Классификация, характеристика и устройство портов - Транспорт - Скачать бесплатно
и 2 м. В устье р. Невы неблагоприятное сочетание
ветрового нагона с влиянием циклонов приводит к наводнениям, при которых
уровень реки повышается более чем на 4 м.
У берегов открытых морей происходят приливно-отливные колебания
уровня под действием астрономических факторов. В отличие от нагонов и
сгонов воды, которые по существу случайны, приливы и отливы строго
периодичны.
Приливы и отливы на Земле формируются главным образом под действием
притяжения Луны и Солнца. Каждая частица водной оболочки Земли будет
притягиваться Луной. Кроме того, на эту же частицу действуют центробежные
силы от вращения Земли и Луны вокруг оси, проходящей через центр тяжести
системы Земля—Луна. В результате сложения этих сил водная оболочка Земли
должна деформироваться. В каждой точке земной поверхности в период лунных
суток, равных 24 ч 50 мин, дважды наступает прилив (полная вода) и дважды
отлив ('малая вода).
Так как приливообразующая сила прямо пропорциональна массе и обратно
пропорциональна кубу расстояния, то нетрудно вычислить, что действие Солнца
будет примерно в 2.4 раза слабее действия Луны. Когда Луна, Земля и Солнце
находятся на одной прямой, приливообразующие силы.
Луны и Солнца складываются и высота прилива будет наибольшей: При
квадратурах, когда угол между направлениями с Земли на Луну и Солнце близок
к прямому (первая и последняя четверти Луны), приливообразующие силы Луны и
Солнца противодействуют и высота прилива будет наименьшей.
Изложенная выше “астрономическая” схема приливных явлений в
значительной степени корректируется “земными” причинами. На общую картину
этих явлений накладывается прежде всего влияние инерции водных масс, а
различные глубины моря, рельеф дна и очертания берегов в еще большей
степени искажают правильный периодический характер приливов и отливов.
Время запаздывания момента наступления полной воды по сравнению с моментом
прохождения Луны через меридиан называется лунным промежутком. Средний
лунный промежуток называется прикладным часом порта.
Амплитуды приливно-отливных колебаний уровня воды в открытых морях и
океанах невелики — 1.5—2.0 м. Однако около морских берегов, в местах
значительного влияния дна и берегов, и в особенности в глубине сужающихся
заливов, происходит значительное усиление приливно-отливных явлений. Так,
например, в заливе Фунди в Северной Америке амплитуда приливов и отливов
достигает 15 м, у Атлантического берега Франции она изменяется от 2 до 12
м, у английских берегов—от 7 до 11 м. В отечественных морях эта амплитуда
характеризуется следующими величинами: у Мурманского побережья—4.5 м, у
горла Белого моря—5.5 м, в Мезенском заливе—6—8 м, в Пенжинской губе
Охотского моря — 11 м.
Во внутренних морях приливно-отливные явления выражены весьма слабо:
в Балтийском, Черном и Каспийском морях приливная амплитуда измеряется
всего несколькими сантиметрами.
Волнение. На поверхности любого водоема могут возникать и
перемещаться волны. Причины возникновения волн различны” но главными можно
считать землетрясения, силу притяжения Луны и Солнца и ветер.
Землетрясения, эпицентр которых находится на дне океана, вызывают
сейсмические волны, называемые цунами. Волны эти, почти незаметные для
кораблей в открытом море, по мере приближения к берегу постепенно
увеличиваются по высоте, и в результате на берег обрушиваются уже волны,
высота которых может достигать десятков метров. Последствия воздействия
таких волн катастрофичны. В 1896 г. действию цунами подверглась северо-
восточная часть Японии. В вершинах заливов волны достигали высоты более 30
м, а на других участках побережья, общей протяженностью около 320 км,
высота волны была от 4 до 25 м. Волны цунами меньшей разрушительной силы
возникают в различных точках земного шара ежегодно. Ввиду того, что от
момента землетрясения до подхода цунами к берегу проходят часы, за
последние годы в ряде стран, подверженных цунами, удалось наладить службу
предупреждения. Поэтому, хотя эти волны по-прежнему производят
опустошительные действия на берегах, но число человеческих жертв сводится к
минимуму. Ввиду случайной природы цунами ясно, что учет этих волн в
инженерных расчетах сооружений затруднителен и связан с большими затратами
при строительстве.
Волны приливные в большинстве случаев проявляются лишь в виде
медленного подъема и спада уровней.
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.
