оклад

УДК: [626/627+528]
626.8
Сборник докладов молодежной научно-практической конференции в рамках
XLIII Недели
науки
СПбПУ,
Санкт-Петербург,
1-6
декабря
2014 года.
Секция "Гидротехническое строительство" / СПбПУ. СПб., 2014. - 62 с.
В сборнике опубликованы тезисы докладов студентов, аспирантов, молодых
ученых и сотрудников ФГАОУ ВО "Санкт-Петербургский Политехнический
университет", а также научно-исследовательских институтов и проектных
организаций, представленные на молодежную научно-практическую конференцию
в рамках XLIII Недели науки СПбПУ. Тезисы отражают современный уровень
научно-исследовательской
работы
участников
конференции
в
областях
гидротехнического строительства, инженерной геодезии, землеустройства и охраны
окружающей среды. Представляет интерес для студентов бакалавриата и
магистратуры, обучающихся по направлению "Строительство", а также для
аспирантов и работников системы высшего образования, сотрудников научноисследовательских институтов.
Научный руководитель: д.т.н., проф. каф. «Водохозяйственное и гидротехническое
строительство» ФГАОУ ВО "Санкт-Петербургский Политехнический университет"
Альхименко А.И.
Редакционная
коллегия
секции
«Гидротехническое
строительство»:
Альхименко А.И. (глав. редактор), Беляев Н.Д. (отв. редактор), Большев А.С.,
Михаленко Е.Б., Филиповская Т.В.
СОДЕРЖАНИЕ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
Ефимова В.В., Карелов А.В. Анализ способов создания оснований морских ГТС
из каменной наброски
Ефимова В.В., Шхинек К.Н. Проблемы, связанные со строительством
искусственных островов из гравия и их эксплуатацией в арктических условиях
Карелов А.В., Шхинек К.Н. Использование льда для создания островов в
арктических условиях
Агафонова С.В. Применение морских ветроэнергетических установок в
арктических условиях
Нестеров А.А. Новые предложения по защите оснований морских ГТС с
использованием различных покрытий
Застрижная О.Л., Михаленко Е.Б. Об учете формы шельфового
сооружения при оценке размывающих воздействий
Кокорева К.А., Колгушкин А.В., Ялышев А.И. Анализ возможности применения
шпунта из ультракомпозитных материалов в гидротехническом строительстве
Кокорева К.А., Ялышев А.И. Расчетное обоснование применения шпунта из
ультракомпозитных материалов в гидротехническом строительстве
Кузина А.Д., Смоленкова А.В., Черный А.В., Беляев Н.Д. Защита оснований
морских гравитационных платформ от размыва с помощью «юбок»
Атрощенков А.Ю., Косяков Е.Д., Родионова М.А. Нивелирование трасс с
помощью различных геодезических приборов
Зыкова В.В., Карпеня А.Н., Ким А.А., Михаленко Е.Б. Оценка точности
измерения площадей с помощью спутниковых приемников и навигаторов
Анисимов А.Е., Корягин Д.С., Столяров М.Г., Михаленко Е.Б. Исследование
работы электронных тахеометров в безотражательном режиме
Кокорева К.А. Методы защиты от действия льда сооружений,
расположенных на мелководье
Вельмисева Т.О., Лихая Д.А. Влияние масштаба спутниковых снимков на
точность измерения площади
Лавров Н.П., Шипилов А.В. Исследования водозаборного сооружения для
горных рек в зимнем режиме эксплуатации
Папин А.А. Анализ методик расчета ледовых нагрузок на одноопорное
сооружение
Майоров П.О., Неманов А.А., Лебедев А.Н. Определение объема выемок и
насыпей замкнутой в плане формы с использованием современных
геодезических приборов
Кузнецов П.О. Морские аэродромы для освоения арктического шельфа
Данг Т.Т., Бухарцев В.Н. Расчет фильтрации земляной плотины методом
конечных элементов
Застрижная О.Л., Казунин И.Д., Альхименко А.И. Способ уменьшения
площади льда на акватории порта Сабетта
УДК 627
В.В.Ефимова, А.В.Карелов
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
АНАЛИЗ СПОСОБОВ СОЗДАНИЯ ОСНОВАНИЙ МОРСКИХ ГТС
ИЗ КАМЕННОЙ НАБРОСКИ
При строительстве гидротехнических сооружений одним из важнейших видов работ
является устройство подводных оснований, которые служат для равномерного
распределения давления от сооружения на выровненную поверхность дна и предохранения
ее от размыва течением и волнами [1, 2, 4, 6-8, 10]. В данной работе рассматривается
создание оснований с помощью отсыпки камня. Одним из значимых вопросов при
возведении оснований является выбор метода его отсыпки.
Существует как минимум три основных способа отсыпки камня в условиях шельфа [6, 11].
1. С помощью судов или барж с бортовой разгрузкой (рис. 1). Судно с боковой выгрузкой
камней используется для укладки каменной наброски поверх морских конструкций, таких как
трубопроводы, в районах мелководья и для отсыпки подводных каменных берм. Груз
сбрасывается медленно и при оценке скорости падения каждый камень можно считать отдельно
падающим объектом. Грузоподъемность судов с боковой разгрузкой обычно лежит в пределах
от 500 до 5000 т. Разгрузка у таких судов происходит путем сталкивания камней через борт
судна, приблизительное время дампинга 1000 т составляет около 15 минут. В зависимости от
глубины воды в месте установки, размеров защиты и крупности камня судно может стоять на
месте или перемещаться по разработанному маршруту.
Рис. 1. Судно с бортовой разгрузкой [9]
2. С помощью судна с использованием опускной (гибкой) трубы для достижения
большой точности размещения камней в более глубоких водах (рис. 2). Судно с такой трубой
оснащено специализированным оборудованием для производства каменной отсыпки поверх
трубопроводов и других подводных конструкций в море на больших глубинах. Используя
опускную трубу, судно способно совершать наброску камнем размером до 400 мм на
глубине до 2000 м. Конец опускной трубы позиционируется мощным подводным аппаратом
дистанционного управления, что позволяет производить каменную наброску на поверхность
дна с высокой точностью. Такая система позволяет контролировать перемещение камней до
уровней, возвышающихся на несколько метров над поверхностью морского дна.
Вертикальное перемещение контролируют и ограничивают за счет использования системы
компенсации вертикальной качки, а подруливающее устройство позволяет оператору
контролировать и корректировать горизонтальное смещение.
Рис. 2. Отсыпка камня: а – сопоставление двух методов [12];
б – нижняя часть (гибкой) трубы в процессе укладки камня [9]
Для отсыпки камня и гравия судно оборудовано специальной гибкой трубой,
установленной в центральной части, через которую производится выгрузка, и из-за которой
суда и получили свое название. Сквозь все грузовые трюмы проложен конвейер, по которому
груз через носовой элеватор и специальную стрелу с транспортерной лентой подается к
накопительному бункеру на палубе в средней части и затем поступает в приемное отверстие
гибкой трубы [9].
3. С помощью барж с раскрывающимся днищем (рис. 3). Когда зазор в днище баржи
превышает определенный предел весь груз сбрасывается в течение короткого времени как
единая масса. Масса камней объединяется в единое «облако», в результате чего скорость
падения, превышает равновесную скорость падения каждого отдельного камня. Такая баржа
может сбросить груз меньше чем за минуту. В результате скорости «облака» из камней и
воды достигает дна со скоростью в два или три раза превышающей скорость падения
отдельного камня. В этом случае воздействие камней на нижележащие слои фильтра и на
само сооружение может быть существенным.
Рис. 3. Баржа с раскрывающимся днищем
ARTEMIS – II Barge Split
Кроме того, материал наброски может раскатываться в разные стороны при достижении
дна, оставляя относительно небольшое количество камня в нужном месте. Вследствие
вышеперечисленного, баржи с раскрывающимся днищем обычно не используются для работ
требующих качественной укладки камня – в том числе для защиты от размыва у сооружений,
устанавливаемых на большой глубине. Такие баржи используют при наброске больших
объемов гравия или камня в неглубоких водах (в два раза превосходящих осадку самой баржи)
в случаях, когда не требуется высокая точность укладки.
Кроме того, возможна отсыпка камня экскаваторами с барж или в арктических районах
зимой – прямо со льда [6]. Возможность движения по льду строительной техники зависит от
ее массы, состояния и толщины ледяного покрова. Толщину льда в этом случае следует
определять без учета слоя снежного, пористого и пропитанного водой льда. При появлении
на льду под действием прилива или нагона воды несущая способность льда должна быть
снижена на 50-80 % [5].
После отсыпки слоя камня его ровняют, степень выравнивания назначается в
зависимости от типа возводимого сооружения. В данном случае для откосов постели банкета
и берм и их поверхности под каменную наброску можно использовать грубое ровнение, с
допусками не более ± 20 см [3].
Из анализа различных способов наброски камня можно сделать вывод, что при
использовании гибкой трубы и при бортовой разгрузке скорости падения камней меньше,
чем при использовании баржи с раскрывающимся днищем, и их использование является
предпочтительным. Так как диаметр трубы ограничивает крупность камня, можно
рекомендовать использование многоцелевого судна с системой динамического
позиционирования типа «Willem De Vlamingh» компании «Jan De Nul», предназначенное для
производства работ по отсыпке камня, как боковыми толкателями, так и через подвижную
опускную разгрузочную трубу.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Беляев, Н.Д. Инженерные методы предотвращения размыва дна от работы судовых движителей.
Автореферат диссертации. СПбГТУ, 1999 г., 16 с.
2. Беляев, Н.Д. Защита оснований ледостойких платформ от размыва (2009) Предотвращение аварий
зданий и сооружений №8, Москва, с. 228-236.
3. Ефимов, С.Г. Технология и организация строительства водных путей и портов (1974) М.: Высшая
школа.
4. Карась Р.А., Беляев, Н.Д. Инженерные методы учёта, предотвращения и защиты от размыва
подводных откосов и дна ГТС (2008) Предотвращение аварий зданий и сооружений: Сб. науч. тр.
Москва, с. 210-218
5. СНиП 3.07.02-87. Гидротехнические морские и речные транспортные сооружения (1988) Москва.
6. Явление местного размыва грунта основания у опор буровых установок и мероприятия по его
предотвращению. Техническая информация № 2 по договору № 102702 (1988) Ленинград, ЛПИ
7. Beliaev, N.D. Review of protection methods against propeller erosion (1997) Proceedings of the IV Int.
Seminar on Renovation and Improvements to Existing Quay Structures Technical University of Gdansk.
Poland, V. 1, рp. 5-12.
8. Belyaev, N.D. Selection of engineering measures of bottom scour prevention at bulk-oil terminals.
Proceedings of the VI International Conference «ICETECH-2000», St.-Petersburg, Russia, pp. 367-372
9. Flexible Fallpipe Vessel Stornes. New addition to the Van Oord fleet (2011) Zoetermeer.
10. Shchemelinin, L.G., Utin, A.V., Belyaev, N.D. et al. Experimental studies of means efficiency for
protection of sea bed soil from erosion caused by external factors near offshore structures (2014)
Proceedings of the ISOPE, TPC-0320.
11. The Rock Manual. The use of rock in hydraulic engineering (2007) CIRIA Publication, Chapter 6.
Design of marine structures, second edition.
12. Visser R., Van Der Meer J. Immediate Displacement of the Seabed During Subsea Rock Installation
(2008) (SRI), Terra et Aqua, N 110, pp. 3-8.
УДК 627
В.В.Ефимова, К.Н.Шхинек
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ СО СТРОИТЕЛЬСТВОМ ИСКУССТВЕННЫХ ОСТРОВОВ
ИЗ ГРАВИЯ И ИХ ЭКСПЛУАТАЦИЕЙ В АРКТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
В данной статье анализируется опыт строительства и эксплуатации искусственных
островов из гравия. При проектировании и строительстве искусственных островов должен
учитываться большой объем данных, характеризующих естественные условия района
строительства. Освоение континентального шельфа Арктики, и в первую очередь моря
Бофорта, первоначально проводилось с помощью строительства искусственных грунтовых
островов, как наиболее приемлемых конструктивных форм сооружений [1, 2]. Развитие
континентального шельфа и особенно арктического шельфа является одной из наиболее
быстро развивающихся областей в нефтяной промышленности. Арктический шельф
обладает уникальными запасами углеводородных ресурсов, и их освоение имеет
стратегическое значение для России.
Ледовые и волновые воздействия разрушающе действуют на берега искусственных
грунтовых откосов, в связи с чем, требуется конструктивная защита откосов. Часть года
мелководье остаётся в замороженном состоянии, это обычно происходит на участках с
глубиной воды менее 1,8 м. Имеются результаты исследования буровой скважины, в котором
было обнаружено, что непрерывный слой вечной мерзлоты находится на 3,7 м ниже
морского дна. В результате исследований испытательного стенда надстройки и бурильной
скважины стало очевидно, что структура островов остаётся в подходящем для эксплуатации
состоянии на протяжении одного целого года. Для большинства этих островов, лед был
первым твёрдым слоем земли, и при этом однолетний лед мало двигался в течение зимних
месяцев [3, 4]. Основным препятствием для разведки и возможной добычи углеводородов
является наличие плавучего льда. Неправильная оценка воздействия плавучего льда на
морские сооружения может привести к основным неточностям, влияющим на безопасную и
эффективную работу конструкций таких сооружений [3, 4]. Расчетный срок службы нового
острова составляет около 15 лет. Основные опасности состоят в нагромождении однолетнего
льда (толщина льда обычно 0,3 м); во влиянии многолетних льдин (толщиной 10-12 м) и в
разрушающем действии волн, поднятие льда и т.д. Кроме того, существенно влияют на
проектирование таких сооружений наличие строительных материалов и методы их
транспортировки; наличие плавсредств и строительного оборудования; удаленность острова
от производственной базы на материке.
Были проанализированы публикации для получения информации о существующих
методах защиты откосов искусственных островов [5-9]. Также рассмотрены ранее
построенные гравийные острова и проблемы, связанные с их строительством. Другие
представленные источники содержат информацию, полезную для решения интересующих в
данном исследовании задач [10-13].
В литературе приводится описание следующих методов защиты откосов искусственных
островов:
− Шпунтовая стенка. Шпунтовая стенка защищает остров от разрушающей силы волн,
воздействия льда и течений [6].
− Гравийные откосы. Строительство гравийного откоса с традиционной защитой от размыва
с помощью крепления каменной наброской.
− Гравийные бермы. Профили с бермами имеют следующие преимущества:
Правильно запроектированная форма откоса может уменьшить скорость обратной
фильтрации, снизить резонансную взаимосвязь между ней и разрушающей волной, и
уменьшить влияние волны. Для уменьшения общего размера защиты важным
является уменьшение наката волны, что может быть достигнуто с помощью придания
откосу определенного профиля [5].
- Непосредственная близость уровня воды к берме, как ожидается, может уменьшить
наползание льда на откос в связи с резкими изменениями наклона на переходах между
относительно горизонтальной бермой и более крутых верхних и нижних участках
откоса. Берма будет служить областью накопления льда, тем самым задерживая
процесс его поднятия к верху сооружения.
- Разрушение покрытия в зоне действия волн льда может быстро поставить под угрозу
стабильность верхней части откоса и создать отчетливую угрозу для рабочей
поверхности остров. Наличие бермы практически отделяет откос верхней части от
нижней и, тем самым, препятствует распространению повреждения и способствует
снижению разрушений всей конструкции [5].
Рассмотрим две конструкции на основании из илистых грунтов.
Конструкция № 1 (рис. 1). Использован непластичный ил с очень маленьким
содержанием мелкозернистого песка с укладкой тканевого фильтра на боковых склонах.
Мешки с песком, содержащие по весу 5% сухого портландцемента, закладываются
толщиной в три слоя в верхней части фильтрационной ткани. Таким образом, ткань
препятствует вымыванию мелких частиц, мешки с песком удерживают её на месте, а все
вместе это служит гасителем волн. Цемент добавляется в песок в момент, когда мешки уже
заполнены. Идея состоит в том, что после того, как мешки с песком размещаются на откосе,
цемент намокает и помогает удерживать мешки вместе как единое целое [8]. Другое условие
состоит в том, что джутовый материал истирается, и цемент будет его сохранять, а также
удержит содержимое от вымывания.
-
Рис. 1. Конструкция № 1
Конструкция № 2 (рис. 2). Для получения стабильного основания для производства
буровых работах были использованы две железнодорожные баржи. Баржи и надстройка
вместе определяют высоту надводного борта. После позиционирования баржи на нужном
месте, ее отсеки заполняются морской водой и происходит затопление баржи.
Предполагалось, что баржа не будет обеспечивать прочность острова на сдвиг, и для
дальнейшего повышения прочности поддерживалось промерзание ила уложенного между
баржей и бермой с помощью грейфера. Берма формируется из габионов по периметру
острова для удержания ила и его защиты от разрушающих воздействий [8].
Рис. 2. Конструкция № 2
Выводы: Арктика по-прежнему в значительной степени остаётся неисследованной, но ее
потенциальные ресурсы могут внести значительный вклад в будущее энергетических
потребностей планеты. Искусственные острова являются одним из самых удобных и
экономичных структур по разработке месторождений в мелководье континентального шельфа.
Использование искусственных гравийных островов экономически целесообразно на
глубинах до 20 м. Для строительства на глубинах более 20 м необходимо огромное
количество сыпучих материалов, которое технически невозможно доставить в течение
одного строительного сезона. Значительное влияние на строительство островов и их защиты
от разрушений имеют грунтовые условия, внешние воздействия, а также наличие
строительных материалов.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Gudmestad, O.T., Loset, S., Alhimenko, A.I., Shkinek, K.N. et al. Engineering aspects related to arctic
offshore developments (2007) LAN.
2. Симаков, Г.В., Шхинек, К.Н., Смелов, В.А. и др. Морские гидротехнические сооружения на
континентальном шельфе (1989) Ленинград, Судостроение, 328 с.
3. Croasdale, K.R., Shkhinek, K.N. Ice engineering problems related to design and construction of arctic
offshore structures (1995) Proceedings of RAO Conference, рp. 222-235.
4. Løset, S., Shkhinek, K.N., Gudmestad, O.T., Høyland K.V. Actions from ice on Arctic Offshore and
Coastal Structures (2006) St.Petersburg, Publisher "LAN", 272 p.
5. Gadd, P.E., Hearon, G., Leidersdorf, C.B. Slope armor design and construction Northstar production
island (2001) POAC’01. Ottawa, Ontario, Canada, 9 p.
6. Liberty development project. Development and Production Plan (2007) Alaska, BP Exploration Inc, 110 p.
7. Timco, G.W. NRC Centre for Ice Loads on Offshore Structures (1998) Canadian Hydraulics Centre
national research Council of Canada, 31 p.
8. Brown, A.D., Barrie, K.W. Artificial island construction in the shallow Beaufort sea. Sun oil Company
Limited. Calgary, Alberta, Canada, POAC`1975, vol. 2, рp. 705-717.
9. Swatek, E.P. Conceptual design of offshore industrial-port islands. Proc. Of the 10th Annual Conf. on
the Marine Technology Society (1974) Washington, рp. 715-725.
10. Beliaev, N.D. Review of protection methods against propeller erosion (1997) Proceedings of the IV Int.
Seminar on Renovation and Improvements to Existing Quay Structures Technical University of Gdansk.
Poland, V. 1, рp. 5-12.
11. Беляев, Н.Д. Защита оснований ледостойких платформ от размыва (2009) Предотвращение аварий
зданий и сооружений №8, Москва, стр. 228-236.
12. Shchemelinin, L.G., Utin, A.V., Belyaev, N.D. et al. Experimental studies of means efficiency for
protection of sea bed soil from erosion caused by external factors near offshore structures (2014)
Proceedings of the ISOPE, TPC-0320.
13. Babchik, D., Belyaev, N., Lebedev, V. et al. Experimental investigations of local scour caused by
currents and regular waves near drilling barge foundations with cutout in stern (2014) Proceedings of 5th
International Conference “Coastlab14”, Varna, Bulgaria.
УДК 627
А.В.Карелов, К.Н.Шхинек
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЬДА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОСТРОВОВ В АРКТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Искусственные ледовые острова, опирающиеся на дно, построенные путем
контролируемого затопления поверхности морского льда, используются для разведочного
бурения на шельфе в Арктике. Ледовые острова для разведочного бурения появились
впервые в море Бофорта в 1970-х годах [1-4]. По сравнению с искусственными гравийными
островами, ледовые острова имеют неоспоримые преимущества, а именно – стоимость и
безопасность. Для создания островов используется доступная морская вода и холодный
арктический воздух, поэтому их стоимость составляет лишь небольшую долю от стоимости
гравийных островов [5, 6].
