Волногаситель комбинированный модульный

Полезная модель относится к гидротехническим устройствам и предназначена для защиты акваторий, берегов и инженерных сооружений от волновых воздействий, а именно для гашения энергии волн.
Известен «Плавучий волнолом» по патенту RU № 2434991 (опубл. 27.11.2011), включающий пустотелые емкости, и состоящий из полых труб с диаметром 0,04÷0,07 длины расчетной волны, например, с наполненными воздухом гофрами, расположенных в горизонтальной плоскости перпендикулярно к продольной оси волнолома, укрепленных в несколько рядов по высоте.
Недостатком данной конструкции является недолговечность конструкции из-за коррозионной уязвимости и недостаточной стойкости в морской воде, при этом данная конструкция не препятствует проходу подводной волны, что не защищает основание береговой полосы от размывания и уноса грунта.
Известен волногаситель, по патенту RU№189520 (опубл. 24.05.2019),содержащий в качестве волногасящих элементов трубы, собранные в объемную конструкцию, при этом конструкция состоит из труб базы-обрешетки и труб гребенки, при этом первая часть труб базы-обрешетки размещена параллельно друг другу и выполнена с рядом сквозных отверстий, а вторая часть труб базы-обрешетки размещена перекрестно и проходит через сквозные отверстия первой части труб базы-обрешетки, при этом трубы гребенки размещены вертикально в отверстиях, выполненных вдоль оси в теле первой части труб базы-обрешетки, причем трубы базы-обрешетки и трубы гребенки выполнены из композиционного материала, а трубы гребенки зафиксированы в отверстиях труб базы-обрешетки путем заливки полимерного материала в трубы базы-обрешетки, плотность которого позволяет базе конструкции оставаться на плаву постоянно в приповерхностном слое воды.
Недостатком данной конструкции является то, что она не препятствует проходу подводной части волны, что не защищает основание береговой полосы от размывания и уноса грунта. Эти данные подтверждены в отчёте об исследованиях Филиала АО ЦНИИС «Научно-исследовательский центр «Морские берега» (Филиал АО ЦНИИС «НИЦ «Морские берега») в апреле 2019 г.
Известны также донные волноломы, выступающие над водой, которые могут гасить и верхнюю часть волны, но  из-за сложности строительства в море и высокой цены конструкции  они эффективны только при слабых штормах с небольшой высотой волны. При этом не предотвращается проход к берегу наиболее разрушительной верхней части волны при сильных штормах, создается эффект заплеска и нагонов в заволноломном пространстве, что не обеспечивает должную защиту берега от наиболее опасных волн. Кроме того, большинство традиционных волноломов - сплошные камнебетонные, они работают как дамба и прерывают свободный водообмен, естественные течения и перенос грунтов, создают за собой застойные «мертвые» зоны, что негативно сказывается на экологии. Для обеспечения минимального водообмена эти волноломы должны иметь значительные промежутки, что снижает их волногасящий эффект.
Существенным негативным моментом сплошных волноломов является то, что они создают волноотбойный эффект, который приводит к ускоренному вымыванию прочного коренного берега перед такими волноломами и на соседних участках побережья.
Традиционные донные подводные волноломы в большинстве вариантов не могут гасить верхнюю наиболее разрушительную часть волны, а существующие решения по донным волноломам, выступающим над водой, стоят дорого, требуют длительных работ и создают экологические проблемы.
Проницаемость для водообмена и меньший волноотбойный эффект дают свайные подводные волноломы, но в камнебетонном исполнении они тоже обычно расположены ниже уровня спокойного моря и не гасят верхнюю часть штормовых волн. Существует донный свайный волногаситель «Гребенка» (патент RU № 187014, опубл. 13.02.2019), который имеет возможность гасить как подводную, так и верхнюю часть волны. Это достигается за счет высоких свай, выступающих из воды на нужную высоту, но они портят внешний вид акватории, что неприемлемо для побережий, используемых для рекреационных целей, или для знаковых культурно-исторических объектов.
Таким образом, стоит проблема создания устройства, сочетающего преимущества как донных, так и плавучих волноломов, и позволяющего перехватывать волны на всю их высоту практически в любых условиях волнения.