Расчеты по определению исходных параметров волн дают их средние
значения: высоты Н, длины К и периода Т. Для проектирования различных
портовых объектов нужно знать высоты волн определенной обеспеченности. Под
обеспеченностью любого параметра волны в системе волн понимается выраженное
в процентах количество волн, у которых числовое значение параметра больше
или равно, чем у остальных волн в ряду из 100 волн, проходящих
непосредственно одна за другой через рассматриваемую точку акватории.
Большое значение для портостроения имеет дифракция волн — искривление
лучей и изменение высоты бегущих волн, огибающих препятствия, или
проходящих через узкость. При проникании волн на акваторию порта волны
распластываются, а так как их гребни постепенно удлиняются, то высота волн
довольно быстро уменьшается. На этом принципе основана защита акваторий
портов от волнения при помощи оградительных сооружений. На акватории порта,
кроме дифракции, может проявляться и рефракция волн под влиянием переменных
глубин; кроме того, на волновой режим оказывает влияние отражение волн от
оградительных и причальных сооружений, а также рассеяние энергии волн на
участках с малыми глубинами.
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.
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. Кроме того, такое вмешательство в
жизнь руслового потока может привести к нежелательным явлениям на
прилегающих участках русла реки. При эксплуатационных расчетах учитывают
влияние скорости течения на движение судов.
У морских побережий течения вызываются различными причинами: ветром,
волнами, приливно-отливными явлениями, разницей в температуре, плотности и
солености воды и, наконец, разностью широт различных точек моря. Большое
влияние на характер морских течений оказывает рельеф дна и конфигурация
берега. Наибольшее практическое значение для портостроения имеют ветро-
волновые и приливные течения, а также компенсационные течения, возникающие
близ берегов у естественных или искусственных препятствий.
При фронтальном действии ветра образуется нагон, дополняемый
перемещением воды вследствие волнения. Скапливающиеся у берега массы воды в
отдельных местах узкими потоками периодически прорывают поток, образуя
течения с большими скоростями. Если ветер действует под углом к линии
берега, то образуются течения вдоль берега, затухающие по мере прекращения
шторма. Скорость таких течений достигает иногда 1 м/с и больше. Не
представляя опасности для судоходства и сооружений, эти течения нередко
являются причиной заносимости подходных каналов и акваторий портов.
Приливно-отливные течения, почти не заметные в море, могут достигать
значительных скоростей в проливах и устьях рек. Такие явления происходят,
например, в горле Белого моря и в устье реки Мезени, где максимальные
скорости достигают нескольких метров в секунду.
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.
Желательно по возможности избегать участков берега, подвергающихся
интенсивному воздействию льда во время ледохода. При всех условиях
необходимо знать уровни воды во время ледохода и учитывать опасную зону
действия движущегося льда на сооружения. В отдельных случаях необходимо
прибегать к устройству специальных льдозащитных сооружений, устраняющих или
ослабляющих воздействие льда на основные причальные сооружения порта. Для
устранения влияния термического воздействия льда на сооружения
рекомендуется устройство полыней. С этой целью используют специальные
ледорезные машины или пневматические установки, стимулирующие таяние льда
благодаря .подъему глубинных более теплых масс воды.
Замерзание водохранилищ в зоне подпора ввиду отсутствия течений
происходит в более ранние сроки, чем на участках свободных рек;
освобождение ото льда водохранилищ происходит с запозданием. Разница в
сроках нередко достигает 10—15 дней. Ледоход отсутствует — лед тает на
месте. Так же спокойно происходит образование льда и у морских побережий.
Можно лишь отметить, что замерзание морской воды вследствие ее солености
происходит медленнее, чем пресной, а морской лед отличается большей
вязкостью и пластичностью.
Вскрытие и замерзание отдельных участков реки, в зависимости от
географического их положения, может происходить в сроки, отличающиеся до
месяца (например, участки р. Волги у Астрахани и у Нижнего Новгорода).
Неодновременно происходят эти явления и на различных участках у морского
побережья. Даты конца весеннего ледохода и начала осеннего определяют
физическую длительность навигации. К сожалению, физическая 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. Чем больше навигационный период, тем большее количество грузов
может быть перевезено по водному пути.
2.4. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
При строительстве портов весьма важно знать геологическую структуру
берегов и условия залегания пластов. Особенно опасны высокие речные (и
морские) 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. Остановить движение оползневых
масс грунта при значительном их объеме и большой высоте берега иногда
весьма трудно и требуются дорогостоящие работы по глубокому дренированию
берега, уположиванию откосов и перераспределению земляных масс. Поэтому,
как правило, при выборе места для постройки портовых сооружений избегают
таких мест и стремятся найти более устойчивые участки берега.
