Указания по проектированию морских сооружений и строительству искусственных грунтовых островов

УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ МОРСКИХ СООРУЖЕНИЙ И СТРОИТЕЛЬСТВУ ИСКУССТВЕННЫХ ГРУНТОВЫХ ОСТРОВОВ

 При проектировании и строительстве гидротехнических сооружений для арктических шельфов должен учитываться большой комплекс факторов, характеризующих естественные условия. Сюда относятся гидрологические, метеорологические, гидрографические, геологические, геоморфологические и другие условия. Каждый район шельфа характеризуется определенными природными условиями, весь комплекс которых составляет естественный режим района.

 Гидрологические условия.Такие условия включают следующие факторы:

 - морское волнение;

 - ледовый режим;

 - колебания уровней вследствие метеорологических условий (нагоны, сгоны, сейши);

 - приливо-отливные явления;

 - морские течения;

 - цунами - сейсмические морские волны;

 - вековые изменения уровней и др.

 Гидрологические условия кардинальным образом влияют на деятельность человечества по освоению морей и океанов, и в том числе, полярных шельфов. Все стороны такой деятельности, прежде всего, связаны с морским волнением, которое характеризуется высотами, длинами, периодами волн и другими характеристиками. Строительно-монтажные работы на шельфах могут производиться при относительно спокойном состоянии моря.

 Большинство морских работ могут производиться при волнении до 2 баллов (высоты волн до 0,75 м), как например: установка платформ на морское дно, монтажные работы с помощью плавучих кранов, водолазные работы и др. При волнении до 4 баллов (высоты волн до 2 м), например, может производиться отсыпка материалов (песок, гравий, камень) в постели с плавучих средств достаточного водоизмещения.

 Ледовый режим также кардинальным образом влияет на освоение шельфов и гидротехническое строительство сооружений арктических шельфов. Здесь важны такие параметры как продолжительность ледового покрова, толщины однолетних и многолетних паковых льдов, высоты торосов, площади ледяных полей, наличие айсбергов и др. В связи с ледовыми условиями существенно сокращается продолжительность времени строительно-монтажных работ. Обычно доставка конструкций, материалов, технологических запасов и др. осуществляется только в летнее время при чистой воде в течение 90…120 дней в году.

 Гидрографические условия.Сюда в первую очередь относятся глубины и рельеф дна. Шельфовые сооружения возводятся в большом диапазоне глубин. Например, в заливе Кука (Аляска) стационарные платформы возведены на глубинах до 40 м, а в Мексиканском заливе (незамерзающем), отдельные платформы установлены на глубинах свыше 300 м. С ходом времени, по мере развития техники, сооружения возводятся на все больших глубинах, при этом увеличиваются размерения сооружений и их массы.

 Геологические и геоморфологические условия. Здесь, прежде всего, имеют значение: геологическое строение дна и свойства горных пород; изменяемость формы дна и движение наносов; возможные тектонические явления. Геологические условия непосредственно влияют на выбор конструкций сооружений. Нередко в районах освоения шельфов дно представлено верхним слоем илистых грунтов.

 Метеорологические условия.Сюда относятся: ветровой режим (скорости, направления и продолжительности ветров), температура воздуха, осадки, туманы. Эти факторы также в сильной мере влияют на деятельность человека по освоению шельфов и не только на строительство сооружений, но и их эксплуатацию. Для арктических шельфовых зон характерны сильные ветры и низкие отрицательные температуры воздуха.

Строительные материалы в конструкциях сооружений

 Материалы в конструкциях сооружений полярного шельфа подвергаются агрессивному воздействию морской среды, особенно разрушительному в зоне переменного уровня воды. Материалы подвергаются воздействию соленой морской воды, низких температур, льда, попеременным замораживанию и оттаиванию, смачиванию и осушке.

 Конструкции платформ в условиях полярных шельфов эксплуатируются при низких температурах воздуха, значительных температурных перепадах, при воздействии льда и, в целом, в условиях агрессивной морской среды. Это отражается на выборе строительных материалов для сооружений и, в том числе, на выборе марок сталей. Деформационные свойства сталей, их пределы прочности и текучести изменяются в зависимости от температур. Требуются достаточно пластические стали. С понижением температуры сталь становится более хрупкой. Применение сталей разных марок ограничивается предельными низкими температурами.

 Предел хладоломкости является характерным показателем свойств сталей. Он характеризует хрупкое разрушение сталей при низких отрицательных температурах и зависит от химического состава сталей (отрицательно влияют, например, сера, фосфор, азот и др.), технологии обработки стальных конструкций и др. Хрупкое разрушение сварных узлов стальных конструкций связано с низкими температурами, толщинами стальных элементов, их обработкой и напряженным состоянием.

 За рубежом для платформ на арктическом шельфе применяются легированные стали с достаточными пластическими свойствами при низких температурах. Первые платформы для полярного шельфа были построены в Японии по заказам фирм США и Канады. Именно в Японии за короткое время были созданы морозостойкие стали и разработана технология их обработки и сварки. Новые сорта стали имеют пределы прочности 785 МПа (7850 кг/см) и характеризуются высокой вязкостью при температурах до -76 °С.

 Для строительства сооружений в арктических районах создаются новые сорта сталей с достаточной пластичностью и высокой прочностью при низких температурах. Создаются новые машины и оборудование для работы в условиях низких температур.

 Железобетон, в том числе предварительно напряженный, широко применяется в гидротехнических сооружениях полярного шельфа, как например, в конструкциях стационарных платформ, искусственных островов. Имеется уже значительный опыт эксплуатации таких сооружений. Требуется дальнейшее изучение работы железобетона и совершенствование железобетонных конструкций с целью их более широкого применения. Некоторые из основных направлений дальнейших исследований следующие:

 - долговечность железобетона в условиях низких температур, попеременного замораживания и оттаивания, больших температурных перепадов;

 - работа массивных и тонкостенных железобетонных конструкций при различных напряженных состояниях, имеющих место в реальных условиях эксплуатации сооружений;

 - разработка защитных покрытий с целью защиты арматуры, сопротивления истирающему действию льда;

 - воздействие нефти на железобетонные конструкции; эксплуатация и ремонт сооружений. Бетон должен иметь высокую морозостойкость и сопротивление истиранию от воздействия льда.

Особенности сооружений

 Конструкции возводимых на шельфах сооружений принципиально отличаются от конструктивных форм других типов сооружений и, в том числе, от традиционных наиболее распространенных портовых гидросооружений. Особенности шельфовых сооружений обусловливаются рядом обстоятельств, к основным из которых относится:

 - назначение сооружений для добычи полезных ископаемых (прежде всего, нефти и газа);

 - возведение и эксплуатация сооружений в условиях открытого моря (океана);

 - большие глубины установок платформ и большие возвышения надводных строений над вершинами волн, что определяет большие размерения сооружений;

 - подверженность сооружений на арктическом шельфе воздействию не только волн и ветров, но льда и низких температур;

 - удаленность осваиваемых районов, прежде всего, полярного шельфа от индустриальных центров на материках.

 Отмеченные обстоятельства вызвали научно-техническую революцию в морском гидротехническом строительстве, так как возникли новые достаточно оригинальные конструктивные типы гидросооружений, возводимых на шельфах. Такие сооружения отличаются большими размерениями и массами. Они монтируются из большеразмерных блоков (модулей), а в некоторых случаях отдельное сооружение представляет собой единый блок. Стационарные платформы выдерживают действие морских волн высотой до 30 м и ветров со скоростями до 40 м/с и более, а сооружения полярного шельфа проектируются на действие многолетних паковых льдов.

 Такие сооружения, как стационарные платформы, возводятся из железобетона и стали, и в состоянии эксплуатации опираются на морское дно, т. е. являются гидротехническими сооружениями. С другой стороны, такие платформы буксируются к месту эксплуатации на плаву, т. е. они являются в некоторой мере производными судостроения.

 Удаленность полярных шельфовот индустриальных центров на материках порождает много обстоятельств, влияющих практически на все стороны гидротехнического строительства. Обычно изготовление конструкций стационарных платформ, или ограждающих конструкций искусственных островов, производится в зонах индустриальных центров на побережьях (в том числе на судостроительных или судоремонтных предприятиях). Затем производится буксировка сооружений (или отдельных их блоков) в условиях открытого моря или океана. На месте эксплуатации производится установка платформ на морское дно, выполняются монтажные работы и установка технологического оборудования.

 Буксировка платформпроизводится на большие расстояния, измеряемые нередко тысячами километров. Так, изготавливаемые на верфях Японии конструкции платформ буксируются затем по Тихому океану в районы моря Бофорта. Осадки буксируемых сооружений значительные. Буксировка может производится только в определенный период времени в году. Обеспечивается буксировка значительным количеством судов, требуется непрерывная информация службы погоды для различных районов морей и др. Все это требует времени и отражается на стоимости сооружений.

 Производственная база на берегувключает в себя комплексы различного рода сооружений. Стационарные платформы (а также массивы-гиганты и т. п.) изготавливаются:

 - в сухих доках;

 - в устроенных в целике берега бассейнах, отделенных от моря перемычками (по готовности сооружения перемычка разбирается, бассейн наполняется водой и сооружение выводится на плаву);

 - на возведенных на берегу стапелях;

 - в плавучих доках, и др.

 Производственная база включает в себя бетонные заводы, предприятия по изготовлению стальных конструкций, монтажные площадки, склады и площади для хранения материалов и конструкций. Все это оборудуется мощными крановыми и транспортными механизмами, обеспечивается энергоснабжение. База должна иметь надежные транспортные связи с материком и морем; возводится причальный фронт, используются суда технического флота, устраиваются железнодорожные станции, жилые и служебные здания и др.

Проектирование шельфовых сооружений

 Состав расчетов при проектировании определяются, прежде всего, конструкцией сооружений и внешними силами (как их значениями, так и изменениями во времени). Для стационарных платформ, изготавливаемых на берегу, а затем буксируемых к месту эксплуатации и устанавливаемых на дно моря, выделяется ряд расчетных состояний: эксплуатации, буксировки, спуска со стапелей на воду, а также монтажные состояния при установке платформы на морское дно. Могут быть и другие расчетные состояния, обусловливаемые конструкцией сооружения, условиями производства работ и др.

 Для состояния эксплуатации при опирании платформы на морское дно, производятся расчеты прочности и устойчивости конструкции всего сооружения в целом при различных колебаниях внешних нагрузок, расчеты прочности отдельных элементов конструкции.

 Для состояния буксировки морем производятся расчеты прочности корпуса, обеспечивающего плавучесть сооружения и его остойчивость на волнении.

 Следует также отметить возможную необходимость производства динамических расчетов. Стационарные платформы устанавливаются на значительных глубинах, а их надводные строения возвышаются выше вершин расчетных волн.

 В связи с большими высотами волн периоды свободных поперечных колебаний платформ увеличиваются и значительно превосходят периоды собственных колебаний обычных портовых гидросооружений. Таким образом, периоды свободных колебаний платформ становятся более близкими к периодам морских волн, т. е. к периодам возмущающих сил. В связи с этим, могут быть необходимы динамические расчеты колебаний платформ при воздействии волн.

 Сравнение одноопорных и многоопорных платформ в отношении к воздействию льда.Применяются как одноопорные, так и многоопорные платформы. В случае одноопорных платформ (моноподов):

 - меньше площадь контакта со льдом (контакт одного опорного ствола-колонны);

 - меньше вероятность образования заторов льда;

 - удобен монтаж на опорной колонне в зоне ватерлинии ледоломного (ледорезного) устройства с целью снижения нагрузок от льда.

 Многоопорные платформы имеют обычно 4 (реже 6) опорных колонны. Последние объединяются между собой в пространственную жесткую конструкцию вверху надводным строением, а внизу фундаментным блоком или отдельными связями. Здесь больше площадь контакта колонн со льдом и больше вероятность образования нагромождений льда у сооружения. При монтаже на колоннах ледорезов, уменьшаются просветы между колоннами, так что еще больше затрудняется прохождение битого льда.

 Следует заметить, что в случае моноподов при развитых плановых размерах надводного строения и фундаментного блока, возникают конструктивные и производственные затруднения в связи с большими свесами (консолями) надводного строения, а также усложнения при установке фундаментного блока на морское дно.

 Типы сооружений для освоения полярного шельфа.Возводимые на полярных шельфах гидросооружения представляют собой разнообразные конструкции. По своим размерам, конструктивным формам и т. п. они отличаются от традиционных портовых гидротехнических сооружений. Первые платформы из железобетона и стали, для континентального арктического шельфа начали проектироваться и строиться с конца 70-х годов. Первые проекты погружных платформ были разработаны фирмами США и Канады, но строительство платформ было осуществлено по заказам в Японии, где и была разработана технология строительства. Применяются в основном стационарные платформы, опирающиеся при эксплуатации на морское дно и имеющие значительные массы. К настоящему времени в мире, в том числе в России, разработаны проекты большого количества ледостойких платформ.

 Ледостойкие платформы часто более предпочтительны, чем искусственные острова, поскольку последние экономичны для возведения на малых глубинах, обычно до 12…15 м (имеются примеры возведения островов на глубинах до 19,5 м). Сейчас созданы проекты платформ для арктических условий, которые могут эксплуатироваться при температурах воздуха до -50°С, рабочая глубина может достигать 90…120 м. Обычно платформы рассчитываются на воздействие льда толщиной до 1,5…2,0 м. Платформы строятся на берегу, чем обеспечивается высокое качество работ, а затем буксируются к месту эксплуатации и устанавливаются на морское дно. Возможна передислокация платформ с одного месторождения на другое. С увеличением глубин более экономичны платформы по отношению искусственных островов. Кроме того, меньше расходы по приведению местоположения платформы в естественное состояние после завершения работ.

 Платформы для поисково-разведовочного бурения обычно ежегодно в летнее время переставляются на новые места бурения. В связи с этим их конструкция должна быть более легкой, транспортабельной, позволять сравнительно просто снимать платформы с морского дна, буксировать и затем устанавливать их на новом месте бурения (часто для снятия платформ применяется гидравлический размыв грунта основания).

 Эксплуатационные нефтегазодобывающие платформы обычно продолжительное время эксплуатируется на одном и том же штатном месте, они реже передислоцируются, являются более капитальными, долговечными и дорогостоящими сооружениями, чем сооружения поисково-разведочного бурения.

 Большинство сооружений для добычи нефти и газа, эксплуатируемых в зонах полярного шельфа, являются стационарными и в состоянии эксплуатации опираются на морское дно.

 Небезынтересно отметить, что проводятся работы по снижению звуковых эффектов от работы находящихся в эксплуатации платформ с целью звукозащиты обитающих в водах полярного шельфа организмов и в первую очередь китов.

 Стационарные платформы могут быть более экономичными (по сравнению с искусственными островами) на больших глубинах. Разработаны специальные конструкции стационарных платформ для работы в ледовых условиях и глубинах до 70…80 м. Такие платформы могут выдерживать воздействие льда, но не могут сопротивляться айсбергам. Материалом для платформ является сталь и предварительно напряженный железобетон.

 К 1983 году из общего количества проектов сооружений для арктических шельфов разработано:

 66% - для моря Бофорта;

 16% - для Берингова моря;

 12% - для восточного побережья Канады;

 6% - для других районов. Среди них для глубин:

 до 20 м - 18 проектов;

 до 40 м - 9 проектов;

 до 55 м - 5 проектов;

 до 70 м - 3 проекта;

 до 90 м - 3 проекта. Таким образом, большинство проектов выполнено для глубин до 40 м.

 В целом, разрабатывается много проектов сооружений для полярного шельфа, хотя большинство проектов не осуществляются в натуре. Вместе с тем, каждый проект в определенной мере имеет элементы оригинальности и новизны, и свои достоинства, что должно учитываться в дальнейшем проектировании. Нужны обобщения различных идей и конструктивных решений.

 Различные типы гидросооружений для добычи нефти и газа в арктических районах применяются в настоящее время на следующих глубинах:

 - искусственные намывные и насыпные острова из песка и гравия - до 15…20 м;

 - платформы из железобетонных или стальных блоков-гигантов - до 30…45 м;

 - платформы башенного типа - до 60…100 м;

 - плавучие полупогружные платформы на якорях - до 100 м и более.

 Гидротехнические сооружения, возводимые в областях полярного шельфа для добычи нефти и газа, разделяются на следующие три основные группы:

 - искусственные намывные и насыпные острова из песка, гравия, камня; берега островов могут не иметь берегоукреплений, или могут быть оконтуренными по периметру ограждающими конструкциями;

 - сооружения (платформы), опирающиеся в состоянии эксплуатации на морское дно и имеющие конструкцию гравитационного, свайного или комбинированного типов;

 - плавучие комплексы, находящиеся в состоянии эксплуатации на плаву и удерживаемые якорными системами или имеющие системы динамического позиционирования.

 В искусственных островах ледовая нагрузка воспринимается массой материала островов. К группе искусственных островов относятся также ледяные острова и платформы. Значительная часть сооружений, опирающихся на морское дно, являются передвижными, т. е. могут сниматься с мест работы и перемещаться на плаву на другие места эксплуатации. Ледовая нагрузка воспринимается корпусами и другими конструкциями этих сооружений. В плавучих сооружениях нагрузки от льда воздействуют непосредственно на плавучие корпуса таких сооружений, а далее воспринимаются якорными системами. Большинство шельфовых сооружений опираются на морское дно и являются гравитационными. Такие сооружения имеют значительные площади подошв для опирания на морское дно и сравнительно малые сечения в зонах воздействия льда.

