УСТРОЙСТВО ПРОТИВОЛЕДОВОЙ ЗАЩИТЫ ДЛЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СООРУЖЕНИЯ, РАСПОЛОЖЕННОГО НА МЕЛКОВОДНОМ КОНТИНЕНТАЛЬНОМ ШЕЛЬФЕ
ANTIICING DEVICE FOR HYDRAULIC STRUCTURE LOCATED ON SHALLOW CONTINENTAL SHELF

Изобретение относится к устройствам для защиты гидротехнических сооружений, расположенных на мелководном континентальном шельфе от воздействия ледовых полей.
Известен противоледовый защитный барьер (п. на п.м. RU №67590, опубл. 27.10.2007), включающий два ряда свай и наклонную балку. Сваи защитного барьера расположены в шахматном порядке, наклонная балка оперта на оголовки свай, причем отметка оголовка свай второго ряда находится на максимальной отметке уровня воды в период ледохода, а отметка оголовка свай первого ряда на отметке нижней поверхности льда в период ледохода, образуя угол наклона β наклонной балки. Опорные площадки наклонной части наклонной балки могут быть выполнены так, что они должны перекрывать диапазон колебания уровней воды. На каждую сваю защитного барьера могут быть установлены, по меньшей мере, две наклонные балки. Сваи защитного барьера, расположенные в шахматном порядке, выполнены с возможностью их использования в составе ограждающего барьера.
Недостатком является возможность проникания мелкобитого льда через промежутки между сваями.
Известен погружной передвижной кессон, обладающий ледовым сопротивлением, предназначенный для использования в акватории открытого океана со сложными ледовыми условиями не обладающих ледовым сопротивлением передвижных морских буровых и нефтедобывающих установок (п. RU №2064553, опубл. 27.07.1996 г.), включающий образованную неподвижными вертикальными передней, боковыми и задней стенками конструкцию с бассейном внутри нее, с палубами, верхняя из которых расположена выше уровня воды в погруженном положении кессона, с наклонным участком на наружной поверхности конструкции, размещенном в погруженном положении кессона выше и ниже уровня воды для направления вверх движущегося на кессон льда и с вырезом в задней стенке, причем высота кессона превышает глубину океана в месте погружения. Кессон снабжен основанием в виде размещенной по периметру кессона под его стенками окружной опоры и днища, выполненных из сплошного армированного строительного материала, входным затвором, установленным в вырезе, нижняя часть которого ограничена основанием, и внутренними стенками, установленными по периметру кессона и на входном затворе с образованием зазора между наружными и внутренними стенками. При этом палубы размещены между внутренними и наружными стенками, наружная поверхность кессона армирована для противостояния разрушающим усилиям плавающего в океане льда, стенки кессона выполнены высотой, достаточной для отражения максимальной расчетной волны при погруженном положении кессона.
Недостатком является сложность конструкции кессона и отсутствие универсальности в применении (не все буровые комплексы смогут пройти по габаритам).
Известно устройство для защиты морских платформ от движущего льда (а.с. №960370, опубл.23.09.1982), корпус в виде полого кольцевого поплавка, расположенного вокруг платформы, гибкие стержни для закрепления корпуса и анкеры. Поплавок выполнен в поперечном сечении в форме трапеции, обращенной меньшим основанием вниз. При этом внешняя грань поплавка наклонена к горизонту под острым углом.
Недостатком является способ закрепления устройства на дне, не обеспечивающий надежную фиксацию устройства на точке эксплуатации при постоянных нагрузках с одного направления.
