Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Основы проектирования гидротехнических сооружений, лесных бирж и рейдов приплава

Седрисев Д Н, Рубинская А В, Аксёнов Н В, Кожевников А К,

2.3. Основные природные факторы

Основные природные факторы, действующие на ГТС, оказывают на него определенные воздействия. Их можно разделить на следующие основные группы: метеорологические и климатические, гидрологические, геологические и геоморфологические др.

К метеорологическим и климатическим факторам относятся все явления, происходящие в атмосфере, причем наибольшее значение для портостроения имеют ветры, температуры воздуха и воды, осадки и туманы. Важнейшие гидрологические факторы – колебания уровней воды, волнения, течения и ледовый режим.

Кроме основных геологических и геоморфологических факторов – геологического строения района, изменяемости берегов и дна, движения наносов и свойств грунтов – большое, а иногда и решающее, значение оказывает и топография района.

Для решения ряда вопросов портостроения важно знать уровни грунтовых вод и их дебит, а также химический состав воды и экологические условия и требования.

В целом все природные факторы в данном районе объединяются понятием естественный режим побережья. Для того чтобы при наименьших капитальных вложениях на строительство берегового лесного склада (порта) получить наибольший экономический эффект, а также правильно скомпоновать его план и принять наиболее рациональные конструкции, обеспечивающие бесперебойную работу всех его элементов, необходимо тщательное изучение всех факторов естественного режима (воздействие природных факторов на ГТС).

2.3.1. Из всех метеорологических факторов наибольшее значение для построения, эксплуатации портов и судоходства имеют: ветер, туманы, осадки, влажность и температура воды.

Ветровой режим характеризуется направлением, скоростью, продолжительностью и повторяемостью. В многолетнем периоде повторяемость ветра определенной скорости и направления для определенных сезонов года остается более или менее постоянной. Поэтому более важное значение имеют осредненные данные за навигацию, а не за год. Для практического использования по многолетним данным строят соответственные диаграммы – розы повторяемости и максимальных скоростей ветра [23].

Температуру воздуха и воды измеряют на гидрометеостанциях в те же сроки, что и параметры ветра. Данные измерений оформляют в виде годовых графиков хода температуры. Основное значение этих данных для портостроения состоит в том, что они определяют сроки замерзания и вскрытия бассейна, от чего зависит длительность навигации.

Влажность воздуха определяют содержанием в нем водяных паров. Различают абсолютную влажность – количество водяного пара в воздухе и относительную – отношение абсолютной влажности к ее предельному значению при данной температуре.

Туманы. Туманы возникают в тех случаях, когда упругость водяного пара в атмосфере достигает упругости насыщенного пара. В этом случае водяной пар конденсируется на частицах пыли или поваренной соли (на морях и океанах), твердых и взвешенных дымовых веществах. Несмотря на развитие радиолокации, движение судов в тумане все же ограничено. При очень густом тумане, когда уже на расстоянии нескольких десятков метров не видны даже крупные предметы, иногда приходится прекращать и перегрузочные работы.

Осадки характеризуются толщиной слоя воды (мм), выпавших в виде дождя и снега в течение года (навигации). Учет осадков имеет значение при производстве перегрузочных работ, для правильного расположения дренажных и ливневых коммуникаций, промплощадок и дорог.

2.3.2. К гидрологическим факторам относятся: колебание уровней воды, волнение, течения и ледовый режим [3, 8, 10].

Колебания уровня воды. Эта важнейшая гидрологическая характеристика определяет не только высотные отметки территории порта и глубины на подходах и у причалов, но и форму крепления берега и конструкцию причальных сооружений. При значительных амплитудах колебаний уровня на свободных реках становится нерентабельным применение вертикальных креплений берега. В этих случаях приходится переходить на менее удобное в эксплуатации откосное или полуоткосное.

Главной причиной изменения уровня на свободных реках является сезонное изменение расхода воды, хотя на ход уровней могут оказывать влияние и естественные переформирования русла реки и ледовые зажоры и заторы. В многолетнем периоде наблюдений можно заметить существенное влияние деятельности людей на уровни воды. Так, на некоторых реках, где интенсивно проводились выправительные и дноуглубительные работы, замечается общее значительное снижение уровней воды, создающее серьезные затруднения в эксплуатации ранее построенных причалов.

Исходным документом при изучении режима уровня воды является график колебаний, составленный по данным наблюдений на гидрологических постах. Ввиду изменчивости климатических условий, для получения надежных вероятностных характеристик нужно иметь данные непрерывных наблюдений за несколько десятков лет.

В результате постройки на реке гидроэлектростанций характер уровня реки резко изменяется и в значительной степени определяется как попусками воды сверху, так и режимом работы ниже расположенной гидроэлектростанции.

Независимо от причины изменения уровней воды, для целей портостроения важно знать их среднюю многолетнюю обеспеченность. На основании ежегодных графиков колебаний уровня воды, составленных по данным срочных наблюдений, строят графики повторяемости и обеспеченности уровней [3].

Волнение. На поверхности водотока или водоема могут возникать и перемещаться волны.