При проведения настоящего исследования были проанализированы следующие
публикации [7-10]; из этих источников была получена информация о существующих методах
строительства искусственных островов. Другие представленные источники также содержат
полезную информацию о работе заземленных ледовых островов [11, 12].
При строительстве в суровых арктических условиях необходимо тщательное
планирование. Ледовый остров представляет собой участок естественного ледяного покрова
с намороженным слоем льда до такой толщины, при которой основание острова вследствие
оседания ледяного покрова покоится на морском грунтовом дне, а верх острова возвышается
над уровнем моря до необходимой отметки. Таким образом, в ходе намораживания ледяное
тело острова под действием своего веса вместе с прогибающимся ледяным покровом
опускается вниз до полного контакта с морским дном. На рабочей площадке острова
размещается различное технологическое оборудование и запасы.
Ледовые острова возводятся на сплошном, установившемся в начале зимы, ледяном
покрове, с толщиной льда обычно не менее 50 см, так что оборудование и материалы можно
транспортировать по льду. Продолжительность времени возведения острова зависит от
принятого способа намораживания, высоты тела острова и метеорологических условий.
Форма ледового острова в плане должна соответствовать назначению острова и
технологическим требованиям. Для ледяных островов, открытых со всех сторон, наиболее
рациональной обычно является круглая форма в плане.
Общая высота ледяного массива острова зависит от глубины и необходимого
возвышения рабочей площадки над уровнем моря. Масса намороженного тела острова
должна также обеспечить прочную посадку острова на морское дно. Поэтому
намораживание высоты острова производится до обеспечения плотного контакта подошвы
острова с грунтом дна. Возвышение рабочей площадки должно быть также таким, чтобы
исключалось наползание на площадку битого плавающего льда [8].
Строительство начинается как можно раньше для обеспечения достаточного времени.
В районах с образованием ежегодного морского льда, строительство может начаться с
доставки легкого оборудования, когда ледяной покров составляет около 0,3 метров
толщиной. Позже, когда окружающий ледяной покров становится толще, более тяжелое
оборудование можно транспортировать на рабочую площадку для выполнения поставленной
задачи. Строительная площадка очищается от снега в первую очередь. Это обеспечивает
лучшую связь между естественным и искусственным льдом. Основные методы
намораживания искусственных островов заключаются в затоплении поверхности льда
тонкими слоями морской воды с помощью насосов. Скорость затопления ограничивается
температурой воздуха. Каждый слой должен быть хорошо заморожен до затопления
следующего слоя. Так как тонкие слои замерзают гораздо быстрее, используют метод
замораживания нескольких тонких слоев в сутки. В очень холодных условиях вода быстро
становится вязкой и замерзает [8].
Различные методы используются для построения искусственных ледовых островов:
− заливка с неограниченной и ограниченной зонами растекания;
− распыления воды;
− использование ледяных и полимерных блоков.
Для намораживания льда используют морскую соленую воду, которая является своего
рода местным строительным материалом. Чем меньше соленость воды, тем лед более
прочен.
Заливка с неограниченной зоной растекания. Тонкие слои морской воды
перекачиваются насосом из-под ледяного покрова на поверхность льда. Заливка ледяного
покрова производится насосом из одной или нескольких точек. Вода свободно растекается в
различных направлениях на поверхности льда, образуя в плане форму круга или эллипса.
Перед этим очищается снег с поверхности льда, и удаляются шероховатости и неровности
поверхности более 15 см высотой. Радиус намораживания для одного насоса, как правило, не
более 100 м, в зависимости от производительности. В центре участка формируется
возвышение. Масса слоев намораживаемого льда постепенно увеличивается, увеличивается
нагрузка на ледяной покров, происходит прогибание. Заполнение последующего слоя воды
производится после замораживания предыдущего слоя. Степень затопления в первую
очередь регулируется скоростью и направлением потока, температурой воздуха [8].
Заливка с ограниченной зоной растекания. Данный метод отличается от предыдущего
тем, что поверхность заливки ледяного покрова ограничивается по периметру ограждениями.
Кроме этого, ограниченное пространство может быть разделено внутренними перегородками
на отдельные секции. Этот метод уменьшает количество воды, необходимое для
строительства и позволяет производить конструкцию желаемой геометрии. Прогиб ледового
острова регулируется последовательностью и количеством заполненных водой секций.
Применяются различные конструкции защитных ограждений и разные материалы.
Ограждение может делаться сразу на полную высоту или наращиваться по ходу
намораживания. Наиболее часто в качестве ограждений устраиваются снежные валы.
Деревянные доски, экраны из полимерных материалов также могут применяться [8].
Распыление воды. Контролируемое распыление морской воды над поверхностью льда
обеспечивает более интенсивное накопление льда. Строительство ледовых островов методом
распыления обычно происходит в течение месяца с декабря по январь. Насосы должны иметь
давление в выпускной насадке не меньше 1,5 МПа. Более низких давлений недостаточно для
достижения требуемого распыления воды. Насосы мощностью 20 м3/мин. может
производить 1 м намораживаемого льда в день над островом с диаметром до 300 м [7].
Ледовые острова формируются методом распыления в холодном воздухе (ниже -6,7оC),
наслоение льда происходит до тех пор, пока остров не достигнет нужной толщины. Ледовые
острова могут быть или установленными на морском дне или плавучими в более глубоких
водах. Изготовленные всего за два месяца, такие острова обеспечивают достаточную
устойчивость и прочность для обеспечения разведочного бурового оборудования.
Температура окружающей среды имеет непосредственное влияние на замораживание
распыленной воды. Ветер также мешает эффективному распылению. Умеренный ветер от 10
до 15 узлов желателен для удаления тепла, выделяемого из распыленной воды, и для
избегания формирования тепловой оболочки на острове. Но сильные ветры препятствуют
распылению. Идеальная ситуация для производства льда: температура от -30 до -35оC и
ветер 10 узлов.
Другой метод, использующийся для создания искусственного острова, заключается
использовании ледяных блоков, вырезанных из естественного льда поблизости от места
возведения сооружения. Производится кладка ледяных блоков на смоченную поверхность
ледяного покрова. Затем осуществляется полив водой всей кладки и общее замораживание.
Требуется специальное оборудование для резки, подъема и транспортировки блоков.
Структуры, построенные по методу ледяных блоков, могут быть конкурентоспособными с
другими буровыми платформами в более глубоких водах.
Искусственные ледовые острова имеют несколько очевидных преимуществ по
сравнению с альтернативными видами арктических морских буровых платформ. Стоимость
ледяных сооружений меньше стоимости искусственных грунтовых островов, так как лед
используется как местный строительный материал. Ледовые острова имеют относительно
короткое время строительства (2 ... 5 месяцев).
По сравнению с гравийными островами, ледовые острова имеют экологические
преимущества. Так как ледовый остров состоит из морской воды, он будет минимально
воздействовать на окружающую среду во время строительства и в процессе эксплуатации.
Несмотря на эти значительные преимущества, использование искусственных островов
ограничивается мелководьем и зимним бурением, а скорости намораживания сдерживаются
условиями окружающей среды. Например, при идеальных условиях лишь около 10 см льда
может быть построено за день методом заливки с ограниченной зоной растекания. А
распыление воды будет обеспечивать предположительно низкую прочность льда. Если
остров не защищен от тепловой эрозии, и он не достаточно мощен, чтобы противостоять
смещению штормовыми приливами, то он, скорее всего, разрушится в течение лета [7].
Выводы. Искусственные острова уже используются в нескольких мелководных районах
по всему миру для размещения постоянных буровых и добывающих сооружений. Лед
является стратегическим строительным материалом в Арктике для строительства дорог,
взлетно-посадочных полос, жилья, и, в последние несколько десятилетий, платформ
разведочного бурения.
Ввиду преимуществ искусственных ледовых островов над альтернативными
арктическими буровыми платформами, дальнейшие исследования и разработки могут
расширить возможности их использования на больших глубинах и сделать этот тип
сооружений еще более надежным и безопасным.
ЛИТЕРАТУРА
1. Симаков, Г.В., Шхинек, К.Н., Смелов, В.А. Морские Гидротехнические Сооружения на
континентальном шельфе (1989) Ленинград, Судостроение, 328 c.
2. Shkhinek, K.N., Loset, S. Ice loads for design of offshore structures. Basics of offshore petroleum
engineering and development of marine facilities (1998) Stavanger, Moscow, St.Petersburg, Trondheim.
3. Loset, S., Shkhinek K.N., Gudmestad, O.T., Hoyland, K.V. Actions from ice on Arctic Offshore and
Coastal Structures (2006) Publisher "LAN", St.Petersburg, 272 p.
4. Riley, J.G. The construction of artificial islands in the Beaufort Sea (1975) Annual 7th Offshore
Technology Conference, OTC-2167-MS.
5. McFadden, T.T., Bennett, F.L. Construction in cold regions: a guide for planners, engineers, contractors,
and managers (1991) New York, Wiley.
6. Robertson, F.P. Artificial Islands (1983) Civil Engineering, ASCE, pp. 38-41.
7. Gordon, F.N. Artificial ice island for exploratory drilling (1979) POAC, Oceanographic Services, Inc.
Santa Barbara, California, vol. 1, pp. 147-162.
8. Кульмач, П.П. Морские сооружения освоения полярного шельфа (1999) Санкт-Петербург.
9. Chen, A.C.T., Jahns, H.O. US Patent 4,699,545 (1987).
10. Bashaw, E.K., Drage, J., Lewis, S.K., Billings, C.J. Applied Ice Engineering for Exploring Arctic Natural
Resources (2013) ISCORD, pp. 308-319.
11. Mayne, D.C., Lemee, E.M., Metge, M. Ice Event On An Artificial Island In The Caspian Sea (2002)
International Association of Hydraulic Engineering and Research, Dunedin, New Zealand.
12. Masterson, D. Arctic offshore structures standard (2008) ISO 19906, TP9 Ice Engineering Summary.
УДК 621.311.24
С.В.Агафонова
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
ПРИМЕНЕНИЕ МОРСКИХ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
В АРКТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Ветроэнергетические установки (ВЭУ) являются одними из наиболее технологически
эффективных источников генерации электроэнергии, которые доступны на сегодняшний
день. Принцип работы ветроэнергетических установок заключается в преобразовании
кинетической энергии ветрового потока в электрическую энергию.
Россия располагает значительными ресурсами ветровой энергии, которые сосредоточены
в тех регионах, где отсутствует централизованное энергоснабжение. Такая ситуация
характерна для всего Арктического побережья от Кольского полуострова до Чукотки, для
побережья и островных территорий Берингова и Охотского морей, а также для Юга России и
Дальнего Востока, где использование энергии ветра экономически выгодно [1].
Прибрежные морские зоны РФ обладают высоким ветроэнергетическим потенциалом,
использование которого благоприятно скажется на инфраструктуре производства
электроэнергии в близлежащих регионах и улучшит условия жизни местного населения [2, 3].
Конструкции опорных оснований ВЭУ морского и сухопутного базирования
значительно отличаются друг от друга в техническом и экономическом плане [4].
На сегодняшний день подробно изучен вопрос, касающийся создания морских ВЭУ для
условий южных или незамерзающих морских акваторий. На акваториях с ледовым режимом
необходимо применять ВЭУ с мобильным основанием, рассчитанным на значительные
ледовые нагрузки. В связи с этим, возникают проблемы в процессе проектирования,
строительства и эксплуатации подобных сооружений [5].
Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью научного
обоснования проектных решений при обустройстве морских ВЭУ на российском
континентальном шельфе.
Основными задачами данного исследования являются:
1. Анализ преимуществ и технических сложностей, связанных с проектированием,
строительством и установкой морских плавучих ветроэнергетических станций;
2. Разработка концептуальных подходов к созданию плавучего основания морских
ветроэнергетических станций в ледовых условиях.
Введение в рынок ветроэнергетики нового вида ВЭУ – морских плавучих
ветроэнергетических
станций,
сопровождается
рядом
преимуществ:
высокая
производительность
и
качество
вырабатываемой
электроэнергии;
мобильность;
ремонтопригодность и простота утилизации по окончанию срока службы; экологичность и др.
Наряду с преимуществами морских плавучих ВЭУ существуют технические сложности,
связанные с проектированием, строительством и эксплуатацией подобных объектов:
− Снижение металлоемкости конструкции приводит к сокращению стоимости
конструкции, и в то же время, уменьшению ее прочности и остойчивости;
− Поиск варианта конструкции, обеспечивающей оптимальное сочетание волновых,
ледовых, ветровых воздействий и др.
Следующей задачей является разработка принципов конструирования плавучего
основания ВЭУ, направленных на минимизацию ледовых нагрузок.
На рис. 1 представлены расчетные схемы плавучего основания морской ВЭУ. На
морскую ВЭУ действует ветровой поток. Цилиндрическое основание закреплено на плаву с
помощью якорных связей. В основаниях рассматриваемых установок используется система
удержания с предварительно натянутыми связями. Определены координаты клюзовых точек
(точка «а») и угол наклона якорных связей ϕ.
В первом случае конструкция обладает
минимальной металлоемкостью за счет ферменной
оболочки и хорошей остойчивостью в результате
работы вертикально натянутых связей. Однако при
обрыве связей конструкция теряет остойчивость и
при воздействии ледовых нагрузок необходимо
устраивать
дополнительные
предварительно
натянутые связи, что приводит к увеличению
стоимости сооружения.
Сооружения
второго
типа
имеют
значительную осадку и удерживаются за счет
наклонных связей. Достоинство таких конструкций
заключается в том, что они сохраняют
остойчивость даже при обрыве связей. Такие
Рис. 1. Расчетная схема плавучего основания сооружения необходимо применять только на
значительных глубинах, вследствие большой
морской ветроэнергетической установки
высоты (80-100 м).
Благодаря малому диаметру сооружения минимизируются волновые и ледовые нагрузки
на конструкцию [6]. Ледовые нагрузки на сооружение вычисляются по методикам СНиП
2.06.04-82*,СНиП 2.01.07-85, СП 38.13330.2012 и ISO 19906 [7-10].
Расчет волновых нагрузок производится с помощью математического моделирования в
программном комплексе “Anchored Structures” [11,12].
При ледовом воздействии в вертикально натянутых связях возникает горизонтальная
составляющая силы реакции, которая компенсирует ледовую нагрузку.
При действии ветрового потока в наклонных связях появляется сила реакции,
компенсирующая аэродинамический момент. При погружении установки в морскую воду
возникает сила Архимеда, которая, в свою очередь, компенсирует вертикальную
составляющую реакции якорных связей.
Таким образом, учитывая вышесказанное, можно утверждать, что сооружение
находится в равновесии:
 Fwind = FR sin ϕ;

(1)
ρg∆hSW = FR cos ϕ;
F H
 wind wind = FR xa sin ϕ + FR za cos ϕ,
где Fwind – сила, возникающая при действии ветрового потока на ветроэнергетическую
установку; FR – сила реакции наклонных связей сооружения на действие ветрового потока; ρ –
плотность морской воды; g – ускорение свободного падения; ∆h – глубина погружения
установки при ветровом воздействии; SW – площадь ватерлинии сооружения; H wind – высота
приложения равнодействующей силы ветрового потока; xa , z a – координаты клюзовой точки а.
После упрощения система (1) приобретает следующий вид:
 Fwind ctgϕ
= SW ;

(2)
 ρg∆h
H
 wind = xa + za ctgϕ.
Таким образом, проанализировав полученную систему уравнений (2), можно
сформулировать принципы конструирования плавучих оснований морских ВЭУ:
1. Для полупогружных плавучих оснований характерно дополнительное натяжение связей
при ветровом воздействии, поэтому площадь ватерлинии должна быть такой, чтобы
компенсировать силы реакции якорных связей.
2. Для оснований первого и второго типа необходимо предусмотреть расположение
клюзовых точек. Для оснований первого типа клюзовые точки должны находиться по
горизонтали на таком расстоянии, чтобы оно было сравнимо с высотой приложения
равнодействующей силы ветрового потока. Для оснований второго типа клюзовые точки
должны располагаться по вертикали на таком расстоянии от центра тяжести установки,
чтобы оно было сравнимо с высотой приложения силы ветрового потока.
Таким образом, если увеличивать площадь ватерлинии, то неизбежно значительное
воздействие ледовых и волновых нагрузок на установку. В связи с этим, для акваторий с
преобладающим ледовым режимом необходимо заглублять водоизмещающие объемы
конструкции ниже уровня ледового воздействия.
Практическая значимость данной работы заключается в возможности применения
морских плавучих ВЭУ на акваториях Российской Федерации с целью энергоснабжения
прибрежных регионов.
Вопрос о размещении морских плавучих ВЭУ в условиях южных или незамерзающих
морей подробно изучен специалистами различных стран. В свою очередь, применение
морских плавучих ВЭУ в условиях северных и дальневосточных морей России недостаточно
изучено и добавляет ряд технических сложностей на пути от проектирования до
эксплуатации подобных объектов.
В ходе данного исследования были разработаны концептуальные подходы к созданию
плавучего основания морских ВЭУ, направленные на минимизацию значительных ледовых
нагрузок, действующих на сооружения. Для акваторий с ледовым режимом, целесообразно
заглублять водоизмещающие объемы сооружения ниже уровня воды.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива /
показатели по территориям / Безруких П.П, Елистратов В.В., Сидоренко Г.И. и др. М.: ИАЦ
Энергия, 2007 г. 272 с.
2. Елистратов В.В., Кузнецов М.В. Теоретические основы нетрадиционной и возобновляемой энергетики.
Ч. 1.Определение ветроэнергетических ресурсов региона. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. 55 с.
3. Большев А.С., Шхинек К.Н., Филиповская Т.В. Гидротехнические сооружения на
континентальном шельфе России. Гидротехника.XXI век. №4 (16) 2013 г., с.48-56.
4. Большев А.С., Фролов С.А., Чернецов В.А., Купреев В.В. Вопросы проектирования опорных
конструкций для морских ветрогенераторов. Гидротехническое строительство, №5, М.: 2007 г. с. 31-36.
5. Елистратов В.В., Большев А.С., Панфилов А.А. и др. Научно-технические проблемы создания
ветроэлектрических станций на шельфе Арктики. СПб.: Изд-во НТЦ «ТАТА», 2014, с. 36-48.
6. Шхинек К.Н., Балагура С.В., Большев А.С., Фролов С.А. Математическое моделирование
воздействия ровного льда и торосов с заякоренными плавучими сооружениями типа FPU и
платформами типа SPAR//Научно-технический сборник РМРС. 2009. № 32. C. 93-108.
7. СНиП 2.06.04-82*. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия на гидротехнические
сооружения (волновые, ледовые и от судов). М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. 40с.
8. СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия. Госстрой СССР, М., 1987.
9. СП 38.13330.2012. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые
и от судов) Актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82*. М. «Аналитик», 2012. 111 с.
10. ISO 19906. Petroleum and natural gas industry. Arctic offshore structures. 2009. 428 р.
11. Большев А.С., Фролов С.А., Михаленко Е.Б. Математическое моделирование поведения морских
плавучих сооружений// Труды СПбГПУ, изд. СПбГПУ, 2007, №502, с.252-274.
12. Большев А.С., Фролов С.А., Кутейников М.А. Математическое моделирование поведения
морских плавучих объектов в программном комплексе “Anchored Structures”, Научнотехнический сборник РМРС, вып.36, 2013, стр.68-90.
УДК 627
А.А.Нестеров
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
НОВЫЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ЗАЩИТЕ ОСНОВАНИЙ МОРСКИХ ГТС
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ПОКРЫТИЙ
Для нормальной эксплуатации морских гравитационных платформ необходимо
обеспечить их безопасность. При длительной эксплуатации данного типа сооружений
возможны значительные размывы дна непосредственно у фундаментной опоры, что может
привести к потере устойчивости всей конструкции. В истории гидротехнического строительства
в условиях шельфа известны ситуации, когда под основанием гравитационной платформы
происходило образование пустот из-за вымывания грунта, что привело к необходимости
дорогостоящих технологических мероприятий по его укреплению [2, 4, 5]. Обоснование выбора
защитных мероприятий, обеспечивающих безотказную работу гравитационных платформ,
является весьма актуальной и практически значимой задачей [2, 7, 10].
