СПОСОБ ЗАЩИТЫ ПОДВОДНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОТ ДАВЛЕНИЯ ДРЕЙФУЮЩИХ ЛЕДОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ Российский патент 2007 года по МПК E02B15/02 F42D7/00 

Изобретение относится к области гидрологии и обеспечения безопасности эксплуатации гидротехнических сооружений, особенно подводных сооружений (ПС), а именно предотвращения чрезвычайных ситуаций в связи с угрозой столкновения ПС с дрейфующими ледовыми образованиями (ДЛО) типа килевых торосов, стамух и айсбергов.

Известными способами обеспечения безопасности ПС от давления льда являются: 1) буксировка ДЛО в сторону от ПС [1]; 2) изменение осадки ДЛО зачернением его дневной поверхности [2]; 3) разрушение ДЛО взрывом [3].

Возможности буксировки ограничены природными условиями, размерами ДЛО и мощностью буксировщиков.

Чернение льда и его стаивание под воздействием солнечной радиации является длительным процессом без гарантии положительного решения.

Наиболее близким способом к предлагаемому является разрушение ДЛО взрывом. Известным в горном деле способом разрушения больших массивов горных пород является короткозамедленное взрывание (КЗВ) сети скваженных зарядов [4]. Этот способ имеет высокие показатели эффективности дробления породы и сертифицирован в экологическом отношении. Характеристики подрывной сети зарядов взрывчатых веществ при КЗВ, в частности, расстояние между скважинами и масса заряда, определяются физико-механическими характеристиками взрываемой горной породы. Однако параметры КЗВ, известные в горном деле [4] и связанные с мелкофракционным дроблением породы, не являются оптимальными для разрушения ДЛО и не могут быть экономически эффективными для защиты ПС от давления льда, так как не гарантируют эффекта одноактного выполнения буровзрывных работ, а повторные акты взрывания на обломках ДЛО увеличивают трудоемкость работ и технические риски их исполнения.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение трудоемкости защиты ПС, уменьшение технических и экологических рисков их взаимодействия с ДЛО.

Поставленная задача достигается за счет того, что путем КЗВ осуществляют разрушение объемной фигуры ДЛО на обломки, имеющие после обрушения осадку в воде не больше нормативного ограничения безопасной осадки для проходящих над ПС плавающих объектов, для чего расстояния по линии наименьшего сопротивления от краев ДЛО до ближайшей ветви подрывной сети и между параллельными ветвями этой сети устанавливают равными этому нормативному ограничению. При этом, для достижения эффекта одноактного обрушения всего массива льда ДЛО, массу заряда ВВ в каждой скважине устанавливают исходя из требования, чтобы зона трещин во льде от взрыва каждого заряда достигала нижней границы массива ДЛО и чтобы зоны трещин от отдельных взрывов смыкались, для чего расстояние между скважинами по линии замедления взрывной цепи устанавливают равным удвоенной глубине первоначальной осадки ДЛО. Такой выбор обеспечивает минимизацию числа скважин, повышение эффективности защиты подводных сооружений от давления ДЛО и исключение экологического ущерба. Подрыв сети зарядов осуществляют с конца крайней ветви.

Сущность изобретения поясняется расчетом критических условий разрушения объемной фигуры ДЛО.

Согласно теории [5] от взрыва сосредоточенного заряда зона трещин в горной породе в направлении уплотнения среды заканчивается на расстоянии от заряда

где R_g - радиус зоны бризантного действия взрыва,

σ_c - прочность породы на сдавливание в условиях стеснения,

σ_p - прочность породы на растяжение.

где Е - модуль Юнга породы,

R₀ - радиус газовой полости, образуемой в эпицентре взрыва продуктами детонации.

Для кумуфлетного взрыва теория дает:

где q - удельная энергия ВВ,

М- масса заряда ВВ,

ρ - плотность породы,

с - скорость упругой волны сжатия в породе.

При взрывах в забутованных скважинах формула (3) также может соответствовать реальной ситуации ввиду мгновенного характера расширения продуктов детонации.

Примем для расчета следующие характеристики льда [6]: ρ=900 кг/м³; с=3200 м/с; Е=(3÷10)·10³ МПа; σ_p=0,5 МПа; σ_c=40 МПа. Делая подстановки, получим:

где М - в кг, R - в м.

Критическую массу заряда ВВ в скважинах, гарантирующую обрушение ДЛО, определим из требования =Н, где H - глубина первоначальной осадки ДЛО. В тротиловом эквиваленте согласно (6) получим

Оптимальное расстояние между скважинами вдоль подрывной цепи равно 2Н.