 Для сооружений полярного шельфа доминирующими являются обычно ледовая нагрузка, затем меньше волновая и еще меньше ветровая нагрузки. Прежде всего, в ледовых условиях возводились искусственные гравитационные острова на мелкой воде. В летнее время при чистой воде применялись плавучие средства (буровые суда и полупогружные платформы). Затем начали проектироваться и возводиться платформы из стали и железобетона.

НАГРУЗКИ НА МОРСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

Общие положения

 Развитие добычи нефти и газа на арктических шельфах морей и океанов, а также на других замерзающих акваториях, потребовало разработки вопросов проектирования и строительства новых типов ледостойких сооружений - сложных инженерных конструкций. Большая стоимость таких сооружений вместе с оборудованием, а также их эксплуатация в суровых климатических условиях, требуют усиленного внимания к вопросам прочности и надежности. Аварии шельфовых сооружений приводят к огромным убыткам не только из-за большой стоимости самих сооружений, но и из-за негативных последствий для окружающей среды, а также в связи с гибелью обслуживающего персонала, который постоянно находится на сооружении. Одним из основных факторов, влияющих на конструкцию стационарных гидросооружений в зонах арктических шельфов, являются ледовые нагрузки и воздействия. Здесь в большинстве случаев нагрузки ото льда превосходят по значениям волновые и технологические нагрузки на сооружения.

 Сооружения на континентальном шельфе арктических морей подвержены прежде всего двум основным видам внешних нагрузок и воздействий: в летнее время, когда акватория свободна ото льда - волновым нагрузкам и воздействиям; в зимнее время при наличии ледяного покрова-ледовым нагрузкам и воздействиям. Действие льда может проявляться и в летнее время при наличии плавающих ледяных полей и айсбергов. Возможны также нагрузки от землетрясений, ураганов и др.

 Сведения о нагрузках и их сочетаниях.В зависимости от длительности и характера действия общими строительными нормами выделяются постоянные и временные (длительные, кратковременные, особые) нагрузки. Ниже, дальнейшая классификация нагрузок и их сочетаний приведена применительно к морским гидросооружениям.

 Постоянные нагрузкидействуют на сооружения в течение всего времени их эксплуатации и включают:

 - вес сооружения с постоянным балластом и постоянными на сооружении зданиями и устройствами технологического назначения (например, масса стационарной платформы с постоянным технологическим оборудованием и балластом);

 - вес и активное боковое давление грунта засыпки (например, в искусственных островах с обделкой берегов и т. п.);

 - гидростатическое давление воды (взвешивание).

 Временные длительные нагрузкивключают:

 - веса складируемых грузов и временных устройств на сооружении (например, трубы для буровых работ, жидкие и сыпучие технологические среды и т. п.);

 - нагрузки от различного рода грузоподъемных и транспортных машин, технологического оборудования;

 - активное давление грунта от временных нагрузок;

 - гидростатическое напорное давление при временных изменениях уровня по какой-либо причине;

 - давления жидких и сыпучих сред на конструкции;

 - нагрузки от обледенения, температурных воздействий (климатических, технологических).

 Кратковременные нагрузкивключают волновое давление, нагрузки от льда, течений, снега, ветров, ошвартованных судов, вертолетов, некоторые нагрузки, возникающие в процессе буровых работ.

 Особые нагрузкив первую очередь обусловливаются катастрофическими явлениями в природе, аварийными ситуациями и включают:

 - нагрузки при сейсмических явлениях и волнах цунами;

 - нагрузки при катастрофических штормах, ветрах, массовом торошении льда, деформациях оснований с коренным изменением структуры грунтов (размывы, просадки, сдвиги, выпады) и др.

 Морские гидротехнические сооружения рассчитываются на основные и особые сочетания нагрузок и воздействий.

 Основные сочетаниявключают отмеченные выше постоянные нагрузки, а также некоторые из временных длительных и кратковременных (от волн или льда, от судов). На основное сочетание нагрузок рассчитываются несущие конструкции всех сооружений.

 Особые сочетаниявключают определенную часть нагрузок из основных сочетаний и только одну из особых нагрузок. Так сооружения для сейсмических районов рассчитываются как на основные сочетания нагрузок, так и на особые сочетания с учетом сейсмических нагрузок. Для особых нагрузок характерна малая продолжительность и меньшая вероятность их действия. В связи с этим в особых сочетаниях запасы устойчивости и прочности сооружений принимаются меньшими, чем в основных сочетаниях.

 В целом, при составлении расчетных сочетаний нагрузок, должны приниматься наиболее неблагоприятные для сооружения, но практически возможные сочетания и расположения нагрузок с учетом реальных условий их одновременного действия. Сочетания нагрузок при одновременном учете постоянных и ряда временных нагрузок принимаются с учетом коэффициентов сочетаний по нормам. При проектировании морских гидросооружений должны учитываться также такие воздействия, как: возможные размывы грунта основания волнами, течениями; истирающее действие льда и др.

 Следует сделать некоторые замечания общего характера в отношении отдельных нагрузок. Нагрузки от ветровых морских волн на гидротехнические сооружения, возводимые на шельфах и банках, а также на оградительные сооружения портов, являются большими. Именно, волновые нагрузки в первую очередь влияют на размеры и конструкции гидросооружений на незамерзающих акваториях. Определения волновых нагрузок на сооружения нормированы.

 Ледовые нагрузки могут быть большими по отношению Других видов нагрузок на гидросооружения. В России почти все моря являются замерзающими. Не замерзает Баренцево море, частично замерзают участки побережий Черного и Каспийского морей. Учет воздействия льда в первую очередь важен для Севера и Дальнего Востока. Если ледовые нагрузки являются определяющими (наибольшими по отношению других нагрузок), то не учитывается волновое давление, так как в при сплошном ледяном покрове нет волнения, и наоборот при определяющих волновых нагрузках не учитываются нагрузки от льда.

 Ветровые нагрузки на гидросооружения с находящимися на них зданиями и устройствами определяются по нормам. Действие ветра на грузоподъемное и другое технологическое оборудование учитывается в нагрузках на гидросооружения от этих средств. Действие ветра на ошвартованные у гидросооружений суда учитывается в нагрузках от судов на сооружения.

 Гидростатическое взвешивающее действие воды учитывается при определении нагрузок от собственного веса сооружений или их элементов. Сила взвешивания равна весу воды в объеме погруженной в воду конструкции. Удельный вес морской воды g = (10003…10101) Н/м = (1020…1030) кгс/м. При практических расчетах обычно принимается g = 10 кН/м = 1 тс/м. Для сыпучих сред (песок, гравий, камень), как пористых материалов, удельный вес в воде должен приниматься с учетом пористости среды.

 Гидротехнические сооружения, располагаемые в сейсмически активных зонах акваторий, проектируются и возводятся с учетом сейсмических факторов. Сейсмические нагрузки учитываются в особых сочетаниях нагрузок. Определения сейсмических нагрузок нормированы.

 Нагрузки от воздействия льда.Ледостойкие гидротехнические сооружения шельфа имеют разнообразные конструктивные формы. Так искусственные острова могут быть с вертикальными или наклонными напорными гранями. Стационарные платформы могут включать одну вертикальную цилиндрическую опору большого диаметра или ряд цилиндрических колонн меньших диаметров. Получают распространение платформы с конусообразными одиночными опорами. Встречаются также платформы с пространственной стержневой конструкцией опорной части. Наиболее перспективными являются платформы с одиночными опорами цилиндрической или конической формы в высотной зоне воздействия льда. Очевидно, что в конструктивном отношении наиболее предпочтительными являются такие сооружения, на которые силовое воздействие льда минимальное.

 На выбор конструкций платформ для ледовых условий оказывают влияние все в комплексе естественные условия района шельфа - метеорологические, гидрографические, геологические и геоморфологические, гидрологические (волнение, колебания уровней и т. п.), сейсмичность района и др. Нагрузки от льда на стационарные сооружения шельфа зависят от многочисленных факторов, как-то:

 - характеристик действующих на сооружение ледовых форм - их геометрических параметров (размеров полей, толщин льда, торосистости), кинематических показателей (скорости и формы движения), особенностей ледового режима и др.;

 - физико-механических свойств и состояния льда (прочностные показатели, соленость, структура и др.);

 - условий контакта и взаимодействия ледяного покрова с сооружением (этим обусловливается физический процесс разрушения льда);

 - конструкции, геометрических форм и размеров опорных конструкций сооружений в зоне воздействия льда.

 Очевидно, что расчетные зависимости по определению силового воздействия льда на сооружения должны учитывать изложенные выше факторы.

 Имеют место следующие виды нагрузок и воздействий от льда на гидротехнические сооружения:

 - нагрузки от движущихся ледяных полей;

 - нагрузки от остановившегося ледяного поля, наваливающегося на сооружение под действием течения воды и ветра;

 - нагрузки от ледяного покрова при его температурном расширении;

 - нагрузки от примерзшего к сооружению ледяного покрова при изменениях уровня воды (при нагонах, приливах и т. п.);

 - нагрузки от зажорных масс льда;

 - нагрузки от заторных масс льда;

 - истирающее действие льда вследствие трения о поверхности конструкций.

 Нагрузки от льда могут быть как горизонтальными, так и вертикальными. Горизонтальные перемещения льда обусловливают:

 - на сооружения с вертикальными напорными гранями - горизонтальные нагрузки;

 - на сооружения с наклонными напорными гранями - горизонтальные и вертикальные составляющие нагрузок. При изменениях уровня воды нагрузки от примерзшего к сооружению льда - вертикальные. При воздействии ледяных полей на сооружения могут иметь место:

 - удар;

 - остановка ледяного поля у сооружения;

 - навал на сооружение;

 - прорезание ледяного поля опорами сооружения.

 В ливных морях вертикальные нагрузки от примерзшего сооружению льда, а также нагрузки от термического расширения льда, часто малы и не учитываются. Термическое расширения соленого морского льда обуславливает меньшие нагрузки на сооружения, чем пресноводного льда на реках. Смерзание ледяных полей с опорными конструкциями стационарных платформ изменяет характер силового взаимодействия. При этом силовое воздействие льда на сооружение может существенно увеличиваться.

 Рекомендации действующих в настоящее время норм не всегда учитывают многообразие условий взаимодействия льда с сооружениями разнообразных конструкций. Расчетные зависимости норм в своей основе построены для определения нагрузок на гидросооружения от ровных ледяных полей. Торосистость льда учитывается дополнительно коэффициентами, значения которых зависят от характеристик регионов. Воздействие на сооружения торосистого льда отличается от характера воздействий ровных ледяных полей.

 Очевидно, что надежность сооружений шельфа связана с достоверностью значений нагрузок от льда. К настоящему времени более достоверно разработаны и апробированы методы определения нагрузок на гидросооружения от пресноводного льда. Перенос результатов в морские условия требует проведения дополнительных исследований и разработок ледостойких конструкций. В морских условиях более разнообразны ледовые образования, менее стабильны физико-механические свойства льда, существенно влияние солености воды и др.

 В последние два десятилетия в связи с разведкой больших запасов нефти и газа на арктическом шельфе, проводятся интенсивные исследования морской ледотехники в натурных и лабораторных условиях (США, Канада, Япония, ФРГ, Норвегия, Финляндия и др.). Созданы ледовые бассейны для круглогодичного проведения исследований. Выполняются теоретические исследования. Производится разработка более совершенных конструкций морских стационарных платформ и их строительство. Ежегодно проводятся международные конференции по проблемам строительства гидросооружений в арктических районах.

 Тем не менее, еще нет общепризнанных методов определения нагрузок от морского льда на шельфовые сооружения. Результаты расчетов по известным различным методикам могут отличаться в несколько раз. Изложенное обусловливается рядом обстоятельств, а именно:

 - условностью знаний фактических прочностных и деформационных свойств льда, изменчивостью свойств морского льда в связи с его соленостью, текстурой, изменениями температуры и др.;

 - многообразием видов морских льдов (однолетние, многолетние, паковые, торосистые);

 - связью прочности льда со скоростями деформаций (при контакте с сооружением лед деформируется, образуются трещины и происходит разделение ледяного покрова на отдельные блоки);

 - недостатками моделирования при пересчете данных с моделей на натуру (мало изучено действие льда на сооружения в натурных условиях, в связи с чем сказывается масштабный эффект);

 - невозможностью достоверного прогнозирования ледовой обстановки в связи с изменениями гидрометеорологических условий;

 - условностью учета в расчетных схемах многообразия фактических условий контактов морского льда с гидросооружениями и др.

 Нагрузки от течений.Морские течения оказывают непосредственное силовое воздействие на гидросооружения. Кроме того, после возведения сооружения происходит нарушение существовавшего гидрологического режима в районе. Возникает необходимость защиты морского дна у сооружения с целью исключения размывов грунта. Известны аварии гидросооружений по причине размывов оснований. Действие течений должно учитываться и при производстве строительных работ на шельфах.

 Нагрузки от обледенения. Общеизвестным фактом является обледенение гидротехнических сооружений как в арктических районах, так и на других замерзающих акваториях. В условиях отрицательных температур, при действии ветра и волнения водяные брызги, капли, пыль попадают на конструкции сооружений и технологическое оборудование, так что происходит обледенение последних. Сооружения покрываются льдом в надводной зоне и зоне переменного уровня. Так на портовых гидросооружениях толщина слоя льда может достигать 2 м и более. К настоящему времени в нормативах нет рекомендаций по учету нагрузок от льда при обледенении. Известны приближенные расчетные рекомендации по вопросам обледенения судов.

 Нагрузки от ветровых морских волн.Как уже отмечалось, волновые нагрузки обычно являются определяющими для гидросооружений на открытых незащищенных и незамерзающих акваториях. Вопросы определения волновых нагрузок на разнообразные типы морских гидросооружений и берега интенсивно исследуются в течение последних 4…5 десятилетий в различных странах мира. Результаты опубликованы в многочисленной литературе. В России обобщающие рекомендации по определению нагрузок от морских волн на гидросооружения и отдельные конструкции введены в нормы.

 Рекомендации норм используются для определения волновых нагрузок на разные виды гидросооружений, в том числе, на шельфах и банках. Нормами определяются волновые нагрузки на:

 - сооружения вертикального профиля от стоячих, разбивающихся и прибойных волн;

 - сооружения откосного профиля;

 - вертикальные отдельно стоящие обтекаемые преграды (опоры, стержни) с различной формой поперечных сечений (круг, прямоугольник и др.);

 - горизонтальные обтекаемые преграды (стержни) с различной формой поперечных сечений (круг, прямоугольник и др.);

 - сквозные сооружения из обтекаемых элементов;

 - берегоукрепительные сооружения и крепления берегов (например, защита берегов искусственных островов);

 - плавучие объекты (от волн, течений, ветров).

 По отмеченным вопросам приведенные в нормах рекомендации позволяют строить эпюры волновых давлений по высоте( )сооружений, находить значения равнодействующих нагрузок др. В различных литературных источниках приведены многочисленные решения также других задач по определению волновых нагрузок, например, на цилиндрические вертикальные преграды больших диаметров, на преграды в виде конуса применительно к сооружениям шельфа и др.

 Рекомендации норм по определению волновых нагрузок в принципе составлялись по результатам исследований в основном портовых гидросооружений типа сплошных вертикальных наклонных стенок, сквозного типа и др. Эти рекомендации норм используются также для определения нагрузок от волн на шельфовые сооружения. Очевидно, что для сооружений на шельфах необходимы также дополнительные исследования, связанные с особенностями конструкций сооружений, большими размерениями волн, значительными глубинами и др.

 Следует иметь в виду и такое воздействие морского волнения, как размывы грунтовых оснований у гидросооружений. Донные скорости при волнении особенно значительны у сплошных вертикальных стенок при стоячих волнах. Общеизвестно размывающее действие морского волнения на откосах сооружений.

 В связи с возведением стационарных платформ на глубоководных шельфах, периоды t свободных колебаний сооружений увеличиваются с глубиной и приближаются к периодам t действующих на сооружения волн. В связи с этим возникают вопросы о динамическом эффекте действия волновых нагрузок, которые являются знакопеременными и циклически повторяющимися.

 По СНиП при t: t >0,3 должен производится динамический расчет сооружений. Разработан инженерный динамический расчет сооружений. По нормам, динамическая нагрузка от нерегулярных волн находится умножением статической нагрузки на коэффициент динамичности к = 1…1,3, значения которого принимаются в зависимости от отношений t: t. Как известно, волновые движения воды (не с экстремальными параметрами) в морях и океанах совершаются в течение значительной части года. На сооружения действуют волновые циклически повторяющиеся нагрузки в течение общего продолжительного времени (месяцы, сезоны, годы). Это вызывает усталость материалов, что может приводить к авариям сооружений.

 Ветровые нагрузки.Силовое воздействие ветров на надводные части шельфовых сооружений может быть значительным, и учет таких воздействий обязателен. Ветровые нагрузки обычно действуют на надводные строения платформ. Действие ветра непосредственно на конструкции искусственных островов менее актуально, но имеет значение для размещенных на островах сооружений и установок. Ветры существенно затрудняют монтажно-строительные работы на шельфах, а также являются помехой при эксплуатации сооружений.

