Отбойные и швартовые устройства.

Назначение отбойных и швартовых устройств.

Для нормальной эксплуатации причалы должны быть оснащены целым комплексом вспомогательных устройств. Важнейшими являются отбойные устройства, предназначенные для защиты причалов от повреждений при подходе и стоянке судов у причала, и швартовые устройства, которые позволяют закрепить суда у причалов и ограничить их перемещения при воздействии ветра, волнения и течений.

Отбойные устройства могут быть двух типов: в виде жестких конструкций или амортизаторов. Жесткие отбойные устройства только защищают от повреждений те элементы причала, которые непосредственно соприкасаются с судном. В этом случае нагрузки от судов полностью воспринимаются конструкцией причальных сооружений.

Отбойные устройства типа амортизаторов кроме непосредственной защиты конструкций поглощают часть энергии швартующегося судна, в результате чего удается уменьшить усилия, которые передаются на сооружения судов, облегчить конструкцию и уменьшить стоимость самого сооружения. Таким образом, при использовании даже относительно дорогого отбойного устройства, в конечном счете достигается экономия средств.

На причалах для крупнотоннажных судов применяют отбойные устройства только второго тапа. Кроме того, в последние годы скорость подхода крупнотоннажных судов для ограничения энергии контролируется специальной радиолокационной аппаратурой. Если скорость подхода превышает допустимую, автоматически, подается соответствующий сигнал и, могут быть своевременно приняты меры к ее снижению. Для судов водоизмещением порядка 10 тыс. т. допускается скорость подхода не более 0, 13 м/с, для судов 100 тыс. т. – не более 0, 08 м/с.

Применение рациональных по конструкции отбойных устройств и соблюдение правил швартовки позволяют предотвратить повреждения судов и сооружений. Однако отбойные устройства в неисправном состоянии не только не улучшают условий эксплуатации, но и могут вызвать значительные повреждения, как самих сооружений, так и судов. Не менее частой причиной повреждения судов и сооружений является неправильная эксплуатация причалов, в частности превышение допустимой скорости подхода судна к сооружению. Иногда повреждения носят весьма серьезный характер, что приводит к необходимости вывода сооружений из эксплуатации.

Во всех странах ведутся активные поиски конструктивных решений отбойных приспособлений, в наибольшей степени отвечающих современным требованиям. В частности, они должны обладать достаточной энергоемкостью при относительно небольшой деформации и минимальной отдачей, иметь относительно небольшие размеры по нормали к причальной линии, быть простыми и надежными в работе и легко заменяемыми. Наконец, они должны выполняться из недефицитных материалов и иметь невысокую стоимость.

Надежная и безопасная эксплуатация судов, устанавливаемых у причалов, наряду с применением отбойных приспособлений обеспечивается наличием достаточного числа удачно размещенных швартовых тросов и швартовых устройств, к которым относятся тумбы, рымы, гаки (крюки).

Швартовые тросы или канаты могут быть изготовлены из стальных проволок, органических и искусственных волокон. Стальные тросы отличаются между собой числом прядей, числом проволок в прядях, характером свивки и т.д. Тросы или канаты из органических волокон в зависимости от вида применяемого материала могут быть пеньковыми, манильскими и сизальскими, которые изготавливают из волокон соответственно конопли, бананового дерева и агавы. Трос пеньковый может быть несмоленый (бельный) и смоленый; последний, так же, как и манильский, не боится сырости. Для изготовления швартовых тросов в последнее время все чаще применяют синтетические материалы: нейлон, капрон, перлон. По своим эксплуатационным свойствам (прочности, водостойкости, гибкости и др.) эти тросы значительно превосходят лучшие тросы из растительных волокон. Важнейшими характеристиками швартовых тросов являются их разрывные усилия и деформативные свойства. При стоянке судна у причала оно закрепляется с помощью швартовых тросов, заводимых за швартовые устройства.

Все швартовые тросы (швартовы) делятся на следующие группы: носовые. Кормовые, прижимные и шпринги (рис.).

Носовые и кормовые швартовы служат для подтягивания судна при подходе к причалу, а также для восприятия усилий, действующих вдоль судна от ветра, волн и течений. Устанавливают их под углом 20…40⁰ к линии кордона.

Прижимные швартовы служат в основном для восприятия усилий от ветра и течений, направленных перпендикулярно борту судна и близких к этому направлений. Учитывая возможные изменения направления ветра и необходимость восприятия динамических воздействий при шквалистом ветре, их обычно устанавливают под углом 60…90⁰ к линии кордона.

Шпринги служат для восприятия продольных усилий, поэтому их направление близко к линии кордона и составляет угол 5…10⁰. Они также препятствуют возникновению бортовой и килевой качки судна.

В зависимости от размеров конкретных судов и их расстановки у причала необходимо также определять углы швартовов в вертикальной плоскости. Длины носовых и кормовых швартовов 60…120 м., прижимных – 40…80 м., шпрингов – 30 – 70 м. (рис.). Указанные рекомендации в конкретных условиях могут корректироваться.

На причалах в виде набережных – стенок для штучных, навалочных и других грузов, обслуживающих суда различных размеров, швартовые тумбы устанавливают на расстоянии 0, 5…1 м. от линии кордона с шагом 20…30 м. вдоль причала. Иногда, особенно в районах с сильными ветрами. При швартовке крупнотоннажных судов кроме основных рядовых прикордонных тумб предусматривают более мощные тумбы у концов причалов. Для восприятия усилий при штормах дополнительно устанавливают штормовые тумбы в тыловой зоне. т.е. обычно за прикордоновыми и железнодорожными путями. После получения штормового предупреждения и прекращения перегрузочных работ на причале дополнительные швартовы заводят за эти тумбы.

На специализированных причалах, например для танкеров, швартовные тумбы располагают несколько иначе, обеспечивая наиболее надежное раскрепление судна при действии ветра и волнения. Основные швартовые устройства – тумбы устанавливают на швартовых палах. Дополнительные тумбы меньшей мощности могут быть установлены на технологической площадке и других конструкциях сооружения (рис.). При расстановке тумб на речных причалах необходимо учитывать колебания уровня воды, поэтому тумбы устанавливают в два – три яруса по высоте.

Следует отметить, что крупнотоннажные суда нередко швартуются на недостаточно незащищенных от волнения акваториях, вследствие чего в швартовах возникают незначительные усилия, которые до последнего времени не поддаются точному учету. Для восприятия этих усилий нередко устанавливают швартовные бочки, на которые заводят дополнительные швартовы.

Горизонтальные нагрузки, возникающие при швартовке судна, часто воспринимаются отдельно стоящими сооружениями, не соединенными с конструкциейсамого причала, так называемыми палами. По назначению палы могут быть отбойные, воспринимающие навал судов, или швартовные, воспринимающие швартовные усилия. Иногда в портах применяют палы другого назначения: направляющие, разворотные, комбинированные отбойно – швартовные или причальные. В зависимости от характера передаваемых на палы нагрузок они оснащаются отбойными и швартовными устройствами.

Как отбойные, так и швартовные палы могут быть жесткими и гибкими. Учитывая, что усилия от навала подходящего судна в значительной мере уменьшаются при увеличении податливости сооружения, наиболее эффективно применять гибкие отбойные палы, которые дополнительно снабжаются амортизирующими отбойными приспособлениями. Если имеются швартовные и отбойные палы, например у нефтепирсов, то швартовные палы оборудуют только охранными отбойными устройствами. Швартовные устройства располагают на швартовных и причальных палах. Нагрузки на эти палы могут достигать 10 НМ, поэтому выбору их конструкции должно быть уделено особое внимание.