Методы защиты бывают фактическими и восстановительными, которые применяются
уже после возникновения размыва. Кроме того, известные методы защиты дна от размыва
могут быть разбиты на две группы [2-4]: на пассивные и активные способы. В общем случае
пассивный способ основан на защите зоны воздействия на дно, без существенного
нарушения естественного режима движения воды, а при активном способе резко изменяется
характер водного потока в придонной зоне, что способствует переформированию дна за счет
накопления наносов [1].
Также все мероприятия защиты по способу распространения делятся на две группы:
а) с преимущественно горизонтальным распространением (защита с помощью
гранулированных материалов, матов, матрасов и т.д.)
б) с преимущественно вертикальным распространением («юбки», шатровая защита,
изменение формы корпуса сооружения)
У всех существующих методов защиты грунта от размыва имеются недостатки (см.
табл.).
Таблица
Недостатки существующих методов защиты грунта от размыва
Способ защиты
Защитный слой из гранулированных материалов
Укладка покрытий из тканевых и сетчатых
мешков, матрасов, габионов
Установка искусственных бетонных плит,
матов, матрасов и блоков
Защита с помощью экранов (отражателей)
Искусственные водоросли
Шатровая защита
Юбки по периметру сооружения
Недостатки
Трудность добычи камня больших размеров и
возможность его доставки и установки на месте
строительства
Невозможность использования в конструкциях,
подвергающихся изгибам значительной величины
Крайние участки подвержены подмывам и
разрушениям
Инженерный расчет оптимальных значений
параметров экранов-отражателей затруднителен
Возможность запутывания в водорослях
рыболовных снастей и водолазов
Эффективна только в течение короткого
промежутка времени
Отсутствие методик по определению длины
юбки, сложности при транспортировке
Конструкции из бетона подвержены подмывам и разрушению крайних участков. Для
недопущения этого требуется более надежный подстилающий слой, крупность частиц
которого должна быть значительно больше, чем зазор между плитами крепления для
предотвращения вымывания при волнении [2]. Традиционные бетонные плиты обычно не
применяются для защиты от размыва сооружения шельфа. Другим вариантом защитного
покрытия является использования матрасов с бетонным заполнением. Наполнение матрасов
раствором с одновременным удалением излишков воды через фильтрующую ткань
осуществляется под водой. Еще одним вариантом являются сборные тяжелые маты,
состоящие из бетонных элементов и различного вида связей между ними (канаты,
полимерные ткани и пр.).
В последнее время появились предложения по укладке матов из резины, геотекстиля и
других гибких элементов. Достоинства матов из композитной резины [8]:
− небольшой собственный вес по сравнению с камнями;
− производятся на берегу (высокое качество);
− могут быть легко демонтированы после окончания работы платформы.
Однако, маты восприимчивы к механическим повреждениям тралами, якорями, и т.д., а
также имеются некоторые трудности в укладке точно в расчетное место. Маты
одновременно выполняют функции защиты и фильтра, но их необходимо пригружать,
закрепляя к бетонным конструкциям или к основанию.
Предлагаемый компанией «ТВЭЛЛ» способ защиты грунта от размыва заключается в
изготовлении и укладке на подводную поверхность водоема мата из синтетического,
водостойкого, нетканного материала, представляющего собой двухслойное полотнище,
простеганное вдоль по всей длине, что позволяет образовать продольные каналы,
заполняющиеся балластировочным материалом из раздаточного бункера, расположенного на
судне обеспечения (рис.1) [8].
Балластировочный материал для сверхтяжелых пригрузов изготавливается из
подвижной магнезиально-минерально-солевой композиции, непосредственно на борту
плавсредства, используя для затворения забортную морскую воду, а в качестве утяжелителя
– чугунную или свинцовую дробь. Применение пригрузов на основе портландцемента
требует предварительного изготовления матов на береговом заводе, доставку их на судне и
укладку при помощи водолазов.
Испытания модели защиты грунтового основания платформ гравитационного типа от
размыва были проведены в гидроволновой лаборатории 26 Государственного морского
проектного института [4, 6, 11].
а)
б)
Рис. 1. Покрытие, предложенное компанией «ТВЭЛЛ»:
а – вид мата; б – схема укладки матов у модели гравитационной платформы [8]
Проведены следующие испытания моделей защитного покрытия [8]:
− на устойчивость к морской воде;
− на способность конструкции противостоять воздействию морских течений и волн;
− на удобоукладываемость композиции в зависимости от плотности (различный процент
содержания металлургического шлака и гранулята).
Преимущества новой технологии:
− защитное покрытие подводной поверхности обладает низкой себестоимостью и высокой
прочностью;
− заполнение мата балластировочным материалом производят одновременно с его
укладкой на защищаемую подводную поверхность;
− технология может быть использована для укрепления дна с целью его защиты от
разрушительных внешних воздействий, в частности от действия струй судовых
движителей, волн и течений.
Синтетические маты с пригрузами, изготовленные по технологии ООО «ТВЭЛЛ»,
принципиально могут защищать основания морских сооружений от местных размывов.
Вместе с тем, надежность работы рассматриваемого устройства существенным образом
зависит от способа и качества его укладки на дно по периметру ГТС [4]. Как показали
опыты, наличие незащищенных матами участков дна у основания сооружения может свести
на нет защитные свойства рассматриваемого устройства.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Альхименко А.И., Беляев Н.Д., Фомин Ю.Н. Безопасность морских гидротехнических
сооружений. – СПб: Изд-во «Лань», 2003.
2. Беляев Н.Д. Защита оснований ледостойких платформ от размыва. Предотвращение аварий
зданий и сооружений: Сб. науч. тр. Выпуск №8. Москва, 2009. с. 228-236.
3. Симаков Г.В., Шхинек К.Н., Смелов В.А. и др. Морские гидротехнические сооружения на
континентальном шельфе. Л.: Судостроение, 1989.
4. Расчетные и экспериментальные исследования в обеспечение технических решений и
мероприятий по защите грунтовых оснований в районе платформ гравитационного типа от
размыва в реальных условиях эксплуатации. Технический отчет. СПб. 23 ГМПИ – филиал ОАО
«31 ГПИСС», 2014.
5. Чугунова В.В., Беляев Н.Д. Анализ методов защиты от размывов у морских ГТС. Неделя науки
СПбГПУ: материалы НПК с международным участием. НОЦ «ВИЭ» СПб.: Изд-во Политехн. унта, 2014. с. 80-83.
6. Babchik D., Belyaev N., Lebedev V. et al. Experimental investigations of local scour caused by currents
and regular waves near drilling barge foundations with cutout in stern. Proceedings of 5th International
Conference “Coastlab14”. Varna, Bulgaria.
7. Beliaev N.D. Review of protection methods against propeller erosion. Proceedings of the IV Int. Seminar
on Renovation and Improvements to Existing Quay Structures. Technical University of Gdansk. Poland.
1997. V. 1. Pp. 5-12.
8. http://twell.ru/marine-technologies/
9. Huisman B.J.A., Rudolph D., Kanand A., Möschen M. Scour protection performance of an innovative
composite rubber mat at offshore wind turbine foundations.
10. Rytkonen J. Local scour and scouring protection of drilling platforms in the Arctic sea environment.
Technical Research Centre of Finland (VTT). ESPOO. 1983. Research Notes 267. 88 p.
11. Shchemelinin L.G., Utin A.V., Belyaev N.D. et al. Experimental studies of means efficiency for
protection of sea bed soil from erosion caused by external factors near offshore structures. Proceedings
of the ISOPE. 2014. TPC-0320.
УДК 627
О.Л.Застрижная, Е.Б.Михаленко
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
ОБ УЧЕТЕ ФОРМЫ ШЕЛЬФОВОГО СООРУЖЕНИЯ
ПРИ ОЦЕНКЕ РАЗМЫВАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
В настоящее время активно ведется проектирование и строительство морских буровых
платформ в шельфовой зоне с целью нахождения полезных ископаемых и их добычи. В
большинстве морских месторождений, расположенных на шельфе России, сооружения
подвергаются суровым внешним воздействиям, из-за чего возникает необходимость изучения
проблемы местных размывов дна от действия водных потоков на основания морских ГТС.
Задача изучения процесса местного размыва является непростой, так как глубина,
форма и место формирования воронки зависят от множества факторов: гидродинамических
условий данной акватории – скорости и направления водного потока, параметров волн и т.д.;
многообразия форм шельфовых сооружений; больших поперечных размеров сооружений,
вызывающих дифракцию волн, а также грунты основания [1-12].
Проблема местных размывов дна у оснований шельфовых сооружений больших
поперечных размеров продолжает изучаться, обобщающие работы по проблеме практически
отсутствуют, а в нормативных документах не представлены рекомендации для большинства
используемых в настоящее время форм оснований [1].
Проблема размыва у оснований ГТС возникла давно, но понимание физических процессов,
имеющих место во время формирования воронок размыва, усложняется ввиду того, что местный
размыв может иметь разную природу возникновения и механизм развития при действии
течения, волнения, волн цунами или работы судовых движителей. В ходе исследования
зарубежных источников было выявлено большое количество методик и практических
рекомендаций, но многие из них основаны на весьма ограниченном числе лабораторных опытов,
и, соответственно, расчеты по предлагаемым формулам могут считаться предварительными.
Проанализированные результаты не дают уверенности в достоверности выработанных
рекомендаций и требуют продолжения изучения процесса размыва у шельфовых ГТС [8-10, 12].
Для разработки более достоверных методов прогноза формирования местных размывов
дна в морских условиях необходимо использовать результаты экспериментов, описанных в
научной литературе, и проводить новые исследования с параметрами, не рассмотренными до
этого, для получения полной картины процесса размыва и понимания ее специфики.
В настоящей работе на основании анализа различных источников и результатов
модельных исследований были выявлены особенности процесса размыва при действии волн
и течений на основания шельфовых сооружений сложных плановых и объёмных форм.
Вне зависимости от природы возникновения местного размыва, формирование воронок
и траншей размыва возникает в том случае, если максимальная донная скорость перед
сооружением превышает допустимое значение неразмывающей скорости для грунта,
слагающего дно. В ходе анализа отечественных нормативных документов, были выделены
рекомендации по определению допускаемых неразмывающих донных скоростей и
максимальных донных скоростей для различных типов сооружений. Нормативные
документы наиболее соответствующие задаче прогнозирования местного размыва:
− вертикальные и наклонные стенки (СП 38.13330.2012, РД 31.31.27-81, РД 31.31.55-93);
− вертикальные цилиндрические сооружения больших размеров (СП 38.13330.2012, ВСН
41.88, Р 31.3.07-01, СТО 2-3.7-28-2005);
− опоры сквозных сооружений и специальные стенды (ВСП 33-03-07);
− опоры мостов (СП 32-102-95).
Необходимо отметить, что в отечественных нормативных документах не представлены
рекомендации по расчетам размывов у шельфовых сооружений сложных плановых и
пространственных форм: квадратных, прямоугольных, несимметричных, многоугольников с
вертикальными и наклонными гранями и др. Учитывая, что такие формы находят широкое
применение в практике освоения шельфа, необходимы уточнение и корректировка
существующей нормативной базы, которые смогут позволить более обоснованно оценивать
опасность возникновения размывов и разрабатывать защитные мероприятия.
С целью определения возможных мероприятий защиты дна от размыва у оснований
шельфовых сооружений сложной формы и для определения их эффективности был проведен
анализ экспериментальных исследований по изучению образования участков местного
размыва над моделями МЛСП «Приразломная», буровой баржи [2] и ППБУ при ее стоянке
на дне [5] (рис. 1).
Рис. 1. Модели, использованные в экспериментах (размеры приведены в см):
а – МЛСП «Приразломная»; б – буровой баржи; в – ППБУ
МЛСП «Приразломная», буровая баржа и внешние воздействия, моделировались в
масштабе 1:60, достаточном для достижения поставленных целей. Эксперименты с моделью
ППБУ проводились в масштабах 1:50 и 1:25 при расположении сооружения, как бортом, так
и носом к направлению действия волн и течения. По условию задания режим течения воды в
бассейне должен быть равномерным [6, 11].
При фронтальном воздействии водного потока на модель МЛСП «Приразломная»
наиболее подверженными к размыву оказалось основание у напорной, боковой, тыльной
граней и основания граней срезанных углов. Исходя из этого, следует предусматривать
защиту по всему параметру основания, но уделить особое внимание срезанным углам,
обращенным к действию водного потока, так как здесь наблюдалось более сильное
вихреобразование вследствие действия течения.
Исследование по изучению образования участков местного размыва у основания
модели несимметричной буровой баржи показало, что наиболее опасная ориентация
сооружения является ориентация бортом к направлению воздействия водного потока. А
также эксперименты показали наличие наибольшего размыва в районе выреза в кормовой
части сооружения, вне зависимости от ориентации самой баржи.
Исследования процесса формирования участков местного размыва у основания ППБУ
от действия водного потока установило, что наиболее опасной ориентацией является
ориентация бортом к направлению действия течения и волнения. Тем не менее, вне
зависимости от ориентации сооружения участки местного размыва возникают у
оконечностей понтонов, а в самых неблагоприятных условиях области размывов достигают
весьма значительной площади и глубины, что вызывает «зависание» оконечностей понтонов.
В проведенных опытах скорости течения воды у выступающих углов до 1,5 раз
превосходили осредненные скорости течения воды на вертикалях в других местах модельной
установки. В связи с этим при определении параметров защитных мероприятий у углов и
других участков сооружений, способствующих увеличению максимальных скоростей частиц
воды у поверхности защитного покрытия, необходимо увеличивать величину скорости в
расчетной формуле для достижения неподвижности верхнего слоя защитного покрытия.
Конкретные рекомендации зависят от формы сооружения, рекомендуемой предельной
величиной увеличивающего коэффициента является 1,5.
На участках, подверженных особой опасности размыва (углы, участки сопряжения,
пазы в конструкции), требуется принятие дополнительных мер по предотвращению размыва:
увеличение крупности камня, применение комбинированных методов (дополнительное
устройство направляющих и т.п.).
ЛИТЕРАТУРА:
1. Беляев Н.Д. Защита оснований ледостойких платформ от размыва. Предотвращение аварий
зданий и сооружений: Сб. науч. тр. Выпуск №8. Москва, 2009. с. 228-236
2. Расчетные и экспериментальные исследования в обеспечение технических решений и
мероприятий по защите грунтовых оснований в районе платформ гравитационного типа от
размыва в реальных условиях эксплуатации. Технический отчет. СПб. 23 ГМПИ – филиал ОАО
«31 ГПИСС», 2014
3. Халфин И.Ш. Воздействие волн на морские нефтегазопромысловые сооружения. М.: Недра, 1990
4. Чугунова В.В., Беляев Н.Д. Анализ методов защиты от размывов у морских ГТС. Неделя науки
СПбГПУ: материалы НПК с международным участием. НОЦ «ВИЭ» – СПб.: Изд-во Политехн.
ун-та, 2014. с. 80-83
5. Экспериментальные исследования местных размывов грунта морского дна вокруг понтонов
плавучей полупогружной буровой установки при ее стоянке на грунте. Техническая информация
№ 5 по договору № 102702. Ленинград, ЛПИ, 1988
6. Babchik D., Belyaev N., Lebedev V. etc. Experimental investigations of local scour caused by currents
and regular waves near drilling barge foundations with cutout in stern. Proceedings of 5th International
Conference “Coastlab14”. Varna, Bulgaria
7. Beliaev N.D. Review of protection methods against propeller erosion. Proceedings of the IV Int. Seminar
on Renovation and Improvements to Existing Quay Structures. Technical University of Gdansk. Poland.
1997. V. 1. Pp. 5-12.
8. Carstens T. Seabed scour by currents near platforms. Proceedings of the POAC. 1975. Pp. 991-100.
9. Ninomiya K., Tagaya K., Murase Y. A study on suction and scouring of sit-on-bottom type offshore
structure. Proceedings of the OTС. Houston. 1972, OTC 1605. Pp. 873-887.
10. Rytkonen J. Local scour and scouring protection of drilling platforms in the Arctic sea environment.
Technical Research Centre of Finland (VTT). ESPOO. 1983. Research Notes 267. 88 p.
11. Shchemelinin L.G., Utin A.V., Belyaev N.D. et al. Experimental studies of means efficiency for
protection of sea bed soil from erosion caused by external factors near offshore structures. Proceedings
of the ISOPE. 2014. TPC-0320.
12. Sumer, B. M., Christiansen, N., and Fredsøe, J. 1993. Influence of Cross Section on Wave Scour Around
Piles, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering Division, American Society of Civil
Engineers, Vol 119, No. 5, pp 477-495.
УДК 627
К.А.Кокорева
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет,
А.В.Колгушкин, А.И.Ялышев
ЗАО ГТ «Морстрой»
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ШПУНТА ИЗ УЛЬТРАКОМПОЗИТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ В ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Из анализа результатов обследовании морских и речных причалов следует, что коррозия
металла является одной из главных причин снижения надежности и безопасности конструкций
[1-3, 10, 11, 13, 15]. Борьба с ее воздействием имеет первостепенное значение и может
рассматриваться в качестве самостоятельной задачи и основного источника экономии ресурсов.
Это означает, что необходимо обслуживать уже построенные сооружения, используя современные
методы защиты и, кроме того, при возведении новых сооружений использовать современные
материалы – мало корродирующие или совсем не подверженные коррозии [6, 8].
В реальных условиях эксплуатации причалы подвергаются воздействию не только
различных нагрузок (статических, динамических, циклических) и температур, но и
агрессивных сред. Кроме этого, при длительном использовании конструкций в них
активизируются процессы старения, приводящие к значительному изменению механических
свойств стали. Очень часто вышеперечисленные факторы могут действовать совместно и в
самых разных сочетаниях, значительно уменьшая несущую способность и снижая
долговечность и безопасность причалов [7].
Среди причин коррозионного разрушения металла в конструкциях причальных
сооружений стоит выделить [5, 8, 9]:
– нарушение правил производства работ по защите от коррозии;
– чрезмерные длительные периоды между изготовлением конструкции и
осуществлением полной их защиты от коррозии после монтажа;
– несоблюдение режимов эксплуатации систем электрохимической защиты;
– несвоевременное восстановление защитных покрытий в процессе эксплуатации.
При изготовлении морских и речных причалов применяются различные сплавы, для
шпунта и анкерных тяг чаще всего используется низколегированная сталь.
В начале 2012 года специалистами российской компании ЗАО «Пултрузионные
технологии» на базе последних высокотехнологичных разработок мировой композитной
промышленности и при поддержке фонда «Сколково» была разработана и запатентована
совершенно новая серия шпунтовых свай из ультракомпозитного материала, получившая
название ШК–150 [4]. ЗАО «Пултрузионные технологии» является одним из пионеров в
области пултрузии стеклокомпозитов – отрасли промышленности, в настоящее время
практически отсутствующей в Российской Федерации. Ранее широкое применение
стеклопластиков сдерживалось в основном отсутствием промышленной технологии,
позволяющей наладить производство продукции массового потребления. Создание
пултрузии решило эту задачу: выпуск стеклокомпозитных профилей разнообразной
конфигурации и с требуемой точностью размеров стал не только возможным, но и
экономически целесообразным. Пултрузия является одной из наиболее динамично
развивающихся отраслей индустрии производства композитных материалов. Популярность
технологии обусловлена ее экономичностью и высокой степенью автоматизации.
В настоящее время композитные шпунтовые сваи ШК–150 производятся в Московской
области согласно ТУ 2247-001-92530792-2012. Следует заметить, что данный материал
обладает необходимой документацией, позволяющей осуществлять его применение:
сертификатом соответствия требованиям отечественных нормативных документов;
экспертным заключением о соответствии материала единым санитарно-эпидемиологическим
и гигиеническим требованиям; сертификатом технической оценки пригодности в
строительстве; техническим свидетельством ГОССТРОЯ РФ и протоколом испытаний.
Композитный шпунт создается на основе полиэфирных и композитных смол, благодаря
чему он обладает несущей способностью, превосходящей металлические аналоги и тем более
шпунты ПВХ, которые при всех своих преимуществах обладают низкой несущей
способностью. Шпунтовые сваи ШК–150 имеют и другие преимущества перед стальными
шпунтами, в том числе: устойчивость к коррозии; меньший вес материала; долговечность;
более низкая стоимость (среднерыночная стоимость шпунта ШК–150 приблизительно в два
раза меньше стоимости металлического шпунта Ларсен 4).