 Ветровые нагрузки нормированы СНиП. Однако положения норм распространяются на промышленные и гражданские здания и сооружения на суше. Поэтому определение ветровых нагрузок на морские гидросооружения производится по рекомендациям норм, но с введением поправок.

 Температурные воздействия.Такие воздействия влияют на напряженное состояние строительных конструкций, а также на работу машин и различного технологического оборудования. Рекомендации по учету температурных воздействий для сооружений на суше имеются в СНиП. Положения норм используются и для гидротехнических сооружений в арктических районах, хотя и с принятием некоторых предпосылок.

 Сейсмические нагрузки.На картах сейсмичности планеты Земля выделяется ряд сейсмических зон. Так на первый план выступают сейсмические пояса с большой активностью - Тихоокеанский, Средиземноморско-Трансазиатский, Арктико-Атлантический, Индийская полоса сейсмичности. Указанные пояса захватывают в основном океанские и морские побережья материков.

 Тихоокеанский пояс практически образует кольцо по периметру Тихого океана и охватывает побережья примыкающих к океану материков - восточное побережье Азии, западные побережья Северной и Южной Америк. В частности, он охватывает Дальневосточное побережье России, арктическую область в районах Чукотки и Канады. Средиземноморско-Трансазиатский пояс охватывает бассейны Средиземного и Черного морей, южную часть Каспийского моря, и далее пересекает территорию азиатского материка. Арктико-Атлантический пояс захватывает часть северного побережья России, далее следует через острова Шпицберген и Исландию, а затем по атлантической гряде на юг. Сейсмически активные зоны с сейсмичностью 6…9 баллов занимают около 20% территории России. Эти зоны включают обширные океанские и морские побережья, бассейны озер и рек (см. карты сейсмического районирования территории России в нормах). Строительство в этих районах (в том числе и на шельфах) должно вестись с учетом сейсмических факторов. Сейсмические воздействия проявляются в возникновении при движении основания сейсмических инерционных нагрузок от масс конструкций сооружений, дополнительного к статическому гидродинамического давления воды и сейсмического давления грунта. Определение этих нагрузок должно производиться по рекомендациям норм.

Характеристики льда

 Общие данные о ледяном покрове.Морские льды в общем случае могут быть однослойными и многослойными, однолетними и многолетними, могут иметь нагромождения торосов. Наблюдаются айсберги.

 Различают умеренный (субарктический) и тяжелый (арктический) ледовые режимы. Умеренным является режим с толщиной однолетнего льда до 1,5 м и высотой торосов до 15 м. При тяжелом режиме могут наблюдаться многолетние паковые льды и айсберги. Ледяные поля имеют скорости дрейфа обычно до 0,1…0,2 м/с. Отдельные малые льдины могут иметь скорости до 1 м/с и более.

 Торосы являются ледяными образованиями, возникающими при разрушении ледяных полей вследствие деформаций сжатия, сдвига, торошения. Торосы представляют собой обломки льда, консолидированные или неконсолидированные. Более крупные обломки льда имеют торосы, образовавшиеся в результате деформаций сжатия. Торосистые образования обычно плавучие, могут быть однолетними и многолетними, имеют разнообразные формы.

 В нормах содержатся рекомендации по определению нагрузок на сооружения от ровного ледяного поля. При определении нагрузок от однолетнего торосистого льда, полученный результат для ровного ледяного поля (как составной части торосистого образования), умножается на коэффициент торосистости 1,3…2,0. При этом расчетная толщина ровного ледяного поля принимается с обеспеченностью 1%.

 О физико-механических свойствах льда.Нагрузки от льда на сооружение в первую очередь зависят от физико-механических свойств льда, которые обусловливаются климатическими и гидрологическими условиями района расположения сооружения. Нагрузки ото льда зависят от его прочностных свойств, плановых размеров и толщин ледяных полей, размеров торосов, скоростей дрейфа ледяных полей. Прочностные и деформационные характеристики ледяных полей могут изменяться в широком диапазоне и зависят от солености льда, температуры льда и воздуха и изменений температуры во времени. Для paсчетов ледовых нагрузок принимаются характеристики льда, которые по данным многолетних наблюдений имели место при наиболее суровых ледовых условиях.

 Основной прочностной характеристикой льда является его прочность при сжатии. Именно от этого показателя зависят нагрузки на вертикальные преграды. Нормативные значения прочность льда при сжатии приведены в СНиП и зависят от количества жидкой фазы (рассола) - обобщенной характеристики солености льда, и от его температуры. Вопросам определения прочности льда при сжатии посвящено большое количество исследований. Нормативные значения прочности льда при изгибе определяются уже через посредство значений прочности льда при сжатии.

 Об истирающем действии льда.При определении взаимодействия льда с сооружениями должны учитываться адгезионные и фрикционные свойства льда. В состоянии покоя происходит смерзание льда с контактной поверхностью сооружений. При движении льда относительно сооружения развиваются силы трения, производящие истирающее действие в зоне контактных поверхностей сооружения.

 В ледотехнике используются понятия статического и динамического (кинематического) коэффициентов трения. Значения статических коэффициентов трения используются для определения сил трения в начальные моменты времени движения ледяного поля относительно сооружения. Динамические коэффициенты трения используются для расчетов сил трения в ходе развитого движения ледяного поля относительно сооружения. Значения коэффициентов трения зависят от солености льда и его температуры, относительной по отношению сооружения скорости льда, шероховатости контактной поверхности сооружения.

 По литературным данным при стальной поверхности сооружения в зависимости от шероховатости поверхности, солености и температуры льда значения коэффициентов изменяются в диапазонах: статический коэффициент 0,2…0,7; динамический коэффициент 0,025…0,25. Значения коэффициентов увеличиваются с понижением температуры и увеличением шероховатости. Численные значения динамических коэффициентов трения значительно меньше статических.

 Взаимодействие льда с конической опорой.Конические опоры, как и цилиндрические, являются осесимметричными и могут воспринимать ледовые нагрузки с разных направлений. В конструктивном отношении и в плане взаимодействия со льдом опоры конической формы по отношению цилиндрических опор имеют как преимущества, так и недостатки. Основное преимущество конических опор заключается в существенном снижении ледовых нагрузок на сооружения. С другой стороны конические опоры имеют более сложную форму и, следовательно, связаны с более сложной строительной технологией по их возведению. Опоры конической формы имеют значительные поперечные размеры и, как следствие, больше расход строительных материалов. У конических опор наблюдаются значительные нагромождения обломков льда. Силовое воздействие льда на коническую опору изменяется при изменениях горизонта воды. Более вероятно смерзание поверхности опоры с ледяным покровом.

 Физическая картина взаимодействия льда с опорами цилиндрической и конической формы различная, процессы разрушения льда происходят по-разному. При контакте ледяного поля с конической поверхностью, в ледяной плите развиваются радиальные и круговые трещины, образуются обломки льда, надвигающиеся на коническую поверхность. При наползании ледяного поля на наклонную поверхность конуса, поле разрушается в первую очередь от изгиба, вследствие чего горизонтальная нагрузка на сооружение существенно уменьшается. Возникает вертикальная ледовая нагрузка на сооружение от вертикальной составляющей усилия при изгибе льда и от веса обломков. Сооружения с конической опорной частью в связи с уменьшением ледовых нагрузок можно возводить в районах с увеличенными глубинами и в условиях более тяжелых ледовых режимов. Поэтому платформы с конической опорной частью являются перспективными сооружениями.

 В зависимости от наклонов конической поверхности, ее шероховатости и адгезионных процессов со льдом, разрушение ледяного поля происходит при разных соотношениях деформаций изгиба, смятия, среза. По литературным данным, при относительно малых углах наклона образующих конуса к горизонту (до 45…65°) ледяное поле разрушается в основном от деформаций изгиба. Именно, вследствие этого нагрузки снижаются, в чем, и заключается преимущество конических опор. При более крутых конических поверхностях (более 70°), горизонтальная нагрузка от льда может существенно увеличиваться, так как деформации изгиба льда проявляются в меньшей мере. Здесь коническая опора приближается по форме к цилиндрической, так что разрушения ледяного поля обусловливаются в большей мере дроблением льда.

 Проектирование, а затем и строительство платформ с конической опорой частью началось примерно с середины 70-х годов нашего века. С этого же времени, за рубежом существенно усилились исследования процессов взаимодействия льда с коническими опорами с целью определения ледовых нагрузок. Состояние исследований и анализ работ по рассматриваемой проблеме изложены в обзорной работе. К настоящему времени выполнены достаточно обширные опытные исследования и получены определенные теоретические обобщения по определению нагрузок на конические опоры от ровных ледяных полей при отсутствии обломков льда у опор.

 Существенно отстают как в экспериментальном, так и в теоретическом отношениях исследования по определению воздействия торосистого льда на конические опоры. По определению действия на конические опоры торосистых образований выполнены некоторые натурные исследования, модельные опыты, однако не сделано необходимых теоретических обобщений и не получено достоверных рекомендаций для практического использования. В связи с этим, например по нашим нормам, определяются нагрузки на сооружения (в том числе опоры) от ровного ледяного поля. Эти нагрузки умножаются на коэффициент торосисто 1,3…2,0 с целью определения нагрузок от однолетних торосов.

 Взаимодействие льда с цилиндрической опорой.Нередко морские стационарные платформы одноопорные, так что верхнее надводное строение опирается на фундаментную конструкцию через посредство жесткой одиночной опоры в виде цилиндрической колонны. Здесь характеризуется воздействие льда на отдельно стоящую жесткую вертикальную цилиндрическую опору. В зоне воздействия льда (в ледорезной зоне) опора имеет относительно небольшие размеры в плане. Воздействие льда на такие опоры исследовано наиболее полно, выполнены теоретические и опытные работы.

 Известно, что при воздействии на опору ледяное поле толщиной более 0,50 м разрушается вследствие деформаций смятия (дробления). При меньших толщинах льда поле может разрушаться путем потери устойчивости как пластина. Значение ледовой нагрузки на опору зависит от:

 - физико-механических свойств льда;

 - скорости движения ледяного поля и условий его контакта с опорой;

 - соотношения толщины льда к диаметру опоры и др.

Основные мероприятия по активной защите сооружений от воздействия льда

 Общие положения, перечень мероприятий.При активных методах защиты воздействие льда первоначально воспринимается специальными устройствами на защищаемом сооружении или у этого сооружения, а затем уже разрушенный лед вступает в контакт с сооружением. При этом нагрузка от льда на сооружение меньше по значениям, а также изменяется характер воздействия льда. К мероприятиям, снижающим или исключающим нагрузки от льда на сооружение, относится следующее:

 - использование ледоколов для разрушения ледяных полей;

 - устройство прорезей (траншей) в ледяном покрове, окружающем сооружение;

 - применение специальных конструктивных устройств для разрушения льда (устройства монтируются, например, на опорном стволе платформы-монопода, или на опорных колоннах платформы);

 - применение направленных взрывов для разрушения ледяных

 - полей, заторов;

 - обогрев конструкции сооружения в зоне воздействия льда с целью таяния льда и снижения его прочности;

 - применение пневматических или гидравлических установок для накачки под ледяной покров у сооружения горячей среды (попутного газа, воздуха, пара, выхлопных газов, воды);

 - использование для работ буровых судов, разрушающих ледяной покров качкой корпуса.

 Из отмеченных выше мероприятий активной защиты от льда наиболее распространенным и надежным является использование ледоколов. С целью снижения ледовых нагрузок получило широкое распространение устройство прорезей, или траншей, в ледяном покрове. Так в случае круглого в плане искусственного острова или сооружения, в окружающем ледяном покрове устраивается сеть круговых в плане и радиальных прорезей. При навале на остров, разрушения льда происходит прежде всего по системе прорезей, как наиболее слабым местам; в результате общая нагрузка от льда уменьшается. Устраиваются сухие (глухие, несквозные) и мокрые (сквозные) прорези. При сухой прорези делается траншея, ледяное дно которой препятствует поступлению воды в прорезь (и на поверхность льда). При мокрой прорези траншеи сквозные (до воды). Замерзание воды в траншее идет от поверхности льда вниз со скоростью образования льда по толщине (до 15…30 см в сутки). Прорези устраиваются как вертикальные, так и наклонные. Может устраиваться комбинация сухих и мокрых прорезей.

 Применение направленных взрывов вообще является надежным способом защиты, но при этом наносится вред экологии среды, иногда требуется эвакуация обслуживающего персонала платформ и др.

 С целью снижения ледовых нагрузок на сооружения, известны практические применения обогрева строительных конструкций в местах контакта со льдом. Для этого рекомендуется использовать из газовых турбин отработанные газы, тепло которых должно передаваться теплоносителю - морской воде с антифризом. Теплоноситель уже должен подогревать соответствующие конструкции сооружения.

 Осваиваются пневматические и гидравлические установки для разрушения ледяного покрова. Получил практическое применение пневматический способ разрушения льда воздушными струями, выпускаемыми из перфорированных трубопроводов, уложенных по дну. Другие мероприятия находятся в стадии исследований и опытного применения.

 Конструктивные устройства для разрушения льда.Следует особо остановиться на вопросе применения конструктивных специальных устройств для разрушения льда. Наиболее часто рассматриваются противоледовые защитные устройства типа бандажей (манжет, поясов и т. п.), монтируемых на опорном стволе или на колоннах платформ в зонах воздействия льда. Само бандажное устройство обычно представляет собой стальной разделенный внутри на отсеки понтон с круговой или многогранной формой в плане и с наклонными (в том числе коническими) боковыми поверхностями для разрушения льда. В отсеки понтона может подаваться горячий агент (воздух, пар, вода и пр.).

 Одно из известных предложений норвежских и других специалистов по активной защите от льда платформ с колоннами заключается в устройстве на колоннах ледокольных бандажей в зоне ватерлинии (рис.1). Каждый бандаж подвешивается к тросам лебедок, установленных в надводном строении платформы, и может перемещаться по вертикали. Наружные поверхности бандажей наклонные, так что лед может разрушаться при движениях бандажей как вниз, так и вверх. Бандаж гравитационного типа, имеет значительную собственную массу, так что при опускании вниз он разрушает лед своей силой тяжести (по принципу работы ледоколов).

Рис.1. Схема вертикально перемещающегося бандажа на колоннах платформы

 1- колонна;

 2- балластные отсеки;

 3- отсеки с насосами и подогревом воды;

 4- подъемные тросы;

 5- силовой кабель;

 6- опорное подшипниковое устройство.

 Вертикальные перемещения бандажа могут обеспечиваться рядом устройств и, прежде всего, работой лебедок. Кроме того, в верхней части бандажа устраиваются балластные отсеки, которые могут балластироваться подогретой водой и затем продуваться. Подогрев балластной водой имеет целью исключение смерзания бандажей со льдом. Также, для обеспечения вертикальных перемещений возможно устройство в бандаже гидравлической силовой системы (гидропривода). Колонна в зоне ледокольного бандажа укрепляется, при этом сам бандаж движется по роликовым направляющим. Очевидно, что ледокольный бандаж может находиться в зоне ватерлинии только во время подвижек льда. Все остальное время бандаж может быть в поднятом тросами положении у надводного строения платформы, вне воздействия льда и волн.

 Известным является также предложение по активной защите от льда колонн платформы посредством поворотного ледокольного бандажа (рис.2). Последний шарнирно закрепляется внизу к опорному кольцу на колонке и может совершать поворотные движения. Корпус бандажа имеет "ледокольные" обводы, так что разрушение льда происходит подобно тому, как при движении ледокола. Бандаж может снабжаться разрушающими лед устройствами, так, например, баровой машиной, ледорезными фрезами, подачей под лед горячего газа или жидкости и др. Внутренний объем бандажа разделяется на водонепроницаемые балластные отсеки, заполняемые подогретой водой (подогрев для исключения смерзания). Балластировка отсеков регулируется. Для перемещения бандажа по вертикали могут применяться тросовая подвеска к лебедкам, гидроприводное устройство, балластировка и продувка отсеков и др.

Рис.2. Схема поворотного бандажа на колоннах платформы

 1- колонна;

 2- отсеки с насосами и подогревом воды;

 3- силовой кабель;

 4- опорное подшипниковое устройство.

 Изобретателями предложена активная защита колонн многоопорной платформы ледокольными бандажами в виде усеченных конусов с противоположно расположенными вершинами (рис.3). Бандажи находятся на колоннах, могут вращаться в плане и одновременно совершать вертикальные перемещения. Такие движения бандажей должны обеспечиваться теми или другими известными силовыми приводами. При контактах со льдом бандажи вращаются в противоположных направлениях и должны совершать противоположные вертикальные движения. В результате ледяное поле подвергается деформациям изгиба с изломом, а также эффекту скручивания. Предполагается, что обломки льда будут уходить из зоны сооружения, так что образование торосов исключается. Очевидно, что предложенная идея активной защиты представляет интерес. В направлении практического использования требуются разработки в отношении размеров бандажей, их параметров движения в связи с конкретными ледовыми условиями.

