Гидротехнические устройства

Под портовыми гидротехническими сооружениями понимаются устройства и оборудования, предназначенные для улучшения использования водных путей, безопасной организации портовых работ и обеспечения сохранности портово-пристанского хозяй­ства.

К гидротехническим устройствам порта относятся причальные, отбойные, швартовные, берегоукрепительные и оградительные сооружения.

Причальные сооружения
Причальными сооружениями называют гидротехнические сооружения, являющиеся основным элементом причала и предназначенные для швартовки и стоянки судов при производстве перегрузочных операций, посадки-высадки пассажиров, снабжения флота.

 

 

Рисунок 5.4 – Схемы расположения причальных сооружений: а – фронтальная; б – пирсовая; в – бассейновая

Классификация причальных набережных и условия их применения

Причальные сооружения классифицируются по назначению, расположению в плане, типу конструкций, материалу изготовления, способу строительства.

По назначению причалы специализируются в зависимости от рода перерабатываемых грузов, направления грузопотока, типа и характеристик швартующихся судов и других условий.

В зависимости от расположения в плане различают следующие виды причальных сооружений:

а) причальные набережные, которыми называют сооружения по всей своей длине, примыкающие к берегу;

б) пирсы – сооружения, выступающие в акваторию и расположенные под углом к береговой полосе;

в) эстакады – сооружения, вынесенные на акваторию и соединенные с берегом стационарными или плавучими мостками;

г) бычки и палы – отдельно стоящие опоры, располагаемые в русле, к которым швартуются плоты, секции плотов или суда в ожидании их обработки;

д) плавучие причалы.

При проектировании причальных сооружений береговых лесных складов применяются разные типы конструкций. В поперечном сечении причалы могут иметь вертикальную, откосную, полуоткосную и полувертикальную форму профилей (рис. 1.1).

Причальная набережная вертикального профиля (рис. 1.1, а) наиболее удобна для швартовки и стоянки судов и плотов. Однако при больших колебаниях уровней воды и значительной глубине акватории причал оказывается громоздким, что приводит к значительным затратам на его строительство и эксплуатацию.

При наличии устойчивых естественных береговых откосов причальные сооружения откосного профиля наиболее просты по конструкции и требуют наименьших капитальных затрат на их возведение. Недостаток причалов откосного профиля состоит в том, что они менее удобны для швартовки и стоянки судов и плотов, а при низком стоянии уровней воды для производства перегрузочных операций у них требуются краны с большим вылетом стрелы. При эксплуатации причалов откосного профиля удобство для швартовки и стоянки судов создают при помощи промежуточных плавучих причалов из понтонов, имеющих подвижную связь с береговым откосом (рис. 1.1, б).

 

 

Рис. 1.1. Схемы поперечных профилей:
а – вертикальная; б – откосная; в – полуоткосная; г – полувертикальная:
УВП – уровни весеннего половодья; УМВ – меженные уровни

Полуоткосные и полувертикальные причальные набережные по условиям эксплуатации занимают промежуточное положение по сравнению с причалами вертикальной и откосной формы (рис. 1.1, в, г).

 

По конструктивно-расчетным признакам причальные сооружения подразделяются на гравитационные, типа тонкой стенки (больверки),свайные (с высоким свайным ростверком) и смешанные, схемы которых приведены на рис. 1.2.

Гравитационные причальные сооружения (рис. 1.2, а) являются разновидностью подпорных стенок, устойчивость которых на сдвиг, опрокидывание и пр. обеспечивается их собственным весом. Гравитационные причальные сооружения громоздки, капитальные затраты на их возведение высокие, поэтому их обычно строят на плотных грунтах, на скальном, каменном и галечниковом основании, т.е. в тех случаях, когда грунты не допускают забивки свай, шпунта. К гравитационным относятся следующие типы причальных сооружения: ряжевые, из массивной кладки и из массивов – гигантов, уголковые набережные и сооружения из оболочек большого диаметра.

