ПРИЧАЛЬНАЯ НАБЕРЕЖНАЯ НА РЕКЕ С ВЫСОКОЙ АМПЛИТУДОЙ КОЛЕБАНИЯ ЕЖЕГОДНЫХ УРОВНЕЙ ВОДЫ ПРИ ЛЕДОХОДЕ И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
BERTH ON RIVER WITH HIGH AMPLITUDE OF ANNUAL WATER LEVELS VARIATION IN CASE OF ICE FLOATING AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к области гидротехнических сооружений, а точнее к причальным набережным на реках с высокой амплитудой колебания ежегодных уровней воды при ледоходе, преимущественно для условий Севера.
Известна причальная набережная в виде гравитационной, свайной или шпунтовой стенки, а также сквозная на гравитационных или рамных опорах [1].
Выполнение причальной набережной в виде гравитационной стенки связано с высокими затратами, а все другие типы набережной имеют недостаточную устойчивость против воздействия высоких ледовых нагрузок, которые в условиях северных рек в период весенних подвижек и ледохода достигают сто и более тонн на погонный метр набережной [2].
Известна причальная набережная, включающая тонкую стенку из шпунта с несущими термосваями, которые покрыты теплоизоляционным слоем и обеспечивают замораживание грунта в основании, анкерное устройство и засыпку пазухи между стенкой и берегом [3].
Известная набережная недостаточно надежна в условиях высоких ледовых нагрузок, особенно при высоких амплитудах колебания ежегодных уровней воды при ледоходе. При этом термосваи обладают низкой ремонтопригодностью из-за нахождения в их полостях керосина, а их теплоизоляционный слой не защищен от непосредственного воздействия льда.
Известна причальная набережная на реке с высокой амплитудой колебания ежегодных уровней воды при ледоходе, включающая подпорную стенку из шпунта, анкерное устройство, засыпку пазухи между подпорной стенкой и берегом и замораживающую систему, обеспечивающую замораживание засыпки холодом атмосферного воздуха (жидкостные и парожидкостные устройства, замораживающие трубы) или холодом от холодильных установок [4].
Недостатки, препятствующие получению указанного ниже технического результата при использовании такой ближайшей причальной набережной, заключаются в следующем:
- высокие затраты при замораживании большого объема засыпки;
- высокие затраты при замораживании засыпки с использованием холодильных установок;
- сложность работ при замораживании засыпки холодом атмосферного воздуха посредством жидкостных и парожидкостных устройств, при этом такие замораживающие устройства создают неудобства при эксплуатации набережной;
- сложность работ по очистке замораживающих труб ото льда или инея в случае замораживания засыпки циркулирующим в замораживающих трубах атмосферным воздухом, что снижает надежность причальной набережной в целом и усложняет ее эксплуатацию.
Действительно, в результате оседания инея на внутренней поверхности замораживающих труб, работающих за счет циркуляции атмосферного холодного воздуха, ухудшаются условия теплопередачи, а гидравлические сопротивления существенно повышаются вплоть до полной закупорки замораживающих труб инеем и льдом [5].
При эксплуатации такой причальной набережной ее замораживающие трубы необходимо периодически очищать, например, путем их временного нагрева электрическим током и/или промывочной водой с последующим быстрым и полным удалением из замораживающих труб всей воды [5].
Периодический нагрев замораживающих труб снижает эффективность работы замораживающей системы, что снижает надежность причальной набережной в целом, а работы, связанные с удалением из замораживающих труб воды, усложняют эксплуатацию замораживающей системы, следовательно, и причальной набережной в целом. Все это препятствует получению указанного ниже технического результата.
Задачей, на решение которой направлены заявляемые причальная набережная на реке с высокой амплитудой колебания ежегодных уровней воды при ледоходе и способ ее эксплуатации, является экономия средств на создание причальной набережной и упрощение работ при ее эксплуатации.
Едиными техническими результатами, достигаемыми при осуществлении заявляемой группы изобретений, являются оптимизация местоположения и объема замораживаемой засыпки и упрощение работ, осуществляемых при эксплуатации замораживающей системы.