Известен ледостойкий буровой комплекс для освоения мелководного континентального шельфа (п. RU №2382849, опубл. 27.02.2010), включающий буксируемый корпус, установленный на нем кантиливер с самоподъемной буровой установкой, проходящие через буксируемый корпус опоры для самоподъемной буровой установки, имеющие донные основания и примыкающую к ним ледовую защиту в виде охватывающего опору усеченного конуса, по меньшей мере, один блок-кондуктор с ледостойким корпусом, выполненный с возможностью стационарной установки на подводном фундаменте и имеющий верхнюю надстройку для размещения эксплуатационного оборудования. Комплекс снабжен наружным U-образным поясом ледовой защиты, ветви которого установлены по всей длине буксируемого корпуса с зазором, сопряжены у оконечности буксируемого корпуса с примыканием к ледостойкому корпусу блок-кондуктора, при этом пояс ледовой защиты выполнен в виде свайной структуры, элементы которой установлены с образованием внутреннего и внешнего рядов равноудаленных свай и соединены распорами в шахматном порядке, причем высота внутреннего ряда свай превышает высоту внешнего ряда.
Недостатками являются возможность проникания мелкобитого льда через промежутки между сваями, а также отсутствие защиты от льда на разомкнутом участке U-образного пояса.
Известно устройство для защиты гидротехнического сооружения от воздействия дрейфующего льда (п. RU №2061145, опубл. 10.06.2010), включающее оконтуривающую грунтовое ядро защитную оболочку (конструкцию) с жесткими верхним и нижним каркасами, имеющими возможность перемещения относительно друг друга в вертикальном направлении. Защитная оболочка выполнена из состыкованных по периметру грунтового ядра панелей (защитные элементы), шарнирно соединенных по вертикали в пары между собой, и с жестким кругом ферменного каркаса и плавучих понтонов, а также соединенных с забитыми в морское дно сваями (закрепляющий элемент).
Недостатками являются сложность конструкции защитной оболочки, отсутствие универсальности в применении.
Известно устройство для защиты бурового объекта от дрейфующих льдов (п. на п.м. RU №79611, опубл. 10.01.2009), содержащее искусственно образованное препятствие, имеющее защитный барьер в виде регулируемых по высоте металлических щитов, установленных на морском дне по периметру бурового объекта. Препятствие закреплено на морском дне винтовыми сваями.
Недостатком является сложность конструкции, увеличенные нагрузки на металлические щиты из-за вертикальной внешней стенки, возможность переваливания ледяных образований через верхний край металлических щитов и подверженность металлических щитов коррозионным процессам.
Известно устройство для защиты морского нефтегазового объекта от дрейфующего льда (п.м. RU №94993, опубл. 10.06.2010), содержащее забитые в морское дно по периметру объекта отдельно друг от друга сваи с выступающими над дном прямоугольными головками и железобетонные быки с глухими прямоугольными отверстиями в нижней части, которыми быки насажены на головки свай и установлены на морском дне.
Недостатком является способ закрепления устройства на дне, не обеспечивающий надежную фиксацию устройства на точке эксплуатации.
Известно устройство для защиты гидротехнического сооружения от воздействия льда (а. св. SU №1684424, д. пр. 10.11.1989 г.), принятое за прототип и включающее защитный элемент с соединенными между собой внешней наклонной поверхностью, верхней поверхностью и задней стенкой, обращенной к защищаемому сооружению, закрепляющие анкеры, соединяющие защитный элемент с дном акватории. Устройство снабжено ножевым элементом и консолью, внешняя наклонная поверхность выполнена восходящей, сопряженная с ней верхняя поверхность выполнена наклонной и нисходящей, при этом консоль нижней частью присоединена к задней стенке и размещена над нисходящей поверхностью своей верхней частью, нижняя поверхность которой выполнена с наклоном к задней стенке, а свободный конец консоли выполнен незатопленным, причем между нисходящей поверхностью и нижней частью консоли установлен ножевой элемент.
Недостатком данного устройства является высокая металлоемкость и сложность конструкции защитных элементов, возможность проникания ледовых образований через промежутки между защитными элементами, а также высокая сложность проведения работ по транспортировке, монтажу и демонтажу устройства.
