RU2764806C1

RU2764806C1 - Ice berth

Info

Publication number: RU2764806C1
Application number: RU2021114205A
Authority: RU
Inventors: Михаил Александрович Колосов; София Александровна Андреева
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-01-21

Abstract

FIELD: hydraulic engineering.

SUBSTANCE: invention relates to hydraulic engineering, namely to berthing structures erected mainly in the regions of the Far North. The structure is intended for mooring vessels plying along the Northern Sea Route, in the coast of which there are soils with permafrost. The ice berth includes, as well as the prototype, a concrete mooring edge connected through the ice massif to the frozen shore, and cooling pipes horizontally located in the upper part of the ice massif, while unlike the prototype, the ice massif is made with a protrusion towards the water area, the end surface of which is limited by the specified concrete mooring edge, and the supporting part is equipped with vertical pipes, the lower ends buried in the bottom of the water area, and the upper ends are withdrawn into horizontal cooling pipes and equipped with valves. The horizontal cooling pipes are laid over the entire length of the ice massif with reinforcement of the ice ledge. To increase the strength of the berth, the ice ledge is reinforced with fiberglass. At the same time, the berth cover is made of heat-insulating and wear-resistant material. To supply the refrigerant to the horizontal cooling pipes, the berth is equipped with a refrigerant forming station.

EFFECT: possibility of receiving vessels with a large draft while saving the cost of construction work.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к причальным сооружениям, возводимым преимущественно в районах Крайнего Севера. Сооружение предназначено для швартовки большегрузных судов, курсирующих по трассе Северного морского пути, в побережье которого расположены грунты с вечной мерзлотой.The invention relates to hydraulic engineering, and in particular to berthing facilities, built mainly in the Far North. The structure is intended for mooring heavy ships plying along the Northern Sea Route, on the coast of which soils with permafrost are located.

Известны ледяные сооружения (причалы, дороги, взлетно-посадочные полосы), возводимые на мелководном шельфе арктических морей (пат. РФ 1635621, E02B 17/00, опубл. 1991; пат. №2493324 МПК E02B 17/00, опубл. 2013). Сооружения представляют собой ледяную площадку, сформированную из послойно расположенных снежных валиков с емкостями, заполненными морской водой. Под ледяным покровом причалов установлены опирающиеся на дно ледяные опоры, внутри которых размещены термосифоны, создающие отрицательные температуры в опорах и донных отложениях.Known ice structures (piers, roads, runways) built on the shallow shelf of the Arctic seas (US Pat. RF 1635621, E02B 17/00, publ. 1991; Pat. No. 2493324 IPC E02B 17/00, publ. 2013). The structures are an ice platform formed from layers of snow rollers with containers filled with sea water. Under the ice cover of the berths, ice pillars resting on the bottom are installed, inside of which there are thermosiphons that create negative temperatures in the pillars and bottom sediments.

К недостаткам сооружений относятся: недостаточная устойчивость и надежность при подвижках на них смерзшихся ледяных полей, ограниченная (не более 2 лет) эксплуатация объектов. The disadvantages of structures include: insufficient stability and reliability when frozen ice fields move on them, limited (no more than 2 years) operation of facilities.

Известно ледяное сооружение (пат. РФ №2715034, E02B 17/00, опубл. 2020), представляющее собой искусственно намороженный массив из льда с добавкой волокон. Намораживание массива по его наружному контуру производится с использованием опалубки, которая включает слои тепло- и гидроизоляции. Опалубкой для устройства полости могут служить трубы, изготавливаемые из различных материалов - металла, композита, гибких оболочек и др. Использование высокопрочных материалов, например, металла, обеспечивает повышение жесткости и увеличение прочности конструкции плавучего причала. Полости в теле причала обеспечивают его необходимую плавучесть и термическую устойчивость намороженного массива при циркуляции по ним воздуха с отрицательными температурами. В зимний период охлаждение производят за счет циркуляции в полостях наружного воздуха. При необходимости в теплый период применяют искусственное охлаждение подаваемого в полости воздуха. Это позволяет намораживать массив причала высотою больше, чем высота естественного промороженного покрова, но при этом исключается его оттаивание снизу. Таким образом, данные причалы могут быть использованы как временные, так и постоянные сооружения.An ice structure is known (RF Pat. No. 2715034, E02B 17/00, publ. 2020), which is an artificially frozen array of ice with the addition of fibers. Freezing of the array along its outer contour is carried out using formwork, which includes layers of thermal and waterproofing. The formwork for the cavity device can be pipes made of various materials - metal, composite, flexible shells, etc. The use of high-strength materials, such as metal, increases the rigidity and strength of the floating berth structure. The cavities in the body of the berth provide its necessary buoyancy and thermal stability of the frozen mass when air with negative temperatures circulates through them. In winter, cooling is carried out by circulating outside air in the cavities. If necessary, during the warm period, artificial cooling of the air supplied to the cavity is used. This makes it possible to freeze the massif of the berth with a height greater than the height of the natural frozen cover, but at the same time its thawing from below is excluded. Thus, these berths can be used as both temporary and permanent structures.

