ходы, весьма тесно расположенные. Ослабленный слой породы кро­ шится и размывается во время штормов. Также как клионе хими-

81

чески разрушают известняки мелкие многощетинковые черви, в частности, полидора, распространенная в Баренцевом, Балтийском, дальневосточных и Черном морях до глубины — 30,0 м.

Из сверлящих ракообразных известен род усоногих раков — литотрия и виды равноногих раков из рода сферома, которые проделы­ вают ходы в мягких известняках, песчаниках и сланцах механиче­ ским путем. Из литературы известен случай осадки молов в Новой Зеландии, возведенных на каменной постели из мягкого известняка, который был источен при массовом поселении сферой и потерял свою прочность.

Большой вред наносят сверлящие двустворчатые моллюски. Спо­ соб сверления в основном механический, за редким исключением —■ химический; в частности, химическим способом проделывает ходы в известняках моллюск литофага — «морской финик».

Из сверлящих моллюсков наиболее крупными энергично разру­ шающими и имеющими массовое распространение являются мол­ люски из семейства фоладовых, которые сверлят плотные илы, гли­ ны, мергели, сланцы; некоторые виды фоладовых сверлят и твер­ дые породы— мрамор, гипсы. Длина раковин различных видов фолад колеблется от 3,0 до 7,5 см. Фолады высверливают норы глуби­ ной до 25—30 см с диаметром входного отверстия 1,0—1,5 см. Число ходов составляет до 2,0 тыс. отверстий на квадратный метр и больше.

Интересен способ разрушения известняка моллюском — фоладидеей (пенителлой): сперва моллюск размягчает породу химиче­ ски, затем размягченный слой счищает механическим путем, совер­ шая два движения створок за 5 мин, продвигаясь со скоростью 20 мкм в день.

Сверлящие моллюски, истачивая породы, ослабляют их и спо­ собствуют разрушению. Скорость понижения дна при действии фолад составляет несколько сантиметров в год. Для района г. Сочи, по Е. М. Лебедеву, рассчитанная величина скорости разрушения со­ ставляет 6—9 см/год.

Разрушая подводное основание в прибрежной зоне, камнеточцы способствуют образованию оползней и тем самым разрушению ин­ женерных сооружений. При этом сверлящие водоросли, губки и мелкие черви играют значительно большую роль, чем сверлящие моллюски.

В наших водах неизвестны случаи повреждения инженерных со­ оружений сверлящими моллюсками. Но в литературе указывается, что сверлящими моллюсками были повреждены: волнолом из из­ вестняка в Плимутском порту, защитные бетонные покрытия дере­ вянных свай (США), бетонные сооружения в Панамском канале, в портах Сан-Франциско и Лос-Анджелеса, кирпичные стены Калькутских доков и др.

Действенных мер против повреждения камнеточцами непосред­ ственно морских гидротехнических сооружений до настоящего вре­ мени не разработано. Что же касается повреждения каменных на­ бросок и скального основания береговых обрывов, то в первом

82

случае следует применять камень изверженных пород (гранит), ва втором случае принять меры к сохранению слоя гальки, покрываю­ щего коренные породы.

§ 4. МОРСКИЕ ОБРАСТАНИЯ

Обрастание погруженных в воду поверхностей идет во всех во­ доемах и тем интенсивнее, чем выше температура воды в пределах до 40° С. В обрастании участвуют почти все виды беспозвоночных, всего более 2000 видов, но большинство из них играют малую роль в обрастании гидротехнических сооружений. Число видов, относя­ щихся к основной массе обрастаний, сравнительно невелико.

Вначале на поверхность сооружений оседают различные бакте­ рии, которые образуют тончайшую бактериальную пленку. На эту пленку оседают донные диатомовые (микроскопические) водоросли, селящиеся в наиболее освещенных местах. Из высших водорослей широко представлены зеленые, синезеленые, преобладающие в за­ грязненных водах портовых акваторий, красные и бурые. Послед­ ние широко представлены в обрастаниях свай, молов и буев и дают десятки килограммов биомассы на квадратный метр поверхности.