Техническим результатом является повышение эффективности защиты гидротехнического сооружения от льда и упрощение конструкции устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве противоледовой защиты для гидротехнического сооружения, расположенного на мелководном континентальном шельфе, включающем защитные элементы и закрепляющие элементы, соединяющие защитные элементы с дном акватории, защитные элементы выполнены в виде погружных многогранных понтонов с возможностью их заполнения балластировочным материалом, одна грань которых выполнена с наклонным участком и снабжена дефлектором в верхней части, а другие, как минимум, две грани вертикальные, по которым понтоны состыкованы друг с другом, образуя замкнутую конструкцию в виде многоугольника в плане с двумя передними стенками, образующими ледорезный клин по ее центральной оси, с двумя боковыми стенками и задней стенкой с возможностью ее размыкания, в которых каждый понтон установлен гранью с наклонным участком и дефлектором наружу, образуя замкнутый протяженный дефлектор и наклонную поверхность, опоясывающие всю конструкцию по внешнему периметру, при этом две передние стенки выполнены, как минимум, из двух понтонов в виде симметричных вытянутых в продольном направлении многогранников, как минимум, с четырьмя боковыми гранями, боковые и задняя стенки выполнены из понтонов в виде многогранников, как минимум, с тремя боковыми гранями, боковая стенка состыкована вплотную своими торцевыми поверхностями с вертикальными поверхностями передней и задней стенок, а закрепляющие элементы выполнены в виде полых свай и установлены по всей высоте понтонов передних и боковых стенок в соответствующие сквозные отверстия.
Внутренний объем нижней части понтонов может быть заполнен балластировочным материалом, например песком.
Понтоны передней и боковых стенок могут быть снабжены двумя рядами сквозных по высоте отверстий.
Отверстия для свай могут быть выполнены с приемной частью.
Между центральными понтонами передних стенок может быть установлен ледостойкий блок-кондуктор, установленный на подводном фундаментном основании.
Понтоны передней стенки могут быть выполнены в плане в виде вытянутого параллелограмма с одним скошенным со стороны внутренней поверхности углом для обеспечения плотной стыковки с торцевой поверхностью боковой стенки, а понтоны боковых и задней стенок выполнены в плане в виде прямоугольников, при этом боковые стенки состыкованы своими торцевыми поверхностями с внутренними вертикальными поверхностями передних и задней стенок.
Понтоны передних стенок могут быть выполнены в плане в виде трапеции, а понтоны боковых и задней стенок выполнены в плане в виде трапеций или треугольников, при этом стенки состыкованы друг с другом своими торцевыми вертикальными поверхностями.
Понтоны передних стенок могут быть выполнены в плане в виде параллелограмма, а понтоны боковых и задней стенок выполнены в плане в виде трапеции или треугольников, при этом боковые стенки состыкованы одной своей торцевой поверхностью с внутренними поверхностями передних стенок, а другой - с торцевыми поверхностями задней стенки.
Понтоны боковых и задней стенок могут быть выполнены в плане в виде прямоугольных или тупоугольных треугольников.
Выполнение защитных элементов в виде погружных многогранных, у которого, как минимум, две грани вертикальные, обеспечивает плотную стыковку защитных элементов между собой с образованием замкнутой конструкции и ее устойчивость при установке на дно, что повышает эффективность защиты при упрощении конструкции защитных элементов.
Выполнение защитных элементов в виде погружных многогранных понтонов, одна грань которых выполнена с наклонным участком и снабжена дефлектором в верхней части, обеспечивает получение общего замкнутого протяженного дефлектора и общей наклонной внешней поверхности, опоясывающей всю конструкцию по внешнему периметру для любого гидротехнического сооружения. Наличие наклонной внешней поверхности, опоясывающей всю конструкцию по внешнему периметру, обеспечивает уменьшение и более равномерное распределение внешних ледовых нагрузок на устройство. Такое исполнение стенки обеспечивает «наползание» льда на наклонную часть и его слом с дальнейшим сваливанием льда и образованием ледового барьера. Это позволяет уйти от высоких нагрузок на внешнюю поверхность. Наличие замкнутого протяженного дефлектора, опоясывающего всю конструкцию по внешнему периметру и который имеет отрицательный угол относительно направления дрейфа льда, препятствует «заползанию» льда на верхнюю горизонтальную поверхность конструкции. Наличие на наружной поверхности замкнутой конструкции дефлектора и наклонной части, снижающей нагрузку, обеспечивает повышение эффективности защиты гидротехнического сооружения ото льда.