Рис. 3. Схема вертикально перемещающихся и вращающихся бандажей с противоположно направленными движениями

 Представляют интерес известные за рубежом и у нас предложения по устройству на колоннах платформ цилиндрических бандажей с винтовой наружной поверхностью (рис. 4). Бандаж приводится во вращение электродвигателем, при этом в процессе разрушения льда возникают горизонтальные и вертикальные составляющие нагрузок. Внизу и вверху бандаж опирается на упорные кольцевые выступы колонны через посредство подшипниковых устройств, через которые на колонку передаются вертикальные нагрузки. Контакт между внутренней поверхностью бандажа и наружной поверхностью колонны осуществляется также через посредство ряда подшипниковых кольцевых устройств (передача на колонну горизонтальных нагрузок). Винтовая поверхность (нарезка) бандажа имеет внутри каналы для движения в них горячей жидкости или газа с целью исключения обмерзания. Винтовой бандаж устанавливается на колонну и включается в работу по разрушению льда только на время подвижек ледяного поля. На другие периоды времени он демонтируется и не подвержен действию льда и волн. Очевидно, что имеются технические трудности по изготовлению больше размерных бандажей с винтовой поверхностью при больших диаметрах колонн или одного опорного ствола в платформах типа монопод (диаметры до 10 м и более).

Рис. 4. Схема ледорезов винтового типа на колонне многоопорной платформы

 1- колонна;

 2- винтовой корпус с резьбой;

 3- зубчатое колесо привода;

 4- электродвигатель;

 5- опорные подшипниковые устройства;

 6 -зубчатое колесо.

 Следует заметить, что применение бандажных ледокольных устройств не зависит от глубин, на которых установлено платформа. В принципе, возможно применение подобных устройств и на колоннах полупогружных платформ. Однако бандажные ледокольные устройства могут проектироваться только для определенного диапазона толщин льда, возможны повреждения при воздействии льда, эксплуатационные расходы могут быть существенными.

 Изобретателями предложено для защиты от льда платформ типа монопод устраивать на опорном стволе винтовую ледорезную поверхность с клиновидными профилями зубьев (рис.5).  

Рис.5. Схема ледорезов винтового типа на опорном стволе платформы типа монопод

 При контакте с винтовой поверхностью ледяное поле претерпевает деформации прорезания и излома (в совокупности с изгибом и сжатием). Касательная составляющая реакции винтовой поверхности уводит разрушенный лед из зоны сооружения, так что исключается образование торосов. Испытания в ледовом бассейне Арктического и Антарктического научно-исследовательского института показали, что нагрузка от плавучих ледяных полей на опорный ствол с винтовой поверхностью примерно в 2 раза меньше, чем в случаях отсутствия винтовой поверхности; сделаны рекомендации по проектированию.

 Представляет интерес ледорезное пневматическое устройство для защиты платформ типа монопод, предложенное изобретателями (рис.6). На опорном стволе платформы имеется стационарное конусное устройство в виде двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Дополнительно к этому для разрушения льда служит предложенное подводное ледорезное пневматическое устройство, которое включает:

 - плавучие понтоны с избыточной плавучестью, имеющие в плане общую форму окружности или многоугольника;

 - бандаж (может совершать вертикальные перемещения по стволу);

 - трубчатые кронштейны, соединяющие бандаж с понтонами;

 - упоры на опорном стволе;

 - пустотелые ножи, установленные на палубах понтонов.

Рис. 6. Схема ледорезного пневматического устройства для защиты платформ типа монопод

 1 -бандаж;

 2- трубчатый кронштейн;

 3- плавучий понтон;

 4- пустотелый тяж;

 5- стационарное конусное устройство;

 6- упор.

 Вертикальные перемещения всей пневматической системы обусловливаются регулировкой балластировки понтонов. Понтоны, бандаж, и в целом вся пневматическая система, могут совершать вертикальные перемещения, ограничиваемые снизу упорами, а вверху стационарным конусным устройством. Высотные положения упоров и конусов зависят от колебаний уровня, отметок и толщин ледяных полей и др. При нахождении понтонов в подводном положении и удалении из них водяного балласта, происходит всплытие пневматической системы до упора кромок ножей в ледяное поле снизу. Резка льда производится горячим воздухом (отработанными газами, паром), вытекающим из кромки пустотелых ножей. Воздух к ножам подается через трубчатые кронштейны. Образующиеся подрезы льда способствуют разрушениям ледяных полей при их последующем взаимодействии с конусным устройством. При этом уменьшаются нагрузки на платформу в целом от воздействия льда.

Основные мероприятия по пассивной защите сооружений от воздействия льда

 Общепринято мероприятия по противоледовой защите сооружений разделять на пассивные и активные. Пассивные мероприятия защитыобеспечиваются конструкцией самого сооружения, его прочностью, массой и т. п. Здесь нагрузки от льда полностью воспринимаются самим сооружением. Активные мероприятия защитысвязаны со специальным воздействием на лед с целью его разрушения и уменьшения (или исключения) нагрузок от льда на сооружение. Здесь лед может быть разрушен на подходах к сооружению, или ледовые нагрузки воспринимаются специальными устройствами на сооружении, так что непосредственно сооружение воспринимает только часть ледовой нагрузки. В целом, воздействие ледовых нагрузок всегда существенно отражается на конструкциях применяемых сооружений.

 К мероприятиям по пассивной защите с целью обеспечения ледостойкости сооружений можно отнести следующее:

 - уменьшение площадей горизонтальных сечений в зоне воздействия льда, так что площадь контакта сооружения с ледяным полем сокращена (энергия навала ледяного поля расходуется на местные разрушения льда в сравнительно небольшой зоне контакта с сооружением);

 - применение гравитационных сооружений с большой массой и с развитой площадью подошвы фундаментного блока для опирания на грунт дна (увеличением площади подошвы достигается снижение напряжений в грунте основания и уменьшение опрокидывающего момента);

 - устройство наклонных граней внешних поверхностей сооружения в зоне воздействия льда с целью снижения горизонтальных нагрузок от льда (разрушение ледяного поля в этих случаях обусловливается в первую очередь изгибом, а не сжатием; вертикальная реакция от воздействия льда способствует устойчивости сооружения, так как меньше сдвигающая сила и меньше опрокидывающий момент);

 - применение сооружений с конической формой опорной части в зоне ватерлинии (здесь ледовая нагрузка снижается как вследствие уменьшения сечения опоры в зоне ватерлинии, так и вследствие работы ледяного поля на изгиб);

 - укрепление связи фундаментной части сооружения с грунтом морского дна через посредство "пришивных" свай для закрепления сооружения к грунту дна (обычно применяются длинные сваи из стальных труб);

 - устройство под подошвой фундаментного блока рубашек ("юбок") в виде системы стальных или железобетонных вертикальных стенок (ножей) для связи с грунтом дна;

 - замораживание грунтов дна с целью примораживания подошвы фундаментного блока к грунту основания (производится также глубинное замораживание грунта с помощью термосвай);

 - укрепление слабых грунтовых оснований (замена слабых грунтов, устройство песчано-гравийных подушек и дрен, уплотнение оснований и др.);

 - усиление строительных конструкций в местах контактов со льдом (увеличиваются сечения стальных и железобетонных элементов, железобетон покрывается листовой сталью и т. п.);

 - устройство скользящих покрытий поверхностей сооружения в зоне воздействия льда (покрытия с малым коэффициентом трения) и др.

 К настоящему времени большинство шельфовых сооружения характеризуется пассивной защитой от воздействия льда, т. е. сама конструкция сооружения может полностью выдерживать ледовые нагрузки. Значительная часть сооружений на полярных шельфах являются гравитационными с развитыми площадями подошв. Искусственные острова в силу своих конструктивных особенностей являются также гравитационными и имеют достаточную связь с морским дном.

 Особо следует остановиться на вопросе применения сооружений с наклонными, в том числе коническими, наружными поверхностями. При наклонной поверхности ледяное поле разрушается в основном от изгиба. Нагрузка от льда разделяется на горизонтальную и вертикальную составляющие. Горизонтальная нагрузка становится меньшей (по сравнению со случаем вертикальной поверхности) и, следовательно, улучшается работа сооружения на сдвиг. Появление вертикальной составляющей нагрузки способствует устойчивости сооружения, но увеличиваются напряжения на морское дно, что может быть недостатком при слабых грунтах оснований. Конические поверхности, аналогично наклонным, также уменьшают горизонтальные нагрузки от льда на сооружение. Кроме того, при конической поверхности разрушенный лед легче удаляется от сооружения, так что меньше вероятность заторов.

 В качестве недостатка следует отметить, что при наклонных и конических поверхностях усложняется швартовка судов и затрудняются грузовые операции (нужны краны с увеличенными выносами стрел и др.). Возможно наползание битого льда на откосы, так что в случаях искусственных островов увеличиваются высоты парапетов. Не исключено смерзание льда с наклонной поверхностью, в таком случае нагрузка от льда не снижается, так как наклон поверхности не проявляется. При наклонной поверхности платформы в зоне ватерлинии, увеличиваются в целом размеры сооружения (особенно при увеличенных глубинах), его масса, т. е. возрастает материалоемкость сооружения и его стоимость.

 Для сравнения, в случае вертикальной поверхности платформы в зоне воздействия льда, последняя полностью воспринимает силовое воздействие льда, но здесь меньше площадь контакта сооружения со льдам, проще технология работ по строительству платформ, меньше материалоемкость.

 Ниже будут приведены сведения о конструкциях платформ с усиленной связью с морским дном. Для этого применяются анкерные сваи, устраиваются рубашки под подошвами фундаментных блоков, производится замораживание грунта оснований и др. Устраиваемые под подошвами стальные или железобетонные рубашки имеют высоты стенок (ножей) 3…5 м. Пустоты под подошвами внутри рубашек заполняются под нагнетанием цементным раствором. Рубашки укрепляют основание и связывают с ним сооружение, так что существенно увеличивается устойчивость сооружения на сдвиг и опрокидывание при действии ледовых и волновых нагрузок.

 Следует сделать некоторые замечания по вопросам замораживания грунта оснований. Примораживание подошвы сооружений к морскому дну вообще может получить распространение. Здесь в конструкцию фундаментного блока по периметру вмонтируются трубы с диаметрами до 0,8…1 м, которые являются не только путями движения хладагента, но одновременно служат несущими элементами фундаментного блока и обеспечивают прочность блока. В качестве хладагента обычно используется керосин с отрицательной начальной температурой (примерно -25 °С).

 Можно кратко отметить следующие положительные стороны метода примораживания. Расход энергии на охлаждение хладагента производится только в короткий летний сезон времени, в связи с низкими отрицательными температурами воздуха в другие времена года. Для примораживания сооружения не требуется производства специальных работ по подготовке грунта основания морского дна. Примораживание применимо для ряда конструктивных типов платформ. К отрицательным сторонам примораживания относятся:

 - отсутствие достоверного контроля за ходом примораживания грунта;

 - эксплуатационные расходы, связанные с работой установок для обеспечения движения хладагента;

 - пожароопасность и возможное загрязнение среды при повреждениях трубопроводов и др. Примораживание более целесообразно при малых глубинах и устойчивых отрицательных температурах воздуха. Более затруднительно замораживание глинистых грунтов.

 Применение термосвай для укрепления оснований сооружений уже давно распространено в строительном деле. Здесь производятся строительные работы по погружению термосвай в грунт основания. Происходит замораживание грунта в зоне погружения свай под фундаментным блоком платформы. При этом достигается более глубинное замораживание грунта, чем в случае примораживания. Следует иметь в виду, что сами термосваи укрепляют основание и связывают его с платформой. К основным мероприятиям по укреплению грунтовых оснований и улучшению их свойств относится:

 - удаление верхнего слоя слабых грунтов целью посадки сооружения на более прочные нижние слои грунта;

 - устройство песчаных и песчано-гравийных подушек без замены или с частичной заменой слабых грунтов в основании;

 - устройство песчаных дрен для консолидации грунтов слабых оснований (часто дрены устраиваются под песчаными подушками, что существенно ускоряет консолидацию основания);

 - вибрирование рыхлых песчаных оснований с целью их уплотнения;

 - инъекция цементного раствора под подошву сооружения для обеспечения плотного контакта сооружения с основанием;

 - укрепление основания сваями, так что в работу вовлекаются большие массы грунта и усиливается связь сооружения с основанием;

 - устройство ограждающих стенок в основании из стального шпунта (обычно по периметру фундаментного блока).

 Зарубежными специалистами (США, Япония, Швеция) предложен также способ укрепления слабых грунтов оснований путем глубинного перемешивания грунтов с цементным раствором. Подача раствора в грунт дна осуществляется по трубам, оборудованным смесителями лопастного типа. Опытные работы на шельфе моря Бофорта (бухта Гаррисона) показали эффективность такого способа. При этом несущая способность слабого основания увеличивается в десятки раз.

 Чем более шероховатая поверхность конструкции, тем более благоприятные условия для ее смерзания со льдом. Ледовые нагрузки при этом на наклонные поверхности увеличиваются. Поэтому с целью уменьшения нагрузок от льда, на наклонных поверхностях устраиваются скользящие покрытия с малым коэффициентом трения. Покрытие играет роль смазки, уменьшается прилипание льда к конструкции, затрудняется обмерзание конструкции. Имеются примеры применения покрытий на эпоксидной (полиуретановой) основе с коэффициентом трения до 0,03 (аналогично покрытиям корпусов ледоколов). Такие покрытия были сделаны в условиях верфи при строительстве отдельных платформ. Достаточных данных о долговечности таких покрытий и их эффективности еще не имеется. Следует заметить, что скользящие покрытия способствуют наползанию льда на откосную поверхность сооружений.

 Истирающее действие льда разрушающе действует на конструкции сооружений. Поэтому для защиты конструкций, в зонах воздействия льда устраиваются противоледовые пояса. Так железобетонная конструкция сооружения защищается обшивкой из толстостенной листовой стали, крепящейся к заделанным в бетон стальным закладным элементам (анкерам). Для защиты основной конструкции устраиваются также железобетонные противоледовые пояса из предварительно напряженных железобетонных элементов (плит, скорлуп и др.).

 Одноопорные платформы типа моноподов в целом подвергаются меньшим ледовым нагрузкам, чем платформы с рядом опорных колонн в идентичных условиях. В платформах-моноподах меньше площадь контакта конструкции со льдом, меньше вероятность образования скоплений льда. На одноствольной опорной части, возможно, более простое применение ледоразрушающих устройств в зоне ватерлинии для снижения ледовых нагрузок.

 В заключение следует отметить, что для возведения шельфовых сооружений выбираются площадки с менее суровыми ледовыми условиями (меньше толщина льда, меньше вероятность воздействия плавучих ледяных полей и айсбергов, учет защитного эффекта берегов материков и естественных островов и др.).

УКАЗАНИЯ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ ИСКУССТВЕННЫХ ГРУНТОВЫХ ОСТРОВОВ НАМЫВНОГО И НАСЫПНОГО ТИПОВ

Проектирование искусственных грунтовых островов

 Некоторые общие положения.Освоение континентального шельфа Арктики, и в первую очередь в море Бофорта, было первоначально связано со строительством искусственных грунтовых островов, как наиболее приемлемых конструктивных форм сооружений. Именно строительство искусственных островов явилось начальным ключевым моментом в освоении здесь континентального шельфа. Значительная часть площади моря Бофорта имеет глубины до 20 м. Возведение искусственных грунтовых островов обусловилось суровыми условиями в море Бофорта, которое покрыто льдом в течение около 9 месяцев в году. Очевидно, что традиционные конструкции стационарных или плавучих платформ более подвержены разрушающему действию льда, чем искусственные острова.

 К положительным сторонам искусственных грунтовых островов относится следующее:

 - большая устойчивость к ледовым, волновым и сейсмическим воздействиям;

 - возможность применения такой же как и на суше технологии бурения (рабочие площадки островов имеют большие размеры для размещения технологического оборудования, запасов и т. п.);

 - упрощенная технология строительных работ, относительно меньшие капитальные затраты на строительство;

 - повышенная надежность, долговечность, эксплуатация островов меньше зависит от погодных условий.

 Вместе с тем следует иметь в виду, что грунтовые острова требуют для своего возведения огромных количеств сыпучих материалов (песка, гравия) и стоимость их существенно зависит от глубин. Требуется капитальная защита откосов островов против действия льда и волн.

 Искусственные грунтовые острова в зависимости от способа производства работ при их строительстве подразделяются на (рис. 7):

 - намывные, возводимые без защиты или с защитой откосов;

 - насыпные, возводимые, как правило, с защитой откосов.

 Рис. 7. Типовые схемы искусственных грунтовых разведывательных островов для глубин до 9,15 м с защищенными откосами

 а, б- план и вертикальный разрез насыпного острова;

 в- вертикальный разрез намывного острова.

 По назначению острова подразделяются на разведывательные и эксплуатационные. Разведывательные острова предназначаются для разведочного бурения, имеют относительно небольшой срок службы, что учитывается при их проектировании и строительстве. Эксплуатационные острова предназначаются для промышленной добычи нефти и газа, должны быть более долговечными, иметь усиленные конструкции и увеличенные размеры, что также учитывается при их проектировании и строительстве.

 Для каждого конкретного участка моря и морского побережья характерны определенные природные условия, весь комплекс которых составляет естественный режим данного района. При проектировании и строительстве искусственных островов учитывается большой комплекс вопросов, характеризующих естественные условия района строительства, а также технические производственные возможности. Так учитываются условия:

 - гидрографические (глубины, рельеф дна);

 - метеорологические (температура, ледовый и ветровой режимы, осадки, туманы);

 - гидрологические (волнение, течения, изменения уровней воды, приливные явления);

 - геологические и геоморфологические (геологическое строение дна, свойства пород, изменяемость дна, движение наносов, тектонические явления).

