Нами предложено техническое решение (Патент РФ от 14.01.2008 г. №2366777), позволяющее активно воздействовать на волну и разрушать ее, практически, до любого наперед заданного значения (например, до проектного). Это решение основано на создании на пути волны аэрированной зоны (водо-воздушной завесы) специальной конфигурации и интенсивности. В рамках Федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники 2009–2016» (Заказчик Минпромторг РФ, Государственный контракт от 03 декабря 2009 г. № 9411.1007400.09.118) нами полностью выполнена научно-исследовательская стадия НИР: построена математическая модель распространения волнения в аэрированной зоне, определены основные факторы, влияющие на волну и способы управления ими, проведены масштабные эксперименты в мореходном бассейне ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, показавшие возможность эффективного гашения гребня волны.

Водо-воздушная завеса от прозрачной трубки

Устройства типа пневматического волнолома были известны и ранее, более того, были проведены даже натурные эксперименты в СССР, Англии, Швеции, США и Канаде. Однако от их широкого использования отказались, в том числе, ввиду громадных энергозатрат, которые требовались на интенсивное проталкивание воздуха в отверстия перфорированных трубок, расположенных на глубине. Кроме того, эти устройства были совершенно неэффективны для гашения длинных и, особенно, уединенных волн типа цунами. Нами решены обе эти проблемы: удалось значительно снизить энергопотребление устройства за счет применения специальных прозрачных труб, и на основе этого, разрушение уединенных волн проводить путем создания «фальш-дна», используя эффект аномально высокой вязкости водо-воздушной смеси.

Вот некоторые области применения этой технологии в районах морской коммерческой деятельности:

• защита рейда;
• обеспечение терминальных, бункерных и дреджинговых операций;
• Защита добычных комплексов при разработке шельфа;
• Защита опасных гидротехнических и плавучих сооружений при их размещении в цунамиопасных районах и т.п.

волнение перед областью аэрации                       волнение за областью аэрации

Аэрированная зона (водо-воздушная завеса) специальной конфигурации и интенсивности, позволяет активно воздействовать на ледяной покров, уменьшая при помощи эффекта аэрлифта его толщину или полностью разрушая. Данная технология основана на прокладке по морскому дну трубопровода из полимерного материала, в который под заданным давлением нагнетается воздух. Особенности конструкционных материалов, из которых изготавливаются полимерные трубы, позволяют пропускать нагнетаемый воздух сквозь стенки труб, благодаря чему над трубопроводом создаётся облако пузырей из воздуха. Поднимаясь к поверхности, воздух увлекает за собой  более теплую воду из придонных слоёв. Тем самым обеспечиваются условия для растапливания льда любой толщины и обеспечение открытого судового хода без применения специальных ледоколов. Дополнительно для разогрева потока воздуха может применяться сбросовое тепло обеспечивающей энергетики, что позволит повысить эффективность и снизить энергозатраты. Одновременно эти трубопроводы могут служить для предотвращения заиливания дна судоходного канала.

1. 1. Трубопровод
2. 2. Оболочка
3. 3. Торцевое уплотнительное кольцо
4. 4. Ниппель с обратным клапаном
5. 5. Вкладыш
6. 6. Cепаратор

Экономика

Важное место при решении задач, связанных с развитием северных территорий и акваторий, занимают проблемы минимизации ущерба, связанного с разрушительным действием льда.

Наносящие колоссальный ущерб навалы ледовых полей на гидротехнические сооружения  и береговые терминалы, ледовые сжатия корпусов судов – вот опасности, которые приходится учитывать и ежегодно с ними бороться.

Весеннее половодье на северных реках зачастую связано с ледовыми заторами и зажорами, препятствующими своевременной эвакуации льда к устью. Подъем уровня в реке, обусловленный ледовым затором происходит очень быстро – например, на реке Лена, где течение достигает 2,5 м/сек, скорость подъема уровня достигает 1,5-1,7 м/час.

Под управлением ледовой обстановкой подразумевается обычно мониторинг и прогнозирование поведения ледовых полей. Однако современные способы предупреждения и предотвращения ущерба малоэффективны и губительны для окружающей среды.