Отбойные устройства.

Отбойные устройства могут быть разделены на следующие основные группы: из дерева или металла, гидравлические и гидропневматические, пружинные, гравитационные, из резиновых элементов заводского изготовления, комбинированные металлорезиновые и пр.

Жесткие отбойные устройства выполняются обычно из дерева. Наиболее простым видом отбойного устройства из дерева являются рамы. Лицевые брусья отбойной рамы делаются вертикальными при значительных колебаниях уровня, остальных случаях горизонтальными (рис.)

Опыт многолетней эксплуатации таких рам показал, что при швартовке судов под действием многократных нагрузок вертикальные стойки в местах жесткого болтового соединения скалываются и выходят из строя. Даже небольшие повреждения конструкций создают опасность для швартующихся судов из – за выступающих болтов, уголков и других крепежных деталей. Ремонт таких отбойных рам весьма затруднен и практически невозможен без вывода причала из эксплуатации.

Навесные конструкции отбойных устройств можно изготовлять на заводе с последующей навеской готовых элементов. Навесные устройства позволяют осуществлять быструю замену при их изменяющейся эксплуатационной обстановке, например, при необходимости приемки судов с параметрами, отличными от расчетных для данного причала, характеризующихся увеличенной кинетической энергией.

Для уменьшения жесткости деревянных отбойных устройств их дополняют автопокрышками, бывшими в употреблении. Деревянный щит из нескольких горизонтальных брусьев, сболченных меду собой, подвешивают к стенкам причалов. Между щитом и стенкой укрепляют несколько (в зависимости от длины щита) автопокрышек, подвешенных на тросах или цепях либо жестко закрепленных к деревянному щиту с внутренне его стороны (рис.).

Отбойные устройства этого типа обеспечивают удовлетворительную защиту сооружения на значительном участке и позволяют распределить на большую площадь нагрузку от судов благодаря включению в работу одновременно нескольких амортизаторов – покрышек. Деревянные щиты с покрышками устанавливаю по всей длине причала с небольшими разрывами. Подобные отбойные устройства наиболее часто применяют на речных причалах и реже на морских.

Мощные отбойные устройства удалось получить, нанизывая автопокрышки на оси из бревен, фишин или резных труб таким образом, что плоскости автопокрышек оказались перпендикулярными плоскости стенки. Подобные отбойные устройства иногда применяются на причалах для крупных судов (рис.). Отбойные устройства этого типа получили широкое распространение в Западной Европе (Германия, Швеция и др.). Эти отбойные устройства часто устраивают плавучими.

В настоящее время их применяют наряду и совместно с самыми современными отбойными устройствами заводского изготовления. При этом на причалах, расположенных на недостаточно защищенных акваториях, необходимо следить за тем, чтобы при надвигающемся шторме плавучие отбойные устройства были отбуксированы к месту отстоя или извлечены из воды, что довольно значительно осложняет эксплуатацию причалов. Если плавучие отбойные устройства при шторме остаются у причала, они могут его повредить, а сами будут разбиты. Следует отметить, что эффективность применения отбойных устройств из пустых автопокрышек не велика. Целесообразнее применять автопокрышки, туго набитые обрезками резины, которые помещают в специальные мешки, имеющие форму камеры автомобильного колеса.

Металлические отбойные устройства выполняют из стальных труб диаметром 5…6^//, сваренных в плоские рамы, которые подвешиваются на цепях к причальным сооружениям (рис.).

В отечественной практике металлические отбойные устройства применяют в речных портах. Жесткость таких отбойных устройств, так же как и деревянных, можно уменьшить, помещая между рамой и стенкой причала в качестве амортизаторов старые автопокрышки или специальные резиновые элементы. Некоторыми конструкциями предусматривается возможность смещения рамы при навале судна (рис.)

В этом случае раму с прикрепленными к ней бетонными блоками подвешивают на цапфах. При навале судна цапфы, а вместе с ними и рама с блоками размещаются по наклонным направляющим вверх. При этом совершается работа, на которую расходуется энергия швартующегося судна.

Этот тип отбойных устройств является переходным к отбойным устройствам гравитационного типа, работа которых основана на принципе превращения кинетической энергии подходящего к причалу судна в потенциальную энергию массивного тела, смещающегося одновременно в горизонтальном и вертикальном направлениях, что обеспечивается специальной системой их крепления к причалу (рис.).

Гравитационные отбойные устройства по сравнению с деревянными или резиновыми более дорогие. Поэтому используются на причалах, обслуживающих только крупнотоннажные суда.

Для смягчения удара при подходе судов малого водоизмещения лицевую грань гравитационных отбойных устройств целесообразно снабжать более податливыми амортизаторами. Форма блоков и способы их подвески или операния могут быть различными. Так, например, в порту Находка железобетонная рама отбойного устройства бункеровочного причала состоит из лицевой балки сечением 1, 8 х 0, 5 м., тыловой балки сечением 0, 7 х 0, 7 м., и трех поперечных балок, из которых две крайние имеют сечение 0, 8 х 0, 55 м., а средняя 0, 6 х 0, 6 м. Длина продольных балок 10 м., поперечных 6, 5. Рама подвешена горизонтально на четырех цепях, прикрепленных к крайним поперечным балкам. Масса рамы около 55 т. (рис.) при навале судна отбойное устройство может сместиться по горизонтали на 0, 7 м. и по вертикали на 0, 35 м. Энергия, которая может быть погашена при смещении рамы в предельное положение, равна 200 кДж. В местах возможного соприкосновения рамы с причалом установлены охранные деревянные брусья.

На причале Биньоли в Неаполе отбойное устройство состоит из железобетонного массива длиной около 5 м. и массой 16 т., подвешенного на двух подвесках (рис.). Позади массива установлена чугунная плита. В предельном положении массив опирается на два резиновых цилиндра, реакция которых совместно с горизонтальной составляющей веса массива уравновешивает передающееся на отбойное устройство усилие в 53 т. энергия, которую может поглотить отбойное устройство, равно примерно 250 кДж.

Наряду с перечисленными типами отбойных устройств, которые, как правило, изготавливаются силами самих портов или строительных организаций, широко используются отбойные устройства типа амортизаторов заводского изготовления разнообразных конструкций: с резиновыми элементами различной конфигурации, пневматические, гидропневматические и др.

Наибольшее распространение в портах мира, в том числе отечественных, получили амортизирующие устройства, основанные на принципе использования деформаций резиновых элементов. Широкое применение резины для этой цели обусловлено ее физико – механическими свойствами: сжимаемостью, большой упругостью, энергоемкостью, способность сохранять свои характеристики в большом диапазоне температурных колебаний, стойкостью в отношении химических и бактериальных воздействий.

Во многих случаях достаточно эффективными и долговечными оказываются амортизирующие элементы, имеющие трубчатую, трапецеидальную или другую специальную форму (рис.).

Наиболее широкое распространение получили трубчатые амортизирующие элементы с наружным диаметром 0, 4…1, 0 м. внутренний диаметр их обычно равен половине наружного, а поглощаемая энергия составляет 15…90 кДж/м. в настоящее время применяются трубчатые элементы диаметром 3 м., длиной 6 м., массой 25 т. Способы подвески рубчатых амортизаторов показаны на рис. Ведутся работы по совершенствованию способов подвески трубчатых амортизаторов.

