АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОБЛОМКОВ ЛЬДА С СООРУЖЕНИЯМИ ПРИБРЕЖНОГО ШЕЛЬФА

Фомина А.В.¹, Юн Д.Х.²

^1,2Студент, Дальневосточный Федеральный университет, кафедра Гидротехники, теории зданий и сооружений, г. Владивосток

АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОБЛОМКОВ ЛЬДА С СООРУЖЕНИЯМИ ПРИБРЕЖНОГО ШЕЛЬФА

Аннотация

В статье кратко рассматриваются процессы образования торосов, возникновения давления в паковых льдах и их взаимодействия с прибрежными платформами. Целью данной работы является исследование моделей вероятных условий формирования торосов в зависимости от толщины и ширины льда. Представлены три основных случая взаимодействия ледяного покрова (навала) с грядообразованием. Проанализированы возможные методы борьбы с образованиями накоплений льда для данных ситуационных моделей. Одной из задач при проектировании сооружения для арктического шельфа является совершенствование методологии определения ледовых нагрузок на морские платформы. Грядообразование может стать причиной дополнительного давления на сооружения и требует тщательного изучения и анализа.

Ключевые слова: Шельфовое сооружение, лед, устойчивость, безопасность.

Fomina A.V.¹, Yun D.X.²

^1,2Student, Far Eastern Federal University, Department of hydrotechnics, theory of buildings and structures, Vladivostok

ANALYSIS OF THE INTERACTION OF ICE FRAGMENTS WITH THE CONSTRUCTION OF COASTAL SHELF

Abstract

The article briefly discusses the formation of hummocks, the appearance of pressure in pack ice and their interaction with coastal platforms. The aim of this work is to study models of possible conditions for the formation of hummocks depending on the thickness and width of ice. Three main cases of interaction of the ice cover (bulk) with ridge formation are presented. Possible methods of combating ice accumulation formations for these situational models are analyzed. One of the tasks in designing a construction for the Arctic shelf is to improve the methodology for determining ice loads on offshore platforms. Ridging can cause additional pressure on structures and requires careful study and analysis.

Keywords: Shelf construction, ice, stability, safety.

В последние годы освоение территорий Крайнего Севера является важной задачей России, что требует проведения большого объема научных исследований. Огромные запасы полезных ископаемых, в частности, запасов нефти и газа, открытые в морской зоне данного региона, требуют разработки ледостойких шельфовых платформ. Имеющийся опыт и разработки зарубежных компаний не всегда возможно использовать в качестве прототипа, так как сооружения для эксплуатации должны быть спроектированы с учетом конкретных климатических условий, характерных для арктической шельфовой зоны. Одной из комплексных задач, имеющей большое практическое значение, является совершенствование методологии определения ледовых нагрузок на морские платформы. Морские ледостойкие платформы должны соответствовать ряду требований по безопасности эксплуатации. На стадии проектирования данный вопрос не может быть решен, так как необходимо знать ледовою нагрузку при взаимодействии с ледовыми образованиями (стамухи, торосы). Существующая нормативная документация, включающая в себя методы определения общих ледовых нагрузок, не позволяет выполнить расчеты с достаточной точностью. Требования точности расчетов обеспечивают безопасность эксплуатации и экономическую целесообразность.

Под ледовой нагрузкой понимается максимальная горизонтальная сила, действующая на платформу со стороны дрейфующего льда. Необходимо учитывать нагрузки от ветра, волн, течений, которые в сумме с ледовой нагрузкой не превышают величину, необходимую для сдвига платформы, что может привести к повреждению бурового оборудования.

Напряжение и давление в толщах дрейфующего льда создает прибрежный навал льда (торосов). Кроме того, наблюдения за береговыми линиями, стамухами и широкими структурами, показывают, что лед чаще всего образуется вне плоскости. Процесс нагромождения обломков льда друг на друга называется грядообразованием. На рис. 1 показано грядообразование вокруг нефтяной шельфовой платформы Моликпак [1, С. 280], [9, С. 31]

Рис. 1 – Грядообразование вблизи морской платформы Моликпак о. Сахалин

 

По взаимодействию ледяного покрова (навала) с грядообразованием можно разделить на три основных случая [2, С 189]:

Взаимодействие льда с грядой торосов. В данном случае происходит нагромождение обломков льда на верхнюю часть ледникового покрова. Нарастающий лед увеличивает высоту паруса торосов, что повышает его устойчивость. Этот случай может быть достаточно эффективно смоделирован с использованием существующих алгоритмов для ледовых нагрузок на наклонные структуры. Используемый алгоритм был первоначально разработан в 1980 году, чтобы объяснить срыв ледяного покрова. Позднее он был доработан в 1994 году для анализа образования ледяного покрова на склоне. Первоначально алгоритм был разработан как 2D-модель (с 3D-коррекцией на изгиб) [2, c. 190].

