ICE REINFORCING IN HYDRAULIC ENGINEERING

Намораживание льда рассматривается как способ усиления существующих конструкций, так и создания временных ледовых сооружений. Ввиду активного развития района Крайнего Севера, поиска новых месторождений и строительства новой инфраструктуры, возникает необходимость обследования новых территорий, выгрузки строительных материалов, развития теоретических и практических методов

Целью работы является исследование способов намораживания и возведения ледовых сооружений, таких как ледовые дороги, причалы или дамбы.

Задачами исследования является рассмотрение преимуществ и недостатков каждого способа, для возможности выбора оптимального метода намораживания под определенные цели, такие как, скорость возведения, стоимость и прочность конструкций.

Скорость послойного намораживания зависит от времени замерзания элементарного слоя воды, определяемого в основном интенсивностью теплообмена его с окружающей средой.

В процессе формирования льда при послойном намораживании выделяются три стадии

1. Охлаждение воды до температуры кристаллизации;

2. Зарождение первичных кристаллов и образование на поверхности корки льда;

3. Рост ледяной корки до ее слияния с ледяным основанием.

Метод послойного намораживания заключается в повторяющемся послойном наливе воды толщиной от 0,5 до 10 см с последующим ее промораживанием. В практике строительства слой наливаемой воды обычно составляет 3-5 см. При большей толщине слоя воды скорость намораживания уменьшается из-за образования поверхностной корки льда. Последующий слой воды наливается после полного промерзания предыдущего и достижения им температуры минус 5-7 °С. При температурах воздуха выше минус 10 °С метод малоэффективен, так как промораживание слоя воды, особенно морской, происходит длительное время. Для повышения интенсивности намораживания рекомендуется укладка слоя ледового щебня толщиной до 10 см с последующей послойной заливкой воды слоями до 3 см.

Для уменьшения первоначальной солености искусственного льда из морской воды разработан метод намораживания на наклонной плоскости, заключающийся в порционной подаче воды на наклонную плоскость. Потоком воды смывается соль с предыдущего слоя замороженной воды и намораживается тонкий слой льда. Метод испытан в полунатурных условиях.

При реальном намораживании на подстилающей поверхности в величину времени намораживания входит еще и время залива, растекания по поверхности льда, время охлаждения воды до температуры кристаллизации, время затвердевания и время охлаждения вновь намороженного льда или его холодонакопление. Разработан ряд формул для определения времени замерзания слоя воды на льду. Для практических целей рекомендуется зависимость, разработанная В.А. Госманом 

(1)

где  — время замерзания слоя воды;

— толщина намораживаемого слоя;

 — средняя температура воздуха за период намораживания;

 — средняя скорость ветра;

— характерный геометрический размер поверхности намораживания.

Зависимость выведена для замерзания пресной воды, но она дает хорошую сходимость и с натурными исследованиями замораживания морской воды.

Также была выведена теоретическая зависимость времени промерзания слоя воды от толщины слоя и гидрометеорологических факторов

(2)

где  — суммарная солнечная радиация, поглощаемая замерзающим слоем;

 — эффективное излучение;

 — коэффициент теплоотдачи между замерзающим слоем и окружающим воздухом;

 — упругость насыщенных водяных паров на поверхности замерзающего слоя;

 — относительная влажность воздуха;

 — упругость насыщенных водяных паров в воздухе.

Метод дождевания (набрызга) заключается в капельном распылении воды на основание (рис. 1). В зависимости от гидрометеорологических условий и времени нахождения диспергированной воды в воздухе замерзает основной объем воды и на основание попадают замерзшие или переохлажденные капли воды. За счет этого скорость намораживания искусственного льда, полученного дождеванием значительно выше скорости при послойном намораживании и достигает 50-80 см/сут. Физические процессы взаимодействия диспергированной воды с атмосферным воздухом достаточно хорошо изучены 

Рисунок 1 - Схема брызгового намораживания

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.196.1

Блочный метод заключается в добыче ледовых блоков из припая с помощью ледоразрушающей техники и укладки их в сооружение (рис. 2). Размеры блоков определяются из расчета грузоподъемности ледового припая и подъемной техники. Перед укладкой блоков рекомендуется проводить их хладозарядку на накопительных площадках. Для предотвращения смерзания блоков при хладозарядке с основанием и между собой устанавливают прокладки из полиэтиленовой пленки.