Необходимо отметить, что рассмотренные амортизаторы все же обладают большой жесткостью и передают на борт судна значительные удельные давления. В связи с этим нужно применять специальные устройства для передачи давления на большую площадь обшивки судна (рис.). Следует отметить, что обычные амортизаторы трапецеидального поперечного сечения (рис.) могут быть использованы только для судов определенного тоннажа – до 30…50 тыс. т. Для судов большего тоннажа их амортизирующая способность недостаточна, а для судов малого тоннажа они являются слишком жесткими. В настоящее время используются трапецеидальные амортизаторы особой формы, имеющие на лицевой поверхности утолщение с канавкой (рис.). При воздействии судов малого тоннажа этот амортизатор обладает высокой податливостью. Когда зазор между лицевой поверхностью причала и амортизатором будет выбран, жесткость амортизатора возрастет, и он может поглощать большую энергию, но при возросшем усилии. Зависимость деформаций от усилий для амортизатора этого типа характеризуется наличием двух ступеней, что свидетельствует о возможности ограничения усилий при судах малого тоннажа и обеспечения достаточной энергопоглащающей способности, при судах крупного тоннажа.

При обслуживании самых крупных судов применяют еще более мощные отбойные устройства (рис.), в которых использованы трапецеидальные амортизаторы.

За рубежом широкое распространение получили амортизаторы Рейкина (рис.). Амортизирующий элемент изготовляют путем последовательной склейки металлических пластин и резиновых прокладок. В амортизаторе резина работает на сдвиг и сжатие, поэтому кривая зависимости деформаций от усилий также характеризует более эффективное гашение энергии по сравнению с трубчатыми элементами. Амортизаторы Рейкина хорошо воспринимают усилия, действующие не только по нормали к лицевой поверхности причала, но и касательные, позволяют гасить энергию значительной величины при сравнительно небольших усилиях. Подобные амортизаторы изготовляет ряд зарубежных фирм.

В морских портах нередко применяют амортизаторы пневматического типа. Простейшие из них представляют собой специальные баллоны, закрепленные на пустотелой металлической оси длиной до 11 м. с помощью металлических фланцев с подшипниками, допускающими их свободное вращение (рис.). Диаметр амортизаторов может достигать 3 м (при использовании авиационных или специально изготовляемых покрышек), а внутреннее давление – 0, 35 Мпа. Допускаемая статистическая нагрузка на один подобный амортизатор составляет около 1000 кН, поглощаемая энергия - 450 кДж.

Устройства этого типа могут быть установлены между судном и причалом или между двумя судами при перегрузке, выполняемой на плаву.

В настоящее время широко применяются пневматические кранцы Иокогама (рис.), размеры которых и поглощаемая энергии варьируются в широких пределах. Наибольшие пределы кранца D = 4, 5 м., L = 9, 0 м, при этом поглощаемая энергия составляет 3600 кДж, воспринимаемое усилие 500 кН. Для поглощения энергии танкера дедвейтом 100 тыс. т., подходящего к причалу со скоростью 0, 2 м/с, достаточно трех амортизаторов диаметром 3, 3 м.

Таким образом, эти амортизаторы могут использоваться на причалах для самых крупных судов. Наружный и внутренний слои оболочки амортизатора изготовляют из натуральной резины, внутренний армирующий слой – из нейлона. Для предотвращения прямого удара судна о сооружение при разрыве оболочки в баллон помещают синтетическую губчатую массу. На конце амортизатора устанавливают предохранительный клапан, служащий для выпуска в воздуха из амортизатора при нагрузках, превышающих проектные.

Амортизатор ABF (Air Block Fendor), который неподвижно устанавливают на причальном сооружении.

Пневматические амортизаторы типа дорогой дают большую отдачу (отход судна от причала после удара). Деформации значительны. Эти недостатки устраняются применением гидравлических амортизаторов. Под нагрузкой от навала судна поршень гидравлического амортизатора сдвигается в металлическом корпусе и выжимает масло в специальный резервуар, а в первоначальное положение возвращается под действием специальной пружины. Энергия, поглощаемая гидравлическим отбойным устройством, зависит от массы подходящего судна и его скорости, т.е. этот тип амортизаторов само.

Гидродинамические струйные амортизаторы гасят энергию подходящего судна энергией потока воды, создаваемого насосами.

Швартовые устройства.

Наиболее распространенным видом швартовного устройства являются тумбы, выполняемые пустотелыми из чугуна или, стали (рис. а), в которые заливают бетонную смесь. Тумбы могут быть одноголовые и двухголовые. За рубежом применяются также тумбы с круглым симметричным козырьком, которые иногда называются битенгами (рис. б). Опорную плиту тумбы устанавливают непосредственно на поверхность бетона верхнего строения, подливая цементный раствор, и прикрепляют к сооружению анкерными болтами.

Для ускорения швартовых операций, что является весьма желательным, предложены специальные конструкции тумб со срабатывающим устройством (рис. в). Головка тумбы со сбрасывающим устройством, на которую надевается петля швартового троса, может вращаться и наклоняться относительно горизонтальной плоскости. Когда петля швартова наброшена на головку, под влиянием его натяжения головка стопорится под определенным углом к горизонтали и поворачивается в направлении действия швартового усилия. При этом сбрасывающее устройство также стопорится. Если необходимо снять швартовый трос с тумбы, стопор сбрасывающего устройства освобождается, головка тумбы поворачивается относительно горизонтальной оси, и швартов сбрасывается.

Тумба с приводом (рис. г) имеет головку винтообразной формы. Петля швартова набрасывается на верхнюю часть головки, которая поворачивается относительно вертикальной оси и закрепляет швартов в нижнем положении. При вращении в обратном направлении швартов сбрасывается. В тех случаях, когда необходимо быстро освобождать швартовные тросы, применяют также быстроотдаваемые гаки. Имеются специальные быстродействующие гаки с дистанционным управлением. Предназначенные для быстрой их отдачи при аварийной ситуации, при аварийной ситуации и добиться их автоматизации.

Швартовые усилия, передаваемые на причалы, достигают очень больших величин. Для уменьшения швартовных усилий могут быть применены специальные ветрозащитные экраны, амортизаторы (для уменьшения динамических усилий и швартовых), различного рода ограничители и пр.

Кроме основных швартовных устройств на причалах устанавливают рамы для судов меньших размеров.

Причальные тумбы стандартизованы. Размеры тумб подпираются, исходя из швартовного усилия для расчетного судна.

Проектировщики – гидротехники должны произвести расчет швартовных устройств на сооружении, для чего предусматриваются специальные закладные части (рис. и).

Для определения усилий, действующих на эти закладные части, используются простейшие приемы строительной механики – разложение сил на соответствующие составляющие. Эти составляющие сил воспринимаются закладными частями, которые должны иметь необходимую прочность, и при передаче усилия на бетон не должны превышать критических значений. У сооружений в виде шпунтовых стенок, а иногда и других типов для восприятия швартовных усилий устанавливают специальные анкерные устройства в грунте.

Жесткие палы могут быть гравитационного типа из железобетонных оболочек большого диаметра (рис. а), из массивов – гигантов различной формы, а также в виде свайных конструкций с высоким и низким ростверком, ячеистых конструкций из плоского металлического шпунта и железобетонных оболочек, погруженных в грунт.

В конструктивном отношении массивы – гиганты, оболочки большого диаметра, ячеистые конструкции мало чем отличаются от применяемых при строительстве причальных и оградительных сооружений.

Жесткие палы свайной конструкции с низким свайным ростверком могут иметь верхнее строение монолитное или в виде сквозной конструкции, например в виде металлической фермы, опирающейся на каменную постель (рис. г), металлические сваи из стальных труб, которые в последнее время получили особенно широкое распространение (рис. е).