Огромное значение для портостроения имеет переформирование берегов
под действием климатических и гидрологических факторов, из которых влияние
последних проявляется в значительной степени.
На реках основной причиной, вызывающей переформирование берегов,
является течение. Большинству равнинных рек свойственна извилистая
меандрическая форма русла. Если река, развивая извилистость, подойдет к
участкам долины, сложенным слабо размываемыми породами, то излучины
перестают увеличиваться и начинают сползать вниз по течению, сохраняя свою
форму. Если же поток не стеснен склонами долины, то излучины превращаются в
петли с хорошо выраженными перешейками. В случаях, когда при высоких
уровнях вода свободно переливается через перешеек излучины, даже при
большой его ширине может произойти прорыв перешейка с резким изменением
русла.
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 порта.
На водохранилищах и морях основной причиной изменения берегов в плане
является волнение, которое стремится сгладить резкие неровности берега и
образовать плавную прямую береговую линию. Когда волны накатываются на
берег, они выносят на него, на некоторую высоту от уреза воды, частицы
грунта. Обратное скатывание твердых частиц вместе со струями воды
происходит по линии наибольшего ската, нормально к линии уреза. Нетрудно
заметить, что при этом на выпуклом берегу будет происходить рассеивание
частиц и, следовательно, можно ожидать его размыва; на вогнутом берегу,
наоборот, будет возникать намыв, а при прямолинейном очертании берега и
подходе фронта волн под некоторым углом к берегу—транзит наносов.
Действительный характер воздействия волн отличается от этой
примитивной схемы ввиду описанного выше явления рефракции волн, но следует
заметить, что рефракция, концентрируя энергию волн на выступающих частях
берега, лишь способствует процессу выравнивания берегов. На морских
побережьях этот процесс за многие тысячелетия в основном уже завершился.
Лишь на отдельных участках происходит сравнительно небольшой размыв берега
с интенсивностью около 1—2 м в год.
Иначе протекает процесс на вновь образуемых водохранилищах. Здесь в
некоторых случаях возможен размыв выступающих частей суши с интенсивностью
до 100—150 м в год. При любом строительстве на таких берегах необходимо
тщательное изучение процесса переформирования берега путем организации
наблюдений я его прогнозирование на основе соответствующих расчетов.
Пологий песчаный характеризуется профилем динамического равновесия,
который зависит от крупности фракций грунта, слагающих берег, и
интенсивности волнения и течений. Если первоначальный уклон дна больше
того, который свойствен профилю динамического равновесия (при данных
конкретных условиях), то происходит интенсивный размыв берега. В случае,
когда первоначальный уклон меньше этого “критического” значения — берег
намывается. Такого рода переформирования берега весьма часто происходят на
водохранилищах, тогда как на морских побережьях этот процесс, как правило,
уже закончен. На отдельных участках Балтийского побережья, а также на
побережье Бельгии и Франции, дюны тянутся на десятки километров, охватывая
прибрежные полосы большой ширины (до нескольких километров). Высота
песчаных валов, обычно не превышающая нескольких метров, доходит до 100 м,
ив этом случае их закрепление является уже сложной инженерной проблемой.
Крутой профиль характерен для берега из плотных, метаморфических или
осадочных пород. Под совместным действием волнений, течений, ветров и
замерзания воды, проникающей в расщелины, первоначальное положение
коренного берега. Всякое строительство на пляже, находящемся в динамическом
равновесии, возможно только при защите берега от действия волн. Если же
такого ограждения не делается, то сооружения должны размещаться обязательно
за пределами изменяющейся части пляжа.
Движение наносов является одним из важных факторов, влияющих как на
строительство, так и на эксплуатацию портов. Движение наносов
непосредственно связано с явлением переформирования берегов и течениями.