 

 

Рис. 1.2. Примеры конструкций причальных сооружений:
а – гравитационные; б – типа тонкой стенки (больверк);
в – свайные (с высоким свайным ростверком):
1 – железобетонные массивы; 2 – шпунтовая стенка; 3 – анкерная тяга;
4 – анкерная плита; 5 – сваи

Причальные сооружения типа тонкой стенки (больверки) возводятся из металлических, деревянных или железобетонных элементов различного поперечного сечения (прямоугольных, тавровых, двутавровых, кольцевых и др.). Больверк может быть заанкерованным, т.е. иметь анкерное устройство (рис. 1.2, б), при этом устойчивость стенки частично обеспечивается анкерной плитой. При отсутствии анкерного устройства устойчивость сооружения достигается защемлением стенки в грунте основания.

Свайные (сквозные) сооружения устраиваются на отдельных опорах (сваях). Свайные сооружения с высоким свайным ростверком представляют собой конструкцию, в которой верхняя часть свайного фунда- мента выполнена в виде плиты или балки, служащих для равномерной передачи нагрузки на сваи (рис. 1.2, в).

К причальным сооружения смешанного типа относятся такие, в состав которых входят элементы, характерные для нескольких типов причальных сооружений.

В зависимости от вида применяемых материалов причальные сооружения подразделяются на деревянные, металлические, бетонные, железобетонные и смешанные (из нескольких видов материалов).

В лесных портах и на береговых лесных складах для строительства причальных сооружений широко применялась древесина. Однако применение древесины для причальных сооружений может быть рекомендовано только для тех элементов, которые постоянно расположены ниже уровня воды, где исключено гниение древесины.

Для причальных сооружений береговых лесных складов рекомендуется преимущественное применение сборных железобетонных конструкций и причалов в виде сплошной тонкой стенки (больверки) из железобетонного или металлического шпунта. Опыт строительства и эксплуатации причалов из стального шпунта показал их эффективность и преимущества в экономическом плане по отношению к другим конструкциям.

При строительстве причальных набережных из сборных железобетонных элементов используют унифицированные железобетонные детали. Эти сооружения, предназначенные для строительства по типовым проектам на реках, озерах и водохранилищах причалов высотой от 4 до 15 метров, включают 6 основных типов конструкций, приведенных на рис. 1.3, а–е:

– из заанкерованного железобетонного шпунта (рис. 1.3, а);

– из незаанкерованного шпунта (1.3, б);

– уголкового профиля с анкеровкой за фундаментную плиту (1.3, в);

– уголкового профиля с анкеровкой за анкерную плиту (1.3, г);

– из массивов – гигантов с надстройкой (1. 3,д);

– козлового типа (1.3, е).

Перечисленные конструкции причальных сооружений имеют однотипные детали, обладают большой экономичностью и высоким коэффициентом сборности.

Причальная набережная из заанкерованного железобетонного шпунта (рис. 1.3, а) состоит из трех основных деталей: шпунта таврового сечения 5 из предварительно напряженного железобетона, железобетонных анкерных плит 3 и анкерных тяг 2 из круглой стали. В верхней части стенки устанавливается шапочный брус 1 из монолитного железобетона, на котором крепятся швартовые тумбы. При большой высоте причальной набережной (свыше 9,5 м) швартовые тумбы устанавливают в специально устроенных нишах, которые располагаются по высоте причала в 2–3 яруса. Между отдельными шпунтинами имеются металлические замки, препятствующие проникновению грунта через швы стенки. Анкерные тяги собираются из отдельных двух или трех звеньев, соединенных между собой с помощью натяжных муфт. Анкерные тяги прикрепляются к шпунту и к анкерным плитам при помощи шарниров, представляющих собой узлы из стальных пальцев, вставляемых в проушины тяг.

При строительстве причальных набережных небольшой высоты (до 5 м) применяются стенки из незаанкерованного железобетонного шпунта (рис. 1.3, б).

Причальные набережные уголкового профиля относятся к гравитационному типу сооружений. Благодаря простоте конструкции, надежности и высокой экономичности они получили большое распространение в отечественном портостроении.

Набережная стенка уголкового профиля с анкеровкой за фундаментную плиту (рис. 1.3, в) состоит их железобетонного вертикального элемента 6, высотой до 12 м, фундаментной плиты 8 шириной (по фронту) от 1,5 до 3 м и металлической анкерной тяги 2, соединенной с плитой посредством шарнира. Жесткость сооружения обеспечивается шапочной бетонной или железобетонной балкой 1, в которую заделываются арматурные выпуски из сборных элементов. Через каждые 20–25 м в шапочной балке 1 устраиваются температурно-осадочные швы, разделяющие стенку на секции. В каждой секции имеются тумбовые массивы с причальными тумбами.

