Пособие по Транспортным узлам / Пособие по Транспортным узлам

ства, так как представляет большие удобства для строительства большего порта и не служит препятствием для дальнейшего его развития.

Лиманы (лагуны) являются весьма удобными для размещения в них морского порта, так как они хорошо защищены от морского волнения и нуждаются лишь, как правило, в устройстве коротких молов (шпор) на выходе в море, главным образом для ограждения от заносимости входа и создания защиты от волнения судам, входящим в порт и выходящим из него.

Устьевые участки рек, особенно крупных, представляют значительные транспортные удобства. Сам порт часто располагается в отдалении от места впадения реки в море, которое чаще всего ограждается молами для уменьшения заносимости входного канала.

Влияние надводного и подводного рельефа сказывается на выборе места для порта следующим образом.

Крутой берег представляет мало удобств для устройства порта, так как это сопряжено с большим объемом земляных работ, зачастую скальных. Кроме того, следует учесть возможные затруднения с прокладкой подъездных путей, особенно железнодорожных. Таким образом, наиболее удобной является пологая береговая полоса.

Что касается подводного склона, то крутой имеет то основное преимущество, что большие глубины находятся вблизи уреза, в результате чего отпадает необходимость в строительстве канала и резко сокращается объем дноуглубительных работ, как во время строительства, так и при эксплуатации. В то же время слишком близкое расположение больших глубин вызывает необходимость строительства на них оградительных сооружений, что приводит к значительной их стоимости.

При впадении реки в неприливное море и значительном количестве наносов резко снижается скорость реки, в результате чего происходит отложение наносов и образуются отмели (бары), входящие в состав речной дельты.

При впадении реки в приливное море приливы и отливы создают значительные течения, препятствующие отложению наносов. В таких случаях в результате взаимодействия реки и моря устьевой участок приобретает воронкообразное очертание, которое носит название эстуария.

1.7.2.Метеорологические условия

Кметеорологическим условиям относят явления, происходящие в атмосфере. Для портостроения, эксплуатации портов и для судоходства особый интерес представляют ветры, туманы, осадки, температура воздуха и воды, ледовый режим.

От ветра зависит направление и интенсивность волнения, что наиболее существенно влияет на компоновку и размеры оградительных

33

сооружений. По международной шкале Бофорта скорости ветров подразделяются на 12 баллов (таблица 1.1).

Направление и сила ветра определяется на метеорологических станциях различными приборами в зависимости от степени оборудования станций. Наиболее простым и дешевым прибором является флюгер Вильда, более совершенный прибор анимометр, относительно совершенным является анемограф – прибор, которым записывается, как сила ветра, так и его направление.

Направление ветра обозначается по сторонам света (по румбам) откуда он дует. Ветровой режим наиболее полно и наглядно характеризуется диаграммой, которая называется «розой ветров» (рисунок 1.1). «Розу ветров» строят на восьми радиусах, совпадающих с направлением главных румбов. Все ветры разбивают по скоростям на несколько групп. Для каждой группы по любому направлению определяется по-

34

вторяемость в процентах от общего числа наблюдений. Затем от центра диаграммы в определенном масштабе наносят круг, соответствующий штилю. Далее, по каждому направлению, откладываются в масштабе отрезки, соответствующие первой группе ветров, от конца вектора первой группы - соответствующие второй группе и т.д. Направление с наибольшим повторением ветров называется господствующим.

Рисунок 1.1 – Роза повторяемости ветров

Туманы образуются вследствие конденсации водяных паров в зависимости от степени влажности воздуха. Туманы оказывают значительное влияние на судоходство и на расположение, размеры и оборудование навигационной обстановки на подходах к портам. При плохой видимости (в частности, в густых туманах) прекращается работа на портальных кранах. На основании наблюдений составляют таблицы с указанием количества дней с туманами по месяцам для данного района.

Осадки выпадают при охлаждении атмосферы, предельно насыщенной водяными парами, в виде дождя, снега, крупы, града или осаждаются из воздуха при конденсации водяных паров в виде инея, росы, гололеда, изморози. Количество осадков выражается толщиной слоя воды в миллиметрах. Распределение осадков на земной поверхности весьма неравномерно и колеблется в пределах 250-14 000 мм в год. Осадки влияют на эксплуатационный режим портов.

