CC BY
47Блочный метод возведения ледовых островов
о см о см
<0
о ш т
X
<
т О X X
Помников Егор Евгеньевич,
к.т.н., профессор, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет, pomnikov.ee@dvfu.ru
Шамсудинов Рамиль Рашитович,
аспирант, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет, shamsudinov.rr@dvfu.ru
В современных условиях стоимость строительства объектов должна быть предельно минимизирована, а сами объекты многофункциональны, максимально эффективны и долговечны. Выполнение этих требований становится возможным при использовании инновационных методов строительства искусственных островов.
Авторами предложен метод возведения искусственных ледовых островов блочным методом. Для применения метода необходимо меньшее количество дополнительной техники, инструментов и оборудования. В сравнении с альтернативными методами строительства ледовых островов, данный метод возведения сооружения не зависит от скорости и силы ветра, а кратковременное потепление лишь обеспечит более прочное смерзание и омоноличивание конструкции. Производство работ необходимо приостанавливать лишь при экстремальных погодных условиях, при невозможности производства труда в нормальном режиме. Был проведен натурный эксперимент по возведению ледового острова блочным методом, что позволило доказать его практичность.
Также были выявлены следующие преимущества:
1. Простота технологического процесса, который включается в себя цикличную последовательность простых операций;
2. Минимальная зависимость от метеорологических условий, быстрота прекращения производства работ.
Применение ледового острова позволяет организовать буровые работы в условиях крайнего севера с минимизацией вреда для окружающей природы. Предлагаемая конструкция способна выдержать значительные нагрузки без применения дополнительного армирования, что значительно упрощает как процесс возведения, так и процесс утилизации конструкции после периода эксплуатации.
Ключевые слова: ледовый остров, блочный метод, намораживание, арктический шельф
В северном полушарии, в высоких широтах, за параллелью 60°, развитые индустриальные районы, с относительно высокой плотностью населения, расположены в Скандинавии, побережье Баренцева и Белого морей и на юге Аляски. Инфраструктура в этих и других северных регионах развивалась в связи с открытием месторождений минеральных ресурсов или углеводородного сырья, а также в российских портах, обеспечивающих деятельность судов по Северному Морскому Пути.
В 60-х и 70-х годах появились новые арктические районы, в которых были разведаны или подготовлены к обустройству значительные нефтегазовые месторождения, большая часть которых располагалась на шельфе окраинных морей Америки и Канады. Специалистам различных направлений пришлось решать множество новых проблем, возникших на всех этапах освоения месторождений. Несомненно, что наиболее важной из них была проблема выбора правильной стратегии и тактики с учетом экстремально суровых природных условий осваиваемых регионов.
Добыча нефти и газа с морских месторождений возможна с использованием стационарных платформ или подводно-устьевых комплексов. Если для незамерзающих морей промысловая технология имеет двухсотлетний стаж, то для арктических морей потребовалась разработка новых методов и использование новейших технологий, по сложности сопоставимых с космическими.
Основные трудности в освоении морских месторождений на шельфе северных морей связаны с ледовыми воздействиями на технические средства различного назначения.
Актуальной задачей для арктического региона является выполнение разведочного бурения в условиях мелководья, где не могут применятся стандартные буровые установки (ввиду значительной удаленности от уреза воды) или буровое судно (ввиду малых глубин). Кроме того, их применение осложняется коротким периодом времени открытой воды. Для некоторых перспективных регионов безледный период может иметь продолжительность менее трех месяцев.
В целях инженерно-геологических изысканий разведочное бурение может проводиться с ледяного покрова. При разведочном бурении, когда период бурения одной скважины может достигать 140 дней производство работ с ледяного покрова осложняется возможными подвижками.
Применение ледовых островов для разведочного бурения получило широкое распространение в 70-80 годах прошлого века при освоении мелководного шельфа Канады [1, с.36-42; 2; 3, с.328].
