Основные элементы порта. 6 глава

В качестве расчетного принимают конкретные (с максимальными размерениями) планируемое судно или условное судно. Сведения о нем должны включать (М – массовое водоизмещение, т.; d – осадка на ровный киль без хода, м.; В – ширина на миделе, м.; L – длина между перпендикулярами, м.; A=Aq/Ac – отношение площадей парусности надводного и подводного бортов).

В случае «условного» судна основная характеристика – осадка, а остальные элементы определяются в зависимости от типа судна по формулам: ; ;

t, с – коэффициенты для различных типов судов, D – высота борта, м.

Например, для универсальных судов: t =3,3, с =17,5; для танкеров: t =2,6, с =17,5; для контейнеров t =3,2, с =17,8; для лесовозов t =2,4, с =17,5; для сухогрузов t =2,7, с =17,2; для пассажирских t=4,0, с =20,1.

Сведения о планируемом судопотоке: количество судопроходов в год и среднесуточный судопоток в местах наибольшего судооборота, состав судопотока по типам судов, их размерениям и количеству.

Характеристика естественных условий - планы акваторий трассируемого канала и прилегающей территории; метографические разрезы по намеченным вариантам трасс канала и характерами грунтов; элементы метеорологического режима не менее чем за 12 лет (повторяемость ветров по скорости, направлению и продолжительности); сведения о характере течений (направление и скорость); функции высот волнения 3% обеспеченности по 8-им румбам; график обеспеченности ежесуточных уровней воды; среднегодовую метеорологическую дальность видимости и преобладающей для данного района коэффициент прозрачности атмосферы и повторяемостью не менее 65%; продолжительность ледового периода; сведения о динамике берега и интенсивности движения наносов.

Оценка ущерба водным, биологическим ресурсам и рыбным запасам: характеристика загрязненности извлекаемых грунтов по химическим и биологическим показателям; состояние среды кормовой базы и ихтиофауны в районе акватории прокладки канала; оценка негативного влияния дноуглубления на окружающую среду.

Трасса канала.

Трасса канала – это расположение оси канала в плане. Трасса канала и его размеры должны удовлетворять ряду требований, часто противоречивых.

Навигационные требования. – максимальное удобство и безопасность плавания судов по каналу. Из этих соображений трасса должна быть прямолинейной и близкой к направлению господствующих по частоте ветров, волнения, течений. Если по местным условиям полной прямолинейности добиться невозможно, необходимо ограждать канал защитными сооружениями, количество и углы поворота должны быть минимальны, радиусы закруглений большими (≥5 L_p.c), как правило, не менее 3000 м. На участках примыкания канала к воротам порта канал трассируют без поворотов на расстоянии не менее длины тормозного пути расчетного судна к максимально приближающимся к направлению оси входных ворот.

Экономические требования сводятся к минимальным капитальным затратам на прокладку канала (капитальные дноуглубительные работы) и эксплуатационным расходам (ремонтное содержание для поддержания судоходных глубин). с этой целью трассу выбирают с возможно минимальными объемами выемки и относительно легкими в разработке грунтами, однако достаточно устойчивыми на откосах. Трассу внутренних каналов назначают с учетом наибольшего использования естественных водоемов (озер, лиманов и т.п.), что снижает объем земляных работ и снижает затраты по защите берегов от судовых волн.

Компоновочные требования направлены на обеспечение возможности наилучшей компоновки оградительных сооружений и акватории порта с учетом дальнейшего развития транспортного узла. Экономически выгодно прокладывать трассу по наибольшим глубинам.

Поперечное сечение канала – должно удовлетворять ряду требований: навигационных – удобство и безопасность судоходства, экономических – минимум площади сечения и объемов извлекаемого грунта. Эти требования взаимно противоречивы, поэтому задача выбора поперечного сечения по всей трассе относится к задачам оптимального проектирования (по минимуму суммарных затрат). Поперечное сечение канала проектируется, исходя из габаритов расчетного судна упоминавшихся ранее.

Обычно проектируют каналы с трапецеидальным поперечным сечением. Площадь подводного сечения канала полного профиля должна быть не менее чем в 4 раза больше подводного миделевого сечения расчетного судна при одностороннем движении по каналу или белее суммы 2-х миделевых сечений соответствующих судов при двухстороннем движении.