Длительный период дождей затрудняет эксплуатационную деятельность, вынуждая прекращать операции с грузами, боящимися влаги (цемент, зерно, мука и др.). Эти обстоятельства учитывают при проектировании комплексов. Количество осадков учитывается при проектировании дренажных и ливневых коммуникаций, предохраняющих территорию порта от затопления и размывов. Средние значения коэффициента, учитывающего простои из-за осадков, приводятся в Нормах технологического проектирования морских портов.

35

Температуру воздуха и воды измеряют на гидрометеостанциях в те же сроки, что и параметры ветра. Данные оформляют в виде годовых графиков хода температуры. Основное значение этих данных для портостроения состоит в том, что они определяют сроки замерзания и вскрытия бассейна, от чего зависит длительность навигации. Также температура существенно влияет, например, на ход и организацию строительных работ, на производство погрузочно-разгрузочных работ. В НТПМП устанавливаются пределы температур наружного воздуха. Так в Балтийском и Южном бассейнах работы прекращаются при температуре -250, в Северном и Дальневосточном бассейнах при -310 и т.д.

Температура воды влияет на плотность воды, которая зависит от солености воды. При одинаковой температуре осадка судна в пресной воде в 1,03 раза больше, чем в морской. Резкое изменение температуры воды от 5 до 300 приводит к увеличению осадки судна на 0,5%.

Длительность навигации зависит от сроков замерзания и вскрытия бассейна. В зависимости от солености морская вода замерзает при температуре от -0,50 до -2,20.

В портах должны быть гидрометеостанции или соответствующие бюро погоды. В задачи последних, в частности, входит предостережение о приближении угрожающих метеорологических явлений. В предупреждениях о штормах указывают время, когда ожидается шторм, район распространения, направление и сила ветра в баллах, а также ожидаемое волнение моря. По получении таких сведений в порту поднимают штормовой сигнал. В задачу бюро погоды входит также оповещение об ожидаемом значительном подъеме или спаде уровня воды, о замерзании, вскрытии и очищении моря ото льда.

1.7.3. Гидрологические условия

Под гидрологическими условиями следует понимать весь комплекс явлений, связанных с изменениями и движениями, происходящими в водной среде. Из них важнейшими факторами, которые приходится учитывать при строительстве и эксплуатации портов являются колебания уровня воды, приливы и отливы, волнения, морские течения, физи- ко-химические свойства морской воды, ледовый режим.

Колебания уровня моря вызываются действием ветра, астрономическими влияниями (приливы и отливы), стоком речных вод, изменением атмосферного давления. Перечисленные факторы часто действуют одновременно. Этот фактор является решающим при назначении судоходных глубин акваторий и подходи каналов, отметок незатопляемой портовой территории, а также размеров портовых гидротехнических сооружений.

Колебания под действием ветра характеризуются отсутствием регулярности и периодичности. При продолжительных ветрах с моря наблюдается некоторое повышение уровня вблизи берега, называемое

36

нагоном. При обратном направлении ветра образуется сгон воды - понижение уровня. Величины нагона и сгона зависят от скорости и продолжительности ветра, а также от разгона (длины водной поверхности, которая подвергается действию ветра). Большое значение имеет очертание берегов в плане. Так, на открытых побережьях нагон и сгон меньше, чем в заливах и бухтах. Наибольшие изменения уровня моря под действием ветра наблюдаются в устьях рек, имеющих воронкообразную форму, на которых помимо нагона с моря, дополнительно повышается уровень вследствие ветрового торможения стока речной воды. В результате нагонный подъем может достигать нескольких метров, например нагон в устье реки Невы – 4 м., сгон 1,35 м. [6].

Кроме действия ветров, колебания уровня моря могут быть вызваны изменением атмосферного давления (при уменьшении или увеличении его на 1 мм. рт. ст. уровень воды изменяется на 1,3 см), испарением и стоком речных вод. В результате наложения этих факторов образуются сезонные колебания, которые для внутренних морей (Черного, Азовского, Каспийского и др.) составляют в среднем 0,3 - 0,4 м.