Возможно специальное намораживание ледовых блоков необходимых размеров и конфигураций или заготовка их в близлежащих пресноводных водоемах.

Перед укладкой ледовых блоков необходима очистка основания от снега, кроме того, рекомендуется проливка водой основания или ранее уложенного курса ледовых блоков.

Для повышения надежности ледового сооружения при воздействии горизонтальной нагрузки рекомендуется выполнять ледовые блоки фигурной формы и увеличивать шероховатость поверхностей сооружения рифлением для лучшей их смерзаемости. Необходимо предусматривать укладку ледовых блоков с перевязкой швов по длине и высоте сооружения. После укладки блоков швы между ними послойно заливаются водой и промораживаются.

Достоинствами методами являются высокие прочностные характеристики естественного льда, возможность создания вертикальных поверхностей без опалубочных работ, достаточно высокие темпы строительства

Рисунок 2 - Кладка из ледовых блоков

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.196.2

При объемном намораживании (рис. 3) в воду акватории помещают систему трубопроводов, через которую с помощью компрессорной установки прокачивается хладагент, что позволяет создать ледовый массив. Расстояние между трубопроводами должно быть не более 2 метров. Часть сооружения выше уровня воды намораживают одним из вышеописанных методов. Способ прошел натурные испытания 

[17]

и может применяться при строительстве постоянных ледовых сооружений, которые будут обладать достаточно высокой надежностью. Однако стоимость строительства и эксплуатации таких сооружений будет значительно выше стоимости сооружений, возводимых другими методами.

Рисунок 3 - Конструкция ледяного сооружения

Примечание: 1 – парожидкостные СОУ; 2 – ледяной барьер; 3 – ледяной покров; 4 – промороженный грунт

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.196.3

Существует технология строительства из льда «айскрит», который получают из искусственного приготовленного ледового щебня с добавлением пульпы или акрилового волокна и песка.

Лед производится из пресной воды в ледогенераторах, затем измельчается и при температуре минус 20 °С укладывается в сооружение слоями 7-10 см. Для обеспечения прочности в уложенный слой добавляется вода или пульпа. Рекомендуется устройство опалубки с холодильной системой для поддержания постоянной эксплуатационной температуры минус 10 °С. Верхнее строение выполняется из бетона. Опытное сооружение площадью 20×53,5 м и объемом около 6000 м3 построено в районе Осло.

Стоимость айскрита достаточно высока и требует специальной техники, однако авторы метода считают, что при больших объемах данный способ будет экономически оправдан.

Комбинированный метод заключается в совмещении вышеописанных технологий по созданию ледовых сооружений на одном объекте. Связано это, как правило, с сокращением сроков строительства и с более производительным использованием оборудования и механизмов при создании сооружений с большим объемом искусственного льда.

В работе были рассмотрены основные положения и особенности усиления путем дополнительного намораживания; представлены виды намораживания льда: послойное, факельное, объемное и кладка из ледовых блоков.

На основании исследований можно сделать выводы о том, что

- лед, намороженный послойно более прочный, чем лед, намороженный факельным методом, так как имеет более плотную структуру;

- при возведении ледовых сооружений их необходимо оставить на период хладонакопления и только потом покрывать теплоизолирующим материалом;

- при возведении сооружений с помощью кладки из ледовых блоков прочность конструкции будет существенно выше, чем в остальных методах, исключается необходимость использования опалубки и существенно экономится время на строительство конструкций. Однако выкалывание блоков может быть достаточно трудоемко;

- при возведении конструкций методом объемного намораживания существенно увеличивается прочность конструкции, так как трубки и сваи с хладагентом служат дополнительной усиливающей арматурой. Использование термосвай позволяет поддерживать температурный режим сооружения. Метод объемного намораживания отличается от остальной высокой ценой.

Научная новизна исследования обуславливается полученными рекомендациями, позволяющими подобрать оптимальный метод возведения ледовой конструкции. Собраны и проанализированы все существующие на данный момент времени методы исследования, даны выводы и рекомендации.

Сравнение с известными рекомендациями – результаты исследований хорошо коррелируются с исследованиями, проводимыми научными институтами по возведению ледового причала факельным методом и методом послойного намораживания, где проводился прочностной анализ сооружений