Ультракомпозитные шпунты могут применяться в несвязных грунтах, состоящих
главным образом из гравиев, песков, песчанистых илов, а также в связных, плотных грунтах,
состоящих из глины и илов. По окончании производства строительных работ получается
прочное и надежное сооружение – фактурная ультракомпозитная стенка.
Шпунт, выполненный из ультракомпозитного материала, обладает высокой
механической стойкостью к истиранию, растрескиванию, появлению царапин. Он не
подвержен коррозии, гниению и воздействию морской воды; не требует технического
обслуживания; огнеупорен, устойчив к сезонному перепаду температур (несущая
способность стенки составляет 200 кН∙м/пог.м при температурном режиме от минус 60º С до
плюс 50º С без проявления остаточных деформаций). Способность ультракомпозитного
материала противостоять агрессивной среде значительно выше, чем у стали и бетона.
Гарантийный срок службы свай из данного материала не ограничен.
Соединения шпунта проходят по боковым граням, что защищает соединительный шов
от основных нагрузок, воспринимаемых сооружением так, как зона основных нагрузок
приходится на центральную часть шпунтины.
Технология забивки композитных шпунтовых свай достаточно проста и ничем не
отличается от работы со стальными шпунтами. Забивку шпунта ШК–150 можно
осуществлять с помощью вибропогружателя, копра, а также, при небольшой глубине
погружения, с помощью ковша экскаватора, путем вдавливания в грунт. Так же можно
осуществлять забивку шпунта со специализированных плавсредств или понтонов [15].
Рис. 1. Пирс на Каспийском море [12]
Согласно информации, представленной производителем, к настоящему времени
композитный шпунт ШК–150 был успешно использован на ряде объектов капитального
строительства и реконструкции на территории Российской Федерации и странах СНГ. К
качестве примера, представлены фотографии строительства пирса для стоянки крупных
моторных яхт в Баку на Каспийском море (рис. 1). Длина сооружения – 800,0 м; глубина забивки
– от 4,0 до 13,5 м; грунты – песок/глина/ракушечник; метод установки – вибропогружение.
Развитие современных технологий в области производства строительных материалов
позволит решить множество проблем, и в первую очередь снизить стоимость строительства
и увеличить безаварийный срок службы гидротехнических сооружений.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Беляев Н.Д. Причины аварий причальных сооружений. Сборник научных трудов:
«Предотвращение аварий зданий и сооружений». Магнитогорск, 2003. С. 34-39.
2. Беляев Н.Д., Вилькевич В.В. Экспертиза технического состояния морских гидротехнических
сооружений // Гидротехническое строительство. 2007. № 5. С. 37-45.
3. Беляев Н.Д., Михаленко Е.Б., Олехнович Я.А., Ялышев А.И. Анализ дефектов причальных и
берегоукрепительных сооружений по результатам обследований 2013 г. Материалы НПК c
международным участием «XLII Неделя науки СПбГПУ». НОЦ «Возобновляемые виды энергии
и установки на их основе». СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2014. С. 85-88.
4. Илюхин Д. А. Сваи из ультракомпозитного материала – новая эра в строительстве / Д.А. Илюхин
// Гидротехника 2(27). – 2012. – с. 66-67.
5. Колгушкин А.В., Беляев Н.Д. Влияние природных факторов на скорость коррозии морских ГТС.
Сборник научных трудов «Предотвращение аварий зданий и сооружений». Москва, 2009. С. 216-227.
6. Колгушкин А.В., Беляев Н.Д. Инженерные мероприятия по увеличению долговечности сквозных
гидротехнических сооружений // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2007. № 49 (1). С. 185-193.
7. Колгушкин А.В., Беляев Н.Д. Об учете коррозии при проектировании сквозных металлических
ГТС. Сборник научных трудов «Предотвращение аварий зданий и сооружений». Магнитогорск,
2007. С. 159-168.
8. Колгушкин А.В., Беляев Н.Д. Требования к выбору методов защиты ГТС от коррозии // Речной
транспорт (XXI век). 2010. № 3 (45). С. 84-88.
9. Колгушкин А.В., Беляев Н.Д. Учет неравномерности коррозионного воздействия морской среды
при проектировании и строительстве сквозных ГТС на металлическом основании //
Гидротехническое строительство. 2008. № 10. С. 19-25.
10. Малеванов К.А., Беляев Н.Д. Характерные повреждения причалов типа «больверк» и
мероприятия по их устранению. XXXII Неделя науки СПбГПУ. Ч. I. Материалы межвузовской
конференции. СПб.: СПбГПУ, 2004. С. 17-19.
11. Малеванов К.А., Шхинек К.Н., Беляев Н.Д. Сравнительный анализ технического состояния
морских гидротехнических сооружений за пятилетний период эксплуатации. XXXIV Неделя
науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской НТК. СПб.: Политехн., ун-т, 2006. Ч. I.
12. Официальный интернет сайт ЗАО «Пултрузионные технологии»: http://www.pultrusion.ru/
13. Пучков А.Л., Беляев Н.Д. Основные виды повреждений глубоководной достроечной набережной
ОАО «Адмиралтейские верфи». XL Неделя науки СПбГПУ: Материалы международной НПК. Ч.
I. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2011. С. 16-17.
14. Пучков А.Л., Беляев Н.Д. Сопоставление результатов двух обследований глубоководной
достроечной набережной ОАО «Адмиралтейские верфи». XLI Неделя науки СПбГПУ:
Материалы НПК с международным участием. Ч. I. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2012. С. 14-16.
15. Ялышев А.И. Ремонт берегоукрепления на р. Неве с разработкой защиты от размыва.
Магистерская диссертация. СПб.: СПбГПУ, 2014. 142 с.
УДК 627
К.А.Кокорева
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет,
А.И.Ялышев
ЗАО ГТ «Морстрой»
РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ШПУНТА ИЗ УЛЬТРАКОМПОЗИТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ В ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
В рамках проекта ремонта участка берегоукрепления в виде заанкеренного больверка с
прилегающим откосом было проведено расчетное сопоставление двух вариантов с
одинаковой конструктивной схемой, но разной номенклатурой материалов. Конструктивная
схема подразумевает возведение новой шпунтовой стенки перед линией кордона
реконструируемого участка берегоукрепления, с устройством шапочного бруса по типу
конструкции и в отметках прилегающего участка (рис. 1).
Рис. 1. Конструктивная схема реконструируемого участка [16]
В первом варианте шпунтовая стенки выполняется из металлического шпунта Ларсен 4,
во втором – из композитного шпунта ШК–150.
Рис. 2. Сечение шпунта: а – Ларсен 4; б – ШК–150
Шпунт Ларсен 4 по своим характеристикам является одним из самых качественных
шпунтов, производимых в Российской Федерации, а также наиболее часто применяемым в
отечественной строительной практике. Главным преимуществом шпунта является его
высокая несущая способность и распространенность на отечественном рынке. К недостаткам
же можно отнести большой вес и потребность в проведении антикоррозийных мероприятий
[8-10], что влечет за собой удорожание строительства.
В качестве альтернативы рассмотрены шпунтовые сваи из ультракомпозитного
материала ШК–150 запатентованные российской компании ЗАО «Пултрузионные
технологии» [7].
Сечение шпунтов из стали и ультракомпозита представлено на рис. 2, сравнение
технических характеристик приведено в табл. 1.
Технические характеристики шпунтов Ларсен 4 [5] / ШК–150 [13]
Наименование
Технические условия
Площадь сечения (F)
Масса одного метра (G)
Момент инерции (J)
Момент сопротивления (W)
Жесткость при изгибе (EJ)
Максимальный изгибающий момент (Mmax)
Таблица 1
Ед.
Одна шпунтина
1 м/п стенки
изм.
ТУ 14-2-879-89 / ТУ 2247-001-92530792-2012
см²
94,2 / 48,3
235,5 / 85,5
кг
74,0 / 10,4
185,0 / 17,3
см4
5234 / 1684
39600 / 2660
см3
405 / 210
2200 / 332
кН∙м²
– / 4380
83160 / 6919
кН∙м
93,0 /237,0
506,0 / 374,5
Для двух вариантов конструкций незаанкеренного больверка был производен
статический расчет и расчет устойчивости по круглоцилиндрическим поверхностям (КЦП) для
определения минимальной забивки шпунтовых свай. Расчет производился в программном
комплексе САПР – «Гидротехника», разработанным ОАО «Ленморниипроект». Программный
комплекс имеет сертификат соответствия № РОСС RU. СП15.Н00016.
Следует заметить, что программный комплекс САПР – «Гидротехника» при
производстве статического расчета, в отличие от расчета устойчивости по КЦП не может
учесть откос сооружения, поэтому данная часть сооружения была задана как эквивалентная
нагрузка, действующая на горизонтальную плоскость, проходящую через отметку верха
шапочного бруса, на 1 погонный метр длины сооружения.
При проведении статических расчетов оба варианта показали хорошие результаты по
прочности и устойчивости. Из расчетов видно, что оба типа шпунтов могут быть использованы
при реконструкции берегоукрепления, но для композитного шпунта из-за меньших жесткостных
показателей требуется устройство анкерной системы. С учетом экономической
целесообразности и технологии производства работ за окончательный вариант реконструкции
было принято устройство металлической шпунтовой стенки, так как устройство новой анкерной
системы требует демонтажа существующих анкеров, что усложняет процесс производства
строительных работ и приводит к значительным финансовым потерям.
Несмотря на это, в работе обосновывается возможность применения в
гидротехническом строительстве современных ультракомпозитных материалов, полученных
с использованием пултрузионных технологий. Результаты расчетного обоснования
позволяют развить в дальнейшем методологию применения композита в гидротехническом
строительстве. Данный шпунт в сравнении с металлическим обладает рядом преимуществ –
таких, как более низкая стоимость (двукратное превосходство), меньший вес, хорошие
показатели по несущей способности (сопоставимые с металлическими аналогами). Особо
необходимо отметить неподверженность шпунта коррозионному воздействию, которое
является одной из основных причин износа и возникновения аварийных ситуаций у причалов
типа больверк [1-6, 11, 12, 14, 15].
На территории РФ существует множество сооружений подобных рассмотренному в
данной работе, в которых можно использовать композитные шпунты [16]. В строительной
отрасли России должны произойти существенные изменения при активном расширении
области применения композитных материалов с разработкой методик их использования в
гидротехнических объектах.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Балашов Б.В., Беляев Н.Д., Михаленко Е.Б., Вилькевич В.В. Анализ проблем, связанных с
обследованиями портовых ГТС (на примере глубоководной достроечной набережной) // Известия
ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2013. Т. 269. № 1. С. 110-117.
2. Беляев Н.Д. Причины аварий причальных сооружений. Сборник научных трудов:
«Предотвращение аварий зданий и сооружений». Магнитогорск, 2003. С. 34-39.
3. Беляев Н.Д., Вилькевич В.В. Экспертиза технического состояния морских гидротехнических
сооружений // Гидротехническое строительство. 2007. № 5. С. 37-45.
4. Беляев Н.Д., Михаленко Е.Б., Олехнович Я.А., Ялышев А.И. Анализ дефектов причальных и
берегоукрепительных сооружений по результатам обследований 2013 г. Материалы НПК c
международным участием «XLII Неделя науки СПбГПУ». НОЦ «Возобновляемые виды энергии
и установки на их основе». СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2014. С. 85-88.
5. Васильев А.Г. Пособие проектировщику ГТС. ГТС типа больверк / А. Г. Васильев. Москва, 2003. –
172 с.
6. Вилькевич В.В., Вилькевич Е.В., Беляев Н.Д. Особенности оценки состояния причальных
сооружений на свайном основании с передней шпунтовой стенкой // Известия ВНИИГ им. Б.Е.
Веденеева. 2004. Т. 243. С. 123-130.
7. Илюхин Д. А. Сваи из ультракомпозитного материала – новая эра в строительстве / Д. А. Илюхин
// Гидротехника 2(27). – 2012. – с. 66 – 67.
8. Колгушкин А.В., Беляев Н.Д. Влияние природных факторов на скорость коррозии морских ГТС.
Сборник научных трудов «Предотвращение аварий зданий и сооружений». Москва, 2009. С. 216-227.
9. Колгушкин А.В., Беляев Н.Д. Инженерные мероприятия по увеличению долговечности сквозных
гидротехнических сооружений // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2007. № 49 (1). С. 185-193.
10. Колгушкин А.В., Беляев Н.Д. Требования к выбору методов защиты ГТС от коррозии // Речной
транспорт (XXI век). 2010. № 3 (45). С. 84-88.
11. Малеванов К.А., Беляев Н.Д. Характерные повреждения причалов типа «больверк» и
мероприятия по их устранению. XXXII Неделя науки СПбГПУ. Ч. I. Материалы межвузовской
конференции. СПб.: СПбГПУ, 2004. С. 17-19.
12. Малеванов К.А., Шхинек К.Н., Беляев Н.Д. Сравнительный анализ технического состояния
морских гидротехнических сооружений за пятилетний период эксплуатации. XXXIV Неделя
науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской НТК. СПб.: Политехн., ун-т, 2006. Ч. I.
13. Официальный интернет сайт ЗАО «Пултрузионные технологии»: http://www.pultrusion.ru/
14. Пучков А.Л., Беляев Н.Д. Основные виды повреждений глубоководной достроечной набережной
ОАО «Адмиралтейские верфи». XL Неделя науки СПбГПУ: Материалы международной НПК. Ч.
I. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2011. С. 16-17.
15. Пучков А.Л., Беляев Н.Д. Сопоставление результатов двух обследований глубоководной
достроечной набережной ОАО «Адмиралтейские верфи». XLI Неделя науки СПбГПУ:
Материалы НПК с международным участием. Ч. I. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2012. С. 14-16.
16. Ялышев А.И. Ремонт берегоукрепления на р. Неве с разработкой защиты от размыва.
Магистерская диссертация. СПб.: СПбГПУ, 2014. 142 с.
УДК 627
А.Д.Кузина, А.В.Смоленкова, А.В.Черный, Н.Д.Беляев
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
ЗАЩИТА ОСНОВАНИЙ МОРСКИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПЛАТФОРМ
ОТ РАЗМЫВА С ПОМОЩЬЮ «ЮБОК»
При длительной эксплуатации гравитационных платформ в условиях воздействия
волнения и течения возможны значительные размывы дна непосредственно у их оснований,
что может привести к потере устойчивости конструкции.
Проблема местных размывов дна изучается в основном на конкретных моделях
проектируемых платформ экспериментальными методами. В литературе отмечается, что в
настоящее время не имеется строгого теоретического обоснования проблемы образования и
динамики размывов у оснований гравитационных платформ [2, 3, 7, 11]. Поэтому предварительная
оценка свойств различных способов защиты от размыва на основе расчета крайне
затруднительна и выбор оптимального способа защиты возможен только на основе
экспериментального исследования.
Развитие гидротехнического строительства на шельфе привело в 70-80 годах XX века к
разработке и появлению различных методов защиты сооружений гравитационного типа от
местных размывов. Однако сложность выполнения расчетов параметров размыва и отсутствие
теоретического обоснования выбора тех или иных средств и способов защиты объясняют
отсутствие к настоящему моменту нормативных документов по их оптимальному подбору. В
связи с этим рекомендации по проектированию главным образом основываются на накопленном
опыте применения способов защиты от размыва на введенных в строй платформах [2, 7].
Слабая проработанность инженерных решений по проектированию средств защиты от
местных размывов указывает лишь на сложность теоретического решения задачи, его
зависимость от слишком большого числа значимых факторов, но никак не на низкую важность
самой проблемы защиты дна. Недооценка рисков, связанных с местным размывом у оснований
гравитационных платформ, и, как следствие, недостаточная защита дна могут привести к
нарушению нормальной работы гидротехнического сооружения, его разрушению, а, значит, и
к значительным затратам на его восстановление. В истории гидротехнического строительства
в условиях шельфа известны прецеденты подобных ситуаций, когда под основанием
платформы происходило образование пустот из-за вымывания грунта, что приводило к
необходимости дорогостоящих технологических мероприятий по его укреплению [2, 3].
В настоящее время существует определенное разнообразие предлагаемых методов защиты,
каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Практически значимой является
решение задачи обоснованного выбора именно того метода, который будет подходить для
данных природных условий и, что не менее важно, – будет экономически целесообразен.
Одной из мер защиты платформы гравитационного типа от размыва дна у основания
является использование юбочных конструкций, служащих для лучшего сопряжения
платформы с грунтом. Такие конструкции обустраиваются на подошве платформы по ее
периметру и укрепляются системой перекрещивающихся внутренних ребер по площади
подошвы (рис. 1). Юбка и внутренние ребра должны быть достаточно тонкими, чтобы
погрузиться в грунт во время установки платформы, и достаточно прочными, чтобы передать на
грунт горизонтальные нагрузки, которые действуют на основании платформы [4, 12]. В
некоторых случаях по данным отчета [8] для погружения юбок на расчетную глубину
использовалась дополнительная пригрузка.
Вертикальные железобетонные или стальные «юбки» применяются для предотвращения
вымывания грунта из-под основания буровых установок гравитационного типа, а также для
повышения устойчивости сооружения на сдвиг по грунту основания. Наилучший эффект от
такого устройства имеет место в том случае, когда при погружении сооружения нижний край
«юбки» углубляется в плотные, неразрываемые слои грунта.
В
частности,
для
условий
глубоководного шельфа Северного моря
эффективно использование юбочных
конструкций по контуру основания
гравитационных платформ совместно с
закрепляющей отсыпкой камня [2, 3, 6].
Имеющийся опыт строительства морских
сооружений на незащищенных акваториях
шельфа показывает, что местный размыв
дна у сооружений возникает и очень
быстро развивается сразу же после
Рис. 1. Понтон с юбками [9]
установки сооружения на дно моря.
Поэтому мероприятия по защите от местного размыва должны осуществляться до
установки сооружения в море или в отдельных случаях одновременно с установкой
сооружения [1, 2].
В отчете [8] представлена информация о наличии и параметрах юбочных устройств у
шельфовых сооружений на гравитационном основании из бетона (табл.).
Таблица
Глубина, Длина
Глубина, Длина
Глубина, Длина
Платформа
Платформа
Платформа
м
юбки, м
м
юбки, м
м
юбки, м
F/3
43
0,3
Hibernia
80
1,8
Beryl A
117
3,5
Malampaya
43
0,3
Schwedeneck B
16
2,0
Ninian Central
135
3,5
Wandoo
54
0,3
Schwedeneck A
25
2,0
Statfjord C
145
3,8
Protective
72
0,4
Frigg TPI
103
2,0
Statfjord B
145
4,0
Barrier
Orlan
14
1,0
South Arne
60
3,0
Brent B
149
4,0
Halfweg
25
1,0
Frigg TCP2
103
3,0
Dunlin A
151
4,0
Bream B
61
1,0
Brent C
141
3,0
Brent D
142
4,0
Sleipner A
82
1,0
Statfjord A
145
3,0
Draugen
251
9,0
Gullfaks B
142
1,3
Cormorant A
150
3,0
Gullfaks C
217
22,0
Oseberg A
109
1,4
Gullfaks A
135
3,4
Troll A
303
36,0
а)
б)
Рис. 2. Самозасасывающиеся юбочные основания:
а – общая схема; б – пример использования в качестве основания «Troll A» [10]
Для погружения юбок большой длины использовался метод, основанный на откачке воды
и воздуха из внутреннего пространства ячеек, ограниченных юбками по периметру (так
называемые самозасасывающиеся юбочные основания – skirt suction foundation, см. рис. 2).
Юбочные конструкции не предотвращают размыв, но снижают опасность потери
устойчивости платформы при его возникновении. Поскольку основным назначением
юбочных конструкций является повышение устойчивости гравитационной платформы,
использование их как средства защиты от размыва может быть вспомогательным и не
отменяет необходимости использования набросной бермы или иного способа закрепления
дна. Возникновение воронок размыва с подмывом «юбки» может привести к аварии всего
сооружения.