Основные технологические приемы, которые использовались при возведении ледовых островов следующие [4, с. 56-58; 5, с.9-11; 6, с.80-91; 7, с.14-23; 8]:
Распыление (полив) - управляемое разбрызгивание морской воды над поверхностью льда, гарантирующее более интенсивное накопление льда. Возведение ледяных островов поливом проводят в течение месяца с декабря по январь. Насос мощностью 20 м3/мин может
производить 1 м намораживаемого льда в день над островом с диаметром до 300 м. Температура окружающей среды имеет непосредственное влияние на замораживание нанесенной воды. Ветер также мешает эффективному распылению. Так, радиус разбрызгивания по ветру при проектных 25 м может составлять до 40 м, против ветра может уменьшаться до 5-7 м. Метод дождевания при всех своих преимуществах создает часто технические трудности в производстве работ в связи с обледенением установки, всего оборудования и приборов, находящихся в зоне орошения, т.е. при данном способе значительное влияние оказывают метеорологические условия.
Заливание с неограниченной зоной растекания -состоит в перекачивании насосом морской воды из-под кромки естественного льда на поверхность. Заливка ледяного покрова производится насосом из одной или нескольких точек. Вода свободно растекается в различных направлениях на поверхности льда, образуя в плане форму круга или эллипса. Необходимо очистить лед от снега, удалить крупные неровности. Радиус нагоражива-ния для одного насоса, как правило, не более 100 м, в зависимости от производительности. Масса слоев намораживаемого льда постепенно увеличивается, возрастает нагрузка на ледяной покров, происходит погружение. Заливание с ограниченной зоной растекания отличается от предыдущего метода тем, что площадь заливания ограждается по периметру ограничителями. Кроме этого, огражденная территория может быть разделена на секции внутренними перегородками. Эта технология уменьшает число воды, необходимой для возведения, и дает возможность сооружать объекты требуемой формы. Погружение ледового острова регулируется последовательностью и количеством заполненных водой секций. Используются различные типы защитных ограждений и разные материалы. Ограждение может выполняться сразу на всю высоту или нарастать по ходу замораживания. Чаще всего ограждения устраиваются в виде снежных валов. Производительность создаваемого льда составляет примерно 6-9 см в сутки. Для наращивания льда применяют местный строительный материал - морскую соленую воду. Чем меньше соленость воды, тем лед более прочен. Как показывают исследования, лед из морской воды начинает набирать прочность только при температуре ниже -10 °С.
Ледовые острова по сравнению с грунтовыми обладают рядом преимуществ, особенно в отношении экологических и экономических аспектов. Также на сегодняшний день соответствующие надзорные органы оставляют за собой право потребовать ликвидацию грунтового острова, которая, зачастую обходится дороже, чем строительство. Ледовый остров тает прямо на месте, практически не нанося экологического ущерба.
Следующее преимущество - это время на подготовку к строительству. Не нужно определять месторасположение карьеров, проводить дноуглубительные работы, мобилизовать флот или проектировать и изготавливать оконтуривающие металлоконструкции.
К недостаткам следует отнести наличие неподвижного или очень малоподвижного ледяного покрова, а также время, затрачиваемое на строительство острова, что существенно ограничивает его использование по времени. Темпы получения искусственного льда во многом зависят от условий окружающей среды. Например, при идеальных условиях с помощью свободной или ограниченной заливки за одни сутки можно получить
слой искусственного льда около 8 см, а для создания слоя, толщиной 7 м потребуется 90 суток. Естественно, при длительном периоде с отрицательными температурами время намораживания острова теряет свою критичность. Сооружение ледовых островов путем разбрызгивания морской воды, а также с помощью ледяных блоков, осуществляется гораздо быстрее. Однако получаемый с помощью ускоренных методов лед обладает меньшей прочностью, поскольку скрытая теплота не успевает уйти в атмосферу и поглощается ледовым островом.
Общая высота ледяного массива сооружения зависит от глубины и необходимого возвышения рабочей поверхности над уровнем моря. Масса намороженного тела должна так же обеспечивать прочную посадку сооружения на морское дно и его устойчивое положение.
Один из вариантов конструктивного решения искусственного острова, построенного блочным методом.