 

 

Рис. 1.3. Типовые конструкции причальных сооружений:
а – из заанкерованного шпунта; б – из незаанкерованного шпунта; в – уголкового профиля с анкеровкой за фундаментную плиту; г – уголкового профиля с анкеровкой за анкерную плиту; д – из массивов гигантов с надстройкой; е – козлового типа;
1 – шапочный брус; 2 – анкер; 3 – анкерная плита; 4 – грунт засыпки; 5 – железобетонный шпунт; – вертикальный элемент; 7 – днище массива; 8 – фундаментная плита;
9 – каменная постель; 10 – основание; 11 – элемент надстройки; 12 – массив гигант;
13 – шапочная балка; 14 – ростверк; 15 – анкерная свая

Причальное сооружение уголкового профиля с креплением за анкерную плиту (рис. 1.3, г) имеет аналогичную конструкцию и отличается лишь типом крепления.

Причальные набережные из массивов-гигантов (рис. 1.3, д) собираются из железобетонных оболочек в форме прямоугольных параллелепипедов 12 длиной от 15 до 30 м, высотой от 4,5 до 6,5 м и шириной 6–8 м. К месту установки массивы-гиганты подводят на плаву, а затем постепенным заполнением секций водой их погружают на заранее подготовленную каменную постель, после чего отсеки заполняют
песчаным грунтом.

Конструкция причальной набережной козлового типа (рис. 1.3, е) представляет собой шпунтовую стенку 5, закрепленную к забитым с уклоном 1:3 сваям 15. Верхняя часть шпунта и свай омоноличены при помощи железобетонной шапочной балки.

Строительство причальных сооружений обычно ведут двумя способами: «насухо» и «в воду». Строительство «насухо» осуществляют на объектах, которые располагаются в средней и нижней частях водохранилищ до их накопления, а также при возведении конструкций за перемычкой. Строительство «в воду» производится на свободных участках рек и на водохранилищах после их наполнения.

Рекомендуемые условия применения причальных сооружений из унифицированных сборных железобетонных элементов приведены в табл. 1.5

Таблица 1.5

Условия применения

Конструкция причальной набережной	Рекомендуемые условия применения и строительства
Из заанкерованного железобетонного* шпунта (рис. 1.3, а)	Для грунтов, допускающих погружение шпунта; высота сооружения от 4 до 11 м; преимущественно при строительстве «в воду»
Из незанкерованного шпунта (рис. 1.3, б)	Для грунтов, допускающих погружение шпунта; высота сооружения до 5 м; преимущественно при строительстве «в воду»
Уголкового профиля с анкеровкой за фундаментные или анкерные плиты (рис. 1.3, в, г)	При строительстве «насухо» для любых грунтов; высота сооружения от4 до 14 м
Из массивов-гигантов с надстройкой (рис. 1.3, д)	Для плотных грунтов основания и других грунтов, затрудняющих погружение шпунта; высота сооружения более 9 м; при строительстве «в воду»
Козлового типа (рис. 1.3, е)	Для грунтов, допускающих погружение шпунта; высота сооружения от 4 до 8 м; при строительстве «в воду» и при береговой полосе, затрудняющей установку анкерных опор

 

 

Отбойные и швартовные устройства
процессе обработки флота в речном или морском порту необходимо, чтобы его причальные соору­жения не подвергались ударам и навалам со стороны судов, а крепление судна во время швартовки было надежным. Для этих целей причальные сооружения оснащают отбой­ными устройствами и швартовными приспособлениями.

Отбойные устройства предназначаются для смягчения удара во время привала судов и предохранения причальных сооружений и судов от повреждения.

Все отбойные устройства должны удовлетворять требованиям Правил технической эксплуатации и, в частности, обладать упругостью для смягчения удара, иметь гладкую поверхность (так как выступы могут нанести поврежде­ния судну), быть удобными для швартовных операций.