Известен комбинированный волнолом по патенту RU 189521 (опубл. 24.05.2019), принятый за прототип. Комбинированный волнолом по патенту RU 189521 состоит из свайной донной части и проницаемой плавучей части, что решает задачу перекрытия подводной и верхней части волны без создания негативного волноотбойного эффекта. При этом конструкция изготавливается из долговечных и прочных композитных материалов, что обеспечивает её длительную работу в агрессивной морской среде. Установка такого комбинированного волнолома требует в 15-20 раз меньше времени, чем традиционных камнебетонных аналогов. Но предусмотренная в указанном патенте плавучая часть имеет некоторые недостатки: конструкция сложна в сборке и перевозке, установке и подгонке, её стоимость относительно высока.
Предлагаемой полезной моделью решается задача создания конструкции комбинированного донно-плавучего волногасителя с повышенной волногасящей способностью с охватом всей высоты волны практически в любых условиях волнения, долговечного при эксплуатации в морской воде, но при этом достигается снижение материалоемкости и стоимости, ускорение и удешевление монтажа, появляется возможность быстрого ремонта на месте.
Технический результат состоит в создании конструкции комбинированного донно-плавучего волногасителя с повышенной волногасящей способностью, с охватом всей высоты волны практически в любых условиях волнения, за счёт более эффективного разрушения кинетической энергии волн на всю их высоту благодаря гибкости и упругости конструкции волногасителя, за счет изменяемой высоты волногасителя, при повышенной долговечности в морской воде, снижения материалоемкости и стоимости, ускорения и удешевлении монтажа по сравнению с существующими сооружениями, в т.ч. по сравнению с комбинированным волноломом из композитных материалов по патенту RU 189521.
Для достижения указанного технического результата волногаситель комбинированный модульный выполнен в виде объемной конструкции из труб и состоит из двух частей: нижняя и верхняя части, каждая из них состоит из горизонтально расположенных труб базы-обрешетки и вертикально расположенных труб гребенки, верхняя часть комбинированного волногасителя состоит из труб базы-обрешетки, располагаемых параллельно трубам базы-обрешетки нижней части, при этом первая часть труб верхней и нижней базы-обрешетки размещены параллельно друг другу, причем в каждой трубе выполнен ряд боковых сквозных отверстий, а вторая часть труб базы-обрешетки размещены перекрестно первой части труб и параллельно друг другу и проходят через ряд боковых сквозных отверстий первой части труб базы-обрешетки, а трубы гребенки верхней и нижней части размещены вертикально в отверстиях, выполненных в ряд  вдоль оси в теле первой части труб верхней и нижней базы-обрешетки, при этом трубы базы-обрешетки и трубы гребенки выполнены из композитного материала, а трубы гребенки нижней части имеют меньший диаметр по сравнению с трубами гребенки верхней части, а трубы гребенки верхней части имеют больший диаметр по сравнению с диаметром труб гребенки нижней части, при этом трубы гребенки нижней части размещаются в трубах гребенки верхней части с возможностью перемещения последних вверх-вниз вдоль своей оси, а трубы базы-обрешетки нижней части заполнены бетоном, а также трубы базы-обрешетки верхней части герметично заварены с обоих торцов, трубы гребенки верхней и нижней части подвижно соединены друг с другом.
Отличительными признаками предлагаемого комбинированного волногасителя от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что трубы гребенки нижней части имеют меньший диаметр по сравнению с трубами гребенки верхней части, а трубы гребенки верхней части имеют больший диаметр по сравнению с диаметром труб гребенки нижней части, при этом трубы гребенки нижней части размещаются в трубах гребенки верхней части с возможностью перемещения последних вверх-вниз вдоль своей оси, а трубы базы-обрешетки нижней части заполнены бетоном, а также трубы базы-обрешетки верхней части герметично заварены с обоих торцов, трубы гребенки верхней и нижней части подвижно соединены друг с другом.
Благодаря наличию этих признаков в предлагаемой конструкции волногасителя комбинированного повышается волногасящая способность, с охватом всей высоты волны практически в любых условиях волнения, повышается долговечность, снижается материалоемкость конструкция, упрощается, ускоряется и удешевляется монтаж и ремонт/модернизация конструкции.