Любое тело, находящееся воде, подчиняется закону Архимеда, который гласит: «На тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (называемая силой Архимеда)»
РА = рмУд, (1)
где, Ра - сила Архимеда, Н; ри - удельная плотность воды, кг/м2; V - объем части тела, погруженной в воду, м; д - ускорение свободного падения, м/с2. На тело действует сила тяжести, равная: Рд = тд, (2)
Рд = рVg, (3)
где, Рд - сила тяжести, Н; т - масса воды; V- объем части тела, погруженной в воду м; р - удельная плотность воды, кг/м2; д - ускорение свободного падения, м/с2.
Если тело погрузить в воду, то сила Архимеда начнет компенсировать силу тяжести. И, как видно из формулы, все будет зависеть от плотности тела. Если плотность тела больше плотности жидкости - оно утонет, если меньше - будет выскакивать из воды, пока силы не уравновесятся (сила Архимеда будет понижаться за счет уменьшения объема тела, погруженного в жидкость). Часть объема, оставшегося под водой, будет определяться соотношением плотностей.
ри / р = 920/1020 = 0,902, (4)
где ри = 1020 кг/м3 плотность морской воды; р = 920 кг/м3 плотность морского льда.
Для того чтобы тело погрузилось в воду, необходимо, чтобы выполнялись условия:
рwVg < тд или рwVg < рVg, (5)
Таким образом, 112 = 9,8% объема ледового ядра окажется выше поверхности воды, 11 = 90,2% будет погружено в воду.
Увеличение объема искусственного льда производится послойно, до обеспечения полного контакта подошвы острова с грунтом дна. Высота надводной части сооружения должна обеспечивать невозможность на ползания на поверхность сооружения дрейфующего льда.
Производство работ по возведению ледового сооружения можно начать при наступлении устойчивых отрицательных температур (-10 °С и ниже) и после образования устойчивого ледового покрова толщиной 1 = 0,50 м. В районах с образованием ежегодного морского льда, строительство может начаться с доставки легкого оборудования, когда ледяной покров составляет около 0,3 метров толщиной. Позже, когда окружающий ледяной
X X
о
го А с.
X
го m
о
2 О
м о
о см о см
<0
о ш т
X
3
<
т О X X
покров становится толще, более тяжелое оборудование можно транспортировать на рабочую площадку для выполнения поставленной задачи.
Только выполнение мероприятий по непрерывному мониторингу состояния естественного ледяного покрова и метеорологических условий позволит установить момент начала обеспечения минимальных требований, необходимых для старта строительства ледового острова.
В свою очередь, своевременное начало возведения сооружения позволит увеличить возможный срок его эксплуатации.
Перед началом работ необходимо тщательно проверить состояние ледяного покрова, установить его надежность или выявить имеющиеся дефекты. Эта проверка должна осуществляться группой из трех человек, из которых первый непосредственно обследует лед, второй на расстоянии 5-7 м наблюдает за ним, страхует страховочным канатом длиной не менее 10 м, имеет шест диаметром 5-6 см и длиной 5 м. Третий, находящийся на расстоянии не менее 50 м от второго, наблюдает за передвижением первых двух.
На месте строительства ледового сооружения не должно быть значительных скоростей течения. Поверхность естественного ледяного покрова должна быть ровной и гладкой, а также не иметь различных предметов, кусков льда, торосов, снежных сугробов.
До начала строительства ледового сооружения необходимо очистить строительную площадку от снега. Это обеспечивает лучшую связь между естественным и искусственным льдом.
Основным строительным материалом являются ледяные блоки, которые выпиливаются непосредственно в зоне заготовки блоков и транспортируются на строительную площадку.
Строительство сооружения производится послойно (поэтажно):
• укладка блоков первого яруса на существующий ледовый покров;
• укладка блоков второго яруса на существующий первый и т.д.
• укладка блоков последующего яруса необходимо располагать с вертикальной перевязкой швов, относительно нижележащего яруса, и периодической поливкой конструкции, что обеспечивает надежное смерзание конструкции и позволяет работать сооружению как единой системе.