Речной поток всегда несет какое-то количество взвешенных и влекомых донных
наносов. Всякое вмешательство в жизнь реки при строительстве портов
приводит к изменению режима движения воды и наносов, с образованием в одних
местах зон с более высокими скоростями движения, а в других — зон с
пониженными скоростями. Соответственно в первом случае возможен размыв
русла, а во втором неизбежно отложение наносов. По длине реки в верхней ее
части в общем преобладает явление размыва и насыщения потока наносами, в
нижней, с падением уклонов и скоростей течения, более характерно выпадение
наносов. Процесс выпадения наносов наиболее интенсивен в устьях рек. При
впадении реки в залив резко уменьшаются скорости течения, что
сопровождается осаждением взвешенных и донных частиц. В результате такого
осаждения наносов перед устьем реки образуется обширное мелководье,
называемое устьевым баром. С течением времени мели поднимаются, образуя
острова; речные воды, стремясь к морю, промывают в них протоки, создавая
многочисленные разветвления. Образуется обширное пространство треугольной
формы в плане, состоящее из многочисленных островов, рукавов, боковых
проток, отделившихся озер. Такие устья называются дельтами и занимают
обширные площади в несколько тысяч квадратных километров. Так, дельта Волги
имеет по основанию 120 км, по длине 200 км и площадь более 12000 км2;
дельта Северной Двины имеет в основании 50 км и длину 50 км; Санкт-
Петербург располагается на многочисленных островах дельты р. Невы. Нижняя
граница дельты непостоянна: при половодье дельта продвигается в море, затем
волнение размывает отложения наносов, а течения переносят их вдоль
побережья.
3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРТА
3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
После выбора технологической схемы прохождения грузов (и пассажиров)
через порт его основные составные элементы подвергают расчету.
Рассчитываемыми непосредственно по заданному грузообороту характеристиками
элементов порта являются: 1) длина причальной линии; 2) размеры акватории;
3) глубины порта; 4) размеры складов; 5) количество прикордонных и тыловых
железнодорожных путей.
Размеры портовой территории определяются в процессе компоновки порта,
исходя из условия удобного размещения в плане всего основного и
вспомогательного оборудования порта, зданий и сооружений. Нормальная ширина
основной части территории, непосредственно примыкающей к причалам, в
зависимости от вида грузов и технологических схем их обработки колеблется в
пределах 120—250 м. Недостаточная ширина этой оперативной полосы территории
порта создает значительные эксплуатационные затруднения и снижает
пропускную способность причалов. Характерными примерами в этом отношении
являются Новосибирский, Ростовский и Московский Северный порты, где ширина
отдельных участков оперативной территории менее 50 м.
3.2. ДЛИНА ПРИЧАЛЬНОГО ФРОНТА
Причальная линия порта состоит из отдельных прямолинейных участков
берега. Если прежде основные причалы выполняли сплошными по длине, то за
последнее время, в связи с появлением стационарных высокопроизводительных
перегрузочных машин, нередко причалы делают в виде отдельных опор (бычки,
кусты свай) при откосном креплении берега.
Общая длина причального фронта — это отчетная характеристика и
представляет собой сумму длин причальных линий отдельных районов или
причалов, предназначенных для переработки самых различных грузов. При
проектировании рассматриваются отдельно не только грузы различной
категории, но и различные по характеру перевозок, направлению движения, по
типам судов, на которых они перевозятся, и т.д. Расчет ведется отдельно для
каждой выделенной, в соответствии с приведенной ранее классификацией, доли
грузооборота и лишь после определения количества причалов рассматривается
целесообразность совмещения однородных грузов на причалах. Так, например,
могут совмещаться различные категории штучных грузов, перевозимых на разных
судах в разных направлениях, или различные категории навалочных грузов
(минерально-строительные материалы и руда, уголь и руда) и т.д.
Необходимая для перегрузки груза данной категории длина причального
фронта определяется в зависимости от длины расчетного судна и полученного
по расчету числа причалов.
В зависимости от длины и типа судна, от профиля или типа причального
сооружения Нормы технологического проектирования предусматривают целую
сетку величин разрывов между судами — от 10 до 25 м.
В целях уменьшения общей длины причальной линии, если это возможно,
концевые причалы делаются неполной длины. Отдельно стоящие причалы также
могут иметь уменьшенную длину.
Наконец, нефтяные отдельно стоящие причалы могут иметь основную
часть, обеспечивающую размещение технологического оборудования, минимальной
длины. В этом случае для швартовки судов устраиваются специальные палы, не
связанные с основной конструкцией причала. В некоторых случаях приходится,
наоборот, увеличивать длину причала. Так, например, если предусматривается
передвижка судна в процессе перегрузочных работ, то при расчете длины
причала к длине судна следует добавить и величину передвижки. Иногда
удлинение причальной линии может быть продиктовано и компоновочными
соображениями (размещение складов требуемой длины, подход железнодорожных
прикордонных путей на концевом причале).