Заселение поверхности животными организмами происходит в основном путем оседания личинок, как правило, весной. Закрепив­ шись на поверхности, личинки через некоторое время превращают­ ся во взрослые формы, которые образуют животное обрастание.

Губки, так же как и простейшие беспозвоночные, в наших мо­ рях играют небольшую роль. Из кишечно-полостных, которые почти всегда участвуют в обрастаниях, в морях Советского Союза наибо­ лее часто встречаются гидроиды. Они плохо переносят загрязнение воды и поэтому в гаванях встречаются реже. Наибольший вред, гидроиды приносят морским водозаборам, где образуют войлокообразный слой мощностью до 10 см и дают до 10 кг/м2 биомассы..

Многощетинковые черви, главным образом, из семейства серпулид, имеющие хитиновые или известковые очень крепко прикреп­ ленные к поверхности домики — трубки (у некоторых видов длиной до 1—5 дм), встречаются в обрастаниях всех гидротехнических со­ оружений. Биомасса может достигать 20—30 кг/м2 и больше (Кер­ ченский пролив, Красноводский залив).

Мшанки составляют особый класс типа червеобразных, живут колониально. У многих морских форм имеется внешний известковый скелет, общий для всей колонии. Дают до 1 кг/м2 биомассы. Неко­ торые виды мшанок легко переносят очень сильное загрязнение во­ ды, поэтому часто встречаются в акваториях портов, например, в Бакинской бухте, где из-за грязи нет других обрастаний.

В морях СССР в многолетнем обрастании, как правило, пред­ ставлены двустворчатые моллюски, которые очень часто создают основную массу обрастаний, как по численности (до 2,0 млн. особей на 1 м2), так и по весу биомассы (до 100 кг/м2).

Наиболее часто в обрастаниях встречаются дрейсена (главным образом, в обрастании водоводов в опресненных водах с соленостью до 12%о), мидии, митилястеры.

83

Дрейсена распространена от Черного до Белого морей, в Кас­ пийском и Аральском морях. Обычно размеры сеголеток — 8— 10 мм; максимальный размер — до 40 мм; биомасса составляет 6— 8 кг/м2, иногда до 15 кг/м2.

Мидии участвуют в обрастании всех гидротехнических сооруже­ ний. Распространены в Балтийском, Баренцевом, Японском, Охот­ ском, южной части Берингова, Азовском морях. Крупные экземпля­

Балянус является основным обрастателем в Балтийском, Черном и Азовском морях, занесен через Волго-Донской канал в Каспий­ ское море. Некоторые виды встречаются в северных и дальневосточ­ ных морях. Балянус имеет наружный известковый скелет обычно конусообразной формы, при свободном развитии прикрепленный к поверхности сооружения. Крупные экземпляры в наших морях дос­ тигают 40 мм в высоту и такой же величины в основании. Балянус селится на сваях, молах, буях и дает до 40 кг/м2 биомассы.

«Морские уточки» прикрепляются к сооружениям стебельком длиной до 5—10 см, иногда до 50 см, размер головки обычно не превышает 4—6 см; селятся, главным образом, на буях во всех мо­ рях и океанах, кроме Ледовитого.

Большое значение в обрастании во всех наших морях, кроме Азовского и Каспийского, имеют колониальные оболочники — асцидии, образующие корку или наросты на поверхности сооружений. Обычно оболочники селятся на субстрате из других организмов — первопоселенцев и нередко к осени душат и мидий, и балянусов.

В тропических водах гидротехнические сооружения обрастают коралловыми полипами (отряд кишечнополостных), в частности, мадрепоровыми кораллами, которые являются колониальными жи­ вотными.

Отдельные особи (коралловые полипы) колониальных форм име­ ют размеры от 10 до 30 мм. Основной частью колонии является сильно развитый известковый скелет, который прирастает к суб­ страту. Мадрепоровые кораллы живут при минимальной температу­ ре воды не ниже +20,5° С и при солености не ниже 35 % о; поэтому глубина их распространения ограничивается 50—60 м.