Трапецеидальность поперечного сечения канала характеризуется заложением откосов

для плотных глинистых и суглинистых грунтов м = 1 - 4:

для песчаных м = 3 - 9, илистых м = 10 - 30.

Глубина канала навигационная и проектная, как уже говорилось выше, определяется аналогично глубинам в портовой акватории, по величине осадки расчетного судна и суммы запасов. Есть некоторое отличие в определении запасов на волнение Z_2, Z₃, и на крен Z ₀ (хотя в КР эти отличия не приведены).

Волновой запас определяется по графикам при различных углах φ между осью судового хода и направлением господствующего волнения в зависимости от числа Фруда , высота волны в % обеспеченности, длины расчетного судна L, м (V₁ - узловая скорость расчетного судна, h – высота волны).

Скоростной запас Z₃ определяется последовательными переплетениями в зависимости от F_r, осадки судна d и ΣZ_1-3 с направлениями от отношения А = А_q/А_с для каналов полного и неполного профиля.

Все запасы глубины в канале определяются с точностью до 1 см. после суммирования их с осадкой судна полученная глубина округляется до 5 см.

Запас на крен Z₀ определяется по формулам:

и , где

О – угол крена от ветра, О_дин – динамический угол крена по первой ф-ле расчет ведется для прямых участков, по второй – для участков сопряжения колен канала (мест поворота судна). Угол Q выбирается в зависимости от скорости расчетов ветра w (м/с) и типа судна. Для универсальных судов, мехтеровозов, паромов при w = 9 - 22 м/с, Q = О - 2⁰, для контейнеровозов 1 - 5⁰, для пассажирских 1 - 8⁰, для лесовозов –5⁰. Угол О_дин выбирается в зависимости от скорости судна и его типа. Для универсальных, лесовозов, контейнеров в диапазоне скоростей судна 4-12 узлов, О_дин=1-7⁰.

Ширина канала.

Проектная ширина канала В_п для одностороннего движения судов определяется по формуле:

В_п = В_н+ΔВ, м

где Вн – навигационная ширина канала, м., ΔВ –запас ширины на заносимость, м.;

ΔВ=h_н (ctgφ₁- ctgφ), м

h_н – навигационная глубина прорези канала, м., φ₁, φ – углы наклона откосов к горизонту (φ₁ – к концу межремонтного периода; φ – проектная величина)

Навигационная ширина: В_н (на уровне Н_н)

В_н=В_м+2С₁, где В_м – ширина маневровой полосы, м., С₁=0,5В_р._с. – навигационный запас ширины канала учитывающей гидродинамическое воздействие судна с бровкой канала, м.

Ширина маневровой полосы формула похожа на В_вх. входные ворота порта

, м, где:

в_о – относительная ширина маневровой полосы, (таблично) определяемая в зависимости от курсового угла ветра q_n относительно оси канала n проекция вектора скорости течения υ_а на направление нормами к оси канала.

Кυ – б/р коэффициент в зависимости от скорости судна υ; Кw – б/р коэффициент в зависимости от скорости ветра w, Ка – б/р коэффициент в зависимости от отношения Аq/Аl, Кvd – б/р коэффициент в зависимости от возможности судна для 2-х стороннего канала добавляется запас ширины С между маневровыми полосами С=В_р.с.

Общая ширина однопортного канала (3-8) В_р.с. 2-х портного (6-14) В_р.с.. На криволинейных участках с внешней стороны добавляют к ширине АВ_н, достигающее 22% длины L_р.с.

Продольный профиль канала.

Дно открытого неогражденного канала на всем его протяжении делается горизонтальным. То же и при незначительном уклоне водной поверхности (≤0,001%). При более значительном уклоне свободной поверхности (речные участки) дну канала придают соответствующий уклон. Навигационная глубина может изменяться по длине канала, если изменились внешние условия (переход с неогражденного к огражденному участку заметно изменяется волновая характеристика, т.е. уменьшается высота волны, что влечет уменьшение волнового запаса и т.п.).

Транспортно – экономические характеристики судоходных каналов.

ТЭХ является показателем безопасности и удобства движения по ним судов и затраты на поддержание навигационных потерь. Движение судов определяет порядок, время и скорость прохождения по каналу, пропускная способность канала, характер судопотока.