В жестких палах свайной конструкции, как правило, имеются наклонные сваи, которые работают в основном на осевые нагрузки, поэтому они могут иметь сравнительно небольшое поперечное сечение и, следовательно, являются довольно гибкими. Для устранения этой гибкости швартовые палы обычно связывают между собой в пространственную ферму (рис. е). для удобства и ускорения монтажа эту ферму готовят на берегу, целиком устанавливают на дно с помощью плавучего крана и закрепляют в грунте анкерными сваями, забитыми через вертикальные и наклонные стойки фермы с кольцевым зазором между ними.

Гибкие палы (рис.) обычно изготовляют на отдельных мощных металлических свай (рис. а) или групп свай (рис. в). Верхнее строение выполняют в виде стальных специальных диафрагм, распределяющих усилие между сваями, или в виде железобетонной плиты (рис. в). металлические сваи гибких отбойных палов в составе причалов для крупнотоннажных судов имеют диаметр до 2 м., а в отдельных случаях и больше. Для одноточечных причалов, которые, по существу, также являются палами, применяются сваи из металлических труб еще большего диаметра.

Верхнее строение из стали или железобетона изготовляют и оснащают оборудованием на берегу и в готовом виде устанавливают на забитые в грунт сваи. В некоторых случаях утраивают монолитное верхнее строение, иногда применяют деревянные отбойные сваи, а иногда и кусты таких свай, забиваемых у лицевой грани причала. Такие отбойные приспособления предохраняют от повреждения не только надводную, но и подводную часть причала. Однако при значительных глубинах устройство деревянных отбойных свай требует использования длинномерного леса. Кроме того, во многих случаях они оказываются недостаточно надежными и часто повреждаются, поэтому, в последние годы деревянные отбойные сваи иногда заменяют предварительно напряженными железобетонными или металлическими.

Расчет палов производится на нагрузки от швартовых усилий и от навала судна. В простейшем случае гравитационные палы рассчитывают на сдвиг и опрокидывание.

В некоторых случаях вместо отдельных палов применяют отбойные балки и стенки, которые защищают отдельные опоры, технологические площадки и другие части специализированных причалов. Эти отбойные стенки выполняют в виде ряда наклоненных в сторону моря металлических свай, головы которых связывают тяжелыми сплошными железобетонными балками. По концам стенки сваи расположены чаще, чем по середине, так как интенсивность ударов по концевым частям балок больше и, кроме того, при ударе о среднюю часть стенки усилия распределяются на большее число свай.

При передаче усилия на стенку энергия подходящего судна гасится в результате подъема тяжелой балки и работы, затрачиваемой на прогиб свай.

Иногда отказываются от использования тяжелых балок. В этом случае энергия подходящего судна гасится в основном вследствие прогиба свай.

При малых глубинах у причалов и сравнительно небольших нагрузках применяют деревянные отбойные сваи, а иногда и кусты таких свай, забиваемых у лицевой грани причала. Такие отбойные приспособления предохраняют от повреждения не только надводную, но и подводную часть причала. Однако при значительных глубинах устройство деревянных отбойных свай требует использования длинномерного леса. Кроме того, во многих случаях они оказываются недостаточно надежными и часто повреждаются, поэтому в последние годы деревянные отбойные сваи иногда заменяют предварительно напряженными железобетонными или металлическими.

Расчет палов производится на нагрузки от швартовых усилий и от навала судна. В простейшем случае гравитационные палы рассчитывают на сдвиг и опрокидывание.

Оградительные сооружения.

Классификация оградительных сооружений.

Оградительные сооружения по расположению подразделяют на внешние и внутренние.

Внешними называют оградительные сооружения, предназначенные в основном для защиты акватории порта от проникания на нее со стороны моря волнения, течений, наносов и движущегося льда, а в некоторых случаях - для защиты подходных каналов от заносимости. От волнения акваторию порта защищают образом волноломы и молы. От течений, наносов и льда или от одного из этих факторов акваторию защищают преимущественно оградительные дамбы. Они же применяются для защиты территории от затопления, а также подходных каналов от заносимости. Одновременно они, конечно, защищают находящиеся в канале суда и от воздействия других факторов, в том числе и волнения. Обычно дамбы выполняют откосного профиля из местных грунтов с устройством защитного покрытия, поэтому на водохранилищах, по существу, все оградительные сооружения являются дамбами.

К внутренним относятся оградительные сооружения, расположенные на акватории порта и отделяющие одну часть от другой. В том случае оградительные сооружения предназначаются не столько для защиты акватории от волнения, проникающего с моря, сколько для того, чтобы воспрепятствовать образованию волн на самой акватории или оградить бассейны специального назначения, например нефтяные гавани.

Иногда при расширении акватории за счет строительства новых оградительных сооружений внутренними могут оказаться старые внешние оградительные сооружения; в этом случае их существование должно быть специально обосновано

К внутренним оградительным сооружениям относятся также шпоры 0 сооружения, примыкающие к другим сооружения; иногда шпорами называют и короткие молы.

По форме поперечного сечения оградительные сооружения подразделяют на сооружения вертикального профиля (рис.), откосного профиля (рис.) и смешанного типа, а верхняя представляет собой вертикальную стенку (рис.). Кроме того, выделяют оградительные сооружения специальных типов: сквозные, плавучие, пневматические и гидравлические.

а и б – вертикального профиля гравитационного и свайного типа; в – откосного профиля; г – смешанного типа; 1 – постель, 2 – подводная стенка, 3 – надстройка, 4 – шпунтовое или свайное ограждение, 5 – заполнение.

Оградительные сооружения вертикального профиля – делят на два типа: гравитационные и свайные. Устойчивость сооружений первого типа обеспечивается благодаря силам трения, развивающимся по контакту сооружения с основанием и пропорциональным весу сооружения, а устойчивость сооружений второго типа – благодаря защемлению конструкций в грунте основания.

Оградительные сооружения откосного профиля различают по виду покрытия откосов, конструкции ядра, крутизне откосов, оформлению гребня сооружения и другим признакам.

В сооружениях смешанного типа вертикальную стенку выполняют всегда гравитационной.

Для обеспечения необходимых прочности, устойчивости и долговечности оградительных сооружений при их проектировании нужно учитывать ряд факторов, важнейшими из которых являются гидрологические и инженерно – геологические.

К гидрологическим факторам относят: волнения, лед, колебания уровня и течения. Наибольшее значение для оградительных сооружений имеет волнение.

При расчете оградительных сооружений, как правило, учитывают воздействие только ветровых волн, параметры которых (высоту и длину) в районе порта определяют в зависимости от скорости ветра, продолжительности его действия.

Для портов, замерзающих полностью или частично, необходимо учитывать воздействие льда на оградительные сооружения. Морской лед может оказывать на сооружения, следующие механические воздействия: в виде статического давления при навале дрейфующих ледяных нолей, при термическом расширении и нагромождении льда перед сооружением, динамического давления при ударе отдельных крупных льдин, истирающего действия при движении льда у сооружения, нагрузок от примерзшего к сооружению льда при понижении или повышении уровня воды.

Нагрузки льда в значительной степени определяются его свойствами, которые существенно меняются в зависимости от внешних условий, как в пространстве, так и во времени, что сильно затрудняет их изучение и обобщение.