Благодаря тому, что трубы гребенки верхней части конструкции имеют больший диаметр, чем трубы гребенки нижней части, это позволяет трубам гребенки верхней части свободно ходить вверх-вниз поверх труб гребенки нижней части без риска заклинивания. В спокойном положении верхняя часть конструкции лежит на нижней части, трубы гребенки нижней части вставлены внутрь труб гребенки верхней части. В случае, когда высота волн превосходит высоту труб гребенки нижней части, то благодаря заданной и регулируемой плавучести верхняя часть всплывает с поднявшейся волной и трубы-сваи гребенки создают проницаемый свайный многорядный волнолом на всю высоту нижней и верхней части и перехватывают волны практически любой высоты (возможно в диапазоне от уровня дна до 36 метров).
Предлагаемая конструкция иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показан общий вид комбинированного волногасителя в аксонометрической проекции в сборе с верхней частью;
на фиг. 2 показан общий вид комбинированного волногасителя в аксонометрической проекции (в случае, если высота волн превосходит высоту труб гребенки);
на фиг. 3 показан вид спереди комбинированного волногасителя;
на фиг. 4 - вид сбоку комбинированного волногасителя;
на фиг. 5 - вид сверху комбинированного волногасителя;
где 1 - нижняя часть объемной конструкции комбинированного волногасителя, 2 - верхняя часть объемной конструкции, 3 - трубы верхней базы-обрешетки, 4 - трубы нижней базы-обрешетки, 5 - трубы гребенки верхней части, 6 - трубы гребенки нижней части, 7 - боковые сквозные отверстия в трубах верхней базы-обрешетки 3, 8 - боковые сквозные отверстия в трубах нижней базы-обрешетки 4, 9 - отверстия в теле труб нижней базы-обрешетки 4.
Нижняя 1 и верхняя 2 части комбинированного волногасителя представляет собой конструкцию, собранную из труб верхней и нижней базы-обрешетки 3 и 4 и труб гребенки верхней и нижней части 5 и 6. Первая часть труб верхней и нижней базы-обрешетки 3 и 4 размещены параллельно друг другу, причем в каждой трубе выполнен ряд боковых сквозных отверстий, а вторая часть труб базы-обрешетки 3 и 4 размещены перекрестно первой части труб и параллельно друг другу и проходит через ряд боковых сквозных отверстий 7 и 8 первой части труб базы-обрешетки. Трубы гребенки 6 размещены вертикально в отверстиях 6, выполненных в ряд и вдоль оси в теле первой части труб базы-обрешетки 4. Трубы базы-обрешетки 3 и 4 - это несколько параллельных рядов основных труб большого диаметра первой части базы обрешетки 3 и 4, либо соединенных между собой второй частью поперечных труб базы-обрешетки 3 и 4 меньшего диаметра и образующих решетку, при этом поперечные трубы меньшего диаметра проходят через тело основных труб, либо устанавливаются отдельно на каждый ряд. Трубы гребенки 5 и 6 - это вертикально установленные трубы малого диаметра, которые с определенным промежутком устанавливаются в первой части труб базы-обрешетки 3 и 4. Трубы гребенки 5 и 6 размещены с заданной периодичностью вертикально в отверстиях, выполненных в первой части труб базы-обрешетки 3. При этом трубы гребенки 6 нижней части 1 направлены вверх, а трубы гребенки 5 верхней части 2 направлены вниз. Высота (до 24 м для труб гребенки 6 нижней части 1 или до 12 м для труб гребенки 5 верхней части 2), плотность установки и возможная ступенчатость труб гребенки 5 и 6 определяется конкретным местом размещения волногасителя для решения задачи по максимально эффективному разрушению кинетической энергии волн по всей их высоте. Решетка, образованная трубами базы-обрешетки 4 нижней части 1, является базой конструкции и находится на дне, а конструкция, образованная трубами базы-обрешетки 3 верхней части 2 находится в приповерхностном слое воды, при этом благодаря большему диаметру труб гребенки 5 верхней части 2, при этом они свободно ходят поверх труб гребенки 6 нижней части 1 конструкции. В спокойном положении верхняя часть 2 конструкции лежит на нижней части 1, трубы гребенки 5 верхней части 2 находятся поверх труб гребенки 6 нижней части 1. В случае если высота волн превосходит высоту труб гребенки 6 нижней части 1, плавучая верхняя часть 2 всплывает в поднявшейся волне и трубы гребенки 5 создают проницаемый свайный многорядный волнолом на всю высоту нижней 1 и верхней 2 частей и перехватывают волны практически любой высоты в диапазоне до 36 метров от уровня дна. На внутренней поверхности труб нижней части 1 волнолома и на наружной поверхности верхней части 2 труб донной части волнолома выполнены уплотнительные узлы, которые за счет увеличенных диаметров на концах труб предохраняют от самопроизвольного рассоединения труб верхней части 2 и нижней части 1, если высота волны окажется больше, чем длина труб верхней части 2. Такие уплотнительные узлы могут быть выполнены за счет буртов различной формы, муфто-ниппельных, муфто-резьбовых и клеевых муфтовых соединений. Решения по предотвращению разъединения могут быть также выполнены за счет штифтов, устанавливаемых в нижней части труб плавучей части волнолома и в верхней части труб донной части волнолома.