Наибольший интерес для портостроения представляют волны, возникающие под действием ветра. Размеры и характер ветровых волн зависят как от скорости ветра и его продолжительности, так и от протяженности водной поверхности, на которой ветер действует на воду. Поэтому на реках, если исключить устьевые участки крупнейших рек (Оби, Енисея, Лены и др.), волны не вызывают каких-либо затруднений для перегрузочных работ у причалов, а силовое воздействие волн на сооружения так мало, что его не учитывают. На крупных водохранилищах высота волн достигает 4 м, а у открытых берегов морей и океанов – 10 м и более. При отсутствии естественной защиты на водохранилищах и морях акватории портов приходится ограждать специальными сооружениями – молами и волноломами, которые подвергаются мощному силовому воздействию волн. Для правильной компоновки оградительных сооружений и выбора их конструкции необходимо знать как основные параметры волн, так и повторяемость волн по различным направлениям. Подробнее определение параметров волн и волновых нагрузок рассмотрено в литературе [8, 10, 24].

Течения. На свободных реках скорости течений и их направления зависят от многих факторов, из которых важнейшими являются уклон реки, изменение уровня воды, плановая форма русла и распределение глубин.

В меженный период в изогнутых плесовых лощинах на прямоструйное течение, обусловленное уклоном реки, накладывается циркуляционное, возникающее под действием центробежных сил. В результате течение приобретает винтообразный характер, причем в поверхностных слоях струи прижимаются в сторону вогнутого берега. Это явление, называемое сбойным течением, может создать серьезные затруднения для движения и швартовки судов и плотов [7].

При строительстве русловых портов на свободных реках следует по возможности не нарушать естественного режима реки устройством выступающих в русло сооружений. Образующиеся в зоне выступающих частей сооружений местные вращательные течения могут быть опасны как для судов, так и для самих сооружений – возможен размыв основания или наоборот – отложение наносов.

Ледовый режим. Реки и их различные участки, в зависимости от географического положения, замерзают в разные сроки. Продолжительность ледостава весьма различна – от нескольких дней до нескольких месяцев, а некоторые северные реки бывают покрыты льдом больше половины года.

Длительность навигации весьма подвержена изменениям, и поэтому для правильного выбора расчетной ее величины необходимы данные многолетних наблюдений. По этим данным составляют графики обеспеченности длительности навигации и по ним назначают расчетную длительность, используемую в процессе проектирования портов.

2.3.3. Геологические факторы имеют важное значение при строительстве ГТС.

При этом весьма важно знать геологическую структуру берегов и условия залегания пластов. Особенно опасны высокие речные берега, на которых ввиду неблагоприятного напластования грунтов проявляются оползневые явления. Причина этого – наличие наклоненных в сторону реки подстилающих верхние грунты водоупорных слоев, по которым и скользят расположенные выше массы грунта. Поэтому, как правило, при выборе места для постройки гидротехнических сооружений избегают таких мест и стремятся найти более устойчивые участки берега.

Огромное значение для строительства ГТС имеет переформирование берегов под действием климатических и гидрологических факторов.

Характер изменения русла реки легко устанавливается сопоставлением топографических планов за различные годы. Если имеется тенденция к изменению русла, то необходимо предусматривать мероприятия, закрепляющие его в районе строительства ГТС.

В зависимости от пород, слагающих берег, можно установить две характерные формы его профиля.

Пологий песчаный берег характеризуется профилем динамического равновесия, который зависит от крупности фракций грунта, слагающих берег, и интенсивности волнения и течений. Если первоначальный уклон дна больше того, который присущ профилю динамического равновесия (при данных конкретных условиях), то происходит интенсивный размыв берега. В случае, когда первоначальный уклон меньше этого «критического» значения, берег намывается. Такое переформирование берега часто происходят на водохранилищах. В результате действия волн на песчаных побережьях пологой формы выше уреза воды нередко образуется постепенно растущий валик. Во время шторма он может быть размыт или же отодвинут в сторону берега.

Крутой профиль характерен для берега из плотных изверженных, метаморфических или осадочных пород. Под совместным действием волнений, течений, ветров и замерзания воды, проникающей в расщелины, первоначальное положение коренного берега постепенно может приобретать другие очертания. Непосредственно к коренному берегу, как правило, примыкает конус абразии в виде прибрежной мели и низко расположенной террасы, состоящей из продуктов разрушения коренного берега. Следует заметить, что даже на тех побережьях, где практически уже отсутствует значительное разрушение, конус абразии весьма подвержен сезонным изменениям [8].

2.3.4. К особенностям работы ГТС следует отнести и такое воздействие воды (кроме указанных выше), как механическое, физико-механическое, химическое и биологическое.

Механическое воздействие воды проявляется в виде статических и динамических нагрузок на сооружение и его основание. В теле грунтовых частей ГТС могут возникнуть различные фильтрационные деформации грунта – суффозия. ГТС должны быть запроектированы так, чтобы не возникало фильтрационных деформаций. Биологическое воздействие в основном проявляется в биологической агрессивности воды и обитающих в воде гидробионтов (древоточные, обрастатели, бактерии и др.). Необходимо учитывать разрушение металлических (коррозию) конструкций, химическую и физическую коррозию бетона, а также воздействие на него водорослей, бактерий и других организмов.

Контрольные вопросы:

1. Методы расчета причальных сооружений?

2. Силы, действующие на причальные сооружения?

3. Основные природные факторы, действующие на ГТС?