Колебания уровня, вызываемое целым рядом причин, могут быть периодическими и непериодическими. Наибольшие изменения уровня наблюдаются при приливно – отливных и при сгонно – нагонных колебаниях. Для нашей страны эти изменения составляют соответственно до 11 м. (Охотское море) и 3…5. (Азовское море). Колебания уровня существенно влияют на характер волнения в районе сооружений, компоновку порта, конструкцию сооружений, объем дноуглубительных работ, технологию строительства.

Наиболее полную характеристику колебаний уровня в данном пункте можно получить из анализа кривых повторяемости и обеспеченности, построенных по данным наблюдений для определенного интервала времени. Пользуясь этими материалами, можно определить характерные уровни и в первую очередь их экстремальные значения определенной обеспеченности, что необходимо для обоснованного назначения отметки портовой территории и глубины воды на подходах к порту и у причалов.

Морские течения различного происхождения не оказывают силового воздействия на сооружения, но обуславливают наряду с воздействием ветра дрейф ледяных полей и движение отдельных льдин, а также перемещают иногда огромные массы песка и ила, что ведет при определенных условиях к заносимости морских каналов и портовых акваторий. Следует отметить, что перемещение наносов происходит в результате совместного действия течений и волнения, и чем крупнее наносы, тем большую роль играет волнение.

Выбор типа и конструкции оградительных сооружений в значительной степени зависит от инженерно – геологических условий. Более того, зачастую при неблагоприятных условиях вообще не возможно осуществить строительство оградительных сооружений без специальных мероприятий, обычно весьма дорогих. Как правило, такая ситуация возникает при залегании в основании сооружений слабых илистых грунтов, что в реальных условиях наблюдается довольно часто вследствие специфики образования морских отложений в прибрежной зоне моря. С другой стороны, выход на поверхность дна коренных скальных пород, которые являются хорошим основанием, резко удорожает строительство порта, если необходимо провести в большом объеме дноуглубительные работы. Наконец, наличие крупных включений в грунте (валунов) очень осложняет, а в ряде случаев и полностью исключает применение свайных конструкций.

Характер грунтов, как известно, влияет не только на конструкцию сооружений, но и на методы их воздействия. Причем нарушения технологии строительства, определяемой грунтовыми условиями, приводят в ряде случаев к созданию аварийной ситуации.

В связи с этим, изучение инженерно – геологических условий в месте строительства оградительных сооружений является одной из наиболее важных и ответственных задач. В комплексе инженерно – геологических исследований всегда следует предусматривать изучение геоморфологии морских побережий, что позволит составить представление о возможных изменениях в движении наносов и переформировании берегов после возведения оградительных сооружений.

Внешние оградительные сооружения обычно строят в районах побережья, где наблюдается частое и сильное волнение, поэтому к ним предъявляют требование живучести на любой стадии строительства. С этих позиций конструкцию оградительных сооружений оценивают по периоду времени с начала возведения отдельной секции мола до завершения такого этапа строительства, когда конструкция может воспринять расчетные нагрузки. Чем меньше этот период времени, тем в большей степени данная конструкция, удовлетворяет указанному требованию к таким конструкциям, относятся массивы – гиганты, железобетонные оболочки большого диаметра и сооружения откосного профиля при соответствующей технологии их строительства.

При выборе и конструкции оградительных сооружений все указанные факторы рассматриваются совместно, проводится технико – экономическое сравнение возможных вариантов и выбирается оптимальный вариант, в наибольшей степени отвечающий конкретным физико – географическим условиям и технологическим требованиям при наименьшей стоимости.

Условия применения оградительных сооружений.

Сооружения вертикального профиля гравитационного типа. В результате действия на сооружение гравитационного типа значительной горизонтальной нагрузки от давления волн или льда напряжения под его подошвой при сравнительно небольшой ширине распределяются неравномерно. При больших давлениях камень даже из прочных пород (гранит, диабаз, диорит и др.) начинает разрушаться, так как в точках контакта между отдельными камнями напряжения превышают предел прочности камня на сжатие.

При скальных грунтах, если не устраивается каменная постель, сооружения гравитационного типа могут возводиться на любой глубине, доступной по условиям производства работ и экономически обоснованной. В то же время и при малых глубинах воды на подходе нет особых противопоказаний к применению сооружений вертикального профиля вообще и гравитационного типа в частности, но в этом случае необходимо рассчитывать устойчивость сооружения, на прочность основания исходя из воздействия прибойных или разбитых волн.

Оградительные сооружения гравитационного типа могут возводиться в условиях волнения различной силы. Оградительные сооружения гравитационного типа чувствительны к неравномерным осадкам, поэтому их можно возводить лишь на достаточно плотных грунтах. При слабых илистых грунтах требуется предусматривать специальные мероприятия по их уплотнению.

Оградительные сооружения вертикального профиля удобно использовать для швартовки судов, размещения знаков навигационной обстановки, специального оборудования.

Для возведения гравитационных оградительных сооружений вертикального профиля требуется значительно меньшее количество материалов, чем для сооружений откосного профиля, и эта разница резко возрастает с увеличением глубины.

Таким образом, наиболее оптимальные условия для возведения оградительных сооружений гравитационного типа будут при глубине воды в месте строительства до 20 – 28 м., высоте волны 5…7 м. и более и достаточно плотных грунтах.

Сооружения вертикального профиля свайного типа. При строительстве сооружений свайной конструкции нет необходимости создавать искусственную каменную постель, которая является относительно дорогой и трудоемкой частью сооружения. Сооружения этого типа можно возводить при высоте до 4…5 м.

Глубина воды в месте строительства двухрядной свайной конструкции должна составлять не более 7…8 м. при деревянном ограждении из тяжелого металлического шпунта. При ячеистой конструкции глубина воды по аналогии с перемычками может быть значительно больше, однако в практике портостроения оградительные сооружения ячеистой конструкции обычно применяют на глубине до 10…12 м. однако при специальном обосновании этот тип сооружения может возводиться и на больших глубинах.

Грунты основания при свайных сооружениях могут иметь меньшую несущую способность, чем это требуется в случае сооружений гравитационного типа, но должны допускать забивку свай или шпунта на необходимую глубину.

Оградительные сооружения свайной конструкции можно возводить на слабых илистых грунтах любой мощности.

При относительно тонком слое слабых глинистых грунтов мощностью до 8…10 м. и подстилаемых плотными, грунтами сваи любого типа и колонны – оболочки диаметром до 2…3 м. можно использовать либо длинные сваи большого сечения, забиваемые в плотный грунт, либо висячие относительно короткие сваи при специальной подготовке основания. При достаточно большой мощности слоя слабых илистых грунтов (больше 30 м.) при строительстве оградительных сооружений свайного типа наиболее целесообразно использовать последний вариант.

Стоимость сооружений свайной конструкции значительно меньше стоимости гравитационных сооружений. Таким образом, оградительные сооружения свайной конструкции могут применяться при меньшей высоте волны по сравнению с сооружениями гравитационного типа и соответствующих инженерно – геологических условиях.

Сооружения откосного профиля могут с успехом применяться в любых гидрологических и инженерно – геологических условиях. Ограничениями служат только их высокая стоимость при небольших глубинах и невозможность получения местного камня необходимой крупности (монолитов).

В последнее время сооружения этого типа получают преимущественное распространение, причем в подавляющем большинстве случаев для покрытия откосов применяют бетонные фигурные блоки. При использовании внутренней стороны оградительных сооружений откосного типа для швартовки судов приходиться возводить отдельно причальные конструкции и устраивать по гребню сооружения дорогу для проезда транспорта.

