СПОСОБ И СООРУЖЕНИЕ ДЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ РАЗРУШАЮЩИХ ДЕЙСТВИЙ ЦУНАМИ Российский патент 2013 года по МПК E02B3/04 

Предлагаемое изобретение относится к гидротехнике и представляет собой способ и устройство для ослабления разрушающих действий волн цунами и предназначены для защиты поселений и различных сооружений на морских берегах от действия цунами, наводнений, штормов и ураганов в районах, подверженных указанным природным катаклизмам.

Актуальность поиска инженерных решений для защиты от цунами связана с значительной заселенностью и застройкой побережья морей и океанов к настоящему времени: разрушенные Лиссабон (Португалия) и Северо-Курильск (Россия), Вальдивия (Чили) и Мияги, Фукусима (Япония), Новый Орлеан (США) и Пхукет (Таиланд), регулярно страдающие от цунами побережья Индонезии и Индии, Явы и Суматры, Аляски и Японии, Чили и российской Камчатки…

Цунами - грозное явление природы, являющееся последствиями землетрясений, во время которых чаще всего в Тихом океане происходит локальная деформация дна и над эпицентром землетрясения появляется водяной холм, распространяющийся концентрическими кругами в виде мощных волн, движущихся со скоростью 600-800 км в час. При этом в открытом океане расстояние между гребнями волн цунами может достигать 100-150 км, а высота волн составляя, в среднем, несколько метров может достичь 10 метров.

При приближении волн цунами к берегу скорость волн из-за трения водяных масс о донную часть уменьшается при глубине около 1 км до 350-360 км в час, при глубине 50 метров до 100 км в час.

Однако вследствие интенсивного торможения береговым дном волны цунами увеличивают свою высоту до 5-10, а иногда до 15-25 метров, при приближении в берегу форма волн цунами становится ассиметричной: к берегу вогнутая и крутая, а к морю (океану) более пологая.

Сильнейшее землетрясение у берегов Японии 11 марта 2011 года вызывало волну цунами около 10 метров высотой. Ее нашествие на восточные берега Японии, префектуры Мияги, Фукусима вызвало катастрофические разрушения, когда волны цунами в одночасье разрушили тысячи домов, кораблей и автомашин, повредили атомные электростанции, расположенные на побережье, вызвали гибель тысяч людей, причинили огромный материальный ущерб.

Защиту от цунами многие инженеры пытались реализовать в виде различных способов ослабления действия волн цунами путем строительства береговых сооружений. Наблюдаются и, конечно, не эффективные предложения - вроде посадки по береговой линии рядов деревьев. Мощность значительных масс волн цунами требует серьезных, массивных защитных сооружений.

Известны различные способы и устройства для ослабления разрушающих действий волн цунами на береговые зоны морей и океанов, периодически вызывающих сильные разрушения, наводнения, значительный материальный ущерб и человеческие жертвы.

Так, известен способ подавления действия волн цунами в прибрежной зоне путем закрепления в донном грунте элементов, осуществляющих силовое воздействие на водную среду (см, например, патент РФ №2147060, кл. Е02В 3/06, 2006 г.). При этом такие элементы располагают хаотично ниже впадин статистических волн, выполняя их в виде гибких оболочек, заполненных деформируемым веществом, например газом. Гибкие оболочки соединяют магистралями для подачи газа и закрепляют силовыми сетями к донной части. По мнению авторов патента при прохождении гребня волн над предлагаемыми элементами - гибкими оболочками они должны деформироваться, поглощая энергию волн цунами.

Также известны различные устройства - сооружения для гашения энергии волн цунами. Так, например, в устройстве для ослабления разрушающего действия морских волн предлагаются закрепленные в донном грунте вдоль защищаемого участка побережья специальные элементы, расположенные перпендикулярно движению волн и установленные вблизи или немного ниже уровня впадин волн (см. патент РФ №2147641, кл. Е02В 3/06, 1998 г.). Такие элементы выполнены в виде треугольников с пластинами со стороны, обращенной к морю, а нижняя часть треугольника сопряжена и закреплена в донном грунте.