 Кроме естественных условий учитываются:

 - назначение острова;

 - наличие грунтовых материалов и способы их транспортировки;

 - наличие плавучих средств и строительной техники;

 - удаленность острова от производственной базы на материке и т. п.

 Более часто принимается круглая форма островов в плане. Такая форма требуется в случаях открытого моря, когда воздействие льда и волн возможно с разных направлений, или когда нельзя установить направление наибольшего силового воздействия. При известных господствующих направлениях распространения волнения и движения льдов, форма острова в плане принимается овальной, близкой к прямоугольной. Грунтовые острова должны противостоять волновой эрозии летом и воздействиям льда зимой. Усиленное воздействие волн и льда острова испытывают в открытом море при значительных глубинах. Меньшие воздействия острова испытывают при расположении на меньших глубинах, в заливах, под защитой берегов материков и естественных островов. В этих случаях меньше толщины льда и подвижки ледяных полей.

 Насыпные острова.Такие острова возводятся как в летнее время при отсутствии ледяного покрова, так и зимой со льда. В зависимости от времени года, в связи с состоянием погоды, принимается соответствующая технология работ. Кроме того, технология работ зависит от многих факторов, но прежде всего от глубин воды и расстояния между карьером и возводимы островом. В море Бофорта летний строительный сезон обычно длится с конца июля до начала октября. В части этого времени бывает круглосуточно светло, температуры днем до +10 °С Зимой солнечного света нет, температура опускается до -60 °С.

 Насыпные острова начали возводится в районе устья реки Маккензи с 1974 г. Основным материалом для тела островов является песок и гравий. Следует отметить, что до 1974 года часть мелководных островов возводилась из местных донных илов, так что острова могли эксплуатироваться только в зимнее времяв замороженном состоянии тел островов.

 Летом грунтовая масса доставляется с берегового карьера на саморазгружающихся баржах (самоопрокидывающихся или с открывающимися днищами), с которых производится отсыпка нижней части тела острова. Верхняя часть острова отсыпается также с барж, но с применением кранов (грейферов и т. п.).

 В зимнее время грунт доставляется с берегового карьера автотранспортом по ледовой дороге и отсыпается в тело острова через проруби (окна) во льду. Здесь в экономическом отношении играет роль количество задействованного автотранспорта, что зависит не только от объема тела острова, но в большой мере и от расстояния между островом и карьером. Значительные расходы необходимы на возведение ледовой дороги и поддержание ее в эксплуатационном состоянии.

 Надводные и подводные откосы насыпных островов защищаются, а уклоны откосов обычно принимаются 1:3. Наиболее часто по грунту откоса укладывается синтетическое фильтрующее покрытие, которое закрепляется анкерами к грунту. Затем по этому покрытию укладываются в один или два слоя мешки с песком. Для защиты откосов применяются также камень, бетонные блоки, железобетонные плиты.

 Для уменьшения объема тела острова с целью уменьшения расхода сыпучих материалов, иногда по морскому дну устраивается кольцевой вал (берма) из мешков с песком. Затем отсыпка производится в ограниченную валом круговую область. Следует иметь в виду, это устройство вала требует дополнительного строительного оборудования и часто затруднительно по погодным условиям. Имеются примеры, когда подводная часть острова возводится намывом, а надводная часть насыпным способом.

 Защитный парапет устраивается по всему или части периметра рабочей территории острова с целью исключения наползания льда и наката волн на площадки территории. Парапет часто возводится из мешков с песком с уклонами откосов 1:2.

 Намывные острова.Такие острова возводятся в летнее время, грунт забирается землесосами из подводных морских карьеров и транспортируется по плавучим трубопроводам непосредственно в тело острова. Образующиеся при этом подводные неукрепленные откосы имеют малые уклоны от 1:20 до 1:15, так что остров занимает значительную площадь в плане и требует для своего возведения больших масс грунта.

 Именно, малые глубины на пологих подводных откосах способствуют разрушению морских волн, которые по пути вдоль откоса трансформируются, и на надводную часть острова уже действуют волны малой высоты. Далее, зимой в условиях малых глубин над откосами, происходит разрушение ледяных полей, так что вокруг острова может образоваться защитный пояс из битого льда. Поэтому для условий моря Бофорта первоначально считался целесообразным намывной тип острова с пологими подводными откосами и более крутыми надводными откосами, хотя такой тип островов требует намыва большого количества грунта. Применение намыва с подводных близлежащих к острову карьеров также целесообразно, если остров расположен далеко от материка, так что доставка грунта с материка зимой по льду автотранспортом чрезмерно дорога. Острова с неукрепленными откосами обычно возводятся на малых глубинах (в основном до 3 м) и предназначаются для разведочного бурения с малым сроком эксплуатации (2…3 года).

 По данным зарубежного опыта возведения намывных островов выделяются следующие этапы:

 - намыв подводной и частично надводной части острова по пульпроводу, выходной конец которого закреплен на барже, установленной на якоря в зоне острова;

 - доставка на частично возвышающуюся над водой поверхность острова строительной техники (кранов, бульдозеров и др.) для производства земляных и берегоукрепительных работ;

 - продолжение намыва грунта и возведение с помощью техники вокруг будущей рабочей площадки кольцевого вала высотой около 4 м (с дренажными отверстиями в валу для отвода воды);

 - намыв грунта в воронку внутри кольцевого вала и далее до полного профиля острова;

 - производство работ по защите откосов острова (укладка фильтрующих полотен, мешков с песком и др.; заполнение мешков производится на острове с использованием оборудования);

 - планировка и оформление рабочей площадки, устройстве пандуса для приема бурового оборудования.

 Защита откосов.Форма откосов в общем случае может быть ломаной с разными уклонами участков. В таких случаях наиболее пологие откосы делаются в зоне воздействия волн и льда. В откосы могут включаться горизонтальные бермы.

 В намывных островах подводные неукрепленные откосы имеют весьма малые естественные уклоны (1:20)…(1:15), иногда до 1:12. Надводная часть намывных островов может быть насыпной с более крутыми откосами. В насыпных островах с укрепленными откосами, подвергающимся волновым и ледовым воздействиям, уклоны обычно принимаются 1:3 (иногда до 1:5). Если откос не подвержен воздействию волн, то уклон иногда принимается 1:2.

 Ледовые и волновые воздействия разрушающе действуют на берега искусственных грунтовых островов, в связи, с чем требуется конструктивная защита откосов. Для защиты откосов применяются:

 - синтетические полипропиленовые мешки с песком или гравием, иногда мешки с цементным раствором (одна часть цемента и 4 части инертных);

 - покрытия из наброски камня;

 - покрытия из железобетонных плит или бетонных блоков;

 - габионы в виде стальных сетчатых корзин, заполненных камнем;

 - стальные щиты (отдельные случаи);

 - синтетические гибкие водопроницаемые фильтрующие полотна;

 - стальные тросовые сети и якорные цепи (для удержания элементов покрытий) и др.

 Более часто защита откосов производится мешками с песком, укладываемыми в один или два слоя на фильтрующее гибкое полотно, покрывающее откос. Сверху мешки могут закрепляться сеткой из стальных тросов (типа противоторпедных сетей) или якорными цепями. Применялись мешки емкостью от 0,4 м до 2,15 м песка. Мешки изготовляются из поливиниловой водопроницаемой ткани с достаточной прочностью. Часть мешков под воздействием льда и волн повреждаются, поэтому эпизодически требуются ремонтные работы с добавлением новых мешков. Укладываемые на откосах железобетонные плиты соединяются между собой шарнирно с помощью якорных цепей или стальных тросов.

 Проектирование.Как уже отмечалось, грунтовые острова по своему назначению подразделяются на разведывательные и эксплуатационные. Проектировщиками выработаны обобщающие условия и требования для проектирования и строительства таких островов.

 Разведывательные острова имеют относительно небольшой срок службы (до 3 лет), и применительно к условиям моря Бофорта и при глубинах до 9,15 м, такие острова должны удовлетворять следующим требованиям (рис.7):

 - принимается круглая форма острова в плане с диаметром рабочей площадки 122 м;

 - возвышение территории острова над уровнем моря 3,4 м;

 - высота защитного парапета (бермы) не менее 1,5 м;

 - расчетный горизонт воды с учетом нагона и приливов принимается на отметке +1,8 м;

 - расчетная высота волн принимается 3,1 м с периодом 6 с (расчетным принят шторм с повторяемостью один раз в 10 лет);

 - горизонтальная погонная нагрузка (на 1 м диаметра) от льда обусловливается толщиной ледяного покрова 2,1 м и принимается 4,02 МН/м (402 тс/м);

 - расчетная нагрузка от льда должна приниматься с учетом назначаемого коэффициента запаса для разведывательных островов.

 Эксплуатационные острова имеют значительный срок службы (20…30 лет) и в соответствии с этим для условий моря Бофорта и при глубинах до 9,15 м должны удовлетворять следующим повышенным требованиям:

 - размеры острова в плане определяются оборудованием и технологией работ, обычно диаметры островов назначаются Равными 183 м (в общем случае в диапазоне 183…305 м);

 - возвышенно территории острова над уровнем моря 4,6 м;

 - высота защитного парапета не менее 2,4 м;

 - расчетная высота волн принимается 4,3 м с периодом 7 с (расчетным принят шторм с повторяемостью один раз в 100 лет);

 - горизонтальная погонная нагрузка (на 1 метр диаметра) от льда обусловливается толщиной ледяного покрова 4,6 м и принимается 8,48 МН/м (848 тс/м), а сучетом коэффициента запаса 1,56 расчетная нагрузка составляет 13,24 МН/м (1324 тс/м).

 Плотности отсыпаемых в тело островов грунтов принимаются в воздухе 1742 кг/м, а в воде с учетом взвешивания и пористости 1041 кг/м.

 Выше излагались своего рода нормативные требования проектировщиками по вопросам проектирования грунтовых островов. Целесообразно также привести некоторые фактические параметры по данным уже возведенных разведывательных островов. Рабочие площадки островов имеют диаметры в диапазоне 90…130 м (площади 0,65…1,35 га). Возвышения рабочих площадок над уровнем воды составляют 3…6 м (в среднем 4,5 м). Возвышения площадок назначаются выше высоты наката волн на откос с некоторым запасом (при самом высоком статическом горизонте воды). Кроме того, должно исключаться наползание льда на площадки. Размеры откосов от рабочих площадок до уровня воды находятся в интервале 25…50 м.

 Для разведывательных островов минимальная высота парапетной стенки назначается 1,5 м. При такой высоте стенки возможно кратковременное затопление рабочей площадки в экстремальных природных условиях. В эксплуатационных островах высота парапетной стенки должна исключать затопление рабочей площадки и наползание на площадку льда в течение всего длительного срока эксплуатации острова.

 Стоимость грунтовых островов быстро растет с увеличением глубин. Это следует уже из того, что расход сыпучих материалов увеличивается пропорционально глубине в кубе. При этом происходит размыв материалов волнами и течениями. Уменьшение расхода материалов достигается созданием более крутых откосов, применением круговых в плане упорных призм (из мешков с песком, камня), но при этом требуется устройство дорогостоящих креплений откосов.

 По мнению части зарубежных специалистов, применение искусственных грунтовых островов экономически оправдано при( )глубинах до 20 м, именно до такой глубины и возведены грунтовые острова (по мнению других специалистов грунтовые острова целесообразно возводить при глубинах до 9…12 м). При глубинах более 20 м уже нужно такое огромное количество сыпучих материалов, что их невозможно технически доставить за время одного строительного сезона. При глубинах более 20 м более экономичны острова, берега которых ограждаются стенками вертикального типа (массивами-гигантами и т. п.). Считается также целесообразным для разведывательного бурения применять буровые суда, хотя такие суда могут эксплуатироваться в течение 75…150 дней в году. Следует отметить, что для повышения сопротивляемости грунтовых островов действию льда, в зарубежной печати рекомендуется производить уборку снега с надводной поверхности островов. В этом случае тела островов промерзают на большую глубину (до 5,5 м) и сопротивление островов увеличивается.

Основные конструкции островов

 Историческая справка.Вопросы проектирования и строительства искусственных грунтовых островов в полярных условиях шельфа у побережий Канады и Аляски начали исследоваться с 1970 г. Здесь первые искусственные грунтовые острова начали возводиться с 1972 г. Исследования и работы выполнялись, прежде всего канадскими компаниями и фирмами. Первоначально острова возводились на малых глубинах до 2…3 м из местных грунтов, в том числе илистых, так что эксплуатация островов была возможной только в зимнее время при замерзших грунтах. Затем острова стали возводиться также намывным или насыпным способами, но из доставляемых со значительных расстояний песка или гравия (транспортировка по пульпопроводам или на автомашинах по льду). Производится защита откосов островов камнем, мешками с песком и др. Большинство островов предназначены для разведочного бурения.

 Строительство островов интенсивно производилось в канадском секторе моря Бофорта и, прежде всего, в зоне дельты реки Маккензи. Канадские компании построили 17 искусственных грунтовых островов, среди которых можно отметить, например, острова: Натсерк, глубина 7,6 м (1975 г.); Арнак, Каннерк на глубинах 8,5 м (1976 г.); Иссерк, глубина 13,1 м (1977 г.); Иссунгнак, глубина 19,8 м (1979 г.) и др. К 1988 г. в море Бофорта возведено более 40 искусственных островов.

 Мелководные острова на глубинах до 2,1 м.Участки дна моря Бофорта в зоне устья реки Маккензи часто сложены из илистых грунтов, которые в обычном состоянии не могут использоваться как основания сооружений ввиду недостаточных прочности и устойчивости. Однако при малых глубинах в замороженном состоянии илы обладают достаточной прочностью, так что основанный на них и возведенный из ила искусственный остров может выдерживать напор льда, и с острова можно производить буровые работы. На таких островах буровые работы могут вестись только в зимние месяцы, когда ил находится в замороженном состоянии.

 В связи с отмеченным, в защищенных местах района устья реки Маккензи возведены мелководные острова из ила и на илистых основаниях при глубинах до 2,1 м. Здесь по периметру каждого острова устраивалась ограждающая подпорная призма из синтетических мешков с песком с массами в основном по 127 кг. Мешки с песком доставлялись на баржах в готовом виде. На части островов ограждающие призмы устраивались в виде насыпей из гравия. Внутреннее пространство между подпорными призмами заполнялось вычерпываемым со дна илом. В местах установки оборудования для исключения оттаивания или разжижения ила устраивались гравийные подушки. Так, буровые вышки устанавливались на гравийные подушки. В ряде случаев для установки буровых вышек устраивались свайные основания из стальных обсадных труб. Ниже по литературным данным приводятся краткие характеристики мелководных островов.

 Острова Адговозведены из илистых местных грунтов и предназначались для ведения разведочных буровых работ только в зимнее время. Буровые установки помещались на гравийные подушки.

 Остров Адго (F-28) намывной, глубина 2,1 м, возведен летом 1973 г. (в течение 30 рабочих суток). Рабочая площадка с размерами 45,7х82,9 м с возвышением над уровнем воды 0,9 м. Расход грунта 36,6 тыс. м.

 Остров Адго (Р-25) намывной, глубина 1,5 м, возведен летом 1974 г. (в течение 30 суток). Рабочая площадка с размерами 68,6х143,3 м и возвышением над уровнем воды всего 0,6 м. Расход грунта 27,5 тыс. м.

 Остров Адго (J-27) намывной, глубина 1,8 м, возведен летом 1976 г. (в течение 30 суток). Рабочая площадка с размерами 50,3х106,7 м и возвышением 3,1 м над уровнем воды. Расход грунта 68,9 тыс. м.

 Остров Адго (С-17) насыпной, глубина 1,5 м возведен зимой 1976 г. (в течение 42 суток). Рабочая площадка с размерами 50,3х157,0 м с возвышением 3,1 м над уровнем воды. Расход грунта 70,4 тыс. м.

 Остров Икатток(J-47) намывной (нижняя часть) и насыпной (верхняя часть), глубина 1,5 м, возведен летом 1976 г. (в течение 30 суток). Рабочая площадка с размерами 45,7х129,5 м и возвышением на 2,1 м выше уровня воды. Расход грунта 38,3 тыс. м.

 Остров Унарк(L-24) насыпной, глубина 0,9 м, возведен в зимне-весеннее время 1974 г. (за 50 рабочих суток). Рабочая площадка с размерами 61,0х121,9 м и возвышением 2,4 м над уровнем воды. Остров вытянут в длину по направлению север-юг с целью меньшей подверженности действию штормов и ветров с севера. Остров насыпан из гравия (расход 43,6 тыс. м( )гравия). Откосы покрыты гибкими фильтрующими синтетическими полотнами с защитой слоем мешков с песком (толщина слоя 1,2 м). По верху мешков уложена проволочная сетка и Участки якорных цепей.