Недостатком сооружения является невозможность приема судов с большой осадкой ввиду особенностей конструкции, также увеличение сроков возведения причала при посадке его на большие глубины и увеличения материалоёмкости для пригруза причала. При возведении данного сооружения на большие глубины, необходимо увеличивать объем намораживаемого льда. Таким образом, для равномерного распределения отрицательных температур в теле сооружения необходимо увеличить объем полостей, что приведет к уменьшению несущей способности сооружения или увеличению материалоёмкости путем вставки металлических труб. Кроме того, при необходимости посадки сооружения на дно требуется большее количество грунтового материала, чтобы ограничить всплытие сооружения. При применении данного сооружения как плавучего объекта возникают трудности разгрузки судов и переправе материалов с причала на берег.The disadvantage of the structure is the impossibility of receiving ships with a large draft due to the design features, as well as an increase in the construction time of the berth when it is planted at great depths and an increase in the material consumption for the berth's weight. When erecting this structure at great depths, it is necessary to increase the volume of frozen ice. Thus, for a uniform distribution of negative temperatures in the body of a structure, it is necessary to increase the volume of cavities, which will lead to a decrease in the bearing capacity of the structure or an increase in material consumption by inserting metal pipes. In addition, if the structure is to be sunk to the bottom, more soil material is required to limit the structure's ascent. When using this structure as a floating object, difficulties arise in unloading ships and transporting materials from the berth to the shore.

Из известных решений наиболее близким аналогом предлагаемого сооружения по технической сущности и назначению является ледовый причал по пат. РФ №2739801, МПК E02B 3/06, опубл. 2020. Сооружение включает промороженный ледяной массив, ограниченный внешними железобетонными элементами, образующими подпорную стенку уголкового профиля, и грунтовое тело, выполненное из грунта, заполняющего внутреннее пространство, огражденное железобетонными стенами. На стадии устройства грунтовой засыпки она послойно промораживается, в том числе с помощью системы горизонтально расположенных охлаждающих труб, концы которых выведены в охлаждающие вентиляционные полости, контактирующие с боковыми стенками причала. Промороженный грунтовый массив ежегодно охлаждается в течение всего периода эксплуатации. Система работает в наиболее холодный зимний период и отключается в теплый период года и зимой во время оттепелей, для чего на ней предусмотрены задвижки. При необходимости эффективность системы может быть усилена вентиляторами. Прототип обладает достаточно высокой надежностью и эксплуатационной безопасностью.Of the known solutions, the closest analogue of the proposed structure in terms of technical essence and purpose is the ice berth according to US Pat. RF No. 2739801, IPC E02B 3/06, publ. 2020. The structure includes a frozen ice mass, bounded by external reinforced concrete elements forming a retaining wall of an angle profile, and a soil body made of soil filling the internal space, enclosed by reinforced concrete walls. At the stage of backfilling, it is frozen in layers, including with the help of a system of horizontally located cooling pipes, the ends of which are led into cooling ventilation cavities in contact with the side walls of the berth. The frozen ground massif is annually cooled during the entire period of operation. The system operates in the coldest winter period and is switched off during the warm period of the year and in winter during thaws, for which valves are provided on it. If necessary, the efficiency of the system can be enhanced by fans. The prototype has a sufficiently high reliability and operational safety.

Недостатком сооружения является невозможность приема судов с большой осадкой, что вызвано недостаточной глубиной у причальной стенки прототипа. Увеличение глубины для приема большегрузных судов потребует значительного объема как грунтовых, так и бетонных работ, выполнение которых приведет к росту сроков проводимых строительных работ и объема используемых строительных материалов, и кроме того к созданию дополнительных условий для прогрева бетона в зимнее время.The disadvantage of the structure is the impossibility of receiving ships with a large draft, which is caused by insufficient depth at the quay wall of the prototype. Increasing the depth to receive heavy ships will require a significant amount of both soil and concrete work, the implementation of which will lead to an increase in the timing of construction work and the volume of building materials used, and in addition to the creation of additional conditions for warming up concrete in winter.

По сравнению с прототипом предлагаемый ледовый причал позволит решить задачу приема судов с большей осадкой и при этом сэкономить затраты на проведение строительных работ.Compared with the prototype, the proposed ice berth will solve the problem of receiving ships with a larger draft and at the same time save construction costs.

