Волногаситель из полимерных труб

Введение

До сих пор защиту берегов и портовых структур от волновой нагрузки в основном решают за счёт капитальных сооружений из железобетона. Например, волноломы, буны, отражающие стенки, и т. п. в различных технических решениях. Однако, использование жестких конструкций не всегда оправдано, а в некоторых случаях создаёт больше проблем, чем решает.

В связи с ростом грузооборота и перегруженностью портовых сооружений происходит вынос причальных устройств за пределы портов на большие глубины. Новые эстакады для крупных судов обычно не защищены оградительными сооружениями. [ 1 ]

Кроме того, существует много береговых территорий, которые нуждаются в хотя бы минимальной волновой защите. [2;3]

“В настоящее время идея плавучих волноломов является едва ли не самой популярной из-за необходимости временной защиты ряда объектов, расположенных на большой глубине, где возведение стационарных волноломов технически невозможно… Поиск наиболее эффективных конструкций плавучих волноломов активно ведётся как нашей стране, так и за рубежом.” [ 4 ]

Плавучим волноломом называется заякоренное плавучее устройство гасящее часть энергии приходящей волны. Сквозные волноломы могут иметь не доходящие до дна волнозащитные экраны.

Плавучий волнолом применяют при высоте волны до 2,5 метров, крутизне волны до 1:12 и глубинах 30-40м. [ 5 ]

Существует определённых разнобой в терминологии. Одни авторы используют термин “плавучий волнолом”, другие “плавучий волнорез” или “плавучий волногаситель”. Иногда даже пытаются объяснить различия между этими понятиями. Причём различия представляются надуманными и не очень убедительными. В данной работе будут использованы все три термина как синонимы.

Известно много различных конструкций плавучих волноломов из полимерных материалов. Например, [6;7;8], в том числе их полиэтиленовых труб (ПЭ) большого диаметра (наружного), т.е. от 400 мм и более. [9;10;11] Есть даже отрицательный опыт попытки их применения. Например, “Сильным ветром в море унесло сотни гофрированных труб, которые не успели закрепить…” [12;13;14]

Ассортимент труб довольно большой. Они могут быть гладкими или гофрированными. Различных диаметров и с различной толщиной стенки. Соответственно, для водопровода или канализации. Разброс цен тоже очень существенный. От 15 000 до 60 000 рублей за погонный метр. Правда, это цены в магазине. Непосредственно у производителя будет дешевле.

Сами трубы располагают в воде горизонтально в форме многорядных пакетов. Такое решение хорошо в смысле волногашения, но предполагает значительных расход металлопроката (швеллер, уголок, полоса) и снижение плавучести всей конструкции. Пакеты крепят якорями и ориентируют вдоль или поперёк приходящей полны. [9;10;11]

Недостатком подобных волнорезов является слишком большой расход труб, т.е. полиэтилена, который может достигать 3-5 тонн на погонный метр. Кроме того, пока нет внятных данных по двум важным вопросам.

1. Насколько чувствительны детали волнолома к биообрастанию? Т.е. как быстро на них появятся водоросли, ракушки и другие водные организмы. И насколько это критично?
2. Что делать с волноломом по истечению срока службы?

В порядке общих рассуждений можно сказать следующее. Полимерные трубы позиционируют как не гниющие, не ржавеющие и не обрастающие. Но, всё - таки, на них влияет солнечный свет, т.е. ультрафиолет. На практике это означает, что на поверхности полимера могут появляться различные функциональные группы и активные центры. Соответственно, поверхность из гладкой может стать микрошероховатой. А это в свою очередь означает, что биообрастание это всего лишь вопрос времени.

Что касается дальнейшего использования волнолома после истечения срока службы, то тут могут быть, по крайней мере, два варианта.

Во-первых, очистка, измельчение и утилизация с целью переработки во вторичные полимерные изделия.

Во-вторых, применение для формирования искусственных подводных рифов.

Цель настоящей работы: создать простую и дешёвую конструкцию плавучего волногасителя сквозного типа, обладающую максимальной технологичностью и простотой изготовления.

Описание конструкции

Предложенное устройство содержит следующие детали.