Анализ вышеупомянутых технических решений не позволяет применить их реально для ослабления волн цунами, характеризующихся значительными массой, скоростью и импульсом.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемым способу и устройству для ослабления разрушающих действий волн цунами являются:

- способ для уменьшения разрушительного действия цунами, приведенный в патенте РФ №2310707, кл. Е02В 3/04, совместно с

- устройством для уменьшения разрушительного действия цунами, включающее береговое сооружение в виде насыпей, внутри которых выполнены туннели ⊃-образной формы (см. патент РФ №2310708, кл. Е02В 3/04, 2005 г.).

Известный способ предусматривает образование в районах выхода цунами на берег возвращаемых потоков воды цунами, направление которых осуществляется разворотом вектора скорости течения отдельных участков фронта волн цунами на 180 градусов, а в известном устройстве применена система тоннелей - образной формы, построенных в береговом сооружении в виде насыпи и расположенных перпендикулярно береговой линии с открытыми отверстиями:

- входным нижним для волн цунами, расположенным на уровне моря, более широким и длинным туннелем, куда по замыслу авторов устремляются волны;

- выходным верхним над нижним отверстием, соединенным с нижним туннелем половиной тора, более узким и коротким по сравнению с нижним для поворота в обратную сторону на 180 градусов части волны цунами, попавшей в нижнее отверстие и тоннель.

По мнению авторов известных решений - прототипов предлагаемого способа и устройства, их применение позволит уменьшить разрушительное действие цунами и вредные последствия этих природных катастроф.

Недостатками рассматриваемых решений являются:

- непредсказуемость высоты цунами радикально снижает вероятность попадания ее части в нижние отверстия тоннелей, так же как делает вероятной одновременное попадание фронта волны в оба - верхнее и нижнее отверстия тоннелей что делает предлагаемый способ и устройство бесполезными;

- весьма небольшая площадь входных отверстий предлагаемых элементов по сравнению с площадью сечения волны цунами, которая ударит по всей поверхности земляной плотины со всеми разрушительными последствиями;

- прочность уплотненных грунтов во всех случаях не превосходит 10-15 кгс на кв.см, что не позволит телу земляной плотины выдержать напор волн цунами, обрушивающихся на береговую линию;

- нет возможности применения предлагаемых береговых сооружений в обычное время, что делает экономические затраты на их строительство и содержание безвозвратными и убыточными.

Цель предлагаемого технического решения - устранение указанных недостатков и эффективное ослабление действия цунами.

Поставленная цель достигается тем, что в способе ослабления разрушающих действий цунами, включающем создание перед береговой линией по пути движения волн цунами препятствий для их распространения в виде железобетонных волнорезов и плотины на берегу для удержания максимально возможного уровня морских вод, первую и последующие волны цунами разворачивают и рассекают по своему фронту на две части:

- одну часть (80-90% длины фронта) разворачивают по криволинейным волнорезам-молам в сторону, обратную направлению движения первой и последующих волн с обеспечением ослабления встречных потоков воды волн цунами;

- вторую часть (10-20% длины фронта) рассекают зазорами между элементами - волнорезами каждого мола для прохода волн между ними, ослабляя и задерживая их перед плотиной,

а в предлагаемом сооружении для ослабления разрушающих действий цунами согласно способу по п.1, включающем систему волнорезов - молов, расположенную перед береговой линией со стороны моря и плотиной на берегу, волнорезы выполнены в виде железобетонных монолитных элементов длиной от 15 до 50 метров, с трапециевидным поперечным сечением элемента, шириной - в верхней части не менее 6 метров и - в нижней, не менее 8 метров, размещенных вдоль береговой линии по ветвям парабол, последовательно друг за другом, с разрывом между их торцами и соприкасающимися ветвями парабол от 5 до 10 метров, образуя волнорезы-молы длиной от 100 до 300 метров в виде параболических ветвей или полуветвей, ориентированных симметрично перпендикулярам к береговой линии с каждой стороны, сходящихся к береговой линии, и описываемых формулой:

Y=аX²

где а может меняться от 0,03 до 0,50;

при этом элементы-волнорезы по ветвям парабол располагают таким образом, что концы каждых сходящихся к морю ветвей соприкасающихся парабол - молов имеют равную длину от береговой линии, а расстояние между вершинами парабол - молов и плотиной составляет не менее 100 метров, при этом сама плотина в зоне сооружения выполнена вдоль береговой линии в виде криволинейной конструкции из железобетона с радиусом кривизны от 500 до 1500 метров и поперечным сечением в виде трапеции, с высотой не менее 15 метров относительно среднего уровня моря в соответствующей местности.