Для решения проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в ледовом причале, (включающем так же как и прототип, бетонную причальную кромку, связанную через ледовый массив с мерзлым берегом, и охлаждающие трубы, горизонтально расположенные в верхней части ледового массива) в отличие от прототипа ледовый массив выполнен с выступом в сторону акватории, торцевая поверхность которого ограничена указанной бетонной причальной кромкой, а опорная часть оснащена вертикальными трубами, нижними концами заглубленными в дно акватории, а верхними - выведенными в горизонтальные охлаждающие трубы и снабженными задвижками. При этом горизонтальные охлаждающие трубы уложены на всю длину ледового массива с армированием ледового выступа. Для увеличения прочности причала ледовый массив армирован стекловолокном. При этом горизонтальная поверхность причала выполнена из теплоизолирующего и износостойкого материала. Для подачи хладагента в горизонтальные охлаждающие трубы причал оснащен станцией для формирования хладагента.To solve the problem, the following set of essential features is used: in the ice berth, (including, like the prototype, a concrete berthing edge connected through the ice massif to the frozen shore, and cooling pipes horizontally located in the upper part of the ice massif), in contrast to the prototype, the ice the array is made with a protrusion towards the water area, the end surface of which is limited by the specified concrete mooring edge, and the supporting part is equipped with vertical pipes, the lower ends are buried in the bottom of the water area, and the upper ends are brought out into horizontal cooling pipes and equipped with valves. At the same time, horizontal cooling pipes are laid for the entire length of the ice mass with reinforcement of the ice ledge. To increase the strength of the berth, the ice mass is reinforced with fiberglass. At the same time, the horizontal surface of the berth is made of heat-insulating and wear-resistant material. To supply refrigerant to the horizontal cooling pipes, the berth is equipped with a refrigerant generation station.

Сущность изобретения заключается в создании надежной конструкции причального сооружения для швартовки большегрузных судов, курсирующих по трассе Северного морского пути. Поставленная задача решается тем, что причальная кромка сооружения выносится в море на глубину, достаточную для приема судов с большой осадкой, для чего ледовый массив выполнен с выступом, направленным в сторону акватории. При этом для обеспечения высокой несущей способности выступающей части и поддержания в ней отрицательных температур, на всю длину горизонтальной поверхности ледового массива укладывают (вмораживают) горизонтальные трубы с хладагентом. В свою очередь, в опорную часть ледового массива внедряют (вворачивают) вертикальные трубы с заглублением в мерзлый грунт. При этом вертикальные трубы выполняют функцию охладителей, передавая в горизонтальные трубы дополнительную порцию холодного воздуха из зоны вечной мерзлоты, и конструктивного элемента: арматуры и опоры (сваи). The essence of the invention lies in the creation of a reliable design of the berthing facilities for mooring heavy ships cruising along the route of the Northern Sea Route. The problem is solved by the fact that the berthing edge of the structure is carried out into the sea to a depth sufficient to receive ships with a large draft, for which the ice massif is made with a ledge directed towards the water area. At the same time, in order to ensure a high bearing capacity of the protruding part and maintain negative temperatures in it, horizontal pipes with refrigerant are laid (frozen) over the entire length of the horizontal surface of the ice massif. In turn, vertical pipes are inserted (screwed) into the supporting part of the ice massif with penetration into the frozen ground. At the same time, vertical pipes perform the function of coolers, transferring an additional portion of cold air from the permafrost zone and a structural element: reinforcement and support (piles) to horizontal pipes.

Сопоставление предлагаемого изобретения и прототипа показало, что поставленная задача - возможность приема большегрузных судов решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».Comparison of the proposed invention and the prototype showed that the task - the possibility of receiving heavy ships is solved as a result of a new set of features, which proves the compliance of the proposed invention with the criterion of patentability "novelty".

В свою очередь, проведенный информационный поиск в области гидротехнических сооружений не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии установки критерию «изобретательский уровень».In turn, the conducted information search in the field of hydraulic structures did not reveal solutions containing individual distinctive features of the claimed invention, which allows us to conclude that the installation meets the criterion of "inventive step".

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, гдеThe essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 - представлено схематическое изображение причала в поперечном разрезе;in fig. 1 - a schematic representation of the berth in cross section;

на фиг. 2 - изображение причала в плане.in fig. 2 - the image of the berth in plan.