Собственно безопасность гидротехнических сооружений и береговых терминалов обеспечивается усилением корпусных конструкций и действиями МЧС, связанными с подрывом и попытками раскола ледовых образований. Этот метод малоэффективен в связи с аморфной кристаллической структурой льда и тем, что, несмотря на то, что места заторов известны, заранее подготовиться к подрыву (пробурить шурфы, заложить заряды) невозможно, так как ледовое поле все время находится в движении. Взрывы наносят немалый экологический вред, поскольку на время ледохода приходится нерест омуля. Поэтому, например, в Бурятии на реке Селенга взрывам предпочитают наводнение.

Известен способ борьбы с нарастанием льда, основанный на постоянном аэрлифте придонных (теплых) слоев воды и постоянном «подогревании» нижней кромки льда.

Идея аэрлифта основана на том, что водо-воздушная смесь имеет аномально высокую вязкость и кубометр воздуха тянет за собой 8-10 кубов воды. Придонная температура, обычно, равна +2,5–4^оС. Теплопроводность льда очень низка, поэтому на верхней кромке льда может быть  -30^оС,  при этом нижняя кромка вполне может плавиться при  +4. Однако, этот способ неприменим, если у льда имеется подвижка или между дном и льдом существуют течения.

Известен также способ «колки» льда, основанный на заходе на ледовую поверхность судна на воздушной подушке (СВП). Подо льдом создается воздушная полость, в которую лед проламывается под собственным весом. При специально подобранной скорости СВП, в толще льда возникают резонансные колебания, эффективно разрушающие покрытие даже метровой толщины. Однако этот способ не может применяться при значительном торошении.

Мы предлагаем объединить эти две идеи и рассмотреть возможность разрушения больших площадей льда путем создания подо льдом в очень короткое время очень большого воздушного пузыря. Лед, опирающийся на воздух, при этом должен под собственным весом сломаться.

Ключевая идея метода – создание подо льдом пузыря большой площади в короткое время. Это возможно, если использовать энергию горения пороховых газов, и наращивать ее соответствующим образом, охлаждать и подавать в рабочую трубную систему, заранее расположенную в акватории на наиболее ледово-опасных направлениях или в местах традиционных заторов.

Представляем вам устройство для разрушения ледового покрытия. Его ключевой функцией является возможность за считанные секунды создавать огромный газовоздушный пузырь, способный разламывать как речной лед, так и большие морские ледовые поля.

В ледовом панцире бурится отверстие, в которое помещается труба с перфорированными стенками и заглушкой на конце. Другим концом труба подсоединяется к устройству, установленному на вездеходе. Инициируется воспламенение аккумулятора давления, начинается процесс формирования пузыря. Нарастающий поток газовоздушной смеси поступает в трубу и стремительно распространяется под водой. Из-за большой интенсивности поступления газов, вода отжимается из-подо льда и образуется каверна. Лед ломается под своим  весом, и газ выходит из каверны в атмосферу. Вода, возвращаясь к обычному состоянию, окончательно доламывает лед.

Само устройство состоит из двух камер сгорания, в первой из которых помещается аккумулятор давления. Каждая камера сгорания последовательно соединяется с трубой Вентури, обеспечивающей снижение давления, увеличение объема и охлаждение газов, исходящих из камеры сгорания.

В более мощных устройствах, за трубой Вентури может располагаться вторая камера сгорания, в которую подается жидкое или твердое горючее. Таким горючим может быть как попутный газ и газовый конденсат, так и другие горючие вещества, в том числе компактированные бытовые или промышленные отходы, утилизация которых обычно осуществляется сжиганием. Поток из трубы Вентури направляется на горючее вещество во второй камере сгорания и обеспечивает быстрое и эффективное сжигание топлива. Далее, если энергия образующегося потока достаточна, поток направляется во вторую трубу Вентури, там увеличивается в объеме, охлаждается и далее по трубе направляется к месту барботажа.

Управление потоком продуктов горения и увеличение объема рабочего тела, подающегося в рабочую систему, основано на каскадном применении сопел Вентури, позволяющих за счет забора атмосферного воздуха одновременно увеличивать объем газо-воздушной смеси на порядки и охлаждать ее. Особенно следует учитывать, что предлагаемый метод практически не требует сетевой энергетики, а использует только энергию горения пороховых газов.

Серийное использование нашего устройства сможет не только ликвидировать угрозу для прибрежных и морских сооружений, но и существенно снизит ущерб от паводковых явлений.

