Реферат: Классификация, характеристика и устройство портов

2.2. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

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

Ветер. Ветровой режим характеризуется направлением, ско­ростью, продолжительностью и повторяемостью. Знание ветрово­го режима особенно важно при строительстве портов на морях и водохранилищах. От ветра зависят направление и интенсивность волнения, которые определяют компоновку внешних устройств порта, их конструкцию и направление водных подходов к порту. Господствующее направление ветра должно также учитываться при взаимном расположении причалов с разными грузами.

Температура воздуха и воды. 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.

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) и эти скопления в воз­духе мельчайших капель воды образуют туман. Несмотря на раз­витие радиолокации, движение су­дов в тумане все же ограничено, а) При очень густом тумане, когда уже на расстоянии нескольких де­сятков метров не видны даже круп­ные предметы, иногда приходится прекращать и перегрузочные ра­боты в портах. В речных условиях туманы довольно кратковременны и быстро рассеиваются, а в некото­рых морских портах они бывают затяжными и держатся неделями. Исключительным в этом отно­шении является о. Ньюфаундленд, в районе которого летние тума­ны иногда держатся 20 дней и более. В некоторых отечественных морских портах на Балтийском и Черном морях, а также на Даль­нем Востоке в году бывает 60—80 дней с туманами.

Осадки. Атмосферные осадки в виде дождя и снега следует учитывать при проектировании причалов, на которых перегружа­ются грузы, боящиеся влаги. В этом случае необходимо предус­матривать специальные устройства, предохраняющие место пере­грузки от осадков, или при оценке расчетного суточного грузообо­рота учитывать неизбежные перерывы в работе причалов. При этом имеет значение не столько общее количество осадков, как число дней с осадками. В этом отношении одним из “неудачных” портов является Санкт-Петербургский, где при общем количестве осад­ков около 470 мм в год в отдельные годы бывает более 200 дней с осадками. Данные об осадках получают от Госметеослужбы РФ.

2.3. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

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 вертикального крепления берега и приходится переходить на менее удобное в эксплуатации откос­ное или полуоткосное.

Основной 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 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.

На падение уровней могут оказать значительное влияние и большие расходы воды, забираемой на орошение и водоснабже­ние.

С образованием водохранилищ, имеющих большое зеркало водной поверхности, на ход колебаний уровня воды начинает влиять ветер. При действии ветра на поверхность воды на значи­тельном протяжении, в результате трения между воздухом и во­дой, возникает сначала движение поверхностных частиц, которое затем, передаваясь на глубину, образует ветровое течение. Это те­чение способствует повышению уровня у наветренного берега— нагону, и понижению у подветренного — сгону. Амплитуды нагонов и стонов воды на водохранилищах могут в отдельных случаях достигать 1 м и больше.

Еще более значительное влияние ветровые нагоны и сгоны имеют у отмелых берегов морей, в длинных сужающихся заливах и устьях рек. Здесь амплитуды колебания уровня достигают иног­да 2—3 м. Так в устье Волги подъем воды при нагоне достигает 2 м, а понижение при сгоне — 1 м. В устье Дона — соответствен­но 2.5 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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6