Заявляемый ледовый причал включает: ледовый массив 1, расположенный у береговой полосы и связанный с грунтовым мерзлым основанием вертикальными трубами-сваями 2, обеспечивающими кроме основной функции - опоры, функцию теплообмена основания 3 с горизонтальной поверхностью причала. К ледовому массиву примыкает ледовый выступ 4, направленный в сторону акватории и армированный горизонтальными трубами 5 (продольной арматурой). (Для возможности одновременной швартовки нескольких судов ледовый массив может иметь несколько выступов 4). Так как лед имеет достаточно высокую прочность на сжатие от 4 до 6 МПа при температуре минус 24°C, а арматура (металл, стекловолокно) - высокую прочность на растяжение, это позволяет выполнить прочную конструкцию из льда (ледовый массив) и металла (горизонтальные трубы). Для дополнительного увеличения прочности выступа 4 в ледяной массив добавляют стекловолокно. Полученный результат объясняется тем, что фиброледяной массив обладает высокой прочностью на сжатие. Причальная кромка 6 ледового выступа, контактирующая с бортом судна 7, облицована защитной бетонной полосой. Для швартовки судна на выступе 4 установлены швартовные тумбы 8. Анкерная арматура (горизонтальные трубы 5) соединена с кромкой 6 и вертикальной стойкой 9, расположенной в ледовом массиве 1. На причале установлена хладообразующая станция 10, которая в летний период подает хладагент в горизонтальные трубы 5. Вертикальные трубы 2 в зимний период открыты. В летний период - закрыты задвижками, что изолирует трубы от внешней среды и позволяет сохранить режим воздухообмена в системе, что обеспечивает дополнительную подачу холодного воздуха из зоны вечной мерзлоты в горизонтальные трубы.The inventive ice berth includes: an ice mass 1 located near the coastline and connected to a frozen soil base by vertical pipes-piles 2, providing, in addition to the main function - support, the function of heat exchange of the base 3 with the horizontal surface of the pier. The ice ledge 4 adjoins the ice mass, directed towards the water area and reinforced with horizontal pipes 5 (longitudinal reinforcement). (For the possibility of simultaneous mooring of several vessels, the ice mass may have several ledges 4). Since ice has a sufficiently high compressive strength of 4 to 6 MPa at a temperature of minus 24°C, and reinforcement (metal, fiberglass) has a high tensile strength, this makes it possible to make a solid structure made of ice (ice mass) and metal (horizontal pipes ). To further increase the strength of the protrusion 4, fiberglass is added to the ice mass. The result obtained is explained by the fact that the fiber-ice array has a high compressive strength. The mooring edge 6 of the ice ledge, in contact with the side of the vessel 7, is lined with a protective concrete strip. For mooring the vessel, mooring bollards 8 are installed on ledge 4. Anchor fittings (horizontal pipes 5) are connected to the edge 6 and vertical stand 9 located in the ice massif 1. A cooling station 10 is installed on the berth, which in the summer period supplies refrigerant to horizontal pipes 5 The vertical pipes 2 are open in winter. In summer, they are closed with valves, which isolates the pipes from the external environment and allows you to maintain the air exchange mode in the system, which provides additional supply of cold air from the permafrost zone to the horizontal pipes.

Изобретение было создано специалистами кафедры гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в ходе научно-исследовательских работ. Были произведены расчеты, показавшие возможность использования предлагаемого технического решения для швартовки большегрузных судов, курсирующих по трассе Северного морского пути, в побережье которого расположены грунты с вечной мерзлотой.The invention was created by specialists of the Department of Hydraulic Structures, Structures and Hydraulics of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “State University of the Sea and River Fleet named after Admiral S.O. Makarov" in the course of research work. Calculations were made that showed the possibility of using the proposed technical solution for mooring heavy ships cruising along the Northern Sea Route, on the coast of which soils with permafrost are located.

Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию «промышленная применимость».The foregoing allows us to conclude that the claimed utility model meets the criterion of "industrial applicability".

Claims

1. An ice pier, including a concrete berth edge connected through the ice massif to the frozen shore, and cooling pipes located horizontally in the upper part of the ice massif, characterized in that the ice massif is made with a ledge towards the water area, the end surface of which is limited by the specified concrete berth edge, and the supporting part is equipped with vertical pipes, the lower ends are buried in the bottom of the water area, and the upper ends are led into the cavity of horizontal cooling pipes and equipped with valves, while the horizontal cooling pipes are laid along the entire length of the ice mass with reinforcement of the ice ledge.

2. Ice berth according to claim 1, characterized in that the ice ledge is reinforced with fiberglass.

3. Ice berth according to claim 1, characterized in that the horizontal surface of the berth is made of heat-insulating and wear-resistant material.

4. Ice berth according to claim 1, characterized in that the berth is equipped with a refrigerant generation station.