 Остров Пуллен(Е-17) насыпной, глубина 1,5 м, возведен в зимне-весеннее время 1974 г. (за 48 рабочих суток) при наличии ледяного покрова. Рабочая площадка с размерами 68,6х114,3 м и возвышением 3,1 м над уровнем воды. Центральная часть острова насыпана из гравия, а остальная из грунта. Необходимо’ отметить следующую особенность производства работ. Во время возведения острова толщина льда составляла 1,44 м при глубине слоя воды под льдом 0,45 м. Производилось удаление льда, при этом лед нарезался специально смонтированной на тракторе машиной на 7-тонные блоки с размерами 1,44х1,52х3,0 м. Блоки удалялись специальным погрузчиком с захватами на резиновом ходу. Удалено было около 20 тыс. т льда. Для отсыпки острова гравий доставлялся с материка автотранспортом по ледяной дороге длиной 120 км. Важно, чтобы отсыпка гравия производилась сразу по удалении части ледяных блоков с целью исключения образования ледяных призм в теле острова. Объем насыпного тела острова 63,6 тыс. м. Произведена была также берегозащита острова. Откосы покрывались гибкими фильтрующими полотнами, а затем мешками с песком с массами по 127 кг.

 Остров Пелли(В-35) насыпной, глубина 2,1 м, возведен летом 1974 г. (в течение 50 суток). Рабочая площадка с размерами 82,3х157,0 м и возвышением 1,8 м выше уровня воды. Расход илистого грунта 34,4 тыс. м. В центре острова установлены две баржи, которые соединены общей надстройкой под буровую вышку. Размеры каждой баржи 73,0х11,6х2,5 м. Корпусы барж внутри были заполнены илом, а снаружи защищены призмой из габионов (проволочных ящиков) с размерами 1,5х1,5х0,75 м, заполненных мешками с песком. Характерно, что после окончания бурения баржи были освобождены с целью дальнейшего использования.

 Острова Сарпик, Кугмаллит, Арнак, Каннерк на глубинах от 4,3 до 8,5 м.Эти острова возведены в канадском секторе моря Бофорта, являются насыпными из песка, или намывными из песка с примесями. Защита откосов из синтетических фильтрующих покрытий и мешков с песком. Ниже приводится краткая характеристика островов.

 Остров Сарпик(В-35) насыпной, глубина 4,3 м, возведен в зимне-весеннее время 1976 г. (в течение 44 рабочих суток). Рабочая площадка в форме круга с диаметром 97,5 м возвышается на 6,7 м выше уровня воды. Расход грунта 118,6 тыс. м.

 Остров Кугмаллит(D-49) насыпной, глубина 5,2 м, возведен летом 1976 г. (в течение 37 суток). Рабочая площадка с диаметром 97,5 м возвышается на 4,6 м выше уровня воды. Расход грунта 237,2 тыс. м.

 Острова Арнак(L-30) и Каннерк(G-42) возведены одновременно в идентичных условиях. Эти острова намывные, глубины 8,5 м, возведены летом 1976 г. (в течение 30…35 суток). Рабочие площадки с диаметрами 97,5 м возвышаются на 5,2 м выше уровня воды. Расход грунта на каждый остров 1147 тыс. м.

 Остров Иммерк на глубине 3 м.Остров Иммерк Би-48 построен в канадском секторе моря Бофорта севернее дельты реки Маккензи (рис. 8). Остров возводился с августа 1972 г. по август 1973 г. Это был первый искусственный остров в Арктике. В целом, 1972 г. считается началом строительства искусственных островов в Арктике. Остров был предназначен для разведочного бурения со сроком эксплуатации 2 года. Расчетная толщина льда была принята 2,1 м, а давление льда 2800 кПа (280 тс/м).

Рис. 8. Остров в районе дельты реки Маккензи

 а -плановая схема;

 б- вертикальный разрез откоса намывного острова Иммерк.

 Тело острова намыто за два летних сезона песчано-гравийной смесью, добываемой с морского дна на расстоянии 1,3 км от острова. Рабочая площадка в форме круга с диаметром 91,4 м возвышается над уровнем воды на 4,60 м. Надводные откосы имеют уклон 1:5, а подводные 1:20. Защита надводных откосов осуществлена следующим образом. Непосредственно песчано-гравийная смесь покрыта гибким фильтрующим пористым пластиковым водопроницаемым покрытием, которое удерживается наложенными на него якорными цепями и выше сетью из тросов диаметром 19 мм (использованы противоторпедные сети).

 Вся система защиты откосов крепится в нижней и верхней частях анкерами, заделанными в тело острова. Якорные цепи и сеть из торосов имели назначением не только удерживать фильтрационное покрытие, но и способствовать гашению энергии волн. На участке периметра рабочей площадки острова возведен причал для приема оборудования и грузов. Причал ячеистого типа из стального шпунта (5 ячеек с диаметрами по 7,62 м).

 Остров Нетсерк на глубине 4,6 м.В канадском секторе моря Бофорта возведен ряд насыпных островов, как например, Нетсерк Би-44 (глубина 4,60 м; постройка 1974 г.), Нетсерк Би-40 (глубина 7,60 м постройка 1975 г.) и др. Рассматриваемый здесь остров Нетсерк Би-44 (рис. 9) возведен в течение одного летнего сезона (80 суток). Рабочая площадка имеет форму круга с диаметром 97,5 м и возвышается на 4,6 м выше уровня воды.

Рис. 9. Остров в районе дельты реки Маккензи

 а -плановая схема;

 б- вертикальный разрез насыпного острова Нетсерк.

 Песок и гравий для тела острова доставлялись на баржах с открывающимися днищами с подводного карьера, находившегося на расстоянии 37 км от места возведения острова. Сначала непосредственно с барж производилась отсыпка нижней части тела острова между дном (глубина 4,6 м) и отметкой -2,44 м. При этом по периметру острова отсыпался слой гравия. Далее на эту гравийную постель укладывались мешки с песком с массами по 3 т, так что по периметру острова была устроена подпорная призма, возвышающаяся до уровня воды. Выше отметки -2,44 м тело острова отсыпалось с барж с установленными на них грейферами.

 Уклон надводных откосов берегов острова принят достаточно крутым 1:3. По вопросам защиты откосов от льда и волн были проведены опытные работы. Установлено, что при глубинах до 7,6 м подводная часть тела острова может защищаться упорной призмой из мешков с песком (массы по 3 т). В надводной части непосредственно по песчано-гравийному откосу было уложено пористое фильтрационное пластиковое водопроницаемое полотно. Для удержания этого полотна на него с подветренной стороны острова были уложены мешки с песком с массами по 3 т, а с наветренной стороны сделано покрытие габионами с массами по 6 т. Габионы представляют собой корзины из проволочной сетки, заполненные мешками с песком.

 Остров Сил на глубине 11,9 м.Остров возведен в начале 80-х годов в море Бофорта у берегов Аляски в 18 км к северо-западу от залива Прадхо-Бей. Остров насыпной из гравия, на глубинах 11,9 м (рис.10). При проектировании ледовые условия приняты характерными для моря Бофорта у берегов Аляски, расчетная высота волн была принята 3,7 м.

Рис.10. Плановая схема (а) и разрез (б) острова Сил

 Остров имеет вид усеченного конуса с общей высотой 18,9 м. Рабочая площадка с диаметром 121,9м возвышается на 7,0 м выше уровня воды. Предполагалось, что ожидаемая осадка острова составит 1,2 м, и поэтому первоначальная высота острова была увеличена, так что рабочая площадка возвышалась на 8,2 м выше уровня воды. При принятых возвышениях воздействие волн на рабочую площадку исключается. Диаметр острова у морского дна 235,3 м.

 Уклоны откосов острова приняты равными 1:3. Равнение откосов производилось драглайном. Затем откосы покрывались фильтрующими синтетическими полотнищами и защищались полипропиленовыми мешками с гравием и объемами по 3 м. В зоне интенсивных воздействий льда и волн, а именно в полосе от верха острова до отметки -6,10 м, укладка мешков произведена с перекрытиями 50%, а ниже до дна мешки укладывались сплошным слоем без перекрытий. Всего уложено около 17 тыс. мешков.

 Требовалось, чтобы заполненные гравием полипропиленовые мешки не повреждались при 10-кратном падении с высоты 3 м. На растяжение мешковина выдерживала напряжение 4200 кПа (42 кгс/см). Однако при эксплуатации острова наблюдались повреждения мешков в основном в полосе с границами по высоте от +1,5 м до -6,0 м. Требуется более прочный материал для мешков, возможно применение мешков с бетонным заполнением.

 Необходимо отметить, что первоначально устроенный у острова пандус для транспортировки грузов повреждался волнами и льдом. Поэтому впоследствии были устроены две причальные стенки из стального шпунта с гравийной засыпкой.

 Доставка гравия к острову осуществлялась автотранспортом с материка в течение одного зимнего сезона по ледяной дороге (расстояние от карьера до острова около 20 км). По времени работы были осуществлены в такой очередности:

 - строительство ледовой дороги было произведено в период времени декабрь- февраль;

 - транспортировка гравия и отсыпка тела острова в период февраль - апрель;

 - устройство защиты откосов в период май-август. Применялись автосамосвалы с грузоподъемностью 70 т (объем груза 23 м) и 115 т (38 м). Толщина льда ледяных дорог считалась достаточной не менее 2,15 м (для автомашин с 70 т груза) и не менее 2,75 м (при 115 т). Ледовая автодорога имела ширину проезжей части 37 м и, кроме того, по 15 м с каждой стороны занимали откосы. Значительная ширина дороги обусловилась необходимостью сохранения льда дороги при больших грузопотоках. Было перевезено 536 тыс. м гравия, причем в это время температура воздуха была около -43 °С.

 В заключение следует отметить, что в конструкции острова была заложена современная контрольно-измерительная аппарата, с помощью которой наблюдалось состояние острова. В течение года регистрировались: ледовые и волновые нагрузки; напряжения и деформации в теле острова, в том числе в откосах; осадка и др.

 Остров Иссерк на глубине 13,1 м.Остров возведен в канадском секторе моря Бофорта в течение лета 1977 г. (за 80 рабочих суток). Тело острова намыто гидравлическим способом, уклоны подводных откосов 1:20. Защита откосов произведена синтетическими мешками с песком. Диаметр рабочей площадки 97,5 м, возвышение над уровнем воды 4,6 м. На сооружение острова расходовано около 1,9 млн. м грунта.

 Остров Муклук на глубине 14,6 м.Остров расположен в море Бофорта у берегов Аляски. Это один из самых больших искусственных островов откосного типа и один из самых северных островов в море Бофорта (рис. 11). Остров возводился в основном в 1982 г., в том числе была произведена защита откосов. Буровые работы начались с лета 1983 г. Глубины в месте возведения острова 14,6 м. В основании залегают песчано-глинистые отложения. Остров насыпной из гравия с защитой откосов мешками с гравием.

Рис. 11. Поперечный разрез откоса острова Муклук

 Остров проектировался с учетом действия максимальной ледовой нагрузки, которая может быть один раз в 20 лет. Следует отметить, что во время строительства, у острова наблюдались льды с толщиной до 10 м при поперечниках около 300 м. Остров не мог выдерживать силового воздействия такого льда, и поэтому производилось разрушение льда ледоколами. Производились также расчеты на действие расчетного шторма, который может быть один раз в течение 10 лет. В соответствии с этим, средняя высота волн была принята 3,7 м, а наибольшая 7,0 м (при самом высоком горизонте воды +1,0 м).

 Тело острова устроено из гравия. Рабочая площадка острова имеет диаметр 106,7 м и возвышается над уровнем воды на 6,40 м.При этом было учтено, что осадка острова в течение 3 лет составит около 1,2 м, так что возвышение рабочей площадки в будущем составит 5,20 м. По периметру рабочей площадки устроен барьер из мешков с гравием, возвышающийся до отметки +7,62 м. Высота наката волн на откос была установлена расчетами равной 7,6 м.

 Уклоны откосов острова приняты 1:3. По верхней части откосов, примерно с середины глубины, сделано фильтрующее покрытие из синтетического пластикового полотна, а затем произведена защита полипропиленовыми мешками с гравием с объемами по 3 м. Нижняя часть откосов защищена мешками с гравием с объемами по 1,5 м. Всего уложено около 20 тыс. мешков. При ледовых воздействиях полипропиленовые мешки могут повреждаться, так что была предусмотрена дополнительная укладка мешков во время эксплуатации острова.

 Следует отметить, что буровая установка не занимает рабочей площадки острова, она выступает за круг острова, но примыкает к острову. У южной части острова возведен причал. В теле острова и на его поверхности размещены хранилища, резервуары, запасы материалов и т. п.

 На возведение острова расходовано около 950 тыс. м гравия. Добыча гравия производилась в карьере на материке на расстоянии около 60 км от острова. Зимой гравий перевозился по льду с карьера на естественный остров Тетис, который являлся как бы промежуточным складом. Перевозка осуществлялась самосвалами с емкостями 20 м и 38 м гравия. Летом гравий с острова Тетис перевозился баржами на место строительства (расстояние 37 км). На острове Тетис погрузка гравия на баржи осуществлялась конвейерными линиями. Использовалось 12 барж с буксирами (грузоподъемность барж от 800 до 3000 мгравия). В сутки транспортировалось около 30 тыс. м гравия.

 Укладка мешков с гравием на откосы производилась кранами. Применение мешков с гравием не признано удачным (повреждения мешков, усложнение технологии работ). При волнении затруднялась укладка на откосы и закрепление фильтрующих полотен. Во время строительства острова использовались также различные вспомогательные суда, а также вертолеты. Строители размещались на установленной, на якоря барже, а также перевозились вертолетами. Ледоколы производили разрушение и отвод льда, для исключения его воздействия на остров во время строительства. Наблюдения за ледовой обстановкой производились также с самолетов. Численность персонала на острове во время его эксплуатации 75 человек.

 Остров Иссунгнак на глубине 19,8 м.Остров возведен в канадском секторе моря Бофорта на расстоянии 25 км от берега. По очередности возведения это был 17-й искусственный остров в зоне дельты реки Маккензи. Остров намывной, предназначенный для разведочного бурения, и является наиболее глубоководным из искусственных островов в море Бофорта. На остров действуют прибрежные и плавучие льда. Расчетная толщина льда была принята 2 м.

 Остров был возведен в течение двух летних строительных сезонов в 1978 и 1979 гг. (за время 158 рабочих суток). Круглая в плане рабочая площадка первоначально имела диаметр 100 м и возвышение 5 м выше уровня воды. Остров намывной из местного грунта с весьма пологими откосами в подводной части (1:15)…(1:20). Защита откосов выполнена в основном из синтетических мешков с песком. Впоследствии при реконструкции, на отдельных участках были применены фильтрующие полотнища с стальной защитной сеткой. Грунт для тела острова добывался двумя землесосами с подводного карьера недалеко от острова и транспортировался по трубопроводам (для 90% объема острова). Верхняя часть острова насыпалась из среднезернистого песка, доставляемого самоходными баржами с берегового карьера на расстоянии 65 км.

 В 1980 г. была произведена реконструкция острова, что было вызвано с одной стороны ликвидацией последствий воздействия волн и льда, а с другой необходимостью увеличения рабочей площадки для производства буровых работ. В ходе дополнительных работ диаметр рабочей площадки увеличился до 135 м, а возвышение выше уровня воды стало 6,3 м. Диаметр острова на отметке уровня воды составляет 275,4 м, а у поверхности морского дна около 900 м. В целом, для возведения острова расходовано около 4,9 млн. м грунта.

Основные конструкции защиты берегов островов

 Защита сборной железобетонной стенкой.У берегов Аляски в море Бофорта на расстоянии 5,5 км от берега на одном из мелководных островов был построен опытный участок защиты берега от льда и волн сборной железобетонной стенкой (рис. 12). Остров возведен из песка и гравия с защитой откосов гравием и уложенными на откосах мешками с песком. Предназначен остров для разведочного бурения, и в условиях мелководья к острову могут подходить льды небольшой толщины. Погонная ледовая нагрузка была принята 340 кН/м (34 тс/м), высоты волн до 3,4 м.

Рис. 12. Поперечный разрез (а) и план секции (б) сборной железобетонной стенки

 На опытном участке длиной 30,5 м было установлено 10 секций железобетонной стенки (длины секций по 3,05 м, массы по 18 т). Берма перед стенками укреплена железобетонными плитами, под которыми уложена фильтрующая ткань. Секции железобетонной стенки соединены между собой якорными цепями за проушины, так что допускаются относительные смещения секций. Швы между секциями шириной до 1 см. Для предупреждения вымывания засыпки, с тыловой стороны стенок, а также в их основании, помещена также фильтрующая ткань.

 Железобетонные секции стенки изготовлялись в береговых Условиях в Сиэтле, а затем на судах доставлялись в Анкоридж, и далее автотранспортом через всю Аляску перевозились к месту острова. Опытный участок защиты берега был возведен в августе 1981 г. Целью опытного строительства являлось установление приемлемости рассматриваемой конструкции в суровых полярных условиях для защиты берегов. Была установлена соответствующая контрольно-измерительная аппаратура для регистрации силовых воздействий льда и волн, осадок, напряжений и др. Важно было установить влияние на работу конструкции попеременного замораживания и оттаивания воды, влияние увеличения объема засыпки при замерзании и др.

 Было установлено, что применение сборных железобетонных стенок целесообразно только при больших объемах работ, увеличенных глубинах и при длительной эксплуатации острова. В условиях мелководья более экономична защита откосов мешками с песком. Для сокращения транспортных расходов, изготовление железобетонных элементов следует производить ближе к месту строительства острова: В рассматриваемом случае более экономичным оказалось бы строительство острова в зимних условиях.