Взаимодействие льда с грядообразованием и нарастанием в нижней части. Данный процесс не так легко наблюдать и фиксировать, так как он проходит под водой. Этот случай анализируется с алгоритмом как в первом случае, но с одним изменением. Это изменение объясняется тем, что все силы тяжести являются силами плавучести. Основной причиной повышения нагрузки является увеличение глубины киля.

Взаимодействие льда с грядой торосов, ведущие к срыву.

Используется очень упрощенный подход, основанный на сбоях фундамента в почвенной механике. В почвенной механике разрушения оснований используется величина K (число, основанное на длине плоскости отказа) в диапазоне 5-9 в зависимости от формы и глубины проникновения. Эти значения также совместимы с теорией пластичности. В простых расчетах используют базовый случай с величиной K равной 9. Предполагается, что опорная зона основана на блоке, перпендикулярном встречному льду, длина которого в два раза превышает толщину льда. Это существенно удваивает линейную нагрузку для заданной толщины льда [2, С. 192].

Для того, чтобы объединить вышеупомянутые случаи для гряды торосов, сначала необходимо разработать систему, учитывающую корреляцию между толщиной льда, высотой паруса и глубиной киля. По мнению различных исследователей, чем толще лед, тем больше гребни парусов и килей. Были предложены различные механизмы для ограничения размера торосов на основе исходной толщины льда. Поскольку анализы для каждого случая являются 2-мерными, линейные нагрузки для каждого случая не будут изменяться в зависимости от ширины, если все остальные параметры различаются [3, С. 22]. В естественных условиях образование одинаковых по ширине высоты парусности и глубины киля маловероятно. Корреляции для этих параметров, основанные на полевых измерениях, будут иметь тенденцию к верхней границе (потому что полевые измерения часто проводятся с самыми высокими парусами и самыми глубокими килями). Поэтому предполагается, что в природе, вероятно, будет уменьшено усилие для формирования гребня, поскольку средняя высота паруса и глубина киля уменьшатся с шириной. Будущая работа с таким подходом позволит количественно оценить такой эффект. Отмечается, что для использования средней линейной нагрузки предполагается равное распределение трех случаев взаимодействия, рассмотренных ранее [4, С. 147].

Методы борьбы с ледообразованием вблизи шельфовой платформы

До сих пор применение модели состояло в том, чтобы применить механизмы трения к нагрузкам на линии гребня. Основное отличие от плавучего гребня торосов заключается в том, что навал льда округляется либо на склоне сооружения, либо на морском дне перед ним. Это означает, что высота «паруса» может быть значительно выше, чем для плавающего гребня торосов [5, С. 140] [8 С. 145].

Наблюдения и измерения также показывают, что средняя максимальная высота торосов уменьшается с площадью обвалки (или ширины). Например, при ширине 200 м средняя максимальная высота обломков составляет около 6 м. В этом случае процесс ледообразования контролируется с помощью 1 типа взаимодействия льда [6, c 44], [7, c. 28].

Преимущество использования методов, разработанных для взаимодействия льда на наклонных сооружениях, состоит в том, что они были проверены и откалиброваны в отношении измерений на полномасштабных шельфовых платформах в различных регионах мира. Методы также основаны на простой инженерной физике разлома льда. Для применения, связанного с взаимодействием навала льда и передней части шельфовой платформы, эффект ширины моделировался путем увеличения сил трения с увеличением высоты нароста дрейфующего льда и можно сделать вывод, что средняя максимальная высота обледенения действительно уменьшается с шириной навала льда. Комплексный подход в модели представляет собой применения трех режимов взаимодействия: в верхней части; нижней и "обвал". Если количество режимов ограничено, эти зоны дробления не окажут существенного влияния на средние нагрузки на торосы большой ширины, но могут сузить ее и толщину льда. Однако следует отметить, что нагрузка на измельчение льда для ширины 25 м эквивалентна давлению льда 0,5 МПа, что составляет около 50% от давления дробления. Разрушение является вероятным только тогда, когда обледенение успевает закрепиться (то есть замерзнуть на ледовой линии) [10, С. 26], [11, С. 139].

В шельфовой зоне Арктического побережья России применяют комплексный подход для борьбы с грядой торосов. Это комплекс включает в себя три режима воздействия: в верхней части; нижней и "обвал". Проблема нарастания торосов при шельфовых платформах Арктического побережья является острой, так как может привести к масштабным убыткам и требует особое внимание и комплексный подход из нескольких методов.