Сооружения смешанного типа. Поскольку гравитационные сооружения вертикального профиля не могут применяться на сжимаемых грунтах при глубине воды больше 20…28 м., а сооружения откосного профиля в этих условиях будут слишком дорогими, то в практике портостроения получили распространение сооружения смешанного типа.

В связи с увеличением осадок судов оградительные сооружения, вынося не большие глубины; в этих условиях сооружения смешанного типа становятся весьма перспективными.

В строительстве на водохранилищах оградительных сооружений смешанного типа насухо они могут быть конкурентоспособными с сооружениями откосного тела с грунтовым ядром, возводимыми методом гидромеханизации при значительной глубине воды.

Окончательно тип сооружений выбирают на основании технико – экономического сравнения вариантов.

Сооружения специальных типов. Эти сооружения предназначены для постоянной и временной защиты акватории и отдельных объектов (технических плавсредств, морских буровых вышек, ворот порта и др.).

Оградительные сооружения откосного профиля.

Типы оградительных сооружений. Взаимодействие волн с волноломами откосного профиля коренным образом отличаются от взаимодействия с вертикальными стенками. Здесь почти отсутствует ограждение волн и волновой энергии от сооружения, а, следовательно, не образуется стоячих волн с повышенными размывающими донными скоростями. Разрушение волн на откосепроисходит с высокой интенсивностью волнового давления, однако, их действие, как правило. Не угрожает потере устойчивости всего сооружения; здесь достаточно обеспечить устойчивость отдельных его элементов (камней или массивных блоков), прикрывающих откосы. Все это способствовало широкому распространению волноломов откосного профиля в практике морового портового строительства. Масштабы их возведения особенно возросли с появлением фасонных блоков.

Откосные волноломы могут быть из несортированного и сортированного камня, с покрытием из массивовой наброски и кладки, из массивной наброски, песчаные дамбы и т.д.

Наброску из несортированного камня применяют при минимальных глубинах и слабом волнении (рис.).

Устойчивость откосов каменно – набросных сооружений зависит от силы волнения, крупности и массы камня, его формы и крутизны откоса.

Наброска из сортированного камня имеет более крутые откосы, устойчивые при более сильном волнении, так как здесь в зонах с более интенсивным волновым воздействием укладывается более крупный камень. Существуют три разновидности этих сооружений.

Наброска с покрытием представляет собой ядро из мелкого камня, отсыпанное почти полным профилем и прикрытое по откосам и на гребне одним – тремя слоями более крупного камня. Одно из таких сооружений дано на рис. здесь выделены три характерные части: 1) ядро из мелкого камня, 2) промежуточный слой из более крупного материала, служащий в зоне активного воздействия обратным фильтром, 3) защищенный слой с камнем наибольшей крупности.

Послойная наброска (см. рис.) состоит из нескольких слоев по высоте: нижний (ядро) – отсыпают без всякой защиты из карьерной мелочи или даже намывают грунтом до глубины, равной 2, 5 – 3, 0 высотам волны, средний – отсыпают из камня средней крупности до глубины порядка 0, 75 строительной высоты, верхний – возводят из камня максимальной крупности до отметки гребня сооружения (из расчета шторма максимальной силы, ожидаемого в период срока службы сооружения).

Слабое место схемы – высокая пористость наброски, снижающая качества сооружения. Данная наброска не имеет тех недостатков, которые характерны для наброски с покрытием.

Комбинированная наброска представляет собой сооружение, в котором послойная структура внутри и в тыловой части сочетается с упрощенным покрытием в виде утолщенного наклонного защитного слоя со стороны моря. Преимущества наброски: более высокий относительный объем мелкой факции камня и меньшая средняя пористость, более низкая сложность и трудоемкость защитных и промежуточных слоев.

Каменно – набросные волноломы с покрытием из массивовой кладки (рис.) отличаются от наброски с каменным покрытием крупностью элементов покрытия. Применяют их при сильном волнении, когда естественные глыбы массой свыше 15 т. добывать трудно и дорого. Наиболее распространенными являются блоки массой 40 – 60 т. поскольку крупность массивов может быть любой (в пределах грузоподъемности имеющихся кранов), этими сооружениями можно гасить волнение любой силы. Однако, имея гладкие грани, массивы правильной формы трудно удерживаются на прикрываемом каменном откосе. Для предотвращения сползания массивов в нижней части защитного слоя возводят мощную упорную берму из массивовой кладки на развитой каменной упорной призме (рис.). для надежной защиты откоса от прямых ударов волн иногда требуется по два слоя массивовых и белее. Однако столь плотная преграда вызывает при откатывании волны мощное гидродинамическое противодавление снизу, для противодействия которому кладку дополнительно пригружают сверху. Гладкая поверхность откоса способствует беспрепятственному сильному вкатыванию волны на сооружение, что в свою очередь требует соответствующего возвышения гребня над спокойным горизонтом, иногда с возведением на нем тяжелого парапета. Сооружение становится громоздким и дорогостоящим.

Покрытие из массивовой наброски повышает ее волногасящую способность и поэтому используется гораздо чаще. Однако для надежности крепления необходимо, по меньшей мере, двухслойное покрытие с промежуточным слоем из крупного камня мощной упорной призмой (рис.).

Волнолом из массивовой наброски, расположенный на каменной постели, широко был распространен как в нашей стране, так и за рубежом. Это было связано с тем, что добыча крупных скальных глыб и их транспортировка к месту укладки порой весьма затруднительны или невозможны. Максимально высокая пористость массивовой наброски (42 – 48%), снижающая волногасящий эффект и повышающая способность пропускать наносы – существенный недостаток этого типа сооружения.

Общим недостатком откосных сооружений с использованием обыкновенных массивов правильной формы является отсутствие взаимной связи между отдельными массивами, раскатываемыми сильным волнением. При волнении высотой свыше 8 м. потребная масса устойчивых на откосе массивов становится чрезмерно большой или необходимое для устойчивости заложение откоса – чрезмерно поглотим. Для устранения или смягчения этого и других недостатков в построении в 60 – х годах перешли на использование массивов неправильной формы – фасонные массивы.

Сооружения фасонных массивов (блоков) благодаря взаимному зацеплению, обеспечивающему их надежную устойчивость на откосе при сравнительно малой массе, в последнее время уверенно вытесняют откосное сооружение с применением обычных массивов, несмотря на сложность изготовления блоков. Как наброска, так и кладка из фасонных массивов обладают высокой проницаемостью, уменьшающей высоту наката и противодавление волн, однако не снижающей сопротивление его пор из – за сложной геометрической формы блоков сохраняется высоким. Эти сооружения отличаются более крупными откосами, меньшей шириной и высотой (рис.).

Основные типы фасонных блоков. Геометрические характеристики некоторых блоков, используемых в оградительных сооружениях, приведены на рис.

Тетрапод – четырехлучевой центрально – симметричный фасонный блок – самый распространенный в мировой и отечественной практике. В защитном покрытии тетрапод укладывают, как правило, двумя слоями: в первом (нижнем) слое тремя конусами он опирается на прикрываемую поверхность, во втором (верхнем) слое, наоборот, вставляется в образовавшиеся зазоры одним конусом вниз. При таком расположении достигается наибольшая плотность, зацепляемость и устойчивость.

Квадрипод – четырехлучевой осесимметричный блок, отличается от тетрапода тем, что оси трех конусов из четырех расположены в одной плоскости. Центр тяжести расположен ниже, чем у тетрапода, однако зацепляемость с каменно – набросной поверхностью хуже, чем у последнего. Укладывают его, как и тетрапод, двумя слоями.