Приливы и отливы возникают от притяжения водной оболочки Земли Луной и Солнцем. В зависимости от положения данного пункта Земли по отношению к равнодействующей притяжения Луны и Солнца два раза в сутки уровень моря достигает максимума (полная вода) и минимума (малая вода). На величину приливов влияют также очертания и форма побережья, глубины, ветры, речной сток и др.

Приливо-отливные колебания в разных районах земного шара далеко не равномерны. В открытом океане и в большинстве пунктов открытого побережья материков приливы не превышают 1,5 - 2 м. Однако в вершинах длинных заливов и в узких проливах эта величина значительна. Так, в заливе Фанди (Северная Америка) наблюдается самый значительный в мире прилив с амплитудой 18 м.

Колебания уровня воды в устьевых портах вызываются изменением стока речных вод и уровня моря, а также ветровым воздействием. На уровень рек, впадающих в приливные моря и океаны, большое влияние оказывают приливы. В зависимости от уклона дна реки влияние прилива распространяется иногда на значительные расстояния от устья реки. Так, на р. Амазонке это расстояние доходит до 1400 км.

Взамкнутых морях имеют значение вековые колебания уровня моря, вызываемые изменением климата, геологическими явлениям (подъем или понижение берега). Эти процессы хотя и развиваются медленно, однако в некоторых случаях могут иметь существенное значение. Исследования показывают, что в течение нескольких столетий уровень Каспийского моря подвергался значительным изменениям, так за последние 40 лет произошло снижение горизонта воды на 2,5 м.

Всвязи с тем, что уровень моря по различным причинам подвержен колебаниям, достигающим иногда значительных размеров, существенное значение имеет выбор отсчетного уровня для назначения глу-

37

бин, обеспечивающих судоходство на подходных каналах, в акваториях и непосредственно у причалов. Это требование можно полностью удовлетворить, если в качестве отсчетного принять самый низкий уровень воды, наблюдавшийся за много лет. В таком случае объем дноуглубительных работ и стоимость причальных сооружений значительно возросли бы, это не оправдывается тем, что наинизший уровень наблюдается крайне редко. Поэтому, согласно действующих у нас НТПМП, отсчетный уровень выбирают исходя из критерия обеспеченности уровней.

Обеспеченность какого-либо уровня выражается процентом повторяемости (или числа случаев) всех уровней выше данного. Отсчетные уровни для различных участков устьевых рек следует назначать с учетом поверхностного уклона рек.

Волнение имеет существенное значение для эксплуатационной деятельности порта и для судоходства. Основными причинами образования волн являются ветры, сейсмические и вулканические воздействия, приливо-отливные факторы, волны, возникающие во время паводков, при движении судна и др. Для портов и судоходства наибольший интерес представляют ветровые волны. Различают вынужденные волны, развивающиеся при непрерывном воздействии ветра, и волны зыби, распространяющиеся еще некоторое время после прекращения ветра.

Волны характеризуются высотой, длиной, периодом, видимой скоростью перемещения и крутизной. Вблизи побережья меняются элементы волны, ее профиль и происходит поворот ее фронта. Это явление называется рефракцией. Фронтом называется линия, проведенная вдоль гребня данной волны. Перпендикулярные к фронту линии называются лучами волны. Физическая сущность рефракции в уменьшении скорости волны с уменьшением глубины. Поэтому у берега различные точки волны будут иметь разные скорости, что вызывает поворот и искривление волнового фронта (рисунок 1.2).

Рефракция волн влияет на формирование береговой полосы и, особенно, на корневые участки оградительных сооружений. Практика эксплуатации некоторых портов показывает, что при неудачной компоновки волнозащитных сооружений, происходит волнение на внутренней акватории, что создает эксплуатационные помехи. Даже при наилучшем расположении внешних оградительных сооружений в ворота порта проникает волна той или иной высоты (рисунок 1.3).

