Облегченные типы оградительных сооружений

Волноломы с пониженным коэффициентом отражения (проницаемые и полупроницаемые) вертикального профиля уже успешно используются в практике портового строительства. В качестве примеров рассмотрим свайный щелевой и гравитационный перфорированные волноломы.

Щелевые оградительные сооружения. Лабораторные исследования оградительных сооружений в виде свайного ряда показали, что суммарное волновое давление на волнолом, состоящий из плотно примкнутых цилиндрических свай – оболочек, резко падает, если между оболочками оставлять зазоры (щели) размером 1/20 – 1/30 от диаметра, тогда как волногасящий эффект при этом снижается незначительно. Указанное обстоятельство заметно расширяет пределы использования этой простейшей схемы волнолома. Волнолом представляет собой ряж нагруженных на глубину 33 м металлических оболочек диаметром 2 м с зазором 10 – 15 см сверху волнолом объединен монолитным железобетонным шапочным брусом шириной 3 м, толщиной 1,5 м. Для усилия волнолома на каждые 15 оболочек возведен дополнительная контрфорсная оболочка, объединенная с основным шапочным брусом. Головная секция представляет собой три сваи, погруженные треугольником в плане.

Перфорированный волнолом представляет собой сооружение длиной около 300м из массивов–гигантов (высотой 16,7 м, шириной 18,3 м и длиной 33,5 м), передние секции которого (камеры гашения) не имеют твердого заполнителя, а лицевая грань выполнена с отверстиями диаметром 0,9 м, как бы «впитывающими» через себя массы взволнованной жидкости. В результате ослабляется отражение волн от сооружения и уменьшается волновое давление; часть волновой энергии, проникшей через отверстия перфорации определенных секций, рассеивается, дополнительно снижая волновое давление. Успешное использование этого сооружения подтверждает рациональность такой схемы. Расчеты показывают, что применение камеры гашения в гравитационных сооружениях позволяет снизить степень отражения примерно вдвое по сравнению со сплошной стенкой, а волновые нагрузки и массу конструкции на 15 – 20%.

Особенности проектирования проницаемых и полупроницаемых сооружений заключается в следующем. Волновые нагрузки определяют введением понижающих коэффициентов к нагрузкам на сплошную стенку, находящуюся в тех же условиях. Аналогично определяют донные скорости. Понижающие коэффициенты находят с помощью модельных экспериментов. При выборе гидравлических сопротивлений лицевой стенки камеры может быть достигнута почти нулевая степень отражения; понижающие коэффициенты к нагрузкам в этом случае будут порядка 0,6.

Сквозные оградительные сооружения. Кинетическая энергия волнового колебательного движения частиц жидкости, концентрируясь в верхних слоях воды, быстро убывает с глубиной. Подсчитано, например, что на глубоководье в слое воды толщиной 0,1 λ концентрируется около 72%, а в слое толщиной 0,3 λ – около 98% всей волновой энергии. Следовательно, при значительных глубинах, небольших невысоких крутых волнах волногасящая часть волнолома может перекрывать верхний слой, в котором концентрируется волновая энергия. Конструктивно они различаются на несколько типов (рис.).

Коробчатый (ящичный) волнолом, действующий по принципу отражения волн, представляет собой понтон, установленный на сквозные опоры с заглублением, достаточным для гашения волн. На рис. изображен волнолом такого типа, возведенный в 1932 г. и успешно работающий в условиях: h = 1 м; λ = 12 м.

Решетчатый волнолом имеет волногасящую часть в виде пространственной конструкции, производящей рассеивание волновой энергии. Размеры и конфигурация решетки зависят от волновых характеристик.

Особенности проектирования сквозных сооружений следующие. Удовлетворительное гашение волн сквозным волноломом происходит при углублении его на передней грани под спокойный уровень воды на t =(2–3)h и возвышении над этим уровнем на s = h без учета высоты парапета z, которую определяют из условий не переливания волн через сооружение. Придание передней грани уклона в сторону акватории может повысить волногасящую способность сооружения, однако это усложняет его конструкцию.

Экранный волнолом, как и коробчатый, действует по принципу отражения волновой энергии. Его волногасящий эффект в сквозном варианте зависит от заглубления. В морских условиях при значительных высотах и длинах волн и небольшой глубине заглубление, необходимое для удовлетворительной работы волнолома, может приближаться к глубине, и в этом случае волнолом из сквозного превращается в сплошное сооружение. На рис. показан свайный экранный волнолом – причал (экран достигает дна), возведенный для гашения волн высотой 4,8 м, периодом до 10 с, где мощный слой ила, залегающий на от глубины II до 24–40 м, делает нецелесообразным строительство обычного гравитационного сооружения.

Плавучий волнолом обычно жесткого понтонного типа обладает более низким волногасящим эффектом по сравнению со сквозным стационарным волноломом аналогичной конструкции и чрезмерно большими рывками усилиями в якорных креплениях и межсекционных соединениях в связи с раскачиванием понтонов. Для смягчения рывков и уменьшения усилий в креплениях этим сооружениям стали придавать сквозную форму или обеспечивать избыточную плавучесть, создавшую постоянное напряжение якорных закреплений. Сегодня известно несколько разновидностей этих сооружений.

Щелевой плавучий волнолом представляет собой ряд шарнирно соединенных между собой плавающих понтонов сквозной формы, расположенных вдоль ограждения.

Решетчатый плавучий волнолом конструкции, изображенной на рис. Пять секций этого волнолома по 73,2 м длиной и 94,5 м шириной, установленные на глубине 12,5 – 16,2 м, успешно гасили волнение высотой 3 м периодом до 8,5 с.

Плавучий волнолом эластичной конструкции представляет собой колоколообразную в поперечном сечении эластичную оболочку с поперечными диафрагмами (рис.) надводная часть оболочки заполняется при монтаже с некоторым избыточным давлением, достаточным для поддержания на плаву самой оболочки и накатывающихся на нее волн. Возможные потери (утечки) в процессе эксплуатации волнолома компенсируются подачей сжатого воздуха через питательный шланг или трубку от расположенного на берегу небольшого компрессора. Волнолом удерживается с помощью тросов или цепей. Во время штиля сооружение имеет симметричную форму. Во время шторма симметрия резко нарушается. Мористая сторона оболочки принимает форму податливого, легко деформируемого откоса. Волна накатывается на образовавшийся откос и разрушается на нем. Лабораторные исследования показали, что в условиях равной эффективности волногашения усилия в якорных закреплениях в эластичном волноломе заметно ниже, чем в «жестких» сооружениях (межсекционные соединения в эластичных сооружениях отсутствуют).