Указанная задача решается, а технические результаты достигаются тем, что причальная набережная на реке с высокой амплитудой колебания ежегодных уровней воды при ледоходе включает подпорную стенку из шпунта, анкерное устройство, засыпку пазухи между подпорной стенкой и берегом и замораживающую систему. Эта замораживающая система выполнена в виде, по меньшей мере, одной воздушной замораживающей трубы, которая расположена в засыпке вдоль подпорной стенки на заданном расстоянии от наружной поверхности засыпки и на заданном расстоянии от подпорной стенки. Замораживающая труба производит в холодный период года в засыпке утолщение узла сопряжения сезонного горизонтального мерзлого слоя и сезонного вертикального мерзлого слоя. Первый слой образуется возле наружной поверхностью засыпки, а второй - возле подпорной стенки. Замораживающая труба содержит сливной патрубок, выходное отверстие которого расположено выше уровня воды в реке в межень, а сам сливной патрубок снабжен запорным устройством и обеспечивает при открытом запорном устройстве самотечный выпуск из замораживающей трубы в реку воды, образовавшейся изо льда и/или инея при продувке замораживающей трубы в теплый период года. Низ утолщения узла смыкания расположен ниже расчетного минимального уровня воды в реке при ледоходе, и выполняются условия
а>с
и
в>к,
где а - расстояние замораживающей трубы от наружной поверхности засыпки;
с - толщина горизонтального мерзлого слоя перед первым после создания причальной набережной ледоходом;
в - расстояние замораживающей трубы от подпорной стенки;
к - толщина вертикального мерзлого слоя перед первым после создания причальной набережной ледоходом.
Дополнительно замораживающая система содержит герметизированный колодец, в пределах полости которого расположено запорное устройство сливного патрубка и герметизированный смотровой люк замораживающей трубы, которая имеет диаметр не менее 80 см.
Именно расположение замораживающей трубы в вышеуказанном месте засыпки и ее снабжение сливным патрубком, выполненным по указанным правилам и снабженным запорным устройством, способствует достижению заявляемой группой изобретений ранее указанных технических результатов.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе эксплуатации причальной набережной на реке с высокой амплитудой колебания ежегодных уровней воды при ледоходе, включающем подпорную стенку из шпунта, анкерное устройство, засыпку пазухи между стенкой и берегом и замораживающую систему, выполненную в виде воздушной замораживающей трубы, расположенной в засыпке и снабженной сливным патрубком, выходное отверстие которого расположено выше уровня воды в реке в межень и который снабжен запорным устройством, замораживание засыпки посредством замораживающей трубы производят атмосферным воздухом в холодный период года при закрытом на сливном патрубке запорном устройстве, а продувку замораживающей трубы производят атмосферным воздухом в теплый период года при открытом на сливном патрубке запорном устройстве.
Именно продувка замораживающей трубы атмосферным воздухом в теплый период года при открытом на сливном патрубке запорном устройстве обеспечивает самотечный выпуск из замораживающей трубы в реку воды, образовавшейся изо льда и/или инея при продувке замораживающей трубы, что упрощает работы при эксплуатации замораживающей системы.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен поперечный разрез причальной набережной.
Причальная набережная (далее: набережная) содержит выполненную из шпунта подпорную стенку 1 с бетонным оголовком 2, анкерное устройство, состоящее из анкерных тяг 3 и анкерных плит 4, засыпку 5, расположенную между подпорной стенкой 1 и берегом 6, и замораживающую систему, выполненную в виде, по меньшей мере, одной воздушной замораживающей трубы 7. Эта труба 7 расположена в засыпке 5 вдоль подпорной стенки 1 на расстоянии а от наружной поверхности 8 засыпки 5 и на расстоянии в от подпорной стенки 1. Замораживающая труба 7 производит в холодный период года в засыпке 5 утолщение 9 узла спряжения 10 сезонного горизонтального мерзлого слоя 11, образующегося под наружной поверхностью 8 засыпки 5, и сезонного вертикального мерзлого слоя 12, образующегося у подпорной стенки 1. При этом низ 13 утолщения 9 узла сопряжения 10 уже перед первым после создания набережной опускается ниже расчетного минимального уровня 14 воды в реке при ледоходе.
Замораживающая труба 7 содержит сливной патрубок 15, выходное отверстие 16 которого расположено выше уровня 17 воды в реке 18 в межень. Сливной патрубок 15 снабжен запорным устройством 19. При открытом запорном устройстве 19 сливной патрубок 15 обеспечивает самотечный выпуск из замораживающей трубы 7 в реку 18 воды, образовавшейся изо льда и/или инея при продувке замораживающей трубы 7 в теплый период года.
Местоположение замораживающих труб 7 в засыпке 5 определяется ранее указанными расстояниями а и в, которые назначают в зависимости от местных условий и с учетом теплотехнических расчетов, при этом выполняются условия
а>с
и
в>к,
где а - расстояние замораживающей трубы от наружной поверхности засыпки;
с - толщина горизонтального мерзлого слоя перед первым после создания набережной ледоходом;
в - расстояние замораживающей трубы от подпорной стенки;
к - толщина вертикального мерзлого слоя перед первым после создания набережной ледоходом.
Замораживающая система содержит герметизированный колодец 20, в пределах полости которого расположено запорное устройство 19 сливного патрубка 15 и герметизированный смотровой люк 21 замораживающей трубы 7. Эта труба 7 имеет диаметр не менее 80 см и продольный уклон в сторону колодца 20, местоположение которого в плане, как и вентиляционной установки 22 устанавливается проектом.