Несмотря на то, что юбки давно и широко применяются для защиты оснований
шельфовых сооружений, до настоящего времени нерешенным остается вопрос
обоснованности выбора их длины. Особенно это касается случая залегания плотных грунтов
на большой глубине, приводящего к сложностям при устройстве юбочной конструкции. У 40
сооружений из 44 имеются юбки (см. таблицу), при этом в подавляющем большинстве длина
юбки (глубина ее погружения) составляет 1-2 м и не превышает 5 м. Только у трех объектов
длина юбки имеет большие размеры: 9 м («Draugen»), 22 м («Gullfaks C») и 36 м («Troll A»).
Одним способов образования юбочной конструкции может стать забивка шпунтовой стенки
по периметру сооружения.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Альхименко А.И., Беляев Н.Д., Фомин Ю.Н. Безопасность морских гидротехнических
сооружений. – СПб: Изд-во «Лань», 2003.
2. Беляев Н.Д. Защита оснований ледостойких платформ от размыва. Предотвращение аварий
зданий и сооружений: Сб. науч. тр. Выпуск №8. Москва, 2009. с. 228-236
3. Беляев Н.Д., Чугунова В.В. Анализ методов защиты от размыва у морских ГТС. Неделя науки
СПбГПУ: материалы НПК с международным участием. НОЦ «ВИЭ». СПб.: Изд-во Политехн. унта, 2014. с. 80-83
4. Дэвис М.Х., Мищенко С.М. Экспериментальные исследования местных размывов дна у
основания морских гидротехнических сооружений. // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2000.
Т. 23 С. 140-151.
5. Морские гидротехнические сооружения на континентальном шельфе / Г.В.Симаков, К.Н.Шхинек,
В.А.Смелов и др. – Л.: Судостроение, 1989
6. Халфин И.Ш. Воздействие волн на морские нефтегазопромысловые сооружения. – М.: Недра, 1990
7. Babchik D., Belyaev N., Lebedev V. et al. Experimental investigations of local scour caused by currents
and regular waves near drilling barge foundations with cutout in stern. Proceedings of 5th International
Conference on The Application of Physical Modelling to Port and Coastal Protection “Coastlab14”.
Varna, Bulgaria
8. Beliaev N.D. Review of protection methods against propeller erosion. Proceedings of the IV Int. Seminar
on Renovation and Improvements to Existing Quay Structures. Technical University of Gdansk. Poland.
1997. V. 1. Pp. 5-12.
9. Mokkelbost K.H. Geotechnical issues and foundations. Offshore Wind Energy. NGI.
http://www.ngi.no/upload/73636/NGI-KH-Mokkelbost.pdf
10. Saito T., Yoshida Y., Itoh M., Masui N. Skirt suction foundation – application to strait crossings. PWRI.
https://www.pwri.go.jp/eng/ujnr/tc/g/pdf/22/22-6-4saito.pdf
11. Shchemelinin L.G., Utin A.V., Belyaev N.D. et al. Experimental studies of means efficiency for
protection of sea bed soil from erosion caused by external factors near offshore structures. Proceedings
of the ISOPE. 2014. TPC-0320.
12. Vølund P. Concrete is the future for offshore foundations // Wind Engineering/ Volume 29, Number 6 /
December 2005, pp. 531-539
УДК 528
А.Ю.Атрощенков, Е.Д.Косяков, М.А.Родионова
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
НИВЕЛИРОВАНИЕ ТРАСС С ПОМОЩЬЮ РАЗЛИЧНЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
В инженерной геодезии для определения отметок земной поверхности применяют
различные методы и приборы. В данной статье представлены результаты измерений трёх
трасс с различными уклонами оптическим и электронным нивелирами, а также
спутниковыми приёмником и навигатором.
Целью данной работы является определение превышений различными приборами,
сравнение полученных данных, оценка точности измерений и установление возможных
областей применения каждого прибора.
Работа проводилась в Муринском парке города Санкт-Петербурга (рис. 1.)
Рис. 1. План-схема расположения трёх трасс в Муринском парке
Были рассмотрены три трассы, каждая длиной 300 метров. Все трассы начинаются в
одной точке. 1-ая трасса – с малым уклоном, 2-ая трасса со средним уклоном, 3-я трасса – с
большим уклоном. Трассы разбивались на пикеты длиной 100м.
Использовались следующие приборы:
1. Оптический нивелир 4Н 2КЛ с увеличением зрительной трубы 30х.
Среднеквадратичная погрешность измерения превышений на 1 км двойного хода – 2,0 мм;
2. Электронный нивелир Sokkia SDL 50 с увеличением зрительной трубы – 28х.
Среднеквадратичная погрешность на 1 км двойного хода – 1,5 мм;
3. Электронный нивелир Sprinter 50 Leica с увеличением зрительной трубы 24х со штрихкодовой рейкой GSS 112. Среднеквадратичная погрешность на 1 км двойного хода – 2,0 мм;
4. Геодезический GPS/ГЛОНАСС приёмник GRX1 Sokkia. Точность по высоте в
режиме реального времени L1 + L2: 15 мм ± 1,0 мм/км;
5. Два спутниковых навигатора Garmin eTrex 30 с поддержкой систем GPS/ГЛОНАСС.
При использовании оптического нивелира прибор устанавливался посередине между
пикетами с расстоянием до них 50 метров. При этом применялась трёхметровая нивелирная
рейка, которая поочередно ставилась на задний и передний пикеты [2]. Отсчёт брался по
одной стороне рейки два раза для повышения точности и для устранения возможных
погрешностей, связанных с человеческим фактором [1]. Таким образом измерялось
превышение одной точки над другой.
На трассах со средним и большим уклонами были дополнительно разбиты плюсовые
точки, отображающие изменение рельефа местности в местах с выраженным рельефом [4].
Процесс измерения превышений электронными нивелирами такой же, как и
оптическим, однако в отличие от оптического, электронный позволяет брать отсчёты с
помощью лазерного луча, оператору необходимо лишь выполнить визирование на
штрихкодовую рейку перед началом съемки.
Для решения задачи использовался также спутниковый приёмник GRX1. Он позволяет
быстро и качественно вести съемку, а управление съемкой осуществляется контроллером
серии SHC-25A с установленным на нём программным обеспечением.
Комплект аппаратуры состоял из базового приёмника, установленного над исходной
точкой на штативе, и мобильного приёмника на вехе с контроллером, который поочерёдно
устанавливался на снимаемых точках.
Встроенные УКВ радиомодем и GSM/GPRS модемы дополняют глобальную
навигационную спутниковую систему до возможности выполнения съемки в режиме
реального времени.
Приемник оснащен информационной панелью со светодиодными индикаторами,
отображающими во время полевых измерений состояние заряда батареи, количество
отслеживаемых спутников, объем свободной памяти, состояние радиомодема и модуля
беспроводной связи Bluetooth. Голосовые сообщения и сигналы предупреждают об
изменениях, которые происходят с приемником во время работы.
Запись данных осуществлялась на съемную карту памяти SD/SDHC формата.
Геодезический спутниковый прибор Sokkia позволяет вести съемку на пикетах и
плюсовых точках без применения рейки.
В работе использовались также спутниковые навигаторы Garmin eTrex30. Они не
требуют использования дополнительного оборудования и позволяют проводить измерения
отметок посредством связи со спутниками. Для повышения точности на каждой точке трассы
использовались одновременно 2 прибора.
Результаты съемки оптическим и электронными нивелирами фиксировались в журнале
нивелирования. Продольный профиль трассы строился по данным журнала. Для придания
продольному профилю большей наглядности вертикальный масштаб принимался крупнее
горизонтального.
Полученные данные свидетельствуют о различной эффективности методологии
измерений, выполненных с помощью вышеуказанных приборов:
Спутниковый приёмник удобен для измерения отметок на больших расстояниях. В
сравнении с результатами съёмки при помощи нивелиров, спутниковый приёмник показал
достаточно высокую точность измерений. Аналогичные результаты были получены в ранее
опубликованной работе [7]. Максимальное значение относительной ошибки для
спутникового приемника составила 0,49%, а для нивелиров 4Н-2КЛ, SPRINTER 50 и SOKIA
SDL 50 – 0,76%, 0,17% и 0,79% соответственно. Недостатком является длительная
подготовка спутникового приёмника к работе, а также его дороговизна [5].
Спутниковый навигатор очень компактен, имеет невысокую стоимость, для работы с
ним не требуется специальных навыков использования геодезических приборов.
Установлено, что навигатор не подходит для проведения геодезических изысканий, в
частности измерения отметок. По полученным данным максимальное значение
относительной ошибки для спутникового навигатора составило 5,63%, что является
недопустимо большим значением для данного вида измерений [3].
Также было отмечено, что оба спутниковых прибора чувствительны к изменениям
погодных условий и не могут использоваться на территориях с высокой растительностью,
что подтверждается наблюдением других авторов [7].
Оптический нивелир является достаточно точным прибором. К недостаткам
использования оптического нивелира можно отнести: ограничение области применения
расстоянием до рейки в 150 м, невозможность автоматической записи результатов
измерений, необходимость ведения съемки вручную (т.е. отсчеты оператору приходится
снимать по шкаловой рейке, что увеличивает продолжительность ведения работ и вызывает
напряжение зрения). Этот способ является более трудоемким в сравнении с применением
электронных нивелиров.
Электронные нивелиры позволяют выполнять съемку быстро и с высокой точностью,
так как на результаты не влияет человеческий фактор. Известно, что человеческий фактор
играет немаловажную роль в обеспечении качества строительства и эксплуатации
сооружений [6]. Также следует отметить, что процесс съемки могут осложнить солнечные
лучи, попадающие в объектив прибора. Кроме того, работа прибора ограничивается
расстоянием до рейки в 100 м.
Таким образом, как оптические, так и электронные нивелиры уступают спутниковому
приемнику в случаях, когда территория съемки имеет большие перепады по высоте. Это
связано с тем, что рейки, при помощи которых выполняют отсчеты нивелирами, ограничены
по длине, в то время как спутниковому приемнику рейки не требуются. В связи с этим, при
работе на открытой местности в ряде случаев применение спутниковых приёмников является
наиболее эффективным.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Инженерная геодезия. Геодезическое обеспечение строительства и эксплуатации морских и
воднотранспортных сооружений: Учеб. пособие/ В.С. Ермаков, Н.Н. Загрядская, Е.Б. Михаленко,
Н.Д. Беляев. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. 71 с.
2. Инженерная геодезия. Геодезические разбивочные работы, исполнительные съёмки и наблюдения
за деформациями сооружений: Учеб. пособие/ Е.Б. Михаленко, Н.Н. Загрядская, Н.Д. Беляев, В.В.
Вилькевич, Ф.Н. Духовской, А.А. Смирнов. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 88 с.
3. Инженерная геодезия. Современные методы геодезических измерений с использованием
искусственных спутников Земли : учеб. пособие / Е. Б. Михаленко [и др.]; под науч. ред. Е. Б.
Михаленко. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2009. 80 с.
4. Инженерная геодезия : учебное пособие по геодезической практике / Е. Б. Михаленко [и др.]; под
науч. ред. Е. Б. Михаленко. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 93 с.
5. Инженерная геодезия. Использование современного оборудования для решения геодезических
задач : учеб. пособие / Е.Б. Михаленко [и др.]; под науч. ред. Е.Б. Михаленко. СПб. : Изд-во
Политехн. ун-та, 2014. 98 с.
6. Михаленко Е.Б. Контроль качества строительства. Геодезическое обеспечение строительства и
эксплуатации водохозяйственных и гидротехнических сооружений : учеб. пособие / Е.Б. Михаленко,
Н. Д. Беляев. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. 143 с.
7. Трофимов С.В., Шпырченко И.П., Михаленко Е.Б. Сравнительный анализ геодезических приборов
при выполнении операции нивелирования. XXXVII Неделя науки СПбГПУ: Материалы
Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. Ч. 1. СПб.: Изд-во
Политехн. ун-та, 2008. с. 18-20.
УДК 528
В.В.Зыкова, А.Н.Карпеня, А.А.Ким, Е.Б.Михаленко
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОЩАДЕЙ
С ПОМОЩЬЮ СПУТНИКОВЫХ ПРИЕМНИКОВ И НАВИГАТОРОВ
Существует множество способов измерения площади земельных участков в полевых
условиях [1]. При этом могут быть использованы различные приборы, например,
электронные тахеометры, спутниковые приемники или спутниковые навигаторы [5].
Применение того или иного способа зависит от хозяйственного назначения участков, их
размеров и форм, типа местности. Одним из самых точных считается аналитический метод,
при котором площади вычисляются по результатам тахеометрической съемки. Однако
использование электронных тахеометров затруднено при неблагоприятных погодных
условиях, плохом освещении, запыленности, сложном рельефе, наличии густой
растительности. Работа на таких приборах трудоемка и требует много времени. Для
быстрого и эффективного измерения площади земельного участка можно использовать
спутниковые приемники и навигаторы [2-4].
Принципы работы любой современной навигационной системы достаточно просты.
Для определения местоположения приемника (навигатора) на земной поверхности измеряют
расстояние между приемником и спутником. Исходное положение спутниковой геодезии –
это использование трилатерации, то есть измерение расстояний до спутников, являющихся
точками отсчета для вычисления координат на Земле. Однако у любой радионавигационной
системы есть недостатки: сигнал может не доходить до приемника или восприниматься с
задержками и искажениями. Уровень качества сигнала от спутников может значительно
ухудшиться из-за наличия густой растительности или очень сильной облачности [7, 8].
Целью настоящего исследования было сопоставление двух методов измерения
площадей на местности, построенных на применении спутниковых технологий. В первом
методе использовался геодезический спутниковый приемник Sokkia GRX1 c модемом и
поддержкой двух глобальных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС. Во втором методе
использовались спутниковые навигаторы: GPS-навигатор Garmin GPSMAP 78s, а также
навигатор GARMIN eTrex 30 с одновременной поддержкой систем GPS и ГЛОНАСС.
Рис. 1. Схема разбивки квадратов
Рис. 2. План озера в парке «Сосновка»
Работа выполнялась в следующем порядке: на местности были разбиты 3 участка
квадратной формы с размерами 50×50, 100×100 и 150×150 метров, имеющие общую вершину
(рис. 1). Для этого использовался электронный теодолит VEGA TЕО-20 и рулетка. Вершины
квадратов были закреплены колышками.
Площадь квадратов была многократно измерена путем обхода их с навигаторами, а
затем со спутниковым приемником. Результаты измерения площадей приведены в табл. 1.
Результаты измерения площадей квадратных участков
Размеры
участка, м
Площадь
участка, м2
50×50
2500
100×100
10000
150×150
22500
Таблица 1
Результаты измерений площади участка, м2
Навигатор Garmin
Геодезический
Навигатор Garmin
eTrex 30
спутниковый приемник
GPSMAP 78S
(GPS+ГЛОНАСС)
GRX1
2605,40
2482,20
2429,50
2591,20
2503,138
2563,20
2552,80
2440,70
2496,00
10411,00
10020,00
10367,00
9932,60
10012,462
9889,50
10136,00
10285,00
10084,10
22735,00
22518,00
21953,00
22484,20
22532,528
22184,00
22534,00
22251,40
22575,00
Относительная погрешность измерения была вычислена по формуле:
∑ (S
n
δ=
i =1
−S)
2
i
(n − 1)
,
S
где δ – относительная погрешность, Si – измеренная площадь, n – количество обходов по
периметру, S – среднее арифметическое измеренных площадей.
По полученным результатам были построены графики зависимости относительной
погрешности измерений от площади измеренных участков (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость относительной погрешности от площади измеренных участков
На второй стадии работы проводилось измерение площади озера эллиптической формы
в парке «Сосновка» г. Санкт-Петербурга (рис. 2). Процесс измерений проводился в той же
последовательности, как и в предыдущем случае. Результаты измерений сопоставлялись с
результатами работ прошлых лет [6]. Анализируя данные проведенных измерений, можно
сделать несколько выводов:
− Как и предполагалось, наибольшую точность при измерении площадей имеет
спутниковый приемник, что продемонстрировано на рис. 3.
− Аналогично предыдущим исследованиям [6], при увеличении площади измеряемого
участка возрастает точность (уменьшается относительная погрешность) измерений с
помощью навигаторов, у спутникового приемника не наблюдается такой зависимости,
что делает более эффективным его использование для участков, где навигаторы выдают
большую погрешность.
− Система GPS+ГЛОННАС более точна на полигонах, имеющих небольшую площадь, по
сравнению с оборудованием, работающим только с поддержкой GPS.
Спутниковые приемники дают более точные результаты, но сложны в эксплуатации,
имеют высокую стоимость, нуждаются в профессиональном обслуживании, в то время, как
навигатором можно пользоваться без какой-либо предварительной подготовки.
Спутниковые приемники имеют один, очень значимый для большинства инженерногеодезических изысканий плюс: возможность привязки к пункту какой-либо геодезической
сети. Все данные, полученные в результате съемки с помощью приемников, заносятся на
носитель информации и, с помощью специального программного обеспечения
обрабатываются в электронном виде, сводя к минимуму человеческий фактор.
Сравнивая два способа измерения площадей (с помощью навигатора и приемника)
можно сказать, что наиболее точным является применение спутниковых приемников. Однако
в некоторых ситуациях (большая площадь участка и отсутствие необходимости в высокой
точности) целесообразней и рентабельней использовать навигаторы, т.к. их точности будет
вполне достаточно, в то время как применение спутниковых приемников вызовет большие
затраты.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Брынь М.Я., Веселкин П.А., Шанов В.Н. Современные способы определения площадей объектов
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
недвижимости. Актуальные проблемы инженерных изысканий, геодезических, картографических
и кадастровых работ. СПб. 2012, с. 34.
Ковязин В.Ф., Любимцев А.В. Применение спутниковых навигационных систем при
лесоводственных исследованиях. Актуальные проблемы инженерных изысканий, геодезических,
картографических и кадастровых работ. СПб, 2012, с. 44.
Кругляков А.Ю. Новый роверный приемник для работы в сетях референцных станций.
Актуальные проблемы инженерных изысканий, геодезических, картографических и кадастровых
работ. СПб., 2012. с. 26.
Михаленко Е.Б. Беляев Н.Д., Клетченко Е.Б. и др. Измерение периметров и площадей земельных
участков с помощью современного оборудования. XL неделя науки СПбГПУ. СПб.: Изд-во
Политехн. ун-та, 2011. с. 334-335.
Михаленко Е.Б. Беляев Н.Д., Козиков А.В., Костикова М.А. Сопоставление результатов измерения
площадей земельных участков с помощью электронных тахеометров и приборов спутниковой
навигации. XLI Неделя науки СПбГПУ. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. с. 383-384.
Михаленко Е.Б. Беляев Н.Д., Попко В.В. и др. Исследование влияния размеров земельных
участков на точность определения их площади с помощью GPS-навигаторов, работающих в
системах GPS и GPS+ГЛОНАСС. XLI неделя науки СПбГПУ. СПб. : Изд-во Политех. ун-та, 2012,
с. 379-381.
Михаленко Е.Б. Загрядская Н.Н., Беляев Н.Д. и др. Инженерна геодезия. Использование
современного оборудования для решения геодезических задач. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та,
2014.
Михаленко Е.Б. Загрядская Н.Н., Беляев Н.Д. и др. Инженерная геодезия. Современные методы
геодезических измерений с использованием искусственных спутников Земли. СПб.: Изд-во
Политехн. ун-та, 2009.
УДК 528
А.Е.Анисимов, Д.С.Корягин, М.Г.Столяров, Е.Б.Михаленко
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ТАХЕОМЕТРОВ
В БЕЗОТРАЖАТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ
В настоящее время для решения производственных задач широко используется
современное геодезическое оборудование [1].
Оно применяется, в частности, в следующих областях:
− в строительстве, в процессе инженерно-геодезических изысканий, при возведении
водохозяйственных и гидротехнических объектов, а так же при обследовании их в
процессе эксплуатации [2, 3];
− при землеустроительных работах, инвентаризационных работах по изучению состояния
земель [4, 5, 6].
Классические приборы – теодолиты и нивелиры уходят на задний план, все большую
популярность приобретают электронные тахеометры. Они позволяют автоматизировать
процесс сбора геодезической информации, минимизировать ошибки и, как следствие,
повысить точность геодезических работ [7].
Целью данной работы является изучение работы и сравнение электронных тахеометров
в безотражательном режиме в зависимости от материала объекта съемки.
Эта задача актуальна при необходимости быстрого измерения неприступных
расстояний до объектов, а также при отсутствии или выходе из строя отражателя.