1. Полимерные трубы (полиэтилен, полипропилен) наружного диаметра 600-1000 мм и более. При толщине стенки 20-60 мм и более. Желательная длина труб 6000; 9000; 12 000 мм. Т.е. такая длина, с которой их изготавливают. Но допустимы и другие размеры.
2. Полимерный швартовый (швартовный) канат диаметром 40-60 мм и более. Длина каната 50-100 метров.
3. Швартовые (швартовные) бочки, объёмом 1-3 куб.м.
4. “Мёртвые” якоря различных конструкций и веса.
5. Грузила бетонные (или из других материалов) различных форм, размеров и веса.
6. Разделительные кольца (шайбы) из тех же полимерных труб (см. пункт 1) шириной 300-500 мм.
7. На рис.1 показан единичный элемент “поплавок” из которых собирается вся конструкция, а также его маятниковые колебания.

Рисунок 1. “Поплавок” и его маятниковые колебания.

На рис. 2 представлено фронтальное изображение волнолома в полном сборе. Своего рода подводно-надводный подвижный “забор”.

Рисунок 2. Фронтальное изображения волнолома в сборе.

Трубы-поплавки имеют сквозные отверстия в надводной части, через которые продет швартовый канат, а также через разделительные кольца и швартовые бочки. Вся конструкция в рабочем положении удерживается этим канатом. Расстояние между трубами-поплавками и швартовыми бочками около 1 м, а расстояние между швартовыми бочками может составить 10-30 метров и более в зависимости от конкретных условий. Натяжные якорные связи могут быть изготовлены из полимерных канатов, стальных цепей и т.п.

Принцип действия и работа устройства

В основе работы использовано свойство полиэтиленовой трубы, которая имеет плотность 0,93-0,97, т.е. труба может плавать в пресной и тем более морской воде.

Однако, просто горизонтально плавающие трубы обладают слабыми волногасящими свойствами, т.к. основная энергия волны идёт на глубине 2-3 высоты волны, т.е. обычно на глубине 5-6 метров.

Для гашения этой энергии предлагается ориентировать трубы в вертикальной плоскости, перпендикулярно направлению приходящих волн.

В требуемом положении они удерживаются с помощью якорей, швартовых бочек, канатов и грузил. Разделительные кольца устанавливают для уменьшения возможных соударений труб в подводном положении. В целом волногаситель имеет положительную плавучесть и его часть выступает выше среднего уровня воды на 0,5-1м как показано на рисунках 1 и 2.

Плавучий волнолом работает следующим образом. Гребень приходящей волны перехлёстывает через выступающую часть волнолома и при этом теряет незначительную долю своей энергии. Плавающие трубы отклоняются от вертикали на некоторый угол.

Основное “тело” волны, которое отстаёт от верхней части встречается с трубами на глубине 5-6 метров. При этом отдаёт другую долю (большую) своей энергии на перемещение труб из положения А в положение В (рис.1). Другая часть “тела” волны может колебаться внутри труб, вследствие чего энергия дополнительно рассеивается.

В результате “тело” приходящей волны делится на неравные части, которые взаимодействуют между собой с потерей общей энергии. Таким образом, трубы совершают возвратно-поступательное движение подобное маятнику с периодом близким к приходящим волнам. Грузила тоже участвуют в процессе, создавая дополнительную турбулентность, гасящую энергию приходящей волны. Поэтому имеет значение форма грузил, которая не обязательно должна быть обтекаемой.

Например, в открытом море при 5-7 бальном ветре черноморская волна имеет средние значения: период 6-7 c, скорость 2,4-5 м\с, длина 10-30 м и высота 1,5-2,5 м.

Известно, что сила удара волны о препятствие может достигать нескольких тонн и даже десятков тонн на квадратный метр. Но так бывает, если препятствие сплошное, неподвижно и расположено по нормали к приходящей волне.

В нашем случае такого удара не получится в силу того, что препятствие (трубы) не сплошное, может свободно отклоняться от вертикали и имеет обтекаемую форму. То есть волногаситель как бы поддаётся волне, но при этом дробит её на части с потерей энергии.

С одной стороны, для эффективной работы волнолом должен быть как можно более тяжелым и широким. Это означает, что надо брать трубы с самой большой толщиной стенки и максимально возможным диаметром и длинной. Но, с другой стороны, это повлечёт слишком большой расход полиэтилена и сильное удорожание всей конструкции.

Задача проектировщиков найти оптимальный вариант применительно к конкретным условиям. Например, для целей ограждения и обозначения можно взять трубы с минимальным весом.