38

а) прямолинейного; б) выпуклого; в) вогнутого Рисунок 1.2 – Рефракция волн у берега

Рисунок 1.3 – Дифракция волн на акватории порта

При удачной планировке ограждений высота волны на акватории быстро уменьшается. Это явление называется дифракцией. Физический смысл данного явления заключается в следующем, энергия волнового движения, приходящаяся на участок фронта волны, равный ширине ворот, распределяется на более широкий фронт, а поэтому на единицу ширины приходится меньшее количество волновой энергии. Это сопровождается уменьшением высоты волны, скорости ее распространения и пр. Кроме того, волна затухает и потому, что происходит гашение ее энергии на границах водной среды (у дна, у стенок оградительных и причальных сооружений).

Защита акваторий от волнения является необходимым условием обеспечения нормальной эксплуатационной деятельности портов. Обеспечение достаточной защищенности зависит от расположения и

39

протяженности внешних оградительных сооружений, направления волны, подходов к порту и других факторов.

Высота волн зависит в основном от размеров, глубин и ветрового режима водоемов. По данным наблюдений, высота волн в океане в отдельных, редких случаях достигает 15 - 30 м. и более, но чаще всего она составляет 8 - 10 м. с периодом 8 - 10 сек. при длине 150200 м. и иногда 600 -800 м.

Сейсмические волны цунами возникают вследствие подводных толчков или вулканических воздействий и отличаются значительной длиной. Высота их в океане сравнительно невелика, но у берегов достигает иногда 40 м. при значительной скорости распространения (20 м/сек. и более). Они могут разрушить береговые сооружения, хотя для судов в открытом море серьезной опасности не представляют.

Приливные волны наблюдаются в строго определенные сроки, форма их движения поступательная.

Морские течения образуются ветрами, приливо-отливными явлениями, разностью плотностей морской воды, волнением и др. По продолжительности различают постоянные, периодические и временные течения. К постоянным относятся течения Гольфстрим, Куро-Сиво, Се- веро-Атлантическое и др. Они обусловлены постоянной разницей плотности воды в различных частях океана. Периодические течения образуются вследствие приливо-отливных явлений. Вблизи берега они знакопеременные: при приливе - в сторону берега, при отливе - наоборот. В открытом море приливные течения почти незаметны. Однако в проливах, бухтах и устьях рек, скорость их достигает 3 м/сек. и более. В устьях рек особенно значительны отливные течения, вызванные накоплением речных вод при приливе. К временным относятся течения, вызванные ветровым воздействием, а также действием волнения у берегов, сопровождающегося нагоном воды.

Форма и рельеф берега и морского дна существенно влияют на ветровые течения, особенно в мелководной зоне. Эти факторы во многом определяют направление и скорость течений, содержание в них взвешенных наносов. Картина ветровых течений осложняется влиянием сопутствующего волнения с образованием нагонов, вызывающих дополнительные донные противотечения. Скорости течений, вызванных ветровым воздействием, колеблются от нескольких сантиметров до 1-1,5 м/с.

В открытом море на направление ветровых и компенсационных течений заметное влияние оказывает вращение Земли, вследствие чего водные массы в северном полушарии отклоняются вправо, а в южном - влево. Этим объясняется направление Гольфстрима - от экватора на северо-восток. По этой же причине ветровые течения в океанах и открытых морях отклоняются от направлений ветра.

Тщательное изучение течений в районе побережья, примыкающего к порту, имеет существенное значение для правильного расположения

40

вплане морских гидротехнических сооружений, трасс подходных каналов, борьбы с заносимостью и т.д.

Ледовый режим определяет толщиной льда, его прочностью, сроками образования и вскрытия. Существенное значение имеют подвижки ледяных полей и характер ледохода. Ледовый режим имеет большое значение для судоходства и эксплуатационной деятельности порта. Для портов имеет значение продолжительность ледостава, который может приостанавливать работу порта или приходится задействовать ледоколы. Первые подвижки льда и льдин при ледоходе оказывают значительное силовое воздействие на сооружения. В отдельных случаях необходимо устраивать льдозащитные сооружения.

1.7.4.Физико-химические свойства морской воды

Всостав морской воды входит много солей, основными из которых является хлористый натрий - 80%, хлористый магний - 10% и сульфаты 10%. Соленость морской воды выражают в промилях (количество соли

вграммах, содержащихся в 1 кг воды). Обозначение промилей – 0/00.