Существует несколько конструкций отбойных устройств: палы, отбойные стенки, отбойные деревянные рамы, кран­цы и др.

Отбойные палы бывают двух типов – несколько свай (не менее трех), наклонно прибитых к средней, находящейся в вертикальном положении (жесткие палы), или несколько вертикально забитых свай, связанных между собой (упругие палы).

Отбойные стенки представляют собой палы, попарно соединенные между собой и размещаемые на некотором расстоя­нии друг от друга.

Отбойные брусья крепят в вер­тикальном положении к лицевой грани набережной стенки, что обеспечивает плавное перемещение судна по вертикали вследст­вие изменения уровня воды или осадки судна во время произ­водства грузовых работ. Брусья изготовляют из твердых пород дерева.

Кранцы являются подвижным типом отбойного приспособле­ния и состоят из веревочных сеток, заполненных мягким мате­риалом, например пенькой, резиновых труб, гирлянд старых ав­топокрышек и др. Они прикрепляются к набережной стенке и по мере изменения уровня воды поднимаются или опускаются.

Швартовные приспособления – рымы, причальные тумбы, скобы и плавучие причальные устройства бочки – предназнача­ются для крепления судна к причальному сооружению во время стоянки.

Рым (рисунок 5.9) представляет собой железный стержень, вмонтированный в причальное сооружение, сквозь ушко которого продето желез­ное кольцо. Подаваемые с судна швартовые снасти закрепляются за это кольцо. Рымы размещают таким образом, чтобы они не выходили за наружные габариты отбойных устройств. Применя­ются они, как правило, для швартовки малых судов.

 

 

 

а) б)

в) г)

Рисунок 5.9 – Швартовные устройства:

а – тумба; б – скоба; в – скоба с тумбой; г – рым
Тумбы и скобы используют для швартовки крупных судов. Они вы­полняются из металла и надежно крепятся к стенке причала. Если стенки причала массивные, то тумбы устанавливают не только наверху, но и в нишах, находящихся на соответствующих уровнях.

Для швартовки судов на рейде или в портах-убежищах слу­жат швартовные бочки. Швартовная бочка представляет собой стальной корпус, внутри которого закреплена стальная труба, возвышающаяся над уровнем воды. К нижнему концу трубы крепятся якорная цепь и балласт для увеличения остойчивости конструкции. Внутри трубы находится швартовный трос с противове­сом, конец которого в виде петли свисает с трубы. При швартовке судна багром зацепляется петля троса и надевается на кнехты судна. Бочки на рейдах закрепляются якорями.

Оградительные и берегоукрепительные устройства
Оградительные устройства защищают акваторию порта от внешних воздействий волн, течения реки, штормов, ледохода и т. д. К ним относятся молы и волноломы: оградительные сооружения, свя­занные с берегом, называются молами, а расположенные вдали от берега и не имеющие с ним связи – волноломами.

Берегоукрепительные сооружения предназначены для предохранения линии берега реки от разрушения волнами, течением и льдом. В качестве таковых в портах используют берегоукрепительные стенки разных видов (рисунок 5.10), которые сооружаются в местах сопряжения основных портовых строений для защиты незастроенных участков береговой линии.

 

 

 

Рисунок 5.10 – Берегозащитные сооружения

 

Техническая эксплуатация портовых гидротехнических устройств
ехническая эксплуатация портовых гидротехнических устройств и сооружений включает: уста­новление режима эксплуатации, надзор за его соблюде­нием, систематические наблюдения за состоянием сооружения, устра­нение повреждений, составление планов и технической документации на ремонт и паспортизацию, проведение ремонтов и другие мероприятия.

Долговечность и надежность гидротехнических сооружений в значительной мере зависят от природных условий. Природными агрессивными воздействиями являются: удар волны, течения, абразивное (истирающее) действие крупнозернистых наносов (песок, галька) и льда, разрушение при замерзании в порах бетона воды и кристаллизация солей в зоне переменного горизонта, химическая коррозия бетона и металла, гидробиологические факторы и др. Агрессивное действие перечисленных факторов присуще в той или иной мере всем видам материалов, применяемых в морском гидро­техническом строительстве.