 Защита стальными трубами и другими профилями.Японская фирма с начала 80-х годов ведет исследования и разрабатывает вопросы защиты берегов искусственных островов для условий моря Бофорта. Рабочие площадки островов принимаются в виде круга с диаметром около 100 м, в виде многоугольника или прямоугольника. Приводимые ниже рекомендации разработаны для мелководных грунтовых островов на глубинах около 3 м.

Рис. 13. Схема защиты острова ограждениями из двух рядов труб

 По одному из вариантов остров по периметру ограждается двумя (или больше) концентрическими рядами заполненных песком стальных труб (рис. 13). По другому варианту откосы острова защищаются стальными трубчатыми элементами с треугольной формой поперечных сечений (рис. 14). Отмеченные кольцевые барьеры опираются на морское дно. Тело островов может быть насыпным или намывным. После устройства ограждений, грунтовый материал подается во внутренние части островов. Предполагается, что действующий на остров лед будет разрушаться на откосе внешнего ограждения. При интенсивных ледовых воздействиях возможно переползание льда через внешнее ограждение и нагромождение его на площади между внешним и внутренним ограждениями.

Рис. 14. Схема защиты острова ограждениями из двух рядов стальных элементов

 Как внешний, так и внутренний барьеры могут иметь в своем основании опорные плиты или постели из песка, гравия, камня. Подошвы плит могут иметь выступы для более прочного соединения с морским дном. В поперечных сечениях барьеры имеют вид треугольников и могут включать значительное количество труб. Возвышение верха наружного барьера должно быть таким, чтобы исключалось действие волн на площадки острова. Наружный барьер с внешней стороны может покрываться наклонными железобетонными защитными плитами, которые взаимодействуют со льдом, а контакты труб со льдом исключаются. Трубы могут быть как стальными, так и изготовляться из эластичных синтетических материалов. Очевидно, что защитные барьеры могут устраиваться также из стальных или железобетонных элементов с различной формой поперечных сечений.

 Защита берегов островов Сэг-Дельта 7 и Сэг-Дельта 8. Два искусственных мелководных острова были возведены в 1980 г. у побережья Аляски в районе залива Прадхо-Бей на расстоянии 5,5 км от берега. Острова насыпные из гравия, предназначались для разведочного бурения с долговечностью эксплуатации 3 года. Остров Сэг-Дельта 7 расположен на глубине 3,4 м, а остров Сэг-Дельта 8 на глубине 2,1 м. Район залива Прадхо-Бей достаточно защищен от волнения, так что волны не превышают 1 м. Ледовые условия также регулируются защищенностью залива. Толщины льдов не могут превышать глубин, на которых расположены острова. Крепления откосов островов рассчитывались на толщины льда 1,8 м.

 Оба острова идентичной конструкции, имеют формы усеченных конусов с диаметрами рабочих площадок по 106,7 м; площадки возвышаются на 4,0 м выше уровня воды. По периметрам площадок устроена парапетная стенка высотой 1,5 м (верх стенки возвышается на 5,5 м выше уровня воды). Тела островов насыпаны из добываемого в береговом карьере гравия с примесями песка и ила. Уклоны откосов 1:3.

 Строительство обоих островов производилось летом в условиях открытой воды. Острова были возведены за 65 суток (с 15 июля по 20 сентября 1980 г.) при круглосуточной работе без выходных. Бурение с островов началось с конца 1980 г. Карьер находился на берегу залива Прадхо-Бей, откуда гравелистый грунт доставлялся по возведенной дамбе к плавучему причалу, установленному на расстоянии 1,2 км от берега. Плавучий причал представлял собой установленную у палов баржу. Далее от плавучего причала грунтовая масса доставлялась к строящимся островам на буксируемых баржах.

 Ко времени возведения рассматриваемых островов еще не было накопленного опыта применения конструктивных различных типов креплений откосов островов, а тем более опыта эксплуатации защитных конструкций в условиях полярного шельфа. В связи с этим, при строительстве этих островов были применены различные защитные конструкции откосов на отдельных опытных участках. Проводились соответствующие наблюдения в эксплуатационный период, т. е. были поставлены опыты в натурных условиях.

 На большей площади откосов островов была применена традиционная защита берегов. Здесь откосы от дна и до рабочей площадки покрывались фильтрующими полипропиленовыми полотнищами, на которые укладывались мешки с песком. Мешки из синтетического материала вмещали по 1,5 м грунта (массы по 3 т). По данным годичных наблюдений было установлено, что до 10% мешков получили повреждения и смещения от воздействия льда и волн. Требуются ежегодно восстановительные работы. Необходимы более прочные синтетические материалы для изготовления мешков и фильтрующих полотен. Возможно применение мешков с бетоном (применялись на одном из опытных участков).

 Практический интерес представляет защита откосов шарнирно соединенными железобетонными плитами (матами) на одном из опытных участков острова Сэг-Дельта 8, что было впервые применено в полярных условиях. Здесь по поверхности откоса сначала были уложены фильтрующие полотна с покрытием их слоем гравия толщиной 0,5 м. Затем по гравию были уложены маты из железобетонных плит. Слой гравия предназначен для защиты фильтрующего полотна плитами. Наблюдения в течение 1981 г. показали надежность такого вида защиты берегов.

 Каждая плита имела размеры 1,22х1,22х0,20 м, массу 635 кг; всего на участке было уложено 210 плит. Между собой плиты соединены шарнирно якорными цепями: по две цепи в направлении откоса и по одной цепи в горизонтальном направлении. Каждый мат включал по 12 плит. Между плитами ширины щелей были до 5 см (для исключения вымывания крупность гравия в подстилающем слое должна быть больше ширины щелей). Плиты изготовлялись из бетона состава 1:4 (цемент: инертные).

 На острове Сэг-Дельта 7 также были применены железобетонные плиты, но для защиты дна у причала. Здесь толщина плит меньше (15 см), а для соединений плит в маты применялись стальные тросы. При бетонировании плит в них закладывались полихлорвиниловые трубки, через которые затем пропускались тросы. Была попытка использовать для связи плит нейлоновые тросы, однако они оказались менее пригодными, чем стальные тросы, по причине большой растяжимости (упругости).

 В целом было установлено, что в условиях малых глубин и защищенных акваторий для защиты откосов целесообразно применение синтетических мешков с гравием или песком. В целом же, по мере увеличения глубин и силовых воздействий льда и волн более предпочтительно применять маты из соединенных шарнирно между собой железобетонных плит.

 На одном из опытных участков на северной стороне острова Сэг-Дельта 7 защита откосов была произведена с применением, так называемых, труб Лонгарда (рис.15). Здесь откос был покрыт одним основным слоем синтетических мешков с гравием (объемы по 1,5 м). Далее была сделана дополнительная защита откоса с применением труб Лонгарда, каждая из которых представляет собой полиэтиленовую трубу диаметром 0,9 м, заполненную гравием.

Рис.15. Защита откоса опытного участка острова Сэг-Дельта 7 с применением труб Лонгарда

 1- морское дно;

 2- нижний край откоса;

 3- мешки для защиты нижней части откоса и морского дна;

 4- сдвоенные трубы Лонгарда;

 5- уровень воды;

 6- продольные "жертвенные" мешки;

 7- поперечные мешки;

 8- верхний край откоса;

 9- парапетная стенка.

 Опытный участок был разделен на секции уложенными в радиальных направлениях по откосу сдвоенными трубами Лонгарда с интервалами, определяемыми в плане углами 30°.

 Нижняя часть откоса и прилегающее дно дополнительно были покрыты мешками с гравием. В зоне горизонта воды уложены продольно, так называемые, "жертвенные" мешки, которые удерживают трубы Лонгарда, защищают мешки основного слоя и наиболее подвержены действию волн и льда. Выше уровня воды уложены также поперечные мешки для Удержания труб.

 Трубы Лонгарда своей большой массой придерживают мешки нижнего основного слоя и случаях повреждения этих мешков являются преградами («бунами»), препятствующими Уносу материала из секции. Следует отметить, что для Рассматриваемого типа крепления откосов требуется много синтетических материалов большой прочности. Крепления откосов с трубами Лонгарда не получили распространения.

 Предложения по защите.Известно предложение устраивать у стационарных платформ, у берегов островов и т. п. защитные рамные треноги из стальных труб, крепящихся к морскому дну. Предполагается, что у таких треног будет происходить скопление и намораживание льда. Образующееся заграждение должно защищать сооружение от воздействия ледяных полей. В качестве натурного опыта, рамные треноги были возведены в сентябре 1981 г. в море Бофорта на глубине 6 м с возвышением выше уровня воды 3 м. Пока неизвестно применение такого рода защиты для строящихся или возведенных сооружений.

Возведение искусственных островов с берегозащитными ограждениями из массивов-гигантов

 Общие сведения и положения. Как уже излагалось, для возведения искусственных грунтовых островов требуется большое количество сыпучих материалов (песка, гравия). Расход материалов существенно возрастает с увеличением глубин (пропорционально кубу глубины). При укреплении откосов острова защитным покрытием, расход грунтовой массы уменьшается, однако общее необходимое количество грунта остается большим. При этом требуются капиталовложения на защиту откосов и на восстановительные работы по ликвидации периодических разрушений откосов от воздействия волн и льда. Уже отмечалось, что, по мнению зарубежных специалистов, возведение откосных островов из грунта рационально на глубинах до 15…20 м.

 В связи с отмеченным, с целью сокращения объемов расходуемых сыпучих материалов, а следовательно и для снижения стоимости, разработаны проекты и возводятся искусственные острова с ограждениями вертикального типа. В качестве таких ограждений могут использоваться подпорные стенки различных конструкций из стали или железобетона (уголковые и треугольные профили, стальной шпунт и др.). Более часто используются конструкции по типу стальных или железобетонных массивов-гигантов.

 При ограждении острова вертикальными стенами расход сыпучих материалов существенно сокращается и тем более с Увеличением глубин. Показательны следующие данные расчетов. В диапазоне глубин от 6,1 до 18,3 м расход сыпучих материалов для островов с ограждениями из массивов-гигантов составляет в среднем 35% по отношению к насыпным откосным фунтовым островам с укрепленными откосами. Очевидно, что по отношению к намывным островам расход сыпучих материалов еще более уменьшается. Как видно, применение ограждающих конструкций вертикального типа при значительных глубинах может обеспечивать экономию средств. Имеются прогнозы, что с развитием техники и опыта строительства на арктических шельфах, искусственные острова с ограждениями вертикального типа смогут возводиться на глубинах до 60 м и значительно больше.

 Следует также иметь в виду, что при наклонных берегах островов более вероятно образование торосов. Высоты нагромождений льда могут достигать 12… 15 м. При ограждениях вертикального типа, возможности образования торосов существенно меньше, особенно при больших глубинах у стенок. Считается, что при глубинах более 5 м образование торосов может происходить в исключительных случаях.

 Массивы-гиганты как ограждения островов могут устанавливаться поочередно по отдельности по периметру острова, образуя в плане замкнутый прямоугольник или многоугольник. Внутреннее огражденное пространство заполняется песком или гравием. Применяется также другая технология. Здесь массивы-гиганты соединяются между собой на плаву с помощью гибких связей, так что в плане образуется плавучее кольцо в виде 6-угольника или 8-угольника. Внутренний диаметр такого кольца около 100 м. Это кольцо буксируется к месту возведения острова, устанавливается на якоря, а затем путем балластировки водой отсеков опускается на морское дно или подготовленную постель из песка и гравия. После этого производится заполнение тела острова (пространства внутри кольца) сыпучим материалом.

 На внешнем крае кольца по периметру всего острова устраивается парапет для исключения волновых и ледовых воздействий на рабочую площадку. Следует иметь в виду, что в плавучей кольцевой конструкции уже заранее смонтированы силовая и насосная станции, технологическое оборудование, подготовлены отсеки для хранения нефти и т. п.

 Обычно высота массивов-гигантов делается такой, чтобы они в установленном в конструкции острова состоянии возвышались над водой до отметки рабочей площадки острова, а подошвы их находились на глубине около 9…10 м ниже расчетного уровня воды. По поверхности морского дна устраивается песчано-гравийная постель, верх которой также должен( )быть на глубине 9…10 м. Массивы-гиганты устанавливаются на горизонтальную поверхность постели. Толщина постели зависит от глубины моря в месте острова и может быть значительной. Устройство постели производится намывным или насыпным способами. После установки массивов-гигантов на постель производится заполнение ядра острова сыпучим материалом.

 Следует отметить, что для ряда возведенных на шельфе моря Бофорта искусственных островов с ограждениями вертикального типа, массивы-гиганты изготавливались в Японии, а затем транспортировались на специально оборудованных баржах через Тихий океан и Берингово море в заданный район моря Бофорта. Здесь в какой-либо из защищенных бухт производился монтаж кольца из массивов-гигантов. Затем плавучая конструкция буксировалась к месту возведения острова, где и производилась установка.

 Искусственные острова с ограждениями по периметру из массивов-гигантов начали возводиться в море Бофорта с конца 70-х годов. К 1984 году было возведено 5 островов. Так, например, можно отметить:

 остров Тарсьют (1981 г.) на глубине 22 м с ограждением из железобетонных массивов-гигантов;

 остров Кадлук (1983 г.) на глубине 13,6 м с ограждением из стальных массивов-гигантов;

 остров Моликпак (1984 г.) на глубине 30,3 м с ограждением из стальных массивов-гигантов.

 Остров Кадлук с ограждением из стальных массивов-гигантов на глубине 13,6 м.Остров возведен в канадской части моря Бофорта в районе устья реки Маккензи на глубине 13,6 м и эксплуатируется с августа 1983 г. (рис. 16). Стальные массивы-гиганты изготовлялись в Японии. Остров предназначен для круглогодичного разведочного бурения, конструкция его позволяет передислокации на другие места эксплуатации. Это первый остров в море Бофорта с ограждением из массивов-гигантов. Ледовые условия: воздействие ледяных полей толщиной 2…3 м (коэффициент запаса принят 1,7 при толщине льда 2 м и 1,2 при толщине льда 3 м).

Рис. 16. Общий вид острова Кадлук с ограждением из стальных массивов-гигантов

 Основные конструктивные части острова:

 - стальные массивы-гиганты, образующие ограждение острова по его периметру (всего 8 массивов-гигантов);

 - песчаное ядро острова, заполняющее внутреннее пространство между массивами-гигантами;

 - рабочая площадка в виде покрытия песчаного ядра;

 - песчаная постель, на которой расположены массивы-гиганты и ядро острова.

 В плане массивы-гиганты образуют октагональное кольцо, так что остров имеет форму 8-угольника. Расстояние между противоположными сторонами острова: по внутреннему контуру массивов-гигантов 91,5 м; по наружному контуру 117,5м. Массивы-гиганты имеют несимметричное трапецеидальное поперечное сечение. Со стороны острова стенки массивов-гигантов вертикальные, а со стороны моря наклонные. Размеры массивов-гигантов: длины 43,3 м; ширины по подошве 13,1 м; ширины вверху 7,5 м; высоты 12,2 М. Масса каждого массива-гиганта 1500 т.

 Подошвы массивов-гигантов установлены на поверхности постели на глубины 9,15 м (отсчеты от ватерлинии с нулевой отметкой). Возвышения массивов-гигантов выше уровня воды 3,05 м. Внутренние части массивов-гигантов разделены на отсеки для водяного балласта, хранения топлива. По периметру острова на массивах-гигантах установлены железобетонные парапеты-рефлекторы высотой 4,5 м для защиты рабочей площадки острова в летнее время от волн, а в зимнее время от битого льда.

 Наружные грани массивов-гигантов имеют наклон 60° к горизонту для обеспечения работы ледяного покрова на изгиб с целью уменьшения горизонтальных нагрузок от льда. В зоне воздействия льда наружные стенки массивов-гигантов выполнены из высокопрочной морозостойкой стали. Предусмотрено оборудование нагревательными устройствами для исключения обледенения. Нагрузки от льда передаются массивами-гигантами далее на грунтовое ядро острова и на подушку. Устойчивость острова в целом обеспечивается:

 -  массивами-гигантами с балластом в них;

 - песчаным ядром острова и подушкой;

 - трением под подошвами массивов-гигантов.

 Особенностью конструкции острова является то, что все 8 массивов-гигантов соединены между собой двумя гибкими анкерными поясами (манжетами) по низу и по верху. Каждый пояс включает по 8 стальных проволочных канатов с диаметрами 76,2 мм и разрывными усилиями по 4000 кН (400 тс). Участки тросов пропущены горизонтально через массивы-гиганты и соединены домкратами, расположенными в натяжных отсеках понтонов. Каждый домкрат мог создавать усилия по 800 кН (80 тс). Таким образом, после натяжения анкерных поясов все массивы-гиганты представляют собой единую конструкцию в виде 8-гранного кольца. Конструктивно предусмотрена возможность разъединения связей между массивами-гигантами, что необходимо при передислокации острова в другие места.

 Анкерные пояса с одной стороны объединяют массивы-гиганты между собой, но с другой стороны допускаются относительные смещения массивов-гигантов. Такие смещения могут обусловливаться значительными нагрузками от льда и волн, неравномерными осадками основания (илистые водонасыщенные и глинистые грунты).