Гексапод – шестилучевой центрально – симметричный блок, отличается большой зацепляемостью, однако центр тяжести находится сравнительно высоко. Благодаря наличию шести лучей его можно использовать как в двухслойном, так и в однослойном покрытии.

Трибар – три параллельных цилиндра, объединенных своими центрами осесимметричной трехлучевой цилиндрической вставкой. Обладает особо высокой зацепляемостью с каменно – набросным сооружением и шероховатостью волногасящего слоя. Для устранения или смягчения этого и других недостатков в портостроении в 60 – х годах перешли на использование массивов неправильной формы – фасонные массивы.

Сооружения из фасонных массивов (блоков) благодаря взаимному зацеплению, обеспечивающему их надежную устойчивость на откосе при сравнительно малой массе, в последнее время уверенно вытесняет откосное сооружение с применением обычных массивов, несмотря на сложность изготовления блоков. Как наброска, так и кладка из фасонных массивов обладают высокой проницаемостью, уменьшающей высоту наката и противодавление волн, однако не снижающей волногасящую способность волнолома, так как гидравлическое сопротивление его пор из – за сложной геометрической формы блоков сохраняется высоким. Эти сооружения отличаются более крутыми откосами, меньшей шириной и высотой (рис.).

Оградительные сооружения вертикального профиля.

Основные элементы волноломов вертикального профиля. Гравитационные оградительные сооружения вертикального типа в общем случае состоят из подводной стенки, надстройки и каменной постели.

Подводная стенка представляет собой главную наиболее ответственную волногасящую часть сооружения, воспринимающую на себя основную долю волновых нагрузок. Конструктивно она может быть выполнена самым разнообразным путем: из бетонных массивов, массивов – гигантов, ряжей, оболочек большого диаметра, свайного типа и т.д.

Надстройка, выполняемая чаще всего в виде сплошной конструкции из монолитного, сборно – монолитного бетона или железобетона, прикрывает собой отдельные элементы (массивы) подводной части волнолома, обеспечивая их взаимосвязь и устойчивость, или же предохраняет от размыва материал заполнения (камень, гравий, песок) в ячейках массивов – гигантов, ряжей, оболочек и т.д. Находясь над водой не во взвешенном состоянии, она оказывает существенное влияние на устойчивость всего сооружения. Состоит надстройка, как правило, из двух элементов: горизонтальной плиты толщиной 1, 5 – 2 м. и более, и вертикального или наклонного парапета (рис.) а – с вертикальной лицевой гранью; б – с криволинейной лицевой гранью; в – с железобетонным козырьком – парапетом; г – неполного профиля; е – с дополнительным волногасителем; 1 – парапет, 2 – горизонтальная плита.

При использовании тыловой стороны волнолома в качестве причального сооружения толщина плиты определятся отметкой причала, а плиту оборудуют соответствующими швартовными и отбойными устройствами, патернами для прокладки инженерных сетей и т.д. Из условий незаливаемости отметку верха плиты назначают несколько выше отметки гребня волн на акватории порта.

Парапет в простейшем случае представляет собой плоскую вертикальную стенку прямоугольной или ступенчатой формы. При недопустимости перелива воды через парапет отметку его верхней грани назначают на 0, 5 м. выше отметки гребня расчетной волны. При недопустимости переплескивания волн (наличие причала с тыловой стороны и т.д.) лицевой грани парапета придают криволинейную форму, способствующую отражению всплесков в сторону моря. Иногда, вместо массивной бетонной конструкции парапет выполняют в виде тонкостенного железобетонного козырька. Если перелив воды через волнолом допускается, он может быть возведен не на всю высоту или вообще отсутствовать. Если парапет сместить от лицевой грани сооружения, то удар волны на подводную и надводную части волнолома произойдет не одновременно, что приведет к уменьшению волнового воздействия.

Каменную постель в гравитационных оградительных сооружений (рис.) устраивают, как правило, при любых грунтах. При скальных грунтах постель служит в основном для выравнивания поверхности дна и имеет минимальную толщину 0, 5 м., а в случае использования мешков с бетоном – 0, 25м. При плотных нескальных грунтах постель служит для распределения давления и уменьшения его интенсивности по поверхности грунта основания. Толщину постели в этом случае назначают на менее 1, 5 – 2, 5 м., причем нижний слой предотвращения вымыва частиц грунта из – под постели. Они надежны в эксплуатации, долговечны, просты в использовании и возведении. Однако высокая чувствительность к неравномерным осадкам, большие расходы бетона, длительность и низкие темпы работ в открытом море, потребность в больших объемах дорогостоящих водолазных работ и другие недостатки являются серьезными сдерживающими факторами в применении обыкновенных массивов

При слабых грунтах свойство постели распределять давление и уменьшат его интенсивность может оказаться недостаточным для обеспечении необходимой прочности и устойчивости основания. В этом случае принимают дополнительные меры – постель можно возводить с заменой слабого (илистого) грунта по всей его толщине под постелью более прочным материалом, например песком. При значительной толщине напластований замену слабого грунта производят лишь в верхней его части. Песочная прослойка в этом случае как бы поддерживает сооружение «на плаву» в илистом грунте (плавающая постель). Иногда вместо замены слабого грунта под постелью производят искусственное уплотнение – консолидацию.

Консолидацию грунтов производят с помощью песчаных свай – дрен (рис.), погружаемых с помощью обсадной трубы, заполненной крупнозернистым песком, и вибропогружателя. После погружения трубы на нужную глубину ее поднимают вверх, оставляя в грунте сваю – дрену, через которую из илистого грунта отжимается вода, – таким образом, уплотняется грунт.

Оградительные сооружения из бетонных массивов. Длительная практика использования сооружений этого типа выработала целый ряд их разновидностей.

Сооружения из обыкновенных массивов, имеющих форму параллелепипеда массой до 100 т., уложенных горизонтальными рядами (курсами) со смещением (перевязкой) зазоров (швов) между ними для монолитности кладки (по аналогии с кирпичной кладкой), являются одним из наиболее широко распространенных в этом классе сооружений в отечественной и мировой практике (рис.).

Оградительные сооружения из массивов – гигантов. Массивы – гиганты представляют собой тонкостенные, как правило, железобетонные ящики (понтоны) с достаточной плавучестью и остойчивостью на воде, изготовленные на берегу, буксируемые на плаву и погружаемые с помощью затопления водой через кингстоны на место установки на заранее подготовленное основание и затопляемые затем материалом, обеспечивающим ему достаточную устойчивость при действии на него штормового волнения (рис. а, б). Сооружения из массивов – гигантов отличаются между собой профилем поперечного сечения, материалом засыпки и некоторыми другими признаками.

Профиль массива – гиганта имеет существенное значение при решении вопросов строительства оградительных сооружений этого типа. Прямоугольная форма ящика является простейшей и наиболее рациональной и экономичной, позволяя применять при возведении недорогую скользящую опалубку. Трапецеидальная форма более сложна при возведении, однако, обеспечивает большую устойчивость сооружения. Прямоугольный профиль с днищевой консолью (консолями) проще в изготовлении по сравнению с трапецеидальным и более устойчив по сравнению с прямоугольным ящиком и поэтому является наиболее предпочтительным. Длину ящика принимают 20 – 25 м., но не более утроенной высоты.