Обычно вблизи уреза воды и до глубины 1—3 м селятся зеленые водоросли и балянусы. Эта зона наиболее интенсивного обраста­ ния. Ниже селятся гидроиды, асцидии, «морские уточки», мидии. Очень часто обрастания бывают смешанными. Иногда обрастатели располагаются в несколько слоев, создавая оброет до нескольких десятков сантиметров. Интенсивность обрастания зависит от кли­

84

матических и местных условий и колеблется в достаточно широких пределах.

Внаших морях наиболее мощные обрастания развиваются в Черном море, где вес биомассы достигает 100 кг/м2 и более за год.

ВКаспийском море максимум обрастания — 40 кг/м2, в Баренцевом море обрастание за год составляет 1,5—2,0 кг/м2. В портах Архан­ гельск и Нарьян-Мар, расположенных в устьях рек Северной Дви­ ны и Печоры, на деревянных сваях причалов вообще кроме тонкой слизистой пленки нет никаких обрастаний.

Врезультате обрастания гидротехнических сооружений зачас­ тую наблюдается усиление коррозии материалов. Обрастание свай помимо коррозии вызывает повышение сопротивлению при обтека­ нии водой, что ведет к перенапряжению конструкции.

Обрастание морских водозаборов ведет к снижению расхода во­ ды и к снижению теплообмена охлаждающих систем.

Изменение химического состава пристеночной воды вследствие жизнедеятельности обрастателей способствует коррозии материа­

лов.

На поверхности бетона и металла среди других бактерий обна­ руживаются активно действующие денитрофицирующие бактерии, окисляющие нитраты до свободного азота, и сульфатовосстанавли­ вающие бактерии, в результате жизнедеятельности которых может накапливаться сероводород.

Азот активирует.поверхность металлов и сдвигает потенциал в отрицательную сторону, чем способствует возникновению гальвани­ ческих пар. Особенно бурно бактерии развиваются в узких щелях, откуда их не смывают потоки воды; защитная пленка здесь быстро разрушается, создается гальваническая пара, в которой анодом служит поверхность щели, где и начинается коррозия.

В процессе окисления сероводорода создается кислая среда, раз­ вивается водородная деполяризация металла и потенциал сдвигает­ ся в отрицательную сторону, что способствует образованию гальва­ нических пар и развитию коррозии.

Одновременно наличие бактерий уменьшает концентрацию кис­ лорода и ведет к снижению коррозии.

Животное обрастание снижает концентрацию кислорода и повы­ шает концентрацию углекислоты, что ведет к снижению скорости коррозии металлов и увеличению скорости коррозии бетона.

Растительное обрастание увеличивает концентрацию кислорода, что при определенных условиях ведет к усилению коррозии метал­ лов и уменьшает количество свободной углекислоты, а это приво­ дит к снижению скорости коррозии бетона.

В естественных условиях обычно наблюдаются смешанные об­ растания, имеет место энергичное перемешивание вод, и поэтому указанные процессы действуют одновременно, чем сильно осложня­ ется действительная картина явления.

В некоторых случаях наблюдались сильные разрушения бетона при обрастании мидиями, глубокие точечные каверны на металле при обрастании балянусами, что, правда, объясняется не только

85

Глава ІѴ

МОРСКОЕ ВОЛНЕНИЕ

§1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЛН

Врезультате воздействия на воды океанов и морей различных сил возникают колебательные и поступательные движения частиц воды *. Распространение колебаний, или возмущений, в морской во­ де, как и вообще в любой деформируемой среде, называют волно­ выми движениями, или волнами. При этом волна может представ­ лять собой распространение возмущения любого вида: одиночная волна (рис. IV-1, а), ограниченная волна (рис. IV-1, б) и бесконеч­ ная волна (рис. ІѴ-1, в). В теории морских волн особое значение имеет последний случай. Часто при описании волн на поверхности жидкости, в том числе и морских волн, волной называют отрезок бесконечной волны, соответствующий длине волны %.

