Указание по проектированию морских сооружений и строительству искусственных грунтовых островов

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

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

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

Рис. 11. Поперечный разрез откоса острова Муклук

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные конструкции защиты берегов островов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1 - морское дно; 2 - нижний край откоса; 3 - мешки для защиты нижней части откоса и морского дна; 4 - сдвоенные трубы Лонгарда; 5 - уровень воды; 6 - продольные "жертвенные" мешки; 7 - поперечные мешки; 8 - верхний край откоса; 9 - парапетная стенка.

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

Нижняя часть откоса и прилегающее дно дополнительно были покрыты мешками с гравием. В зоне горизонта воды уложены продольно, так называемые, "жертвенные" мешки, которые удерживают трубы Лонгарда, защищают мешки основного слоя и наиболее подвержены действию волн и льда. Выше уровня воды уложены также поперечные мешки для Удержания труб. Трубы Лонгарда своей большой массой придерживают мешки нижнего основного слоя и случаях повреждения этих мешков являются преградами («бунами»), препятствующими Уносу материала из секции. Следует отметить, что для Рассматриваемого типа крепления откосов требуется много синтетических материалов большой прочности. Крепления откосов с трубами Лонгарда не получили распространения. Предполагается, что у таких треног будет происходить скопление и намораживание льда. Образующееся заграждение должно защищать сооружение от воздействия ледяных полей. В качестве натурного опыта, рамные треноги были возведены в сентябре 1981 г. в море Бофорта на глубине 6 м с возвышением выше уровня воды 3 м. Пока неизвестно применение такого рода защиты для строящихся или возведенных сооружений.

Возведение искусственных островов с берегозащитными ограждениями из массивов-гигантов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные конструктивные части острова:

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

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

- рабочая площадка в виде покрытия песчаного ядра;

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

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

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

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

- массивами-гигантами с балластом в них;

- песчаным ядром острова и подушкой;

- трением под подошвами массивов-гигантов.

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 18. Вертикальное сечение острова Моликпак

Основными конструктивными частями сооружения являются:

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

- надводное палубное строение стальной конструкции;

- песчаное ядро, заполняющее пространство, огражденное опорным корпусом;

- песчаная постель, на которой расположено сооружение.

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

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

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

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

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

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

Рис. 19. План палубной надстройки острова Моликпак

1 - стеллажи для труб; 2 - буровые шахты; 3 - люк; 4 - парапет-дефлектор; 5 - кран; 6 - котельная; 7 - цистерна; 8 - модули с сухими грузами; 9 - хозяйственные помещения; 10 - вертолетная площадка (ниже жилые помещения); 11 - электростанция; 12 - модули с жидкими грузами; 13 - аппаратная (пульт управления).

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

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

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

Рис. 20. Общий вид острова Тарсьют

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

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

Конструктивные основные части острова:

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

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

- рабочая площадка в виде покрытия по поверхности песчаного ядра;

- песчаная постель, подстилающая остров.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Размещено на Allbest