Конструкция нижней части волногасителя, в которой трубы базы обрешетки заполнены бетоном, обеспечивает устойчивость всего сооружения на дне, а верхняя плавучая часть волногасителя имеет заданную и регулируемую отрицательную плавучесть, что позволяет ей оставаться постоянно в приповерхностном слое воды, и трубы-сваи гребенки нижней и верхней части разбивают как верхнюю, так и нижнюю часть волны в диапазоне до 36 метров от уровня дна. При защите, к примеру, акваторий портов, необходимо учитывать их глубину. Волногасители с одной стороны должны иметь возможность располагаться как на больших, так и на небольших глубинах. Выполнение труб гребенки нижней части высотой до 24 м, а труб гребенки верхней части - высотой до 12 м, с возможностью перемещения вдоль своей оси, позволяет учесть эти особенности. По двенадцатибалльной шкале Бофорта максимальная высота волны во время сильного шторма достигает 12,5 м, во время жестокого, крайне редкого, шторма - 16 м, при расположении на дне на глубине до 24 м, комбинированный волногаситель обеспечит защиту от таких волн. Таким образом, предлагаемый комбинированный волногаситель обеспечивает волногасящую способность с охватом всей высоты волны практически в любых условиях волнения на море. При этом вертикальные трубы гребенки из упругого композитного материала будут создавать амортизационный эффект и разбивать ламинарный поток воды, превращая его в турбулентный, снижая кинетическую ударную энергию волны. Сооружение из композитного материала в морской среде будет долговечнее практически любого аналога. Композитные трубы легко обрабатываются, благодаря чему устройство может быть легко изготовлено и смонтировано, удешевляется стоимость конструкции. Благодаря отсутствию удерживающего каркаса, уменьшению количества труб в объемной конструкции уменьшается материалоемкость по сравнению с ближайшим аналогом. Монтаж собранного устройства проще и дешевле.
Закрываемая конструкцией ширина по фронту волны составляет до 10-12 метров, количество рядов труб в базе-обрешетке может варьироваться. С учётом конкретных местных условий могут применяться трубы разных диаметров и длины. Частота установки труб гребенки и их длина также определяется местными условиями. Конструкция комбинированного волногасителя является сборной, собирается на берегу или на судне, с которого происходит спуск на воду, и мобильной (может устанавливаться в любом месте и перемещаться на другие участки). Трубы гребенки нижней части после установки в отверстиях труб базы-обрешетки нижней части фиксируются в них путём заливки бетона в трубы базы-обрешетки. Трубы гребенки верхней части одеваются на герметично закрытые трубы базы-обрешетки, после чего они одеваются на трубы гребенки нижней части с меньшим диаметром. Трубы гребенки верхней и нижней части снабжаются техническими приспособлениями утолщения, штифты, кольца, стропы, которые не позволяют трубам гребенки верхней части при всплытии несанкционированно полностью разъединиться с нижней частью. Конструкция комбинированного волногасителя остается разъемной, она может перемещаться на другие участки акватории или подниматься на берег.
Комбинированный волногаситель выполнен из композиционного материала, например, стеклопластиковых, стеклобазальтопластиковых, базальтопластиковых труб.
Предлагаемая конструкция комбинированного донно-плавучего волногасителя реализована в проекте Волногасителя комбинированного модульного.