Ограниченность ширины канала заставляет по требованиям навигационной безопасности делить фарватеры каналов на две категории: 1 и 2.

К1-ой относятся фарватеры, у которых ширина полосы движения меньше 1,5 L_р.с., а также фарватеры каналов, по которым плавают суда со взрывоопасными грузами. Все другие фарватеры относят ко 2-ой категории.

На фарватерах 1-ой категории может быть приостановлено движение судов из – за внезапного перекрытия фарватера по причине остановки одного из впереди идущих судов. Обгон такого судна из–за стесненности невозможен. А на фарватерах 2-ой категории такой обгон возможен.

Расчетная скорость судна – является одним из параметров при определении габаритов проектируемого канала. Она назначается в пределах от 3 до 12 узлов, но не более V_кр. – критической скорости судна. Нижний предел скорости определяется условием охранения управляемости. Критической скоростью V_кр. считается скорость, начиная с которой дальнейшее увеличение числа оборотов машин практически не приводит к увеличению скорости движения судна. При этом V_кр. для канала неполного профиля для расчетного судна определяется по формуле:

; м/с,

где: hн – навигационная глубина прорези;

Нн - навигационная глубина канала;

Из табличных V^/_кр – критическая скорость на мелководье;

значений V^//_кр - критическая скорость на канале полного профиля.

Например, (для Калининградского канала) при ширине Вп=50 м., угле наклона откоса к горизонту φ=14⁰ и навигационной глубине Нн=10 м.: V^//_кр=3,9 м/с, V^/_кр=7,3 м/с. тогда при hн=5 м., V_кр=5,6 м/с (11 узлов).

Судопоток на канале – параметр, явление зависящий от внутренних и внешних факторов. К первым относятся размерения судов, их маневровые качества, скорость движения, а также профессиональные и психологические качества судоводителей, действующие правила совместного плавания, техническое обеспечение. Ко вторым (внешним) относятся гидро – метео условия, навигационные ситуации, наличие и полнота судоходной обстановки, правила плавания по каналу.

Возникший судопоток обладает следующими взаимосвязанными параметрами: интенсивностью ω, c^-1, плотностью ρ, м^-2, напряженностью μ, м^-1 с^-1.

Интенсивность – это количество судов проходящих через фиксированный створ канала за определенный промежуток времени. Различают общую интенсивность движения и интенсивность определенного судопотока (определенного направления). При средней скорости движения судов Ū м/с и средней скорости движения судов между проходящими судами, выраженном через расстояние между их одноименными точками интенсивность судопотока по N полосами движения:

и

 

Плотность потока – отношение количества судов и используемой ими площади акватории или ее части, приходящейся на его судно

Движение потока судов с определенной скоростью и плотностью характеризует его напряженность. Чем уже водный путь и интенсивнее движение судов, тем сложнее и напряженнее навигационная ситуация. Наибольшая напряженность судопотока соответствует максимально допустимой плотности движения [м ^–1 · с ^-2].

Интенсивность наиболее высока вблизи входа в порт (суда портфлота, вспомогательные и т.д), кроме транспортных судов.

С судопотоком тесно связана пропускная способность канала.

Пропускная способность канала определяет необходимость строительства канала для двухстороннего или одностороннего движения. Проектируемый канал должен обеспечивать пропуск планируемого судопотока в течение всего навигационного периода.

Для подходных каналов пропускная способность порта, обслуживаемого этим каналом. Для определения пропускной способности необходимо предварительно рассмотреть:

а) параметры f₁ и f₂, характеризующие распределение судов в расчетном судопотоке по группам, в зависимости от их ширины расчетного судна В_р.с. f₁=m₁/m; f₂=m₂/m, где m₁ и m₂ число судопроходов в месяц с наибольшим судооборотом судов первой группы (В₁ < 0,4 В_р.с.) и второй группы (0,4 В_р.с. ≤ В₂ < 0,78 В_р.с.); m – общее число судопроходов в тот же период;

б) среднесуточный судооборот канала m_с в обоих направлениях: m_c=m/30;

в) среднее время занятости канала при проходе одного судна f_к (час.), отсчитываемое от момента входа судна в канал, до момента выдачи разрешения на вход следующему судну при равновероятном проходе судов обоих направлений. Это значение f_к учитывает время, необходимое доя подготовки судна к входу (выходу) на трассу канала, доступной скорости движения, безопасной кильватерной дистанции в канале и другим параметрам;