Достоинства

1. Плавучий волногаситель может быть доставлен к месту установки в виде деталей заводской готовности.
2. Волногаситель может быть изготовлен быстро, из доступных материалов, т.е. полимерных труб, канатов и др.
3. Могут быть использованы не только новые трубы определённого сорта, но и различные модификации, некондиция, а так же трубы, бывшие в употреблении. Но желательно одинаковые в пределах одной партии. Под некондицией мы будем понимать трубы, имеющие небольшие дефекты (царапины, вмятины, мятые края, кривизну и др.), которые долго пролежали на складе и немного потеряли свой товарный вид.
4. Подобное изделие можно легко спроектировать и монтировать в конкретных условиях. При этом применяют обычные инструменты, оборудование и приспособления.
5. Волнолом может быть установлен и снят по мере необходимости, а использованные материалы могут быть применены в другом месте.
6. Данная конструкция считается базовой и допускает различные дополнения и модернизацию. Например, установку сигнальных устройств для работы в условиях плохой видимости.
7. Конструкция не мешает проходу рыб и других морских обитателей.
8. Возможность ограничения прохода нежелательных плавсредств на определённую акваторию.
9. Возможность настройки и регулировки волнолома путём изменения количества и размеров основных элементов. Например, можно регулировать высоту труб, выступающих из воды, в некоторых пределах.
10. Возможность использования для ограждения (оконтуривания) определённых участков акватории.
11. Стоимость сооружения мало зависит от глубины водоёма.
12. Волнолом обеспечивает минимальное экологическое воздействие на донные и береговые структуры.
13. Устройства – аналоги швартовых бочек могут быть изготовлены из тех же труб, что и вся конструкция.
14. Можно не изготавливать специальные грузила. Использовать подобранные по весу б\у автомобильные шины. [15]

Недостатки

1. Волногаситель нуждается в периодическом контроле и профилактическом ремонте.
2. Ограниченный срок службы, который пока не известен. Предположительно это может быть 5-10 лет и более.
3. Возможно разрушение при экстремальных и непредвиденных погодных условиях.
4. Ограниченные возможности по гашению волн. В зависимости от длинны и высоты волны, рельефа дна и глубины акватории.
5. Может пропускать мелкий плавающий мусор и нефтепродукты.

Заключение

Предложена относительно простая, дешёвая, ранее не известная конструкция плавающего волногасителя из полимерных труб большого диаметра, которая может быть быстро изготовлена и установлена на месте применения. Показаны преимущества и недостатки новой конструкции.

Потребуются эксперименты, натурные испытания и пробная эксплуатация волногасителя в различных условиях.

1. Шахин В.М., Диашев А.Н., Радионов А,Е., Белов С.Н., Кравчинский А.В. Мобильный плавучий волногаситель, Пат. RU 2572563 C1, 2016.01.20
2. Горячкин Ю.Н., Ефремова Т.В. Антропогенное воздействие на литодинамику черноморского побережья Крымского полуострова \Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2022, №1.С. 6-30 DOI:10.22449/2413-5577-2022-1-6-30
3. Басс О.В., Васюткин Е.С., Ефремов В.И. Подход к снижению береговой эрозии на основе применения композитного свайного волнолома “ГРЕБЕНКА”, Экономика строительства и природопользования №3 (80) 2021г. DOI10.37279/2519-4453-2021-3-124-133
4. Cyberpedia.su Сквозные, плавучие, пневматические, гидравлические оградительные сооружения. С. 31 (Дата обращения 30.11.2023)
5. Studopedia.net Сквозные и плавучие волноломы, С.14 (Дата обращения 30.11.2023)
6. Денисенко В.И. Плавучий волногаситель. Пат. RU 2 570 324 C1, 2015)
7. Денисенко В.И. Плавучий волногаситель. Пат. RU 2 570 326 C1, 2015)
8. Плахова И.Г., Плахова В.Г., Федорчук Е.А. Маятниковый самофункционирующий волнолом. Пат. RU 2 369 686 C2, 2009
9. Сапрыкина Я., Плавучий волнолом из полиэтиленовых труб, Полимерные трубы, 2008, №3, С. 69-71
10. Сапрыкина Я.В., Плавучий волнолом, Пат. RU № 2 434 991 С2, 2011.27.11
11.  Сапрыкина Я.В., Плавающий волнолом из полиэтиленовых труб, Полимерные трубы, 2021, № 3, С. 96
12. Медведев В. Установке временной волнозащиты крымского моста помешал шторм, 20 марта 16:14, 2017
13. Строительству Крымского моста год (ФОТОРЕПОРТАЖ), 15 марта 13:20 2017
14. Пресс-служба Керченского моста рассказала почему гофротрубы со стройки прибило к берегу. Kerch FM 13;35, 19.03.2017
15. Рекомендации по применению изношенных покрышек в целях волнозащиты портовых сооружений, конструирование и расчёт плавучих волноломов РД31.31,44-86, Черноморниипроект, Одесса, 1986 г.