Выполнение понтонов с возможностью их заполнения балластировочным материалом обеспечивает устойчивость замкнутой конструкции на грунте.
Выполнение закрепляющих элементов в виде полых свай, установленных по всей высоте понтонов передних и боковых стенок в соответствующие сквозные отверстия, обеспечивает дополнительную устойчивость передних и боковых стенок при сдвигающей нагрузке относительно направления дрейфа льда.
Выполнение замкнутой конструкции в виде многоугольника в плане с двумя передними стенками, образующими ледорезный клин по ее центральной оси, обеспечивает снижение ледовых нагрузок на передние стенки, которая воспринимает основную нагрузку от льда.
Выполнение боковых и задней стенок из понтонов в виде многогранников, как минимум, с тремя боковыми гранями обеспечивает надежную и плотную стыковку понтонов между собой. Трапециевидная или треугольная форма понтонов в плане обеспечивает дополнительное упрочнение замкнутой конструкции.
Выполнение боковых стенок состыкованными вплотную своими торцевыми поверхностями с вертикальными поверхностями передней и задней стенок обеспечивает повышение устойчивости замкнутой конструкции против сдвигающего воздействия льда, создавая дополнительный упор передних стенок в торцевую поверхность боковых стенок и дополнительный упор задней стенки в торцевые поверхности боковых стенок, что повышает прочность конструкции и эффективность защиты устройства.
Выполнение задней стенки с возможностью заполнения понтонов балластировочным материалом обеспечивает в замкнутом положении противоледовую защиту гидротехнического сооружения со стороны моря при минимальных ледовых нагрузках. Отсутствие закрепления понтонов задней стенки сваями обеспечивает возможность ее размыкания, что позволяет осуществлять ввод и вывод гидротехнического сооружения с акватории, окружаемой устройством.
Устройство противоледовой защиты пояснено чертежами. На фиг.1 представлено устройство противоледовой защиты, вид сбоку, на фиг.2 - устройство противоледовой защиты, вид сверху, на фиг.3 - поперечное сечение понтона, на фиг.4 - буксировка понтона к точке установки, на фиг.5 - закрепление понтона к грунту при помощи свай, на фиг.6 - устройство с открытой задней стенкой для заведения гидротехнического сооружения, на фиг.7 - устройство с ледостойким блок - кондуктором, установленным на подводном фундаментном основании, на фиг.8-11 - варианты устройства с разной формой понтонов, на фиг.12 - вид устройства в объеме, фиг.13 - таблица 1. Размер понтонов и их технические характеристики.
Устройство представляет собой защитную замкнутую конструкцию 4 в виде многоугольника в плане из состыкованных защитных элементов 2, заполненных балластировочным материалом, например песком, и закрепляющих элементов в виде свай 9, соединяющие защитные элементы 2 с дном акватории 1. Замкнутая конструкция 4 выполнена с двумя передними стенками 12, образующими ледорезный клин по ее центральной оси, с двумя боковыми стенками 13 и задней стенкой 14 с возможностью ее размыкания. Каждая стенка выполнена из защитных элементов в виде погружных многогранных понтонов 2, одна грань которых выполнена с наклонным участком 6 и снабжена дефлектором 3 в верхней части, а другие, как минимум две, грани вертикальные и ровные, по которым понтоны 2 состыкованы друг с другом. Каждый понтон 2 установлен гранью с наклонным участком 6 и дефлектором 3 наружу, образуя замкнутый наружный протяженный дефлектор 3 и наклонную поверхность 6, опоясывающие всю конструкцию по внешнему периметру.