Для решения поставленной задачи был выбран участок на равнинной местности (для
исключения погрешностей из-за наличия превышений) и разбита прямая линия. Участок, на
котором проводилось исследование, находится в г. Санкт-Петербург вдоль ул. Бутлерова
(рис. 1). Трасса была разделена на отрезки по 25 метров на первой сотне метров и по 50
метров на всей остальной длине.
Рис. 1. Место проведения исследования
Исследованию подвергались электронные тахеометры:
− Pentax V-227N;
− Pentax R-325NX;
− Pentax W-825NX;
− Sokkia CX series compact X-ellence.
Объектами съемки являлись:
− бетон;
− кирпич силикатный;
− кирпич керамический;
− дерево;
− пластик;
− ржавый металл.
Над первой точкой, с которой производились все измерения, устанавливался тахеометр.
Над второй точкой устанавливался штатив и на нем размещался объект съемки. Лицевая
поверхность исследуемого объекта располагалась поочередно под углами 90, 60 и 30
градусов по отношению к лучу лазера прибора. Далее штатив переставлялся на следующую
точку, и съемка повторялась. Перестановка штатива с образцами материалов осуществлялась
до тех пор, пока прибор не переставал выдавать результаты. Съемка проводилась при
одинаковых погодных условиях (ясная погода) для исключения влияния изменения этих
условий на результат.
На основе полученных данных составлена диаграмма, показывающая результаты
съемки с помощью различных тахеометров при фронтальном подходе луча к поверхности
образца (рис. 2).
Рис. 2. Результаты съемки
−
На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:
Заявленные в паспорте характеристики приборов при измерении расстояний в
безотражательном режиме не совпадают с экспериментальными данными. Причинами
несовпадения этих данных могут служить влияние факторов внешней среды, а также
различная отражающая способность рассматриваемых материалов.
−
−
Поворот отражающей поверхности материала на 30 и 60 градусов приводит к снижению
возможности взятия отсчетов в безотражательном режиме на:
− 50% и 25% у бетона;
− 50% и 0% у кирпича силикатного;
− 25% и 25% у кирпича керамического;
− 25% и 0% у дерева;
− 25% и 0% у пластика;
− 75% и 75% у железа.
Наилучшими материалами для безотражательной съемки оказались: кирпич силикатный,
пластик, дерево, а наихудшим – ржавый металл.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Дементьев В.Е. Современная геодезическая техника и ее применение: Учебное пособие для вузов.
– Изд. 2-е. М.: Академический проект, 2008. с. 151-162.
2. Балашов Б.В., Беляев Н.Д., Михаленко Е.Б., Вилькевич В.В. Анализ проблем, связанных с
обследованиями портовых ГТС (на примере глубоководной достроечной набережной). Известия
ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. 2013. Т. 269. с. 110-117.
3. Балашов Б.В., Беляев Н.Д., Михаленко Е.Б., Тазеев Т.А. Мониторинг насыпной дамбы,
возводимой в МТП Усть-Луга на слабом грунтовом основании. Инженерно-строительный
журнал, 2012, № 4, с. 10-16.
4. Ковязин В.Ф., Любимцев А.В. Применение спутниковых навигационных систем при
лесоводственных исследованиях. Международная НТК. СПб-Репино 17-19 2012 года, СПб
общество геодезии и картографии 2012. с. 44.
5. Козиков А.В., Костикова М.А., Михаленко Е.Б., Беляев Н.Д. Сопоставление результатов
измерения площадей земельных участков с помощью электронных тахеометров и приборов
спутниковой навигации. XLI Неделя науки СПбГПУ: Материалы НПК с международным
участием. СПб.: изд-вo Политех. ун-та, 2012. с. 383-385.
6. Михаленко E.B., Беляев Н.Д., Попко В.В., Ковалев В.О., Крупин В.A., Дзамуков Г.M.
Исследование влияния размеров земельных участков на точность определения их площади с
помощью GPS-навигаторов, работающих в системах GPS и GPS+GLONASS. XLI Неделя науки
СПбГПУ: материалы международной НПК с международным участием. Ч. I. СПб.: изд-вo
Политех. ун-та, 2012. с. 379-381.
7. Михаленко Е.Б., Загрядская Н.Н., Беляев Н.Д., А.А. Боголюбова, В.В. Вилькевич, А.В. Ковязин.
Инженерная геодезия. Использование современного оборудования для решения геодезических
задач. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. с. 15-45.
УДК 626
К.А.Кокорева
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ ДЕЙСТВИЯ ЛЬДА СООРУЖЕНИЙ,
РАСПОЛОЖЕННЫХ НА МЕЛКОВОДЬЕ
Цель работы – анализ различных методов защиты от действия льда сооружений,
расположенных в мелководной зоне, и нахождение оптимального решения. Сравнение методов
производится на примере буровой установки Сункар, которая эксплуатируется на севере
Каспийского моря [1-5].
Существует два основных способа борьбы со льдом на мелководье: первый – снижение
ледовой нагрузки благодаря установке ряда свай и второй – использование ледовых барьеров.
Сокращение ледовой нагрузки является необходимым условием для обеспечения
бесперебойной работы нефтегазового сооружения. Благодаря надежной защите ото льда на
строительстве объекта можно существенно сэкономить. Поэтому, так важно разработать
эффективный метод защиты.
В 2001 году был предложен вариант защиты буровой установки Сункар, с использованием
свай и дефлектора [2]. Размер модельной установки 85,0 м в длину и 53,0 м в ширину. Стенки
баржи были наклонены под углом 45°, уровень льда составлял около 0,5 м, а толщина – 1,3 м.
Сооружение было поставлено на берму выстой 2 м. Эксперимент проводился при глубине воды
4,0 м и при трех различных скоростях. В целях предотвращения наползания льда на сооружение
был установлен дефлектор высотой 4,0 м и ряд свай диаметром 1,6 м.
В начале, эксперимент проводился без свай и дефлектора. Из-за низкого уровня воды,
(глубина выше уступа установки составляла 2,0 м) скопление льда образовалось очень близко к
барже. После короткого промежутка времени лед оказался на одном уровне с установкой, таким
образом, возник риск обледенения сооружения. Установка ледового дефлектора позволила
решить данную проблему, однако горизонтальная нагрузка на сооружение увеличилась на 54%.
Снижение горизонтальной нагрузки было достигнуто при установке ряда свай, в этом случае
было отмечено снижение вертикальных и горизонтальных усилий в толстом слое льда на 65%.
Такой резкий спад нагрузки привел к наползанию тонкого льда на сооружение. Следовательно,
такой метод противоледовой защиты нельзя считать эффективным.
Анализируя результаты предыдущих исследований, была разработана новая концепция
защиты ото льда с использованием различных конфигураций ледовых барьеров [6]. Размеры
буровой установки были такие же, как и в первом эксперименте. Испытание проводилось при
толщине льда 0,5 м и толщине 1,3 м. Было смоделировано 5 различных направлений дрейфа
льда: 0°, 30°, 45°, 60° и 90°, а угол наклона барьеров по отношению к буровой установке
составлял 0°, 10°, 30°.
В ходе тестовых испытаний была поставлена задача по определению оптимальных
значений таких параметров, как: направление дрейфа льда, толщина льда, скорость льда,
угол наклона ледовых барьеров.
По итогам данного эксперимента можно сделать вывод, что при установке ледовых
барьеров дрейфующий лед не препятствует бесперебойной работе нефтегазового
сооружения. При угле наклона ледовых барьеров 10-15° обеспечивается максимальная
защита. Также наблюдается снижение горизонтальной нагрузки на 63%. Однако для ледовых
барьеров, расположенных вниз по течению может потребоваться специальная передовая
система управления (ice management system), так как Сункар должен иметь круглогодичный
доступ для специализированных судов.
Для моделирования оптимального метода защиты буровой установки от действия льда
обязательно нужно учитывать следующие требования:
− ледовые барьеры должны иметь угол наклона менее 30°;
− расстояние между сваями должно быть равным четырем диаметрам сваи;
− важно обеспечить стабильность платформы.
Поэтому необходимо разработать такую конструкцию, которая позволила бы
уменьшить вертикальные нагрузки от ледовых барьеров [7, 8]. Данная проблема может быть
решена благодаря использованию наклонной крыши. Выбор такой конструкции обусловлен
тем, что распорная система не требуется. Расположение барьеров и угол их наклона к
сооружению может варьироваться, при необходимости возможна установка ледового
барьера даже на буровую установку. Пример защиты ото льда в случае дрейфа льда в 3-х
направлениях представлен на рис. 1.
В результате анализа был сделан вывод, что для повышения эффективности различных
противоледовых мероприятий необходимо принять в расчет следующие условия:
− Во-первых, необходимо принимать во внимание особенности эксплуатации буровых
установок на мелководье путем поиска оптимального метода ледовой защиты [9, 10].
Буровая установка на мелководье предназначена для разведки и разработки малых
месторождений, где строительство крупных стационарных и мобильных конструкций
нецелесообразно. Кроме того, мелководные зоны имеют ряд преимуществ по сравнению
с глубоководными, с увеличением глубины затраты на эксплуатацию буровых платформ
существенно возрастают. В большинстве случаев, мелководная зона – это зона с
неоднородным грунтовым основанием, в связи с этим фактом возникает актуальная
проблема моделирования основания платформы.
− Во-вторых, очень трудно смоделировать лед в лабораторных условиях, подобрать
нужный химический состав для солености и даже в реальных морских условиях не всегда
можно предсказать ледовую обстановку.
Рис. 1. Схема защиты против действия льда, в случае дрейфа льда в трех различных направлениях
В заключение, следует отметить, что каждый эксперимент невозможно повторить, т.е.
при одинаковых исходных данных нагрузки могут принимать различные значения.
Существует необходимость в расчете каждой отдельной расчетной нагрузки для каждого
случая загружения. Поэтому моделирование нагрузки должно быть получено с
использованием грамотного статистического подхода.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Evers, K., Jochmann, P., Kühnlein, W. (2000): Ice model tests with an oil exploration barge in the North
Caspian Sea, Proceedings of 15th International Symposium on Ice (IAHR) Volume I, Gdansk, Poland, 28
August-01 September 2000, pp. 363-370.
2. Evers, K., Spring, W., Foulkes, J., Kuehnlein, Jochmann, P., 2001. Ice model testing of an exploration platform
for shallow waters in the North Caspian Sea. Proceedings of POAC 01, Ottawa, Canada, 2001, pp. 255-265.
3. Bastian, J., Standberg, A.G., Graham, W.P. and Mayne, D. (2004) Caspian Sea Sprayed Ice Protection
Structures. Proceedings of the 17th International Symposium on Ice, International Association of Hydraulic
Engineering and Research (IAHR’04) Vol.2, pp.58-67, St. Petersburg, CIS.
4. Evers, K., Spring, W., Foulkes, J., Kuehnlein, W., and Jochmann, P. (2001) Ice model testing of an exploration
platform for shallow waters in the North Caspian Sea. Proceedings of the 16th International Conference on Port and
Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC’01) Vol. 1, pp.255-264, Ottawa, Canada.
5. Bastian, J., Standberg, A.G., Graham, W.P. and D. Mayne. Caspian Sea Sprayed Ice Protection Structures.
Proc. 17th International Symposium on Ice (IAHR’04) Vol.2, 2004, pp.58-67, St. Petersburg, CIS.
6. Jochmann, P., Evers, K. and Kuehnlein W. Model testing of ice barriers used for reduction of design ice
loads. Proc. of 22nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering (OMAE’03),
OMAE2003-37385, 2003 pp.815-821, Cancun, Mexico.
7. Kärnä, T., Qu, Y, and Yue, Q. Baltic Model of Global Ice Forces on Vertical Structures. Proceeding of
the 18th IAHR Symposium on Ice, Vol. 2, 2006pp. 253-260.
8. Kärnä, T., Guo, F., Løset, S. and Määttänen, M. (2008): Small-scale Data on Magnification of Ice Loads
on Vertical Structures. Proceeding of the 19th IAHR Symposium on Ice, Vol. 2, 2008 pp. 1103-1114.
9. Kariulin, E., Kkariulina M. Ice model tests of caisson platform in shallow water. International Journal of
Offshore and Polar Engineering, Vol.17, No.4, December 2007, pp. 270-275.
10. Tarasov, V. Active protection of offshore oil& gas structures using soft pneumatic inflatable capsules in
devices for ice booming. Asia-Pacific Journal of Marine Science & Education, Vol.2, No.2, 2012, pp. 77-90.
УДК 528
Т.О.Вельмисева, Д.А.Лихая
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
ВЛИЯНИЕ МАСШТАБА СПУТНИКОВЫХ СНИМКОВ
НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОЩАДИ
В инженерной геодезии для измерения площади участка местности применяют
различные методы: полевые исследования [1-4], а также камеральные такие, как
графический, аналитический и механический [5, 7]. Проведение полевых работ является
дорогостоящим и трудозатратным способом, так как требует наличия специального
оборудования и квалифицированной рабочей силы. По этой причине в некоторых случаях
целесообразно применять графический или механический способы, которые, несмотря на
простоту в использовании и доступность, дают высокоточные результаты.
Целью исследования являлось изучение влияния масштаба карт на точность измерения
площади криволинейного контура механическим (механический планиметр ПП-М УХЛ 4.2 и
электронный планиметр Planix 5), аналитическим (программа AutoCad 2012) и графическим
(программа Пиксель) способами.
В данной работе применялись максимально доступные – спутниковые карты в четырёх
масштабах 1:703, 1:1399, 1:12809, 1:5572. Контур был выбран криволинейной формы, так как
она наиболее сложна при измерении площади для любого метода. В качестве
криволинейного контура было взято озеро в парке «Сосновка» г. Санкт-Петербурга,
имеющее чистую береговую линию и сравнительно простую форму.
В механическом способе для измерения площади необходимо было выполнить обвод
контура с помощью планиметра. Для электронного планиметра цена деления определялась
по указанной в паспорте прибора формуле. Для механического планиметра она находилась
путём измерения заранее известной площади квадрата в данном масштабе.
В аналитическом способе контур озера заменялся многоугольником, максимально
точно повторяющим границы контура. С помощью программы AutoCad рассчитывалась
площадь многоугольника.
В графическом способе контур загружался на экран компьютера, закрашивался в
чёрный цвет, и с помощью программы Пиксель определялось количество чёрных пикселей
внутри контура [8, 9]. Далее рассчитывалась цена деления при помощи квадратов с заранее
известными площадями и находилась площадь озера в каждом масштабе.
Таким образом, посредством каждого из трёх методов в четырёх различных масштабах
были получены значения площади озера в парке «Сосновка» и относительная погрешность
измерений. Результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты измерений площади озера и относительная погрешность измерений
Приборы
Механический планиметр
Электронный планиметр
Программа AutoCad 2012
Программа «Пиксель»
Площадь в масштабе, м2
1:703
9956
9935
10052
10012
1:1399
9892
9786
9968
9809
1:2809
9685
9745
9711
9765
1:5572
9688
9706
9676
9687
Относительная погрешность
измерений в масштабе
1:703 1:1399 1:2809 1:5572
0,04
0,05
0,15
0,17
0,37
0,39
0,45
1,00
0,02
0,06
0,18
0,2
0
0
0
0
Следует отметить, что при использовании программы Пиксель отсутствует влияние
человеческого фактора, относительная погрешность всегда будет равна нулю.
На основании полученных значений были построены графики зависимости измеренной
площади озера и относительной погрешности от масштаба спутниковой карты,
изображенные на рис. 1 и рис. 2.
Рис. 1. Зависимость измеренной площади озера
от масштаба спутниковой карты
Рис. 2. Зависимость относительной погрешности
измерений от масштаба спутниковой карты
С учетом того, что в результате предыдущих натурных исследований [10] площадь
данного объекта была довольно точно определена и составила 9668 м2, эта величина была
принята за основу при оценке точности камеральных исследований [11, 12].
Тогда, при использовании наиболее крупного масштаба (1:703) имеет место завышение
площади на 3-4%. При использовании меньшего масштаба (1:1399) завышение площади
колеблется от 1 до 3%. При переходе к масштабу 1:2809 завышение результатов по
измерению площади уже не превышает 1%, а при использовании мелкомасштабных снимков
(1:5572) – 0,6%. Такие результаты можно объяснить тем, что при увеличении масштаба
увеличивается влияние человеческого фактора, так как появляется необходимость учитывать
все нюансы поведения береговой линии.
Оценка взаимосвязи измеренного значения площади от масштаба спутниковой карты,
представленной на рис. 1, показывает, что при уменьшении масштаба значение площади
приближается к истинному. Это связано с уменьшением влияния человеческого фактора,
который присутствует в более крупных масштабах.
При анализе зависимостей, изображённых на рис. 2. был сделан вывод, что при
укрупнении масштаба снимков, значения относительных ошибок уменьшаются. В
предыдущей работе было исследовано озеро Черное в г. Гатчина, имеющее сложную форму
[13, 14]. Работа со спутниковыми снимками озера была затруднена из-за нависающих над
водой деревьев, кустов и заболоченных берегов. На основании анализа результатов
измерений были получены зависимости, приведенные на рис. 3 и рис. 4, качественно
повторяющие графики на рис. 1 и рис. 2.
Рис. 3. Зависимость измеренной площади от
масштаба спутниковой карты озера Чёрное
в г. Гатчина
Рис. 4. Зависимость относительной погрешности
измерений от масштаба спутниковой карты озера
Чёрное в г.Гатчина
В обеих работах в диапазоне масштабе от 1:2300 до 1:2000 кривые графиков изменения
площадей, полученные с помощью приборов и программ, пересекаются (рис. 1 и рис. 3).
Следовательно, можно сделать вывод, что оптимальными масштабами для определения
площадей участков любой формы при обработке спутниковых снимков будут являться
масштабы в диапазоне 1:2300-1:2000. Наиболее же эффективными способами определения
площади являются способы, построенные на применении компьютерных программ Пиксель и
Автокад.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Дементьев В.Е. Современная геологическая техника и её применение. M.: Академический
проспект, 2008. 591 с.
2. Инструкция по развитию съёмочного оборудования и съёмки ситуации и рельефа с применением
глобальных навигационных систем GLONASS и GPS (№3). M.: ЦНИИГАиК, 2002. 124 с. (rus)
3. Михаленко Е.Б., Загрядская Н.Н., Беляев Н.Д. и др. Инженерная геодезия. Современные методы
геодезических измерений с использованием искусственных спутников Земли: учебное пособие.
СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. 80 с.
4. Михаленко Е.Б., Беляев Н.Д., Боголюбова А.А. и др. Инженерная геодезия. Использование
современного оборудования для решения геодезических задач: учеб. пособие. СПб.: Изд-во
Политехн. ун-та, 2014. 98 с.
5. Михаленко Е.Б., Загрядская Н.Н., Беляев Н.Д. и др. Инженерная геодезия. Геодезические задачи и
полевые работы: учебное пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 192 с.
6. Михаленко Е.Б., Загрядская Н.Н., Беляев Н.Д. и др. Инженерная геодезия. Решение основных
инженерных задач на планах и картах: учебное пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 104 с.
7. Никитин А.В. Определение площадей земельных участков. Хабаровск. Изд-во ДВГУПС, 2003. 60 с.
8. Петросян А.Г., Тарасевский Ф.Г., Шилов С.О. и др. Исследование точности «пиксельного» способа
определения площадей произвольной формы на картах и планах. XLI Неделя науки СПбГПУ:
материалы НПК с международным участием. Ч. I. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. с. 381-382
9. Коротченко И.А., Мухорин А.А., Новиков А.Ю. и др. Сопоставление различных методов определения
площадей земельных участков при обработке спутниковых снимков. XLI Неделя науки СПбГПУ:
материалы НПК с международным участием. Ч. I. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. с. 385-386
10. Михаленко Е.Б., Беляев Н.Д., Попко В.В., Ковалёв В.О., Крупин В.А., Дзамуков Г.М. Исследование
влияния размеров земельных участков на точность определения их площяди с помощью GPSнавигаторов, работающих в системах GPS и GPS+GLONASS. XLI Неделя науки СПбГПУ:
материалы НПК с международным участием. Ч. I. – СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2012. с. 379-381.
11. Михаленко Е.Б., Беляев Н.Д., Вилькевич В.В. и др. Инженерная геодезия. Геодезические
разбивочные работы, исполнительные съемки и наблюдения за деформациями сооружений:
учебное пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 88 с.
12. Батраков U.G., Сатратов U.D. Об оценки точности измерений площадей земельных участков. M.:
Геодезия и картография. 1999. №2.