Кроме того, с целью эффективного применения волнорезов в обычное время и обеспечения их окупаемости, на поверхности элементов-волнорезов размещены опирающиеся на них мостовые конструкции, образующие параболические молы-причалы, соединенные эстакадами от вершин парабол до плотины, при этом на плотине и молах-причалах размещены подъемно-погрузочные механизмы, а также автомобильные и/или железнодорожные магистрали.

За пределами приведенных параметров предлагаемых способа и сооружения поставленная цель не достигается.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана расположенная вдоль береговой линии система элементов-волнорезов, построенная в виде параболических ветвей согласно вышеприведенной формуле в двух вариантах: с а, равным 0,05 для более пологих ветвей парабол и а, равным 0,5 для крутых ветвей парабол, на фиг.1, а) - попеременных ветвей указанных парабол и фиг.1, б) - симметричных ветвей парабол, составленных из железобетонных элементов-волнорезов 1, вытянутых по параболическим ветвям с зазорами 2 между торцами элементов-волнорезов и соприкасающимися ветвями парабол от 5 до 10 метров; плотина 3, расположенная на берегу, на расстоянии не менее 100 метров от вершин параболических молов-причалов 4, соединенных с плотиной эстакадами, размещенными на опорах 5, а также волны цунами 6.

На фиг.2 показан фрагмент мола-причала с железобетонными элементами-волнорезами 1, разделенными зазорами 2 с фрагментом мостовой конструкции 7, опирающейся на элементы-волнорезы для движения транспорта.

Система элементов-волнорезов и плотина соединены эстакадами, опирающимися на аналогичные элементам-волнорезам опоры 5 из железобетона, для движения транспорта (на приведенных фиг.1 и 2 эстакады и мостовые конструкции полностью не показаны).

В обычное время предлагаемое сооружение из системы молов-причалов используется как причалы для грузовых и пассажирских судов с учетом всех требований к такого рода сооружениям, а весь комплекс выполняет функции крупного порта, оборот которого определяется количеством причалов на молах, имеющих длину от 100 до 300 метров.

На фиг.1 стрелками показано движение волн цунами. Волны цунами 6 достигают параболических ветвей молов-причалов 4 и скользят вдоль их параболической образующей, частично проходя через зазоры 2 между элементами-волнорезами и ослабляясь.

Основная масса цунами доходит до вершин параболических ветвей волнорезов и, встречаясь с потоком волн соседней ветви, еще больше ослабляется в противотоке и разворачивается в сторону моря, навстречу движущимся последующим волнам цунами, встречая их на расстоянии несколько сотен метров от береговой линии и радикально ослабляя их действие.

Защищаемая оптимальная кривизна параболической формы ветвей волнорезов под молами-причалами (определяемая величиной коэффициента а в приведенной формуле) связана с тем, что снижение указанной величины ниже 0,03 делает систему элементов-волнорезов вдоль ветви парабол слишком пологой и менее эффективной для обеспечения скольжения и заворачивания водных масс, а увеличение величины а более 0,50 делает такую систему излишне крутой, в этом случае возрастает динамическая нагрузка огромной массы воды волн цунами на элементы-волнорезы в вершине парабол.

Размеры каждого элемента-волнореза связаны с обеспечением его устойчивости при экстремальных воздействиях и пригодности для эксплуатации в обычное время, зазоры между элементами обеспечивают разделение волн цунами на упомянутые части так, что величина зазоров между торцами элементов-волнорезов и соприкасающимися ветвями парабол от 5 до 10 метров, обеспечивает ослабление волны цунами за счет отбора 10-20 % ее водяной массы, а общая длина каждой ветви предлагаемых систем волнорезов протяженностью от 100 до 300 метров обеспечит разворачивание и ослабление цунами любой мощности.