У выхода рек соленость падает. Кроме солей морская вода может содержать до 100 мг/л свободной агрессивной кислоты, вода Черного моря насыщена сероводородом.

Морская вода населена большим количеством животных и растительных организмов, которые образуют биологическую агрессию, способствующую разрушению некоторых видов строительных материалов.

Воздействие морской воды по отношению к строительным материалам гидротехнических сооружений разделяется на несколько зон.

Первая зона - надводная, никогда не затапливается, находящаяся под влиянием морских брызг и испарений.

Вторая зона - зона переменного увлажнения, расположена на уровне колебания моря при волнении, приливо-отливных явлениях.

Третья зона - подводная, расположена ниже уровня воды и не соприкасается с атмосферным воздухом.

Четвертая зона - зона морского дна.

Под воздействием гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических факторов происходит разрушение гидротехнических сооружений и снижается их долговечность.

Основные материалы, применяемые в морском гидротехническом строительстве - это камень, металлы, бетон и железобетон, дерево, резина и др.

Гидрофизическим факторам (переменное обмерзание и оттаивание) подвержена зона переменного горизонта (вторая). Замерзание воды в порах бетонных и железобетонных изделий приводит к появлению мелких волосяных трещин, через которые проникает агрессивная вода и происходит коррозия арматуры и разрушение бетона. Поэтому на стадии строительства необходимо применять морозостойкие, водо-

41

непроницаемые, высокопрочные плотные бетоны и предусматривать специальную защиту сооружения в пределах переменного уровня.

Зона переменного увлажнения подвержена интенсивному разрушению также и из-за воздействия льда, истирающего бетон при его подвижках.

Гидрохимические факторы наиболее интенсивно происходят также в зоне переменных горизонтов воды и медленнее в подводной зоне.

Гидрохимический процесс в железобетонных конструкциях вызывается химической реакцией гипса при соединении с трехкальциевым алюминатом, содержащимся в цементе, в результате чего образуется цементная бацилла (соль Деваля), которая приводит к увеличению объема вещества в 2,5 раза, растрескиванию бетона и нарастающему процессу разрушения бетона.

Находящаяся в морской воде агрессивная углекислота разрушает пленку из карбоната кальция, обращаясь в вещество, легко растворимое в воде. Быстрое разрушение бетона (около 10 лет) происходит также из-за пониженной плотности бетона

Наибольшая коррозия металлов происходит во второй зоне в условиях периодического смачивания поверхности водой и избыточности кислорода. Ниже уровня воды коррозия металлов менее интенсивна. Опасная зона находится на границе «грунт-вода», т.е. на уровне дна.

К гидробиологическим факторам относят влияние древоточцев, гниение и органические обрастания сооружений.

В морях России наблюдаются древоточцы 2-х групп (Тередо и Лимнория). Тередо - это моллюск червевидной удлиненной формы (шашень), достигает длины 14-30 см и разрушают деревянные элементы параллельно волокнам древесины. Ходы Тередо не пересекаются и на поверхности дерева повреждения не заметны. Главным образом, древесина разрушается в подводной части, однако в части сооружения, погруженные в грунт, они не проникают. Эти моллюски распространены в Черном и Дальневосточном морях. Срок службы деревянных элементов гидротехнических сооружений в районе Новороссийска, Батуми менее 1 года. В Одессе - 15-20 лет, в Дальневосточных портах - от 1 года до 3 - 5 лет.

Лимнории - это ракообразные размером в длину 3-5 мм, диаметром 2-3 мм. Они проделывают ходы на расстоянии не более 5 мм от поверхности, а после того, как наружный подточенный слой отвалился, приникают глубже. Выше поверхности воды и ниже дна деятельность древоточцев не наблюдается.

Интенсивность действия древоточцев зависит от степени солености и загрязненности морской воды и ее температуры. При солености воды менее 50/00 тередо гибнет, а при солености 120/00 свободно развивается. Лимнория не может существовать при солености ниже 15-160/00,

42