г) вспомогательная величина Р, определяется графически в зависимости от величин f₁ и f₂;

д) коэффициент q, определяемый графически в зависимости от величины Р и произведения m_с · t_к;

е) приведенный среднесуточный судооборот m^/_с для одностороннего движения, уменьшенный с учетом частичного встречного движения судов

m^/_с = q · m_с

Расчет пропускной способности и назначение ширины канала для одностороннего и двухстороннего движения судов выполняется графически.

 

Заносимость морских каналов зависит от местных гидрометеорологических и геологоморфологических условий, а также направления трассы канала и его поперечных размеров. К гидрометеорологическим факторам относятся ветер, вызванное им волнения и течения. При легкоподвижных грунтах дна эти факторы в основном определяют режим потока наносов и заносимость канала. Степень заносимости каналов особенно велика во время штормов большой силы. К геологоморфологическим факторам относятся: метеологический состав пород морского дна, в котором сделана прорезь канала, геоморфологическое строение дна и берегов, связанное с условиями формирования потока наносов, поступающих в канал.

В зависимости от состояния и формы движения различают взвешенныенаносы, длительное время наносящие собой массы воды вследствие интенсивного ее перемешивания волнением, придонные наносы, перемещающиеся все время по дну (донные катучие) или полувзешенные – периодически отрывающиеся от дна или донные оплывающие, образуемые в результате выпадения взвешенных илистых и глинистых частиц.

Заносимость различают двух типов: внутреннюю и вне шнюю. Внутренняя заносимость происходит под действием волнения и течений, размывающего действия винтов и судовых волн от проходящих судов, потери грунта в процессе работы земснаряда и других “внутренних” причин, т.е. имеют местный, ограниченный характер. Внешняя заносимость обусловлена поступлением наносов с соседних участков морского побережья и их осаждения в прорези канала.

Заносимость оценивается рядом факторов:

- объемом (перед дноуглублением);

_- толщиной (мощностью) наносов (для определения условий навигации);

_- распределением по длине канала (для определения условий навигации и ремонтного черпания)

_- распределением по ширине канала;

_- изменением во времени.

Защита каналов от заносимости.

Основными мерами по защите каналов от заносимости являются:

- переуглубление прорези по сравнению с требуемой по условиям навигации создания, таким образом, необходимого запаса глубины канала на заносимость;

_- создание параллельных прорезей, гасящих волны и аккумулирующих наносы, при этом волновой поток подходит к основному сооружению, имея меньшую энергию волн и меньшее количество наносов;

_- устройство боковых “карманов” по сторонам входа в порт, имеющие в плане вид тенденции улавливающих поток наносов, огибающих портовые оградительные сооружения;

_- наносозащитные (ограждающие) сооружения – дамбы: надводного (полного профиля) или подводные (неполного);

_- двусторонние или односторонние (в зависимости от направления, заносимости), различные по конструкции и материалу (бетонные, земляные).

Судоходная обстановка – необходима для обеспечения возможности определения места судна и его безопасности при движении в прибрежной зоне морей, по каналам, на подходе к порту и входе в порт, а также на акватории порта. Судоходная обстановка – это специальным образом установленные знаки, которые служат для установления направления и допускаемых границ судовых ходов, обозначения зон, опасных для плавания: эти знаки способствуют увеличению скорости продвижения судов на участках, затруднительных для плавания. Такими участками являются подходы к морским портам при недостаточных естественных глубинах, проливы, узкие заливы, устья рек, а также все искусственные пути (каналы и акватории), где судовой ход имеет небольшую ширину, извилист и стесняет плавание и маневрирование судов.

Сходная обстановка по виду информации разделяется на зрительную, акустическую, радиотехническую по смыслу информации по указательную и предостерегательную, по расположению: на береговую и плавучую. Однако, в большинстве случаев судоходная обстановка комбинированная, состоящая из плавучих и береговых знаков.