Список литературы / References

1. Эйзенберг М., Кауцман В. Структура и свойства воды. / Эйзенберг М., Кауцман В. // Гидрометеоиздат, – 2013. – C. 280.
2. Афанасьев В.П. Исследование нагрузок на отдельно стоящую опору с вертикальными стенками от воздействия движущегося ледяного поля. Борьба с ледовыми затруднениями при эксплуатации гидротехнических сооружений. / Афанасьев В.П. // Л.:Энергия, 1973, – с.189-198.
3. Зубакин Г.К. Ледяные образования морей Западной Арктики. / Зубакин Г.К. // СПб. : Типография ААНИИ, – 2006. – C. 22-40.
4. Мишель Б. Критерий гидродинамической устойчивости фронтальной кромки ледяного покрова /Б. Мишель //Материалы V Международного Конгресса МАГИ, т.6, Л. :– 1965, – C.147-149.
5. Пехович А. И. Основы гидроледотермики. / Пехович А. И. //Л. :Энергоатомиздат, – 1983. – C. 140.
6. Трегуб Г.А. Расчетный метод определения начальной толщины льда на водохранилищах. Ледотермика и ледотехника. / Трегуб Г.А. // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. –1994. – с.44-47.
7. Чижов А. Н. Формирование ледяного покрова и пространственное распределение его толщины. / Чижов А. Н. // Л.: Гидрометеоиздат, – 1990, – c. 28.
8. Коржавин К.Н. Воздействие льда на инженерные сооружения / Коржавин К.Н. // Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, – 1962. – C. 145.
9. Michel B. Ice accumulation at freeze-up or break up. / Michel B. //Proc. IAHR Symp. On Ice Problems, Lulea, – 1978, Part 2, – p.31-37.
10. Hamilton J. M., Holub C., Mitchell D. A., Kokkinis T. Ice Management for Support of Arctic Floating Operations / Hamilton J. M. // OTC-22105, – 2011, p. 26-32.
11. Jones, K.F., Andreas, E.L., Sea spray concentrations and the icing of fixed offshore structures. /Jones, K.F., Andreas, E.L. // Q. J. R. Meteorol., – 2012, p. 139-143.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Eisenberg M., Kautsman V. Struktura i svojstva vody. [Structure and properties of water]. / Eisenberg M., Kautsman V. // Gidrometeoizdat, – 2013. – P. 280. [in Russian]
2. Afanasyev V.P. Issledovanie nagruzok na otdel'no stoyashchuyu oporu s vertikal'nymi stenkami ot vozdejstviya dvizhushchegosya ledyanogo polya. Bor'ba s ledovymi zatrudneniyami pri ehkspluatacii gidrotekhnicheskih sooruzhenij [Investigation of loads on a stand-alone support with vertical walls from the impact of a moving ice field. Combating ice difficulties in the operation of hydraulic structures]/ Afanasyev V.P. // L.: Energia, – 1973, – p.189-198. [in Russian]
3. Zubakin G.K. Ledyanye obrazovaniya morej Zapadnoj Arktiki [Icy formations of the seas of the Western Arctic]. / Zubakin G.K. // St. Petersburg: AANI Printing House, – 2006. – 22-40. [in Russian]
4. Michel B. Kriterij gidrodinamicheskoj ustojchivosti frontal'noj kromki ledyanogo pokrova //Materialy V Mezhdunarodnogo Kongressa MAGI [Criterion of hydrodynamic stability of the frontal edge of the ice cover] / Michel B. // – 1965, – p.147-149. [in Russian]
5. Pekhovich A. I. Osnovy gidroledotermiki [Fundamentals of hydrodewater]. / Pekhovich A. I. // L .: Energoatomizdat, – 1983. – p. 140. [in Russian]
6. Tregub G.A. Raschetnyj metod opredeleniya nachal'noj tolshchiny l'da na vodohranilishchah. Ledotermika i ledotekhnika. [Calculation method for determining the initial thickness of ice in reservoirs. Ledotermika and ice-engineering] / Tregub G.A. // – Proceedings of VEIIG named B.E. Vedeneeva. – 1994. – p. 44-47. [in Russian]
7. Chizhov A.N. Formirovanie ledyanogo pokrova i prostranstvennoe raspredelenie ego tolshchiny. [Formation of the ice cover and the spatial distribution of its thickness] / Chizhov A.N. // – L.: Gidrometeoizdat, – 1990, – p.28. [in Russian]
8. Korzhavin K.N. Vozdejstvie l'da na inzhenernye sooruzheniya [Influence of ice on engineering structures] / Korzhavin K.N. // – Novosibirsk: Izd-vo SA AN SSSR, – 1962. – p. 140. [in Russian]
9. Michel B. Accumulation of ice during freezing or decay. / Michel B. // Proc. IAHR Symp. On Ice Problems, Lulea, – 1978, Part 2, – p. 31-37.
10. Hamilton J. M., Holub C., Mitchell D. A., Kokkinis T. Ice Management for Support of Arctic Floating Operations / Hamilton J. M. // OTC-22105, – 2011, p. 26-32.
11. Jones, K.F., Andreas, E.L., 2012. Sea spray concentrations and the icing of fixed offshore structures. / Jones, K.F. // Q. J. R. Meteorol. p. 139-143.