Исследование прочности льда Амурского залива

Вопросы экологии

Е.М. БЕЛОВИЦКИЙ, Б.В. ПРЕОБРАЖЕНСКИЙ,

В.А. ЮРЧЕНКО, Т.А. ЦЫБУЛЬНИК

Исследование прочности льда Амурского залива

Изложены результаты исследований по определению физикомеханических характеристик льда Амурского залива в районе бух. Перевозная.

Для строительства перегрузочного комплекса нефти Восточная Сибирь-Тихий Океан (ВСТО) был выбран юго-западный участок акватории Амурского залива, прилегающий к п-ову Ломоносова, где планируется построить нефтепирс для приема танкеров до 300 тыс. т. Одним из важнейших факторов воздействия на опоры нефтепирса является дрейфующий лед [3], т.е. льдины различной протяженности и ледовые поля, размеры которых могут доходить до нескольких километров. Расчеты показали, что при ветрах со скоростью 30-40 м/с и толщиной льда обеспеченностью 1 % (0,95 м) разрушение льда Амурского залива начинается с величины площади поля 8-9 км2. Из-за постоянного движения, обусловленного ветром и преобладающими течениями, ледовый покров не бывает сплошным, а находится в различном состоянии сплоченности, что выражается в баллах: от 0 - чистая вода до 10 - сплошной лед (в среднем 7-8 баллов). В дрейфующем льде Амурского залива постоянно происходят динамические процессы столкновения, взаимное давление, трение по кромкам. Имеют место и статическое давление льда при значительных перепадах температур, подвижки льда, вызывающие сжатие. В период ослабления сжатий появляются трещины, разводья, валы битого льда на стыках ледовых полей.

Натурные исследования прочностных характеристик ледовых полей в Амурском заливе в районе бух. Перевозная до настоящего времени не проводились. В связи с этим весьма актуально осуществление серии экспериментов по определению не только прочностных характеристик льда, но также и фаз ледовых явлений (сроки наступления ледовых фаз, количество дней со льдом, границы, толщина припайного льда, снежный покров), динамики и морфологии ледяного покрова (дрейф льда, сроки дрейфа льда, направления дрейфа, размеры ледяных полей, устойчивость припая, сжатие льда, торосообразование).

Направление дрейфа льда и размеры льдин определялись по последовательным синоптическим сериям аэрофотографических и космических снимков самого высокого разрешения, выполненных в многоканальном режиме (радиолокационные перспективные проекции, световые спектрозональные снимки) за зимний сезон 2005/06 г.

Рис. 1. Космические снимки района мыса Ломоносова: а - начало движения ледового поля

Компьютерные снимки подвергались цифровой обработке и дешифрированию. Наиболее полезная информация содержится в радиолокационных снимках высокого разрешения. Эти снимки обычно производятся в косоугольных проекциях, не пригодных для картографических операций. Косоугольные радиолокационные проекции преобразовывались с помощью программного комплекса ENVI 3.5 Research systems для перевода контуров в картографически приемлемые проекции. Обработанные изображения переводились в систему Arc View, ArcMap или ArcGIS, посредством которой осуществлялась дальнейшая послойная их обработка. В работе приводятся космические снимки района мыса Ломоносова за 22 и 23 марта 2006 г., полученные с помощью прибора MODIS спутника Terra (рис. 1). По дан-

ным снимка можно установить скорость движения ледового поля, отколовшегося от припая 22 марта - после работы ледокола 18 марта 2006 г. - в вершине Амурского залива и достигшего через 24 ч района мыса Ломоносова. Скорость поля около 0,20 м/с, его размеры около

80 км 2.

Создание ледовой карты Амурского залива условно разбивалось на 7 основных этапов:

- привязка космического снимка;

- преобразование проекции снимка в картографическую;

- обрисовка ледовых зон;

- преобразование набора графических объектов в векторный слой карты;

- редактирование векторного слоя;

- создание многолетних статистических серий состояния ледового покрова по сезонам;

- разработка интегральной ледовой карты.

Для привязки растровых снимков использовалась оболочка ArcMap, которая снабжена специальным инструментом, позволяющим осуществлять данный процесс в интерактивном режиме. Вся картографическая информация преобразовывается в проекцию, совместимую со спутниковой GPS, для того чтобы можно было провести натурное соответствие выделяемых типов льда.

После привязки растрового изображения к выбранной географической системе координат обводятся зоны при помощи встроенного инструмента рисования графических объектов. Для этого используется один из двух вариантов рисования: 1) при помощи инструмента «ПОЛИГОН», с ометкой узловых точек как вершины полигона; 2) при помощи инструмента «ЛИНИЯ», с проведением границ между зонами в рамках некоторого контура. В любом случае программа ArcGis обеспечивает построение полигональных объектов.

В силу того что на одной карте необходимо воссоздавать многолетнюю динамику ледообразования и разрушения ледового покрова, изображения распределялись в многослойные пакеты по соответствующим ледовым фазам, каждый слой обрабатывался отдельно, а затем проводилось интегрирование многослойных пакетов в единое результирующее изображение.

При дешифровании аэрокосмической информации необходимо увязать выделяемые по снимкам поля с натурными наблюдениями. Косоугольная радиолокационная проекция сама по себе дает возможность в некоторых частотных диапазонах судить о качестве льда и о его толщине, однако для приведения этой информации в более полное соответствие с реальными процессами необходимы соответствующие натурные измерения. С этой целью по специально подготовленной картографической компьютерной основе проводилось документальное определение качественных и количественных характеристик льда в природных условиях.