Если на причалах совмещается перегрузка различных грузов, то число
причалов увеличивается: на 10% — при двух видах грузов, на 20% — при трех и
на 30% — при четырех видах груза.
Пропускная способность причала зависит от технических и
эксплуатационных факторов, а также метеорологических условий.
Таким образом, в расчетах учитываются все факторы кроме
экономических. Поэтому расчеты дают лишь минимально необходимое значение
пропускной способности причала, но не ориентируют на оптимальное
экономическое решение.
Стоимость суточной эксплуатации современных судов весьма высока и при
определении приведенных затрат по береговым устройствам (причалы плюс их
оборудование) и флоту нередко оказывается, что экономически целесообразно
иметь резерв пропускной способности причала.
Потребность в причалах определяют раздельно для каждой линии
(туристской, пассажирской дальнего следования, скоростной” местной,
пригородной внутригородской). При достаточно большом пассажиропотоке,
желательно для каждой линии предусматривать самостоятельный причал. В
особенности это относится к туристским линиям и к скоростным, обслуживаемым
судами на подводных крыльях. В морских портах также предусматривают, как
правило, устройство отдельных причалов для линий заграничного плавания,
экспрессных и скорых, туристских и грузопассажирских. Пропускная
способность пассажирских причалов в морских портах ограничивается
обработкой одного-двух судов в сутки.
За последнее время стали интенсивно развиваться паромные переправы.
Время занятости паромного причала невелико: от 0.5 ч— для паромов на
внутренних водных путях, до 2 ч — для морских портов. Паромные переправы
работают строго по расписанию. Поэтому пропускная способность паромного
причала обычно превышает число заходов паромов и для паромной линии
предусматривают, как правило, один специализированный причал. При
необходимости число паромных причалов может быть определено в соответствии
с принципами, изложенными выше для грузовых причалов.
3.3. РАЗМЕРЫ ПОРТОВОЙ АКВАТОРИИ
Наиболее сложный состав имеет акватория речного порта. В общем случае
акватория речного порта может иметь следующие рейды: 1) сортировочный или
формировочный; 2) оперативный или перегрузочный; 3) навигационный; 4)
причальный; 5) для отстоя плотов.
Размеры сортировочного рейда так же, как и длину причалов, определяют
после детального анализа грузооборота отдельно для каждого выделенного
“грузопотока. Каждое несамоходное судно, перевозящее рассматриваемую долю
общего грузооборота, дважды попадает на рейд: прибывая в порт и отправляясь
из него. Поэтому, если известны средняя грузоподъемность судна, коэффициент
использования грузоподъемности и среднее время нахождения судна на рейде,
то
после определения числа скапливающихся судов по каждой отдельно
рассматриваемой части грузооборота их суммируют, имея в виду, что
необходимо предусматривать отдельные рейды для нефтеналивных судов и для
сухогрузных судов с легковоспламеняющимися и огнеопасными грузами.
Навигационный рейд речного порта служит для свободного подхода судов
к причалу обязательно против течения. Минимальная ширина навигационного
рейда для беспрепятственной циркуляции судна на подходах должна быть равна
по крайней мере трем длинам судна. Учитывая размеры современных крупных
судов, обеспечить такую величину удается весьма редко. В большинстве
случаев приходится уменьшать ширину навигационного рейда соглашаясь с
необходимостью сложных маневров судна при подходе к причалам.
Причальный рейд занимает акваторию вдоль причала. Ширина причального
рейда определяется шириной акватории, занимаемой двумя ошвартованными
судами, и запасом между бортом крайнего судна и кромкой судового хода.
Особо решается вопрос о величине бассейнов (или по аналогии о
расстоянии между смежными пирсами). Если через бассейны не
предусматривается транзитное движение судов, то при нескольких причалах по
длине бассейна желательно предусматривать возможность разворота судов на
кормовой чалке. Для коротких бассейнов, имеющих по длине не более двух
причалов, можно не предусматривать разворота судов. Тогда ширина бассейна
должна определяться из необходимости иметь свободную минимальную полосу
воды для движения судов, равную утроенной ширине судна.
При транзитном движении судов через бассейн ширину его следует
назначать из условия создания свободной полосы для каждой линии движения.
Площадь рейда для отстоя плотов определяется исходя из расчетного суточного
грузооборота.
Речной порт на водохранилище является нередко одновременно и портом-
убежищем для проходящих транзитом составов и плотов.
Основная часть акватории морских портов состоит из навигационных
|