На чертеже имеются следующие дополнительные обозначения:
23 - уровень воды (зимой);
24 - граница многолетнемерзлых грунтов;
25 - граница вечномерзлых грунтов;
26 - ледовое поле;
27 - максимальный уровень воды в реке;
а - расстояние замораживающей трубы от наружной поверхности засыпки;
в - толщина горизонтального мерзлого слоя перед первым после создания причальной набережной ледоходом;
с - расстояние замораживающей трубы от подпорной стенки;
к - толщина вертикального мерзлого слоя перед первым после создания причальной набережной ледоходом;
в
Р - ледовая нагрузка при высоком ледоходе;
н
Р - ледовая нагрузка при низком ледоходе.
Набережная работает следующим образом.
В зимний период при низком уровне 23 воды в реке 18 и закрытом на сливном патрубке 15 запорном устройстве 19 посредством вентиляционной установки 22 осуществляют циркуляцию по замораживающей трубе 7 атмосферного воздуха. К концу зимы в засыпке 5 в результате естественного промерзания образуется вертикальный мерзлый слой горизонтальный 11 возле наружной поверхности 8 и вертикальный мерзлый слой 12 возле подпорной стенки 1, а в результате искусственного промораживания замораживающей трубой 7 образуется утолщение 9 узла сопряжения 10 мерзлых слоев горизонтального 11 и вертикального 12.
При задействовании ежегодно замораживающей трубы 7 в условиях Севера внутренняя граница горизонтального мерзлого слоя 11 и утолщения 9 перемещается вовнутрь засыпки 5 с образованием в засыпке 5 многолетнемерзлых грунтов с внутренней границей 24. Одновременно с этим граница 25 вечномерзлых грунтов берега 6 медленно перемещается в сторону засыпки 5 вплоть до промерзания всей верхней половины засыпки 5. Относительно большой диаметр замораживающей трубы 7 обеспечивает ее высокую ремонтопригодность и позволяет в первую же зиму проморозить засыпку 5 во все стороны на 4-5 м на всей ее длине.
в
н
Как при высоком уровне ледового поля 26, так и при его низком уровне ледовые нагрузки соответственно Р и Р воспринимаются подпорной стенкой 1 и передаются на мерзлый грунт засыпки 5, а через него - на вечномерзлый берег 6. За счет этого обеспечивается устойчивость набережной при любом уровне ледохода. Без такого искусственного промораживания засыпки 5 несущая способность мерзлых слоев, горизонтального 11 и особенно вертикального 12, работающей при низком ледоходе на изгиб, может оказаться недостаточной. В этом случае происходит выпор засыпки 5, разрушаются оголовок 2 и нарушаются замковые соединения между шпунтами, причем главным образом при низком ледоходе, что приводит к высоким эксплуатационным затратам на ремонтные работы.
Мерзлые грунты не создают активное давление на вертикальную стенку. Однако при выборе материала засыпки следует учитывать деформируемость грунтов при их замораживании. Грунты должны быть непучинистыми, а увеличение их объема при замораживании не должно вызывать перенапряжение в элементах анкерного устройства.
Особенность эксплуатации описанной причальной набережной заключается в следующем:
- замораживание засыпки посредством замораживающей трубы 7 производят атмосферным воздухом в холодный период года при закрытом на сливном патрубке 15 запорном устройстве 19;
- продувку замораживающей трубы 7 производят атмосферным воздухом в теплый период года при открытом на сливном патрубке 15 запорном устройстве 19.
Продувку замораживающей трубы 7 производят после обнаружения в полости замораживающей трубы 7 льда и/или инея. О состоянии полости в замораживающей трубе 7 судят по гидродинамическим параметрам воздушного потока, а также визуальным наблюдением, осуществляемым при снятом в колодце 20 люке 21. Образовавшаяся при продувке изо льда и/или инея вода по сливному патрубку 15 самотеком выходит из замораживающей трубы 7 в реку 18.
При эксплуатации причальной набережной для сохранения работоспособности замораживающей трубы 7 необходимо обеспечение водонепроницаемости подтапливаемого со стороны реки 18 запорного устройства 19, а также необходимо предотвращение проникновения воды в колодец 20.
Источники информации
1. Джунковский Н.Н. и др. Порты и портовые сооружения. Ч.II. - М.: Стройиздат, 1967. С.145-146.
2. Кореньков В.А. и др. Воздействие льда на гидротехнические сооружения // Транспортное строительство, 1982, №10.
3. Авторское свидетельство СССР №1092234, кл. Е02В 3/06, опубл. 15.05.1984.
4. Будин А.Я. Тонкие подпорные стенки для условий Севера. - Л.: Стройиздат, 1982. С.9-29.
5. Анисимов В.А. Восстановление работоспособности замораживающих колонок плотин // Гидротехническое строительство, 1973, №2.