Качество будущего сооружения обеспечивается выполнением требований к соблюдению необходимой технологической последовательности при выполнении взаимосвязанных работ и техническим контролем за ходом работ.
Возведение первого яруса ледового острова производилось в период с 8 по 10 февраля. После разметки контуров было произведено последовательное выпиливание, подъем и транспортировка на строительную площадку 5-и блоков размерами 3,25х0,65х0,65 м. Таким образом, размеры ледового острова в плане на отметке ±0.000 составили 3,25х3,25 м. Места заготовки блоков располагались параллельно друг другу, на расстоянии 5 метров между собой. Это обусловлено пролетами козлового крана и саней и требованиями безопасности.
Укладка блоков производилась на естественный ледовый покров, с его предварительной поливкой морской водой, для обеспечения смерзания и большей прочности конструкции. По окончании возведения яруса была
произведена обработка швов путем их заполнения шугой. Также осуществлялась периодическая поливка полученной конструкции морской водой. При возведении первого яруса было задействовано 7 человек.
Посредством пробуривания лунок со средним шагом 40 сантиметров и последующим пропиливанием естественного ледового покрова на расстоянии 13-ти см от периметра сооружения 13 февраля был осуществлен спуск имеющейся конструкции на воду.
Пропилы выполнялись от углов к середине сторон. Пропиливание производится по периметру ледяного основания имеющейся конструкции. Производится 2 пропила: первый, непосредственно по линии периметра конструкции, второй на расстоянии 10 см от периметра к внешней стороне.
Данная технология позволяет предотвратить защемление конструкции при спуске на воду. С целью равномерного распределения нагрузки пропилы выполняются пошагово, симметрично и равномерно от углов к середине сторон. Величина разового пропила равна 0,5 метра. Опускание конструкции на воду произошло при полном пропиливании 3-х сторон и частичном пропиле 4-ой стороны (по 1 метру от углов к середине). Осадка конструкции на воду произошла плавно и равномерно. Высота надводной части плавающей конструкции составила 13 см.
Проведение данного эксперимента позволило доказать практичность блочного метода возведения искусственных ледовых островов. Также были выявлены следующие преимущества:
1. Простота технологического процесса, который включается в себя цикличную последовательность простых операций;
2. Минимальная зависимость от метеорологических условий, быстрота прекращения производства работ.
В сравнении с альтернативными методами строительства ледовых островов, данный метод возведения сооружения не зависит от скорости и силы ветра, а кратковременное потепление лишь обеспечит более прочное смерзание и омоноличивание конструкции. Производство работ необходимо приостанавливать лишь при экстремальных погодных условиях, при невозможности производства труда в нормальном режиме. В случае возникновения потребности в прекращении работ, достаточно лишь убрать инструмент и вспомогательное оборудование в складские помещения, что не займет много времени.
Для применения метода необходимо меньшее количество дополнительной техники, инструментов и оборудования. Основными единицами являются портальный кран и сани, грузоподъемность которых определяется массой одного ледового блока, и бензопила, характеристики которой определяются максимальной толщиной пропиливаемого льда.
Недостатком данного метода строительства является ограниченность физических возможностей человека, что объясняется прежде всего тем, что эксперимента проводился без средств механизации.
Литература
1. Курило Е. Ю. Целесообразность применения искусственных ледовых островов в арктических условиях для разведочного бурения / Е.Ю. Курило, А.М. Павлов, М.О. Иванов, Шарапов Д.А. // Синергия наук. - 2013. -№6.- С.36-42.
2. Силкина Е.Е. Создание искусственных островов в России и за рубежом. / Е.Е. Силкина, Н.Ю. Улицкая, М.С. Аксимова // СтройМного, 2017. №2 (7).
3. Симаков Г.В. Морские гидротехнические сооружения на континентальном шельфе / Г.В. Симаков, К.Н. Шхинек, В.А. Смелов. // Судостроение, Ленинград, 1995. - 328с.