Количество ветвей молов-причалов и связанной с ними длина плотины определяются величиной протяженности защищаемой береговой линии и грузооборотом соответствующего порта.

Часть волн цунами, прошедшая через зазоры 2, будет накапливаться и задерживаться плотиной 3, масса воды между системами элементов-волнорезов и плотиной служит водным буфером, противодействующим волнам цунами и вызываемому ими наводнению. С этой задачей связано условие выдерживания расстояния между вершинами парабол молов-причалов и плотиной не менее 100 метров.

Выбор бетона для элементов-волнорезов связан с высокой прочностью материала, способного выдерживать нагрузки до 400-600 кгс на кв.см и соответственно сдерживать удары и динамические нагрузки волн цунами любой мощности.

Так поверхность одного квадратного метра предлагаемого элемента - волнореза из железобетона способна выдержать воздействие силы до 3000 т, а волнорез размером 40 метров в длину и 10 метров в высоту (от дна возле береговой линии) способен выдержать напор водных масс величиной 1200000 т, что значительно превосходит реальные воздействия цунами. Современные бетоны отличает не только высокая прочность, но и значительная водонепроницаемость и стойкость к морской воде (М.Я.Бикбау «Нанотехнологии в производстве цементов». - М.: ОАО «Московский ИМЭТ», 2008 г., - 768 с.), применение таких бетонов обеспечит высокие защитные свойства предлагаемых сооружений, их долговечность и окупаемость.

Защищаемая разница между шириной элементов-волнорезов: меньшая в верхних и большая в нижних частях, как и форма трапеции плотины, обеспечивают возможность перемещения экстремальных потоков воды снизу вверх по поверхности предлагаемых сооружений для снижения локального напора значительных масс воды. Заявленная кривизна и трапециевидное сечение плотины также определяются необходимостью выдерживать напор и перемещать вдоль поверхности значительные массы воды. Высота плотины должна определяться рельефом местности и должна превышать средний уровень моря не менее чем на 15 метров. В этом случае осуществляется, одновременно, и защита от наводнений, как правило, сопровождающих волны цунами.

Для финансовой окупаемости предлагаемого способа и сооружения для защиты от цунами выгодна его эксплуатация в обычное время в виде грузовых и пассажирских портов для обеспечения погрузки, выгрузки и транспортировки грузов и людей с кораблей на молы-причалы, соединенных с плотиной с помощью эстакад, опирающихся на железобетонные опоры и покрытые магистралями автомобильных или железных дорог, а также защиты с помощью предлагаемых способа и сооружения объектов с повышенными требованиями к безопасности, например атомных электростанций.

Эксплуатирующаяся в настоящее время основная часть портов исторически строилась в удобных местах без учета возможных катастрофических воздействий цунами, штормов и наводнений. Весьма опрометчиво, без эффективной защиты от таких природных катаклизмов, жилищное и промышленное строительство в прибрежной зоне густонаселенных городов, а тем более создание таких опасных объектов как, например, атомные электростанции, построенных в префектуре Фукусима на восточном побережье Японии и весьма пострадавших от землетрясения и цунами 11 марта 2011 года.

Применение предлагаемого изобретения решает вопрос эффективной защиты любых береговых линий и может позволить строить порты с неограниченным грузооборотом в удобных районах с гарантией защиты от цунами и других катаклизмов, соответствуя всем конструктивно-технологическим требованиям к строительству и функционированию портов и портовых сооружений ((см., например, Маталин В.П. и др. Устройство и оборудование портов. М.: Транспорт, 1984).

Предлагаемое изобретение может использоваться как для непосредственно защиты населения, городов и поселков различных береговых сооружений от цунами, так и для реконструкции существующих, а также особенно строительства новых портов в районах, подверженных действию не только цунами, но и сильных штормов и ураганов, а также наводнений.

Авторы предлагаемого изобретения просят присвоить ему название: Способ и сооружение Бикбау для ослабления разрушающих действий цунами.