 Песчаное ядро острова выполнено гидравлически путем намыва. Поверху устроена рабочая площадка в виде покрытия из гравия, камня, бетона. Территория рабочей площадки расположена на 4,6 м выше уровня воды, имеет диаметр 91,5 м и защищена по периметру парапетом. На территории расположено буровое и другое технологическое оборудование, запасы материалов, электростанция, вертолетная площадка, жилые помещения и др. Замороженное грунтовое ядро острова участвует в обеспечении прочности острова в целом (объединяется работа массивов-гигантов, повышается жесткость острова).

 Песчаная постель под островом имеет форму усеченного конуса с уклонами откосов 1:15. Под подошвами массивов-гигантов имеется слой камня, выступающий за наружную грань с целью защиты грунтовой бермы от размыва. Песок для постели забирался с подводного карьера на расстоянии 120 км. Общий объем песка для острова составил около 450 тыс. м. Очевидно, что в общем случае расход песка зависит от глубины в месте расположения острова. По подсчетам проектировщиков, применение ограждения острова из массивов-гигантов позволило уменьшить расход песка на 80% по сравнению со случаем возводимого здесь же острова намывным способом без ограждения. В общем случае, при применении вертикального ограждения расход песка сокращается на 70…90%.

 Понтоны массивов-гигантов были изготовлены на верфи в Осака (Япония) в 1982 г. Затем на двух специально оборудованных баржах были доставлены летом 1982 г. через Тихий океан и Берингов пролив в гавань Туктоиактук моря Бофорта, где и была проведена сборка массивов-гигантов в единое 8-гранное кольцо. Осадка массивов-гигантов на плаву всего 2,7 м. Это позволяет производить соединение массивов-гигантов между собой гибкими анкерными поясами на мелководных акваториях. Отстой собранной конструкции, и буксировка также не требуют больших глубин. Собранное 8-гранное кольцо имело массу 12380 т и было отбуксировано летом 1983 г. как единое целое на месторождение, забалластировано морской водой и установлено на уже подготовленную постель. При необходимости передислокации острова, производится ослабление натяжения анкерных поясов, откачка водяного балласта. После всплытия массивы-гиганты разъединяются и буксируются на другое место работы. В заключение следует отметить, что были выполнены проектные разработки по созданию аналогичного по конструкции искусственного острова в море Бофорта, на глубинах до 18,3 м (толщина ледяных полей 2,1 м). Здесь по проектным разработкам стальные массивы-гиганты должны были устанавливаться на песчаной постели с глубиной бермы 7,6 м от уровня воды. Массивы-гиганты также объединяются гибкими связями и образуют внутри кольцо с диаметром 76,2 м. Аналогично устраивается песчаное ядро, парапетная стенка по периметру острова и т. п.

Рис. 17. Общий вид острова с ограждением из стального корпуса в виде массива-гиганта

 Остров Моликпак с ограждением из стального корпуса в виде системы массивов-гигантов для глубин 15…40 м.Остров предназначен для канадского сектора моря Бофорта в диапазоне глубин от минимальной 15 м до максимальной 40 м (рис. 17; рис. 18). Все несущие конструкции острова выполнены из высокопрочных, морозостойких судостроительных сталей. Строительство конструкции острова было произведено в 1983 г. Буксировка и установка острова на месторождении Амаулигак в море Бофорта производились летом 1984 г. Все работы были завершены к осени, и в сентябре 1984 г. начались буровые работы. Месторождение Амаулигак находится на расстоянии около 74 км от берега, глубины на месторождении 26…33 м. Остров ледостойкий, предназначен для круглогодичного бурения, возможна передислокация острова ("моликпак" в переводе означает «большая волна»). Ледовые условия при проектировании сооружения приняты наиболее возможные на месторождении, а именно воздействие: сплошных ледяных полей толщиной 5,2…8,2 м; паковых льдов с торосами высотой до 21,3 м. Изменения температуры воздуха от +10 °С до -50 °С. Только при учете этих условий могут вестись круглогодично буровые работы. Максимальная горизонтальная нагрузка от льда установлена 500 МН (50000 тс), что вероятно один раз в 25 лет. Сооружение запроектировано с коэффициентом запаса 1,5.

Рис. 18. Вертикальное сечение острова Моликпак

 Основными конструктивными частями сооружения являются:

 - опорный стальной корпус, представляющий собой фасонный массив-гигант, расположенный в плане по периметру близкой к квадрату площади (так как углы квадрата скошены, то образованный в плане замкнутый контур имеет форму 8-угольника);

 - надводное палубное строение стальной конструкции;

 - песчаное ядро, заполняющее пространство, огражденное опорным корпусом;

 - песчаная постель, на которой расположено сооружение.

 Высота и плановые размеры песчаной постели в каждом конкретном случае зависят от глубины моря. В рассматриваемом острове перед устройством песчаной постели было произведено удаление землесосом верхнего слоя слабых илистых отложений толщиной до 3,6 м. Поверхность песчаной постели почти квадратная в плане с размерами сторон по 180 м. При отсыпке постели, сначала по ее периметру был устроен песчаный вал высотой 3 м и с шириной верхней бермы 25 м. Затем производилось заполнение огражденной площади песком, который доставлялся баржами с карьера на расстоянии 137 км. Общая толщина постели около 9 м, объем песка 344 тыс. м. Верх постели ровнялся с Допусками до 15 см. Постель должна отсыпаться по времени не менее, чем за один год до установки на эту постель сооружения. Такой промежуток времени требуется для консолидации грунтов морского дна и стабилизации осадок.

 Основной несущей конструкцией острова является опорный корпус в виде 8-гранного в плане контура. Корпус представляет собой единое целое. В пространственном представлении остров имеет вид усеченного конуса с ломаными гранями. Подошва корпуса опирается на поверхность песчаной постели на отметке -21,3 м. Высота корпуса 28,9 м, возвышение выше уровня воды 7,60 м. Размеры корпуса в плане на отметке подошвы 111х111 м, а на уровне верхней палубы 86,6х86,6 м. Плановые размеры на уровне ватерлинии 88,5х88,5 м. Поперечные переборки в корпусе через 2,4 м. Остров может возводиться в заданном диапазоне глубин 15…40 м, что достигается изменениями высот песчаной постели.

 Внутренняя полость острова внутри 8-гранного кольца имеет основные размеры в плане 73х73 м и заполняется песком после установки корпуса с надстройкой. Объем этого песчаного ядра около 115 тыс. м. Ядро возвышается на 1,8 м над уровнем моря, а воздушный зазор между ядром и палубной надстройкой имеет высоту 3 м. Устройство песчаного ядра производилось гидравлическим способом через систему люков и трубопроводов в надстройке. Вода из ядра удалялась по встроенным в опорном корпусе отводным трубам. Ядро повышает сопротивление острова ледовым воздействиям. Следует отметить, что насосной станцией острова производится откачка воды из песчаного ядра, в котором уровень грунтовых вод поддерживается на отметке -9,90 м. Этим исключается смерзание ядра.

 Верхние отсеки опорного корпуса используются как резервуары для топлива. В части нижних отсеков размещена насосная станция. В целом, в корпусе имеется 12 основных балластных отсеков, которые в свою очередь разделены переборками на более мелкие отсеки, что необходимо для регулирования осадки и кренов при посадке сооружения на дно и при подъемах. Обогреваются балластные отсеки и надводное палубное строение.

 Устойчивость острова обеспечивается: массой его конструкций и оборудования, водяным балластом, песчаным ядром. Этим обусловливаются силы трения по подошве. Ледовые нагрузки действуют на опорный корпус и передаются далее на песчаное ядро и на песчаную подушку. Считается, что только около 10… 15% ледовой нагрузки передается на песчаную постель через подошву корпуса, а остальная часть через песчаное ядро.

 Надводное палубное строение конструктивно представляет собой стальную балочную мостовую конструкцию с обшивкой. Палубное строение опирается через катковые подшипниковые устройства на внутренние стены опорного корпуса. Палуба практически квадратная в плане с размерами 73,2х73,2 м и полезной площадью 5400 м, возвышается над ватерлинией на 7,6 м (рис. 19). По периметру надводного строения располагается парапет-дефлектор высотой 4,7 м, предназначенный для отражения волн и битого льда. В системе палубной надстройки расположено технологическое оборудование и запасы материалов, энергетическая установка (5 дизелей по 4300 кВт), вертолетная площадка, жилые помещения на 100 человек и др. Остров оборудован кранами грузоподъемностью по 65 тс.

Рис. 19. План палубной надстройки острова Моликпак

 1- стеллажи для труб;

 2- буровые шахты;

 3- люк;

 4- парапет-дефлектор;

 5- кран;

 6- котельная;

 7- цистерна;

 8- модули с сухими грузами;

 9- хозяйственные помещения;

 10- вертолетная площадка (ниже жилые помещения);

 11- электростанция;

 12- модули с жидкими грузами;

 13- аппаратная (пульт управления).

 Опорный корпус с надстройкой изготовлялись в Японии в сухом доке. Достройка производилась на плаву с помощью плавкранов. Буксировка из Японии началась 11 июля 1984 г. и производилась через Тихий океан, Берингов пролив, вокруг мыса Барроу. Караван прибыл на месторождение Амаулигак 18 августа 1984 г. Осадка опорного корпуса с надстройкой и оборудованием, но без балласта, составляла 5,2 м, а в полном грузу 8,9 м. Водоизмещение без балласта 31 тыс. т, а в полном грузу 46 тыс. т.

 Остров можно передислоцировать на другие места эксплуатации. Подъем и опускание обеспечиваются откачкой или заполнением водой балластных отсеков. При этом для подъема необходимо удалять 30…50% песчаного ядра, что достигается через пульпопроводы, устроенные в опорном корпусе. Тыловая поверхность опорного корпуса имеет небольшой наклон для облегчения подъема корпуса.

 Важно отметить, что остров Моликпак был оборудован большим количеством контрольно-измерительных датчиков (более 200 единиц), показания которых выводились на компьютер. Производилась регистрация ледовых нагрузок, напряжений в основании, усилий в конструкциях, наклонов, осадок, температур, уровней воды в ядре и др. Результаты исследований должны использоваться для строительства в будущем подобных и других сооружений.

Рис. 20. Общий вид острова Тарсьют

 Остров Тарсьют с ограждением из железобетонных массивов-гигантов на глубине 22 м.Остров возведен в 1981 г. в канадском секторе моря Бофорта на месторождении Тарсьют на глубине 22,3 м (рис. 20, 21). Остров ледостойкий, предназначен для круглогодичной эксплуатации, конструкция гравитационная. Предусмотрена возможность одноразовой передислокации с( )использованием массивов-гигантов. При проектировании учитывались следующие ледовые нагрузки: давление льда 2,8 МПа (280 тс/м) на горизонтальную полосу высотой 2,1 м боковой поверхности острова; давление льда 4,2 МПа (420 тс/м) на площадку 2,1х2,1 м боковой поверхности острова. За годы эксплуатации остров выдержал ледовые воздействия.

Рис. 21. План расположения ограждающих остров железобетонных массивов-гигантов

 Конструктивные основные части острова:

 - железобетонные массивы-гиганты, ограждающие остров по периметру (всего 4 массива-гиганта);

 - песчаное ядро острова, заполняющее пространство между массивами-гигантами;

 - рабочая площадка в виде покрытия по поверхности песчаного ядра;

 - песчаная постель, подстилающая остров.

 Остров имеет квадратную форму в плане, но со скошенными углами. По периметру острова расположены 4 массива-гиганта. Размеры острова в плане по наружному контуру 100x100 м. Рабочая площадка острова имеет размеры 70х70 м. Все массивы-гиганты идентичны и имеют размеры: длины 69,8 м, ширины 14,9 м, высоты 11,5 м. Масса железобетонного понтона каждого массива-гиганта 5500 т. Массивы-гиганты установлены на поверхность песчаной постели на отметке -6,40 м. Внутренние полости массивов разделены на отсеки поперечными перегородками с шагом 5 м. Отсеки заполнены грунтовым балластом.

 Ограниченное массивами-гигантами пространство заполнено песком (песчаное ядро острова). Отметка территории рабочей площадки острова +7,5 м.

 Для бетона массива-гиганта применен, кроме гравия, легкий заполнитель типа керамзита. Использовались также воздухововлекающие добавки, зола, пластификаторы. Применение легкого заполнителя обусловило меньшие напряжения в основании и меньшие осадки понтонов гигантов. Для обеспечения водонепроницаемости стенок массивов-гигантов и повышения трещиностойкости бетона производилось натяжение арматуры в двух взаимно перпендикулярных направлениях (по горизонтали и по вертикали). Прочность бетона на сжатие 40 МПа (400 кгс/см), на растяжение 3,5 МПа (35 кгс/см), плотность 1,95…2,26 т/м. На каждый массив-гигант расходовано 1120 т арматуры. Особенно большую насыщенность арматурой имеют наружные стенки массивов-гигантов (около 500 кг на 1 м бетона).

 Напряжения по поверхности постели под подошвами массивов-гигантов в самых неблагоприятных сочетаниях нагрузок не превышают 450 кПа (4,5 кг/см). Было учтено, что при ударном контакте с постелью при затоплении понтонов, кратковременное напряжение под подошвой может достигать 700 кПа. Наружные стенки массивов-гигантов в зоне воздействия льда были усилены противоледовыми поясами.

 Очевидно, что нагрузки от льда и волн на массивы-гиганты передаются далее на песчаное ядро острова, а также на постель под подошвами гигантов. Для усиления сопротивления острова сдвигу была искусственно усилена связь массивов-гигантов с песчаным ядром острова и с основанием. Для этого, железобетонные поверхности подошв и тыловых стенок массивов-гигантов были при бетонировании сделаны волнистыми. Эти поверхности были сделаны гребенчатыми с высотами и длинами гребней (как волн) около 5 см.

 Как уже отмечалось, углы острова в плане скошены. Вследствие этого снижается возможность повреждения углов льдом, лучше обтекание острова волнами и плавучими льдинами, меньше объем песчаной подушки. В прочностном отношении каждый массив-гигант является самостоятельной конструкцией и раздельно воспринимает действующие внешние силы (нет передачи усилий от одного массива-гиганта другому). По углам острова не требуется конструктивной связи между массивами-гигантами. Однако важным является вопрос обеспечения грунтонепроницаемости в угловых стыках гигантов, после установки которых зазоры по углам составляли 0,5…1,7 м.

 Перекрытие зазоров в углах выполнено стальными щитами высотой 10,97 м, шириной 4,5 и толщиной 0,61 м с массами по 35 т. Каждый щит крепится поворотными петлями (как дверь) только к одному массиву-гиганту и может вращаться, при этом нагрузка на соседний массив-гигант не передается. Тыльная поверхность каждого щита покрыта фильтрующей синтетической тканью, чем и обеспечивается грунтонепроницаемость. Очевидно, что прочность Щита должна быть достаточной при воздействии непосредственно на него льда и для восприятия давления песчаного ядра.

 Перед устройством песчаной подушки было произведено вычерпывание верхнего слоя слабого грунта дна толщиной 3 м. Для песчаной подушки песок доставлялся баржами с карьера на расстоянии 10 км от места острова. Песчаная постель круглая в плане с диаметром верхней площадки 175 м; толщина постели в среднем 16 м, уклоны откосов от 1:10 до 1:5. Постель покрыта слоем гравия толщиной около 1 м. Производилось равнение поверхности гравийного покрытия путем волочения плавсредствами стальной балки, уложенной горизонтально по поверхности покрова (допуски до 15 см). Поверхность постели (откосы и выступающие за массивы-гиганты горизонтальные площади) защищены от размывов камнем, запакованным в стальные контейнеры с массами по 2 т. Контейнеры с камнем доставлялись к острову на баржах.

 Железобетонные понтоны массивов-гигантов изготовлялись в Ванкувере. Два понтона изготовлялись в доке, а два другие на плоскодонной барже; достройка производилась на плаву. Затем понтоны доставлялись в залив Тетис (море Бофорта) на специально оборудованной буксируемой погружной барже водоизмещением 25 тыс. т (расстояние более 4 тыс. км). В заливе понтоны спускались на воду, устанавливались на якоря, а затем буксировались на плаву на месторождение. При проектировании была установлена остойчивость понтонов гигантов и сделаны поверки на бортовую, килевую и вертикальную качки.

 Контракт на строительство понтонов массивов-гигантов был заключен в январе 1981 г., а в июне понтоны уже были спущены на воду. Изготовление каждого понтона длилось около 3 месяцев. В августе 1981 г. все 4 понтона были доставлены на месторождение. В ноябре 1981 г. было закончено возведение острова и монтаж бурового оборудования. В апреле 1982 г. уже( )была получена нефть из первой пробуренной с острова скважины.

 Для погружения в воду и установки на постель каждый понтон поочередно швартовался к установленной на якоря барже, которая путем оперирования якорной системой наводила понтон на нужное проектное положение в плане. Затем производилась балластировка понтонов водой, посадка на постель и далее заполнение отсеков песком. После этого производилось устройство песчаного ядра острова.

 Следует заметить, что в зимнее время с целью защиты от льда, вокруг острова возводился ледяной барьер. Важно также в заключение отметить, что на острове была установлена контрольно-измерительная аппаратура (более 1000 датчиков) для регистрации давлений льда, напряжений в конструкциях и основании, перемещений массивов-гигантов и др. Опыт строительства и эксплуатации острова Тарсьют был использован при проектировании и строительстве других искусственных островов.

Электронный текст документа

подготовлен ЗАО "Кодекс" и сверен по материалам,

предоставленным к. т.н. (ВИТУ)