4. Горцура Р.Ю. Строительство искусственных ледовых островов в условиях Арктики / Р.Ю. Горцура, Е.Ю. Курило // Гидротехника. XXI век. - 2017. - №4 (32). - 5658.
5. Карелов А.В. Использование льда для создания островов в арктических условиях. / А.В. Карелов, К.Н. Шхинек. // Сборник докладов молодежной научно-практической конференции в рамках XLIII Недели науки СПбПУ, Санкт-Петербург, 2014. - С.9-11.
6. Семенов Д.А. Инновационные технологии строительства искусственных островов / Д.А. Семенов, С. В. Калошина. // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета, Пермь, 2016. - №4. - С.80-91.
7. Семенов Д.А. Строительство искусственных островов с помощью технологии Geotube. / Д.А. Семенов, С.В. Калошина. // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета, Пермь, 2015. - №3. - С.14-23.
8. Williams, R. Spray Ice Island Technology Advancing in the Arctic. / R. Williams. // Oil and Gas Journal, Sept 1985.
Keywords: ice island, block method, freezing, arctic shelf
References
1. Kurilo E. Yu. The expediency of using artificial ice islands in arctic conditions for exploratory drilling / E.Yu. Kurilo, A.M. Pavlov, M.O. Ivanov, Sharapov D.A. // Synergy of Sciences. -2013. - No. 6.- P.36-42.
2. Silkina E.E. Creation of artificial islands in Russia and abroad. / HER. Silkina, N.Yu. Ulitskaya, M.S. Aksimova // StroyMnogo, 2017. No. 2 (7).
3. Simakov G.V. Marine hydraulic structures on the continental shelf / G.V. Simakov, K.N. Shkhinek, V.A. Smelov. // Shipbuilding, Leningrad, 1995. - 328c.
4. Gortsura R.Yu. The construction of artificial ice islands in the Arctic / R.Yu. Gortsura, E.Yu. Kuril // Hydrotechnics. XXI Century. - 2017. - No. 4 (32). - 56-58.
5. Karelov A.V. Using ice to create islands in arctic conditions. / A.V. Karelov, K.N. Schinek. // Collection of reports of the youth scientific and practical conference in the framework of the XLIII Science Week of St. Petersburg Polytechnic University, St. Petersburg, 2014. - S.9-11.
6. Semenov D.A. Innovative technologies for the construction of artificial islands / D.A. Semenov, S.V. Kaloshina. // Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University, Perm, 2016. - No. 4. - S.80-91.
7. Semenov D.A. Building artificial islands using Geotube technology. / YES. Semenov, S.V. Kaloshina. // Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University, Perm, 2015. -No. 3. - S.14-23.
8. Williams, R. Spray Ice Island Technology Advancing in the Arctic. / R. Williams. // Oil and Gas Journal, Sept 1985.
Ice Island Block Method
Pomnikov E.E., Shamsudinov R.R.
Far Eastern Federal University
In modern conditions, the cost of building facilities should be minimized to the limit, and the facilities themselves are multifunctional, as efficient and durable as possible. Fulfillment of these requirements is made possible using innovative methods of building artificial islands.
The authors proposed a method for constructing artificial ice islands using the block method. To apply the method, fewer additional equipment, tools and equipment are needed. Compared with alternative methods of building ice islands, this method of building construction is independent of wind speed and strength, and short-term warming will only provide more durable freezing and monolithic construction. Work must be suspended only in extreme weather conditions, when it is impossible to produce labor in normal mode. A full-scale experiment was conducted on the construction of the ice island by the block method, which made it possible to prove its practicality.
The following benefits were also identified:
1. The simplicity of the process, which includes a cyclic sequence X
of simple operations; X
2. Minimum dependence on meteorological conditions, the speed of termination of work.
The use of the ice island allows you to organize drilling operations
in the Far North with minimizing damage to the environment. _
The proposed design is able to withstand significant loads without the use of additional reinforcement, which greatly simplifies
the process of erection, and the process of disposal of the struc- _
ture after a period of operation. b
m
2 О
to о