Для придания массиву – гиганту большей жесткости внутри ящика устраивают продольные и поперечные переборки, делящие понтон на ряд отсеков (ячеек) размерами 3 х 4 – 4 х 5 м. толщину плит у переборок определяю расчетом, у наружных стенок она составляет 25 – 75 см., днища – 40 – 90 см. (в отдельных случаях и более), внутренних переборок 10 – 25 см. между смежными ящиками при возведении составляют зазор 15 – 20 см., обеспечивающий возможные неравномерные осадки и наклоны ящиков без взаимного соприкосновения. Зазоры заполняют стыками различных конструкций для непроницаемости от волновых потоков жидкости.

Затопление отсеков массива – гиганта может быть самым разнообразным. Песчаное, песчано-гравелистое или гравелистое заполнение наиболее дешевое и с минимальной трудоемкостью выполнимое. Однако в случае повреждения в наружной стенки ящика может возникнуть угроза утечки материала заполнения в море. каменное заполнение может быть вымыто из ящика лишь при очень крупных повреждениях наружных стенок, однако оно значительно дороже песчаного. Бетонное заполнение вообще не может быть «вымыто» волнением, однако оно максимально дорого и трудоемко и не позволяет в случае необходимости освободить отсеки от затопления для передвижки ящика при ремонтно-восстановительных работах. Комбинированное затопление – бетонное в крайних отсеках, песчаное или песчано – гравелистое в средних является безопасным с точки зрения намыва заполнителя и значительно дешевле бетонного. При подводном бетонировании отсеков необходимо добиваться надежного сцепления бетона заполнения с железобетонными стенками ящика.

Облегченные типы оградительных сооружений.

Волноломы с пониженным коэффициентом отражения (проницаемые и полупроницаемые) вертикального профиля уже успешно используются в практике портового строительства. В качестве примеров рассмотрим свайный щелевой и гравитационный перфорированные волноломы.

Щелевые оградительные сооружения. Лабораторные исследования оградительных сооружений в виде свайного ряда показали, что суммарное волновое давление на волнолом, состоящий из плотно примкнутых цилиндрических свай – оболочек, резко падает, если между оболочками оставлять зазоры (щели) размером 1/20 – 1/30 от диаметра, тогда как волногасящий эффект при этом снижается незначительно. Указанное обстоятельство заметно расширяет пределы использования этой простейшей схемы волнолома. Волнолом представляет собой ряж нагруженных на глубину 33 м. металлических оболочек диаметром 2 м. с зазором 10 – 15 см. сверху волнолом объединен монолитным железобетонным шапочным брусом шириной 3 м., толщиной 1, 5 м. Для усилия волнолома на каждые 15 оболочек возведен дополнительная контрфорсная оболочка, объединенная с основным шапочным брусом. Головная секция представляет собой три сваи, погруженные треугольником в плане.

Перфорированный волнолом представляет собой сооружение длиной около 300м. из массивов – гигантов (высотой 16, 7 м., шириной 18, 3 м. и длиной 33, 5 м.), передние секции которого (камеры гашения) не имеют твердого заполнителя, а лицевая грань выполнена с отверстиями диаметром 0, 9 м., как бы «впитывающими» через себя массы взволнованной жидкости. В результате ослабляется отражение волн от сооружения и уменьшается волновое давление; часть волновой энергии, проникшей через отверстия перфорации определенных секций, рассеивается, дополнительно снижая волновое давление. Успешное использование этого сооружения подтверждает рациональность такой схемы. Расчеты показывают, что применение камеры гашения в гравитационных сооружениях позволяет снизить степень отражения примерно вдвое по сравнению со сплошной стенкой, а волновые нагрузки и массу конструкции на 15 – 20%.

Особенности проектирования проницаемых и полупроницаемых сооружений заключается в следующем. Волновые нагрузки определяют введением понижающих коэффициентов к нагрузкам на сплошную стенку, находящуюся в тех же условиях. Аналогично определяют донные скорости. Понижающие коэффициенты находят с помощью модельных экспериментов. При выборе гидравлических сопротивлений лицевой стенки камеры может быть достигнута почти нулевая степень отражения; понижающие коэффициенты к нагрузкам в этом случае будут порядка 0, 6.

Сквозные оградительные сооружения. Кинетическая энергия волнового колебательного движения частиц жидкости, концентрируясь в верхних слоях воды, быстро убывает с глубиной. Подсчитано, например, что на глубоководье в слое воды толщиной 0, 1 λ концентрируется около 72%, а в слое толщиной 0, 3 λ – около 98% всей волновой энергии. Следовательно, при значительных глубинах, небольших невысоких крутых волнах волногасящая часть волнолома может перекрывать верхний слой, в котором концентрируется волновая энергия. Конструктивно они различаются на несколько типов (рис.).

Коробчатый (ящичный) волнолом, действующий по принципу отражения волн, представляет собой понтон, установленный на сквозные опоры с заглублением, достаточным для гашения волн. На рис. изображен волнолом такого типа, возведенный в 1932 г. и успешно работающий в условиях.

h = 1 м.; λ = 12 м.

Решетчатый волнолом имеет волногасящую часть в виде пространственной конструкции, производящей рассеивание волновой энергии. Размеры и конфигурация решетки зависят от волновых характеристик.

Особенности проектирования сквозных сооружений следующие. Удовлетворительное гашение волн сквозным волноломом происходит при углублении его на передней грани под спокойный уровень воды на t = (2 – 3) h и возвышении над этим уровнем на s = h без учета высоты парапета z, которую определяют из условий не переливания волн через сооружение. Придание передней грани уклона в сторону акватории может повысить волногасящую способность сооружения, однако это усложняет его конструкцию.

Экранный волнолом, как и коробчатый, действует по принципу отражения волновой энергии. Его волногасящий эффект в сквозном варианте зависит от заглубления. В морских условиях при значительных высотах и длинах волн и небольшой глубине заглубление, необходимое для удовлетворительной работы волнолома, может приближаться к глубине, и в этом случае волнолом из сквозного превращается в сплошное сооружение. На рис. показан свайный экранный волнолом – причал (экран достигает дна), возведенный для гашения волн высотой 4, 8 м., периодом до 10 с., где мощный слой ила, залегающий на от глубины II до 24 – 40 м., делает нецелесообразным строительство обычного гравитационного сооружения.

Плавучий волнолом обычно жесткого понтонного типа обладает более низким волногасящим эффектом по сравнению со сквозным стационарным волноломом аналогичной конструкции и чрезмерно большими рывками усилиями в якорных креплениях и межсекционных соединениях в связи с раскачиванием понтонов. Для смягчения рывков и уменьшения усилий в креплениях этим сооружениям стали придавать сквозную форму или обеспечивать избыточную плавучесть, создавшую постоянное напряжение якорных закреплений. Сегодня известно несколько разновидностей этих сооружений.

Щелевой плавучий волнолом представляет собой ряд шарнирно соединенных между собой плавающих понтонов сквозной формы, расположенных вдоль ограждения.

Решетчатый плавучий волнолом конструкции, изображенной на рис. Пять секций этого волнолома по 73, 2 м. длиной и 94, 5 м. шириной, установленные на глубине 12, 5 – 16, 2 м., успешно гасили волнение высотой 3 м. периодом до 8, 5 с.

Плавучий волнолом эластичной конструкции представляет собой колоколообразную в поперечном сечении эластичную оболочку с поперечными диафрагмами (рис.) надводная часть оболочки заполняется при монтаже с некоторым избыточным давлением, достаточным для поддержания на плаву самой оболочки и накатывающихся на нее волн. Возможные потери (утечки) в процессе эксплуатации волнолома компенсируются подачей сжатого воздуха через питательный шланг или трубку от расположенного на берегу небольшого компрессора. В