Указание по проектированию морских сооружений и строительству искусственных грунтовых островов

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

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

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

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

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

Рис.1. Схема вертикально перемещающегося бандажа на колоннах платформы

1 - колонна; 2 - балластные отсеки; 3 - отсеки с насосами и подогревом воды; 4 - подъемные тросы; 5 - силовой кабель; 6 - опорное подшипниковое устройство.

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

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

Рис.2. Схема поворотного бандажа на колоннах платформы

1 - колонна; 2 - отсеки с насосами и подогревом воды; 3 - силовой кабель; 4 - опорное подшипниковое устройство.

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

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

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

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

1 - колонна;2 - винтовой корпус с резьбой; 3 - зубчатое колесо привода; 4 - электродвигатель; 5 - опорные подшипниковые устройства; 6 - зубчатое колесо.

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

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

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

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

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

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

- бандаж (может совершать вертикальные перемещения по стволу);

- трубчатые кронштейны, соединяющие бандаж с понтонами;

- упоры на опорном стволе;

- пустотелые ножи, установленные на палубах понтонов.

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

1 - бандаж; 2 - трубчатый кронштейн; 3 - плавучий понтон; 4 - пустотелый тяж; 5 - стационарное конусное устройство; 6 - упор.

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

Основные мероприятия по пассивной защите сооружений от воздействия льда

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- отсутствие достоверного контроля за ходом примораживания грунта;

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

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

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

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

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

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

- вибрирование рыхлых песчаных оснований с целью их уплотнения;

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

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

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

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

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

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

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

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

Указания по строительству искусственных грунтовых островов намывного и насыпного типов

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

К положительным сторонам искусственных грунтовых островов относится следующее:

- большая устойчивость к ледовым, волновым и сейсмическим воздействиям;

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

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

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

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

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

- намывные, возводимые без защиты или с защитой откосов;

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

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

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

а, б - план и вертикальный разрез насыпного острова; в - вертикальный разрез намывного острова.

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

- гидрографические (глубины, рельеф дна);

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

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

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

Кроме естественных условий учитываются:

- назначение острова;

- наличие грунтовых материалов и способы их транспортировки;

- наличие плавучих средств и строительной техники;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

По данным зарубежного опыта возведения намывных островов выделяются следующие этапы:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- покрытия из наброски камня;

- покрытия из железобетонных плит или бетонных блоков;

- габионы в виде стальных сетчатых корзин, заполненных камнем;

- стальные щиты (отдельные случаи);

- синтетические гибкие водопроницаемые фильтрующие полотна;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- высота защитного парапета не менее 2,4 м;

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

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

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

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

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

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

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

Основные конструкции островов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 8. Остров в районе дельты реки Маккензи

а - плановая схема; б - вертикальный разрез откоса намывного острова Иммерк.

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

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

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

Рис. 9. Остров в районе дельты реки Маккензи

а - плановая схема; б - вертикальный разрез насыпного острова Нетсерк

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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