13. Belyaev N.D., Mikhalenko E.B., Krupin V.A., Popko V.V., Kovalev V.O. Water surface and drainage
area measuring with satellite navigators. Construction of Unique Buildings and Structures. ISSN 23046295. 2 (17). 2014. 66-74.
14. Беляев Н.Д., Михаленко Е.Б., Вельмисева Т.О., Лихая Д.А. Об измерении площадей при обработке
космических снимков. Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции с
международным участием. НОЦ «ВИЭ». СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. с. 94-97.
УДК 627
А.А.Папин
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
АНАЛИЗ МЕТОДИК РАСЧЕТА ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК НА ОДНООПОРНОЕ СООРУЖЕНИЕ
Цель работы – рассмотреть различные методы нахождения ледовых нагрузок и
сравнить их эффективность и актуальность.
Освоение арктического шельфа является актуальной задачей для всех стран, имеющих
доступ к таковому. Для осуществления данной задачи строятся и эксплуатируются сложные
морские гидротехнические сооружения – платформы, искусственные острова,
промежуточные платформы для обеспечения перевозки персонала и ресурсов и др. Все эти
сооружения подвергаются воздействию нагрузок от волн, льда, течения и ветра, но, учитывая
зональность, большее воздействие оказывают ледовые нагрузки.
Почти для всех морей арктической зоны на территории России и соседних стран
характерно оледенение – около 95% площади моря покрыто льдом в течение 9 месяцев,
средняя толщина льда 1,6-2,0 м. В самых суровых районах отрицательные температуры
держатся до 11 месяцев, а толщина льда достигает 2,0-2,5 м, а в южных морях в зимнее
время образуется лед толщиной до 1,0 м [3].
Сложность обоснованного определения ледовых нагрузок заключается в том, что
количество факторов, влияющих на правильность результатов, очень велико:
− характер взаимодействия ледового поля с сооружением
− большой разброс физико-механических характеристик льда
− недостаточная изученность характеристик шельфовой зоны
В связи с этим приходится прибегать к исследованиям для уточнения факторов
непосредственно в районе эксплуатации сооружения [3], и потому в настоящий момент не
существует универсальной методики для определения нагрузок.
В данной работе приводится сравнение методик по данным различных нормативных
документов и научных трудов:
СП 38.133301.2012 [1];
ISO/CD 19906 15Nov07 [2];
книга [3];
НД №2-020201-013 от 2014 г. [4].
В качестве исходных данных были случайно выбраны размеры опорной колонны
сооружения, толщина льда, скорость его дрейфа и температура окружающего воздуха.
В результате разбора методик и последующего расчета всех комбинаций было
замечено, что в методах используются формулы, имеющие в основании общую структуру:
F = kRcA,
(1)
где F – нагрузка ото льда, Rc – прочность льда на сжатие, А – площадь контакта льда с
поверхностью колонны, k – коэффициент пропорциональности, учитывающий в разных
методиках влияние различных параметров.
Самым действенным методом является ISO – он учитывает большее количество
нюансов и параметров, нежели остальные. Формулы, представленные в СНиП, подвергаются
сомнению: в число множителей не входит поперечный размер сооружения b, его влияние
учитывается при помощи специальных коэффициентов, однако, при подстановке данных
оказывается, что значения данных коэффициентов варьируются в очень маленьком
диапазоне. В связи с этим при увеличении диаметра сооружения более 30 м нагрузки в
конечном итоге отличаются друг от друга на очень маленькую величину, либо не отличаются
вообще. Данные по расчетам сведены в таблицу.
−
−
−
−
Значения нагрузок на опорную колонну цилиндрического профиля
Таблица
Как выяснилось, две из четырех методик учитывают влияние скорости ледяного поля
V, и по методике Регистра Судоходства значения для одной и другой скоростей равны.
Для наглядности представлены графики на рис. 1 и рис. 2.
Рис. 1. Зависимость нагрузки от диаметра колонны при толщине льда h = 0,5 м
Рис. 2. Зависимость нагрузки от диаметра колонны при толщине льда h = 2 м
Как видно из графиков и таблицы, значения отличаются между собой почти в два раза.
Это отличие демонстрирует несовершенство методик нахождения ледовых нагрузок, и в
настоящее время появляется все больше методов, ориентированных на конкретное
сооружение и разрабатываемых по натурным данным с конкретного месторождения. Задача
является актуальной и, возможно, требует решения в виде создании ряда методик,
отличающихся друг от друга и систематизированных для конкретных условий.
ЛИТЕРАТУРА:
1. ISO/CD 19906 15Nov07. Международный стандарт
2. СП 38.133301.2012 (актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82* Нагрузки и воздействия на
гидротехнические сооружения) 2012 г.
3. Шхинек К.Н., Симаков Г.В., Смелов В.А. и др. Морские гидротехнические сооружения на
континентальном шельфе. Л.: Судостроение, 1989.
4. Правила классификации, постройки и оборудования ПБУ и МСП Российского Морского Регистра
Судоходства, НД №2-020201-013 от 2014 г.
5. Международная символика для морских ледовых карт и номенклатура морских льдов. ААНИИ.
Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
УДК 627
Н.П.Лавров
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет,
А.В.Шипилов
ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники им. Б.Е.Веденеева»
ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДОЗАБОРНОГО СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ГОРНЫХ РЕК
В ЗИМНЕМ РЕЖИМЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Опыт эксплуатации малых гидроэлектростанций показал, что водозаборные
сооружения являются наиболее уязвимой частью энергетических гидроузлов. Они
размываются паводком, пропускают речные наносы в деривацию, заваливаются шугой и
льдом. По этой причине основное внимание в данной статье уделено совершенствованию
существующих методов и конструкций для зимней эксплуатации водозаборных сооружений
малых деривационных ГЭС.
Цель исследований – совершенствование конструкций и разработка рекомендаций по
проектированию и эксплуатации водозаборных сооружений деривационных ГЭС с учётом
зимнего режима эксплуатации и особенностей горных рек.
Зимнему периоду эксплуатации гидротехнических сооружений посвящены работы
Д. Н. Бибикова, С. Я. Вартазарова, А. М. Естифеева, А. Ж. Жулаева, Д. В. Козлова,
Г. И. Логинова, Р. С. Малхазяна, А. И. Пеховича, А. В. Филончикова, И. Н. Шаталиной,
Н. Н. Ягодина, C.E. Brennen, F. Steven и др. [1].
Нами рассмотрены основные технологические операции при зимнем водозаборе и на
основе их анализа для исследований выбрана базовая конструкция Водозаборного сооружения
для деривационных ГЭС (авторы Н. П. Лавров, А. И. Рохман, Г. И. Логинов) [2].
Исследования ВСДГ в зимнем режиме эксплуатации включали математическое
моделирование процессов зимнего водозабора из горных рек.
Используя программный комплекс FLOW 3D, решается задача трехмерного течения
вязкой несжимаемой жидкости. Расчетные алгоритмы FLOW 3D основаны на применении
метода конечных объемов (МКО), разработанного C. W. Hirt и B. D. Nichols. При
вычислениях использовались модель турбулентности RNG (Renormalization-group),
описанная в публикациях V. Yakhot, S.A. Orszag, L.M. Smith [3].
Расчеты проводятся при двух расчетных схемах:
− модель криволинейного подводящего зарегулированного русла и водозаборного
сооружения для деривационных ГЭС в целом (рис. 1, слева);
− модель промывного тракта водозаборного сооружения для деривационных ГЭС (рис. 1,
справа).
Анализ кинематики потока при зимнем режиме показывает, что в верхнем бьефе
сооружения у правого берега наблюдается водоворотная область, однако наличие
дополнительного шугосбросного выреза, предложенного авторами, приводит к уменьшению
её размеров.
Используя методы теории подобия, выполнен расчет масштаба моделей исследуемых
конструкций
водозаборных
сооружений
из
условия
соблюдения
критерия
гидродинамического подобия Фруда, при соблюдении автомодельности по критериям
Рейнольдса и Вебера.
Согласно произведенным расчетам, модели были выполнены в масштабе 1:20
натуральной величины на двух экспериментальных установках Кыргызско-Российского
Славянского университета (КРСУ) с участием доцента Г. И. Логинова и инженера
Н. В. Коржавина [4].
При гидравлическом моделировании шуги использовались частицы полиэтилена
низкого давления, как материала, близкого по плотности к шуговым комьям. Пересчет
размеров частиц с натуры на модель производился по методике, предложенной
А. Б. Векслером и З. А. Генкиным, основанной на условии соблюдения кинематического
подобия гидравлической крупности [5].
Рис. 1. Аксонометрические проекции модели подводящего русла, водозаборного сооружения
и модели промывного тракта водозаборного сооружения для деривационных ГЭС
Формула, предложенная А. Б. Векслером для расчета коэффициента сопротивления
движению частиц шуги, имеет вид:

24  Re  3
Re 2 (1 + 1,25 ⋅10 −7 Re 3 ) − Re
(1)
,
CS =
1 −
1 +
−7
2
3
Re 
5  4 Re (1 + 1,25 ⋅10 Re ) + 10 ⋅ Re+ 51 
где СS – коэффициент сопротивления движению частиц шуги, Re – число Рейнольдса.
Сопоставление коэффициентов сопротивления движению частиц шуги, рассчитанных
по формуле (1) с коэффициентами, рассчитанными по данным других авторов, показывает
удовлетворительную сходимость.
В ходе гидравлического моделирования были исследованы расходные характеристики
промывного тракта и его элементов в условиях пространственной модели, изучено
взаимовлияние конструктивных элементов промывного тракта на их пропускную
способность. На основании эмпирических данных получены модели расходов воды при
истечении из-под затвора зимнего водозабора и при переливе через сдвоенный затвор
промывного тракта; объемной концентрации шуги в потоке, перетекающем в водоприемную
камеру водозаборного сооружения и в потоке, сбрасываемом по промывному тракту в
нижний бьеф; коэффициента шугосбрасывания промывного тракта.
Исследованы характеристики предлагаемой конструкции донной вставки с обратным
уклоном (рис. 2) в качестве дополнительного шугосбросного устройства водозаборного
сооружения для горных рек [6].
Используя результаты математического моделирования гидравлических режимов,
возникающих в промывном тракте, получена диаграмма режимов промывного тракта ВСДГ,
представленная на рис. 3.
На рис. 3 область допустимых режимов имеет значение 1 (зеленый цвет), а
недопустимых 0 (красный цвет), aОТН. = a H р – отношение величины открытия затвора
зимнего водозабора к расчетному напору в верхнем бьефе сооружения, hОТН. = h H р –
отношение величины напора над гребнем сдвоенного затвора промывного тракта к
расчетному напору в верхнем бьефе.
Рис. 2. Исследование донной вставки с
обратным уклоном на модели водозаборного
сооружения для горных рек
(патент РФ №133537, 2013)
Рис. 3. Диаграмма режимов промывного тракта
водозаборного сооружения
Используя модели процессов, полученные в результате обработки данных физического
моделирования и диаграмму режимов промывного тракта (рис. 3), была решена задача
оптимизации с использованием программы WolframMathematica 9. В качестве критерия
оптимизации был выбран коэффициент шугосбрасывания промывного тракта. Получены
трехмерные поверхности, описывающие функцию расхода истечения из-под затвора зимнего
водозабора и величину объемной концентрации шуги, попадающей в водоприемник ВСДГ.
Полученное значение коэффициента шугосбрасывания близко к среднему значению
коэффициента для лотковых шугосбросов по данным других авторов, а величина
относительного открытия затвора зимнего водозабора аотк = 0,38, близка к значению
величины, рекомендованной Г. И. Логиновым при исследовании открытия затвора зимнего
водозабора аотк = 0,41 [7]. При этом расход воды, необходимый для промыва шуги, не
превышает 15% от расхода промывного тракта водозаборного сооружения.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Шипилов А.В. Совершенствование конструкции водозаборного сооружения для деривационной ГЭС
для зимних условий эксплуатации// Автореферат дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук.
ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева». СПб, 2013. 17 с.
2. Hydraulic structures for small hydropower engineering of mountain and foot-mountain area. edited by
N.P.Lavrov. – Bishkek: KRSU, 2009. 492 p.
3. Yakhot V., Smith L. M., The Renormalization Group, the e-Expansion and Derivation of Turbulence
Models. J. Scientific Computing, 1992, 7, pp 35-61.
4. Лавров Н. П., Шипилов А. В., Логинов Г. И. Пропускная способность промывного тракта
водозаборного сооружения для деривационных ГЭС в зимнем режиме эксплуатации//
Инженерно-строительный журнал. СПб., 2013. №4(39), c. 60-69.
5. Векслер А.Б., Генкин З.А., Васильева И.М. Условия гидравлического моделирования шуги при
ледотермических исследованиях гидротехнических сооружений// Известия ВНИИГ им. Б. Е.
Веденеева. 1988. т.205, c. 12-15
6. Лавров Н. П., Шипилов А. В., Атаманова О. В., Логинов Г. И. Водозаборное сооружение из
горных рек. Патент РФ на полезную модель №133537, МПКE 02 B 13/00, опубл. 20.10.2013. 9 с.
7. Логинов Г.И. Обоснование конструкции промывного тракта водозаборного сооружения// Наука и
новые технологии, №3. Бишкек – 2013. С. 43-46
УДК 528
П.О.Майоров, А.А.Неманов, А.Н.Лебедев, Е.Б.Михаленко
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА ВЫЕМОК И НАСЫПЕЙ ЗАМКНУТОЙ В ПЛАНЕ ФОРМЫ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
В настоящее время в производственной деятельности человека нашли широкое
применение современные геодезические приборы [1-4].
Они используются, в частности, в следующих областях:
− в строительстве, в процессе инженерно-геодезических изысканий, при возведении
водохозяйственных и гидротехнических объектов, а также при обследовании их в
процессе эксплуатации [5-8];
− в инвентаризационных работах по изучению состояния земель
Для выполнения таких работ необходим подходящий комплект геодезического
оборудования и программного обеспечения. В геодезических работах всё большую
популярность приобретают не классические теодолиты и нивелиры, а электронные
тахеометры, электронные нивелиры, а также спутниковые системы. Они позволяют
автоматизировать процесс сбора геодезической информации, минимизировать ошибки и, как
следствие, повысить точность геодезических работ [7].
В представленной работе оценивалась эффективность использования электронных
геодезических приборов на примере определения формы и объема отвалов грунта. Данная
задача актуальна при добыче полезных ископаемых, при мониторинге наличия строительных
материалов и эксплуатации портовых гидротехнических сооружений. В качестве объекта
исследования был выбран холм в парке «50-летия октября» города Санкт-Петербурга. Работа
является продолжением более ранних исследований, описанных в [7]
Вблизи холма с помощью электронного теодолита Vega Teo 20 была разбита и
закреплена на местности базовая линия, направленная на север при помощи буссоли Pentax
SC6. Так же при помощи теодолита и рулетки была разбита квадратная в плане сетка 5×5 м, в
результате получился охватывающий холм прямоугольник с размерами 75×40 м (рис.1).
Для определения формы и объема холма использовались четыре метода.
Первый метод базировался на применении геометрического нивелирования с
использованием электронно-цифрового нивелира Leica Sprinter 150 и штрих-кодовой рейки
Leica Geosystems AG.
Рис. 1. Схема измерений
При этом электронный нивелир располагался на вершине холма, а штрих-кодовая рейка
устанавливалась в вершинах квадратной сетки.
Полученные данные по геометрическому нивелированию были обработаны с помощью
программного обеспечения Pythagoras, позволившего произвести построения горизонталей и
подсчитать объем отвала. После этого эти данные были импортированы в программу
Autodesk 3ds Max для построения трехмерной модели местности. При использовании этого
способа объем холма составил 1221 м3.
Второй способ заключался в использовании электронного тахеометра Sokkia CX-105 и
однопризменного отражателя Vega SPO2T.
Результаты, полученные при использовании электронного тахеометра, были
обработаны с помощью программного обеспечения TopoCad, в котором существует функция
импорта данных из памяти тахеометра, и также были построены горизонтали,
(изображенные на рис. 1) и выполнен подсчет объема, который составил 1246 м3.
Третий способ базировался на применении спутниковых навигаторов Garmin eTrex 30
позволяющих работать сразу в двух навигационных системах GPS и ГЛОНАСС. При
одновременном использовании двух приборов, что делалось для повышения качества
съёмки, определялись отметки вершин квадратной сетки. Обнулив показания навигаторов на
начальной точке базовой линии, определяли превышения вершин квадратной сетки, с
вычислением среднего значения из показаний двух навигаторов.
Данные, полученные со спутникового навигатора, обрабатывались с помощью
программного обеспечения Pythagoras. Объем в этом случае составил 1196 м3.
Четвертый способ основан на применении геодезического спутникового приемника
Sokkia GRX I и полевого контроллера SCH 236 с программным обеспечением SSF GPS +.
Спутниковая система состоит из базового и мобильного приемников.
Топографическая съемка местности выполнялась посредством проведения
кинематических спутниковых измерений, позволяющих получать координаты и высоты
точек за короткие промежутки времени [2]. Для этого базовый приёмник на штативе
устанавливался на пункте съемочного обоснования, которым служила начальная точка
базовой линии. Производилось центрирование приёмника над точкой, измерение высоты
антенны с помощью рейки и включение приемника.
Мобильный спутниковый приёмник, оснащенный приёмной антенной, а также
контроллер, с помощью которого осуществлялось управление процессом съемки,
закреплялись на вехе. Вначале выполнялась инициализация, то есть привязка мобильного
приёмника к базовому. Установив веху на первую снимаемую точку и задав на контроллере
все необходимые параметры такие как: высоту установки антенны на вехе, номер точки и
другие, начинают съемку, контролируя вертикальность вехи по пузырьку круглого уровня.
Посредством Bluetooth-соединения определяют поправки относительно базового приёмника.
Координаты с учетом поправок сохраняются на flash-накопителе приёмника.
Время наблюдений на каждой точке не превышало 5-10 секунд, после чего измерения
останавливались и, не выключая приёмника, осуществлялся переход на следующую точку.
Если снимаемая точка располагалась в непосредственной близости от высоких деревьев,
закрывающих видимость на спутники, то время измерения увеличивалось. Завершалась
съемка участка наблюдениями на первой точке. Точность способа кинематических
измерений составляет 2-3 см. в плане и 6-8 см. по высоте.
По окончанию съемки местности, полученные данные переносили в компьютер и
обрабатывались. Результат определен с помощью программного обеспечения Pythagoras и
объем составил 1235 м3.
Результаты вычисления объемов холма, полученные на основе обработки данных всех
четырёх методов, представлены в таблице 1.
Вычисленные объемы
Используемый прибор
Электронный нивелир Leica
Электронный тахеометр Sokkia
Спутниковый навигатор Garmin eTrex 30
Спутниковая система Sokkia GRX I
Таблица 1
Вычисленный объём, м3
1221
1246
1196
1235
По результатам съемки при помощи программного обеспечения AutoCad были
построены продольный и поперечный профиль холма по створам I-I и II-II (рис. 2).
Рис. 2. Разрезы: а – продольный; б – поперечный
1.
2.
3.
4.
На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:
Эффективное использование электронных нивелиров ограничено длиной рейки и
возможно при высоте отвала не более четырех метров.
Возможности электронных тахеометров от высоты отвала не зависят, но для успешной
работы должна быть обеспечена прямая видимость отражателя, установленного на всех
характерных точках местности.
Достаточно эффективным может оказаться применение спутниковых приемников, имеющих
значительно более высокую точность по сравнению со спутниковыми навигаторами, и не
имеющих недостатков присущих электронным нивелирам и тахеометрам.
При оценке объёма отвала, все рассмотренные способы дают близкие результаты,
максимальный разброс которых не превышает 4%.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Дементьев В.Е. Современная геодезическая техника и её применение. 2-е изд. М.: Академический
проспект, 2008. 591 с.
2. Инженерная геодезия. Использование современного оборудования для решения геодезических
задач: учеб. пособие / Е.Б. Михаленко [и др.]. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. 98 с.
3. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Том 1. М.:
Картгеоцентр, 2005. 334 с.
4. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Том 2. М.:
Картгеоцентр, 2006. 360 с.
5. Инженерная геодезия. Современные методы геодезических измерений с использованием
искусственных спутников Земли: учеб. пособие/ Е.Б. Михаленко [и др.]; под науч. ред. Е.Б.
Михаленко. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. 80 с.