Две передние стенки 12 выполнены, как минимум, из двух понтонов 2 в виде симметричных вытянутых в продольном направлении многогранников, как минимум, с четырьмя боковыми гранями. Т.е. каждая передняя стенка 12 выполнена из одного такого понтона 2. Понтоны 2 выполнены как зеркальное отражение друг друга. При увеличении размеров устройства возможна установка дополнительных понтонов 2.
Боковые 13 и задняя 14 стенки выполнены из понтонов 2 в виде многогранников, как минимум, с тремя боковыми гранями. Каждая боковая стенка 13 состыкована вплотную своими торцевыми поверхностями с вертикальными поверхностями передней 12 и задней 14 стенок. Понтоны 2 всего устройства заполнены балластировочным материалом, например песком. Закрепляющие элементы выполнены в виде полых свай 9 и установлены по всей высоте понтонов 2 передних 12 и боковых 13 стенок в соответствующие сквозные отверстия 5, расположенные на одной вертикальной оси. Понтоны 2 задней стенки 14 установлены без свай.
Каждый понтон 2 выполнен стандартно для понтонов погружного типа и внутри разделен на герметичные балластные цистерны (их количество зависит от типа понтона), например, ограниченные по высоте палубой, проходящей на высоте 8 м, обеспечивающей остойчивость понтона при его погружении. Верхняя часть выполнена с меньшим объемом по сравнению с объемом нижней части, что обеспечивает повышение устойчивости конструкции при заполнении балластировочным материалом, например песком, только нижней части.
5
Понтоны 2 передних 12 и боковых 13 стенок снабжены закрепляющими элементами в виде свай 9, установленными по всей высоте понтонов 2 в соответствующие сквозные отверстия 5. Понтоны 2 могут крепиться к грунту 1 при помощи, например, двух рядов свай 9. Для упрощения операции установки отверстия 5 для свай 9 выполнены с приемными частями 7. Для закрепления понтона 2 на грунте 1 могут быть использованы сваи 9 длиной сваи 44-47 м, в зависимости от глубины и погодных условий в месте постановки. Длина верхней части сваи 9 выбирается исходя из выбранной высоты понтона 2 и равняется высоте понтона 2 без учета дефлектора 3. Диаметр свай 9 может быть от 1,8 до 2,44 м в зависимости от места установки. Расстояние между осями свай 9 в понтоне 2 может быть, например, 6 м, а расстояние между рядами свай 8 м. Модуль упругости Е=2,1·10 МПа.
Пример выполнения устройства по п.6 представлен на фиг.2. Понтоны 2 передней стенки 12 выполнены в плане в виде симметричных вытянутых параллелограммов с одним, скошенным со стороны внутренней поверхности, углом для обеспечения плотной стыковки с торцевой поверхностью боковой стенки 13. Понтоны 2 выполнены как зеркальное отражение друг друга. Одна внешняя грань выполнена с наклонным участком 6 и снабжена дефлектором 3 в верхней части. Три грани выполнены вертикальными и ровными. Понтоны 2 боковых 13 и задней 14 стенок выполнены в плане в виде прямоугольников или в объеме в виде прямоугольного параллелепипеда. Каждая боковая стенка 13 выполнена, как минимум, из двух понтонов 2 указанной формы. Задняя стенка 14 выполнена, как минимум, из трех понтонов 2. Пример размеров понтонов 2 и их технические характеристики приведены в табл.1 на фиг.13. В зависимости от длины защищаемого гидротехнического сооружения количество понтонов 2 может меняться. Для уменьшения или увеличения длины боковых стенок 13 могут быть установлены понтоны 2 различной длины. Например, может быть использован понтон 2 с уменьшенной наполовину длиной или от 18 м и более. Боковые стенки 13 состыкованы своими торцевыми поверхностями с внутренними вертикальными поверхностями передних 12 и задней 14 стенок.