Ударная волна во льду от взрыва тротила имеет пик давления, который в соответствии с экспериментальными данными равен [3, 7]:

В предлагаемом способе ударная волна на границе ДЛО с водой практически отсутствует, так как в соответствии с уравнениями (7) и (8) р^*=(0,006÷0,02) МПа, а предел обращения затухающей ударной волны в обыкновенную волну сжатия во льду равен 0,66÷1,66 МПа. Это позволяет утверждать, что предлагаемый способ безопасен для ПС на сравнительно небольших дистанциях, а для некоторых ПС даже при наличии их контакта с ДЛО.

В случае невозможности проведения бурения скважин на поверхности ДЛО можно установить сеть КЗВ накладных кумулятивных зарядов. Ударное сжатие льда при кумулятивном эффекте направлено вниз, зона трещин в горизонтальных направлениях распространяется от зоны бризантности, имеющей в сечение основание конуса кумулятивного заряда, а энергия взрыва почти на 90% уходит в породу. Поэтому параметры R₀, R_g и в формулах (4-6) можно рассматривать как эквивалентные параметры кумуфлетного взрыва заряда массой М кумулятивному заряду той же массы, несмотря на различие механической схемы разрушения породы (откольные эффекты будут слабее на поверхности, чем при скваженном взрываний).

Практическая реализуемость предлагаемого способа подтверждается экспериментами по проведению взрывотехнических работ на льду [3, 8], свидетельствующими о возможности путем КЗВ осуществлять разрушение ледовых образований на обломки, размеры которых в соответствии с предлагаемым способом будут иметь осадку в воде, меньшую нормативно допустимой. Для этого массу заряда ВВ в каждой скважине устанавливают исходя из требования, чтобы зона трещин во льде от взрыва каждого заряда достигала нижней границы массива ДЛО и чтобы зоны трещин от отдельных взрывов смыкались. Для этого расстояние между скважинами по линии замедления взрывной цепи устанавливают равным удвоенной глубине первоначальной осадки ДЛО.

Источники информации

1. Скотт О′ Брайон Ведение работ в сложных ледовых условиях // Труды RAO/CIS OFFSHORE 2005. Санкт-Петербург, 2005. - С.83-93.

2. Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Методы, технические средства. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 232 с.

3. Mellor М., Kovacs A. Destruction of ice islands with explosiver // POAC-77, 4^th Int. conf. Port and Ocean Ing., 1978. - V.2. - P.753-765.

4. Михайлов А.Г. Проектирование параметров взрывных работ на карьерах Якутии: Изд. СО РАН, 2002. - 267 с.

5. Физика взрыва /под ред. Л.П.Орленко/. - М.: Физматгиз, 2002. - T.1. - 832 с.

6. Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед. Физические свойства, современные методы гляциологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 384 с.

7. Лебедев Г.А., Трипольников В.П. // Труды RAO/CIS OFFSHORE 2005. Санкт-Петербург, 2005. - С.480-483.

8. Ледов С.В., Копалов В.Н., Федоров С.В. Особенности пробития ледяных и грунтобетонных преград кумулятивными зарядами // Оборонная техника, 1995. - № 4. - С.39-45.

Изобретение предназначено для обеспечения безопасности эксплуатации гидротехнических сооружений, особенно подводных сооружений, а именно, предотвращения чрезвычайных ситуаций в связи с угрозой столкновения дрейфующих ледовых образований типа килевых торосов, стамух и айсбергов с подводными сооружениями. Способ защиты подводных сооружений от давления дрейфующих ледовых образований заключается в разрушении их объемной фигуры на обломки, размеры которых будут иметь в воде осадку, меньшую нормативно допустимой для проходящих над подводными сооружениями плавающих объектов. Для осуществления одноактного обрушения всего массива дрейфующего ледового образования производится короткозамедленное взрывание сети скважин во льду с массой заряда взрывчатого вещества в каждой скважине, определяемой исходя из требования, чтобы зона трещин во льду от взрыва каждого заряда достигала нижней границы массива дрейфующего ледового образования и чтобы зоны трещин от отдельных взрывов смыкались. Для этого расстояние между скважинами по линии замедления взрывной цепи устанавливают равным удвоенной глубине первоначальной осадки дрейфующего ледового образования. Изобретение обеспечивает снижение трудоемкости защиты подводных сооружений, уменьшение технических и экологических рисков их взаимодействия с дрейфующими ледовыми образованиями. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ защиты подводных сооружений от давления дрейфующих ледовых образований путем разрушения их объемной фигуры короткозамедленным взрыванием сети зарядов, отличающийся тем, что короткозамедленные взрывы производят на расстояниях: по линии наименьшего сопротивления от краев ледового образования до ближайшей ветви подрывной сети и между параллельными ветвями этой сети - равном нормативному ограничению безопасной осадки для проходящих над сооружением плавающих объектов, по линии замедления в подрывной сети - равном удвоенной глубине осадки ледового образования (2Н), а заряды взрывчатого вещества устанавливают не менее критической массы М=kH³ в тротиловом эквиваленте, где k - расчетный коэффициент обрушения льда.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят короткозамедленное взрывание кумулятивных зарядов.