Важным гидрологическим фактором является волнение, имеющее первостепенное значение для внешних оградительных сооружений. Динамическим действием волновой нагрузки и морских течений взму­чиваются песок и галька, оказывающие на материалы сооружений ис­тирающее действие. Плавающие льдины при волнении могут создать опасные удары. Механическое действие льда при непринятии мер мо­жет привести к повреждениям отдельно стоящих опор.

Кроме указанных агрессивных факторов, быстрому разрушению бетонных и железобетонных элементов способствует низкое качество приготовления и укладки бетона. В процессе эксплуатации одной из основных причин, ускоряющих износ сооружений, является нарушение правил технической эксплуатации – неудовлетворительный надзор, нарушение плановых сроков ремонта. Своевременным устранением замеченных повреждений во многих случаях можно обеспечить нор­мальную эксплуатацию и достаточную долговечность сооружений.

Повреждения, свя­занные с эксплуатацией, имеют первостепенное значение для причаль­ных сооружений, испытывающих воздействие складируемых грузов, перегрузочного оборудования, рельсового и безрельсового транспор­та, а также судов.

Одна из основных задач технической эксплуа­тации – это соблюдение грузового режима и норм разрешенных нагрузок.

Общая масса складируемых по всем зонам грузов называется гру­зовместимостью причала. Если груз распределен равномерно с пре­дельно допустимой интенсивностью для каждой зоны, получим пре­дельную грузовместимость.

Для повышения эффективности эксплуатации необходимо, с одной стороны, полнее использовать грузовместимость причалов, а с другой – научно обоснованными исследованиями выявить имеющие­ся резервы несущей способности и путем их реализации повысить нор­мативные нагрузки. Применение более точных методов определения фактических нагрузок повышает надежность эксплуатации.

Постепенное разрушение материалов под воз­действием различных природных (гидрометеорологических, хими­ческих), а также эксплуатационных факторов является причиной фи­зического износа конструктивных элементов гидротехнических сооружений.

Воздействие агрессивных факторов на контактную поверхность элементов сооружения не везде одинаково и распределяется по харак­терным зонам. Самые неблагоприятные условия работы материалов находятся в зоне переменного горизонта воды, где сконцентрировано наибольшее количество разрушающих факторов. Интенсивность раз­рушения материалов на разных бассейнах неодинакова и зависит в основном от местных условий и естественного режима в районе эксплу­атации сооружений.

Значительные трудности вызывают ремонт подводных частей со­оружений и участков, расположенных в зоне переменного уровня. Ес­ли сооружение работает в сложных геологических и гидрологических условиях, то при ремонте следует систематически наблюдать за его осадкой и горизонтальными смещениями, а также за состоянием при­легающих к сооружению участков территории и дна акватории.

Классификация видов ремонта пор­товых гидротехнических сооружений идентична классификации ремонта флота (см. подразд. 3.9) и включает текущий, капитальный и аварийный.

При текущем ремонтеликви­дируют начальные деформации, устраняют незначительные повреж­дения и дефекты в отдельных конструктивных элементах, не влекущие за собой снижения основных эксплуатационных характеристик соору­жения, и проводят различные профилактические мероприятия, не­обходимые в процессе эксплуатации.

Капитальный ремонтотличается от текущего технической слож­ностью, большими объемами ремонтных работ, выполнение которых связано с выводом сооружения из эксплуатации на длительный срок. Во время капитального ремонта устраняют крупные дефекты в несущих конструкциях и устройствах, модернизируют их либо выборочно ремонтируют отдельные части сооружения, заменяя дефектные эле­менты и детали.

Аварийный ремонтприменяют в случае, если обнаруживают угро­жающие повреждения после воздействия стихийных сил или катастро­фических нагрузок на сооружение. Основные документы, характери­зующие техническое состояние сооружения, – это материалы перио­дических обследований, полученные в межремонтный период эксплуа­тации сооружения, и сведения обо всех изменениях, происшедших за это время (согласно исполнительным чертежам, данным о сроках, объеме и качестве проведенных ремонтов).

Строгое соблюдение сроков проведения текущих ремонтов и обес­печение высокого качества их позволяют удлинить период эксплуата­ции и значительно сократить расходы на капитальный ремонт.