Ограждение морских каналов и фарватеров состоит из системы предостерегательных знаков, которые могут действовать по двум системам: а) координальной (компасной), когда знаки указывают стороны света, в направлении которых располагается опасность (северная, южная, западная, восточная) и суда должны обходить опасность со стороны знака. Каждый знак имеет свое индивидуальное очертание и освещение по международным соглашениям; б) латериальной (двусторонняя), состоящую из знаков, ограждающих стороны канала и фарватера, а также обозначающих оси фарватеров и рекомендованных курсов. Знаки латериальной системы ограждают правую или левую стороны фарватера по направлению с моря и направлению течения на реках.

Международной Ассоциацией Маячных Служб (МАМС) разработаны две системы ограждения А (красный цвет слева) и Б (красный цвет справа). Регион системы А: побережье Европы, Африки, Австралии, Азии (без Японии, Южной Кореи, и Филиппин); системы Б: побережье Северной и Южной Америки.

В регионе А используются латеральные знаки красного и зеленого цветов для обозначения соответственно левой и правой сторон фарватера, а в регионе Б, наоборот; зеленый слева, красный справа. В обоих регионах контур надводной (типовой) фигуры: слева – прямоугольник, справа – треугольник.

Форма кардинальных знаков строго не установлена, но, как правило, это столбовидные буи и вехи: окраска черно, – желтая, типовые фигуры: два треугольника один над другим, с северной стороны кверху, с южной вершинами вниз, с восточной – основаниями внутрь, с западной – вершинами навстречу.

К плавучим средствам судоходной обстановки относятся плавучие маяки и плавучие предостерегательные знаки: буи, вехи, бакены.

Плавучий маяк – небольшое само – несамоходное судно, имеющее особую окраску и снабженное светотехническим, звукосигнальным, радиотехническим навигационным оборудованием. Плавучий маяк устанавливается на точно определенные координаты, на якорях.

Буи: морские, канальные (большой - наначальных и поворотных участках канала; средний – бровках и мелководных каналов; малые – на речных участках морских каналов). Также бывают буи зимние с усиленной конструкцией для контактов со льдом (высота буев ~ 5-14 м).

Вехи – плавучий корпус с пропущенной сквозь него трубой с типовой фигурой.

Бакены применяют, главным образом, на внутренних водных путях, отличаются меньшими размерами.

Береговая (стационарная) судоходная обстановка служит для определения положения хода судна на морской поверхности с помощью навигационных сооружений и устройств, располагаемых на судне: береговых (стационарных) маяков, островных знаков, береговых огней и т.п.

Маяки обычно башенного типа, высотой от 10 до 50 м., снабжены светооптическим оборудованием, обеспечивающим дальность видимости до 50 км., а также звукосигнальными устройствами и т.п. применяется автономное энергоснабжение. Маяки служат для уточнения местоположения судна в прибрежной полосе и зон, опасных для мореплавания. Иногда располагаются в отдалении от береговой линии на островах или искусственных основаниях.

Створные знаки – это две – три металлические колонны со специальными створными щитами различных размеров, формы и окраски, светооптическим оборудованием. Располагаясь строго в плоскости, проходящей через осевую линию канала, навигационный створ помогает судоводителю удерживать судно в средней части канала.

Береговые огни и знаки служат для фиксации конкретных объектов на берегу или их частей (углов причала, пирса, мола и т.п.), конструкции: башни, пирамиды, столбы с различными фигурами треугольной или круглой формы или огнями.

Морские судопропускные сооружения предназначены для перевода судов из одного водного барьера (уровня) в другой, разделенных плотиной.

Выполняются в виде шлюзов. Судоходный шлюз состоит из судоходной камеры, в которой осуществляется перевод судов из одного барьера в другой, камера ограничена с боков камерными стенами, снизу днищем, по концам -–головными сооружениями с судоходными затворами (воротами), открывающимися для пропуска судов. Камера характеризуется длиной

L_к = L_р.с + Δ L, где Δ L ≥ (0,015 L_р.с + 1), м. – запас длины;

шириной В_к = В_р.с. + 2∆В, где ∆ В ≥0,5 м. – запас ширины с каждого борта судна;

глубиной d_к = d_р.с. + Δ d, где Δ d ≈ 0,3 d_р.с. запас глубины.