Как полигоны для проведения натурных исследований использовались следующие хорошо различимые на космических снимках базовые точки: район косы Дараган в прол. Старка, район бухт Боярин и Воевода на о-ве Русский, район о-ва Скребцова (ст. Чайка), район мыса Песчаный, прибрежная зона мыса Перевозный, прибрежная зона мыса Ломоносова.

В заранее выбранных точках измерялись следующие характеристики: температура льда; температура воздуха; температура воды; толщина льда; соленость по слоям; температура слоев; покрытие снегом; прочность керна на сжатие по слоям. Измерение толщины льда и высверливание кернов проводилось с помощью кольцевого ледового бура. Толщина льда в точках измерений изменялась от 0,6 до 1,1 м.

В промежутках между точками бурения толщина льда измерялась с помощью многолучевого эхолота Furuno, излучатель которого помещен в наполненную водой пластиковую емкость. Емкость устанавливалась на зачищенную от снега и крошки поверхность льда, под нее наливалась вода для обеспечения лучшего контакта с этой поверхностью. Башмак излучателя устанавливался на расстоянии 40-50 см от дна емкости, с тем чтобы на эхограмме верхняя кромка льда четко фиксировалась. Собранная на санях установка перемещалась по ледяному полю с непрерывным отслеживанием траектории движения по спутниковой системе навигации GPS со встроенной картографической основой.

Показатели эхограммы и состояние ледовой поверхности периодически фиксировались с помощью цифровой фотокамеры.

Для определения предела прочности на сжатие по слоям высверливались цилиндрические керны диаметром около 15 см при длине 20-22 см (рис. 2). После высверливания небольшие концевые участки отпиливались для обеспечения перпендикулярности торцов к оси. Одновременно измерялась температура исследуемого слоя и плотность льда в этом слое. Разрушение керна производилось путем сжатия на специально сконструированном домкрате (прессе).

Рис. 2. Ледовый керн

При указанных размерах образцов максимальная разрушающая нагрузка на сжатие при пределе прочности льда а± = 2,5 МПа составляет 0,00384 МН (3763 кгс). Определение разрушающей нагрузки производилось в делениях силоизмерительного прибора с последующим пересчетом. Процесс шел по типичной схеме разрушения хрупкого материала с образованием трещин разрушения под углом около 45° к оси образца. В этих площадках растягивающие и сдвигающие напряжения равны по абсолютной величине. Местом зарождения начальных трещин являются поверхностные слои льда на границе образца и пресса. Трещины распространяются зигзагоообазно. Возникают многочисленные местные перенапряжения и сдвиги зерен по плоскостям скольжения. Это приводит к образованию множества трещин, и образец разламывается на большое число обломков. Процесс нагружения и разрушения фиксировался фотокамерой.

Напряжения, перпендикулярные плоскости поля, подсчитываются путем деления разрушающей нагрузки на площадь поперечного сечения образца. Напряжения вдоль плоскости поля определяются путем умножения на коэффициент 0,475, полученный как средний при испытаниях льда зал. Чайво Сахалинской области [2]. Обычно отношение ст||/ лежит в пределах от 0,4 до 0,5.

Полученные результаты усреднялись как по толщине поля, так и по точкам измерений. Всего в феврале и марте 2006 г. было испытано 13 точек.

Данные испытаний передела прочности на сжатие Яе вдоль плоскости поля и предел прочности на изгиб Я/ составили:

февраль - Яе (по всей толщине) = 1,255 ± 0,123 МПа;

март - Яе ср. (по всей толщине) = 0,911 ± 0,093 МПа,

Яе макс. (среднего слоя) = 1,297 ± 0,143 МПа;

февраль - Я/ (по всей толщине) = 0,502 ± 0,049 МПа;

март - Я/ ср. (по всей толщине) = 0,364 ± 0,037 МПа,

Я/макс. (среднего слоя) = 0,518 ± 0,057 МПа.

В «Заключении-рекомендациях по расчету ледовых нагрузок на опорные части подходной эстакады и нефтяных причалов», выполненной доктором технических наук, заведующим ОНИЛ морских гидротехнических сооружений МГСУ С.И. Рогачко [1], определены расчетным путем прочностные характеристики льда при его расчетной толщине 0,9 м и средней температуре воздуха за самую холодную шестидневку в марте (месяце основных подвижек льда) равной -10°. Результаты - Яе = 1,125 МПа, Я/ = 0,5 МПа - практически совпадают с данными, полученными при натурных испытаниях льда Амурского залива.

Необходимо отметить, что осредненная прочность льда в марте меньше прочности льда в феврале, однако прочность среднего слоя практически не меняется.

Расчетные данные послужили основанием для принятия предварительного решения: отказаться от строительства в районе мыса Ломоносова нефтеперегрузочного комплекса из-за неблагоприятных ледовых условий.

Литература

1. Заключение-рекомендации по расчету ледовых нагрузок на опорные части подходной эстакады и нефтяных причалов / МГСИ. - М., 2005. - 7 с.

2. Расчет ледовых нагрузок на мост через залив Чайво: отчет о НИР / ЗАО «Сахалинские проекты». - Южно-Сахалинск, 2002. -52 с.

3. Трубопроводная система «Восточная Сибирь-Тихий океан» (ВСТО). Первый пусковой комплекс нефти «Перевозная». 7210 К1-8-3-13(3601). Гидрометеорологические условия площадки: ТЭО / ОАО «ДНИИМФ», ОАО «ГИПРОТРУБОПРОВОД». -Владивосток, 2005. - 44 с.

© Беловицкий Е.М., Преображенский Б.В., Юрченко В.А., Цыбульник Т.А., 2008 г.