Количество свай 9 определяют исходя из климатических условий района установки и может варьироваться от 8 до 12 штук для боковых 13 и задней 14 стенок. На передних стенках 12 количество установленных свай увеличивают до 18.
Пример выполнения устройства по п.7 представлен на фиг.8 и фиг.9. Понтоны 2 передних стенок 12 выполнены в плане в виде трапеций. Понтоны 2 боковых 12 и задней 14 стенок выполнены в плане в виде трапеции или прямоугольных или тупоугольных треугольников. В случае трапеции каждая боковая стенка 13 выполнена, как минимум, из двух понтонов 2, а задняя стенка 14 выполнена, как минимум, из трех понтонов 2. Все стенки состыкованы друг с другом своими торцевыми вертикальными ровными поверхностями. В случае трапеции количество свай 9 варьируют от 8 до 12 штук для боковых и задней стенок. На передних стенках 12 количество установленных свай 9 увеличивают до 18. В случае формы понтонов 2 в плане в виде треугольников количество свай 9 уменьшают.
Пример выполнения устройства по п.8 представлено на фиг.10. и фиг.11. Понтоны 2 передних стенок 12 выполнены в плане в виде параллелограмма или в объеме - в виде параллелепипеда. Понтоны 2 боковых 13 и задней 14 стенок выполнены в плане в виде трапеции или прямоугольных или тупоугольных треугольников. В случае трапеции каждая боковая стенка 13 выполнена, как минимум, из двух понтонов 2, а задняя стенка 14 выполнена, как минимум, из трех понтонов 2. Боковые стенки 13 состыкованы одной своей торцевой поверхностью с внутренними поверхностями передних стенок 12, а другой - с торцевыми поверхностями задней стенки 14.
Устройство позволяет использовать сезонные неледостойкие гидротехнические сооружения для круглогодичного проведения работ в сложных ледовых условиях. Например, как показано на фиг.6 - самоподъемные плавучие буровые установки или неледостойкие буровые платформы.
Устройство работает следующим образом. При своем движении ледяное поле воздействует на внешнюю наклонную поверхность 6 устройства и продолжает «наползать» на эту поверхность до тех пор, пока не произойдет его слом с дальнейшим опрокидыванием льда и образованием ледового барьера вокруг устройства. Замкнутый дефлектор 3 в верхней части внешней поверхности устройства препятствует также «заползанию» льда на верхнюю горизонтальную поверхность устройства, образованную верхней горизонтальной гранью понтонов 2.
Установку устройства осуществляют следующим образом. Изготовленные на заводе понтоны 2 транспортируют попарно во время летнего навигационного сезона к точке установки с помощью буксиров 8. Это увеличивает ширину и, следовательно, остойчивость буксируемого объекта, сокращает количество рейсов буксиров 8 и позволяет использовать буксиры 8 сравнительно невысокой мощности. Понтон 2 имеет, как минимум, две вертикальные ровные грани, что обеспечивает упрощение операции по стыковке двух понтонов 2 и более эффективное их сцепление при транспортировке. Понтоны 2 ориентируют, фиксируют с помощью буксиров 8 над точкой установки и устанавливают на грунт 1 посредством заполнения балластных цистерн балластировочным материалом. Понтоны 2 могут заглубляться в грунт 1 для обеспечения большей устойчивости. Установку устройства начинают с установки двух симметричных понтонов 2, образующих ледорезный клин, и далее от них выстраивается окончательный контур устройства. После установки на грунт 1 понтон 2 дополнительно закрепляют с помощью свай 9, забиваемых с плавучего крана 10. Затем производят рефулирование песка внутрь понтонов 2. Таким образом устанавливают понтоны 2 передних 12 и боковых 13 стенок. Заднюю стенку 14 оставляют открытой. Далее в защищаемую устройством акваторию через открытую заднюю стенку 14 заводят гидротехническое сооружение 11, после чего устанавливают понтоны 2 задней стенки 14.
Таким образом, устройство противоледовой защиты обеспечивает эффективную защиту от льда при упрощении ее конструкции.