Совокупность операций по переводу судна из одного барьера в другой, выполняемых в определенной последовательности, называется шлюзованием. Суда на подходе к шлюзам движутся на пониженных скоростях и поэтому хуже управляются. Для ускорения и улучшения условий безопасности прохождения судна через проходные каналы и камеру, часто применяют дополнительные тяговые средства: буксировку, толкание или береговую, преимущественно, электровозную тягу.

Причины, по которым возводят судопропускные сооружения следующие:

- шлюзование водных путей, т.е. устройство последовательного ряда плотин, перегораживающих собой водный путь и обеспечивающих поддержание необходимых судовых глубин;

- соединение правильных портовых бассейнов с морем, в случае, если приливной бассейн имеет несколько шлюзов;

- защита от морских наводнений, вызываемых штормовыми нагонами, ливневыми дождями, волнами цунами и т.п.;

- использование энергии приливов.

 

Портовые гидротехнические сооружения.

Это сооружения в портах (морских и речных), предназначенные для обеспечения перегрузочных операций, обслуживания судов и их отстоя, а также для защиты акватории портов от волнения и других воздействий.

В зависимости от назначения, портовые гидротехнические сооружения можно классифицировать по 4 – м основным группам:

- причальные, предназначенные для обработки и отстоя судов;

- оградительные, защищающие акваторию порта от волнения, течений, движущихся вдоль берега донных наносов, дрейфующих льдов;

- берегоукрепительные, защищающие берега акватории порта и примыкающие к ней части побережья от разрушения или воздействия волн, льда, течений, а также обеспечивающие надежность сопряжения причальных и оградительных сооружений с берегом;

- гидротехнические сооружения судоремонтных и судостроительных предприятий (слипы, доки, эллинги), предназначенные для спуска и подъема судов или осушения их корпуса с целью проведения ремонтных работ.

Наличие всех 4- х групп сооружений в каждом порту необязательно. Так, оградительные сооружения могут отсутствовать, если порт находится на естественно защищенной акватории или реке. Причальные сооружения и берегоукрепительные в том или ином виде присутствуют в портах любой категории и назначения. Судоремонтные и судоотстойные предприятия находятся обычно в крупных портах приписки судов.

Все гидротехнические сооружения порта в зависимости от продолжительности эксплуатации подразделяют на постоянные и временные.Постоянные – капитальные сооружения, функционирующие в течении всего навигационного периода. Временные – используют во время ремонта, либо строительства основных сооружений или в отдельные периоды навигации.

Постоянные портовые гидротехнические сооружения по их значению и условиям эксплуатации делят на основные и второстепенные. Основные - сооружения, выход которых из строя существенно нарушает работу всего объекта или его важной части. Это, прежде всего внешние оградительные сооружения, разрушения которых может повлечь катастрофические последствия для всех остальных сооружений порта и судов, находящихся на портовой акватории; грузовые и пассажирские причалы для крупных судов; судоподъемные сооружения, обслуживающие основные категории транспортных судов, наиболее ответственные берегоукрепительные сооружения, башни маяков и т.д.

К второстепенным гидротехническим сооружениям относят причальные и судоподъемные сооружения, обслуживающие суда местного сообщения, служебно – вспомогательный и технический флот, берегоукрепительные сооружения, частичное разрушение которых несущественно отражается на работе основных портовых комплексов.

Все портовые гидротехнические сооружения в зависимости от их размеров, действующих на них перегрузок и последствий нарушений их эксплуатации, разделяют на классы.

Например, к 1 классу относятся гидротехнические сооружения морских портов при грузообороте > 6 млн. т. сухогрузов или > 12 млн. т. наливных грузов; ко 2 классу 1,5-6 млн. т. или 6-12 млн. т. соответственно; к 3 классу < 1,5 млн. т. или < 6 млн. т. соответственно.

Класс второстепенных гидротехнических сооружений применяется на единицу ниже класса основных сооружений, но не выше 3 класса. Временные сооружения относят к 4 классу, берегоукрепительные к 3 классу.

На сооружениях 1, 2 и, как правило, 3 класса устанавливают контрольно – измерительную аппаратуру, обеспечивающую контроль за деформированием сооружений, их элементов и узлов. Это постоянные наблюдения с целью обеспечения надежности и требуемых условий эксплуатации.

Нагрузки и воздействия на гидротехнические портовые сооружения в зависимости от длительности и характера действия подразделяют на постоянные и временные.