6. Михаленко Е.Б., Беляев Н.Д., Козиков А.В., Костикова М.А. Сопоставление результатов
измерения площадей земельных участков с помощью электронных тахеометров и приборов
спутниковой навигации. XLI Неделя науки СПбГПУ: материалы международной НПК. Ч. I. СПб.:
Изд-во Политехн. ун-та, 2012. 466 с.
7. Михаленко Е.Б., Беляев Н.Д., Майоров П.О., Неманов А.А. Оценка формы и объема отвалов с
помощью современного геодезического оборудования. Неделя науки СПбГПУ: материалы НПК с
международным участием. НОЦ «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе».
СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2014. 244 с.
УДК 627
П.О.Кузнецов
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
МОРСКИЕ АЭРОДРОМЫ ДЛЯ ОСВОЕНИЯ АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА
Вопросы строительства аэродромов и платформ в районах арктического шельфа
являются весьма актуальными для современной России. На протяжении последних лет в
мире происходит «вторая арктическая гонка» и России требуется самостоятельное развитие
и укрепление своих сил. В этом контексте арктическое направление приобретает особенное
значение. Регион исключительно богат ресурсами и в то же время Арктика сегодня требует
от России наращивания военного присутствия. Перспективы освоения Арктики связаны с
решением ряда вопросов, и военные, безусловно, занимают среди них первое место.
Специалисты относят примерно 20% проблем именно к военным аспектам, так как очевидно,
что при размещении на Севере военных сил НАТО любая часть территории России будет
легкодостижима ракетами. Обсуждается создание военной инфраструктуры на архипелагах и
островах Северного Ледовитого океана для формирования единой системы наблюдения за
воздушной, надводной и подводной обстановкой.
Поэтому строительство плавучих аэродромов на территории Арктики является
необходимым и достаточно важным условием, как с военной точки зрения, так и с точки
зрения добычи полезных ископаемых. Одним из вариантов, рассмотренных в данном
исследовании, является концептуальная проработка использования морского плавучего
аэродрома в качестве промежуточной вертолетной платформы, предназначенной для их
взлета и посадки, технического обслуживания, дозаправки и размещения вертолетов,
временного и постоянного проживания членов экипажа, специалистов и транзитных
пассажиров. С другой стороны, возможно строительство плавучего аэродрома в качестве
военной базы, с помощью которой можно вести оперативный контроль воздушного
пространства в Арктической зоне.
Обзор литературы показал, что подобных проектов в мировой практике немного. Один
из проектов с похожими задачами – это морская промежуточная вертолетная платформа для
Штокмановского газоконденсатного месторождения (ГКМ). Ее основная цель – временное
размещение вертолетов, их посадка и взлет, постоянное и временное проживание экипажа.
Платформа обеспечивает бесперебойную доставку экипажа на буровые и добывающие
платформы Штокмановского ГКМ [1].
Для хозяйственной деятельности и боевого дежурства в Арктике необходимы
аэродромы различного типа. В связи с работой в сложных условиях требуются новые
конструктивные решения.
Для проектирования военного аэродрома можно использовать наработки и практические
методы, относящиеся к авианосцам. Например, для взлета и посадки самолетов на аэродром
будем использовать трамплин и аэрофинишеры [3, 4]. Стоимость и время строительства,
морских аэродромных платформ существенно меньше стоимости и длительности строительства
авианосцев. К тому же, при наличии достаточного количества морских аэродромных платформ
их можно размещать в местах предполагаемых конфликтов [5]. Например, строительство
перспективного российского авианосца, разработкой которого занимается ЦНИИ им. Крылова и
«Невский ПКБ», обойдется примерно в 400 млрд. рублей [6].
Использование вертолетов в качестве средства доставки для аэродромов морского
базирования является наиболее выгодным вариантом. Вертолетные перевозки не зависят от
состояния морской поверхности, но на них оказывают сильное влияние погодные условия,
такие как туман, дымка, облачность и сильный лобовой ветер. Поскольку скорость доставки
вертолетом примерно в пять раз выше, чем судном, сегодня более трети всех транспортных
операций на морских нефтяных платформах выполняется именно с помощью винтокрылых
машин. По существующим оценкам, в обслуживании шельфовых платформ сегодня
задействовано свыше 1500 вертолетов [7].
Для хозяйственной деятельности предлагается использовать платформу квадратных форм
в плане с примерными размерами 100х100 (в дальнейшем размеры будут уточняться), с тремя
посадочными площадками для вертолетов Ми-38, Ми-8, Ми-171, Ми-172, Ка-32, жилыми
помещениями, бункерами под топливо, техническими модулями, дизель генераторами.
Возможна установка ветрогенератора. Емкости под топливо для вертолетов устанавливать на
полетной палубе нецелесообразно, это повлечет за собой огромный вес конструкции и,
соответственно, большие нагрузки на сооружение, и немалую стоимость конструкции.
Предлагается расположить топливо в соответствующих отделениях понтона 8. Через колонны
проводится трубопровод, насосы для подачи топлива ставятся на верхнюю часть строения 7.
Каюты для транзитных пассажиров и экипажа так же располагаются в промежутке между
колоннами и палубой 6. Максимальное количество человек, которое можно уместить в каютах
равно 200. Примерная суммарная мощность дизель генераторов составляет 15,0 МВт, их
расположение – снизу под палубой. Так же устанавливается аварийный дизель генератор с
мощностью 1,0 МВт. Для обогрева всех помещений строения, а также палубы, используются
термомасляные котлы.
а)
б)
Рис. 1. Вариант конструкции плавучего аэродрома в хозяйственных целях: а – фасад; б – план;
1 – понтон; 2 – колонны; 3 – полетная палуба; 4 – ангар; 5 – жилые модули для техперсонала;
6 – жилые модули; 7 – модули для технического оборудования; 8 – емкости под топливо;
9 – балластные емкости; 10 – вертолетная площадка
Для аэродрома военного назначения можно использовать прямоугольную в плане
платформу, установленную на колоннах 2, опирающихся на понтоны 1. Строение будет делиться
на 2-3 яруса. В верхней части располагается взлетно-посадочная полоса, ангары для летательных
аппаратов. В нижних частях располагаются технические и жилые модули, емкости под топливо,
энергоустановки, дизель генераторы. Основные размеры определяются исходя из размеров
взлетно-посадочной полосы, габариты которой зависят от необходимого вооружения. На
аэродроме предполагается размещение следующих летательные аппараты: Су-33; Ка-27; Ка-27ПС;
Ка-31. Минимально допустимая длина взлетной полосы, исходя из летных характеристик,
составляет 120 м. Для Су-33 длина разбега при условии использования трамплина – 105 м. При
использовании отражателей длина уменьшается. Ширину взлетно-посадочной полосы из условия
стоянки летательных аппаратов принимается равной 50 м. Для взлета и посадки самолетов
используются вспомогательные устройства – катапульты и отражатели реактивных струй для
разгона самолетов и аэрофинишеры – для торможения и полной остановки самолетов [3, 4].
б)
а)
Рис. 2. Вариант конструкции плавучего аэродрома в военных целях: а – фасад; б – план;
1 – понтон; 2 – колонны; 3 – полетная палуба; 4 – пункт управления полетами; 5 – жилые модули;
6 – модули для технического оборудования; 7 – трамплин; 8 – емкости под топливо;
9 – балластные емкости; 10 – подъемно-опускные площадки; 11 – ангар для хранения и
техобслуживания летательных аппаратов
В дальнейших исследованиях и при проектировании будут рассчитаны вертикальные
нагрузки на представленные выше сооружения, а так же нагрузки от ветра, волн, льда. Все
расчеты должны выполняться в соответствии с нормативными документами. Выбор типа
опорных конструкций и проверку общей устойчивости ледостойких платформ следует
производить с учетом возможности размыва в месте строительства [8].
Размещение морских аэродромов в Арктических районах как было, так и остается
актуальным вопросом. Наличие на территории Арктики принадлежащих России платформ
укрепляет экономическое положение страны в мире.
Проектов такого плана в мировой практике достаточно мало, что позволяет проявить
инициативу в разработке платформы. Предлагаемые конструктивные решения обусловлены
сложными природными условиями и поставленными задачами. В пользу выбора плавучих
платформ, говорит и тот факт, что в случае какой-либо неоднозначной ситуации, они могут
быть переставлены в другие точки.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Интернет-ресурс: ЦКБ "Рубин" создаст Морскую промежуточную вертолетную платформу для
Штокмановского газоконденсатного месторождения – http://goodlocal.webtm.ru/news/ckb-rubinsozdast-morskuyu-promezhutochnuyu-vertoletnuyu-platformu-dlya-shtokmanovskogo.html-0
2. Симаков Г.В., Шхинек К.Н., Смелов В.А. и др. Морские гидротехнические сооружения на
континентальном шельфе. Л.: Судостроение, 1989.
3. Интернет-ресурс: Авианосец – https://ru.wikipedia.org/wiki/Авианосец
4. Интернет ресурс: Посадка на авианосец – http://dxdt.ru/2008/06/03/1442/
5. Интернет-ресурс: Морская аэродромная платформа как база для создания универсальных боевых
кораблей – http://topwar.ru/28499-morskaya-aerodromnaya-platforma-kak-baza-dlya-sozdaniya-universalnyhboevyh-korabley.html
6. Интернет-ресурс: Четверть триллиона на воду – http://www.newizv.ru/economics/2014-0204/196521-chetvert-trilliona-na-vodu.html
7. Полищук А. Вертолеты над морем. Оффшорные операции пользуются спросом//АвиаПорт.Ru.
05.04.2011
8. Беляев Н.Д. Защита оснований ледостойких платформ от размыва // Электронный журнал.
Предотвращение аварий зданий и сооружений. 29.06.2009
УДК 627
Т.Т.Данг, В.Н.Бухарцев
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
РАСЧЕТ ФИЛЬТРАЦИИ ЗЕМЛЯНОЙ ПЛОТИНЫ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Аннотация: Метод конечных элементов (МКЭ) является эффективным средством для
решения сложных задач в технике, в том числе в гидротехническом строительстве. В данной
работе необходимо было оценивать фильтрационную прочность плотины вычислением
параметров фильтрационного потока с помощью программы SEEP/W, включенной в
комплект программ Geostudio 2004 [1].
Ключевые слова: Метод конечных элементов, фильтрация, земляная плотина, градиент
фильтрационного потока, программа SEEP/W.
Фильтрацией называется явление движения воды в порах водопроницаемого грунта под
действием разности напоров [2]. Целью изучения фильтрации является:
1) определение закона движения фильтрационного потока в зависимости от формы и
размеров элементов сооружения;
2) построение гидродинамической сетки движения и депрессионной поверхности;
3) определение градиентов фильтрационного потока и фильтрационного расхода через
тело плотины.
Результаты расчета позволят выбрать правильную конструкцию плотины и определить
устойчивость ее элементов.
В настоящее время для решения задачи фильтрации в грунтовых плотинах
используются аналитические и экспериментальные методы [3], а также численные методы
(метод конечных разностей и метод конечных элементов) [4, 5].
SEEP / W – программа использует метод конечных элементов для анализа движения
грунтовых вод, определения порового давления и анализа диссипации внутри пористых
материалов, в том числе нескальных и скальных грунтов.
Рис. 1. Конструкция плотины
В данной работе рассматривается земляная плотина с ядром, упорные призмы которой
выполнены из гравия и крупных фракций с коэффициентом фильтрации Кф = 1,2×10-3 м/с. В
качестве противофильтрационного элемента выступает ядро из суглинка с коэффициентом
фильтрации Кф = 1,2×10-6 м/с, средним градиентом Jср = 8, минимальная толщина ядра
поверху 3 м, понизу – 10 м. Переходные зоны состоят из двух слоев толщиной 2,5 м,
выполненные из мелкозернистых песков с коэффициентом фильтрации Кф = 1,2×10-4 м/с. Для
уменьшения расхода фильтрации через основание устраивается цементационная завеса
глубиной 20 м. В русле подстилается аллювиальный слой мощностью 5 м с коэффициентом
фильтрации Кф = 1,2×10-3 м/с, ниже которого залегают мало трещиноватые граниты.
Конструкция плотины представлена на рисунке 1.
Задача фильтрации через данную плотину решена с использованием программы
SEEP/W с учетом следующих граничных условий. Напор верхнего бьефа Н = 51 м, напор
нижнего бьефа Н = 7,5 м. На выходе программы даются гидродинамическая сетка
фильтрации через плотину и депрессионная поверхность, фильтрационный расход через
плотины (рис. 2), линии равных градиентов фильтрационного потока (рис. 3), а также график
изменения градиентов фильтрационного потока в ядре (рис. 4).
Рис. 2. Гидродинамическая сетка фильтрации плотины
Рис. 3. Линии равных градиентов фильтрационного потока
Полученные результаты расчета показывают, что максимальный градиент
фильтрационного потока в ядре плотины равен 5,5 меньше допустимого среднего градиента.
Таким образом, фильтрационная прочность ядра плотины обеспечена. Удельный
фильтрационный расход q = 0,0044246 м2/с мал по сравнению с удельным расходом реки.
Итак, конструкция плотины принята для дальнейшего расчета устойчивости плотины.
6
5
XY-Gradient
4
3
2
1
0
-60
-40
-20
0
20
40
60
Y (m)
Рис. 4. График изменения градиентов в ядре плотины
Таким образом, использование программы SEEP/W позволяет эффективно решать
задачи фильтрации в плотинах и оценивать их техническое состояние.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Krahn J. Seepage Modeling with SEEP/W. – GEO-SLOPE International Ltd, 2004. 412с.
2. Чугаев Р.Р. Гидравлика. Учебник для вузов. – 4-ое изд., доп. и перераб. – Л.: Энергоиздат.
Ленингр. отд-ние, 1982. 672 с.
3. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин. – М.: Изд-во АСВ/2001. – 384 с.
4. Вазов В., Форсайт Дж. Разностные методы решения дифференциальных уравнений в частных
произвольных. – Пер. с англ. М.: Изд-во иностр. лит., 1963, 483 с.
5. Zienkiewicz O.C. and Taylor R.L. The finite element method: Volume 1 – The Basis", 5th edition,
Butterworth-Heinemann, Oxford, 2000.
УДК 627
О.Л.Застрижная, И.Д.Казунин, А.И.Альхименко
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ПЛОЩАДИ ЛЬДА НА АКВАТОРИИ ПОРТА САБЕТТА
Борьба с образованием ледового покрова на поверхности акваторий морских портов,
расположенных в северных широтах ведется достаточно давно. К настоящему времени
предложен ряд способов обеспечить движение судов в акваториях портов. Их можно
разделить на две группы: механическое разрушение ледового покрова и тепловое
воздействие на ледовый покров [1].
Механическое разрушение ледового покрова в первую очередь подразумевает проводку
судов с помощью ледоколов. Ледоколы разрушают ледовый покров, ломая его на отдельные
небольшие льдины, что позволяет судам соответствующего ледового класса проходить за
ними в кильватере. Однако, такая проводка, обеспечивающая движение одного судна или
каравана судов достаточно дорога, а полыньи, образованные при проходе судов быстро
замерзают, что требует каждый раз прокладки нового судового хода. Следует заметить, что
ледовый покров, образованный при замерзании с включением льдин, разрушенных ранее,
обладает существенно большей прочностью и требует больших затрат энергии при
следующей проходке [2].
Примеры использования теплового воздействия на ледовый покров сводятся в
основном к применению барботажных установок, использующих идею переноса
относительно теплых нижних слоев воды в верхние [3]. Эти установки потребляют также
большое количество энергии, сопоставимое с судовой энергетической установкой (СЭУ)
ледоколов. Они наиболее эффективны при использовании совместно с потоками теплой
воды. Первые проработки таких установок велись еще полвека тому назад [4], но
практического применения они не получили. Обычно барботажные установки работают до
полного очищения акватории ото льда, что требует значительного времени и не является
необходимым для прохода судов. Вместе с тем, при низких значениях температуры воды в
придонных слоях перенос их в еще более холодные верхние слои может привести к
намерзанию льда на поверхности дна. Последнее ведет к уменьшению глубин у причала или
в фарватере.
В условиях порта Сабетта важным является обеспечение самой возможности прохода
судов соответствующего ледового класса и швартовки их у причалов. Отдельные льдины
могут оставаться на поверхности, если они не мешают навигации. Таким образом, задачу
проводки можно преобразовать, сведя ее к уменьшению толщины ледового покрова, а не к
полному его уничтожению. Это позволит существенно сократить затраты энергии на
проводку судов при наличии ледового покрова.
Уменьшения толщины ледового покрова можно добиться, уменьшив теплопроводность
верхних слоев воды. Для этого можно использовать «одеяло», состоящее из отдельных
элементов, позволяющих их подвижку при проходе судна.
В частности, эти элементы могут представлять собой цилиндры (рис. 1), образованные
пучками полиэтиленовых трубочек 1, соединенных между собой поясами 2. Трубочки имеют
опрессовку через 20-30 см для того, чтобы поврежденные трубочки или пучки трубочек не
утратили плавучести при повреждении судном или другими плавающими предметами. В
центральной части цилиндра имеется емкость для теплого воздуха 3, который поступает по
гибким трубам 4, проложенным по дну акватории. Теплый воздух нагнетается емкости с
помощью тепловых пушек располагающихся на территории причалов. Регулирование
поступления теплого воздуха взамен охладившегося осуществляется с помощью клапанов,
расположенных на верхней части емкостей 5. Фиксация цилиндров на акватории
осуществляется с помощью якорей 6, которые соединяются с цилиндрами якорными цепями
7. Якоря фиксируют не только цилиндры, но и трубы с теплым воздухом, которые к ним
крепятся.
Цилиндры заполняют всю поверхность навигационной акватории, которую предстоит
защищать от замерзания, располагаясь вплотную друг к другу, и образуют «одеяло»,
препятствующее появлению ледового покрова большой толщины. Судно, направляясь к
причалу, раздвигает цилиндры, притапливая некоторые из них (рис. 2), обеспечивает проход
и ломает относительно тонкий лед, образовавшийся между цилиндрами, или разрушает
агрегаты смерзшихся цилиндров. После прохода судна, цилиндры всплывают, занимая те же
позиции, что и до подхода судна. Во время швартовки цилиндры, находящиеся у стенки
причала могут быть отодвинуты тросами или притоплены командой с берега.
Рис. 1. «Одеяло», образованное цилиндрами. Части и компоненты цилиндра
Рис. 2. Принцип работы одного цилиндра во время движения судна
При отсутствии ледового покрова, цилиндры могут служить хорошей защитой от
ветровых волн, что позволит облегчить конструкцию волнолома. Вместе с тем, отказаться от
ледозащитной стенки не удастся, поскольку движущиеся ледовые поля могут снести
«одеяла» из плавающих цилиндров.
Таким образом, подводя итоги вышесказанному, можно утверждать следующее.
1. Использование «одеяла» позволит существенно снизить энергетические и, как следствие,
экономические затраты на проводку судов в северных условиях по сравнению с методами
использования плавления льда. Это объясняется тем, что теплопроводность воздуха, который
находится в подводящих трубах, меньше теплопроводности воды и количество
используемого тепла будет меньше, чем в ледоплавильных установках за счет отсутствия
потерь в процессах адвекции и конвекции.
2. Воздействие на морскую среду при этом будет сведено к минимуму в отличие от метода
использования теплой воды для растапливания льда. Природа Арктики очень хрупка и
тепловое загрязнение морской среды может привести к серьезным нарушениям устойчивости
ряда экосистем, что наверняка вызовет возражения международных природозащитных
организаций.
3. Эффективность работы предлагаемой системы должна быть проверена в
экспериментальных условиях. Такой проверкой в натурных условиях может стать акватория
вблизи судопропускного сооружения С-2 Комплекса Защитных Сооружений.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Шхинек К.Н., Альхименко А.И., Альхименко А.А. Защита оснований ветрогенераторов,
расположенных на Арктическом шельфе, от ледовых воздействий. Альтернативная энергетика и
экология № 11, 2014. с 29-36.
2. Альхименко А.И. и др. Гидротехнические сооружения морских портов. СПб.: Лань. 2014. 427 с.
3. Gudmestad O.T., Loset S., Alhimenko A.I. et al. Engineering Aspects Related to Arctic Offshore
Developments. LAN. 2007. 255 pp.
4. Carstens T. Maintaining an Ice-Free Harbour by Pumping of Warm Water the Heat Budget // Proceedings
of the POAC Conference. 1977. V.1.