Изобретение относится к области гидротехники и может быть использовано для защиты поселений и различных сооружений на морских берегах от действия цунами, наводнений, штормов и ураганов в районах, подверженных указанным природным катаклизмам. Устраивают препятствия в виде волнорезов перед береговой линией со стороны моря и плотины на берегу. Разворачивают и рассекают по своему фронту первую и последующие волны цунами на две части. Одну часть, 80-90% длины фронта, разворачивают по криволинейным волнорезам-молам в сторону, обратную направлению движения первой и последующих волн с обеспечением ослабления встречных потоков воды волн цунами. Вторую часть, 10-20% длины фронта, рассекают зазорами между элементами - волнорезами каждого мола для прохода волн между ними, ослабляя и задерживая их перед плотиной. Сооружение содержит систему волнорезов - молов. Волнорезы выполнены в виде железобетонных монолитных элементов длиной от 15 до 50 метров. Волнорезы размещены перед береговой линией по ветвям парабол, последовательно друг за другом, с разрывом между их торцами и соприкасающимися ветвями парабол, описываемых формулой: Y=aX². Элементы волнорезов выполнены с трапециевидным поперечным сечением. При этом элементы по ветвям парабол располагают таким образом, что концы каждых сходящихся к морю ветвей соприкасающихся парабол - молов имеют равную длину от береговой линии. Плотина в зоне сооружения выполнена в виде криволинейной конструкции из железобетона с поперечным сечением в виде трапеции. На поверхности волнорезов размещены опирающиеся на них мостовые конструкции, образующие параболические молы-причалы, соединенные эстакадами от вершин парабол до плотины. При этом на плотине и молах-причалах размещены автомобильные и/или железнодорожные магистрали. Обеспечивается эффективная защита береговых линий за счет ослабления разрушающих действий цунами, 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ ослабления разрушающих действий цунами, включающий создание перед береговой линией по пути движения волн цунами препятствий для их распространения в виде железобетонных волнорезов и плотины на берегу для удержания возможного максимального уровня морских вод, отличающийся тем, что первую и последующие волны цунами разворачивают и рассекают по своему фронту на две части; одну часть, 80-90% длины фронта, разворачивают по криволинейным волнорезам-молам в сторону, обратную направлению движения первой и последующих волн с обеспечением ослабления встречных потоков воды волн цунами; вторую часть, 10-20% длины фронта, рассекают зазорами между элементами-волнорезами каждого мола для прохода волн между ними, ослабляя и задерживая их перед плотиной.

2. Сооружение для ослабления разрушающих действий цунами согласно способу по п.1, включающее систему волнорезов-молов, расположенную перед береговой линией со стороны моря и плотиной на берегу, отличающееся тем, что волнорезы выполнены в виде железобетонных монолитных элементов длиной от 15 до 50 м, с трапециевидным поперечным сечением элемента, шириной в верхней части не менее 6 м и в нижней не менее 8 м, размещенных вдоль береговой линии по ветвям парабол, последовательно друг за другом, с разрывом между их торцами и соприкасающимися ветвями парабол от 5 до 10 м, образуя волнорезы-молы длиной от 100 до 300 м в виде параболических ветвей или полуветвей, ориентированных симметрично перпендикулярам к береговой линии с каждой стороны, сходящихся к береговой линии и описываемых формулой:
Y=аX²,
где а может меняться от 0,03 до 0,50;
при этом элементы-волнорезы по ветвям парабол располагают таким образом, что концы каждых сходящихся к морю ветвей соприкасающихся парабол-молов имеют равную длину от береговой линии, а расстояние между вершинами парабол-молов и плотиной составляет не менее 100 м, при этом сама плотина в зоне сооружения выполнена вдоль береговой линии в виде криволинейной конструкции из железобетона, с радиусом кривизны от 500 до 1500 м и поперечным сечением в виде трапеции, с высотой не менее 15 м относительно среднего уровня моря в соответствующей местности.

3. Сооружение по п.2, отличающееся тем, что, с целью эффективного применения волнорезов в обычное время и обеспечения их окупаемости, на поверхности элементов-волнорезов размещены опирающиеся на них мостовые конструкции, образующие параболические молы-причалы, соединенные эстакадами от вершин парабол до плотины, при этом на плотине и молах-причалах размещены подъемно-погрузочные механизмы, автомобильные и/или железнодорожные магистрали.