Из общей теории колебаний известно, что частицы среды при распространении волн совершают только колебательные движения около своего среднего положения. Следовательно, при распростра­ нении волн не имеет места перенос вещества, а наблюдается только перенос энергии. Это положение, которое является основным свой­

*Поступательные движения морской воды называются течениями, рассмот­ рению которых посвящена глава VI.

**В действительности наблюдается некоторый перенос массы воды при вол­ нении, численное значение которого дает теория волн конечной амплитуды.

67

Рис. ІѴ-2. Траектории частиц воды при волновых движе­ ниях за период волны (по Дитриху):

а) поступательная волна на глубокой воде; б) то же, на мелко­ водье; в) наложение двух поступательных волн (амплитуда одной составляет 38% амплитуды другой); г) стоячие волны

волны, в то время как частицы воды в поступательном движении не участвуют. Наглядной иллюстрацией такого движения могут быть волны, бегущие при ветре по поверхности ржаного поля в то время как отдельные колосья испытывают лишь небольшие коле­ бания*. В этом же легко убедиться, наблюдая движения плаваю­ щего на поверхности воды тела при прохождении волн или движе­ ния взвешенного в воде поплавка через стеклянную стену лотка, з котором распространяются волны (рис. ІѴ-2).

При описании волновых возмущений, распространяющихся по поверхности моря, т. е. при описании морских волн, часто исполь­ зуются, в случае плоского движения, следующие понятия (рис. ІѴ-3) :

профиль волны 1— линия пересечения взволнованной поверхно­ сти моря с вертикальной плоскостью, ориентированной в направле­ нии распространения волн;

* Это сравнение приводится у Леонардо да Винчи и, по-видимому, заим­ ствовано им у таджикского ученого Авиценны (Ибн-Сина, ок. 9в0—1037) [17].

88

Рис. ІѴ-3. Основные элементы двухмерной регулярной волны

спокойный уровень 2 — уровень воды при отсутствии волнения; средняя волновая линия 3 ■— горизонтальная линия, делящая рас­

стояние между вершиной и подошвой волны пополам; впадина волны 4 — часть волны, расположенная ниже спокой­

ного уровня; гребень волны 5 — часть волны, расположенная выше спокойно­

го уровня; вершина волны 6 — самая высокая точка гребня волны;

подошва волны 7 — самая низкая точка впадины волны; фронт волны — линия гребня волны в плане.

В количественном отношении морские волны характеризуются элементами, или параметрами, волн, к которым в случае плоского движения относятся (рис. ІѴ-3):

высота волны h — вертикальное расстояние между вершиной и подошвой волны;

длина волны X— наименьшее горизонтальное расстояние между частицами жидкости, находящимися в одной и той же фазе колеба­ ния, в частности, между двумя смежными вершинами или подошва­ ми волны;

крутизна волны h/k — отношение высоты волны к ее длине; период волны г — время одного цикла колебания частиц воды;

скорость распространения волны, или фазовая скорость, с — ско­ рость перемещения гребня волны по горизонтальному направлению без учета скорости течения.

В зависимости от характера действующих сил, величин элемен­ тов волн и их изменений во времени, соотношения между элемента­ ми волн и глубиной воды и другими факторами, в море могут на­ блюдаться разнообразные системы волн, классификацию которых можно произвести по различным признакам. Прежде всего волны можно классифицировать по силам, их вызывающим. При этом раз­ личают в е т р о в ы е в олны, возбуждаемые ветром; п р и л и в ­ ные, возникающие под воздействием притяжения Луны и Солнца; а н е м о б а р и ч е с к и е , возникающие при изменении уровня моря под влиянием ветра и изменения атмосферного давления; с е й с м и ­ ч е с к и е образующиеся в результате, главным образом, динами­ ческих процессов внутри земной коры в пределах океана; к о р а ­ б е л ь н ы е , возбуждаемые на поверхности воды при движении ко­ рабля.

По силам, стремящимся вернуть поверхность воды в положе­

89