В рамках Федеральной Целевой Программы «Развитие гражданской морской техники на 2009 – 2016 годы», совместно с ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова» выполнена  ОКР: «Разработка технических решений и мероприятий по защите грунтовых оснований в районе платформ гравитационного типа от размыва в реальных условиях эксплуатации».

Строительство ледостойких гравитационных платформ характеризуются следующими особенностями:

• мелководностью районов строительства;
• суровыми штормовыми условиями;
• большими поперечными размерами сооружений, вызывающими дифракцию волн;
• многообразием форм сооружений;
• сложным характером сопряжения основания сооружения с дном.

В мелководной зоне морские сооружения устанавливаются на дне водоема, при этом задача обеспечения устойчивости сооружения на грунте является одной из важнейших для обеспечения безопасности его эксплуатации.

Имеющийся опыт эксплуатации показывает, что создание защиты морских сооружений от местного размыва – ресурсоемкая работа, но ее разрушение в процессе эксплуатации этих сооружений требует гораздо более дорогостоящих ремонтно-восстановительных работ.

В инженерной практике наиболее широко применяются пассивные способы защиты от местного размыва:

•  в виде наброски (отсыпки) из камня или гальки по подстилающему обратному фильтру из гравия или специальной фильтрующей ткани;
•  шарнирных плит (габионов), закрепленных по периметру основания;
•  жестких горизонтальных экранов, выступающих по периметру сооружений в плоскости его днища.

Способы защиты, вызывающие отложение (намыв) естественных наносов у сооружения относится к активному типу защиты от местного размыва (в частности, экраны-отражатели).

Также актуально использование сочетания пассивного и активного способов защиты от размыва.

Недостатки существующих технологий защиты грунта от размыва

Предлагаемый способ защиты грунта от размыва заключается   в изготовлении   и   укладке   на подводную поверхность водоема мата из синтетического, водостойкого,    нетканного материала,   представляющего собой двухслойное полотнище, простеганное вдоль по всей длине, что    позволяет    образовать продольные    каналы, заполняющиеся   балластировочным  материалом   из   раздаточного бункера,  расположенного  на  судне обеспечения.

Балластировочный  материал для сверхтяжелых пригрузов изготавливается из подвижной магнезиально-минерально-солевой композиции (ММСК), непосредственно на борту плавсредства, используя для затворения забортную морскую воду, а в качестве утяжелителя – чугунную или свинцовую дробь.

Применение пригрузов на основе портландцемента требует предварительного изготовления матов на береговом заводе, доставку их на судне  и  укладку   при помощи водолазов.

Технологическая схема установки по укладке мата с борта судна обеспечения

Отработка технологии укладки модели защитного покрытия проведена в экспериментальном бассейне ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова»

Технологическая схема укладки защиты грунта от размыва

Испытания макетов защиты грунтового основания платформ гравитационного типа от размыва проведены в гидроволновой лаборатории 26 Центрального научно- исследовательского института.

Испытания моделей защитного покрытия

Проведены следующие испытания моделей защитного покрытия:

• —  На устойчивость к морской воде;
• —  На способность конструкции противостоять воздействию морских течений и волн;
• —  На удобоукладываемость композиции в зависимости от плотности (различный процент содержания металлургического шлака и гранулята).

Преимущества новой технологии:

• Защитное покрытие  подводной поверхности обладает низкой себестоимостью и высокой прочностью;
• Заполнение мата балластировочным материалом производят одновременно с его укладкой на защищаемую подводную поверхность;
• Технология может быть использована для укрепления дна гаваней, берегового уреза, акваторий портов, рек, каналов и других водоемов с целью защиты его от разрушительного воздействия текущей среды, в частности от действия струй  судовых гребных винтов и нагонной волны.

Предварительная оценка общих затрат на создание Защиты по новой технологии на примере МЛСП «Приразломная»  с учетом расходов на аренду судов и плавсредств, монтажа/демонтажа технологического оборудования и стоимости компонентов для приготовления ММСК.

Сравнение предварительной оценки общих затрат на Защиту грунтового основания в районе платформы «Приразломная» с помощью матов, заполненных балластировочным материалом ММСК с расходами на создание реальной Защиты грунта от размывов по типу «каменная наброска»